IPv6 地址分配----实验

IPv6 地址分配----实验

本文是配合上一篇IPv6地址分配理论部分的实验，部分理论细节也会在本文说明。

由于IPv6协议相关的概念于对比IPv4增加很多，而且标准至今为止仍然在变动，本文为了更贴近现实部分实验直接使用实际网络环境进行观察，笔者互联网环境为 FTTH 家庭宽带--天津联通，光猫/ONU为 Huawei OptiXstar HN8346X6 (10G EPON)。

网卡 IPv6 地址初始化过程

虚线框不是网络通信，代表在系统本地执行；
首先系统在网卡上执行 link-local 自动配置，使用某种算法生成该网卡的 link-local 地址（单播）；
一个单播地址生成时，会随之产生一个对应的节点组播地址（solicited-node multicast address），作为 NS 的目的地址,接收来自其他节点的 NS 请求；
系统发送 MLDv2 Report Exclude 模式报文 用于加入上面提到的节点组播地址组，图中并未体现；
接下来对刚生成的 link-local 地址进行 DAD 检测，通过 DAD 后 link-local 单播地址才可以使用；
随后发起 RS 请求，使用刚刚生成的 link-local 地址作为原地址向 ff02::02 组播组发送 RS 请求，该组播组代表链路内全体路由器，也就是说路由器会监听此地址；
路由器收到 RS 后会向组播地址 ff02::01 发送 RA 作为响应，ff02::01 代表链路范围内全体节点；路由器也可以使用单播的形式发送 RA 作为响应，这取决于路由器的配置；
收到路由器回复的 RA 后，提取出 RA 报文内可用的信息用于网络配置；
根据 RA 中的 flag 网卡采取相应的配置方式：
- A = 1：使用 RA 中的信息采用 SLAAC 方式配置网卡地址；
- M = 1：使用 DHCPv6 有状态方式配置网卡；
- M = 0 and O = 1：使用 DHCPv6 无状态方式配置网卡；
同样的，生成的单播地址同样需要 DAD 才算正式生效，并加入对应的节点组播组；
至此，网卡的自动配置基本结束；

下面看一个win10 网卡启动的抓包：

图中展示了win10系统开机后，通过SLAAC加无状态DHCPv6方式对IPv6网络进行配置，下面对各个报文分别解释说明(图中序号并不连续是因为过滤了IPv4等不相关的报文)。

