考研笔记

IPv6 的特点与基本首部

目前广泛使用的 IPv4 是在 20 世纪 70 年代设计的，互联网经过几十年的飞速发展，到 2011 年 2 月，IPv4 地址已经耗尽。为了解决”IP 地址耗尽”问题，有三种措施：采用无分类编址 CIDR，使 IP 地址的分配更加合理；采用网络地址转换 NAT 方法以节省全球 IP 地址；采用具有更大地址空间的新版本的 IPv6。前两种方法只是延长了 IPv4 的使用寿命，只有第三种方法能从根本上解决 IP 地址耗尽问题（4.2.2）。

本页的考法只有一种：拿 IPv6 与 IPv4 逐项对比（2023 年真题考了特点、首部字段和过渡策略）。错题是”IPv6 数据报太大时路由器怎么办”——IPv6 的路由器不分片。

机制

4.3.1 IPv6 的主要特点

  1. 更大的地址空间。这是最重要的。IPv6 将地址从 IPv4 的 32 位增大到 128 位，IPv6 的地址空间是 IPv4 的 倍，从长远来看，这些地址是绝对够用的。
  2. 扩展的地址层次结构。IPv6 因为地址空间很大，所以可以划分为更多的层次。
  3. 灵活的首部格式。IPv6 定义了许多可选的扩展首部，不仅可提供比 IPv4 更多的功能，还能提高路由器的处理效率，这是因为路由器对扩展首部不进行处理。
  4. 改进的选项。IPv6 首部长度是固定的，其选项放在有效载荷中，选项是灵活可变的；而 IPv4 所规定的选项是固定不变的，其选项放在首部的可变部分。
  5. 允许协议继续扩充。IPv6 允许不断扩充功能，而 IPv4 的功能是固定不变的。
  6. 支持即插即用（自动配置）。因此 IPv6 不需要使用 DHCP。
  7. 支持资源的预分配。IPv6 支持实时音/视频等要求保证一定带宽和时延的应用。
  8. IPv6 只有源主机才能分片，是端到端的，不允许类似 IPv4 在中间路由器进行分片。
  9. IPv6 首部长度是固定的 40B，而 IPv4 首部长度是可变的（必须是 4B 的整数倍）。
  10. 增大了安全性。身份鉴别和保密功能是 IPv6 的扩展首部。

虽然 IPv6 与 IPv4 不兼容，但总体而言它与所有其他的互联网协议兼容，包括 TCP、UDP、ICMP、IGMP 和 DNS 等，只是在少数地方做了必要的修改（大部分是为了处理长地址）。

4.3.2 IPv6 数据报的基本首部

IPv6 数据报由两部分组成：基本首部和有效载荷（也称净负荷）。有效载荷由零个或多个扩展首部（扩展首部不属于 IPv6 数据报的首部）及其后面的数据部分构成。基本首部固定 40B，有效载荷不超过 65535B。

与 IPv4 相比，IPv6 对首部中的某些字段进行了如下更改：

  • 取消了首部长度字段，因为它的首部长度是固定的（40B）。
  • 取消了服务类型字段，因为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，因为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，但作用是一样的（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，毕竟在传输层有差错检验功能，这样就加快了路由器的处理速度。
  • 取消了选项字段，而用扩展首部来实现选项功能。

因为取消了首部中不必要的功能，IPv6 基本首部的字段数减少到只有 8 个，但是由于 IPv6 地址长度为 128 位，所以 IPv6 基本首部的长度反而增大到 40B。

行字段（位数）
第 1 行（32 位）版本（4）· 通信量类（8）· 流标号（20）
第 2 行（32 位）有效载荷长度（16）· 下一个首部（8）· 跳数限制（8）
第 3～6 行源地址（128）
第 7～10 行目的地址（128）

