IPv6的ICMPv6协议

简介

ICMPv6是IPv6的基础协议之一，协议类型号（即IPv6 Next Header）为58。
除了提供基本的检测网络连通性功能外，还提供了邻居发现(NDP)、无状态地址配置(SLAAC)、
重复地址检测（DAD）、PMTU等新功能。

IPv6邻居发现协议 - NDP概述

所使用的ICMPv6报文

RS (Router Solicitation) 路由器请求报文
RA (Router Advertisement) 路由器通告报文
NS（Neighbor Solicitation) 邻居请求报文
NA (Neighbor Advertisement) 邻居通告报文

地址解析

IPv6的地址解析，不再使用ARP。也不再使用广播发送报文。

地址解析在网络层完成，这样可以针对不同的链路层协议采用相同的地址解析协议。（然而现在是以太网的天下）通过ICMPv6（类型135的NS及类型136的NA报文）来实现地址解析。

NS报文发送使用组播的方式，报文的目的IPv6地址为被请求的IPv6地址对应的“被请求节点组播地址”，报文的目的MAC地址为组播MAC。（交换机对于组播MAC地址也会泛洪。）

采用组播的方式发送NS消息相比于广播的方式更加的高效，也减少了对其他节点的影响和对二层网络的性能压力。（网卡会过滤不需要的组播帧，减少上一层的负担）

可以使用三层的安全机制进行认证（例如IPSec）,避免地址解析攻击。（一般默认不开启）

NS和NA报文

地址解析过程中使用了两种ICMPv6报文：邻居请求（Neighbor Solicitation）和邻居通告（Neighbor Advertisement）。

• 邻居请求 Neighbor Solicitation
  • ICMP的Type为135，Code为0；
  • Target Address是需要解析的IPv6地址，因此该处不准出现组播地址。
  • 邻居请求发送者的链路层地址会被放在Options字段中。（感觉没有必要，因为源MAC地址已经是NS发送者的。）
• 邻居通告 Neighbor Advertisement
  • ICMP Type为136，Code为0；
  • R标志（Router flag）表示发送者是否为路由器，如果1则表示是；
  • S标志（Solicited flag）表示发送邻居通告是否是响应某个邻居请求，如果1则表示是；
  • O标志（Overide flag）表示邻居通告中的消息是否覆盖已有的条目信息，如果1则表示是；
  • Traget Address表示所携带的链路层地址对应的IPv6地址。
  • 被请求的链路层地址被放在Options字段中，其格式仍然采用TLV格式，具体可以参考RFC2463。

地址解析过程

如上图

• 假设PC想要解析R1的2001::2这个地址对应的MAC地址，详细过程如下：

  • PC将发送一个NS报文达到这个目的。这个NS报文的源地址是2001::1，目的地址则是2001::2对应的被请求节点组播地址。

  • R1收到此NS报文之后，获取其中的源IPv6地址R1接收此NS报文，根据报文内的源IPv6地址和源MAC，记录下PC这个邻居，同时根据自身的IPv6和MAC，回复单播NA报文。和源MAC。这样双方都可以建立一条关于对方的邻居信息表项。

邻居状态机

通过邻居或到达邻居的通信，会因各种原因而中断，包括硬件故障、接口卡的热插入等。如果目的地失效，则恢复是不可能的，通信失败；如果路径失效，则恢复是可能的。 因此节点需要维护一张邻居表，每个邻居都有相应的状态，状态之间可以迁移。(IPv4 的ARP仅靠倒计时去维护)

RFC中定义了5种邻居状态，分别是：未完成（Incomplete）、可达（Reachable）、陈旧（Stale）、延迟（Delay）、探查（Probe）。

• R1先发送NS报文，并生成缓存条目，此时，邻居状态为Incomplete。
• 若收到R2回复的NA报文，则邻居状态由Incomplete变为Reachable，
否则固定时间后邻居状态由Incomplete变为Empty。
• 经过邻居可达时间（默认30s），邻居状态由Reachable变为Stale，即
未知是否可达。
• 如果在Reachable状态，R1收到R2的非请求NA报文，且其中携带的R2的链路
层地址和表项中不同，则邻居状态马上变为Stale。
• 在Stale状态若R1要向R2发送数据，则邻居状态由Stale变为Delay，并
发送NS请求。
• 在经过一段固定时间后，邻居状态由Delay变为Probe，其间若有NA应
答，则邻居状态由Delay变为Reachable。
• 在Probe状态，R1每隔一定时间间隔（默认1s）发送单播NS，发送固定
次数后，有应答则邻居状态变为Reachable，否则邻居状态变为Empty。