No.28 这是一个NS报文用于 link-local 单播地址的DAD
- 源MAC： 终端mac地址
- 目的MAC： IPv6组播mac地址，33:33/16的mac前缀，ipv6组播mac地址的数量还是很大的，不再像ipv4组播那样局促；
- 源IP： :: 空白源IP，因为此时还没有没有源ip只能使用空白代；
- 目的IP： DAD solicited node multicast地址；
- Target： DAD 的地址(单播)---- fe80::8ccd:2fb1:8357:b9a6；
No.29 RS 报文，请求 RA
- 源MAC : 终端mac地址
- 目的MAC : 组播mac，对应ff02::2
- 源IP : 刚刚通过 DAD 的link-local 地址
- 目的IP : ff02::2 代表广播域内的路由器；
No.30 这是 link-local 地址对应的 solicited node multicast地址加组报文
- 源MAC :终端mac
- 目的MAC :组播mac，对应 ff02::16
- 源IP :link-local 地址
从逻辑上说 DAD 和 solicited node multicast地址加组应该是有先后顺序的，正常认为应该先加组再DAD，因为DAD的目的地址为solicited node multicast地址，但实际抓包发现不同系统处理的方式并不一致，上述的win10执行的是先DAD后加组，下面的linux终端先加组再DAD；不同的操作系统或网络栈在处理IPv6地址配置和DAD过程中可能存在实现上的差异。一些实现可能在DAD开始时延迟加入solicited-node组播组，直到DAD过程需要发送邻居请求消息时才执行加入操作。再有就是有可能是加组和DAD是并行发送的，数据包的前后时间差很短。
- 目的IP :ff02::16 代表广播域内所有支持MLDv2的路由器；用于组播地址加组；
- MLRM报文 :此报文使用加入指定的IPv6组播组，此例中加入的组播组为 link-local 地址的 solicited node multicast地址---- ff02::1:ff75:b9a6 。
No.31 RA 报文，包含prefix等重要信息
- 源MAC ：路由器的mac地址
- 目的MAC ：组播mac，对应ff02::1
- 源IP ：路由器的link-local 这里是fe80::1
- 目的IP ：ff02::1 代表广播域内所有支持IPv6的节点。
- flag： M=0 O=1 使用DHCPv6 无状态方式配置网络
- PIO：
  - prefix：IPv6 前缀
  - Valid lifetime：有效期3天，如果此处为0意味着需要撤销该prefix；
  - flag：A=1 这意味着要求终端使用 SLAAC，加上前面的flag O协同完成IPv6地址配置；
- Recursive DNS server:RA推送的DNS，此方式配置DNS的方式比较新，老旧的终端不一定支持，仍需要从DHCPv6中获取。
No.32 这是两个SLAAC地址对应的 solicited node multicast地址加组报文
- 源MAC :终端mac
- 目的MAC ：ff02::16 对应的组播mac
- 源IP ： link-local 地址，此时 SLAAC 地址尚未通过 DAD
- 目的IP ：ff02::16
No.34 & 35 DHCPv6无状态，请求和回复
- 源MAC：请求DHCP的终端mac
- 目的MAC：ff02::1:2 对应的组播 mac
- 源IP：link-local 地址
- 目的IP：ff02::1:2 代表DHCP服务器、代理、或者中继
- DHCPv6内部字段见后面解释:由于 RA 中 flag M=0 O=1，此处终端DHCPv6 client仅仅请求Option，即无状态模式；
- 源MAC：DHCP 服务器mac地址
- 目的MAC：终端的单播mac，此处终端发起时候使用的是link-local地址，服务器回包的时候也单播回复。
- 源IP：服务器 link-local 单播地址
- 目的IP：终端的 link-local 单播地址
No.40 & 41 NS请求网关的 link-local 地址及 NA 回复
- 源MAC：终端mac
- 目的MAC：fe80::1对应的组播mac，此处可知NS为组播发送；(NS 也有单播发送的，主要用于探测邻居当前可达性)
- 源IP：终端link-local地址
- 目的IP：网关的link-local fe80::1
- 源MAC：路由器的mac
- 目的MAC：终端的mac，由此可知NA为单播回复
- 源IP：路由器的link-local fe80::1
- 目的IP：终端的link-local
- Flags:
  - R:路由器标记，置1表明 NA 的发送者是一个路由器，正如此报文中显示的。
  - S:请求标记，1表明 NA 是为了回复 NS 发送的，否则是主动发送的 NA 或是一个 DAD，主动发送的行为类似IPv4环境下中的免费arp(Gratuitous ARP)
  - O:替代标志，置1表示通告中的信息替代缓存，如更新链路层地址时，对于任播的回应则不应置位。在针对任播地址的请求通告中，以及在请求的前缀通告中它不能被置1。在其他请求通告中和在非请求通告中它应当被置1。目标节点请求的链路层地址，响应多播的 NS 时（DAD、地址解析），必须使用该选项；响应单播的 NS 时（NUD 邻居不可达检测），可以使用该选项。
  这里着重说明一下，IPv6 环境下的邻居表更新可以是单向的，也就是说如果请求报文中没有标记O=1，对方是不应该刷新邻居表项，仅需要回复NA。更进一步的讲 NS 请求的“源”、“目”和“被请求地址”之间没有强相关性；对于普通单播里这好像没什么用，这种情况主要出现在任播情况下，所以上面才说对于任播的回应则不应置位。
No.44 45 48 50 MDNS和LLMNR组播加组
mDNS 对应的组播地址为：ff02::fb

LLMNR 对应的组播地址为：ff02::1:3
No.53 55 56 均为组播 dns 查询相关，不予细节展示
No.62 & 63 NS报文，两个 SLAAC 地址的DAD

