当前课程知识点：计算机网络技术 > 第三章 IP协议与下一代Internet研究 > 3.2 IPv4与IPv6协议 > 3.2 IPv4与IPv6协议（上）
第二节
IPv4与IPv6协议的基本内容
这一讲通过与IPv4协议对比的方法
介绍IPv6协议的具体内容
从4个方面介绍
报头
路由器
对报头的处理
IP地址
以及IP协议的配套协议
ICMP(Internet Control Message Protocol)
第一方面 IPv4与IPv6协议分组头部
组成IPV4报头的字段共有14个
而组成IPv6基本报头的字段数量已减到8个
IPV6报头取消了IPv4报头的字段有
报头长度 标识 标志
片偏移 头校验和 选项与填充域等
如图中阴影部分所示
IPv6增加的字段是流标识
IPv4报头长度是可变的
IPv6报头长度是固定的40字节
由于目前大量使用以太网 MAC层与PPP协议
在帧处理过程中
低层协议都采用了数据传输差错校验
与差错控制机制
因此取消了IPv4协议中的头校验和
不会对数据传输可靠性产生很大的影响
减轻了路由器的工作负荷
减小了路由器的转发延时
提高了传输网的工作效率
IPv6用载荷长度
取代了IPv4的总长度字段
IPv4的总长度字段值
指包括报头在内的报文总长度
而IPv6的载荷长度字段的值
只表示报文的有效载荷长度
Ipv6用通信流类型字段
取代了IPv4的服务类型
用跳数限制取代了生存时间
用下一个报头字段取代了协议字段
用扩展报头字段取代了选项字段
IPV6协议规定
源主机可以通过
“路径MTU(Max Transmission Unit)发现”
(PMTUD)报文
了解转发路径中的MTU值
可以不发送大于MTU长度的分组
转发路由器不执行分片操作
因此
IPv6报头
不需要有IPv4报头中
支持拆分的标识 标志和片偏移字段
另外“跳数限制”字段长度为8位
表示ＩＰｖ6报文可以通过的
转发路由器的最多数量
分组每经过一个路由器
其数值减１
当值为零时
路由器丢弃该报文
并向源节点发送ＩＣＭＰｖ6“超时”报文
“下一个报头”字段长度为8位
它的作用与IPv4报头中的“协议”字段相似
不同的是
IPv4协议字段的值
表示的是高层协议的类型
而IPv6的下一个报头字段的值表示
紧跟在IPv6基本报头之后的字段
是扩展报头还是TCP或者是UDP协议的数据
看下一个头部字段
这个表给出了下一个
报头字段常用的6种值
对应的扩展报头
以及扩展报头的基本功能
另外 如果“下一个报头”值是６
表示紧跟在ＩＰｖ６基本报头之后的字段
是ＴＣＰ协议数据
如果是１７
表示紧跟在ＩＰｖ６基本报头之后的字段
是ＵＤＰ协议数据
如果是58
表示紧跟在ＩＰｖ６
基本报头之后的字段是ＩＣＭＰｖ６协议数据
如果是59
表示该报头是最后一个报头
并且报文也没有携带ＴＣＰ／ＵＤＰ数据
再看扩展报头与有效载荷
在IＰｖ6中
报头只保留路由器必须处理的内容
并且长度固定
而将“选项”放到了扩展报头中
扩展报头由源主机按需要添加
ＩＰｖ６分组中可以没有扩展报头
可以只有一个扩展报头
也可以有多个扩展报头
图中
“下一个报头”字段值为６
表示该报文没有扩展报头
它的有效载荷是ＴＣＰ协议包的数据
在第2个图中
“下一个报头”字段值为43
表示该报文的有效载荷
第一部分为路由报头
在路由报头的
第一个字节的下一个报头字段中
要指出该报文的有效载荷的数据部分
应该是交给ＴＣＰ协议处理
还是交给ＵＤＰ协议处理
如果报文有２个扩展报头
如第3个图
第一个是路由报头
第２个是认证报头
常用的扩展报头有6个
功能说明如上一页表所示
路由器对IPV4分组的处理
Ipv4路由器的每一个接收端口
都处在随时准备介绍IP报文的状态
当它接收一个IPv4报文之后
立即进入处理过程
IPv4报文接收处理
与转发流程如图所示
路由器对一个IPv4报文
从接收到转发的整个过程
大致要经过以下几个步骤
第一个是检验版本字段
检验报文长度字段
检验头校验和字段
如果有错
则丢弃该报文
并向源节点发送ICMP“参数问题”报文
路由器重新回到准备接收下一个报文的状态
比如版本字段的值是4
则表明接收的报文是IPv4报文
接下来按照IPv4协议的规定处理
如果不是4
那么表明接收的报文不是IPv4报文
路由器丢弃该报文
接下来检测生存时间TTL字段
TTL的值
用来表示该报文最多可以经过几个路由器转发
初值由源主机设置
每转发一次值减1
若为0
路由器丢弃该报文
并向源节点发送超时报文
然后是处理报头选项字段
进行路由选选项 处理报文拆分
是否拆分报文
需要根据下一个通过的网络最大传输单元
（MTU）长度来决定
如果被转发报文的总长度
大于转发接口的IPv4的MTU
且报头中“标志”字段中
不分片(DF)的值为0
则表示允许进行拆分
报文拆分之后
需要重新计算报文新的头校验和
完成这些工作之后
再转发出去
以上是一个IPv4路由器
转发一个普通报文时的简化处理过程
实际上还应考虑以下几种情况
IPv4报头中8b的服务类型
其中3b是优先级
4b是服务类型
1b是保留位
IPv4报文没有定义报文类型
而是定义了3b的优先级
上述流程中忽略了此细节
