IPv6報文格式淺析

尚建貞

摘 要：文章論述了IPv6基本報頭的格式，以及所包含的8個域的定義以及功能。同時，對6個擴(kuò)展報頭和完整的IPv6數(shù)據(jù)報文格式也進(jìn)行了說明。

關(guān)鍵詞：IPv6；報文格式；基本報頭；擴(kuò)展報頭

1 引言

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)特別是Internet的飛速發(fā)展，目前基于IPv4的互聯(lián)網(wǎng)在實際運(yùn)行中暴露出越來越多的不足和缺憾，例如：網(wǎng)絡(luò)安全性差，服務(wù)質(zhì)量低下，地址空間規(guī)劃不合理等。這些問題嚴(yán)重制約著當(dāng)代互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)行的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IPv4無法從根本上解決這些問題，于是一種全新的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議IPv6應(yīng)運(yùn)而生。

2 IPv6報文格式

IPv6數(shù)據(jù)包的基本報頭長度固定為40個字節(jié)，其格式如圖2.1。基本包頭包括8個域，去掉了IPv4報頭中所有的可選項。

所包含的8個域簡要介紹如下：

（1）版本Version（4bits）：表示與數(shù)據(jù)包對應(yīng)的IP協(xié)議的版本號，IPv4的版本號為4，IPv6的版本號固定為6；

（2）業(yè)務(wù)流類別Traffic Class（8bits）：或者稱為數(shù)據(jù)包優(yōu)先級（Packet priority），可以賦予數(shù)據(jù)包不同的優(yōu)先級，提供不同的服務(wù)，主要用于實時類的數(shù)據(jù)傳輸如音頻視頻等，有助于提升QoS，該字段用以代替IPv4中的TOS（Type of Server）字段。RFC2460文檔中對該字段進(jìn)行定義。

（3）流標(biāo)簽Flow Label（20bits）：是IPv6的新增字段，源節(jié)點用此字段識別同一個流的數(shù)據(jù)包。源地址和一個非0的Flow Label可以標(biāo)識同一個流的數(shù)據(jù)包。源節(jié)點和同一個目的節(jié)點可以同時存在多個活動的流業(yè)務(wù)，并且互不干涉。網(wǎng)絡(luò)上的IPv6路由器要給與屬于同一個流的數(shù)據(jù)包同樣的資源分配，提供同樣的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

（4）凈荷長度Payload Length（16bits） ：此字段標(biāo)明除去基本首部外數(shù)據(jù)包的總長度，包括所有的擴(kuò)展報頭和上層PDU數(shù)據(jù)所占的字節(jié)數(shù)。因為該字段是16bits，所以最多可以表示64KB的長度，如果實際凈荷超過這個數(shù)值，則該字段置“0”，需要使用擴(kuò)展頭部的逐跳選項首部（Hop-by-Hop Options Header）中的巨量凈荷選項。

（5）下一首部Next Header（8bits）：形成一個擴(kuò)展首部鏈。它類似于IPv4里面的“協(xié)議字段”或“可選字段”，這是IPv6對IPv4協(xié)議的一個重要改進(jìn)，將IPv4報頭的可選字段摒棄，放到擴(kuò)展報頭里面。該字段標(biāo)明此IPv6數(shù)據(jù)包是否包含擴(kuò)展首部。字段的不同取值所代表的協(xié)議。

（6）跳數(shù)限制Hop Limit（8bits）：該字段代替IPv4協(xié)議的TTL字段。但此字段不再以秒為單位，而是以路由器之間轉(zhuǎn)發(fā)的“跳”為單位；此字段初始值設(shè)置為128，當(dāng)某節(jié)點對此數(shù)據(jù)包進(jìn)行一次轉(zhuǎn)發(fā)后，字段的值就減1，當(dāng)路由器檢測到此字段為0時則放棄處理，數(shù)據(jù)包自動丟棄。

（7）源地址（source address），128位：標(biāo)識發(fā)送數(shù)據(jù)包的源節(jié)點的IPv6地址。

（8）目的地址（destination address），128位：標(biāo)識接收數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點的IPv6地址。

IPv6協(xié)議在設(shè)計的時候就摒棄了IPv4中的選項字段，使用擴(kuò)展報頭的方法來滿足不同數(shù)據(jù)包的特殊要求。IPv6的基本報頭和他的載荷數(shù)據(jù)之間可以存在一個或者多個擴(kuò)展報頭。一般情況下，一個典型的IPv6數(shù)據(jù)包是沒有擴(kuò)展報頭的，如果需要目的節(jié)點或者中間的路由器做某些特殊處理的時候，發(fā)送方的源節(jié)點才會添加一個或者多個擴(kuò)展報頭。而且，IPv6協(xié)議中擴(kuò)展報頭的長度是任意的，不像IPv4中，有40個字節(jié)的限制；但是為了提高節(jié)點對報頭的處理效率，擴(kuò)展報頭的長度總是八字節(jié)長度的整數(shù)倍。