这两个地址分别是 win10 生成的基于硬件标识产生的地址以及临时IPv6地址，由于硬件标识生成的地址有可能被追溯的风险，所以大多数操作系统会启用临时地址作为隐私拓展。此处显示的仅仅是干刚刚开机网卡获取的地址，随着开机时间的增长会有更多IPv6地址被系统使用，比如这里显示的。
No.64 一次性组播加组
此处把前面出现过的组播地址汇总同一再次加组，具体为什么会有这种行为笔者也不是很清楚；估计是系统定期发送，用于定期刷新加入的组播组。
No.66 67 68 网关NS请求 SLAAC 地址并收到NA回复，并对此 SLAAC地址使用 ping 方式探活

此处返回的 NA 中，flag R 并没有置1，和No.41 报文对比，回复者的身份并非路由器，而是终端；S和O按照要求正常置1；

此处路由器发起了icmpv6 echo request用于终端探活，由于win系统防火墙的默认设置不响应ping请求，所以此请求没有对应的回应；由于前面已经响应了路由器的NS请求，此处ping探活只是辅助非强制。
No.69 70 73 SSDP 组播地址加组，并发起SSDP，细节略;
其余报文大多为 DNS 解析和发起tcp连接，用于探测internet连通信，细节略;

从上可以看出，伴随IPv6地址的生成或获取，会有DAD和solicited node multicast地址加组行为:

IPv6单播地址，无论是独立生成的还是从其他地方获取的，即使是静态地址，系统在使用之前都需要进行 DAD，只有通了 DAD 的地址才可以使用。
节点多播地址 (Solicited-node Multicast)和单播地址是对应的，但不是一一对应的。一个 IPv6 单播地址对应一个节点多播地址，但是反过来不成立。在 IPv6 环境中，每个单播地址对应的Solicited-node Multicast地址是通过将单播地址的最后24位添加到一个固定的前缀（FF02::1:FF00:0/104）形成的。这意味着多个单播地址可能会对应同一个Solicited-node Multicast地址，因为不同的单播地址可能有相同的最后24位。

ff02/16 的组播地址是 IANA 定义的 well-known 组播地址，用于代表一些特殊的节点组；下面一些例子：

ff02::1 all nodes 本地链路范围的所有节点
ff02::2 all routers 本地链路范围的所有路由器
ff02::1:2 DHCP_Relay_Agents_and_Servers
ff02::16 所有MLDv2-capable routers
ff02::fb mDNSv6
ff02::1:3 LLMNR
ff02::c SSDP
完整的列表请参见这里

SLAAC

和 SLAAC 相关的算法是 eui-64，基于 RA 中的 prefix 和length 使用 eui-64 算法生成全局地址，然后发起 DAD，通过 DAD 后的地址才供操作系统使用；但是 eui-64 是基于硬件标识的，有一定的概率泄露终端的隐私，所以现今操作系统出于隐私考虑会使用其他算法生成地址，避免关联硬件标识；

所以广义的 SLAAC 为：基于 RA 中的 Prefix/Length，通过某种算法生成单播地址并通过 DAD，即可称为 SLAAC。

DHCPv6 无状态

以一下描述主要来自这里

DHCPv6（Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6，支持IPv6的动态主机配置协议）针对IPv6编址方案设计，用来为主机分配IPv6前缀、IPv6地址和其他网络配置参数。

DHCPv6服务器可以为已经具有IPv6地址/前缀的客户端分配其他网络配置参数，该过程称为DHCPv6无状态配置。

DHCPv6客户端通过地址无状态自动配置功能成功获取IPv6地址后，即DHCPv6客户端根据路由器发现/前缀发现所获取的信息自动配置IPv6地址后，如果接收到的RA（Router Advertisement，路由器通告）报文中M标志位（Managed address configuration flag，被管理地址配置标志位）取值为0、O标志位（Other stateful configuration flag，其他配置标志位）取值为1，则DHCPv6客户端会自动启动DHCPv6无状态配置功能，以获取除地址/前缀外的其他网络配置参数。

DHCPv6无状态配置的具体过程为：

1.客户端以组播的方式向DHCPv6服务器发送Information-request报文，该报文中携带Option Request选项，指定客户端需要从服务器获取的配置参数。

