IPv6协议与转换机制：基本报头、扩展报头和上层协议数据结构

Internet规模发展得非常快，而且随着物联网的发展，IPv4已经不能满足需求。最主要的问题就是32bit的LP地址空间太小，IP地址很快就要耗尽。尽管采取了一些措施，如无类别编址CIDR，使IP地址的分配更加合理；网络地址转换NAT方法以节省全球IP地址。但这只能解决一时之需，根本的办法还是采用具有更大地址空间的新版本IP协议，即IPv6。

从1996年开始，一系列用于定义IPv6的RFC发表出来，最初的版本为RFC1883。由于IPv4和IPv6地址格式等不相同，因此在未来的很长一段时间里，互联网中将出现IPv4和IPv6长期共存的局面。

相较IPv4，IPv6主要变化有：①更大的地址空间，IPv6将地址从IPv4的32bit增大到了128bit；②扩展的地址层次结构；③灵活的首部格式；④改进的选项；⑤允许协议继续扩充；⑥支持即插即用（即自动配置）；⑦支持资源的预分配。

（1）IPv6报文格式。

IPv6基本报头的格式如图4-19所示。

IPv6报文的整体结构分为IPv6基本报头、扩展报头和上层协议数据3部分。IPv6基本报头是必选报文头部，长度固定为40字节，包含该报文的基本信息；扩展报头是可选报头，可能存在0个、1个或多个，IPv6协议通过扩展报头实现各种丰富的功能；上层协议数据是该IPv6报文携带的上层数据，可能是ICMPv6报文、TCP报文、UDP报文或其他可能报文。

图4-19　IPv6基本报头的格式

版本号：占4bit，表示协议版本值为6。

流量等级：占8bit，主要用于服务质量。

流标签：占20bit，用来标识同一个流里面的报文。“流”是互联网络上从特定源点到特定目的点的一系列数据报，所有属于同一个流的数据报都具有同样的流标号。

载荷长度：占16bit，表明该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64KB。

下一报头：占8bit，该字段用来指明报头后接的报文头部的类型。若存在扩展头，表示第一个扩展头的类型，否则表示其上层协议的类型。它是IPv6各种功能的核心实现方法。

跳数限制：占8bit，类似于IPv4中的TL，每次转发跳数减一，该字段达到0时包将会被丢弃。

源地址：占128bit，标识该报文的来源地址。

目的地址：占128bit，标识该报文的目的地址。

（2）IPv6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。

单播（unicast）：单播就是传统的点对点通信。

多播（multicast）：多播是一点对多点的通信。

任播（anycast）：是IPv6增加的一种类型。任播的目的站是一组计算机，但数据包在交付时只交付给其中的一个，通常是距离最近的一个。

IPv6的地址长度为128位，是IPv4地址长度的四倍。因此，IPv4的点分十进制格式不再适用，采用十六进制表示。IPv6有三种表示方法。

第一种，冒分十六进制表示法。

格式为X：X：X：X：X：X：X：X，其中每个X表示地址中的16bit，以十六进制表示，

例如：

ABCD:EF01：2345：6789：ABCD：EF01：2345：6789

这种表示法中，每个X的前导0是可以省略的，例如，2001：0DB8：0000：0023：0008：0800：200C：417A可以写成：(www.xing528.com)

2001：DB8：0：23：8：800：200C：417A

第二种，0位压缩表示法。

在某些情况下，一个IPv6地址中间可能包含很长的一段0，可以把连续的一段0压缩为“∷”。但为保证地址解析的唯一性，地址中的“∷”只能出现一次，例如：

FF01：0：0：0：0：0：0：1101写成FF01∷1101

0：0：0：0：0：0：0：1写成∷1

0：0：0：0：0：0：0：0写成∷

第三种，内嵌IPv4地址表示法。

为了实现IPv4-IPv6互通，IPv4地址会嵌入IPv6地址中，此时地址常表示为：X：X：X：X：X：X：d.d.d.d，前96bit采用冒分十六进制表示，而最后32bit地址则使用IPv4的点分十进制表示，例如：

∷192.168.0.1和∷FFFF：192.168.0.1

在前96bit中，压缩0位的方法依旧适用。

（3）从IPv4到IPv6过渡。

由于IPv4在不远的将来不再适用，必然要过渡到IPv6，但IPv6并不能兼容IPv4，因此，需要有一定的过渡期和过渡机制。IETF ngtrans工作小组提出了许多转换机制，主要有：

第一种，IPv6/IPv4双协议栈技术。

双栈机制就是使IPv6网络节点具有一个IPv4栈和一个IPv6栈，同时支持IPv4和IPv6协议。这样该节点就可以和仅支持IPv4或IPv6协议的主机通信（图4-20）。

图4-20　IPv4/IPv6双协议栈技术示意图

第二种，隧道技术。

在IPv6主机之间进行通信时，可能要经过IPv4的路由器或网络。隧道技术是将IPv6数据包作为数据封装在IPv4数据包里，使IPv6数据包能够在已有的IPv4路由器上传输的机制，如图4-21所示。隧道对于源站点和目的站点是透明的，在隧道的入口处，路由器将IPv6的数据分组封装在IPv4中，该IPv4分组的源地址和目的地址分别是隧道入口和出口的IPv4地址，在隧道出口处，再将IPv6分组取出转发给目的站点，这样IPv6的主机之间的通信就可以跨越IPv4网络的隔离。隧道技术的优点在于隧道的透明性，IPv6主机之间的通信感觉不到隧道的存在。但是，隧道技术不能实现IPv4主机和IPv6主机之间的通信。

图4-21　使用隧道技术从IPv4过渡到IPv6

第三种，网络地址转换技术。

网络地址转换（NAT）技术是将IPv4地址和IPv6地址分别看作内部地址和全局地址，或者相反。例如，内部的IPv4主机要和外部的IPv6主机通信时，在NAT路由器中将IPv4地址（相当于内部地址）变换成IPv6地址（相当于全局地址），NAT路由器器维护一个IPv4与IPv6地址的映射表。反之，当内部的IPv6主机和外部的IPv4主机进行通信时，则IPv6主机映射成内部地址，IPv4主机映射成全局地址。NAT技术可以解决IPv4主机和IPv6主机之间的互通问题（图4-22）。

图4-22　使用网络地址转换技术从IPv4过渡到IP v6

随堂练习

解决IPv4到IPv6的过渡，有哪些技术？