这是我参与「第五届青训营 」伴学笔记创作活动的第 22 天
前言
本文分享来自字节跳动飞书商业应用研发部（Lark Business Applications）ESOP技术团队内部技术分享，分享主题为《IPv6与IPv4对比学习》，希望通过本次分享内容的沉淀和总结能够帮助团队同学加深对IPv6的了解。
本文没有直接罗列IPv6的各种特性，而是通过对比的方式来介绍该协议。在学习知识的过程中，了解相关的历史背景有助于我们更好的掌握该知识点，某种程度上来说，IPv4就是IPv6产生的历史背景，因此，笔者认为通过熟悉的IPv4来学习不那么熟悉的IPv6是一种不错的学习方式。
可以将本文看作相关知识点的概述和索引，文章首先介绍了IPv4和IPv6的地址表示和数据报区别，然后详细介绍了编址方法的演进，最后介绍了各类地址的分配方式以及与IPv4和IPv6相关的协议。
地址表示
IPv4地址
使用32位正整数表示，需要4字节存储，可以提供约2^32≈4.3x10^9个地址； 表示方法：为了方便记忆采用了点分十进制的标记方式，如114.114.114.114就是一个IPv4地址。
IPv6地址
采用128位正整数表示，需要16字节存储，可以提供约2^128≈3.4x10^38个地址； 表示方法：如果采用与IPv4相同的标记方式，则地址会很长，因此点分十进制不再适用。于是人们采用了冒号十六进制法来表示IPv6地址，它将每个16位的值用十六进制表示，各值之间用冒号分隔，如2001:0DB8:0000:0023:0008:0800:200C:417A就是一个IPv6地址； 简化方式1：在这一表示方法中，允许将每个16进制值的前导0省略，即上面的地址可以表示为2001:DB8:0:23:8:800:200C:417A； 简化方式2：某些情况下，一个IPv6地址可能包含很长的一段0，可以把一段连续的0压缩为::，如FF01:0:0:0:0:0:0:1101可以表示为FF01::1101。但为了保持地址解析的一致性，零压缩在一个地址中只能使用一次，如FF01:0:0:0:8:0:0:1101可以表示为FF01::8:0:0:1101或FF01:0:0:0:8::1101，不能表示为FF01::8::1101。
数据报格式 IPv4和IPv6数据报结构如下图所示，其中左侧为IPv4首部和数据报，右侧为IPv6首部和数据报。
图1 IPv4与IPv6数据报结构图 IPv4 IPv4首部字段如表1所示：
字段名长度说明版本4 bitIP协议的版本号，在IPv4中始终为4。首部长度4 bit首部长度，单位为4字节。假如首部的长度为20字节，则首部长度字段应为0101=5，即5*4=20字节，因此这也导致了首部长度必须为4字节的整数倍，当首部长度不是4字节的整数倍时，需要用最后的填充字段来填充。区分服务8 bit用于保证QoS，最初被定义为服务类型字段，实际上并未使用，1998年被IETF重定义为区分服务。只有在使用区分服务时，这个字段才起作用，一般的情况下该字段不被使用，这里给出一个使用该字段的例子：VoIP。总长度16 bit表示首部和数据部分长度之和，单位为字节。因此IPv4数据报最长为65535字节。标识16 bit用于标识属于相同数据报的分片，当数据报大小超过MTU需要分片时，所有数据报片就会被赋予一个相同的标识。标志3 bit只有其中2位被使用，分别为MF和DF。其中： MF为1表示仍有其他分片，MF为0则表示当前分片为最后一个分片； DF为1表示不能分片，DF为0则表示可以分片。片偏移13 bit较长的分组在分片后，某个分片在原分组的相对位置，单位为8字节。生存时间8 bit用于表示数据报在网络中的跳数限制。每经过一个路由器，路由器就会将TTL减1，当生存时间为0时，该数据报会被丢弃.协议8 bit指出此数据报携带的数据使用的是何种协议。首部校验和16 bit用于校验首部。源地址32 bit发送端地址。目的地址32 bit接收端地址。可选字段可变很少被使用，用于支持排错，测量和安全等措施。长度可变，从1到40个字节不等。 表1 IPv4首部字段 IPv6 2017年7月发布的IPv6协议文档：RFC 8200: Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification，目前已成为互联网正式标准，IPv6的首部字段如下表所示：
字段名长度说明版本4 bitIP协议的版本号，在IPv6中始终为6。通信量类8 bit类似于IPv4的区分服务字段，详细了解可参考RFC 2474和RFC 3168。流标签20 bit使用源地址, 目的地址和流标签构成的三元组唯一确定一个流, 因而属于同一个流的数据报都拥有相同的流标签，运营商可以为特定流保证指明的服务质量。详细了解可参考RFC 6437有效载荷长度16 bit有效载荷的大小，单位为字节。下一个首部8 bit当没有扩展首部时，该字段与IPv4首部中的协议字段相同； 当出现扩展首部时，该字段则用于标识第一个扩展首部的类型； 其应用如图2所示。跳数限制8 bit与IPv4首部中的生存时间相同，由发送端赋值，每经过一个路由器便减1，当值为0时，如果是中间路由器则将该数据报直接丢弃，如果是接收端则正常接收。源地址128 bit发送端地址。目的地址128 bit接收端地址。 表2 IPv6首部字段 有效载荷内容如下表所示：
字段名说明扩展首部在IPv6中，可选的网络层信息被编码在单独的扩展首部中，这些扩展首部可以放置在数据报中首部和上层协议首部之间。扩展首部可以有0个或多个，根据不同的需要可以装载不同的首部，比如要实现IPv4中的分片功能，只需要增加一个分片扩展首部即可，图2为RFC 8200给出的扩展首部应用示例。数据IPv6数据报中的数据部分。 表3 有效载荷内容
图2 扩展首部示意图 区别 相比IPv4，IPv6首部：
去掉了“首部长度”，这是因为IPv6的首部变成了固定的40字节，无需再保存首部长度； 去掉了“标识”、“标志”、“片偏移字段”，分片的职责被移交给了“下一个首部”和“扩展首部”，同时IPv6不再允许在中间路由器进行分片与重组，仅允许在源与目标主机执行此操作； 去掉了“首部校验和”，这是由于数据链路层和传输层均有校验机制。取消该字段能够加快路由器对数据报的处理速度； 去掉了“可选”字段，这一职责同样被移交给“下一个首部”和“扩展首部”完成，增加了路由器的处理速度； 将“总长度”调整为了“有效载荷长度”，该字段在调整后仅表示有效载荷的长度； 将“生存时间”调整为了“跳数限制”，命名与作用更加一致； 将“协议”调整为了下一个首部； 将“源地址”与“目的地址”的长度由32位增加到了128位； 对“区分服务”的调整以及增加了“流标号”字段，笔者对这两个字段了解有限，这里不做介绍。
IPv6的有效载荷:
增加了“扩展首部”，首部和扩展首部构成了一个“链表”，其扩展性更好，同时去掉了“选项”字段，并将该职责改为由扩展首部完成，这一变化大大增加了中间路由器的处理速度。
作者：字节跳动技术团队 链接：juejin.cn/post/715659… 来源：稀土掘金 著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。
