IPv6 协议详解

互联网协议第 6 版（Internet Protocol, Version 6）· 依据 RFC 8200（STD 86，2017 年 7 月）与 RFC 4291（2006 年 2 月）编写
RFC 8200废止 RFC 2460RFC 4291废止 RFC 3513网络层 · 128 位地址 · 定长 40 字节首部

1.概述

1.1 为什么需要 IPv6：IPv4 地址耗尽

IPv4 地址只有 32 位，理论上限约 43 亿个，再叠加早期按类（A/B/C）分配的巨大浪费，实际可用量远小于此。2011 年 IANA 分完全球最后一个 /8 地址块，此后各区域互联网注册局（RIR）陆续宣告耗尽。NAT、CIDR、地址回收只是「延寿」手段——NAT 还破坏了端到端可达性，给排障、溯源与对等通信带来长期成本。IPv6（IP version 6）把地址一举扩展到 128 位（约 3.4×10³⁸ 个），从根本上解除地址短缺，并借机重新设计了首部结构与选项机制。

1.2 两份基石 RFC 的地位

两份文档分工明确：8200 回答「报文长什么样、怎么转发」，4291 回答「地址长什么样、怎么分配」。周边机制另有专文承载：ICMPv6 差错与控制消息（RFC 4443）、邻居发现 NDP（RFC 4861，替代 ARP）、无状态地址自动配置 SLAAC（RFC 4862）。

1.3 相对 IPv4 的五大变化（一句话总览）

变化一句话说明
128 位地址地址空间从 2³² 扩到 2¹²⁸，NAT 不再是必需品，端到端寻址回归。
40 字节定长基本首部取消 IHL 字段与对齐填充，路由器解析首部更快、硬件转发更简单。
无首部校验和差错检测交给链路层 CRC 与上层强制校验和，路由器不再逐跳重算。
选项变扩展首部链选项移出基本首部，用 Next Header 字段串成链；除逐跳选项外，途中节点一概不处理。
路由器不再分片分片只能由源节点进行；路由器遇超大报文只回 ICMPv6 Packet Too Big，由源端处理。
顺带两个「消失」：IPv6 彻底取消了广播，一对多通信一律使用组播；IPv4 的 ARP 也被基于 ICMPv6 的邻居发现协议（NDP）取代。两者都将在第 5 节地址体系中展开。

2.IPv6 报文格式（RFC 8200 §3）

IPv6 基本首部固定 40 字节 = 10 个 32 位字，其后紧跟载荷（扩展首部 + 上层数据）。下图为交互式首部结构图（与 RFC 8200 §3 的图一致，地址部分按每行 32 位展开）：把鼠标悬停在任意字段上即可在下方说明栏查看该字段的详细解释；单击字段可以「钉住」当前说明，方便滚动阅读，再次单击取消。

Version4 bits · 恒 = 6
Traffic Class8 bits
Flow Label20 bits
Payload Length16 bits
Next Header8 bits
Hop Limit8 bits
源地址 Source Address（1/4）32 bits · 全局 bit 64–95
源地址 Source Address（2/4）32 bits · 全局 bit 96–127
源地址 Source Address（3/4）32 bits · 全局 bit 128–159
源地址 Source Address（4/4）32 bits · 全局 bit 160–191
目的地址 Destination Address（1/4）32 bits · 全局 bit 192–223
目的地址 Destination Address（2/4）32 bits · 全局 bit 224–255
目的地址 Destination Address（3/4）32 bits · 全局 bit 256–287
目的地址 Destination Address（4/4）32 bits · 全局 bit 288–319
载荷 Payload（扩展首部 + 上层数据）可变长 · 由 Payload Length 计
悬停查看说明 · 单击钉住 / 取消

