IPv4 分片
一个链路层帧能承载的最大数据量叫做最大传输单元(Maximum Transmission Unit, MTU)，每个 IP 数据报封装在链路层帧中从一台路由器传到下一台路由器。因为每个链路层所支持的最大 MTU 不一样，当数据报的大小超过 MTU 后，会在链路层进行分片，每个数据报会在链路层单独封装，每个较小的片都被称为 片(fragement)。
每个片在到达目的地后会进行重组，准确的来说是在运输层之前会进行重组，TCP 和 UDP 都会希望发送完整的、未分片的报文，出于性能的原因，分片重组不会在路由器中进行，而是会在目标主机中进行重组。
当目标主机收到从发送端发送过来的数据报后，它需要确定这些数据报中的分片是否是由源数据报分片传递过来的，如果是的话，还需要确定何时收到了分片中的最后一片，并且这些片会如何拼接一起成为数据报。
针对这些潜在的问题，IPv4 设计者将 标识、标志和片偏移放在 IP 数据报首部中。当生成一个数据报时，发送主机会为该数据报设置源和目的地址的同时贴上标识号。发送主机通常将它发送的每个数据报的标识 + 1。当某路由器需要对一个数据报分片时，形成的每个数据报具有初始数据报的源地址、目标地址和标识号。当目的地从同一发送主机收到一系列数据报时，它能够检查数据报的标识号以确定哪些数据是由源数据报发送过来的。由于 IP 是一种不可靠的服务，分片可能会在网路中丢失，鉴于这种情况，通常会把分片的最后一个比特设置为 0 ，其他分片设置为 1，同时使用偏移字段指定分片应该在数据报的哪个位置。
IPv4 寻址
IPv4 支持三种不同类型的寻址模式，分别是
- 单播寻址模式：在这种模式下，数据只发送到一个目的地的主机。
- 广播寻址模式：在此模式下，数据包将被寻址到网段中的所有主机。这里客户端发送一个数据包，由所有服务器接收：
- 组播寻址模式：此模式是前两种模式的混合，即发送的数据包既不指向单个主机也不指定段上的所有主机
IPv6
随着端系统接入的越来越多，IPv4 已经无法满足分配了，所以，IPv6 应运而生，IPv6 就是为了解决 IPv4 的地址耗尽问题而被标准化的网际协议。IPv4 的地址长度为 4 个 8 字节，即 32 比特， 而 IPv6 的地址长度是原来的四倍，也就是 128 比特，一般写成 8 个 16 位字节。
从 IPv4 切换到 IPv6 及其耗时，需要将网络中所有的主机和路由器的 IP 地址进行设置，在互联网不断普及的今天，替换所有的 IP 是一个工作量及其庞大的任务。我们后面会说。
我们先来看一下 IPv6 的地址是怎样的
版本与 IPv4 一样，版本号由 4 bit 构成，IPv6 版本号的值为 6。流量类型(Traffic Class)占用 8 bit，它就相当于 IPv4 中的服务类型(Type Of Service)。流标签(Flow Label)占用 20 bit，这 20 比特用于标识一条数据报的流，能够对一条流中的某些数据报给出优先权，或者它能够用来对来自某些应用的数据报给出更高的优先权，只有流标签、源地址和目标地址一致时，才会被认为是一个流。有效载荷长度(Payload Length)占用 16 bit，这 16 比特值作为一个无符号整数，它给出了在 IPv6 数据报中跟在鼎昌 40 字节数据报首部后面的字节数量。下一个首部(Next Header)占用 8 bit，它用于标识数据报中的内容需要交付给哪个协议，是 TCP 协议还是 UDP 协议。跳限制(Hop Limit)占用 8 bit，这个字段与 IPv4 的 TTL 意思相同。数据每经过一次路由就会减 1，减到 0 则会丢弃数据。源地址(Source Address)占用 128 bit (8 个 16 位 )，表示发送端的 IP 地址。目标地址(Destination Address)占用 128 bit (8 个 16 位 )，表示接收端 IP 地址。
可以看到，相较于 IPv4 ，IPv6 取消了下面几个字段
- 标识符、标志和比特偏移：IPv6 不允许在中间路由器上进行分片和重新组装。这种操作只能在端系统上进行，IPv6 将这个功能放在端系统中，加快了网络中的转发速度。
- 首部校验和：因为在运输层和数据链路执行了报文段完整性校验工作，IP 设计者大概觉得在网络层中有首部校验和比较多余，所以去掉了。IP 更多专注的是快速处理分组数据。
- 选项字段：选项字段不再是标准 IP 首部的一部分了，但是它并没有消失，而是可能出现在 IPv6 的扩展首部，也就是下一个首部中。
IPv6 扩展首部
IPv6 首部长度固定，无法将选项字段加入其中，取而代之的是 IPv6 使用了扩展首部
扩展首部通常介于 IPv6 首部与 TCP/UDP 首部之间，在 IPv4 中可选长度固定为 40 字节，在 IPv6 中没有这样的限制。IPv6 的扩展首部可以是任意长度。扩展首部中还可以包含扩展首部协议和下一个扩展字段。
IPv6 首部中没有标识和标志字段，对 IP 进行分片时，需要使用到扩展首部。
具体的扩展首部表如下所示
下面我们来看一下 IPv6 都有哪些特点
IPv6 特点
