详解IPv6与IPv4之间的区别

详解IPv6与IPv4之间的区别

IPv6是Internet Protocol Version 6的缩写，其中Internet Protocol译为“互联网协议”。IPv6是IETF（互联网工程任务组，Internet Engineering Task Force）设计的用于替代现行版本IP协议（IPv4）的下一代IP协议，号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个网址。

1. IPV6的基本概念

周所周知，IPv6采用128位的地址长度拥有更大的地址空间。首先我们先来认识一下IPv6到底长成什么样子。

IPv6数据报文和IPv4有很大的差别：

数据链路层(L2)的type字段标识为 0x86dd，表示承载的上层协议是IPv6(IPv4对比：type字段为0x0800);

IPv6的头部字段，和IPv4差别巨大(可以猜测到，IPv6和IPv4无法兼容)。

我们来看下ipv6的报文头部格式：

Ipv6报文头部

ipv6的头部更加的简单，少了很多的字段，对比ipv4,有这几个地方需要注意：

IPv6报文头部是定长(固定为40字节)，IPv4报文头部是变长的。这个意味着，写代码处理IPv6数据报文的效率会提高很多：);

IPv6中Hop Limit字段含义类似IPv4的TTL;

IPv6中的Traffic Class字段含义类似IPv4中的TOS(Type Of Service);

IPv6的报文头部取消了校验和字段：取消这个字段也是对IPv4协议的一个改进。当IPv4报文在网路间传输，每经过一个路由器转发就是修改TTL字段，就需要重新计算校验和，而由于数据链路层L2和传输层L4的校验已经足够强壮，因此IPv6取消这个字段会提高路由器的转发效率。值得一提的是，在IPv6协议下，传输层L4协议UDP、TCP是强制需要进行校验和的(IPv4是可选的);

IPv6报文头部中的Next Header字段表示“承载上一层的协议类型”或者“扩展头部类型”。

这里的含义与IPv4有很大的差别，需要加以解释：

当IPv6数据报文承载的是上层协议ICMPv6、TCP、UDP等的时候，Next Header的值分别为58、6、17，这个时候和IPv4报文头部中的Protocol字段很类似;

当不是以上3种协议类型的时候，IPv6报文头部紧接的是扩展头部。扩展头部是IPv6引入的一个新的概念，每个IPv6的数据报文可以承载0个或多个扩展头部，扩展头部通过链表的形式组织起来。当IPv6数据报文承载着扩展头部的时候，Next Header的数值为扩展头部的类型值。

为什么要引入扩展头部这个概念，这里也是IPv6对IPv4改进的一个方面，用扩展头部取代了IPv4的可选项信息，精简了IPv6的头部，增强了IPv6的扩展性。有同学会不会有疑问，IPv6的分片数据报文怎么处理?其实就是使用了IPv6扩展头部。

当发送一个分片IPv6数据报文的时候，IPv6使用的是扩展头部的形式组织各个分片的信息，IPv6报文头部Next Header字段值为44表示存在扩展头部，扩展头部是IPv6分片数据信息。

对比IPv4，分片信息是记录在IPv4报文头部的分片字段中。

IPv6的扩展头部类型有很多种，除了上述的分片头部，还有路由头部、逐跳可选头部等，具体的可以参考RFC2460。

本章主要介绍了IPv6的一些很直观的认识，下面逐渐介绍IPv6上的基本知识和概念。

2. ipv6的地址语法

一个IPv6的地址使用冒号十六进制表示方法：128位的地址每16位分成一段，每个16位的段用十六进制表示并用冒号分隔开，例如：

一个普通公网IPv6地址：

2001:0D12:0000:0000:02AA:0987:FE29:9871

IPv6地址支持压缩前导零的表示方法，例如上面的地址可以压缩表示为：

200112:0:0:2AA:987:FE29:9871

为了进一步精简IPv6地址，当冒号十六进制格式中出现连续几段数值0的位段时，这些段可以压缩为双冒号的表示，例如上面的地址还可以进一步精简表示为：

[pquote]200112::2AA:987:FE29:9871

又例如IPv6的地址FF80:0:0:0:FF:3BA:891:67C2可以进一步精简表示为：

FE80::FF:3BA:891:67C2

这里值得注意的是：双冒号只能出现一次。

3. IPv6地址的号段划分和前缀表示法

IPv6拥有128位巨大的地址空间，对于那么大的空间，也不是随意的划分，而是使用按照bit位进行号段划分(与鹅厂内部一些的64位uin改造放号的zone划分算法)。

IPv6的地址结构如下图：

例如RFC4291中定义了n=48, m=16，也就是子网和接口ID与各占64位。

IPv6支持子网前缀标识方法，类似于IPv4的无分类域间路由CIDR机制(注意：IPv6没有子网掩码mask的概念)。

使用“IPv6地址/前缀长度”表示方法，例如：

2001:C3:0:2C6A::/64表示一个子网;

而2001:C3:0:2C6A:C9B4:FF12:48BC:1A22/64表示该子网下的一个节点地址。

可以看到，一个IPv6的地址有子网前缀+接口ID构成，子网前缀由地址分配和管理机构定义和分配，而接口ID可以由各操作系统实现生成，生成算法后面的章节会介绍。

4. IPv6的地址类型

IPv6地址分三种类型：

单播，对应于IPv4的普通公网和私网地址;

组播，对应于IPv4的组播(多播)地址;

任播，IPv6新增的地址概念类型。

IPv6没有广播地址，用组播地址实现广播的功能。实际上我们工作和生活最可能最多接触的就是单播地址，接下来本文重点会讲解单播地址的种类。组播和任播地址有兴趣的同学自行查阅相关RFC和文献。