一、由IPv4到IPv6
互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP，Internet Protocol）由第4版本（IPv4）升級(jí)為第6版本（IPv6）最直接的動(dòng)因是IP地址的匾乏。Internet應(yīng)用范圍的迅速擴(kuò)大和用戶數(shù)量指數(shù)級(jí)的增加，是當(dāng)初制訂IP地址字段長(zhǎng)度的人所始料未及。此外，原來的地址結(jié)構(gòu)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(kuò)展為128比特。這樣為適應(yīng)其地址字段的變化，并針對(duì)原IPv4的報(bào)文格式的不足，IPv6的報(bào)文（Datagram）格式也發(fā)生了變化，但此時(shí)稱之為IPv6的分組（Packet）格式了。IPv6的分組格式對(duì)IPv4的報(bào)文格式進(jìn)行了優(yōu)化簡(jiǎn)化。IPv6與IPv4相比其主要變化特征可歸結(jié)為下表1中的6方面。
表 1：IPv6分組與IPv4報(bào)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(shí)中為了延續(xù)原有的稱呼，有時(shí)也習(xí)慣性地將IPv6分組稱呼為IPv6報(bào)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(bào)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(jìn)制表示方式。最左側(cè)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(kuò)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(bào)文，IPv6取消了IPv4報(bào)文頭中的選項(xiàng)字段，并引入了多種擴(kuò)展分組頭，在提高處理效率的同時(shí)增強(qiáng)了IPv6的靈活性，為IP協(xié)議提供了良好的擴(kuò)展能力。
圖 2-2：IPv6分組（Packet）格式的構(gòu)成
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需要提示的是，下述只是僅對(duì)IPv6的分組格式（包括基本分組頭、擴(kuò)展分組頭和分組數(shù)據(jù)（載荷））各字段做一簡(jiǎn)要的介紹。由于在RFC 2460《IPv6規(guī)范》中，對(duì)各字段的含義及要求做了比較詳細(xì)的描述，內(nèi)容是較多的。因此，需要時(shí)可在該文檔查詢。
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三、IPv6基本分組頭的字段：
IPv6的基本分組頭（IPv6 Base Headers）是由8個(gè)固定長(zhǎng)度的字段構(gòu)成，相比IPv4，字段數(shù)由12個(gè)減少到8個(gè)，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(zhǎng)度與IPv4相同，其字段長(zhǎng)度仍是4比特。對(duì)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(jí)（Traffic Class）字段：
該字段長(zhǎng)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(diǎn)和中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)（Router）指明此IPv6分組傳輸服務(wù)級(jí)別或優(yōu)先級(jí)別。有關(guān)級(jí)別的劃分和代碼將在專門的標(biāo)準(zhǔn)中制定。
3、數(shù)據(jù)的流標(biāo)簽（Flow Label )字段：
此字段長(zhǎng)度為20比特，意在為發(fā)起節(jié)點(diǎn)制定對(duì)分組流的處理方式的機(jī)制，如非缺省服務(wù)質(zhì)量等級(jí)、“實(shí)時(shí)”數(shù)據(jù)流等。所謂數(shù)據(jù)流是在相同的“一對(duì)一”或“一對(duì)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(shí)，在此字段內(nèi)填入00001[Hex］~ FFFFF[Hex］之間的一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)，作為該數(shù)據(jù)流的標(biāo)志符[2、7]（注：有些像連接標(biāo)志符，無連接IP協(xié)議在處理連續(xù)流時(shí)，借用了面向連接協(xié)議中的連接標(biāo)志符的概念），當(dāng)發(fā)送方不使用此功能時(shí)，該字段全填為“0”，中間節(jié)點(diǎn)將忽略這一字段。
在RFC 2460的附錄A中描述了當(dāng)前Flow Label字段的預(yù)期語(yǔ)義和用法。在RFC 6437《IPv6 Flow Label Specification》中詳細(xì)描述了IPv6 Flow Label字段、IPv6節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽流的最低要求、IPv6節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)簽報(bào)文、建立流狀態(tài)的方法。
