网络层——IPv6 概述
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IPv6 数据报
字段
在 2011 年 2 月，IANA 向一个区域注册机构分配完了未分配的 IPv4 地址的最后剩余地址池。这些注册机构可用的 IPv4 地址一旦用完，IPv4 地址就会耗尽，因此IPv6 技术就被开始进行研发部署。(原计划让 ST-2 作为 IPv5，但是 ST-2 后来就被舍弃了。)
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，它允许有零个或多个扩展首部 (extension header)，再后面是数据部分。
下面就让我们看看 IPv6 数据报有什么内容：
| 字段 | 作用 |
|---|---|
| 版本(version) | 占 4 位，表示协议版本 |
| 流量类型(traffic class) | 占 8 位，与 IPv4 的服务类型类似，区分不同的数据报 |
| 流标签(flow label) | 占 20 位，用来标识一段数据报的流，能够对一个流中的某些数据报给出优先权 |
| 有效载荷长度(payload length) | 占 16 位，给出了 IPv6 数据报出基本首部以外的字节数 |
| 下一个首部(next header) | 占 8 位，当 IPv6 数据报没有拓展首部时，指明数据应当交付给哪一个上层协议；当出现拓展首部时，标识后面第一个拓展首部的类型 |
| 跳数限制(hop limit) | 占 8 位，该字段类似于 IPv4 中的 TTL，每次转发跳数减 1，该字段达到0 时包将会被丢弃 |
| 源地址、目的地址(Address) | 各占 128 位，标识该报文的来源和目的地 |
观察以上字段，我们需要重点关注 3 个方面。首先是 IP 地址长度从 IPv4 的 32 bit 增加到了 128 bit，也就是说可以表示 2128 个 IP 地址。这个数量级可以为地球上的每一个砂砾都赋予一个 IP 地址，这就保证了全世界不会用尽 IP 地址。第二我们关注 40 字节的首部，这也就说明了 IPv4 的很多首部统统被舍弃了，这样路由器就能更快地处理 IP 数据报。
第三我们关注流标签，所谓“流”就是互联网络上从特定源点到特定终点的一系列数据报。因此“流标签”的一种解释是“给属于特殊流的分组加上标签，这些特殊流是发送方要求进行特殊处理的流，入一种分默认服务质量或需要实时服务的流。”其实这么说还是很含糊，就比如说音频流，这个流被标识出来之后就可以进行一些定制的操作。这个字段很耐人寻味，这为 IPv6 提供更强大的服务提供了健壮性的选择。
对比 IPv4
IPv6 数据报相对于 IPv4 数据报有很多删减的地方，如下表总结：
| IPv6 的修改 | 说明 |
|---|---|
| 取消了首部长度字段 | 它的首部长度是固定的（40 字节） |
| 取消了服务类型字段 | 优先级和流标号字段实现了服务类型字段的功能 |
| 取消了总长度字段 | 改用有效载荷长度字段 |
| 取消了标识、标志和片偏移字段 | 这些功能已包含在分片扩展首部中 |
| 把TTL字段改称为跳数限制字段 | 作用一样，名称与作用更加一致 |
| 取消了协议字段 | 改用下一个首部字段 |
| 取消了检验和字段 | 加快了路由器处理数据报的速度 |
| 取消了选项字段 | 用扩展首部来实现选项功能 |
这里关注 4 个方面。首先是分片与重组的问题，IPv6 数据报不允许在路由器上分片，这个操作只能在源和目的执行。如果中间遇到链路的 MTU 较小怎么办？这个时候路由器就直接丢包，然后向发送方发一个“分组太大”的 ICMP 报文，然后源就根据这个报文，把数据报分成更小的几个再重传。这种设计是合理的，因为路由器的分片是耗时的操作，这样可以是 IP 数据报转发的速度提高。
第二个我们关注首部校验和的问题，这个字段在 IPv6 中已经没了。因为在传输层、数据链路层协议中，有很多协议都有具备错误检测的功能，而首部校验和因为有 TTL 等参数变化，计算的开销很大。因此把这个字段去除之后，也可以提升 IP 数据报转发的速度。
第三个我们关注选项，这个字段在 IPv6 中已经没了，不过它的功能被归并到下一个首部字段中了。这种改动可以使得 IP 数据报的首部长度为定长，也就是 40 字节。
第四是 IPv6 中取消了校验和，这是因为：在数据链路层对检测出有差错的帧就丢弃；在运输层使用 UDP 时，若检测出有差错的用户数据报就丢弃；当使用 TCP 时，对检测出有差错的报文段就重传，直到正确传送到目的进程为止。因此在网络层的差错检测可以精简掉。
扩展首部
IPv6 把 IPv4 中的选项字段的功能用扩展首部取代，而且扩展首部的处理由源和目的端系统来处理。这种设计不仅使得数据报首部的长度可以固定，而且沿途的路由器都不用对除了逐跳选项以外的信息进行处理，这也提高了路由器转发的效率。
IPv6 地址
目的地址形式
一个 IPv6 数据报的目的地址可以是以下三种基本类型地址之一，其中任播是 IPv6 增加的一种类型。
| 目的地址类型 | 说明 |
|---|---|
| 单播 (unicast) | 传统的点对点通信 |
| 多播 (multicast) | 一点对多点的通信 |
