一、由IPv4到IPv6

互聯網協議（IP，Internet Protocol）由第4版本（IPv4）升級為第6版本（IPv6）最直接的動因是IP地址的匾乏。Internet應用范圍的迅速擴大和用戶數量指數級的增加，是當初制訂IP地址字段長度的人所始料未及。此外，原來的地址結構也不盡合理，利用率不高，也缺少更大地靈活性。因此，IPv6將IPv4的32比特地址字段直接擴展為128比特。這樣為適應其地址字段的變化，并針對原IPv4的報文格式的不足，IPv6的報文（Datagram）格式也發生了變化，但此時稱之為IPv6的分組（Packet）格式了。IPv6的分組格式對IPv4的報文格式進行了優化簡化。IPv6與IPv4相比其主要變化特征可歸結為下表1中的6方面。

表 1：IPv6分組與IPv4報文相比其主要變化特征

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二、IPv6的分組格式

下圖2-1為IPv6分組（Packet）格式（注意：現實中為了延續原有的稱呼，有時也習慣性地將IPv6分組稱呼為IPv6報文）。由圖可知，IPv6分組（Packet）格式的IP的基本數據單元，仍然保持了IPv4報文格式的4字節為一單元，每單元從左至右為第0字節到底4字節，每字節從左至右為第0比特到第7比特的二進制表示方式。最左側的位是高階或最高有效位。

圖 2-1：IPv6分組（Packet）格式

IPv6分組格式是由IPv6基本分組頭、IPv6擴展分組頭以及上層協議數據（載荷）三部分組成，如下圖2-2所示。相比于IPv4報文，IPv6取消了IPv4報文頭中的選項字段，并引入了多種擴展分組頭，在提高處理效率的同時增強了IPv6的靈活性，為IP協議提供了良好的擴展能力。

圖 2-2：IPv6分組（Packet）格式的構成

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需要提示的是，下述只是僅對IPv6的分組格式（包括基本分組頭、擴展分組頭和分組數據（載荷））各字段做一簡要的介紹。由于在RFC 2460《IPv6規范》中，對各字段的含義及要求做了比較詳細的描述，內容是較多的。因此，需要時可在該文檔查詢。

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三、IPv6基本分組頭的字段：

IPv6的基本分組頭（IPv6 Base Headers）是由8個固定長度的字段構成，相比IPv4，字段數由12個減少到8個，但字節數由20字節，增加為40字節。

1、版本（Version）字段：

該字段的含義和長度與IPv4相同，其字段長度仍是4比特。對IPv6版本其字段取值為“6”，是由RFC 1700規定的。

2、用戶數據等級（Traffic Class）字段：

該字段長度為8比特，是IPv4中“TOS（Type of  Service）”字段的替代物（也為8比特。其目的在于為發起節點和中轉節點（Router）指明此IPv6分組傳輸服務級別或優先級別。有關級別的劃分和代碼將在專門的標準中制定。

3、數據的流標簽（Flow Label )字段：

此字段長度為20比特，意在為發起節點制定對分組流的處理方式的機制，如非缺省服務質量等級、“實時”數據流等。所謂數據流是在相同的“一對一”或“一對多”（廣播或組播）地址間連續分組流。發送方要使用此功能時，在此字段內填入00001[Hex］~ FFFFF[Hex］之間的一個偽隨機數，作為該數據流的標志符[2、7]（注：有些像連接標志符，無連接IP協議在處理連續流時，借用了面向連接協議中的連接標志符的概念），當發送方不使用此功能時，該字段全填為“0”，中間節點將忽略這一字段。

在RFC 2460的附錄A中描述了當前Flow Label字段的預期語義和用法。在RFC 6437《IPv6 Flow Label Specification》中詳細描述了IPv6 Flow Label字段、IPv6節點標簽流的最低要求、IPv6節點轉發標簽報文、建立流狀態的方法。

