IPv4与IPv6数据包格式
https://blog.csdn.net/frank_jb/article/details/45093615
本文给出IPv4与IPv6数据报格式示意图，并整理了各个字段含义，最后对比IPv4与IPv6数据报格式的区别。
一、IPv4数据报
图1 IPv4数据报格式
版本号(version)
不同的IP协议版本使用不同的数据报格式。
首部长度(HL, Internet Head Length)
确定IP数据报中数据部分实际从哪里开始，包含可变数量的选项。若IP数据报没有包含选项，则IP数据报首部长度为20字节。
服务类型(TOS, Type Of Service)
更好地服务不同类型IP数据报(如实时数据报IP电话应用、非实时通信流FTP)，Cisco将TOS前3位标识不同服务等级，即优先级。
数据报长度(TL, Total Length)
IP数据报长度，即首部+数据。
分片：标识(identification)、标志(flags)、段位移(Fragment Offset)
这3个字段跟IP分片有关，当目的主机从同一个源收到一批数据报时，需要确定这些数据报是完整数据报还是分片后的数据报，数据报首部标识字段解决这个问题，检查数据报的标识号确定哪些数据报真正是同一个较大数据报的片；如何判断最后一个分片已收到，数据报首部标志字段解决这个问题，将最后一片的标志为0，其他标记为1；如何顺序重组这些片，这就需要记录每个片的在数据报有效净荷的偏移量，这也确定了片是否丢失。若丢失某些片，则丢弃这个不完整的数据报(不会交给传输层)。需要可靠传输怎么办呢，由传输层让源重传原始数据摄中的数据(如TCP)。
寿命(TTL, Time To Live)
每次数据报经过一台路由器时，该字段的值减1，若TTL字段减为0，则丢弃该数据报，从而确保数据报不会永远在网络循环。
上层协议(Protocol)
该字段用于指明IP数据报的数据部分应该交给哪个传输层协议(6为TCP、17为UDP)。
首部检查和(Header Checksum)
只是对IP首部进行检验，对整个TCP/UDP报文段检验交由TCP/UDP完成。将首部中的每两个字节当作一个数，用反码运算对这些数求和，该和按1补码值存放在检查和字段。当路由器收到IP数据报时，计算其首部检查和，与该字段值比较，若出错则丢弃该数据报。
注：因为TTL字段及选项字段可能改变，所以每个路由器上的检查和都须重新计算并存放在原处。(检查后，再更新)
源和目的IP地址(Source/Destination Address)
选项(Options)
选项字段允许IP首部被扩展，由此导致数据报首部长度可变，故不能预先确定数据字段从何开始，同时也使路由器处理一个IP数据报所需时间差异很大(有的要处理选项，有的不需要)。
数据(Data)
当使用TCP/UDP协议时，数据即为传输层报文段(TCP/UDP)。数据字段也可承载其他类型数据，如ICMP报文段。
二、IPv6数据报
图2 IPv6数据报格式
版本号(version)
不同的IP协议版本使用不同的数据报格式。
通信量等级(Traffic Classes)
使得源节点和路由器能够识别IPv6信息包的优先级。与IPv4服务类型TOS字段含义类似。
流标签(Flow Label)
标记那些需要IPv6路由器特殊处理(如一种非默认服务质量或实时服务)的信息包顺序。
有效负载长度(Payload Length)
定长40字节数据报首部后面的字节数量，包括扩展报头和负载数据，即数据报长度-40。
下一个首部(Next Header)
当IPv6没有扩展报头时，该字段的作用和IPv4的上层协议字段一样。当含有扩展报头时，该字段的值即为第一个扩展报头的类型。
跳限制(Hop Limit)
转发数据报的每台路由器对该字段的值减1，若减为0则丢弃该数据报。
源和目的IP地址(Source/Destination Address)
数据(Data)
当数据报到达目的地时，该有效载荷就从IP数据报移出，并交给下一个首部字段中指定的协议。
源和目的IP地址(Source/Destination Address)
选项(Options)
选项字段允许IP首部被扩展，由此导致数据报首部长度可变，故不能预先确定数据字段从何开始，同时也使路由器处理一个IP数据报所需时间差异很大(有的要处理选项，有的不需要)。
数据(Data)
当使用TCP/UDP协议时，数据即为传输层报文段(TCP/UDP)。数据字段也可承载其他类型数据，如ICMP报文段。
三、区别
3.1 首部长度
首部长度可变，IPv4首部的选项字段允许IP首部被扩展，由此导致数据报首部长度可变，故不能预先确定数据字段从何开始，同时也使路由器处理一个IP数据报所需时间差异很大(有的要处理选项，有的不需要)。基于此，IPv6采用固定40字节长度的报头长度(称基本报头)。IPv6如何实现IPv4选项字段类似的功能，答案是扩展报头，并由IPv6基本报头的下一个首部指向扩展报头(如果有的话)。路由器不处理扩展报头，提升了路由器处理效率。
3.2 分片/重组
IPv6，分片与重组只能在源与目的地上执行，不允许在中间路由器进行。分片与重组是个耗时的操作，将该功能从路由器转移到端系统，大大加快了网络中的IP转发速率。那，如果路由器收到IPv6数据报太大而不能转发到出链路上怎么办？该路由器丢弃该包，并向发送发发回一个"分组太大"的ICMP差错报文，于是发送发使用较小长度的IP数据报重发数据。
3.3 首部检查和
每个路由器上，IPv4首部检查和都需要重新计算，是一项耗时操作。加之，传输层和链接层协议执行了检验操作，网络传输可靠性提升，所以IPv6不进行首部检查和，从而更快速处理IP分组。
既然IPv6有如此之多优势，那么，接下来的问题，如何从IPv4向IPv6迁移？
参考资料：
[1] 《TCP/IP指南》
[2] 《计算机网络--自顶向下方法与Internet特色》[M].
[3] 基于6LoWPAN的IPv6无线传感器网络的研究与实现[D].上海交通大学.
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IPv6数据报头部格式
https://blog.csdn.net/u011784495/article/details/71693296
文章摘自书籍《深入理解计算机网络 王达 机械工业出版社》
IPv4数据报头格式请点击此处
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。