4.5.1IPv6的基本首部
IPv6 的基本首部相对于 IPv4 进行了重大简化和优化，固定长度为 40 字节，大幅提升了路由器的处理效率。以下是各字段的详细说明：
IPv6 基本首部字段组成
| 字段名 | 位数 | 作用描述 |
|---|---|---|
| 版本 (Version) | 4 bits | 固定值为 6，标识这是 IPv6 数据包。IPv4 的版本号为 4。 |
| 流量类 (Traffic Class) | 8 bits | 类似 IPv4 的 TOS 字段，定义数据包的优先级或 QoS（服务质量），用于支持实时流量（如音视频）区分。 |
| 流标签 (Flow Label) | 20 bits | 标记同一“流”的数据包，确保同一流的数据按顺序、按需传输（如视频流的连续传输）。 |
| 有效载荷长度 (Payload Length) | 16 bits | 表示 IPv6 首部之后的数据长度（包括扩展首部和上层数据），最大为 65535 字节。若超过，需使用“Jumbo Payload”选项。 |
| 下一个首部 (Next Header) | 8 bits | 标识紧跟当前首部的协议类型： - 上层协议（如 TCP=6, UDP=17, ICMPv6=58） - 扩展首部（如路由、分片等），通过链式结构支持灵活扩展。 |
| 跳数限制 (Hop Limit) | 8 bits | 类似 IPv4 的 TTL，每经一个路由器减 1，归零时丢弃数据包，防止无限循环。 |
| 源地址 (Source Address) | 128 bits | 发送方的 IPv6 地址。 |
| 目的地址 (Destination Address) | 128 bits | 接收方的 IPv6 地址。 |
IPv6 vs. IPv4 首部对比
IPv6 首部移除了以下 IPv4 字段以简化处理：
- 首部长度：IPv6 首部固定为 40 字节。
- 标识、标志、片偏移：分片仅在源主机处理，路由器不再分片。
- 首部校验和：依赖上层协议（TCP/UDP）校验，减少逐跳计算开销。
- 选项字段：由扩展首部替代，支持灵活扩展。
IPv6 扩展首部
通过 下一个首部 字段链式扩展，包括：
- 路由首部（Routing）：指定传输路径。
- 分片首部（Fragment）：源主机分片时使用。
- 认证首部（AH）：提供数据完整性验证。
- 封装安全载荷（ESP）：加密数据内容。
IPv6 首部改进优势
- 高效处理：固定长度和简化字段加速路由器转发。
- 服务质量增强：流量类和流标签支持精细流量管理。
- 扩展灵活：通过扩展首部按需添加功能，适应未来需求。
- 安全性提升：原生支持 IPSec（通过 AH 和 ESP 扩展）。
IPv6 首部结构示意图
关键总结
- 固定首部：40 字节，无可变选项，加速处理。
- 分片职责：仅在源主机进行，减轻路由器负担。
- 扩展机制：通过链式扩展首部实现功能按需扩展。
- 兼容性与演进：支持无缝过渡（如双协议栈、隧道技术）。
IPv6 在性能、灵活性和安全性上全面超越 IPv4，为现代互联网奠定基础。
4.5.2IPv6的地址
1. IPv6地址结构
- 128位长度，分为8组16位十六进制数，每组范围：
0000~FFFF - 格式示例：
2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334 - 简化规则：
- 每组前导零可省略（如
0db8→db8） - 连续全零组可用
::代替（仅允许一次），如：2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001→2001:db8::1
- 每组前导零可省略（如
2. IPv6地址分类
2.1 单播地址（Unicast）
-
全局单播地址（Global Unicast）
- 范围：
2000::/3（前3位为001） - 结构：
| 网络前缀（64位） | 接口标识（64位） | - 用途：全球唯一地址，用于互联网通信。
- 范围：
-
链路本地地址（Link-Local）
- 范围：
FE80::/10 - 生成方式：自动生成（基于MAC地址的EUI-64或随机生成）
- 用途：局域网内通信，无需路由器，如
FE80::1%eth0。
- 范围：
2.2 组播地址（Multicast）
- 范围：
FF00::/8 - 结构：
| FF | 标记（4位） | 范围（4位） | 组ID（112位） | - 示例：
FF02::1（所有节点）、FF02::2（所有路由器）
2.3 任播地址（Anycast）
- 与单播地址同结构，但指定给多个节点。
- 数据包会路由到最近节点（如CDN服务器优化路径）。
3. 特殊地址
- 环回地址：
::1（等效IPv4的127.0.0.1） - 未指定地址：
::/0（类似IPv4的0.0.0.0） - IPv4兼容地址：
::FFFF:192.168.1.1（过渡方案）
4. 子网划分与接口标识
- 前缀长度：如
2001:db8:abcd::/64表示前64位为网络前缀。 - 接口标识生成：
- EUI-64：将MAC地址（48位）扩展为64位（插入
FFFE）。 - 隐私扩展：随机生成临时地址（避免跟踪）。
- EUI-64：将MAC地址（48位）扩展为64位（插入
5. 地址自动配置
-
无状态（SLAAC）
- 主机通过路由器通告（RA） 获取网络前缀。
- 结合EUI-64或随机生成接口标识。
-
有状态（DHCPv6）
- 由DHCPv6服务器分配地址和其他参数（如DNS）。
6. IPv6与IPv4对比表
| 特性 | IPv4 | IPv6 |
