IPv6数据报头部格式

文章摘自书籍《深入理解计算机网络 王达 机械工业出版社》
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IPv6数据报头部格式

RFC2460定义了IPv6数据报格式。总体结构上，IPv6数据报格式与IPv4数据报格式是一样的，也是由IP报头和数据（在IPv6中称为有效载荷）这两个部分组成的，但在IPv6数据报数据部分还可以包括0个或者多个IPv6扩展报头（Extension header）， 如下图所示。IP报头部分固定为40字节长度，而有效载荷部分最长不得超过65535字节。

IPv6和IPv4之间的最大差别在于：IP地址的长度从32位到128位。
通过裁剪IPv4报头中的某些字段，或把一些字段移入到扩展报头中，IPv6基本报头的总长度大大减小了。IPv6使用固定长度的基本报头，从而简化了转发设备对IPv6报文的处理，提高了转发效率。尽管IPv6地址长度是IPv4地址长度的4倍，但IPv6基本报头的长度只有40字节，为固定的IPv4报文头长度（不包括选项字段）的2倍。IPv5报头格式如下图所示。

图片来源：https://www.oschina.net/news/29748/from-ipv4-to-ipv6

各字段作用

版本（Version）

版本字段用来表示IP数据报使用的是IPv6协议封装，占4位，对应值为6（0110）。

通信分类（Traffic Class）

通信分类字段用来标识对应IPv6的通信流类别，或者说是优先级别，占8位，类似于IPv4中的ToS（服务类型）字段。

流标签（Flow Label）

流标签字段时IPv6数据报中新增的一个字段，占20位，可用来标记报文的数据流类型，以便在网络层区分不同的报文。流标签字段有源节点分配，通过流标签、源地址、目的地址三元组方式就可以唯一标识一条通信流，而不用像IPv4那样需要使用五元组方式（源地址、目的地址、源端口、目的端口和传输层协议号）。这样发动的最大好处有两点：一是流标签可以和任意的关联，需要标识不同类型的流（可以是非五元组）时，无需对流标签做改动；二是流标签在IPv6基本头中，使用IPSec时此域对转发路由器可见，因此转发路由器可以在使用IPv6报文IPSec的情况下仍然可以通过三元组（流标签、源地址、目的地址）针对特定的流进行QoS（质量服务）处理。

有效载荷长度（PayLoad Length）

有效载荷长度字段是以字节为单位的标识IPv6数据报中有效载荷部分（包括所有扩展报头部分）的总长度，也就是除了IPv6的基本报头以外的其他部分的总长度，占20位。

下一个头部（Next Header）

下一个头部字段用来标识当前报头（或者扩展报头）的下一个头部类型，占8位。每种扩展报头都有其对应的值。下一个头部字段内定义的扩展报头类型与IPv4中的协议字段值类似，但在IPv6数据报中，紧接着IPv6报头的可能不是上层协议头部（当没有扩展报头或者为最后一个扩展报头时才是上层协议头），而是IPv6扩展报头。这一机制下处理扩展报头更搞笑，因为标识了数据报中对应的上层协议或者扩展报头类型，转发路由器只需处理必须处理的扩展报头，提高了转发效率。

跳数限制（Hop Limit）

跳数限制于IPv4报文中的TTL字段类似，指定了报文可以有效转发的次数，占8位。报文每经过一个路由器结点，跳数值就减1，当此字段值减到0时，则直接丢弃该报文。

源地址（Source IP Address）

源IP地址字段标识了发送该IPv6报文源节点的IPv6地址，占128位。

目的IP地址（Destination IP Address）

目的IP地址字段标识了IPv6报文的接受节点的IPv6地址，占128位。

IPv6扩展报头

在各字段介绍中我们讲到了，IPv6报文中可以携带可选的IPv6扩展报头。IPv6扩展报头是跟在IPv6基本报头后面的可选报头。由于在IPv4的报头中包含了几乎所有的可选项，因此每个中间路由器都必须检查这些选项是否存在。在IPv6中，这些相关选项被统一移到了扩展报头中，这样中间路由器不必处理每一个可能出现的选项（仅有“逐跳选项”报头是必须要处理的），提高了处理器处理数据报文的速度，也提高了其转发的性能。
IPv6扩展报头附加在IPv6报头目的IP地址字段后面，可以有0个，或者多个扩展报头。主要的IPv6扩展报头有一下几类：

逐跳选项头（Hop-by-hop Options Header）

本扩展报头类型值为0（在IPv6报头下一个头部字段中定义，下同）。此扩展报头须被转发路径所有节点处理。目前在路由告警（RSVP和MLDv1）与Jumbo帧处理中使用了逐跳选项头，因为路由告警需要通知到转发路径中所有结点，而Jumbo帧是长度超过65535字节的报文，传输这种报文需要转发路径中所有结点都能正常处理。

目的选项头（Destination Options Header）

本扩展报头类型值为60。只可能出现在两个位置：
1. 路由头前，这是此选项头被目的节点和路由头中指定的结点处理；
2. 上层头前（任何的ESP头后），此时只能被目的结点处理。
移动IPv6中使用了目的选项头，称为家乡地址选项。家乡地址选项由目的选项头携带，用以移动结点离开“家乡”后通知接受节点此移动结点对应的家乡地址。接受节点收到带有家乡地址选项的报文后，会把家乡地址选项中的源地址（移动节点的家乡地址）和报文中源地址（移动节点的转交地址）交换，这样上层协议始终认为是在和移动节点的家乡地址通信，实现了移动漫游功能。

路由头（Routing Header）

本扩展报头类型值为43，用于源路由选项和移动IPv6。

分段头

本扩展报头类型值为44，用于标识数据报的分段，在IPv4中就有对应的字段。当源节点发送的报文超过传输链路MTU（源节点和目的节点之间传输路径的MTU）时，需要对报文进行分段时使用。

认证头

本扩展报头类型值为51，用于IPSec，提供报文验证，完整性检查。

封装安全有效载荷头

本扩展头类型值为50，用于IPSec，提供报文验证、完整性检查差和加密。

上层头

这是用来标识数据报中上层协议类型，如TCP、UDP、ICMP等。

注意：目的选项头最多出现两次，一次在路由头前，一次在上层协议头前，其他选项头最多只能出现一次。IPv6节点必须能够处理选项头（逐跳选项头除外，它固定只能紧随基本报头之后）在任意位置出现，以保证互通性。

总结

对比IPv4数据报头部格式可以看出，IPv6去除了IPv4报头中的头部长度、标识、标志、段偏移、校验和、选项、填充这么多字段，却只增加了流标签这一个字段，因此IPv6报头处理和IPv4报头处理相比大大简化，提高了处理效率。另外，IPv6为了更好地支持各种选项处理，提出了扩展头的概念，新增选项时不必修改现有的结构就能做到，理论上可以无限扩展，体现了优异的灵活性。