IPv4 与 IPv6：网络层的寻址与路由

本文是《计算机网络学习笔记》系列的第八篇。前几篇讲了应用层（HTTP、DNS）和传输层（TCP、TLS），现在往下走一层——网络层。IP 协议是整个互联网的核心，它负责把数据包从源头送到目的地，跨越无数中间路由器。本文深入拆解 IPv4 和 IPv6 的协议格式，并讲清楚 NAT、分片、TTL 等关键机制。

一、网络层的职责

传输层（TCP/UDP）只关心端到端的两个进程之间的通信，它不知道中间经过了多少台路由器、走了哪条路。网络层负责的正是这件事：

主机 A  ──►  路由器1  ──►  路由器2  ──► … ──►  主机 B
         IP 负责在每一跳做出转发决策

网络层的两个核心功能：

转发（Forwarding）：路由器收到一个数据包，查表决定从哪个端口发出去（数据平面）；
路由（Routing）：路由器之间互相通信，计算出最优路径，填充转发表（控制平面，由 OSPF/BGP 等路由协议实现）。

IP 协议是网络层的核心，但它是尽力而为（Best Effort）的：不保证送达，不保证顺序，不保证不重复。可靠性由上层的 TCP 负责。

二、IPv4 协议格式详解

IPv4 数据报头部至少 20 字节，如果携带选项则最长 60 字节。

 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
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| Ver(4)|  IHL(4) |    TOS / DS (8)   |     Total Length (16)   |
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|         Identification (16)         |Flags(3)|  Frag Offset(13)|
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|    TTL (8)    |   Protocol (8)      |    Header Checksum (16)  |
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|                       Source IP Address (32)                  |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Destination IP Address (32)                |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       Options (0~40 bytes)                    |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                            Data ...                           |
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版本（Version）— 4 位

值为 4，表示 IPv4。路由器看到这个字段，才知道如何解析后续字段。

首部长度（IHL，Internet Header Length）— 4 位

以 4 字节为单位。最小值 5（= 20 字节，无选项），最大值 15（= 60 字节）。接收方通过这个字段知道数据从哪里开始。

服务类型（TOS / DS）— 8 位

这个字段有历史包袱，新旧标准不同：

现代标准（Differentiated Services，DS 字段）：

前 6 位：DSCP（差分服务代码点），标记数据包的优先级和处理方式：
- EF（Expedited Forwarding）：加速转发，用于语音/视频等实时业务，路由器优先处理；
- AF（Assured Forwarding）：确保转发，按等级保证转发，适合企业级业务；
- BE（Best Effort）：尽力而为，普通流量，不做特殊处理；
后 2 位：ECN（显式拥塞通知），路由器快满了时主动打标记，通知端到端降速，是 TCP 拥塞控制的网络层辅助（详见第4篇）。

数据包总长度 — 16 位

首部 + 数据的总字节数。理论最大 65535 字节，但实际上受限于链路层 MTU（以太网为 1500 字节），极少超过 1500 字节。

标识、标志、片偏移 — 共 32 位（分片三件套）

这三个字段共同支撑 IP 分片机制（详见下一节）：

标识（Identification，16 位）：同一个原始数据报的所有分片拥有相同的标识，接收端据此拼装；
标志（Flags，3 位）：
- DF（Don't Fragment）：置 1 表示禁止分片，路由器若无法转发则丢弃并返回 ICMP 错误；
- MF（More Fragments）：置 1 表示后面还有分片，最后一个分片的 MF=0；
片偏移（Fragment Offset，13 位）：本分片数据在原始数据报中的位置，单位为 8 字节。

TTL（Time To Live）— 8 位

防止数据包在网络里无限循环的保障字段。

每经过一台路由器，TTL 减 1。当 TTL 减到 0 时，路由器丢弃该数据包，并向发送方返回一个 ICMP Time Exceeded 报文——"你的包死在我这里了"。

traceroute 的原理正是利用了这一机制：发送一系列 TTL 依次为 1、2、3… 的数据包，第 1 个在第 1 跳路由器被丢弃并返回 ICMP，第 2 个在第 2 跳被丢弃……这样就能逐步探测出路径上的每一台路由器。

常见默认 TTL 值：

Linux：64
Windows：128
网络设备（Cisco）：255

协议（Protocol）— 8 位

分用字段，告诉接收端的 IP 层，剥掉 IP 头之后，里面的数据交给哪个上层协议：

值	协议
1	ICMP（ping、traceroute、差错报告）
6	TCP
17	UDP
41	IPv6（6in4 隧道，在 IPv4 包里封装 IPv6）
89	OSPF（路由协议，运行在 AS 内部）

