Różnice w trasowaniu IPv4 i IPv6: protokoły, MTU, fragmentacja

Ten artykuł przedstawia wyczerpujące omówienie kluczowych różnic między systemami routingu IPv4 i IPv6, ze szczególnym naciskiem na wybór protokołu, obsługę maksymalnej jednostki transmisji (MTU) oraz fragmentację pakietów.

Permisywny model fragmentacji w IPv4 (routery mogą dzielić pakiety) wyraźnie kontrastuje z restrykcją w IPv6, gdzie fragmentacji może dokonać wyłącznie host źródłowy. Podobnie obowiązkowe minimalne MTU w IPv6 na poziomie 1280 bajtów stanowi istotne odejście od historycznego minimum 576 bajtów w IPv4, co niesie konkretne implikacje operacyjne dla sieci dual‑stack i środowisk migracyjnych.

Podstawowe różnice architektoniczne w budowie nagłówków i routingu

Kluczowa różnica między IPv4 a IPv6 dotyczy kształtu nagłówków i skutków dla przekazywania pakietów. Nagłówek IPv4 ma zmienną długość 20–60 bajtów, a IPv6 stałą – 40 bajtów. W IPv6 usunięto z nagłówka głównego pola fragmentacji (Identification, Flags, Fragment Offset) i przeniesiono je do opcjonalnego nagłówka fragmentacji.

IPv6 rezygnuje z Header Checksum, ponieważ niezawodność zapewniają sumy kontrolne warstw wyższych oraz mechanizmy łącza. Zmniejsza to obciążenie routerów i przyspiesza przekazywanie pakietów. Dodatkowo IPv6 wprowadza Flow Label (20 bitów) do obsługi przepływów bez inspekcji warstw wyższych.

Dla szybkiego porównania najważniejszych parametrów warto zestawić je obok siebie:

Aspekt	IPv4	IPv6
Rozmiar nagłówka	20–60 bajtów (zmienny)	40 bajtów (stały)
Fragmentacja	możliwa w routerach i u źródła	wyłącznie u źródła (routery nie fragmentują)
Minimalne MTU	576 bajtów	1280 bajtów
Mechanizm PMTUD	ICMPv4 Destination Unreachable (type 3, code 4)	ICMPv6 Packet Too Big (type 2)
Suma kontrolna w nagłówku	Header Checksum – tak	brak (pole usunięte)
Rozgłoszenia	broadcast + multicast	tylko multicast (broadcast usunięty)
Rozwiązywanie adresów	ARP	NDP (ICMPv6)
IPsec	opcjonalny	implementacyjnie obowiązkowy
QoS	ToS/DSCP	Traffic Class + Flow Label
Wsparcie jumbogramów	ograniczone	Jumbo Payload (Hop‑by‑Hop)
Ryzyko „blackhole MTU”	niższe (fragmentacja po drodze bywa ratunkiem)	wyższe przy filtrowaniu ICMPv6

Rodziny protokołów routingu IPv4 i IPv6

Wersje protokołów dla IPv6 są adaptacją sprawdzonych koncepcji do 128‑bitowych adresów i większej skali. IS‑IS natywnie obsługuje oba rodzaje adresów, ułatwiając spójny routing w środowiskach dual‑stack.

Najczęściej spotykane protokoły w IPv6 to:

• RIPng – prosta implementacja „distance‑vector”, ograniczona skalowalność;
• OSPFv3 – adaptacja OSPF do IPv6, lepsza obsługa rodzin adresowych i sąsiedztw link‑local;
• EIGRP for IPv6 – szybka konwergencja, efektywne wykorzystanie pasma i mechanizmy zapasowych tras;
• MP‑BGP – dystrybucja tras IPv6 obok IPv4, fundament routingu międzydomenowego i trybu dual‑stack.

Router działający wyłącznie z OSPFv2 nie przekaże tras IPv6 — konieczne jest uruchomienie OSPFv3.

Maksymalna jednostka transmisji – specyfikacja i praktyczne implikacje

IPv4 definiuje minimalne MTU 576 bajtów, podczas gdy IPv6 wymaga co najmniej 1280 bajtów. Wyższe minimum ogranicza presję na fragmentację i usprawnia przekazywanie w nowoczesnych sieciach.

