ICMPv6与NDP

1      ICMPv6

1.1    报文格式

ICMPv6协议号为58，即next header值为58，除了IPv4的作用外，还增加了邻居发现、无状态自动配置、PMTU等功能，报文格式如下：

0          7	15	31
Type	Code	Checksum
Message Body

Type：8bit，表明消息类型，0~127代表错误报文(即最高位为0)，128~255代表消息报文(即最高位为1)；

Code：8bit，表明具体的原因；

Checksum：16bit，校验和，验证报头完整性

Message Body：可变长，数据部分。

Typer类型表：

Type	Code	备注
1(目的不可达)	0	没有去往目的地的路由
1	与目的地的通信被管理员禁止
2	超出源地址范围
3	地址不可达
4	端口不可达
5	源地址在进出策略中拒绝
6	拒绝去目的地的路由
2(数据包过大)	0	此报文必须是路由器发送，用于响应数据包大于出接口MTU情况时不能被转发，此报文会携带本接口MTU发给源端，是PMTU发现的基础
3(超时)	0	超出TTL限制
1	分片重组超时
4(参数错误)	1	基本头或者扩展头有错误的字段
2	有不可识别的next header字段
3	扩展头中有未知的选项
128	0	Echo Request
129	0	Echo Reply
133	0	RS(router solicitation)消息
134	0	RA(router advertisement)消息
135	0	NS(Neighbor Solicitation)消息
136	0	NA(Neighbor Advertisement)
137	0	Redirect消息

 

1.2    RS消息

主机刚接入网络并配置为自动获取地址，主机需要自动获取前缀、前缀长度、默认网关等信息时就会发送RS(router solicitation )消息。

源IP为发送接口的Link Local地址或未指定，目的FF02::1(所有节点组播相当于广播)或FF02::2(所有路由器)，路由器收到RS后立即回复RA。

 

Type=133	Code=0	Checksum
Reserved
Option… …

Type：8bit，值为133

Code：8bit，值为0

Checksum：校验和，验证报头完整性

前3字段为正常的ICMPv6报头

Reserved：32bit，保留为0

Option：选项值，目前只定义了发送者的链路层地址(MAC)，如果未指定则不包含该选项

1.3    RA消息

RA(router advertisement)消息由路由器周期性发送或者收到RS后立即发送，为主机提供前缀、前缀长度、默认网关等编址和配置信息，源IP为发出消息接口的Link Local地址，目的为FF02::1(所有节点)

Type=134	Code=0	Checksum
Cur Hop Limit	M	O	Reserved	Router Lifetime
Reachable Time
Retrans Timer
Options… …

Type：8bit，值134

Code：8bit，保留全0

Checksum：16bit，校验和

前3字段为ICMPv6报头

Cur Hop Limit：8bit，路由器建议采用无状态自动配置的主机在IP包里的跳数限制为该字段的值，0表示不推荐，由主机自行设置

M位：1bit，管理地址配置位，0表示使用无状态自动配置，1表示告诉主机使用DHCPv6来获取配置，当M位为1时O位无意义，因为所有参数都可以通过DHCPv6获取

O位：1bit，其他配置标志位，0表示DHCPv6服务器没有其他可用信息，1表示其他参数使用DHCPv6服务器获取，包括路由器生存时间、邻居可达时间、邻居重传时间、链路MTU、DNS等

如果M和O位都不设置(全0)，表示无法通过DHCPv6获取配置信息

Reserved：6bit，保留

Router Lifetime：16bit，默认路由器关联生存时间，秒为单位，最大65535

华为确实1800s，表示主机把该路由器当作默认网关的有效时间，0表示主机不将该路由器作为默认网关，主机每次收到RA将刷新该计时器

Reachable Time：32bit，毫秒为单位，表示通告邻居可达时间，用作邻居不可达检测，0表示未指定

Retrans Timer：32bit，重传计时器，毫秒为单位，表示主机在主机重传邻居请求消息前等待时间，用作地址解释和邻居不可达检测，0表示未指定

RS和RA消息可完成无状态自动配置和路由器发现

1.4    NS消息

NS（Neighbor Solicitation）邻居请求消息用于完成类似IPv4的ARP解析功能，查找目标的链路层地址，源地址接口的Global地址，目标地址是被访问的地址所对应的被请求节点的组播地址，消息中包含源链路层地址(一般指MAC)，NS还可以用来检测邻居可达性和地址冲突，在进行地址冲突检测时源地址为未指定地址(全0)