首部检验和 — 16 位

只校验 IP 首部，不校验数据部分（数据的校验由 TCP/UDP 各自负责）。

每经过一台路由器，TTL 字段会变化，因此路由器必须重新计算并更新检验和。这在高速转发场景下是一笔不小的计算开销。

IPv6 直接删除了这个字段——现代链路层（以太网）本身已有 CRC 校验，加上硬件越来越可靠，IP 层再做一遍校验意义不大。

源地址 / 目的地址 — 各 32 位

发送方和接收方的 IPv4 地址，人类读写时用点分十进制表示（如 192.168.1.1）。

选项 — 0~40 字节

现实中几乎不用，在 IPv6 中被彻底删除。

三、IP 分片：当包太大时

不同类型的链路有不同的MTU（最大传输单元），以太网的 MTU 是 1500 字节。如果 IP 数据报超过了下一跳链路的 MTU，路由器就会把它切成若干个小片（Fragment）分别发送。

原始数据报（4000 字节）
  → MTU = 1500 字节
  → 分成 3 个分片：
       分片1：20(IP头) + 1480(数据) = 1500 字节，MF=1，偏移=0
       分片2：20(IP头) + 1480(数据) = 1500 字节，MF=1，偏移=185（185×8=1480）
       分片3：20(IP头) + 1040(数据) = 1060 字节，MF=0，偏移=370

重组发生在目的主机，而非中间路由器。一旦某个分片丢失，整个原始数据报都必须重传，因为 IP 层不做局部重传。

IPv6 的改变：IPv6 不允许中间路由器分片，发送方有责任事先探测路径 MTU（Path MTU Discovery），保证数据包不超过沿途最小 MTU。如果路由器收到太大的 IPv6 包，直接丢弃并返回 ICMP 差错报文，由发送方调小包大小重发。

四、NAT：IPv4 地址紧缺的权宜之计

IPv4 地址只有 32 位，理论上约 43 亿个。随着联网设备爆炸式增长，公网 IPv4 地址早已枯竭。NAT（Network Address Translation，网络地址转换） 是解决这个问题的权宜之计。

NAT 的工作原理

局域网内           路由器（NAT 设备）         公网
192.168.1.10:4321 ──► 修改源 IP+端口 ──► 1.2.3.4:8000 ──► 百度服务器
                       维护映射表
                       (192.168.1.10:4321 ↔ 1.2.3.4:8000)

百度服务器 ──► 1.2.3.4:8000 ──► 路由器查表 ──► 192.168.1.10:4321

路由器维护一张 NAT 映射表，记录局域网 IP:端口与公网 IP:端口的对应关系。内网设备对外发包时，路由器把源地址改成公网 IP，并分配一个新端口；收到响应时，根据映射表再改回去转发给内网设备。

NAT 的代价：内网设备对外界"隐身"了——公网无法主动连入内网主机。这破坏了互联网"端到端（End-to-End）"的设计原则，也是 P2P 通信需要"打洞"的根本原因。

解决 NAT 穿透的方法：

UPnP（Universal Plug and Play）：路由器支持时，内网设备可主动请求路由器在 NAT 表中开一个洞；
UDP 打洞（Hole Punching）：借助公网服务器协调，让两个内网设备互相"打洞"，实现直连（详见后续篇章）。

五、IPv6：下一代 IP 协议

IPv6 是 IPv4 的接班人，最大的改变是把地址空间从 32 位扩展到 128 位，提供约 3.4×10³⁸ 个地址——理论上地球上每一粒沙子都能分到几十亿个 IP 地址，彻底解决地址枯竭问题。

IPv6 协议格式

IPv6 头部固定 40 字节，相比 IPv4 更简洁：

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 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
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|Ver(4)| Traffic Class (8) |           Flow Label (20)          |
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|       Payload Length (16)     | Next Header(8)|  Hop Limit(8) |
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|                                                               |
|                   Source Address (128 bits)                   |
|                                                               |
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|                                                               |
|                Destination Address (128 bits)                 |
|                                                               |
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字段	说明
版本	4 位，值为 6
流量类型	8 位，等同于 IPv4 的 TOS/DS 字段
流标签	20 位，标识同一个流的数据包，方便路由器做 QoS
有效载荷长度	16 位，数据部分（不含 40 字节固定头）的长度
下一个首部	8 位，等同于 IPv4 的协议字段，指示上层是 TCP/UDP/ICMPv6 等
跳限制	8 位，等同于 IPv4 的 TTL
源/目的地址	各 128 位（16 字节）

