IPv6数据报头部格式
文章摘自书籍《深入理解计算机网络 王达 机械工业出版社》
IPv6数据报头部格式
RFC2460定义了IPv6数据报格式。总体结构上，IPv6数据报格式与IPv4数据报格式是一样的，也是由IP报头和数据（在IPv6中称为有效载荷）这两个部分组成的，但在IPv6数据报数据部分还可以包括0个或者多个IPv6扩展报头（Extension header）， 如下图所示。IP报头部分固定为40字节长度，而有效载荷部分最长不得超过65535字节。
IPv6和IPv4之间的最大差别在于：IP地址的长度从32位到128位。
通过裁剪IPv4报头中的某些字段，或把一些字段移入到扩展报头中，IPv6基本报头的总长度大大减小了。IPv6使用固定长度的基本报头，从而简化了转发设备对IPv6报文的处理，提高了转发效率。尽管IPv6地址长度是IPv4地址长度的4倍，但IPv6基本报头的长度只有40字节，为固定的IPv4报文头长度（不包括选项字段）的2倍。IPv5报头格式如下图所示。
各字段作用
版本（Version）
版本字段用来表示IP数据报使用的是IPv6协议封装，占4位，对应值为6（0110）。
通信分类（Traffic Class）
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，占8位，类似于IPv4中的ToS（服务类型）字段。
流标签（Flow Label）
流标签字段时IPv6数据报中新增的一个字段，占20位，可用来标记报文的数据流类型，以便在网络层区分不同的报文。流标签字段有源节点分配，通过流标签、源地址、目的地址三元组方式就可以唯一标识一条通信流，而不用像IPv4那样需要使用五元组方式（源地址、目的地址、源端口、目的端口和传输层协议号）。这样发动的最大好处有两点：一是流标签可以和任意的关联，需要标识不同类型的流（可以是非五元组）时，无需对流标签做改动；二是流标签在IPv6基本头中，使用IPSec时此域对转发路由器可见，因此转发路由器可以在使用IPv6报文IPSec的情况下仍然可以通过三元组（流标签、源地址、目的地址）针对特定的流进行QoS（质量服务）处理。
有效载荷长度（PayLoad Length）
有效载荷长度字段是以字节为单位的标识IPv6数据报中有效载荷部分（包括所有扩展报头部分）的总长度，也就是除了IPv6的基本报头以外的其他部分的总长度，占20位。
下一个头部字段用来标识当前报头（或者扩展报头）的下一个头部类型，占8位。每种扩展报头都有其对应的值。下一个头部字段内定义的扩展报头类型与IPv4中的协议字段值类似，但在IPv6数据报中，紧接着IPv6报头的可能不是上层协议头部（当没有扩展报头或者为最后一个扩展报头时才是上层协议头），而是IPv6扩展报头。这一机制下处理扩展报头更搞笑，因为标识了数据报中对应的上层协议或者扩展报头类型，转发路由器只需处理必须处理的扩展报头，提高了转发效率。
跳数限制（Hop Limit）
跳数限制于IPv4报文中的TTL字段类似，指定了报文可以有效转发的次数，占8位。报文每经过一个路由器结点，跳数值就减1，当此字段值减到0时，则直接丢弃该报文。
源地址（Source IP Address）
源IP地址字段标识了发送该IPv6报文源节点的IPv6地址，占128位。
目的IP地址（Destination IP Address）
目的IP地址字段标识了IPv6报文的接受节点的IPv6地址，占128位。
IPv6扩展报头
在各字段介绍中我们讲到了，IPv6报文中可以携带可选的IPv6扩展报头。IPv6扩展报头是跟在IPv6基本报头后面的可选报头。由于在IPv4的报头中包含了几乎所有的可选项，因此每个中间路由器都必须检查这些选项是否存在。在IPv6中，这些相关选项被统一移到了扩展报头中，这样中间路由器不必处理每一个可能出现的选项（仅有“逐跳选项”报头是必须要处理的），提高了处理器处理数据报文的速度，也提高了其转发的性能。
IPv6扩展报头附加在IPv6报头目的IP地址字段后面，可以有0个，或者多个扩展报头。主要的IPv6扩展报头有一下几类：
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。
本扩展报头类型值为60。只可能出现在两个位置：
1. 路由头前，这是此选项头被目的节点和路由头中指定的结点处理；
2. 上层头前（任何的ESP头后），此时只能被目的结点处理。
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。
本扩展报头类型值为43，用于源路由选项和移动IPv6。
本扩展报头类型值为44，用于标识数据报的分段，在IPv4中就有对应的字段。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。
本扩展报头类型值为51，用于IPSec，提供报文验证，完整性检查。
封装安全有效载荷头
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。
这是用来标识数据报中上层协议类型，如TCP、UDP、ICMP等。
注意：目的选项头最多出现两次，一次在路由头前，一次在上层协议头前，其他选项头最多只能出现一次。IPv6节点必须能够处理选项头（逐跳选项头除外，它固定只能紧随基本报头之后）在任意位置出现，以保证互通性。
对比IPv4数据报头部格式可以看出，IPv6去除了IPv4报头中的头部长度、标识、标志、段偏移、校验和、选项、填充这么多字段，却只增加了流标签这一个字段，因此IPv6报头处理和IPv4报头处理相比大大简化，提高了处理效率。另外，IPv6为了更好地支持各种选项处理，提出了扩展头的概念，新增选项时不必修改现有的结构就能做到，理论上可以无限扩展，体现了优异的灵活性。
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IPv6报头结构分析
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3秒自动关闭窗口IPv6学习(2) IPv6报文格式 - Jersey - 博客园
IPv6报文格式
Version(4-bit):IP版本，该字段值为6
Traffic Class(8-bit):流量分类，与IPv4包头的TOS类似
Flow Label(20-bit):流标签，用来标记IPv6数据包的一个流
Payload Length(16-bit):有效载荷的长度，扩展报头也算在Payload长度里
Next Header(8-bit):处理选项字段，分段，安全，移动性，松散源路由，记录路由等的新方式
Hop Limit:(8-bit):定义IP数据包所能经过的最大跳数，每跳一次将此值减1。
Source Address(128-bit):IP数据包的源地址
Destination Address(128-bit):IP数据包的目的地址
Possible Extension Header(s)： 扩展报头
扩展报头(RFC2460)
Type of Header
Hop-by-Hop Options Header
TCP （Upper Layer）
UDP （Upper Layer）
Encapsulated IPv6 Header
Routing Header
Fragment Header
Encapsulating Security Payload
Authentication Header
ICMPv6 （Upper Layer）
No next header
Destination Options
RFC2460推荐的Extension Header出现顺序：
IPv6 main header
Hop-by-Hop Options header (if present, it MUST be the first one following the main/regular header)
Destination Options header(with Routing Options)
Routing header
Fragment header
Authentication header
Encapsulating Security Payload header