各字段的含义如下（IPv6 基本首部字段的意义 2023 年考过）：

  1. 版本：占 4 位，指明协议的版本，对于 IPv6 该字段的值是 6。
  2. 通信量类：占 8 位，用来区分不同的 IPv6 数据报的类别或优先级。
  3. 流标号：占 20 位。IPv6 提出流的抽象概念：流是指互联网上从特定源点到特定终点（单播或多播）的一系列数据报（如实时音/视频传输），而在这个”流”所经过的路径上的路由器都保证指明的服务质量。所有属于同一个流的数据报都具有相同的流标号。
  4. 有效载荷长度：占 16 位，指明 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），最大值是 65535（单位为字节）。
  5. 下一个首部：占 8 位，相当于 IPv4 首部中的协议字段或可选字段。当 IPv6 没有扩展首部时，其作用与 IPv4 的协议字段一样，指明 IPv6 数据报所运载的数据是何种协议数据单元；当 IPv6 带有扩展首部时，它就标识后面第一个扩展首部的类型。
  6. 跳数限制：占 8 位，类似于 IPv4 首部的 TTL 字段。源点在每个数据报发出时即设定某个限制值（最大为 255），路由器每次转发时将其值减 1，减为 0 时就将该数据报丢弃。
  7. 源地址和目的地址：各占 128 位，是数据报的发送端和接收端的 IP 地址。

IPv4 与 IPv6 对照

比较项IPv4IPv6
地址长度32 位128 位（空间是 IPv4 的 倍）
首部长度20～60B，可变基本首部固定 40B
首部检验和有，每跳重算取消
分片源主机和中间路由器都可以只有源主机，信息放在分片扩展首部
寿命字段TTL跳数限制（Hop Limit），作用相同
上层协议字段协议下一个首部
选项首部的可变部分扩展首部，放在有效载荷中
地址配置手工或 DHCP支持即插即用（自动配置）

边界

错题复盘：IPv6 数据报太大时，路由器丢弃它并发 ICMP 报文，不会替它分片

王道 4.3.5 第 6 题：若一个路由器收到的 IPv6 数据报因太大而不能转发到链路上，则路由器将把该数据报（A. 丢弃　B. 暂存　C. 分片　D. 转发至能支持该数据报的链路上）。答案 A。

IPv6 中不允许在中间路由器进行分片。因此，若路由器发现到来的数据报太大而不能转发到链路上，则丢弃该数据报，并向发送方发送一个指示分组太大的 ICMP 报文，由源主机减小数据报后重发。

选 C 是把 IPv4 的做法搬了过来。IPv4 中 DF=0 时路由器可以分片，IPv6 相当于所有数据报都 DF=1，并且分片的字段干脆从基本首部移到了分片扩展首部，路由器根本不看它。D 不成立，因为路由器按目的地址查表选定出口，不会为了长度另换一条链路。

扩展首部不属于首部。 有效载荷长度把扩展首部算在内；“IPv6 首部固定 40B”说的是基本首部。

跳数限制最大 255，每跳减 1。 它与 TTL 完全对应，只是名称上明确了单位是”跳”（2023）。

IPv6 没有检验和，差错检测交给链路层和传输层。 这是 IPv6 转发比 IPv4 快的原因之一。

口径差异：IPv6 "不需要 DHCP"、"只有源主机分片"的具体含义

教材口径：IPv6 支持即插即用，因此不需要使用 DHCP；IPv6 只有源主机才能分片。

标准口径：IPv6 主机可以根据路由器通告的前缀自己生成地址（无状态地址自动配置），但仍然存在 DHCPv6，用于集中分配地址或下发 DNS 服务器等参数，很多企业网两者并用。分片方面，IPv6 规定每条链路的 MTU 至少为 1280B，源主机通过路径 MTU 发现得知整条路径能通过的最大长度，必要时自己加分片扩展首部。由于 IPv6 取消了首部检验和，UDP 的检验和在 IPv6 下由可选变为必选。

考试按教材口径作答。

对照速查

说法对错
IPv6 地址空间是 IPv4 的 96 倍❌（ 倍，2023）
IPv6 基本首部长度可变❌（固定 40B，2023）
IPv6 基本首部有 8 个字段✅
IPv6 使用首部检验和保证传输正确❌（取消了检验和）
IPv6 允许中间路由器分片❌
扩展首部属于 IPv6 数据报的首部❌（属于有效载荷）
跳数限制字段等价于 IPv4 的 TTL 字段✅（2023）
IPv6 与 IPv4 兼容❌（与 TCP、UDP、DNS 等其他协议兼容）
IPv6 的”下一个首部”字段相当于 IPv4 的协议字段✅

考点

  • 三种应对地址耗尽的措施，只有 IPv6 治本
  • 10 个特点：128 位、首部固定 40B、只有源主机分片、无检验和、即插即用（2023）
  • 基本首部 8 个字段；流标号 20 位；有效载荷长度含扩展首部；跳数限制 ≈ TTL（2023）
  • 与 IPv4 的逐项对比

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