2.1 被 IPv6 拿掉的 IPv4 字段

对照 IPv4 首部，以下字段在 IPv6 基本首部中不复存在——每一处删减都有明确理由：

IPv4 字段IPv4 的做法IPv6 的处理与理由
IHL 首部长度首部可变长 20–60 字节，需字段声明首部固定 40 字节，字段取消，对齐填充（Padding）随之消失。
Total Length总长含首部改为 Payload Length，不计基本首部——首部长度固定，无须声明。
Identification / Flags / Fragment Offset常驻基本首部，沿途路由器可分片分片只允许源节点进行，相关字段移入分片扩展首部（第 4 节），不分片的报文一个字节都不带。
Header Checksum每跳重算一次首部校验和取消：链路层普遍自带 CRC（如以太网 FCS），传输层校验和又是强制的，重复检测浪费路由器性能；Hop Limit 递减也杜绝了报文无限循环。
Options塞在基本首部内（≤40 字节），每个节点都得解析移出基本首部，组成扩展首部链（第 3 节）；除逐跳选项外途中节点不处理，转发路径上完全透明。

2.2 字段速查表

字段位数要点
Version4恒为 6（0110）；与 IPv4 版本字段同位置，便于解析器区分。
Traffic Class8≈IPv4 ToS 字节；高 6 位 DSCP + 低 2 位 ECN；途中可被重写。
Flow Label20标记一条「流」，供 ECMP / 快速转发；用法见 RFC 6437，0 = 未标记。
Payload Length16基本首部之后的字节数，含扩展首部；上限 65535，超出用 Jumbo 选项（RFC 2675）。
Next Header8下一首部类型；值表同 IPv4 Protocol；兼作扩展首部链指针；59 = 链尾。
Hop Limit8每跳 −1，到 0 丢弃并回 ICMPv6 Time Exceeded；即 IPv4 TTL 的更名。
Source Address128发送方地址（RFC 4291，见第 5 节）；不得为组播地址。
Destination Address128预期接收方；存在路由首部时可能不是最终目的。
40 字节的账：版本 4 位 + 流量类别 8 位 + 流标签 20 位 = 4 字节；载荷长度 16 位 + 下一首部 8 位 + 跳数限制 8 位 = 4 字节；源 / 目的地址各 16 字节。合计 40 字节，恰好是 8 字节的整数倍——这也是所有扩展首部统一按 8 字节对齐的原因。

3.扩展首部（RFC 8200 §4）

IPv4 把选项硬塞进基本首部，每个路由器都不得不解析。IPv6 把可选信息全部移出，编为若干扩展首部，用各级 Next Header 字段串成一条链：基本首部 → 扩展首部 → … → 上层首部。除逐跳选项首部外，沿途任何节点都不处理、不增删扩展首部，只有目的地址所指节点才逐一处理（8200 §4，相对 2460 明确澄清）。下图是一条典型链（带路由与分片首部），悬停各节点查看说明。

IPv6 基本首部Next Header = 43（路由）
→
路由首部（43）Next Header = 44（分片）
→
分片首部（44）Next Header = 6（TCP）
→
TCP 首部 + 数据上层协议（Next Header 6）
示例链：基本首部 → 路由 → 分片 → TCP（对应 RFC 8200 §4 的第三幅示意）

3.1 扩展首部总表（悬停行查看详情）

值扩展首部谁处理它要点
0逐跳选项 Hop-by-Hop Options路径上每个节点必须紧跟基本首部；Jumbo / Router Alert 选项放这里。
60目的选项 Destination Options仅目的节点可出现两处：路由首部前 / 上层首部前。
43路由 Routing首部列出的中间节点类型化源路由；SRv6 的 SRH 即 Type 4。
44分片 Fragment仅目的节点固定 8 字节；Offset + M + Identification，详见第 4 节。
51认证首部 AH目的节点IPsec 完整性 / 源认证（RFC 4302）。
50封装安全载荷 ESP目的节点IPsec 加密 + 完整性（RFC 4303）。
135移动性 Mobility目的节点移动 IPv6 信令（RFC 6275）。
59（无下一首部）—标记链尾：其后无内容。
悬停行查看各首部详情 · 单击钉住

3.2 排列顺序与出现次数（RFC 8200 §4.1）

同一报文携带多个扩展首部时，RFC 8200 推荐按如下顺序排列：

基本首部 → 逐跳选项(0) → 目的选项(60，路由前) → 路由(43) → 分片(44) → AH(51) → ESP(50) → 目的选项(60，上层前) → 上层首部

