上一篇的 NAT 让许多内网主机共享少量公网 IPv4 地址确实延长了 IPv4 的使用寿命。但 NAT 是一种现实的缓解方案并没有增加可全球路由的 IPv4 地址数量也让端到端通信变得更复杂。要从根本上扩大地址空间互联网需要新的网际协议版本IPv6。本篇仍位于 TCP/IP 五层模型的网络层。IPv6 不是给 IPv4 地址简单“加长”而是在保留无连接、尽最大努力交付这一基本服务模型的同时重新设计地址空间、基本首部和扩展机制。我们将从地址、首部、分片、地址表示以及 IPv4 到 IPv6 的过渡方式依次理解它。一、为什么 NAT 和 CIDR 仍不足以解决问题IPv4 地址只有 32 位CIDR 能更细致地分配地址NAT 能让私有网络复用少量公网地址但它们都属于“更节省地使用 IPv4”。随着移动设备、家庭网络、云服务和物联网持续增长地址规模、路由聚合和自动配置都需要更长远的方案。IPv6 将地址长度从 32 位扩展为128 位。这使地址空间从 2 的 32 次方扩大到 2 的 128 次方数量级相差 2 的 96 次方。如此大的空间让地址分层、网络划分和接口编号拥有更充足的余量。IPv6 不与 IPv4 首部直接兼容因此无法要求全网在同一天完成替换。现实中的网络长期处于逐步过渡状态很多系统同时支持 IPv4 与 IPv6或在两种网络之间采用封装、转换等机制协作。二、IPv6 分组的基本结构IPv6 的协议数据单元通常称为IPv6 分组。它由两部分组成IPv6 基本首部 有效载荷其中有效载荷包含零个或多个扩展首部以及真正承载的上层数据。与 IPv4 首部可变不同IPv6 的基本首部固定为 40 字节。不常用或按需使用的功能不再塞进基本首部而是放在扩展首部中。这种设计的目的很明确让路径中的路由器快速处理每个分组最常见的字段只有需要处理特定功能的节点再去查看相应扩展首部。除逐跳选项等少数情况外中间路由器通常不处理扩展首部。三、IPv6 基本首部有哪些关键字段字段作用版本表明这是 IPv6 分组值为 6通信量类用于区分流量类别、优先级或拥塞通知等流标号标识同一数据流可辅助特定服务质量处理有效载荷长度表示基本首部之后的字节数扩展首部也算在其中下一个首部指明后面是扩展首部还是 TCP、UDP、ICMPv6 等上层协议数据跳数限制每经过一台路由器减 1减到 0 时丢弃作用对应 IPv4 的 TTL源地址、目的地址分别为 128 位标识发送和接收接口IPv4 中哪些字段没有直接保留IPv6 的基本首部更简洁几个变化尤其重要没有首部长度字段因为基本首部固定为 40 字节没有 IPv4 的总长度字段改用有效载荷长度没有 IPv4 的首部校验和减少每台路由器逐跳重算的开销没有标识、标志和片偏移这组三个固定字段分片功能移入扩展首部IPv4 的协议字段被更通用的“下一个首部”字段取代IPv4 的可选字段不再置于基本首部末尾而由扩展首部链提供。取消首部校验和不代表 IPv6 不关心差错检测。链路层通常有帧校验TCP、UDP 和 ICMPv6 等也有自己的校验机制IPv6 省去的是由每一跳路由器重复计算的那一层首部校验。四、扩展首部把不常用功能移出快速转发路径IPv4 的选项位于首部中只要某个数据报带了选项路径上的路由器就可能需要额外检查。IPv6 将类似的可选功能拆为扩展首部按需要放在基本首部与上层数据之间。每个扩展首部都通过“下一个首部”字段指出后面紧接的内容因此可以形成一条首部链。例如IPv6 基本首部 - 路由扩展首部 - 目的选项扩展首部 - TCP 报文段常见扩展首部类别包括逐跳选项、路由、分片、鉴别、封装安全有效载荷和目的站选项。需要注意的是扩展首部不是每个 IPv6 分组都必须携带的内容绝大多数普通数据传输无需堆叠许多扩展首部。五、IPv6 如何处理分片IPv4 中如果下一跳链路 MTU 太小中间路由器在允许分片的条件下可以对数据报分片。IPv6 改变了这个做法中间路由器不再分片只有源主机可以借助分片扩展首部发出分片。当 IPv6 路由器发现分组超过下一跳 MTU 时会丢弃该分组并反馈“分组过大”信息。