Type=135	Code=0	Checksum
Reserved
Target Address
Option… …

Type：8bit，值135

Code：8bit，保留全0

Checksum：16bit，校验和

前3字段为ICMPv6报头

Reserved：32bit，保留

Target Address：128bit，目的IPv6地址，不能使用组播地址

Option：选项，发送者的链路层地址(一般指MAC)，当源IP为未指定地址时不能有该选项，在有IPv6地址的链路层上，必须包含此选项，即发送源IP不是全0(接口上有IP)

1.5    NA消息

NA（Neighbor Advertisement）邻居通告消息)

1.      收到NS消息后回复NA消息，单播形式，源IP是NS的目的IP，目的IP是NS的源IP，如果收到的NS源为未指定IP，则目的IP为FF02:1(所有节点)。类似ARP响应；

2.      节点需快速传播新的信息(类似免费ARP)，目的地址为FF02:1(所有节点)

Type=136	Code=0	Checksum
R	S	O	Reserved
Target Address
Option… …

Type：8bit，值136

Code：8bit，保留全0

Checksum：16bit，校验和

前3字段为ICMPv6报头

R路由器（Router）位：1bit，路由器标记位，1表示该节点为路由器，在邻居不可达检测中检测路由器是否变为主机

S被请求（Solicited）位：1bit，请求标记位，1表示收到NS后回应的NA，S位在邻居不可达检测中用作可达性确认，在组播的NA（DAD）和主动发送的 NA 中，S 比特一定不能置 1

O重载（Override）位：1bit，替代标记位，1表示替代当前已缓存的IPv6地址的链路层地址，从而更新邻居缓存表项；0表示不更新，如果没有相应的链路层地址则添加新的表项

Reserved：29bit，保留

Target Address：128bit，如果是NS回应的NA消息，该字段为收到的NS消息中的Target Address，如果非响应的NA消息，该字段为链路层地址发生变化的IPv6地址

Option：选项，包含此NA消息发送者的链路层地址，回应组播NS的NA必须包含此选项，回应单播NS的NA可以不包含此选项，因为单播NS请求发送者有证券的链路层地址

1.6    Redirect消息

Redirect重定向消息用于通知主机去往目的有更优的下一跳，只对主机有效，对路由器无效，消息的源地址为发送接口的链路本地地址，目的地址是触发次重定向报文的源地址

Type=137	Code=0	Checksum
Reserved
Target Address
Destination Address
Options..

Type：8bit，值137

Code：8bit，保留全0

Checksum：16bit，校验和

前3字段为ICMPv6报头

Reserved：32bit，保留

Target Address：128bit,通知到主机的最优下一跳路由器，必须是下一跳路由器的link local地址，当目的地市邻居时，Target Address必须是Destination Address，否则重定向后的下一跳路由器地址

Destination Address：128bit,需要被重定向的目的地址

Option：重定向后使用的下一跳路由器的链路层地址

2      NDP

NDP，Neighbor Discovery Protocol,邻居发现协议

l  对于主机，使用NDP发现相邻的路由器、自动配置地址、地址前缀即路由等。

l  对于路由器，公告路由器的相关参数、路由及链路的地址前缀。

l  对于节点，解析IPv6数据包将被转发到的邻居节点的链路层地址、获取邻接点的可达性、确定邻接点的链路层地址什么时候发生变化。

NDP用到的地址：

Ø  未指定地址(::)：表示发送者暂时无地址

Ø  链路本地地址：只在链路范围内的单播地址

Ø  FF02::1(所有节点)：到本链路范围的所有节点地址

Ø  FF02::2(所有路由器)：到本链路范围的所有路由器地址

Ø  被请求节点组播地址：一个IPv6接口会通过自动映射技术为自己的每个单播地址（包括链路本地地址）创建一个请求节点组播地址，由固定的FF02::1FF00:0/104和单播地址的最后24位组成

NDP依靠5种ICMPv6报文实现：RS、RA、NS、NA、Redirect

2.1    无状态自动配置

1.        PC接入网络发出RS消息（Type 133的ICMPv6），想路由器进行请求，目标地址FF02::2

2.        路由器回应RA，该消息包括PC所需要的前缀、前缀长度等，目的地址FF02::1

3.        PC收到RA后，使用消息中的前缀和前缀长度等完成自动配置，并将RA中宣告的链路本地地址添加到默认路由器列表作为默认网关

4.        使用该地址前会进行DAD(重复地址检测)

 

2.2    路由器发现

局域网中的路由器会定期发送RA报文，目的为所有节点FF02::1，为主机提供网络配置信息，如网中有多台路由器，则会根据优先级（Router Preference）选择默认路由器，优先级使用的是M和O位后的保留字段。

