1. IPv4 報文格式

IPv4 包頭由固定20字節(jié)的包頭與可變長的選項組成：

image.png

1.1 版本（Version）

版本（Version）域, 長度4比特。標識目前采用的IP協(xié)議的版本號。一般的值為0100（IPv4），0110（IPv6）

1.2 IP包頭長度（Header Length）

IHL用4位來表示。

由于頭部的長度是不固定的，所以頭部的IHL域指明了該頭部有多長（以32位字的長度為單位）。

IHL的最小長度為5，這個時候表明沒有可選項（Option），此4位域的最大值也就是15，也就是說頭部的最大長度為15*(32/8) = 60字節(jié)，因此可選項（Option） = 60 - 20 = 40字節(jié)，可選項的內(nèi)容最大為40字節(jié)。對于某些選項，比如記錄一個分組沿途路徑的選項，40字節(jié)往往太小了，這就使得這樣的選項其實沒有什么用處。

1.3 服務(wù)類型（Type of Service）

服務(wù)類型（Type of Service）域, 長度8比特。

8位按位被如下定義 PPP DTRC0

PPP：定義包的優(yōu)先級，取值越大數(shù)據(jù)越重要

• 000 普通 (Routine)
• 001 優(yōu)先的 (Priority)
• 010 立即的發(fā)送 (Immediate)
• 011 閃電式的 (Flash)
• 100 比閃電還閃電式的 (Flash Override)
• 101 CRI/TIC/ECP(找不到這個詞的翻譯)
• 110 網(wǎng)間控制 (Internetwork Control)
• 111 網(wǎng)絡(luò)控制 (Network Control)

DTRCO

• D 時延: 0:普通 1:延遲盡量小
• T 吞吐量: 0:普通 1:流量盡量大
• R 可靠性: 0:普通 1:可靠性盡量大
• M 傳輸成本: 0:普通 1:成本盡量小
• 0 最后一位被保留，恒定為0

1.4 總長度（Total Length）

總長度（Total Length）域, 以字節(jié)為單位計算的IP包的長度 (包括頭部和數(shù)據(jù))，所以IP包最大長度65535字節(jié)。

1.5 標識（Identification）

標識（Identification）域, 該字段和Flags和Fragment Offest字段聯(lián)合使用，對較大的上層數(shù)據(jù)包進行分段（fragment）操作。路由器將一個包拆分后，所有拆分開的小包被標記相同的值，以便目的端設(shè)備能夠區(qū)分哪個包屬于被拆分開的包的一部分。是讓目標主機確定一個新到來的分段是屬于哪一個數(shù)據(jù)報的。同一個數(shù)據(jù)報的的所有分段都有相同的Identification值。

接下來是未使用的位。然后是兩個1位域。

DF代表不分段（Don't Fragment）,這是針對路由器的一個命令，它讓路由器不要分割該數(shù)據(jù)報，因為目標主機可能無法將分片重新組合回原來的數(shù)據(jù)報。例如，當一臺計算機啟動的時候，它的ROM可能向網(wǎng)絡(luò)請求一個包含內(nèi)存映像的一個數(shù)據(jù)報。在數(shù)據(jù)報中標記了DF位之后，它就知道該數(shù)據(jù)將作為一個整體到達接收方，不過這意味著該數(shù)據(jù)報必須避開最優(yōu)路徑的小分組網(wǎng)絡(luò)，而不得不走次優(yōu)的的路徑。所有的機器都要求能接受576字節(jié)或者更少的分段(4.5k)。

MF代表更多的分段（More Fragment）。除了最后一個分段以外，其它所有的分段都必須設(shè)置這一位，它的用途是，接收方可以知道什么時候一個數(shù)據(jù)報的所有分段已經(jīng)到達了。

1.6 分段偏移（Fragment Offset）

分段偏移（Fragment Offset）（13位域）域指明了該分段在當前數(shù)據(jù)報中的什么位置上。除了一個數(shù)據(jù)報的最后一個分段以外，其他所有的分段必須是8字節(jié)的倍數(shù)，這里的8字節(jié)是基本的分段單位(64bit大小)。由于該域有13位，所以每個數(shù)據(jù)報最多可以有2^13 = 8192個分段，因此，最大的數(shù)據(jù)報長度為8192*8 = 65536字節(jié)，比Taotal length域還要大1.

1.7 生命期TTL（Time to live）

TTL（Time to live）域（8位域）, 當IP包經(jīng)過每一個沿途的路由器的時候，每個沿途的路由器會將IP包的TTL值減少1。如果TTL減少為0，則該IP包會被丟棄。這個字段可以防止由于路由環(huán)路而導致IP包在網(wǎng)絡(luò)中不停被轉(zhuǎn)發(fā)。

1.8 協(xié)議（Protocol）

當網(wǎng)絡(luò)層組裝完成一個完整的數(shù)據(jù)報之后，它需要知道該如何對它進行處理。協(xié)議（Protocol）域指明了該將它交給哪一個傳輸進程。TCP是一種可能，UDP或者其他協(xié)議也是一種可能。協(xié)議的編號是整合Internet全球統(tǒng)一的。