源主机据此调整发送大小或自行分片。这使中间路由器的处理更简单也鼓励发送端通过路径 MTU 发现避免中途出现过大的分组。分片仍有丢失、重组和额外首部开销因此并不是常规的性能优化手段。能在源端控制合适的报文大小时通常应尽量避免分片。六、IPv6 地址怎样书写IPv6 地址有 128 位按每 16 位一组划分为 8 个字段每组用十六进制表示组与组之间用冒号分隔。这叫作冒号十六进制记法2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001为减少书写长度有两条常用规则每组最左侧的连续 0 可以省略。例如00ab可写作ab0000可写作0。一段连续的全 0 字段可用::压缩但在同一个地址中只能使用一次否则无法确定被省略了多少组。因此上面的地址可以写成2001:db8::1IPv6 仍可使用/前缀长度表示网络前缀。不要因为地址很长就认为不需要子网划分网络前缀与接口标识的边界仍然是地址规划和路由聚合的基础。七、常见地址类型与 IPv4 的差异IPv6 的目的地址基本有三种类型类型含义单播发送给一个接口类似传统的一对一通信多播发送给一组接收者任播发送给一组接口中的一个通常由路由选择到合适或较近的成员IPv6 不再单独使用“广播”这一地址类型广播的需求通常用特定多播组完成。这能避免像 IPv4 广播那样把报文送给一个子网中所有主机的泛化行为。还有几个很常见的特殊或范围相关地址::是未指定地址只能在尚未获得正式地址时作为源地址使用不能作为目的地址::1是环回地址对应 IPv4 的127.0.0.1fe80::/10是链路本地单播地址只能在本地链路范围内使用路由器不会把它转发到其他链路ff00::/8是多播地址范围全球单播地址用于可在互联网中路由的 IPv6 通信。八、自动配置不等于“完全不需要 DHCP”IPv6 的一大特点是支持无状态地址自动配置SLAAC。主机可以根据路由器通告的前缀生成地址并通过重复地址检测降低冲突风险因此许多基础场景中不需要像 IPv4 那样仅依赖 DHCP 才能获得地址。但这不意味着 IPv6 永远不需要 DHCP。网络仍可使用 DHCPv6 分配地址、DNS 服务器等其他配置或由管理员选择更集中化的管理方式。是否使用 SLAAC、DHCPv6 或二者结合取决于网络的部署和运维需求。九、从 IPv4 到 IPv6 如何过渡IPv4 和 IPv6 不能直接互相理解迁移通常分步骤进行。两种经典策略是双协议栈与隧道技术。双协议栈双协议栈指主机或路由器同时运行 IPv4 与 IPv6。它既有 IPv4 地址也有 IPv6 地址与 IPv4 对端通信时使用 IPv4与 IPv6 对端通信时使用 IPv6。应用常通过 DNS 查询得到对端可用的地址记录再选择相应协议。双栈适合两种网络并存的过渡期但要求设备、网络和运维体系同时支持两套协议。隧道技术当两个 IPv6 网络之间夹着一段只支持 IPv4 的网络时可以在隧道入口把整个 IPv6 分组封装进一个 IPv4 数据报的数据部分。IPv4 网络只负责转发外层 IPv4 数据报到达隧道出口后取出原 IPv6 分组并继续转发。IPv6 网络 - 隧道入口 - IPv4 网络 - 隧道出口 - IPv6 网络隧道解决的是“中间网络暂时不支持 IPv6”的传输问题并不把 IPv4 分组变成 IPv6 分组。真正的协议转换需要专门的转换机制并可能因两种首部语义不同而无法无损保留所有信息。十、总结IPv6 用 128 位地址从根本上扩展了互联网的地址空间同时通过固定 40 字节基本首部、扩展首部链、源端分片和跳数限制等设计降低中间路由器的常规处理负担。它支持更灵活的地址规划、自动配置和多播、任播等通信方式但与 IPv4 不兼容必须通过双协议栈、隧道和转换等方式逐步迁移。网络层的地址与分组基础至此已经较完整。接下来会回到“路由器如何得出转发表”这一问题比较距离向量与链路状态两类路由选择算法的核心思路。如果这篇文章对你有帮助欢迎点赞、评论、关注、收藏。你们的支持是我前进的动力