标签：首部 IP 想法 计算机网络 地址 IPv4 IPv6 数据

IP 是互联网的核心协议。
互联网经过几十年的飞速发展，到 2011 年 2 月，IPv4 的 32 位地址已经耗尽。
ISP 已经不能再申请到新的 IP 地址块了。
我国在 2014 – 2015 年也逐步停止了向新用户和应用分配 IPv4 地址。
解决 IP 地址耗尽的根本措施就是采用具有更大地址空间的新版本的 IP，即 IPv6。

IPv6 的基本首部

• IPv6 仍支持无连接的传送，但将协议数据单元 PDU 称为分组。为方便起见，本书仍采用数据报这一名词。
• 所引进的主要变化如下：

1. 更大的地址空间。IPv6 将地址从 IPv4 的 32 位 增大到了 128 位。
2. 扩展的地址层次结构。
3. 灵活的首部格式。 IPv6定义了许多可选的扩展首部。
4. 改进的选项。 IPv6 允许数据报包含有选项的控制信息，其选项放在有效载荷中。
5. 允许协议继续扩充。
6. 支持即插即用（即自动配置）。因此 IPv6 不需要使用 DHCP。
7. 支持资源的预分配。 IPv6 支持实时视像等要求，保证一定的带宽和时延的应用。
8. IPv6 首部改为 8 字节对齐。首部长度必须是 8 字节的整数倍。原来的 IPv4 首部是 4 字节对齐。

IPv6 数据报的一般形式

IPv6 数据报由两大部分组成：

• 基本首部 (base header)
• 有效载荷 (payload)。有效载荷也称为净负荷。有效载荷允许有零个或多个扩展首部 (extension header)，再后面是数据部分。

IPv6 数据报的基本首部

IPv6 将首部长度变为固定的 40 字节，称为基本首部。
把首部中不必要的功能取消了，使得 IPv6 首部的字段数减少到只有 8 个。
IPv6 对首部中的某些字段进行了如下的更改：

• 版本(version)—— 4 位。它指明了协议的版本，对 IPv6 该字段总是 6。
• 通信量类(traffic class)—— 8 位。这是为了区分不同的 IPv6 数据报的类别或优先级。目前正在进行不同的通信量类性能的实验。
• 流标号(flow label)—— 20 位。 “流”是互联网络上从特定源点到特定终点的一系列数据报， “流”所经过的路径上的路由器都保证指明的服务质量。所有属于同一个流的数据报都具有同样的流标号。
• 有效载荷长度(payload length)—— 16 位。它指明 IPv6 数据报除基本首部以外的字节数（所有扩展首部都算在有效载荷之内），其最大值是 64 KB。
• 下一个首部(next header)—— 8 位。它相当于 IPv4 的协议字段或可选字段。
• 跳数限制(hop limit)—— 8 位。源站在数据报发出时即设定跳数限制。路由器在转发数据报时将跳数限制字段中的值减 1。当跳数限制的值为零时，就要将此数据报丢弃。
• 源地址—— 128 位。是数据报的发送站的 IP 地址。
• 目的地址—— 128 位。是数据报的接收站的 IP 地址。

IPv6 的扩展首部

• IPv6 把原来 IPv4 首部中选项的功能都放在扩展首部中，并将扩展首部留给路径两端的源站和目的站的主机来处理。
• 数据报途中经过的路由器都不处理这些扩展首部（只有一个首部例外，即逐跳选项扩展首部）。
• 这样就大大提高了路由器的处理效率。

六种扩展首部

在 RFC 2460 中定义了六种扩展首部：

1. 逐跳选项
2. 路由选择
3. 分片
4. 鉴别
5. 封装安全有效载荷
6. 目的站选项

IPv6 的地址

IPv6 数据报的目的地址可以是以下三种基本类型地址之一：

1. 单播 (unicast)：传统的点对点通信。
2. 多播 (multicast)：一点对多点的通信。
3. 任播 (anycast)：这是 IPv6 增加的一种类型。任播的目的站是一组计算机，但数据报在交付时只交付其中的一个，通常是距离最近的一个。