Destination Options header
Upper-layer header
    注：除了Hop-by-Hop Options header,其它的扩展头在传输过程中, 中间节点不对其做处理,处理扩展头的节点按扩展头顺序处理，而不能挑选某个header
Extension Header的组合方式：
+---------------+------------------------
IPv6 header
| TCP header + data
| Next Header = |
+---------------+------------------------
+---------------+----------------+------------------------
IPv6 header
| Routing header | TCP header + data
| Next Header = |
Next Header = |
43(Routing)
+---------------+----------------+------------------------
+---------------+----------------+-----------------+-----------------
IPv6 header
| Routing header | Fragment header | fragment of TCP
header + data
| Next Header = |
Next Header = |
Next Header =
43(Routing)
5(Fragment)
+---------------+----------------+-----------------+-----------------
Hop-by-Hop 扩展头（type=0）：
   介绍:该字段由传送路径上的每个节点和路由器读取并处理，目前只定义了一个选项：要求支持超过64k的数据报文Jumbogram( )。
   用途:主要用于巨型数据包（RFC2675）和路由器警报(RFC 2711)，e.g :RSVP,MLD report etc）
   补齐使用Pad1或者PadN
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
Next Header
Hdr Ext Len
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
Routing Header(type=43)
    介绍：在数据包发往目的地的途中，该包头能够被IPv6源节点用来强制数据包经过特定的路由器。当路由类型字段设为0时，在路由包头可以指定中间路由器列表，类似IPv4的松散源路由选项。
   用途：主要用于移动IP
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
Next Header
Hdr Ext Len
Routing Type | Segments Left |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
type-specific data
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
Hdr ext Len(8-bit):扩展头长度，不统计前1个字节
Routing type(8-bit):标识路由头类型
Segment Left(8-bit):剩余的seg数目
Type-specific data(变长):由Routing type决定，Routing type＝0时该段保留前4bytes,后跟沿途路由器的address-list
  补齐使用Pad1或者PadN
如何使用？举个例子，源S发数据包到目的节点D，指定要经 I1，I2，I3 则：
As the packet travels from S to I1:
Source Address = S
Hdr Ext Len = 6
Destination Address = I1
Segments Left = 3
Address[1] = I2
Address[2] = I3
Address[3] = D
As the packet travels from I1 to I2:
Source Address = S
Hdr Ext Len = 6
Destination Address = I2
Segments Left = 2
Address[1] = I1
Address[2] = I3
Address[3] = D
As the packet travels from I2 to I3:
Source Address = S
Hdr Ext Len = 6
Destination Address = I3
Segments Left = 1
Address[1] = I1
Address[2] = I2
Address[3] = D
As the packet travels from I3 to D:
Source Address = S
Hdr Ext Len = 6
Destination Address = D
Segments Left = 0
Address[1] = I1
Address[2] = I2
Address[3] = I3
Fragment Header（type=44）
    介绍:只能源节点用来将大于传输路径的PMTU的数据包进行分段，与IPv4不同，IPv6在源节点进行分段，而不能在中间的节点进行分段（使用PMTU机制进行检测路径最小的MTU）
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
Next Header
Fragment Offset
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
Identification
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
Reserved(8-bit)： 初值为0
Fragment Offset(13-bit)：分片报文的偏移
Res(2-bits):0
M:1表示more frag（还有Fragment）,0表示last frag（我就是最后一个了）
Identification:分片产生的ID,对于发往同一目的的不同分片报文，该ID不同
数据包分片：如图
重组：如图
Destination Options Header(type=60)
   介绍:承载数据包目的节点所需要的可选信息，给宿主机解释和使用的，目前这个选项为空
   用途:IETF暂时建议使用该扩展头在移动节点和家乡代理之间交换注册信息
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
Next Header
Hdr Ext Len
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
Hdr ext Len(8-bit):Header的长度，不统计前1个字节
Options（变长）:包含一个或多个TLV(Tag,Length,Value)三元组
Pad1,PadN:用于填充报文Options剩余部分
No Next Header(type=59)
      介绍:用于表示后面没有扩展头跟该在该扩展头后面
Authentication header(type=51)
      介绍:由IPsec使用，以提供认证，数据完整性和重放保护，确保基本IPv6包头中一些字段的保护
Encapsulating Security Payload header(type=50)
     介绍:由IPsec使用，以提供认证数据完整性和重放保护和IPv6数据包的保密
IPv4报文头和IPv6报文头比较
Reference：
1.东南大学网络体系结构课课件
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