IPv4报文长度是可变的
如果一个有IPv4选项字段
和填充字段的IP报文
它的报头长度大于20B
为20-60B
同时
协议规定IP报文的报头长度
必须是4B的整数倍
如果不是
则由填充域通过添0来补齐
路由器输入输出端口都包含网络层
数据链路层和物理层
在确定了下一跳路由器或主机的IP地址之后
需要通过ARP协议查询对应的MAC地址
看路由器对IPV6分组的处理
Ipv6路由器接收一个IPv6报文之后
立即进入处理过程
IPv6报文接收 处理与转发流程如图所示
用同样的方法
来分析路由器对一个IPv6报文的过程
首先是检验版本字段
处理跳数限制字段
处理载荷长度字段
这些信息如果正确
则进入下一个处理环节
如果出错
路由器丢弃该报文
并向源节点发送ICMPv6
参数问题或“超时”报文
处理下一个报头字段
进行路由选择
检查报文长度等
最后转发出去
这里忽略了ＩＰｖ６报文头中
“通信类型” “流标记” 以及“逐跳选项”的处理
通过比较
可以看到
转发一个ＩＰｖ６报文的过程
比转发一个ＩＰｖ４报文要简单得多
因为ＩＰｖ６报文的报头长度是固定的
不需要重新计算头校验和
也不需要执行拆分操作
因此减少了路由器的转发延时
提高了网络系统性能
再看IPV4与IPV6地址
对IPv4与IPv6地址长度
分类方式 表示方法等几个方面作一个对比
具体如表所示
需要指出的是
IPv4地址方案的制定大致在1981年
IPv4地址的主要的缺点
是地址少 分配不合理
地址利用率低
地址与网络拓扑结构无关
不利于路由寻址
IP地址技术发展有4个阶段
第1阶段
是采用标准分类的IP地址
即网络号+主机号的两级结构
比如A类地址网络号长度为7位
允许分配的网络只能有125个
B类网络号长度为14位
允许有16384个网络
在使用过程中暴露的第一个问题就是
地址有效利用率低
浪费了很多地址资源
同时地址结构与网络拓扑无关
地址不能反映任何与主机
地理位置相关的信息
随着网络规模的扩大
路由器中的路由表信息快速增长
第2阶段
是划分子网的三级结构
针对地址利用率低
于1991年提出子网与掩码的概念
第3阶段
是构成超网的无类别
域间路由（CIDR）技术
由于IPv4发展初期的分配规划问题
造成分配的许多地址块不连续
不能有效的汇聚路由
CIDR不是按标准的地址分类规则
它支持任意长度的地址掩码
使ISP能够按需分配地址空间
同时CIDR技术涉及IP寻址和路由选择
正是由于这两种重要的特征
这项技术被称为无类别域间路由技术
采用CIDR技术可以提高地址空间利用率
有效的抑制全球IPv4路由表
过快增的趋势
第4阶段
是网络地址转换（NAT）技术
尽管CIDR的出现大大缓解了地址紧张
但还是无法解决IPv4地址空间的问题
IPv4地址严重短缺
IPv4向IPv6迁移进程缓慢
人们需要有一个在短时间内快速缓解
地址短缺
支持IP地址重用的方法
这种需求导致网络地址转换技术的出现
但同时呢
网络地址转换技术又带来了IP协议应用的
限制与安全性等问题
这使人们认识到
所有这些地址技术的出现
只能暂时缓解全球地址短缺的状态
要彻底解决这个问题
只能依赖新的IPv6协议
设计更大的地址空间
-1.1 计算机网络的发展历程
--计算机的发展
-1.2 从计算机网络到互联网
-1.3 从互联网到移动互联网
-1.4 从移动互联网到物联网
-1.5-1.7 深入认识计算机网络结构、网络安全、互联网的成功经验
--1.5-1.7 深入认识计算机网络结构、网络安全、互联网的成功经验
-第一章 作业
-2.1 传输网的基本概念
-2.2 广域网技术研究与发展
-2.3 城域网技术研究与发展
-2.4 局域网技术研究与发展
-2.5 个人区域网研究与发展
-2.6 个人区域网研究与发展
-2.7-2.8 3G/4G与M2M工作模式、传输网两个融合的发展趋势
--2.7-2.8 3G/4G与M2M工作模式、传输网两个融合的发展趋势
-第二章 作业
-3.1 网络层与IP协议的演变与发展
-3.2 IPv4与IPv6协议
-3.3 路由技术的研究与发展
-3.4 QoSR与RSVP、DiffServ与MPLS
-3.5 IPv4向IPv6过渡
-3.6 路由器技术的研究与发展
-3.7 下一代互联网体系结构的研究
-第三章 作业
-4.1 网络环境中分布式进程通信
-4.2 传输层的基本功能
-4.3 传输控制协议
-4.4 用户数据报协议
-4.5 实时传输协议RTP/RTCP
-4.6. 容迟网技术的研究
-第四章 作业
-5.1 Internet应用发展与应用层协议分类
-5.2 P2P网络的主要类型
-5.3 基于P2P的网络应用
-6.1 移动互联网的概念
--第6章-移动互联网与移动IP - 6.1-6.2-PPT
-6.2 移动IP
-6.3 移动IPv4的基本工作原理
--第6章-移动互联网与移动IP - 6.3-6.4-PPT
-6.4 移动IPv6协议
-第五-六章 作业
-7.1 网联网的概念
-7.2 物联网的体系结构
-7.3 物联网的ONS 服务
-7.4 车联网VANET的基本概念
-7.5 车联网VANET的协议标准
-第七章 作业
