13.1 IPv6 数据包、地址与子网

IPv6 不只是“把地址从 32 位加长到 128 位”。它重新安排了基本首部、分片和邻居发现，也让一台主机同时拥有多个不同作用域、不同生命周期的地址成为常态。

本课目标

解释 IPv6 基本首部与扩展首部的分工；
正确理解发送端分片、Path MTU Discovery 和 ICMPv6；
规范书写与解析 IPv6 地址；
区分 global、ULA、link-local、multicast 与 anycast；
设计常见 /64 子网，同时知道它不是所有接口的绝对规则。

为什么还需要 IPv6

IPv4 的 32 位空间只有约 43 亿个数值，其中还有保留和特殊用途范围。CIDR、私有地址与 NAT 延缓了耗尽，却没有增加端到端可用的公网地址。

IPv6 的地址空间足以让网络按层次分配前缀，也减少了依赖地址共享的压力。但它并不会自动消除防火墙、地址转换、路由错误或应用兼容问题；“地址足够”与“服务可从互联网访问”是两件事。

固定 40 字节的基本首部

text

0                   1                   2                   3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-------+---------------+---------------------------------------+
|Version| Traffic Class |              Flow Label               |
+-------+---------------+---------------------------------------+
|         Payload Length        |  Next Header  |   Hop Limit   |
+---------------------------------------------------------------+
|                       Source Address                          |
|                         128 bits                              |
+---------------------------------------------------------------+
|                    Destination Address                        |
|                         128 bits                              |
+---------------------------------------------------------------+

字段	位数	作用
Version	4	值为 6
Traffic Class	8	DSCP 与 ECN 使用的流量分类位
Flow Label	20	标识属于同一流的包，具体使用受实现与网络策略影响
Payload Length	16	基本首部之后的长度；jumbogram 是受限的扩展场景
Next Header	8	指向扩展首部或 TCP、UDP、ICMPv6 等上层协议
Hop Limit	8	每次转发减一，转发时减到零则丢弃，作用类似 IPv4 TTL
Source/Destination	各 128	源与目的 IPv6 地址

下面的解析器只处理基本首部，不试图遍历扩展首部：

python

from dataclasses import dataclass
import ipaddress
import struct

@dataclass(frozen=True)
class IPv6BaseHeader:
    traffic_class: int
    flow_label: int
    payload_length: int
    next_header: int
    hop_limit: int
    source: ipaddress.IPv6Address
    destination: ipaddress.IPv6Address

def parse_ipv6_base_header(packet: bytes) -> IPv6BaseHeader:
    if len(packet) < 40:
        raise ValueError("truncated IPv6 base header")

    first_word, length, next_header, hop_limit, source, destination = (
        struct.unpack("!IHBB16s16s", packet[:40])
    )
    version = first_word >> 28
    if version != 6:
        raise ValueError(f"expected IPv6, got version={version}")

    return IPv6BaseHeader(
        traffic_class=(first_word >> 20) & 0xFF,
        flow_label=first_word & 0xFFFFF,
        payload_length=length,
        next_header=next_header,
        hop_limit=hop_limit,
        source=ipaddress.IPv6Address(source),
        destination=ipaddress.IPv6Address(destination),
    )

payload_length 不含 40 字节基本首部。这里成功返回只说明基本首部可读，不证明 payload 完整。生产解析器还须检查捕获长度、扩展首部链和资源上限。Payload Length = 0 也不能直接解释成空包：符合 jumbogram 条件时，长度由 Hop-by-Hop 中的 Jumbo Payload 选项表达。Flow Label 本身则不承诺带宽或优先级。

扩展首部不是“路由器一概不看”

IPv6 把可选信息放进扩展首部，由 Next Header 串成链。常见类型包括 Hop-by-Hop Options、Routing、Fragment、Destination Options 和 AH/ESP。

多数扩展首部只由目的节点处理；Hop-by-Hop Options 具有沿途处理语义，但 RFC 8200 允许节点仅在显式配置时检查它。现实设备也可能因安全策略、硬件能力或异常首部链而丢弃包。因此不能从“协议支持扩展首部”推出“任意组合都能穿过互联网”。

没有 IPv6 首部校验和意味着什么

IPv6 基本首部没有像 IPv4 那样的 header checksum，路由器改变 Hop Limit 时无需重算它。链路层通常有差错检测，TCP 与 ICMPv6 也有校验和；IPv6 中 UDP 校验和通常必须非零，只有少数明确限定的隧道场景允许例外。

这不意味着任何一层都能“保证数据绝不损坏”。校验和提供的是一定强度的差错检测，不是密码学完整性。

发送端分片与 PMTUD

IPv6 路由器不会替源主机分片。包超过下一跳 MTU 时，路由器丢弃它，并返回 ICMPv6 Packet Too Big，其中带可用 MTU。源主机据此降低包大小；若确实需要 IPv6 分片，Fragment header 由源节点添加。

text

source -- packet too large --> router
source <-- ICMPv6 Packet Too Big, MTU=... -- router
source -- smaller packets or source fragments --> destination

每条 IPv6 链路必须向 IPv6 提供至少 1280 字节的 MTU；若底层无法一次承载，需要在 IPv6 之下完成适配或分片重组，不是交给 IPv6 路由器分片。以太网常见 MTU 是 1500，但端到端路径可能更小。屏蔽 Packet Too Big 会破坏 PMTUD，造成“小请求正常、大响应卡住”的黑洞。