|---|---|---|
| 地址长度 | 32位（4字节） | 128位（16字节） |
| 地址表示 | 点分十进制（192.168.1.1） | 冒号分隔十六进制（2001:db8::1） |
| 子网掩码 | 显式表示（255.255.255.0） | 前缀长度（/64） |
| 广播地址 | 存在（如192.168.1.255） | 取消，由组播替代 |
| 分片处理 | 路由器可分片 | 仅源头节点分片 |
| 头部校验和 | 存在 | 取消（依赖上层协议校验） |
7. 过渡技术
- 双栈（Dual Stack）：设备同时支持IPv4和IPv6。
- 隧道（Tunneling）：将IPv6包封装在IPv4中传输（如6to4）。
- 转换（NAT64）：IPv6与IPv4地址互转。
通过以上解析，可系统理解IPv6地址的设计原理、类型划分及实际应用场景。
4.5.3从IPv4向IPv6过渡
一、过渡技术背景
IPv4 地址耗尽和互联网规模扩张推动了 IPv6 的部署，但网络基础设施无法同时全部更换。需要兼容过渡技术保障两种协议共存。
二、核心技术方案
主要采用三种技术实现平滑过渡：
1. 双协议栈（Dual Stack）
原理：
设备同时运行 IPv4 和 IPv6 协议栈，根据目标地址选择协议版本。
工作流程：
关键特点：
- 首部自动添加 IPv6 或 IPv4 报头
- 需要网络双栈路由支持
- 典型应用：客户端的兼容访问
2. 隧道技术（Tunneling）
原理：
将 IPv6 包封装在 IPv4 包中通过 IPv4 网络传输，建立穿越 IPv4 网络的虚拟通道。
常见隧道类型：
- 手动配置隧道（Static Tunnel）
- 6to4 隧道（自动生成 IPv4 兼容地址）
- Teredo 隧道（穿透 NAT 的 UDP 封装）
特点：
- 配置复杂但支持现存网络资产
- 需要端点支持 IPv6/IPv4 封装
- IPv4 报头 Protocol 字段填写 41（IPv6）
3. 协议转换（NAT64/DNS64）
原理：
通过网关设备进行 IPv6↔IPv4 协议转换，全局地址和私有地址的映射。
DNS64 转换流程：
三、过渡技术对比
| 技术 | 部署场景 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 双协议栈 | 终端/网关需要支持双协议 | 原生性能最优 | 需全路径支持双栈 |
| 隧道技术 | IPv6孤岛互联通过IPv4骨干 | 利用现有基础架构 | 配置复杂，影响MTU |
| 协议转换 | IPv6网络需访问纯IPv4资源 | 无客户端改造要求 | 转换损耗，状态维护复杂 |
四、实际应用场景
-
企业网络过渡：
- 内部网络部署双栈，通过隧道连接外部IPv6网络
- 财务系统等关键业务优先采用双协议栈
-
ISP引入：
- 骨干网启用IPv6隧道
- 客户侧CPE设备支持双栈
-
云服务兼容：
使用NAT64为IPv6用户提供对IPv4 SaaS的访问
五、配置示例（6to4隧道）
六、迁移趋势
- 短期：双栈为主，隧道为辅
- 长期：IPv6单栈部署成为主流
- 关键指标：网络核心设备优先支持IPv6，用户终端逐步升级
实际部署中常阶段性混合使用多种过渡技术。过渡阶段需重点注意 MTU 调整、ICMP 处理等问题。
4.5.4ICMPv6
IPv6网络中用于错误报告、诊断和控制的重要协议，整合了IPv4中ICMP、ARP和IGMP的功能。
一、ICMPv6核心功能
- 错误报告：
- 检测并通告网络异常（如目标不可达、数据包过大）。
- 邻居发现协议（NDP）：
- 替代IPv4中的ARP，用于地址解析（IPv6→MAC地址）。
- 路径MTU发现：
- 动态探测链路的最小MTU。
- 地址自动配置：
- 支持无状态地址分配（SLAAC）。
- 路由器发现：
- 获取默认网关信息。
- 多播管理：
- 加入/离开多播组。
二、ICMPv6报文分类
| 类型 | 范围 | 常见消息 | 用途 |
|---|---|---|---|
| 错误消息 | 0-127 | Destination Unreachable（目标不可达） | 网络异常通知 |
| Packet Too Big（数据包过大） | 触发路径MTU发现 | ||
| Time Exceeded（超时） | 跟踪路由跳数 | ||
| 信息消息 | 128-255 | Echo Request/Reply（回显请求/应答） | 连通性测试（IPv6的ping） |
| Router Solicitation/Advertisement（RS/RA） | 路由器发现 | ||
| Neighbor Solicitation/Advertisement（NS/NA） | 地址解析与DAD |
三、核心功能与流程图
1. 邻居发现协议（NDP）
地址解析流程：
重复地址检测（DAD）：
2. 路由器通信流程
3. 路径MTU发现
四、ICMPv6与IPv4对比
| 功能 | IPv4实现 | IPv6实现 | 改进 |
|---|---|---|---|
| 地址解析 | ARP广播 | NDP（多播代替广播） | 减少网络拥塞 |
| 错误消息 | ICMP | ICMPv6集成更多功能 | 统一协议栈 |
| 设备发现 | DHCP+手工配置 | SLAAC+NDP | 无状态自动配置更高效 |
五、关键优势
- 集成化：合并IPv4中分散的协议（ICMP/ARP/IGMP）。
- 效率提升：用多播替代广播，优化地址解析和路由发现。
- 安全性增强：支持SecNeigh（安全邻居发现）扩展防范欺骗。
