IPv6報(bào)文格式淺析

尚建貞

摘 要：文章論述了IPv6基本報(bào)頭的格式，以及所包含的8個(gè)域的定義以及功能。同時(shí)，對(duì)6個(gè)擴(kuò)展報(bào)頭和完整的IPv6數(shù)據(jù)報(bào)文格式也進(jìn)行了說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：IPv6；報(bào)文格式；基本報(bào)頭；擴(kuò)展報(bào)頭

1 引言

隨著計(jì)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(shí)際運(yùn)行中暴露出越來(lái)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(wèn)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(wú)法從根本上解決這些問(wèn)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(bào)文格式

IPv6數(shù)據(jù)包的基本報(bào)頭長(zhǎng)度固定為40個(gè)字節(jié)，其格式如圖2.1。基本包頭包括8個(gè)域，去掉了IPv4報(bào)頭中所有的可選項(xiàng)。

所包含的8個(gè)域簡(jiǎn)要介紹如下：

（1）版本Version（4bits）：表示與數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的IP協(xié)議的版本號(hào)，IPv4的版本號(hào)為4，IPv6的版本號(hào)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(jí)（Packet priority），可以賦予數(shù)據(jù)包不同的優(yōu)先級(jí)，提供不同的服務(wù)，主要用于實(shí)時(shí)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(duì)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(diǎn)用此字段識(shí)別同一個(gè)流的數(shù)據(jù)包。源地址和一個(gè)非0的Flow Label可以標(biāo)識(shí)同一個(gè)流的數(shù)據(jù)包。源節(jié)點(diǎn)和同一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)存在多個(gè)活動(dòng)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(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)度，包括所有的擴(kuò)展報(bào)頭和上層PDU數(shù)據(jù)所占的字節(jié)數(shù)。因?yàn)樵撟侄问?6bits，所以最多可以表示64KB的長(zhǎng)度，如果實(shí)際凈荷超過(guò)這個(gè)數(shù)值，則該字段置“0”，需要使用擴(kuò)展頭部的逐跳選項(xiàng)首部（Hop-by-Hop Options Header）中的巨量?jī)艉蛇x項(xiàng)。

（5）下一首部Next Header（8bits）：形成一個(gè)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(duì)IPv4協(xié)議的一個(gè)重要改進(jìn)，將IPv4報(bào)頭的可選字段摒棄，放到擴(kuò)展報(bào)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(diǎn)對(duì)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(cè)到此字段為0時(shí)則放棄處理，數(shù)據(jù)包自動(dòng)丟棄。

（7）源地址（source address），128位：標(biāo)識(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包的源節(jié)點(diǎn)的IPv6地址。

（8）目的地址（destination address），128位：標(biāo)識(shí)接收數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(diǎn)的IPv6地址。

IPv6協(xié)議在設(shè)計(jì)的時(shí)候就摒棄了IPv4中的選項(xiàng)字段，使用擴(kuò)展報(bào)頭的方法來(lái)滿足不同數(shù)據(jù)包的特殊要求。IPv6的基本報(bào)頭和他的載荷數(shù)據(jù)之間可以存在一個(gè)或者多個(gè)擴(kuò)展報(bào)頭。一般情況下，一個(gè)典型的IPv6數(shù)據(jù)包是沒(méi)有擴(kuò)展報(bào)頭的，如果需要目的節(jié)點(diǎn)或者中間的路由器做某些特殊處理的時(shí)候，發(fā)送方的源節(jié)點(diǎn)才會(huì)添加一個(gè)或者多個(gè)擴(kuò)展報(bào)頭。而且，IPv6協(xié)議中擴(kuò)展報(bào)頭的長(zhǎng)度是任意的，不像IPv4中，有40個(gè)字節(jié)的限制；但是為了提高節(jié)點(diǎn)對(duì)報(bào)頭的處理效率，擴(kuò)展報(bào)頭的長(zhǎng)度總是八字節(jié)長(zhǎng)度的整數(shù)倍。

在RFC2460中，定義了6個(gè)IPv6的擴(kuò)展報(bào)頭：

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

（2）目的選項(xiàng)首部（Destination Options Header），數(shù)字標(biāo)識(shí)為60；提供目的節(jié)點(diǎn)信息，用于表示由最終目的節(jié)點(diǎn)或者中間目的節(jié)點(diǎn)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(duì)數(shù)據(jù)包的這個(gè)首部進(jìn)行處理，如果擴(kuò)展頭部不包含此選項(xiàng)，則只有目的節(jié)點(diǎn)才對(duì)這些選項(xiàng)進(jìn)行處理。

（3）源路由選擇首部（Routing Header），標(biāo)識(shí)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(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所要經(jīng)過(guò)的路徑。

（4）分片首部（Fragment Header），數(shù)字標(biāo)識(shí)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(zhǎng)度大于物理網(wǎng)絡(luò)的MTU（Maximum Transmission Unit，最大傳輸單元）時(shí)，源節(jié)點(diǎn)需要對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分段傳輸，并在這個(gè)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(duì)超長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆分；只有發(fā)送端的源節(jié)點(diǎn)才負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的分段工作；IPv6通過(guò)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(shí)為51；保證分組的完整性，提供源節(jié)點(diǎn)的身份認(rèn)證服務(wù)和反重播保護(hù)；但認(rèn)證首部不對(duì)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(shí)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(gè)基本頭部和數(shù)據(jù)，格式如圖2.2：

帶一個(gè)路由選項(xiàng)首部的IPv6分組的格式如圖2.3：

帶兩個(gè)擴(kuò)展報(bào)頭（路由選項(xiàng)首部，分段首部）的IPv6分組格式如圖2.4：

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

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

表2.1 IPv6擴(kuò)展報(bào)頭的排列順序

序號(hào) 擴(kuò)展報(bào)頭內(nèi)容

1 IPv6報(bào)頭

2 逐跳選項(xiàng)報(bào)頭

3 目的選項(xiàng)報(bào)頭

4 路由選項(xiàng)報(bào)頭

5 分段選項(xiàng)報(bào)頭

6 認(rèn)證選項(xiàng)報(bào)頭

7 封裝安全報(bào)頭

8 目的選項(xiàng)報(bào)頭

9 上層協(xié)議報(bào)頭

如果多個(gè)擴(kuò)展報(bào)頭都聚集在一個(gè)分組中，這些擴(kuò)展報(bào)頭應(yīng)有一定的排列順序。除了逐跳選項(xiàng)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(bào)頭中指明的目的地址處理，鏈路上的其他節(jié)點(diǎn)是不能處理的。

3 結(jié)語(yǔ)

從當(dāng)前基于IPv4的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，過(guò)渡到IPv6網(wǎng)絡(luò)，必將是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，但是隨著社會(huì)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(shì)，勢(shì)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(shí)，積極實(shí)踐探索，理論聯(lián)系實(shí)際，為IPv6更好更快的發(fā)展做出微薄的貢獻(xiàn)！

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