传输层还可以使用 Packetization Layer PMTUD，在不完全依赖 ICMP 的情况下通过受控探测调整包大小。

地址文本表示

一个 IPv6 地址由 8 组 16 位十六进制数组成：

text

2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329

压缩规则：

每组可以去掉前导零；
一段连续的全零组可以用 :: 代替；
:: 在一个地址中最多出现一次；
RFC 5952 的规范文本形式选择最长的零串；若并列，压缩最左边一段，并使用小写十六进制；规范形式不把单独一个零组压成 ::。

text

2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329
2001:db8::ff00:42:8329

两行表示同一个 128 位值。文本相等判断容易被不同写法骗过，应先解析成二进制地址对象：

python

import ipaddress

left = ipaddress.IPv6Address("2001:0db8:0:0:0:ff00:42:8329")
right = ipaddress.IPv6Address("2001:db8::ff00:42:8329")

assert left == right
assert left.compressed == "2001:db8::ff00:42:8329"
assert left.exploded == "2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329"

URL 中的 IPv6 literal 必须用方括号包住，避免地址中的冒号与端口分隔符冲突：

text

http://[2001:db8::10]:8080/

link-local 地址常需 zone identifier 指定接口，例如 Linux 上的 fe80::1%eth0。zone 属于使用地址时的作用域信息，不是全局可传递的 DNS 名称组成部分；接口名只在本机有意义。带 zone 的地址如何输入 URL/UI 取决于工具支持，不能把 Linux 的 %eth0 写法当成通用、可跨机器使用的 URL。

重要地址范围

范围	名称	边界
`::/128`	unspecified	只能作为尚未确定地址等场景的源，不能分配给接口作为普通单播地址
`::1/128`	loopback	只在本机有效
`2000::/3`	当前常见 global unicast 分配范围	可被全球路由取决于路由与策略，不是“天然可达”
`2001:db8::/32`	documentation	只用于文档示例，不应出现在公网路由
`fc00::/7`	unique local	不应在全球互联网路由；实际本地生成通常使用 `fd00::/8`
`fe80::/10`	link-local	只在单条链路范围使用，路由器不转发
`ff00::/8`	multicast	作用域由地址中的 scope 字段决定

ULA 不是 IPv4 RFC 1918 地址的完全同义词。RFC 4193 的 locally assigned ULA 通常以 fd 开头，使用随机生成的 40 位 Global ID 来降低组织合并时的碰撞概率；它仍可能在组织内部跨子网路由。

单播、多播与任播

IPv6 没有 IPv4 式广播。邻居发现等功能使用具有明确作用域的 multicast：

ff02::1：link-local scope 的 all-nodes；
ff02::2：link-local scope 的 all-routers；
solicited-node multicast：NDP 根据目标单播地址低 24 位构造。

多播减少了某些广播带来的无关协议栈处理，但并不表示所有多播都不会打扰其他设备。组成员管理、交换机 MLD snooping 配置和链路行为都会影响实际转发。

IPv6 anycast 使用普通 unicast 地址格式：把同一地址配置到多个节点，并通过路由把流量送到拓扑度量选中的实例。“最近”指路由策略下的最佳路径，不保证地理距离最短，也不保证连续请求落到同一实例。

`/64` 是重要惯例，不是宇宙常数

大多数普通 LAN 使用 /64，SLAAC 的主流工作方式也以 64 位 interface identifier 为基础。运营者通常从上级分配的 /48、/56 或其他前缀中，为各二层网段分配 /64。

但不能说“任何 IPv6 主机部分永远是 64 位”：

loopback 是 /128；
路由项和聚合前缀可使用各种长度；
point-to-point 链路可按部署规范使用 /127；
特殊地址与协议可能有自己的结构。

子网设计的目标不是节省单个地址，而是保留清晰的层次、聚合能力和一致运维模型。

python

import ipaddress
from itertools import islice

site = ipaddress.IPv6Network("2001:db8:1200::/48")
first_four_lans = list(islice(site.subnets(new_prefix=64), 4))

assert [str(network) for network in first_four_lans] == [
    "2001:db8:1200::/64",
    "2001:db8:1200:1::/64",
    "2001:db8:1200:2::/64",
    "2001:db8:1200:3::/64",
]

一个 /48 包含 2^(64-48) = 65,536 个 /64。示例用 islice 只消费前四项，避免为了展示四个子网先创建 65,536 个对象。地址很富余，不代表列表也必须铺满。

本课小结

IPv6 的基本首部更规整，分片责任移到源端，PMTUD 依赖 ICMPv6。128 位地址带来了作用域和多地址并存的新常态；/64 是 LAN 与 SLAAC 的核心约定，但必须放在具体接口和协议语境中理解。

下一课将沿着一台主机接入链路的过程，理解 NDP、RA、SLAAC、DHCPv6 和地址生命周期。

规范入口

RFC 8200：IPv6 Specification；
RFC 4291：IPv6 Addressing Architecture；
RFC 5952：IPv6 Text Representation；
RFC 4193：Unique Local IPv6 Unicast Addresses；
RFC 8201：Path MTU Discovery for IPv6；
RFC 6164：Using 127-Bit IPv6 Prefixes on Inter-Router Links。
RFC 9844: Entering IPv6 Zone Identifiers in User Interfaces.

第1章逻辑

第2章集合论

第3章证明方法

第4章递归、归纳与递推

第5章关系与函数

第6章组合数学

第7章图论

第8章概率与统计

第9章数论

第10章线性代数

第11章微积分与优化

第12章信息论与数值计算

13.1 IPv6 数据包、地址与子网

本课目标

为什么还需要 IPv6

固定 40 字节的基本首部

扩展首部不是“路由器一概不看”

没有 IPv6 首部校验和意味着什么

发送端分片与 PMTUD

地址文本表示

重要地址范围

单播、多播与任播

`/64` 是重要惯例，不是宇宙常数

本课小结

规范入口