网络拾遗--IPv6 地址自动配置

前言

近年来，就 Y7n05h 的主观体验来说，虽然 IPv4 地址资源耗尽早已不是什么新鲜的话题，但 IPv6 的发展一直处于不温不火的境地。
也许海外地区对 IPv6 的应用更为广泛，这一点 Y7n05h 就不得而知了，因此也不做过多的讨论。

在 Y7n05h 通过发布匿名调查问卷中，截止 2023-01-07T19:57+00:00 得到了 97 位受访者的对 IPv6 的普及情况的一些统计信息：

• 仅有 46% 的受访者表示自己的所有家庭网络设备支持 IPv6
• 仅有 58% 的受访者表示自己的运营商提供了 IPv6 的接入
• 仅有 13% 的受访者表示自己喜欢或常用的服务全部支持 IPv6 访问
• 仍有 29% 的受访者表示自己仅使用 IPv4，不使用 IPv6
• 没有任何受访者表示自己仅使用 IPv6 不使用 IPv4

注：

• 上述统计信息仍在进行，且受访者可随时更改自己已提交的答案，因此以上信息仅针对 2023-01-07T19:57+00:00 时的统计结果。
• Y7n05h 无法对受访者提交的信息的真实性、准确性做出核实，上述内容仅供参考。

根据以上统计信息，纵使多年过去，IPv6 的普及情况依旧不容乐观。

IPv6 与 IPv4 最大的不同（当然也是最众所周知的不同）那当然是在地址长度上。IPv6 通过 16 bytes 的地址长度与 IPv4 的 4 bytes 地址长度相比仅仅增长原来的 3 倍，但能提供的地址数量却增长了 95 倍，号称能为世界上的每一粒沙子分配一个 IPv6 地址。
通过扩充地址长度，IPv6 确实从根本上解决了 IPv4 地址耗尽的问题。
不但如此，IPv6 还通过取消了 IPv4 中的校验和、取消 IPv4 中的 Options、取消了 IPv4 中的分片 简化了软硬件实现的复杂度。
对 IPv4 而言 ARP、DHCP、ICMP 也是在通信过程中重要的一环，遗憾的是，IPv6 对这里做出了很多改变。
存在 DHCPv6、ICMPv6 这两种协议，但却并不存在 ARPv6 这种看似应该存在的东西。另外，除了 DHCPv6 之外，IPv6 还有其他用来配置 IP 的方式。
诸如此类的细节改动还有取消广播，优化任播、组播等等。这些改动修正了 IPv4 中的很多问题，也让网络层协议更加精简。

IPv6 与 IPv4 的更多差异可查阅 与IPv4 比较。

IPv6 带来了足够多的优化，但究竟是什么让 IPv6 的普及困难重重？

Y7n05h 曾一度认为是 40 bytes IPv6 header，让习惯了迷你的只有 20 bytees IPv4 header 的用户无法适应，认为其中存在性能问题。
但，这一观点其实也很难成立。在 vxlan 这种巨大的 overhead 面前，IPv6 相比 IPv4 多出来的 20 bytes 实在算是迷你。
而 vxlan 早都在生产环境中大量使用了。万兆、2.5 G 网络甚至都在家庭用户中普及（更别提数据中心的网络又进一步升级到了何等程度）。所以对 IPv6 带来的额外的 20 bytes 开销过于担心可能是多余的。

那么 IPv6 的普及困难或许和开发者不愿处理双栈带来的程序复杂度上升有关，毕竟与 IPv6 这位新友相比 IPv4 绝对称得上故旧了，开发者们基于降低程序复杂度的考虑不去支持 IPv6 也不算奇怪。
另一方面，可能与运营商对 IPv6 网络支持仍旧不如 IPv4 有关。

IPv6 地址分类

单播地址

下面是部分常见的 IPv6 单播地址分类，更多详细类别可查看IPv6 单播特殊地址：

分类	范围	说明
全球单播地址 Global Unicast Address	2000::/3	作用类似「IPv4 公网地址」
链路本地地址 Link Local Address	fe80::/10	仅在链路内有效
站点本地地址 Site Local Address	fec0::/10	已被 RFC3879 废弃
唯一本地地址 Unique Local Address	fc00::/7	作用类似「IPv4 私网地址」
未指定地址 Unspecified Address	::/128	作用类似 0.0.0.0/32
回环地址 Loopback Address	::1/128	作用类似 127.0.0.0/8

有效范围：全球单播 > 唯一本地 > 链路本地

组播地址

IPv6 多播地址都位于：ff00::/8。

组播也在 IPv6 通信过程中发挥重要作用，但本文无意过多涉及组播相关内容。
在此，笔者仅列出几个出现在本文后续内容中的组播地址，更多内容可以查看 IPv6 多播地址：

• ff02::1 All nodes on the local network segment
• ff02::2 All routers on the local network segment
• ff02::1:ff00:0/104 Solicited-node multicast address

被请求节点组播地址（Solicited-node multicast address）将在 DaD（Duplicate address detection） 中使用。要得到一个 IPv6 单播地址对应的 被请求节点组播地址（Solicited-node multicast address）只需要让 ff02::1:ff00:0 与 IPv6 地址的高 24 bits 按位与即可。

IPv6 地址自动配置的过程

TIP
本节内容是对 IPv6 地址自动配置流程的总体叙述。本节中提及的 Stateless、Stateful 将在后文说明。

下面是 IPv6 地址自动配置中的流程，其中缺少了 DaD（Duplicate address detection）相关的流程。

下图是在 IPv6 网络地址自动配置过程中通过 Wireshark 进行抓包分析得到的数据：

可以看到编号 6-22 的包是在进行地址的自动配置，其中：

• No.6 是在对通过 Stateless 方式配置得到的 Link Local Adress 进行 DaD
• No.18 和 No.19 为请求并获得 RA 报文
• No.21 和 No.22 则是对通过 Stateless 方式配置的两个 Global Unicast Address 进行 DaD