2.服务器收到Information-request报文后，为客户端分配网络配置参数，并单播发送Reply报文将网络配置参数返回给客户端。

3.客户端检查Reply报文中提供的信息，如果与Information-request报文中请求的配置参数相符，则按照Reply报文中提供的参数进行网络配置；否则，忽略该参数。如果接收到多个与请求相符的Reply报文，客户端将选择最先收到的Reply报文，并根据该报文中提供的参数完成客户端无状态配置。

DHCPv6 无状态请求与回复的细节：

DHCPv6 有状态

DHCPv6 服务器为客户端分配地址/前缀的过程分为两类：

交互四个消息的分配过程
交互两个消息的快速分配过程

常规 DHCPv6 请求

步骤	发送的消息	说明
1	Solicit	DHCPv6客户端发送该消息，请求DHCPv6服务器为其分配IPv6地址/前缀和网络配置参数
2	Advertise	如果Solicit消息中没有携带Rapid Commit选项，或Solicit消息中携带Rapid Commit选项，但服务器不支持快速分配过程，则DHCPv6服务器回复该消息，通知客户端可以为其分配的地址/前缀和网络配置参数
3	Request	如果DHCPv6客户端接收到多个服务器回复的Advertise消息，则根据消息接收的先后顺序、服务器优先级等，选择其中一台服务器，并向该服务器发送Request消息，请求服务器确认为其分配地址/前缀和网络配置参数
4	Reply	DHCPv6服务器回复该消息，确认将地址/前缀和网络配置参数分配给客户端使用

快速确认 DHCPv6 请求

快速分配过程：

(1)DHCPv6 客户端在向 DHCPv6 服务器发送的 Solicit 消息中携带 Rapid Commit 选项，标识客户端希望服务器能够快速为其分配地址/前缀和其他网络配置参数。

(2)如果DHCPv6服务器支持快速分配过程，则直接返回Reply消息，为客户端分配IPv6地址/前缀和其他网络配置参数。如果DHCPv6服务器不支持快速分配过程，则采用“交互四个消息的分配过程”为客户端分配IPv6地址/前缀和其他网络配置参数。

DHCP-PD

PD 是一类特殊的有状态 DHCPv6，用于分配分一个网段给dhcp client 而不是一个主机地址；（上篇文章中谈到的pd-only由于是草案，当前并没有相关的软件/硬件实现此项功能，故无法实验，此处仅演示了常规DHCP-PD）

既然是是一种有状态DHCPv6，两包（rapid commit）交互和四包交互同样适用：

此时，DHCP返回的就不是一个主机地址而是一个网段。

地址撤销

如上图，当修改路由接口的ipv6地址前缀时候，路由器会发送prefix lifetime = 0的 RA 用于通知终端此网段撤销请重新监听后续 RA，用新 RA 中的prefix 重新 SLAAC（下图就是重新发送的ra）。

基于策略的地址配置

本文至此已经太长了😁，此部分是对 RS/RA 和 DHCPv6的灵活应用，独立成文。

环境和配置

上述所有演示和抓包都是基于下面环境完成，由于在时间上不是一次性完成，不同案例之间获取的地址可能不一致。

路由器（H3C vSR1000）使用DHCP-PD 从光猫获取了一段地址（此处是/63的地址段），分别使用DHCPv6无状态（结合SLAAC）和有状态分配给 WIN10-1 和 WIN10-2 两台电脑（win10 系统）。

拓扑：

WIN10网卡：

有状态，即服务器段会保留终端信息，就像IPv4 中的 DHCP一样：

完整配置：

#以下配置基于H3C vSR1000  Version 7.1.064, Release 1362P12
#
 dhcp enable

#  定义prefix-pool , 此处pool 引用了pd拿到的prefix 1
 ipv6 dhcp prefix-pool 1 prefix 1 assign-len 64

#  IPv4 地址池vlan100
dhcp server ip-pool vlan100
 gateway-list 192.168.100.254
 network 192.168.100.0 mask 255.255.255.0
 address range 192.168.100.11 192.168.100.200
 dns-list 223.5.5.5
 forbidden-ip 192.168.100.1
 forbidden-ip 192.168.100.254