3.3 选项的 TLV 格式与「不认识的选项怎么办」（§4.2）

逐跳选项与目的选项两个首部内部承载的是一串 TLV 编码的选项：Option Type（1 字节）+ Opt Data Len（1 字节）+ Option Data。每个扩展首部的总长必须是 8 字节的整数倍（用 Pad1 / PadN 选项填充对齐）。Option Type 字节的最高两位编码了「遇到不认识的选项如何处理」——这是 IPv6 可扩展性的关键设计：

最高两位处理动作
00跳过本选项，继续处理后续选项。
01丢弃报文，不通知源。
10丢弃报文，并向源回 ICMPv6 参数问题（Parameter Problem，指向未识别的选项）——目的为组播地址时不回。
11丢弃报文，并回 ICMPv6 参数问题——即便目的地址是组播也回。

Option Type 的第 3 高位则声明该选项数据在传输途中是否允许改变（供 AH 计算认证值时决定是否将其按零处理）。

4.分片首部与 MTU 规则（RFC 8200 §4.5 / §5）

与 IPv4 的本质区别：IPv6 中只有源节点能分片，路由器永远不分片。路由器遇到超过出接口 MTU 的报文，只做一件事——丢弃并回 ICMPv6 Packet Too Big（Type 2），让源端降尺寸或自行分片。分片首部仅当源端执行分片时才出现，固定 8 字节（悬停各字段查看说明）：

Next Header8 bits
Reserved8 bits
Fragment Offset13 bits · 单位 8 字节
Res2 bits
M1 bit
Identification32 bits
分片首部固定 8 字节 · 仅源节点分片时存在

4.1 分片的关键规则

4.2 最小 MTU 1280（§5）

设计闭环：最小 MTU 1280 + 路由器不分片 + PMTUD，三者合起来让「分片」从 IPv4 的常态机制退化为 IPv6 的罕见兜底——绝大多数流量从源头就按路径 MTU 尺寸发送，分片首部根本不会出现。

5.IPv6 地址体系（RFC 4291）

5.1 文本表示规则（§2.2）

128 位地址写成 8 组、每组 16 位的十六进制数，组间以冒号分隔。三条书写规则：① 每组内前导零可省略（每组至少保留一位数字）；② 连续的一段全零组可用 :: 压缩，但一个地址中只能出现一次（否则无法还原零组数量）；③ 混编环境下，最低 32 位可用点分十进制 IPv4 写法（x:x:x:x:x:x:d.d.d.d）。前缀记法为「地址 / 前缀长度」（§2.3）。悬停下表各行查看说明：

写法正误说明
2001:0db8:0000:0000:0008:0800:200c:417a✔ 合法首选形式的全写版，每组 4 位十六进制。
2001:db8::8:800:200c:417a✔ 合法同一地址的压缩形式。
::1　::✔ 合法回环地址 / 未指定地址。
fe80::1✔ 合法链路本地地址（见 5.2）。
2001:db8::1::9✘ 非法:: 只能用一次，否则有歧义。
::ffff:192.0.2.1✔ 合法IPv4-mapped 地址的规范写法。
2001:db8::/32✔ 前缀前缀记法；文档示例专用段。
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5.2 地址类型总表（§2.4，悬停行查看详情）

地址类型由高位前缀识别。RFC 4291 把地址分为单播（Unicast）、组播（Multicast）、任播（Anycast）三类——IPv6 没有广播，一对多一律用组播；任播地址从单播空间分配，语法上与单播不可区分。

类型前缀要点
全球单播 GUA2000::/3公网地址，≈IPv4 公网单播；典型 /64 划分。
链路本地 LLAfe80::/10仅本链路有效、不可路由；NDP 全靠它。
唯一本地 ULAfc00::/7≈IPv4 私网；40 位随机 Global ID（fd00::/8）。
回环::1/128≈127.0.0.1；不出本机。
未指定::/128「无地址」占位；DAD / 未配置时作源。
组播ff00::/8ff + flags(4) + scope(4) + Group ID(112)。
任播（单播空间内）送「最近」成员；子网路由器任播地址必需。
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常用组播组与 Solicited-Node（§2.7.1）：ff02::1 = 链路范围全节点，ff02::2 = 链路范围全路由器。Solicited-Node 地址 ff02::1:ff00:0/104：前 104 位固定，低 24 位直接抄单播地址的低 24 位——例如 4037::1:800:200e:8c6c → ff02::1:ff0e:8c6c。节点必须为每个单播 / 任播地址监听对应的 Solicited-Node 组：NDP 地址解析（替代 ARP）的询问报文就发到这个组，只有目标主机需要应答，不再像 ARP 广播那样打扰全链路。