地址自动配置方法分类

本地链路地址配置 Link Local Address

Link Local Address 能通过两种方式完成配置：

• 手动配置
• Stateless 地址自动配置

全球单播地址 Global Unicast Address / 唯一本地地址 Unique Local Address 自动配置

全球单播地址 Global Unicast Address 和 唯一本地地址 Unique Local Address 的配置并无区别。

• 手动配置
• Stateless 地址自动配置
• Stateful 地址自动配置

  地址自动配置方法分类解释

这个标题听起来复杂，但简而言之：
新上线的设备通过一定的策略挑一个 IP 出来使用，准备使用之前，新上线的设备先对欲使用的 IP 执行 DAD，看看这个 IP 是否已经被别的设备使用，如果没被别的设备端占用那就用它。
这个策略总体上分三类，也就是：

• 手动配置
• Stateless 地址自动配置
• Stateful 地址自动配置

手动配置自然不必多提，下面我们讨论两种自动配置的方法。

Stateless 地址自动配置（Stateless Address Auto-configuration,SLAAC）

Stateless 意味着没有控制中心，没有一个 controller 来负责管理 IP 地址的分配。IP 地址由设备自己选择。
常见的 Stateless 地址自动配置方式由：

• Modified EUI-64
• Random

EUI-64 将网卡的 MAC 地址加以修改并和从 RA 报文中获得的 Prefix information 按位与就能得到 IP 地址。
Random 则随即挑选一个值，并把它和从 RA 报文中获得的 Prefix information 按位与就能得到 IP 地址。

Stateful 地址自动配置（Stateful Address Auto-configuration）

Stateless 意味着有控制中心，有一个 controller 来负责管理 IP 地址的分配。IP 地址由设备自己选择。
相信此时一定想起来了 IPv4 的 DHCP 完美符合这个需求。对的，对 IPv6 而言，Stateful 就意味着 DHCPv6。

常见的 Stateful 方式有两种：

• Stateful DHCPv6
• Stateless DHCPv6

这二者又有什么区别？
Stateful DHCPv6 意味着使用从 DHCPv6 获得的所有信息。
Stateless DHCPv6 则意味着使用 Stateless 的方式生成 IPv6 的地址，但从 DHCPv6 中获取网络的其他信息（例如 DNS）。

路由器通告（Router Advertisement,RA）

链路中的 Router 会定期向 ff02::1 组播 RA 报文。新加入链路的设备为了立即获得 RA 报文，通常回向 ff02::2 组播 RS（Router Solicitation） 报文，使得 Router 回复 RA 报文。
这是前文在抓包过程中得到的 RA 报文。

RA 报文里面包含了 Prefix information 用来在 SLAAC 时生成 IP 地址（前文已说明）。
Prefix information 含有一下 flags：

Flag: 0xc0, On-link flag(L), Autonomous address-configuration flag(A)
1… …. = On-link flag(L): Set
.1.. …. = Autonomous address-configuration flag(A): Set
..0. …. = Router address flag(R): Not set
…0 0000 = Reserved: 0

其中的 A flag 对 IPv6 地址自动配置有较大影响：

• A：若 A flag 被设置则需要为当前 Prefix 通过 SLAAC 配置 IP 地址。（无论 A flag 是否设置，都需要为当前 Prefix 设置路由表）

对于 Router Advertisement 中的 flags 则需要关注：

Flags: 0x08, Prf (Default Router Preference): High
0… …. = Managed address configuration: Not set
.0.. …. = Other configuration: Not set
..0. …. = Home Agent: Not set
…0 1… = Prf (Default Router Preference): High (1)
…. .0.. = Proxy: Not set
…. ..0. = Reserved: 0

• M：Managed address configuration
• O：Other configuration

若 M == true 都被设置则使用 Stateful DHCPv6 完成地址配置。
若 ( M == false && O == true ) 则使用 Stateless DHCPv6 完成地址配置。
若 ( M == false && O == false ) 则使用 Stateful 完成地址配置。

对 RA 报文更详细的说明可查阅：ICMPv6 RA 和 RS 报文。（注：这里的文档有些陈旧，缺少了 RA 报文对 DNS 的支持的信息。）

邻居通告（Neighbor Advertisement,NA）

邻居请求报文（Neighbor Solicitation,NS）和邻居通告报文（Neighbor Advertisement,NA）的作用类似 IPv4 中的 ARP Request 和 ARP Reply。
与 ARP Request 使用广播不同，NS 通过向请求 IP 的被请求节点组播地址（Solicited-node multicast address）进行组播。网卡能对组播报文进行过滤，仅接受需要的组播报文，比广播机制更加高效。
NA 报文常常被用作重复地址检测（Duplicate address detection），当一个设备正试图使用一个 IP 地址时，将会向其对应的被请求节点组播地址组播 NS 报文，请求解析该 IP 地址的 MAC 地址。在一定时间内，若未能收到回复，则说明链路上不存在使用这个 IP 的设备；反之则说明该 IP 已被使用。通过任意一种方式配置的 IPv6 地址，设备都会对其进行重复地址检测。

参考资料

• https://www.cnblogs.com/fzxiaomange/p/ipv6-autoconf-stateless-stateful.html
• https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc4861
• https://en.wikipedia.org/wiki/Solicited-node_multicast_address
• https://www.iana.org/assignments/icmpv6-parameters/icmpv6-parameters.xhtml#icmpv6-parameters-5
• http://www.tcpipguide.com/free/t_ICMPv6RouterAdvertisementandRouterSolicitationMess-2.htm