IPv4与IPv6数据包格式

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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