Wielowarstwowe tunelowanie zmniejsza efektywny ładunek: każda kapsuła dodaje nagłówek (np. GRE ~24 bajty), co potrafi wymusić fragmentację lub redukcję MSS przy standardowym MTU 1500 bajtów.

Fragmentacja – zasadnicza różnica architektoniczna

IPv4 dopuszcza fragmentację w routerach i u źródła; IPv6 przenosi całą odpowiedzialność na hosty brzegowe. Routery IPv6 nigdy nie fragmentują pakietów – przy przekroczeniu MTU odrzucają je i wysyłają ICMPv6 Packet Too Big.

Fragmentacja po drodze w IPv4 zapewnia elastyczność, ale generuje istotne problemy operacyjne:

• utrata jednego fragmentu unieważnia cały pakiet,
• routery ponoszą koszt dzielenia i kolejkowania fragmentów,
• fragmenty mogą być ponownie fragmentowane na kolejnych łączach o mniejszym MTU,
• zwiększone ryzyko opóźnień i nierównomiernego obciążenia ścieżki.

W IPv6 niezawodność zależy od dostarczania komunikatów ICMPv6; ich filtrowanie prowadzi do „czarnych dziur MTU”.

Odkrywanie MTU ścieżki i adaptacyjne dobieranie rozmiaru pakietów

Zarówno IPv4, jak i IPv6 polegają na PMTUD, lecz brak fragmentacji po drodze w IPv6 czyni ICMPv6 Packet Too Big krytycznym sygnałem sterującym. Przy jego filtracji IPv4 „jakoś działa” (kosztem fragmentacji), a w IPv6 ruch po prostu znika.

Aby zminimalizować ryzyko problemów z MTU w praktycznych wdrożeniach, warto stosować następujące zasady:

• PLPMTUD (RFC 4821) – adaptacyjne wykrywanie MTU na bazie zachowania transportu bez polegania na ICMP;
• MSS clamping (RFC 6691) – wymuszenie mniejszego MSS TCP na granicach, by uniknąć fragmentacji w tunelach;
• zezwalanie na ICMPv6 (zwłaszcza Packet Too Big) – selektywne otwarcie w zaporach poprawia niezawodność;
• pakiety UDP ≤ 1280 bajtów – konserwatywny rozmiar ładunku dla ruchu bezpołączeniowego.

Ewolucja ICMP i funkcje wspierające

ICMPv4 identyfikowany jest przez Protocol = 1, a ICMPv6 przez Next Header = 58. ICMPv6 rozwija rolę protokołu, obejmując NDP, autoodkrywanie routerów i obsługę błędów precyzyjnie dostosowaną do IPv6.

W kontekście MTU: w IPv4 wskazanie „Fragmentation Needed and DF set” to Destination Unreachable (type 3, code 4), a w IPv6 dedykowany Packet Too Big (type 2) z obowiązkowym polem MTU.

Protokół neighbor discovery i mechanizmy rozwiązywania adresów

NDP konsoliduje funkcje znane z ARP oraz dodaje mechanizmy poprawiające wydajność i bezpieczeństwo. Zapytania kierowane są do solicited‑node multicast (FF02::1:FF00:0/104), co ogranicza zbędny ruch i ekspozycję.

Neighbor Unreachability Detection (NUD) monitoruje dostępność sąsiadów, a RS/RA zapewniają automatyczne odkrywanie routerów i parametrów łącza (np. MTU, Hop Limit).

Multicast i funkcje oparte na multicast

IPv6 usuwa broadcast i stawia na multicast (FF00::/8) z predefiniowanymi grupami, m.in. FF02::1 (all‑nodes) i FF02::2 (all‑routers). MLD/MLDv2 zastępuje IGMP, wprowadzając m.in. source‑specific multicast.

Jakość usług i etykietowanie przepływów

IPv6 zachowuje Traffic Class/DSCP i dodaje Flow Label (20 bitów). Umożliwia to identyfikację przepływów bez DPI, co sprzyja obsłudze ruchu szyfrowanego i mechanizmom QoS.

Bezpieczeństwo, szyfrowanie i integracja IPsec

W IPv6 obsługa IPsec jest obowiązkowa w implementacjach, co ułatwia dostępność AH i ESP jako nagłówków rozszerzeń. Nie oznacza to jednak domyślnego szyfrowania ruchu — mechanizmy są dostępne, ale ich użycie wymaga konfiguracji.