在RFC2460中，定義了6個IPv6的擴(kuò)展報頭：

（1）逐跳選項首部（Hop-by-Hop Options Header），數(shù)字標(biāo)識為59；主要定義路由器逐跳處理時所需要的一些特殊選項，包括數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中，路由器所必須檢查和處理的一些特殊的參數(shù)選項。

（2）目的選項首部（Destination Options Header），數(shù)字標(biāo)識為60；提供目的節(jié)點信息，用于表示由最終目的節(jié)點或者中間目的節(jié)點檢查的信息。如果擴(kuò)展頭部中包含源路由選擇首部，那么鏈路中所有的中間處理路由器都要對數(shù)據(jù)包的這個首部進(jìn)行處理，如果擴(kuò)展頭部不包含此選項，則只有目的節(jié)點才對這些選項進(jìn)行處理。

（3）源路由選擇首部（Routing Header），標(biāo)識為43；提供路由擴(kuò)展功能。可以控制分組在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸路徑，指明數(shù)據(jù)包從源節(jié)點到目的節(jié)點所要經(jīng)過的路徑。

（4）分片首部（Fragment Header），數(shù)字標(biāo)識為44；包括數(shù)據(jù)包分段和重組的信息。當(dāng)數(shù)據(jù)包的長度大于物理網(wǎng)絡(luò)的MTU（Maximum Transmission Unit，最大傳輸單元）時，源節(jié)點需要對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分段傳輸，并在這個頭部提供數(shù)據(jù)包重組的信息。IPv6協(xié)議中的分段與IPv4的分段重組有著的本質(zhì)區(qū)別：在IPv6協(xié)議機(jī)制中，所有的路由器不負(fù)責(zé)對超長度的數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆分；只有發(fā)送端的源節(jié)點才負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的分段工作；IPv6通過MTU發(fā)現(xiàn)技術(shù)，保證數(shù)據(jù)包與網(wǎng)絡(luò)最大傳輸單元的匹配。

（5）認(rèn)證首部（AH：Authentication Header），數(shù)字標(biāo)識為51；保證分組的完整性，提供源節(jié)點的身份認(rèn)證服務(wù)和反重播保護(hù)；但認(rèn)證首部不對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，需要數(shù)據(jù)加密的數(shù)據(jù)包，可以結(jié)合ESP首部使用。

（6）封裝安全載荷首部（ESP：Encapsulating Security Payload Header），數(shù)字標(biāo)識為50；提供網(wǎng)絡(luò)層的加密功能，保證數(shù)據(jù)的安全性和一致性。

不帶擴(kuò)展首部的IPv6數(shù)據(jù)包，只包含一個基本頭部和數(shù)據(jù)，格式如圖2.2：

帶一個路由選項首部的IPv6分組的格式如圖2.3：

帶兩個擴(kuò)展報頭（路由選項首部，分段首部）的IPv6分組格式如圖2.4：

一個完整的IPv6分組可以包含多個擴(kuò)展首部，但這些擴(kuò)展首部只能在一個數(shù)據(jù)包中出現(xiàn)一次。但有一個例外：如果分組中攜帶有路由選項擴(kuò)展首部的話，目的選項首部，可以出現(xiàn)多次。

在文檔RFC1883中規(guī)定了擴(kuò)展報頭的排列順序，如表2.1所示。

表2.1 IPv6擴(kuò)展報頭的排列順序

序號 擴(kuò)展報頭內(nèi)容

1 IPv6報頭

2 逐跳選項報頭

3 目的選項報頭

4 路由選項報頭

5 分段選項報頭

6 認(rèn)證選項報頭

7 封裝安全報頭

8 目的選項報頭

9 上層協(xié)議報頭

如果多個擴(kuò)展報頭都聚集在一個分組中，這些擴(kuò)展報頭應(yīng)有一定的排列順序。除了逐跳選項首部（Hop-by-Hop Options Header）以外，其他的IPv6擴(kuò)展首部只能由本IPv6數(shù)據(jù)包基本報頭中指明的目的地址處理，鏈路上的其他節(jié)點是不能處理的。

3 結(jié)語

從當(dāng)前基于IPv4的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，過渡到IPv6網(wǎng)絡(luò)，必將是一個漫長的過程，但是隨著社會的不斷發(fā)展進(jìn)步和科技的不斷創(chuàng)新，IPv6取代IPv4的趨勢，勢不可擋。所以以后還要不斷的學(xué)習(xí)最新的網(wǎng)絡(luò)知識，積極實踐探索，理論聯(lián)系實際，為IPv6更好更快的發(fā)展做出微薄的貢獻(xiàn)！

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