IPv6 的特点在 IPv4 中得以实现，但是即便实现了 IPv4 的操作系统，也未必实现了 IPv4 的所有功能。而 IPv6 却将这些功能大众化了，也就表明这些功能在 IPv6 已经进行了实现，这些功能主要有
- 地址空间变得更大：这是 IPv6 最主要的一个特点，即支持更大的地址空间。
- 精简报文结构: IPv6 要比 IPv4 精简很多，IPv4 的报文长度不固定，而且有一个不断变化的选项字段；IPv6 报文段固定，并且将选项字段，分片的字段移到了 IPv6 扩展头中，这就极大的精简了 IPv6 的报文结构。
- 实现了自动配置：IPv6 支持其主机设备的状态和无状态自动配置模式。这样，没有
DHCP 服务器不会停止跨段通信。 - 层次化的网络结构：IPv6 不再像 IPv4 一样按照 A、B、C等分类来划分地址，而是通过 IANA -> RIR -> ISP 这样的顺序来分配的。IANA 是国际互联网号码分配机构，RIR 是区域互联网注册管理机构，ISP 是一些运营商（例如电信、移动、联通）。
- IPSec：IPv6 的扩展报头中有一个认证报头、封装安全净载报头，这两个报头是 IPsec 定义的。通过这两个报头网络层自己就可以实现端到端的安全，而无需像 IPv4 协议一样需要其他协议的帮助。
- 支持任播：IPv6 引入了一种新的寻址方式，称为任播寻址。
IPv6 地址
我们知道，IPv6 地址长度为 128 位，他所能表示的范围是 2 ^ 128 次幂，这个数字非常庞大，几乎涵盖了你能想到的所有主机和路由器，那么 IPv6 该如何表示呢？
一般我们将 128 比特的 IP 地址以每 16 比特为一组，并用 : 号进行分隔，如果出现连续的 0 时还可以将 0 省略，并用 :: 两个冒号隔开，记住，一个 IP 地址只允许出现一次两个连续的冒号。
下面是一些 IPv6 地址的示例
- 二进制数表示
- 用十六进制数表示
- 出现两个冒号的情况
如上图所示，A120 和 4CD 中间的 0 被 :: 所取代了。
如何从 IPv4 迁移到 IPv6
我们上面聊了聊 IPv4 和 IPv6 的报文格式、报文含义是什么、以及 IPv4 和 IPv6 的特征分别是什么，看完上面的内容，你已经知道了 IPv4 现在马上就变的不够用了，而且随着 IPv6 的不断发展和引用，虽然新型的 IPv6 可以做到向后兼容，即 IPv6 可以收发 IPv4 的数据报，但是已经部署的具有 IPv4 能力的系统却不能够处理 IPv6 数据报。所以 IPv4 噬需迁移到 IPv6，迁移并不意味着将 IPv4 替换为 IPv6。这仅意味着同时启用 IPv6 和 IPv4。
那么现在就有一个问题了，IPv4 如何迁移到 IPv6 呢？这就是我们接下来讨论的重点。
标志
最简单的方式就是设置一个标志日，指定某个时间点和日期，此时全球的因特网机器都会在这时关机从 IPv4 迁移到 IPv6 。上一次重大的技术迁移是在 35 年前，但是很显然，不用我过多解释，这种情况肯定是 不行的。影响不可估量不说，如何保证全球人类都能知道如何设置自己的 IPv6 地址？一个设计数十亿台机器的标志日现在是想都不敢想的。
隧道技术
现在已经在实践中使用的从 IPv4 迁移到 IPv6 的方法是 隧道技术(tunneling)。
什么是隧道技术呢？
隧道技术是一种使用互联网络的基础设施在网络之间的传输数据的方式，使用隧道传递的数据可以是不同协议的数据帧或包。使用隧道技术所遵从的协议叫做隧道协议(tunneling protocol)。隧道协议会将这些协议的数据帧或包封装在新的包头中发送。新的包头提供了路由信息，从而使封装的负载数据能够通过互联网络进行传递。
使用隧道技术一般都会建一个隧道，建隧道的依据如下：
比如两个 IPv6 节点(下方 B、E)要使用 IPv6 数据报进行交互，但是它们是经由两个 IPv4 的路由器进行互联的。那么我们就需要将 IPv6 节点和 IPv4 路由器组成一个隧道，如下图所示
借助于隧道，在隧道发送端的 IPv6 节点可将整个 IPv6 数据报放到一个 IPv4 数据报的数据(有效载荷) 字段中，于是，IPv4 数据报的地址被设置为指向隧道接收端的 IPv6 的节点，比如上面的 E 节点。然后再发送给隧道中的第一个节点 C，如下所示
隧道中间的 IPv4 提供路由，路由器不知道这个 IPv4 内部包含一个指向 IPv6 的地址。隧道接收端的 IPv6 节点收到 IPv4 数据报，会确定这个 IPv4 数据报含有一个 IPv6 数据报，通过观察数据报长度和数据得知。然后取出 IPv6 数据报，再为 IPv6 提供路由，就好像两个节点直接相连传输数据报一样。
总结
这篇文章是计算机网络系列的连载文章，这篇我们主要探讨了网络层的相关知识、路由器的内部构造、路由器如何实现转发的，IP 协议相关内容：包括 IP 地址、IPv4 和 IPv6 的相关内容，最后我们探讨了如何使 IPv4 迁移到 IPv6 。
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