5.3 单播地址结构：前缀 + 接口标识（§2.5 / §2.5.1）

单播地址 = 子网前缀（n 位）+ 接口标识 IID（128 − n 位）。RFC 4291 §2.5.1 的关键约定：除二进制 000 开头的地址外，所有单播地址的 IID 必须为 64 位，且按 Modified EUI-64 格式构造——这就是「/64 惯例」的规范来源：全球单播典型划分为 48 位全球路由前缀 + 16 位子网 ID + 64 位 IID。

│ 全球路由前缀（48 位） │ 子网 ID（16 位） │ 接口标识 IID（64 位） │ ← 典型 /64 全球单播地址（§2.5.4）

SLAAC（RFC 4862）、DHCPv6 等自动配置机制均围绕 /64 设计；/64 之外的单播前缀（如点到点链路）属于特殊场景的例外用法，IID 长度约束不适用于 000 开头的保留空间。

5.4 Modified EUI-64：从 MAC 地址生成 IID（§2.5.1 / 附录 A）

经典的 IID 生成法：把接口 48 位 MAC 地址从中间劈开，插入 FFFE，再翻转首字节第 7 位（U/L 位，universal/local bit）——若 MAC 是全球唯一的，翻转后该位置 1，表示 IID 具有全球范围。

MAC 地址（48 位）： 00:1A:2B ┆ 3C:4D:5E
中间插入 FFFE： 001A:2BFF:FE3C:4D5E
翻转 U/L 位（00→02）： 021A:2BFF:FE3C:4D5E ← 得到的 64 位 IID

SLAAC 正是用「路由器通告的前缀 + Modified EUI-64 IID」自动拼出完整地址（RFC 4862）。但把 MAC 固化进地址意味着设备跨网可被长期追踪，出于隐私考虑，现代系统普遍改用随机 IID 与周期性更换的临时地址（RFC 8981，废止 RFC 4941），EUI-64 只保留在少数场景。

6.IPv4 vs IPv6 对照表

维度IPv4（RFC 791）IPv6（RFC 8200 / 4291）
地址长度32 位（约 43 亿）128 位（约 3.4×10³⁸）
地址记法点分十进制（192.0.2.1）冒号分隔 8 组十六进制，可用 :: 压缩一次
首部长度20–60 字节可变（IHL 字段声明）固定 40 字节，无长度字段、无填充
首部校验和有，每跳重算无——交给链路层 CRC 与上层校验和
分片位置源端与沿途路由器都可分片仅源节点可分片（分片扩展首部）
广播有（如 255.255.255.255）取消，一律用组播
地址解析ARP（二层广播询问）NDP（ICMPv6 + Solicited-Node 组播）
选项机制塞在基本首部内（≤40 字节）扩展首部链，除逐跳选项外途中不处理
生存期字段TTLHop Limit（语义相同，正名为跳数）
服务类型ToS 字节Traffic Class（DSCP + ECN，途中可重写）
上层协议字段ProtocolNext Header（值表相同，兼作扩展首部链指针）
链路最小 MTU68 字节1280 字节（§5）
地址配置方式手工 / DHCPSLAAC（无状态）+ DHCPv6（有状态）并存

7.与 TCP 页的联动提示

PMTUD 在 IPv6 下更刚性：路由器被禁止分片，路径 MTU 不足时唯一的反馈信号是 ICMPv6 Packet Too Big（Type 2，RFC 4443；发现流程见 RFC 8201）。一旦中间设备吞掉 ICMPv6 报文，就形成与 IPv4 完全同构的 PMTUD 黑洞：TCP 握手正常、小请求正常、大响应无声消失——症状、成因与排查手法见 TCP 页 §10.1。不同的是 v6 连「路由器帮你分片兜底」这条路都没有，ICMPv6 必须一路放通。
TCP 校验和与 v6 伪首部：TCP 校验和在 IPv6 下同样强制生成、强制校验。伪首部从 IPv4 的 96 位扩为 320 位（RFC 8200 §8.1）：源地址 128 位 + 目的地址 128 位 + 上层报文长度 32 位 + 零填充 24 位 + Next Header 8 位。格式图解与「为什么要把地址算进校验」的动机见 TCP 页 §2.2。UDP 在 IPv6 下的校验和同样强制（v4 中原本可选）。