重复地址检测DAD

当设备获取到IPv6地址后，一定会使用ICMPv6报文进行DAD。且当DAD通过之后，才会使用该地址。（无论通过那种方法获取）

• 假设R1为已在线设备，IPv6地址为2001::FFFF/64。PC上线之后，也配置了相同的IPv6地址，在正式使用这个地址之前，PC会对此地址做DAD，过程如下:
  • PC向链路上以组播的方式发送一个NS报文，该NS的源IPv6地址为“::”，目的IPv6地址为要进行DAD的2001::FFFF对应的被请求节点组播地址，也就是FF02::1:FF00:FFFF。这个NS里包含着要做DAD的目标地址2001::FFFF。
  • 链路上的节点都会收到这个组播的NS报文，没有配置2001::FFFF的节点接口由于没有加入该地址对应的被请求节点组播组，因此在收到这个NS的时候默默丢弃。而R1在收到这个NS后，由于它的接口配置了2001::FFFF地址，因此接口会加入组播组FF02::1:FF00:FFFF，而此刻所收到的报文又是以该地址为目的地址，因此它会解析该报文，它发现对方进行DAD的目标地址与自己本地接口地址相同，于是立即回送一个NA报文，该报文的目的地址是FF02::1，也就是所有节点组播地址，同时在报文内写入目标地址2001::FFFF，以及自己接口的MAC地址。
  • 当PC收到这个NA后，它就知道2001::FFFF在链路上已经有人在用了，因此将该地址标记为Duplicate（重复的），该地址将不能用于通信。若未收到NA报文，则PC判断这个IPv6地址可以用，DAD机制有点类似于IPv4中的免费ARP检测重复地址。

IPv6的无状态地址配置

主机根据RA中的地址前缀，并结合本地生成的64 bit接口标识（例如EUI-64），生成单播地址。
仅可以获得IPv6地址信息，（较新标准可以获取DNS）无法获得NIS、SNTP服务器等参数，需要配合DHCPv6或者手工配置来获取其他配置信息。

Path MTU

在IPv4中，报文如果过大，必须要分片进行发送，所以在每个节点发送报文之前，设备都会根据发送接口的最大传输单元MTU（Maximum Transmission Unit）来对报文进行分片。但是在IPv6中，为了减少中间转发设备的处理压力，中间转发设备不对IPv6报文进行分片，报文的分片将在源节点进行。当中间转发设备的接口收到一个报文后，如果发现报文长度比转发接口的MTU值大，则会将其丢弃；同时将转发接口的MTU值通过ICMPv6报文的“Packet Too Big”消息发给源端主机，源端主机以该值重新发送IPv6报文，这样带来了额外流量开销。PMTU发现协议可以动态发现整条传输路径上各链路的MTU值，减少由于重传带来的额外流量开销。

PMTU协议是通过ICMPv6的Packet Too Big报文来完成的。首先源节点假设PMTU就是其出接口的MTU，发出一个试探性的报文，当转发路径上存在一个小于当前假设的PMTU时，转发设备就会向源节点发送Packet Too Big报文，并且携带自己的MTU值，此后源节点将PMTU的假设值更改为新收到的MTU值继续发送报文。如此反复，直到报文到达目的地之后，源节点就能知道到达目的地的PMTU了。

如上图，整条传输路径需要通过4条链路，每条链路的MTU分别是1500、1500、1400、1300，当源节点发送一个分片报文的时候，首先按照PMTU为1500进行分片并发送分片报文，当到达MTU为1400的出接口时，设备返回Packet Too Big错误，同时携带MTU值为1400的信息。
源节点接收到之后会将报文重新按照PMTU为1400进行分片并再次发送一个分片报文，当分片报文到达MTU值为1300的出接口时，同样返回Packet Too Big错误，携带MTU值为1300的信息。之后源节点重新按照PMTU为1300进行分片并发送分片报文，最终到达目的地，这样就找到了该路径的PMTU。

PS：IPv6 要求链路层最低MTU为 1280。

路由重定向

重定向是指网关设备发现报文从其它网关设备转发更优，它就会发送重定向报文告知报文
的发送者，让报文发送者选择另一个网关设备。

1、PC1希望发送报文到服务器，于是根据配置的默认网关地址向网关R2发送报文。

2、网关R2收到报文后，检查报文信息，发现报文应该 转发到与PC1在同一网段的另一个网关设备R1,此 转发路径是更优的路径，于是R2会向PC1发送一个 重定向消息，通知PC1去往服务器的报文应直接发给R1。
3、PC1收到重定向消息后，会向R1发送报文，R1再将该报文转发至服务器。