另外RA消息中还有两个有效期：优选生存期（Preferred Llifetime）和有效生存期（Valid Lifetime），主机以无状态自动配置拿到的地址进行DAD后并且无冲突视为优选地址

1.        优选生存期就是指优选地址的时间，主机通过优选地址与其他设备通信，优选生存期到期，将不再使用该地址新建链接

2.        有效生存期是指主机收到RA消息前缀可以使用的时间，必须大于优选生存期，优选生存期到期后有效生存期到期前已建立的链接可以用，直到有效生存期到期

 

2.3    地址解析

使用NS和NA完成链路层地址解析，类型IPv4的ARP。

当PC1访问PC2，PC1不知道PC2的链路层地址，这时候发送NS消息请求PC2的链路层地址。步骤如下：

1.        PC1发送NS消息(Type135的IMCPv6)，IPv6报文的目标地址PC2的接口IPv6单播地址转换后的被请求节点组播地址，ICMPv6的Target Address是PC2的IP，为什么目的地址是被请求节点组播地址？（RFC 2461和RFC4861）

2.        PC2收到NS后，识别目标地址是自己接口的请求组播地址，并检查Target Address是自己的IP，单播方式回应NA，该消息包含PC2的MAC地址同时PC2将PC1的IPv6和MAC添加到邻居缓存表。

3.        PC1收到PC2的NA后PC1将PC2的IPv6和MAC添加到本地邻居缓存表

2.4    DAD(重复地址检测)

Duplicate Address Detect

一个接口配置IPv6单播地址，无论是链路本地地址或全局单播地址，手动配置或无状态获取或DHCPv6获取，使用前都必须进行DAD。步骤如下：

1.        比如PC1配置了IPv6地址2001::1，进行DAD前该地址称为试验（tentative）地址

2.        PC1发出NS确定是否其他设备在使用该IP，IPv6报文的目的IP是2001::1的请求组播地址FF02::1:FF00:1，ICMPv6的Target Address是2001::1

3.        如果PC2的IPv6地址也是2001::1，那么PC2收到NS后会回应NA，告诉PC1该地址正在使用，否则不回应

4.        PC1在发送NS后会设定定时器，如果定时器超时后没有收到NA，说明该地址可以使用，切换到已分配（assigned）状态

2.5    NUD(邻居不可达检测)

Neighbor Unreachability Detection

与IPv4的ARP缓存表类似，NDP会将已发现的邻居信息存入邻居缓存表，包括IPv6地址和二层地址(一般指MAC)，NDP会维护邻居缓存表会通过NS消息定期跟踪邻居状态，RFC4861定义了5种邻居状态，NUD利用这些状态和状态间的切换来检测和解析邻居的可达性

Ø  Incomplete(未完成状态)：表示解析还在进行，本机已发出NS，还未收到NA

Ø  Reachable(可达状态)：本机已收到对方的NA，获得对端的链路层地址

Ø  Stale(过期状态)：邻居可达时间超时，表示未知是否可达。或者收到了邻居的非请求NA，携带的链路层地址和本地表项的地址不一致，该邻居立即变为Stale

Ø  Delay(延迟状态)：Delay不是一个稳定的状态，而是一个延时等待状态，当向Stale状态的邻居发送报文时，该邻居变为Delay状态，并发送NS消息

Ø  Probe(探测状态)：节点向处于Probe状态的邻居持续发送单播NS报文，如持续收不到NA回应，将删除表项，如收到NA，邻居变为Reachable

Ø  Empty(空闲状态)：表示节点上没有相关邻居缓存表项

邻居状态跟踪与地址解析的区别

地址解析的NS目的是被请求节点组播地址，而邻居状态跟踪的NS目的是单播

邻居状态跟踪的NA消息中S位必须置位，表示是可达性确认

2.6    重定向原理

路由器发送重定向消息需要满足一下规则

1.        检查收到的数据包源地址，必须是本设备的邻居表中的邻居；

2.        目的下一跳接口等于收到数据包的接口；

3.        数据包的目的不是一个组播地址。

主机接受到的重定向消息必须满足以下条件，否则丢弃：

1.        报文的源地址必须是link local地址，路由器必须使用link local地址作为RA消息已经重定向消息的源地址，以便主机唯一识别路由器

2.        Hop Limit字段必须等于255，报文不可能被路由器转发；

3.        ICMP校验和有效

4.        ICMP Code为0

5.        ICMP报文的长度为40Byte或以上

6.        所包含的选项长度必须大于0

3      实验测试