Konfiguracja adresów i bezstanowa autokonfiguracja

IPv6 upraszcza adresację przez SLAAC: host generuje adres link‑local (FE80::/10), pobiera prefiksy z RA i łączy je z identyfikatorem interfejsu. To znacząco redukuje nakład administracyjny przy wdrożeniach masowych, a gdy potrzebne jest centralne sterowanie, dostępny jest DHCPv6.

Nagłówki rozszerzeń i złożoność routingu

Nagłówki rozszerzeń pozwalają dodać funkcjonalność bez rozrastania nagłówka głównego. Zalecana kolejność przetwarzania obejmuje m.in. Hop‑by‑Hop Options, Routing Header, Fragment Header i AH/ESP.

Hop‑by‑Hop Options bywają kosztowne wydajnościowo (często omijają ścieżkę sprzętową), więc należy używać ich oszczędnie. Routing Header typ 0 został wycofany z powodów bezpieczeństwa.

Integracja MTU z operacjami warstwy sieci

Każde łącze IPv6 musi obsłużyć co najmniej 1280 bajtów, a stos powinien poprawnie odbierać i składać ramki co najmniej do 1500 bajtów. Ma to znaczenie dla protokołów podatnych na MTU, np. DNS.

Typowe wartości i narzuty, o których warto pamiętać:

• ethernet: standardowe MTU 1500 bajtów,
• PPPoE: często 1492 bajty,
• GRE: narzut ~24 bajty na pakiet,
• IPv6‑w‑IPv4: dodatkowe 20 bajtów nagłówka,
• IPsec (ESP tunel): narzut zależny od algorytmów, typowo kilkadziesiąt bajtów.

Opcja Jumbo Payload (Hop‑by‑Hop) umożliwia pakiety > 65 535 bajtów (do 4 294 967 295), co bywa użyteczne w HPC/DC, o ile cała ścieżka wspiera jumbogramy.

Wyzwania wdrożeń w świecie rzeczywistym i scenariusze przejściowe

W praktyce dominują topologie dual‑stack. Ten sam nośnik może nieść IPv4 i IPv6 o różnych wymaganiach MTU i odmiennych regułach fragmentacji. Tunele IPv6‑w‑IPv4 obniżają efektywne MTU (np. 1500 → ~1480 bajtów), dlatego często stosuje się MSS clamping.

Najczęstsze źródła redukcji MTU i potencjalnych „blackhole MTU” to:

• kaskadowe tunelowanie (np. GRE w IPsec) kumulujące narzuty,
• implementacje zapór filtrujące krytyczne komunikaty ICMPv6,
• ruch UDP z ładunkami powyżej 1280 bajtów bez mechanizmów adaptacyjnych,
• łącza dostępowe o zaniżonym MTU (np. PPPoE) bez odpowiedniej kompensacji MSS.

Analiza porównawcza skalowalności i konwergencji routingu

OSPFv3, podobnie jak OSPFv2, wspiera hierarchię obszarów i zbliżone metryki; EIGRP for IPv6 zachowuje szybkie zbieganie; MP‑BGP skaluje routing międzydomenowy dla adresów 128‑bitowych. Różnice operacyjne częściej wynikają z utrzymywania osobnych procesów dla IPv4 i IPv6 niż z ograniczeń technicznych protokołów.

Wnioski – synteza różnic w routingu i ich implikacji

Stały nagłówek IPv6 przyspiesza przetwarzanie, a funkcje rzadko używane przeniesiono do nagłówków rozszerzeń. Zwiększenie minimalnego MTU do 1280 bajtów ogranicza presję na fragmentację, lecz komplikuje scenariusze z tunelowaniem i enkapsulacją.

Najgłębsza zmiana to przeniesienie odpowiedzialności za fragmentację na hosty źródłowe. Projektowo elegancka, w praktyce wymaga niefiltrowania ICMPv6 i świadomego zarządzania MTU, w przeciwnym razie dochodzi do „czarnych dziur”.

Ewolucja protokołów routingu ma charakter inkrementalny: RIPng, OSPFv3, EIGRP for IPv6 i MP‑BGP rozwijają rozwiązania znane z IPv4. Dla operatorów kluczowe jest aktywne zarządzanie MTU, umożliwienie krytycznych komunikatów ICMPv6 i świadoma konsolidacja procesów routingu w środowiskach dual‑stack.