一、由IPv4到IPv6

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)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(shù)量指數(shù)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(fā)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(yōu)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(xiàn)實中為了延續(xù)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(shù)據(jù)單元，仍然保持了IPv4報文格式的4字節(jié)為一單元，每單元從左至右為第0字節(jié)到底4字節(jié)，每字節(jié)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(xié)議數(shù)據(jù)（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(xié)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(shù)據(jù)（載荷））各字段做一簡要的介紹。由于在RFC 2460《IPv6規(guī)范》中，對各字段的含義及要求做了比較詳細的描述，內(nèi)容是較多的。因此，需要時可在該文檔查詢。

欲詳細了解RFC 2460文檔具體內(nèi)容的請進入。

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(shù)由12個減少到8個，但字節(jié)數(shù)由20字節(jié)，增加為40字節(jié)。

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(guī)定的。

2、用戶數(shù)據(jù)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(fā)起節(jié)點和中轉節(jié)點（Router）指明此IPv6分組傳輸服務級別或優(yōu)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(shù)據(jù)的流標簽（Flow Label )字段：

此字段長度為20比特，意在為發(fā)起節(jié)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(shù)據(jù)流等。所謂數(shù)據(jù)流是在相同的“一對一”或“一對多”（廣播或組播）地址間連續(xù)分組流。發(fā)送方要使用此功能時，在此字段內(nèi)填入00001[Hex］~ FFFFF[Hex］之間的一個偽隨機數(shù)，作為該數(shù)據(jù)流的標志符[2、7]（注：有些像連接標志符，無連接IP協(xié)議在處理連續(xù)流時，借用了面向連接協(xié)議中的連接標志符的概念），當發(fā)送方不使用此功能時，該字段全填為“0”，中間節(jié)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(jié)點標簽流的最低要求、IPv6節(jié)點轉發(fā)標簽報文、建立流狀態(tài)的方法。

4、用戶數(shù)據(jù)長度（Payload Length）字段：

此字段的長度為16比特（無符號整數(shù)）。IPv6有效載荷的長度，即，在這個IPv6報頭之后的數(shù)據(jù)包的其余部分，以八位字節(jié)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(shù)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(shù)據(jù)（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(xié)議（Protocol）”字段編碼相同（由RFC 1700規(guī)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(xié)議類型（如TCP、UDP或ICMPv6等），編碼規(guī)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(lián)網(wǎng)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

欲詳細了解IPv6下一分組頭字段的全部值（0~255）的請進入。

6、跨越節(jié)點數(shù)限制（Hop Limit）字段：

該字段的長度為8比特（無符號整數(shù)）。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(jié)點數(shù)替代IPv4中的在網(wǎng)中存活時間（秒）更具有可操作性。每經(jīng)過一個中轉節(jié)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(jié)（32比特）增加為16字節(jié)（128比特），以解決lPv4的4字節(jié)地址的不足。RFC 2373對IPv6的地址有關結構做了詳細的規(guī)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(shù)及長度時任意，理論上可以任意擴展字段，具備優(yōu)異的靈活性和巨大的創(chuàng)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(xié)議類型。非4字節(jié)整倍數(shù)時增加填充位（Padding）。

IPv6提供的擴展分組頭是為網(wǎng)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(xié)議數(shù)據(jù)單元之前。在IPv6中，可選的互聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)封裝擴展頭（Encapsulating Security Payload）。根據(jù)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(shù)據(jù)封裝擴展頭、目的選項擴展頭和上層協(xié)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(shù)據(jù)

IPv6的數(shù)據(jù)即用戶間要傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)，即上層協(xié)議數(shù)據(jù)（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(jié)，加上可選字段（擴展分組頭）和用戶數(shù)據(jù)信息部分最大長度為65636字節(jié)。

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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