IPv6 数据报与扩展首部

IPv6 首部的设计哲学

IPv4 首部像一张"万能表格"，有选项、有校验和、有分片字段，路由器处理起来复杂。IPv6 的设计者决定：固定格式、简化处理、扩展靠后。

IPv6 首部固定 40 字节，没有选项、没有校验和、没有分片字段（分片移到扩展首部）。路由器处理 IPv6 首部时，只需读取固定字段，不需要像 IPv4 那样重新计算校验和，速度更快。

IPv6 固定首部结构

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|Version| Traffic Class |           Flow Label                  |
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|         Payload Length        |  Next Header  |   Hop Limit   |
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|                                                               |
+                      Source Address                           +
|                                                               |
+                                                               +
|                                                               |
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+                                                               +
|                                                               |
+                   Destination Address                         +
|                                                               |
+                                                               +
|                                                               |
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1. Version（版本，4 位）

固定为 0110（6）。

2. Traffic Class（流量类别，8 位）

完全复用 IPv4 的 TOS/DSCP/ECN 语义：

  • 前 6 位：DSCP
  • 后 2 位：ECN

3. Flow Label（流标签，20 位）

IPv6 新增字段，用于标识同一流的数据报。例如一条视频通话的所有包可以标记相同的 Flow Label，路由器识别后做相同处理（走相同路径、相同 QoS 队列），避免对每个包重新分类。

注意：Flow Label 目前实际部署较少，很多路由器忽略该字段。

4. Payload Length（有效载荷长度，16 位）

不包括首部，只表示后面跟着多少字节（扩展首部 + 上层数据）。最大 65535 字节。

特殊值 0 表示"超大载荷"（Jumbogram，超过 65535 字节），需配合 Hop-by-Hop 选项使用。

5. Next Header（下一个首部，8 位）

IPv6 最重要的设计之一。它告诉路由器"我后面跟着什么"：

值含义
6TCP
17UDP
58ICMPv6
0Hop-by-Hop 选项
43Routing 首部
44Fragment 首部
50ESP（IPsec）
51AH（IPsec）
60Destination 选项

6. Hop Limit（跳数限制，8 位）

等同于 IPv4 的 TTL，每经一跳减 1，到 0 丢弃。

7. Source / Destination Address（各 128 位）

IPv6 地址，各占 16 字节。

扩展首部链（Extension Header Chain）

IPv6 把选项从固定首部中移出，变成独立的扩展首部，像火车车厢一样串在固定首部后面：

[IPv6 固定首部] → [扩展首部 1] → [扩展首部 2] → ... → [TCP/UDP/ICMPv6]
     Next=0          Next=43          Next=44          Next=6

每个扩展首部的第一个字节都是 Next Header，形成链表结构。

标准顺序（RFC 8200 规定）

  1. Hop-by-Hop Options（逐跳选项）：每个路由器都必须处理
  2. Destination Options（目的地选项 1）：中间路由器不处理，目的主机处理
  3. Routing Header（路由首部）：源路由，类似 IPv4 的松散源路由
  4. Fragment Header（分片首部）：IPv6 分片信息
  5. AH（认证首部）：IPsec 认证
  6. ESP（封装安全载荷）：IPsec 加密
  7. Destination Options（目的地选项 2）：最终目的地处理
  8. Upper Layer（上层协议）：TCP/UDP/ICMPv6

路由器处理规则

  • 必须处理：Hop-by-Hop、Routing（部分类型）
  • 不处理直接跳过：Fragment、AH、ESP、Destination Options
  • 如果路由器遇到不认识的扩展首部，且 Hop-by-Hop 标志置位，返回 ICMPv6 "参数问题"

关键扩展首部详解

1. Fragment 扩展首部（Next Header=44）

IPv6 不允许中间路由器分片，只有源主机可以分片。分片信息存在 Fragment 首部：

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|  Next Header  |   Reserved    |      Fragment Offset    |Res|M|
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|                         Identification                        |
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  • Fragment Offset：13 位，单位 8 字节（同 IPv4）
  • M（More Fragments）：1 位，1=后面还有分片
  • Identification：32 位（比 IPv4 的 16 位更大，减少冲突概率）

注意：IPv6 的 Identification 是 32 位，IPv4 只有 16 位。16 位在高速网络中容易回绕（Wrap Around），导致分片重组错误。

2. Routing 扩展首部（Next Header=43）

允许源主机指定包必须经过的节点列表，类似"旅游攻略指定必经景点"。

Type 0（已废弃）：曾被用于攻击（绕过防火墙、放大攻击），RFC 5095 废弃。 Type 2：用于移动 IP（Mobile IPv6），长度固定 4 字节，只含一个地址。

3. Hop-by-Hop 选项

包含所有中间路由器必须检查的选项。常见选项：

  • Jumbo Payload：Payload Length=0 时，在此声明真实长度（可超过 65535）
  • Router Alert：提示路由器"这个包需要额外注意"（如 RSVP、MLD）

IPv4 vs IPv6 首部对比

特性IPv4IPv6
首部长度可变 20~60 字节固定 40 字节
校验和有，路由器需重新计算无，提升转发速度
选项嵌入首部，路由器慢路径处理扩展首部链，多数跳过
分片路由器可分片仅源主机分片
地址长度32 位128 位
Identification16 位32 位（在 Fragment 首部）
DSCP/ECNTOS 字段Traffic Class 字段
流标识无Flow Label（20 位）

IPv6 的设计哲学可以总结为：固定格式、简化处理、扩展靠后。取消校验和是因为链路层 CRC 和传输层校验和已经足够可靠，路由器重新计算校验和是纯粹的 CPU 浪费。

本篇小结

  • IPv6 首部固定 40 字节，无校验和，无选项，无分片字段
  • Next Header 形成扩展首部链表，类似"车厢挂钩"
  • 扩展首部标准顺序：Hop-by-Hop → Destination → Routing → Fragment → AH → ESP → Destination → Upper Layer
  • 路由器只处理 Hop-by-Hop 和 Routing，其余跳过
  • IPv6 分片仅源主机执行，Identification 32 位更安全

动手实践

  1. Wireshark 抓取 IPv6 流量（如 ping -6 fe80::1%eth0），观察固定首部字段

  2. 对比同一连接的 IPv4 和 IPv6 包大小：IPv6 首部比 IPv4 多 20 字节，但省掉了校验和计算

  3. Wireshark 过滤 ipv6.nxt == 44，观察 Fragment 扩展首部

  4. 思考：为什么 IPv6 取消首部校验和能提高路由器转发速度？如果链路层 CRC 检错率 99.99%，传输层 TCP 也有校验和，IP 层校验和是否冗余？