| 任播 (anycast) | 任播的终点是一组计算机，但数据报在交付时只交付其中的一个。通常是按照路由算法得出的距离最近的一个 |
IPv6 将实现 IPv6 的主机和路由器均称为节点，一个节点可能有多个与链路相连的接口。IPv6 地址是分配给节点上接口的，一个具有多个接口的节点可以有多个单播地址，其中的任何一个地址都可以当作到达该节点的目的地址。
冒号十六进制记法
IPv6 中的每个地址占 128 位，地址空间大于 3.4×1038，如此大的地址空间使用 IPv4 的点分十进制数记法已不再合适。IPv6 使用冒号十六进制记法来表示，即 16 位的值用十六进制值表示，各值之间用冒号分隔。
IPv6 地址还适应零压缩、点分十进制记法的后缀技术，对地址进行压缩表示。零压缩指的是一串连续的零可以用一对冒号取代，例如 FF05:0:0:0:0:0:0:B3 可以压缩为 FF05::B3。为了保证零压缩有一个不含混的解释，在任一地址中只能使用一次零压缩。
结合使用点分十进制记法的后缀在 IPv4 向 IPv6 的转换阶段特别有用，例如 0:0:0:0:0:0:128.10.2.1 可以压缩为 ::128.10.2.1。CIDR 的斜线表示法仍然可用，但 IPv6 取消了子网掩码。例如：60 位的前缀 12AB00000000CD3 可记为以下 3 种形式：
- 12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000/60
- 12AB::CD30:0:0:0:0/60（零压缩）
- 12AB:0:0:CD30::/60 （零压缩）
地址分类
IPv6 地址分类如下表所示
| 地址类型 | 二进制前缀 | IPv6记法 |
|---|---|---|
| 未指明地址 | 00…0（128 位），仅此一个 | ::/128 |
| 环回地址 | 00…1（128 位），仅此一个 | ::1/128 |
| 多播地址 | 11111111（8 位），功能和 IPv4 的一样 | FF00::/8 |
| 本地链路单播地址 | 1111111010（10 位），未连接到互联网，不能和互联网上的其他主机通信 | FE80::/10 |
| 全球单播地址 | 除上述四种外，所有其他的二进制前缀 |
其中全球单播地址是 IPv6 中使用得最多的一类，其划分方法非常灵活，包括：
- 把整个的 128 比特都作为一个结点的地址；
- 用 n 比特作为子网前缀，用剩下的（128-n) 比特作为接口标识符（相当于 IPv4 的主机号)；
- 用 n 比特作为全球路由选择前缀，用 m 比特作为子网前缀，而用剩下的 (128-n-m）比特作为接口标识符。
向 IPv6 过渡
IPv4 要如何实现向 IPv6 的过渡呢？即使 IPv6 可以做到向后兼容，发送、路由和接收 IPv4 数据报，但是 IPv4 并不能够兼容 IPv6。第一种想法是约定一个日期，全球因特网的所有服务器全部改用 IPv6，这个明显很不现实。比较好的思路是逐步演进，慢慢地向 IPv6 进行过度。
双协议栈
所谓双协议栈技术，就是在完全过渡之前，先使一部分主机或路由器能够同时使用 IPv4 和 IPv6 进行通信，这样无论是接收到哪种数据报，都可以进行处理。但是由于二者不能兼容，主机要如何区分 IPv4 和 IPv6 地址呢？使用 DNS 进行解析，根据解析的结构判断使用什么样的处理方式。
这么做看似可行，但是会滋生很多问题。首先是主机或路由器需要有 2 套信息，分别是 IPv4 地址和 IPv6 地址，这增大了存储的开销。第二是每一跳都是用 DNS 进行解析，这也增大了时间上的开销，为 IP 协议实现快速传输造成了限制。第三也就是 IPv4 数据报被转换为 IPv6 数据报时，由于字段的不同将会造成数据的缺失，这是最要命的。
隧道技术
隧道技术是经实践证明性能不错，得到广泛应用的技术。思路是将 2 台 IPv6 路由器之间的 IPv4 路由器在逻辑上合并，当做是一个隧道。借助隧道，在发送端的 IPv6 节点可以将整个 IPv6 数据报放到 IPv4 数据报的有效载荷字段中。则在隧道中的 IPv4 路由器就正常地完成转发操作就行，和正常的数据报传输无异。当隧道接收端的 IPv6 节点收到数据报之后再提取并形成 IPv6 数据报即可。
概括一下，就是IPv6 数据报作为 IPv4 数据报被封装，穿越 IPv4 网络。整个过程就好像 IPv6 服务器之间直接相连接收数据报一样，兼容性和效率都很不错。
ICMPv6
IPv6 也需要使用 ICMP 来反馈一些差错信息，新的版本称为 ICMPv6。ICMPv6 比 ICMPv4 复杂得多，它合并了 ARP 和 IGMP 协议的功能。
ICMPv6 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。有的报文分类策略把其中的一些报文定义为 ICMPv6 报文，而把另一些报文定义为邻站发现 ND（Neighbor-Discovery)报文或多播听众交付 MLD（Multicast Listener Delivery)报文。所有这些报文都应当是 ICMPv6 报文，只是功能和作用不同。
参考资料
《计算机网络(第七版)》 谢希仁 著，电子工业出版社
《计算机网络 自顶向下方法》 [美] James F.Kurose,Keith W.Ross 著，陈鸣 译，机械工业出版社
浙公网安备 33010602011771号