结点与接口

• IPv6 将实现 IPv6 的主机和路由器均称为结点。
• 一个结点就可能有多个与链路相连的接口。
• IPv6 地址是分配给结点上面的接口的。

1. 一个接口可以有多个单播地址。
2. 其中的任何一个地址都可以当作到达该结点的目的地址。即一个结点接口的单播地址可用来唯一地标志该结点。

冒号十六进制记法

• 在 IPv6 中，每个地址占 128 位，地址空间大于 3.4  1038 。
• 为了使地址再稍简洁些，IPv6 使用冒号十六进制记法(colon hexadecimal notation, 简写为 colon hex)。
• 每个 16 位的值用十六进制值表示，各值之间用冒号分隔。例如：
  68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF
• 在十六进制记法中，允许把数字前面的 0 省略。例如把 0000 中的前三个 0 省略，写成 1 个 0。

零压缩

• 冒号十六进制记法可以允许零压缩 (zero compression)，即一连串连续的零可以为一对冒号所取代。
  FF05:0:0:0:0:0:0:B3 可压缩为：
  FF05::B3
• 注意：在任一地址中只能使用一次零压缩。

点分十进制记法的后缀

• 冒号十六进制记法可结合使用点分十进制记法的后缀，这种结合在 IPv4 向 IPv6 的转换阶段特别有用。
• 例如：0:0:0:0:0:0:128.10.2.1
  再使用零压缩即可得出： ::128.10.2.1
• CIDR 的斜线表示法仍然可用。
• 例如：60 位的前缀 12AB00000000CD3 可记为：
  12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000/60
  或 12AB::CD30:0:0:0:0/60 （零压缩）
  或 12AB:0:0:CD30::/60 （零压缩）

IPv6 地址分类

• 未指明地址

1. 这是 16 字节的全 0 地址，可缩写为两个冒号“::”。
2. 这个地址只能为还没有配置到一个标准的 IP 地址的主机当作源地址使用。
3. 这类地址仅此一个。

• 环回地址

1. 即 0:0:0:0:0:0:0:1（记为 ::1）。
2. 作用和 IPv4 的环回地址一样。
3. 这类地址也是仅此一个。

• 多播地址

1. 功能和 IPv4 的一样。
2. 这类地址占 IPv6 地址总数的 1/256。

• 本地链路单播地址 (Link-Local Unicast Address)

1. 有些单位的网络使用 TCP/IP 协议，但并没有连接到互联网上。连接在这样的网络上的主机都可以使用这种本地地址进行通信，但不能和互联网上的其他主机通信。
2. 这类地址占 IPv6 地址总数的 1/1024。

• 全球单播地址

1. IPv6 的这一类单播地址是使用得最多的一类。
2. 曾提出过多种方案来进一步划分这 128 位的单播地址。
3. 根据 2006 年发布的草案标准 RFC 4291 的建议， IPv6 单播地址的划分方法非常灵活。

从 IPv4 向 IPv6 过渡

向 IPv6 过渡只能采用逐步演进的办法，同时，还必须使新安装的 IPv6 系统能够向后兼容：IPv6 系统必须能够接收和转发 IPv4 分组，并且能够为 IPv4 分组选择路由。

两种向 IPv6 过渡的策略：

• 使用双协议栈
• 使用隧道技术

双协议栈

• 双协议栈 (dual stack) 是指在完全过渡到 IPv6 之前，使一部分主机（或路由器）装有两个协议栈，一个 IPv4 和一个 IPv6。
• 双协议栈的主机（或路由器）记为 IPv6/IPv4，表明它同时具有两种 IP 地址：一个 IPv6 地址和一个 IPv4 地址。
• 双协议栈主机在和 IPv6 主机通信时是采用 IPv6 地址，而和 IPv4 主机通信时就采用 IPv4 地址。
• 根据 DNS 返回的地址类型可以确定使用 IPv4 地址还是 IPv6 地址。

隧道技术

• 在 IPv6 数据报要进入 IPv4 网络时，把 IPv6 数据报封装成为 IPv4 数据报，整个的 IPv6 数据报变成了 IPv4 数据报的数据部分。
• 当 IPv4 数据报离开 IPv4 网络中的隧道时，再把数据部分（即原来的 IPv6 数据报）交给主机的 IPv6 协议栈。
  

ICMPv6

• IPv6 也不保证数据报的可靠交付，因为互联网中的路由器可能会丢弃数据报。
• 因此 IPv6 也需要使用 ICMP 来反馈一些差错信息。新的版本称为 ICMPv6。
• 地址解析协议 ARP 和网际组管理协议 IGMP 协议的功能都已被合并到 ICMPv6 中。
  

ICMPv6 报文的分类

• CMPv6 是面向报文的协议，它利用报文来报告差错，获取信息，探测邻站或管理多播通信。
• ICMPv6 还增加了几个定义报文的功能及含义的其他协议。
  

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