4、用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（Payload Length）字段：
此字段的長(zhǎng)度為16比特（無符號(hào)整數(shù)）。IPv6有效載荷的長(zhǎng)度，即，在這個(gè)IPv6報(bào)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(kuò)展頭都被認(rèn)為是有效負(fù)載的一部分，也就是說，包含在長(zhǎng)度計(jì)數(shù)中。）它取代了IPv4中的“報(bào)文頭長(zhǎng)度（IHL）”字段（4比特）。由于IPv4報(bào)頭可選部分長(zhǎng)度可變，因此用報(bào)頭長(zhǎng)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(kuò)展分組頭的類別。有關(guān)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(biāo)志符字段：
此字段的長(zhǎng)度為8比特。指明緊跟在IPv6分組頭后面的IPv6擴(kuò)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(hào)碼分配機(jī)構(gòu)（IANA）分配管理的。
表 3-5：IPv6下一分組頭字段的常見值及含義
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6、跨越節(jié)點(diǎn)數(shù)限制（Hop Limit）字段：
該字段的長(zhǎng)度為8比特（無符號(hào)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(diǎn)數(shù)替代IPv4中的在網(wǎng)中存活時(shí)間（秒）更具有可操作性。每經(jīng)過一個(gè)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，Hop Limit之值被減1；減到0時(shí)，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(duì)IPv6的地址有關(guān)結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的規(guī)定。
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四、IPv6擴(kuò)展分組頭：
1、概述
IPv6擴(kuò)展分組頭（IPv6 Extension Headers）其字段數(shù)及長(zhǎng)度時(shí)任意，理論上可以任意擴(kuò)展字段，具備優(yōu)異的靈活性和巨大的創(chuàng)新空間。擴(kuò)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(gè)擴(kuò)展分組頭或上層協(xié)議類型。非4字節(jié)整倍數(shù)時(shí)增加填充位（Padding）。
IPv6提供的擴(kuò)展分組頭是為網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)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(dú)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(bào)頭之間。有少量這樣的擴(kuò)展分組頭，每個(gè)都由一個(gè)不同的下一個(gè)報(bào)頭值標(biāo)識(shí)。如這些例子所示，一個(gè)IPv6數(shù)據(jù)包可以攜帶0個(gè)、1個(gè)或多個(gè)擴(kuò)展分組頭，每個(gè)擴(kuò)展分組頭由前一個(gè)分組頭的下一個(gè)分組頭字段標(biāo)識(shí)。
2、種類
目前的RFC 2460文本中定義了4種擴(kuò)展分組頭，它們分別是：逐段選項(xiàng)擴(kuò)展頭（Hop-by-Hop Options）、路徑選擇擴(kuò)展頭（Routing）、分片擴(kuò)展頭（Fragment）和目的地選項(xiàng)擴(kuò)展頭（Destination Options）；另外，RFC 2402定義了身份認(rèn)證擴(kuò)展頭（Authentication），RFC 2406定義了用戶安全數(shù)據(jù)封裝擴(kuò)展頭（Encapsulating Security Payload）。根據(jù)RFC 8200的定義，目前IPv6的擴(kuò)展分組頭以及排列順序?yàn)椋褐鹛x項(xiàng)擴(kuò)展頭、目的選項(xiàng)擴(kuò)展頭、路由擴(kuò)展頭、分片擴(kuò)展頭、認(rèn)證擴(kuò)展頭、安全數(shù)據(jù)封裝擴(kuò)展頭、目的選項(xiàng)擴(kuò)展頭和上層協(xié)議擴(kuò)展頭。下表4-2給出了上述某些擴(kuò)展分組頭的簡(jiǎn)介。
表 4-2：IPv6擴(kuò)展分組頭簡(jiǎn)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(kuò)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(kuò)展分組頭）和用戶數(shù)據(jù)信息部分最大長(zhǎng)度為65636字節(jié)。
六、IPv4與IPv6分組頭的簡(jiǎn)單比較
對(duì)比IPv4與IPv6的組成格式，我們可以對(duì)二者的分組頭固定部分的字段作如下對(duì)比，見下表6。
表 6：IPv4與IPv6報(bào)文頭/分組頭固定部分的字段對(duì)比
欲進(jìn)一步了解IPv4與IPv6在性能方面比較的請(qǐng)進(jìn)入。