8.术语与符号速查

术语含义
IID接口标识（Interface Identifier）：单播地址的低位部分（常规 64 位），在子网内唯一标识一个接口（§2.5.1）。
EUI-64 / Modified EUI-64IEEE 64 位扩展唯一标识；由 48 位 MAC 中间插入 FFFE 并翻转 U/L 位得到，用作 IID。
DAD重复地址检测（RFC 4862）：地址启用前向对应 Solicited-Node 组播询问，确认链路上无人占用。
SLAAC无状态地址自动配置（RFC 4862）：听路由器 RA 拿前缀，自行拼出 IID 即成地址，无需服务器。
NDP邻居发现协议（RFC 4861，基于 ICMPv6）：替代 ARP，兼做路由器发现、前缀发现、重定向、DAD 载体。
SRHSegment Routing Header（路由首部 Type 4，RFC 8754）：SRv6 把转发路径编码为一串 IPv6 SID 存入其中。
Jumbogram超过 65535 字节的超大报文，用逐跳选项中的 Jumbo Payload 选项声明长度（RFC 2675），此时 Payload Length 置 0。
Solicited-Node 组播地址ff02::1:ff00:0/104：前 104 位固定 + 单播地址低 24 位；NDP 地址解析的目标组。
ULA唯一本地地址 fc00::/7（RFC 4193）：≈IPv4 私网地址，含 40 位随机 Global ID，不进公网路由。
GUA全球单播地址 2000::/3：公网可路由的常规 IPv6 地址。
LLA链路本地地址 fe80::/10：仅本链路有效，接口使能 IPv6 即生成，NDP 与路由协议邻居通信依赖它。
Flow Label流标签（20 位）：标记同一条流的报文序列，供 ECMP / 快速转发；用法见 RFC 6437，0 = 未标记。
Next Header下一首部（8 位）：值表同 IPv4 Protocol，兼作扩展首部链的指针；59 = No Next Header。
Hop Limit跳数限制（8 位）：IPv4 TTL 的更名；到 0 丢弃并回 ICMPv6 Time Exceeded。
PMTUD路径 MTU 发现（RFC 8201）：靠 ICMPv6 Packet Too Big 逐级探底；v6 下因路由器不分片而更刚性。
任播 Anycast从单播空间分配、语法上不可区分的地址；路由系统把报文送达「最近」的一个成员。
:: 压缩文本写法中把一段连续全零组压缩为 ::；一个地址中只能使用一次（§2.2）。

9.参考文献

编号内容
RFC 8200Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification，STD 86，2017-07。本文的主要依据（§3 报文格式、§4 扩展首部、§4.5 分片、§5 MTU）；废止 RFC 2460。
RFC 4291IP Version 6 Addressing Architecture，2006-02。第 5 节的依据（文本表示、地址类型、EUI-64）；废止 RFC 3513。
RFC 4443ICMPv6：差错与控制消息（Packet Too Big、Time Exceeded 等），NDP 的承载协议。
RFC 4861Neighbor Discovery for IP Version 6（NDP）：替代 ARP 的邻居发现。
RFC 4862IPv6 Stateless Address Autoconfiguration（SLAAC 与 DAD）。
RFC 4193Unique Local IPv6 Unicast Addresses：ULA（fc00::/7）的定义与随机 Global ID。
RFC 8201Path MTU Discovery for IP version 6：基于 Packet Too Big 的 PMTUD 流程。
RFC 8754IPv6 Segment Routing Header（SRH）：SRv6 的数据面首部。
RFC 8981Temporary Address Extensions for SLAAC：隐私临时地址；废止 RFC 4941。
RFC 2675IPv6 Jumbograms：逐跳选项中的 Jumbo Payload 选项。
RFC 6437IPv6 Flow Label Specification：流标签的具体使用规则（8200 §6 指向本文档）。