#  IPv4 地址池vlan200
dhcp server ip-pool vlan200
 gateway-list 192.168.200.254
 network 192.168.200.0 mask 255.255.255.0
 address range 192.168.200.11 192.168.200.200
 dns-list 223.5.5.5
 forbidden-ip 192.168.200.1
 forbidden-ip 192.168.200.254

#   IPv6 有状态地址池
ipv6 dhcp pool statefull
 network prefix 1 0:0:0:1::/64   ## pd获取的 prefix 生成的/64 network
 dns-server 2001:4860:4860::8888 ## DNS
 dns-server 2001:4860:4860::8844 ## DNS
 prefix-pool 1 preferred-lifetime 86400 valid-lifetime 259200  ##  引用prefix-pool
 option-group 1 

#   IPv6无状态地址池
ipv6 dhcp pool stateless
 option-group 1  # 引用了从PD获取的option
#
interface GigabitEthernet1/0
 port link-mode route
 ip address dhcp-alloc
 nat outbound
 ipv6 address auto ## SLAAC 地址
 ipv6 address auto link-local  ## SLAAC link-local
 ipv6 dhcp client pd 1 option-group 1  ## 使用PD获取网段和option，获取到的prefix命名为“1”，option也命名为“1”，供其他服务引用

#  无状态
interface GigabitEthernet2/0
 port link-mode route
 description ipv6_stateless
 ip address 192.168.100.254 255.255.255.0
 dhcp server apply ip-pool vlan100
 ipv6 dhcp select server
 ipv6 dhcp server apply pool stateless
 ipv6 address FE80::1 link-local  ## 修改 link-local ，link-local的scope为link，多个接口可以使用相同link-local
 ipv6 address 1 ::1/64   ## 使用pd获取的prefix生成地址
 ipv6 nd autoconfig other-flag  ## 置位 O flag
 undo ipv6 nd ra halt    ## 发送 RA（默认不发送RA）
 ipv6 nd ra interval 60 20  ## ra 周期发送间隔
 ipv6 nd ra invalid-delegated-prefix advertise enable  ## 发送地址撤销 RA（如有）
 ipv6 nd ra dns server 2400:3200::1 60 sequence 0     ## DNS
 ipv6 nd ra dns server 2400:3200::BABA:1 60 sequence 1    ## DNS

#  有状态
interface GigabitEthernet3/0
 port link-mode route
 description ipv6_statefull
 ip address 192.168.200.254 255.255.255.0
 dhcp server apply ip-pool vlan200
 ipv6 dhcp select server
 ipv6 dhcp server apply pool statefull
 ipv6 dhcp server allow-hint preference 255 rapid-commit   ## 开启DHCPv6 rapid-commit 模式（可选）
 ipv6 address FE80::1 link-local    ## 修改 link-local ，link-local的scope为link，多个接口可以使用相同link-local
 ipv6 address 1 ::1:0:0:0:1/64   ## 使用 pd 获取的 prefix 生成地址
 ipv6 nd autoconfig managed-address-flag  ## RA M flag 置位
 ipv6 nd autoconfig other-flag  ## RA O flag 置位,兼容不支持有状态模式的终端
 undo ipv6 nd ra halt   ## 发送 RA
 ipv6 nd ra interval 60 20  ## RA 周期发送间隔
 ipv6 nd ra invalid-delegated-prefix advertise enable  ##  发送地址撤销 RA （如有）
 ipv6 nd ra dns server 2400:3200::1 60 sequence 0  ## DNS
 ipv6 nd ra dns server 2400:3200::BABA:1 60 sequence 1  ## DNS

参考

https://support.huawei.com/enterprise/zh/doc/EDOC1100174722/d14d2c80
https://www.h3c.com/cn/d_202403/2063140_30005_0.htm
https://blog.csdn.net/u013237642/article/details/101026357

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IPv6 地址分配----实验

网卡 IPv6 地址初始化过程

SLAAC

DHCPv6 无状态

DHCPv6 有状态

DHCP-PD

地址撤销

基于策略的地址配置

环境和配置

参考

公告