IPv6 对比 IPv4 的主要改进

特性	IPv4	IPv6
地址长度	32 位（约 43 亿）	128 位（约 3.4×10³⁸）
头部长度	可变（20~60 字节）	固定 40 字节
分片	路由器可以分片	只有发送方可以分片
首部检验和	有，每跳重算	无（减少路由器计算量）
选项	有	无（改用扩展头）
NAT	几乎必须	不需要（地址充足）
广播	支持	不支持（改用多播）

如何查看自己是否有公网 IPv6？

# Windows
ipconfig

# Linux / macOS
ip a
# 或
ifconfig

注意：以 fe80:: 开头的是链路本地地址（Link-Local），只能在同一局域网内使用，不是公网 IPv6。
真正的公网 IPv6 地址以 2 开头：

2408:xxxx — 中国联通
2409:xxxx — 中国移动
240e:xxxx — 中国电信

IPv6 恢复了端到端通信

IPv4 + NAT 的架构破坏了互联网最初"每台主机都可以直接互访"的设计。IPv6 地址充足，每台设备都可以有真正的全球唯一公网地址，端到端（End-to-End）通信能力得以恢复——不再需要 NAT，不再需要打洞。

不过现实中 IPv6 的普及还面临几个阻碍：

企业内网设备大量不支持 IPv6；
家用路由器防火墙默认阻止外部的 IPv6 连接（需要手动配置放行规则）；
国内运营商对 IPv6 的推广力度参差不齐。

IPv4 与 IPv6 哪个更快？

国内通信：IPv6 通常更快。IPv6 头部固定、无需 NAT 转换，路由器处理更简单；
跨国通信：IPv4 可能更快。IPv4 骨干网建设了几十年，路由优化更成熟，国际出口带宽也更充裕。

六、过渡方案：IPv6 over IPv4 隧道

在 IPv6 全面普及之前，网络上仍大量存在不支持 IPv6 的路由器，需要过渡方案。

6in4 隧道（Tunneling）：把 IPv6 数据包整个封装进 IPv4 数据包的 payload，就像套娃一样穿越只懂 IPv4 的网络：

IPv6 主机 A ──►  边界路由器 B
  B：把 IPv6 包封进 IPv4 包（协议字段=41）
       ──► 纯 IPv4 路由器 C ──► D（不懂 IPv6，当普通 IPv4 包转发）
  边界路由器 E：解封，还原 IPv6 包
       ──► IPv6 主机 F

协议字段 41 就是告诉接收端"我的 payload 是一个 IPv6 数据报"，这也是为什么 IPv4 协议字段值 41 对应"IPv6"。

七、彩蛋：IPv5 去哪了？

IPv5 实际上是 ST 协议（Internet Stream Protocol），1979 年提出，专门为实时语音和视频传输设计，使用了版本号 5。但 ST 协议最终没有被广泛采用，败给了通用的 IPv4。

后来设计新一代 IP 协议时，版本号 5 已经被 ST"占用"了——即使 ST 从未流行，IANA 也不会重复分配版本号。于是新协议顺序跳过 5，直接命名为 IPv6。

总结

	IPv4	IPv6
地址空间	32 位，约 43 亿，已耗尽	128 位，近乎无限
头部	可变长（20~60B），含检验和	固定 40B，无检验和
分片	路由器可分片	仅发送方分片
NAT	必要，破坏端到端	不需要，恢复端到端
过渡	当前主流	普及进行中，6in4 隧道过渡

IP 协议是整个互联网"找路"能力的基础——没有 IP，TCP 不知道包该往哪发，HTTP 请求永远送不出去。理解了 IP，再回头看 traceroute 的输出、DNS 的解析结果、NAT 的工作过程，会有一种豁然贯通的感觉。

本系列前七篇：
· 第一篇：《TCP 协议格式详解》
· 第二篇：《TCP 三次握手与四次挥手》
· 第三篇：《TCP 可靠数据传输》
· 第四篇：《TCP 流量控制与拥塞控制》
· 第五篇：《TLS：HTTPS 背后的加密握手》
· 第六篇：《HTTP 协议进化史》
· 第七篇：《DNS：互联网的电话簿》

参考资料：《计算机网络：自顶向下方法》