1.9 頭部校驗和（Header checksum）

頭部校驗和（Header checksum）域只校驗頭部。這樣的校驗和對于檢測“因路由器中的壞內(nèi)存而產(chǎn)生的錯誤”非常有用。因為每個路由器要改變TTL的值,所以路由器會為每個通過的數(shù)據(jù)包重新計算這個值。其算法是這樣的：當數(shù)據(jù)到達時，所有的16位（半字）累加起來，然后再取結(jié)果的補碼。該算法的意圖是，當數(shù)據(jù)到達之后，Header checksum的計算結(jié)果應(yīng)該為0.該算法比常規(guī)算法更加穩(wěn)定。請注意，在每一跳上，Header checksum域必須重新計算，因為至少有一個域總是要改變的（即Time to live），但是通過一些技巧可以加速計算。

1.10 源地址（Source address）和目標地址（Destination address）

都用32為表示。要注意除非使用NAT，否則整個傳輸?shù)倪^程中，這兩個地址不會改變

1.11 選項（Option）

選項（Option）域的設(shè)計意圖是：主要用于測試; 允許后續(xù)版本的協(xié)議包含一些原來的設(shè)計中沒有出現(xiàn)的信息；允許實驗人員試驗新的想法；避免為那些不常使用的信息分配頭部域。選項是變長的，每一個選項的第一個字節(jié)是一個標識碼，它標明了該選項。有的選項后面跟著1個字節(jié)的選項長度域，然后是一個或多個數(shù)據(jù)字節(jié)。Options域被補齊到4字節(jié)的倍數(shù)。

2.IPv6

IPv6 數(shù)據(jù)報包括一個主首部和0 或多個擴展首部。IPv6 包頭結(jié)構(gòu)如下圖所示。

image.png

IPv6包頭長度固定為40字節(jié)，去掉了IPv4中一切可選項，只包括8個必要的字段，因此盡管IPv6地址長度為IPv4的四倍，IPv6包頭長度僅為IPv4包頭長度的兩倍。

2.1 Version（版本號）

4位，IP協(xié)議版本號，值 = 6。

2.2 Traffice Class（通信級別/類別）

8位，指示IPv6數(shù)據(jù)流通信類別或優(yōu)先級。功能類似于IPv4的服務(wù)類型（TOS/QOS）字段。 （通往目標節(jié)點的過程中，這個字段的值可能會被修改）

2.3 Flow Label（流標記）

20位，IPv6新增字段，標記需要IPv6路由器特殊處理的數(shù)據(jù)流，這個字段是為了給實時數(shù)據(jù)報交付和QoS提供更多的支持。該字段用于某些對連接的服務(wù)質(zhì)量有特殊要求的通信，諸如音頻或視頻等實時數(shù)據(jù)傳輸。在IPv6中，同一信源和信宿之間可以有多種不同的數(shù)據(jù)流，彼此之間以非“0”流標記區(qū)分。如果不要求路由器做特殊處理，則該字段值置為“0”。 flow label最初是28bit，逐漸修改至rfc2460的20bit。flow label通過偽隨機算法生成，介于1至fffff之間。如果一組數(shù)據(jù)流具有相同的源地址、目的地址、hop-by-hop和routing，那么這組數(shù)據(jù)流可能共享flow label。由此可見，IPv6結(jié)點可以僅通過flow label，不檢查其它屬性值，即可知道如何處理和轉(zhuǎn)發(fā)這組數(shù)據(jù)流。

2.4 Payload Length（負載長度）

16位負載長度。負載長度包括擴展頭和上層PDU，16位最多可表示65535字節(jié)負載長度。超過這一字節(jié)數(shù)的負載，該字段值置為“0”，使用擴展頭逐個跳段（Hop-by-Hop）選項中的巨量負載（Jumbo Payload）選項。 總而言之，該字段的值=報文總長度-40

2.5 Next Header（下一包頭）

8位，指明識別緊跟在IPv6頭后的包頭類型，如擴展頭（有的話）或某個傳輸層協(xié)議頭（諸如TCP，UDP或者ICMPv6）。

由下圖可以看出，因為可以有多個擴展頭，一個擴展頭中還有Next Header字段，用于指明下一個擴展頭或者傳輸層的類型。（擴展可以有多個，但是上層數(shù)據(jù)只能有一個）
常見的Next Header值：

image.png

2.6 Hop Limit（跳段數(shù)限制）

8位，類似于IPv4的TTL（生命期）字段。與IPv4用時間來限定包的生命期不同，IPv6用包在路由器之間的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)來限定包的生命期。包每經(jīng)過一次轉(zhuǎn)發(fā)，該字段減1，減到0時就把這個包丟棄。
S

2.7 ource Address（源地址）

128位（16字節(jié)），發(fā)送方主機地址。

2.8 Destination Address（目的地址）

128位，在大多數(shù)情況下，目的地址即信宿地址。但如果存在路由擴展頭的話，目的地址可能是發(fā)送方路由表中下一個路由器接口。

3.IPv4和IPv6對比圖

image.png

• IPV6簡化了報文頭部格式，字段只有8個，加快報文轉(zhuǎn)發(fā)，提高了吞吐量
• 靈活的IP報文頭部格式。使用一系列固定格式的擴展頭部取代了IPV4中可變長度的選項字段。
• IPV6中選項部分的出現(xiàn)方式也有所變化，使路由器可以簡單路過選項而不做任何處理，加快了報文處理速度；
• IPv6的地址是IPv4地址的四倍，但是IPv6的頭部卻只有最小IPv4頭部長度的兩倍。

參考文檔《深入解析IPv6》