IPv4数据报

IPv4报文详解

• 版本Version：Version域记录了数据报属于哪一个版本的协议。不同版本的报文的格式都是不同的。这里的值永远是4。
• 头部长度IHL：IHL域指明了该头部有多长（以32位字的长度为单位）。IHL的最短长度为5，此时头部没有加入可选项；最大值为15，限制了头部的最大长度为60字节，那么意味着可选项部分最多为40字节。
• 服务类型TOS：这6位组合起来表示服务类型。这些类别包括4个排队优先级、3种丢弃可能性和一些历史类别。
• 总长度Total Length：表示包括报头和数据在内的报文的总长度，以字节为单位。因此IP数据报的最大长度为65535字节，但是由于MTU的限制，长度超出MTU的数据报都将被分片传输，所以实际传输的数据报长度都远远没达到最大长度。
• 标识Identification：主机每发出一个数据报，那么生成唯一一个值，此数据报的分片
  都将复制这个标识值，这样目标主机就可以将分片组合起来接受一个完整的数据报。
• 保留位：不用多说。
• DF（Don’t Fragment）：假如这个位设置了值，那么分片将会被禁止，那么假如报文长度超出了MTU，IP模块将此报文将丢弃，并返回ICMP差错报文。
• MF（More Fragment）：除了最后一个分段之外，其他的分片都要将这个位置置为1。它的意义在于，接收方可以通过这个值来判断什么时候已经将所有分片都接收了。
• 分段偏移Fragment Offset：该域指明了本分段在报文的什么位置。除了一个数据报的最后一个分段之外，其他的分段都必须是8字节的倍数，这里的8字节是基本的分段单位。由于该域有13位，所以每个数据报最多有8192个分段，65536字节，比TotalLength域还要大1。
• 生命周期TTL：数据报达到目的地之前与需经过的最大跳数。数据报在传输过程中，每经过一个路由器，这个值就减1，当此值变为0时，路由器将数据包丢弃并返回源主机ICMP差错报文。TTL可以有效防止数据包长时间逗留在网络中陷入路由器循环。
• 协议Protocol：网络层组装成一个完整的数据报之后，需要知道如何对它进行处理，此字段指明了将数据报交给哪个处理进程，1交给ICMP，6交给TCP，17交给UDP。
• 头部校验和Header Checksum：只校验头部，一般使用CRC算法，来确保报文在传播过程中没有损坏。
• 源地址和目标地址
• 选项：可选项包括一些安全相关的信息和路径设置等内容，如下图所示：

IPv6数据报

IPv6报文详解

• 版本Version：和IPv4中的作用相同，对于IPv6报文来说，这里永远是6。
• 流量类别Traffic Class：类似于IPv4中的ToS（服务类型）字段，通信分类字段用来标识对应IPv6的通信流类别，或者说是优先级别。
• 流标签Flow Label：IPv6数据报中新增的一个字段，占20位。通过该域，源端和目标端可以建立一个具有特殊属性和需求的伪连接。举个栗子，源端和目的端之间的传输有严格的延迟要求，需要预留带宽。这时候就可以提前建立一个流Flow，当一个Flow Label域非0的分组出现的时候，路由器检查内部表，根据已经记录的Flow Label值来确定给予它什么样的特殊待遇。这个的意义在于，保证了数据报子网的灵活性和质量。另外，每个流是通过源地址、目的地址和流编号来指定的，所以一对给定的IP之间可以有很多活动的流标签。
• 净荷长度Payload Length：指明了跟在头部之后还有多少字节，类似于IPv4中的Total Length，区别在于，Total Length还包括了报头部分。
• 下一个头Next Header：IPv6灵活性的体现，这里引入了扩展头，该域指明了当前头部之后还有扩展头的话，是哪一种头部（6种），如果当前头部是最后一个，那么这个域指明该分组该给哪一个传输协议处理器，类似于IPv4的Protocol域。
• 跳数限制Hop Limit：和IPv4中的TTL相同，这里直接表明限制跳数。
• 源地址和目的地址。
• 扩展头部：有些省略掉的IPv4头部有时候还会有用，所以IPv6引入了扩展头部（extension header）的概念。这些头部有时可以提供一些额外的信息，但是它的编码方式更加高效。现在已经定义了6种扩展头。IPv6扩展报头附加在IPv6报头目的IP地址字段后面，如果有多个扩展头出现的话，最好要用表中的顺序列出：

扩展头部详解

• 逐跳选项头部（Hop-by-hop Options Header）：本扩展报头类型值为0（在IPv6报头下一个头部字段中定义，下同）。此扩展报头须被转发路径所有节点处理。目前在路由告警（RSVP和MLDv1）与Jumbo帧处理中使用了逐跳选项头，因为路由告警需要通知到转发路径中所有结点，而Jumbo帧是长度超过65535字节的报文，传输这种报文需要转发路径中所有结点都能正常处理。

• 目标选项头部（Destination Options Header）：类型值为60，加入这一可选头部最初其实是为了“充数”，利用这个项可以将一个头部拉长到8字节的倍数。现在移动IPv6中使用了目的选项头，称为家乡地址选项。家乡地址选项由目的选项头携带，用以移动结点离开“家乡”后通知接受节点此移动结点对应的家乡地址。接受节点收到带有家乡地址选项的报文后，会把家乡地址选项中的源地址（移动节点的家乡地址）和报文中源地址（移动节点的转交地址）交换，这样上层协议始终认为是在和移动节点的家乡地址通信，实现了移动漫游功能。

• 路由扩展头部（Routing Header）：类型值为43，列出了在通向目标的途中需要经过的一台或者多台路由器，类似于IPv4中可选项的Loose source routing字段。

• 分段扩展头（Fragment extension header）：类型值为44，类似于IPv4中分段控制相关的字段，当源节点发送的报文超过传输链路MTU（源节点和目的节点之间传输路径的MTU）时，需要对报文进行分段时使用。与IPv4不同的是，IPv6只有源主机才能对数据报进行分段。

• 认证扩展头部（Authentication header）：类型值为51，用于IPSec，提供报文验证，完整性检查。它提供了一种“让分组的接收方确定分组返送方身份”的机制，只有真正的接收方才能完整读取分组内容。

• 加密的安全负荷头：本扩展头类型值为50，用于IPSec，提供报文验证、完整性检查差和加密。

IPv4和IPv6报文详细对比

下面对两者的报文做一个充分、详尽的对比：

• 整体对比：
  IPv4中的主要字段都已经被IPv6继承了，而删去的字段都以可选扩展头部的形式出现在IPv6报文里。
• TOS和Traffic Class
  两者功能几乎一致，标识对应的通信流类别，或者说是优先级别。
• Total Length和Payload Length
  这两者是有区别的：IPv4中的Total Length包括了头部和数据：而IPv6中的Payload Length只是包括了除去默认头部之外的字段长度：
• MTU：MTU的不同
• Protocol和Next Header
  IPv4的协议字段规定了数据报应该交由哪种协议来处理，类似的，IPv6中的Next Header字段可选择性的指向下一个扩展头部，或者协议：
• TTL和Hop Limit
  最初的IPv4的TTL协议规定的是分段传输的最大时间，但实际上，所有的操作都用跳数来取代了时间，鉴于此，IPv6直白的使用Hop Limit来限定传输时间。当然两者功能相同，都有效的组织了数据分段在网络停留太久时间陷入无限循环。
• 头部校检和：IPv6放弃了IPv4中的CheckSum字段，因为TCP和UDP报文中都已经有16位的checksum字段。
  以上就是IPv4和IPv6报文格式的详细对比。