4、用戶數據長度（Payload Length）字段：

此字段的長度為16比特（無符號整數）。IPv6有效載荷的長度，即，在這個IPv6報頭之后的數據包的其余部分，以八位字節為單位。（注意，任何擴展頭都被認為是有效負載的一部分，也就是說，包含在長度計數中。）它取代了IPv4中的“報文頭長度（IHL）”字段（4比特）。由于IPv4報頭可選部分長度可變，因此用報頭長度字段來定界。IPv6將可選部分放入用戶數據（Payload）部分，由分組頭中8比特的“下一頭（Next Header）”字段來指明在Payload中緊跟IPv6分組頭固定部分之后的擴展分組頭的類別。有關編碼與IPv4中“協議（Protocol）”字段編碼相同（由RFC 1700規定）。

5、下一分組頭（Next Header）標志符字段：

此字段的長度為8比特。指明緊跟在IPv6分組頭后面的IPv6擴展分組頭或IP層之上的協議類型（如TCP、UDP或ICMPv6等），編碼規則與IPv4的Protocol字段相同，由RFC 1700界定。其IPv6下一分組頭字段的常見值及含義詳見下表3-5。IPv6下一分組頭字段的全部值（0~255）是由互聯網號碼分配機構（IANA）分配管理的。

表 3-5：IPv6下一分組頭字段的常見值及含義

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6、跨越節點數限制（Hop Limit）字段：

該字段的長度為8比特（無符號整數）。它是IPv4中“存活期（Time To Live）”字段（也為8比特）的替代物。IPv6用跨越節點數替代IPv4中的在網中存活時間（秒）更具有可操作性。每經過一個中轉節點，Hop Limit之值被減1；減到0時，該分組被丟棄。

7、源地址／目的地址（Source/Destination Address）字段：

IPv6的地址字段（包括源地址和目的地址）由IPv4的4字節（32比特）增加為16字節（128比特），以解決lPv4的4字節地址的不足。RFC 2373對IPv6的地址有關結構做了詳細的規定。

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四、IPv6擴展分組頭：

1、概述

IPv6擴展分組頭（IPv6 Extension Headers）其字段數及長度時任意，理論上可以任意擴展字段，具備優異的靈活性和巨大的創新空間。擴展分組頭中Next header字段與基本分組頭的Next header作用相同，指明下一個擴展分組頭或上層協議類型。非4字節整倍數時增加填充位（Padding）。

IPv6提供的擴展分組頭是為網絡層的可選功能，從某種意義上講也可以看做是IP子層之上的控制/增強子層的功能。這些字段將置于IPv6固定分組頭之后，但在傳送層協議數據單元之前。在IPv6中，可選的互聯網層信息被編碼在單獨的分組頭中，這些分組頭可能被放置在數據包的IPv6分組頭和上層報頭之間。有少量這樣的擴展分組頭，每個都由一個不同的下一個報頭值標識。如這些例子所示，一個IPv6數據包可以攜帶0個、1個或多個擴展分組頭，每個擴展分組頭由前一個分組頭的下一個分組頭字段標識。

2、種類

目前的RFC 2460文本中定義了4種擴展分組頭，它們分別是：逐段選項擴展頭（Hop-by-Hop Options）、路徑選擇擴展頭（Routing）、分片擴展頭（Fragment）和目的地選項擴展頭（Destination Options）；另外，RFC 2402定義了身份認證擴展頭（Authentication），RFC 2406定義了用戶安全數據封裝擴展頭（Encapsulating Security Payload）。根據RFC 8200的定義，目前IPv6的擴展分組頭以及排列順序為：逐跳選項擴展頭、目的選項擴展頭、路由擴展頭、分片擴展頭、認證擴展頭、安全數據封裝擴展頭、目的選項擴展頭和上層協議擴展頭。下表4-2給出了上述某些擴展分組頭的簡介。

表 4-2：IPv6擴展分組頭簡介

五、IPv6的數據

IPv6的數據即用戶間要傳輸的信息數據，即上層協議數據（載荷），此字段緊跟IP擴展分組頭之后。IP分組頭固定部分為40字節，加上可選字段（擴展分組頭）和用戶數據信息部分最大長度為65636字節。

六、IPv4與IPv6分組頭的簡單比較

對比IPv4與IPv6的組成格式，我們可以對二者的分組頭固定部分的字段作如下對比，見下表6。

表 6：IPv4與IPv6報文頭/分組頭固定部分的字段對比

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