网络 ipv6

IPv6学习总结（一）

除夕夜，希望2024年一切顺利

Posted by 婷 on February 9, 2024 本文总阅读量次

简介

介绍IPv6的基本知识

包头

格式

IPv6的包头比IPv4更有效率，数据字段更少，去掉了包头校验和，更简单的报头提高了路由器的处理效率。新的扩展包头替代了IPv4的选项字段，并且提供了更多的灵活性。

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  • IPv4的ToS字段替换成IPv6的Traffic Class字段
  • IPv4的TTL字段替换成IPv6的Hop Limit字段

如下为IPv6的报头示例

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IPv6中有个Next Header字段，指向下一个包头

image-20240204232831099

其实这个拓展包头可以一直有个Next Header字段，就跟链表一样

image-20240204232953920

拓展包头是有一定顺序（RFC2460）

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报头类型 Next Header 字段值 描述
逐跳选项报头 0 该选项主要用于为在传送路径上的每跳转发指定发送参数，传送路径上的每台中间节点都要读取并处理该字段，应用场景：用于巨型载荷用于路由器提示用于资源预留。所有路由器都要对其处理
目的选项报头 60 目的选项报头携带了一些只有目的节点才会处理的信息。目前，目的选项报头主要应用于移动 IPv6 。
路由报头 43 路由报头和 IPv4 的 Loose Source and Record Route 选项类似，该报头能够被 IPv6 源节点用来强制数据包经过特定的路由器。
分段报头 44 同 IPv4 一样，IPv6 报文发送也受到 MTU 的限制。当报文长度超过 MTU 时就需要将报文分段发送，而在 IPv6 中，分段发送使用的是分段报头。
认证报头 51（AH） 该报头由 IPSec 使用，提供认证、数据完整性以及重放保护。它还对 IPv6 基本报头中的一些字段进行保护。
封装安全净载报头 50（ESP） 该报头由 IPSec 使用，提供认证、数据完整性以及重放保护和 IPv6 数据报的保密，类似于认证报头。
上层包头 … 注意，三层以上的协议dhcp或者是dns均为负载部分，跟包头无关。58（ICMP），6（TCP），17（UDP）

IPv6包头的改进

  • 取消了IP的校验

    第二层和第四层的检验已经足够健壮了，因此IPv6直接取消了IP的三层校验

  • 取消中间节点的分片功能

    分片重组功能由源目两端自己进行，通过PMTU机制发现路径MTU

  • 定义最长的IPv6报头

    有利于硬件的快速处理，如此一来中间节点可以避免处理而节省大量的资源

  • 安全选项的支持

    IPv6提供了IPSec的完美支持，如此上层协议可以省去许多安全选项，如OSPFv3就取消了认证

  • 增加流标签

    提高QoS效率

IPv6编址

地址简写方式

  • 每组16bits的单元中多个前导0可以省略成一个0

    2001:00a8:0207:0000:0000:0000:0000:8207
2001:00a8:0207:0:0:0:0:8207

  • 一个或多个连续的16比特字段为0时，可用::表示，但整个缩写中只允许有一个::

    2001:00a8:0207:0:0:0:0:8207
2001:00a8:0207::8207

其他的简写示例

0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0001
::1

2001:0410:0000:0000:FB00:1400:5000:45FF 
2001:0410::f800:1400:5000:45ff

2001:0410:0000:1234:FB00:1400:5000:45FF
2001:0410::1234:FB00:1400:5000:45FF

3ffe:0000:0000:0000:1010:2a2a:0000:0001
3ffe::1010:2a2a:0:1

IPv6地址空间

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按照地址大小顺序大概如下

image-20240209210633988

单播地址

  • aggregatable global unicast address可聚合全球单播地址
  • site-local address 本地站点地址
  • unique local address 唯一本地地址
  • linklocal address 链路本地地址
  • tentative address 临时地址

aggregatable global unicast address可聚合全球单播地址

  • 相当于IPv4全局单播地址

  • 由48位的全局路由选择前缀+16位的子网ID+64位的接口ID组成。如 2001:BCFF:FEA6::/48 表示一个 IPv6 路由前缀，2001:BCFF:FEA6:6C01::/64 表示一个 IPv6 子网前缀

    image-20240209120230331

  • 范围如下所示，占全球IPv6总地址空间的八分之一。这个范围的大小为2*2^128，而总的空间为16 * 2 ^128。

     2000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000
~3FFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF

  • 其中部分地址另有用途

    • 2001::/16，用于 Teredo 隧道，由 IANA 按地域和 ISP 进行分配
    • 2002::/16，6 to 4 地址，用于 6 to 4 自动构造隧道技术的地址

    image-20240209120920826

想要查看自己电脑或者手机是否支持IPv6，可以登录这个网站查看

https://test-ipv6.com/index.html.zh_CN

这是我的电脑测试结果

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手机连家里wifi的结果

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手机流量测试结果

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site-local address 本地站点地址

  • 目前已弃用
  • 类似于IPv4私有地址
  • 使用站点本地地址意味着需要NAT，地址不是端到端的
  • 地址开头为 FEC0::/10，紧接着是连续的38bits的0，前48bits 总是固定的
  • 在接口ID和48bits 特定前缀之间有16bits 子网ID字段，供机构在内部构建子网
  • 永远不会用于与全球ipv6因特网通信，一般用于内网通信
  • 被下面要讲的unique local address唯一本地地址替代

虽然说是弃用，但是看我qemu模拟的arm64，有这种地址，scopeid 0x40<site>

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unique local address 唯一本地地址

  • ULA是IPv6的私有地址，该地址在IPv6公网不会被路由，同网段可通信

  • 用于取代前面的site-local address

  • 地址块为FC00/7，被划分位两个/8的块

    • 其中FC00::/8未定义

    • FD00::/8定义如下

      image-20240209115318396

linklocal address 链路本地地址

Linux

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Windows

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  • 有效范围为本地链路。不同链路的链路本地地址是可以重复的。

    • 首先是怎么理解这个本地链路，个人对这个本地链路理解是只要是同个网络，也就是路由器的一个接口范围内，都是本地链路。比如下面这个示意图，A跟B都可以用这个linklocal地址来通信。（亲测过）

      image-20240208223000726

    • 其次是怎么理解不同链路的链路本地地址为什么可以重复。这就是因为linklocal地址的接口ID了，这个接口ID跟MAC地址有一定的转换关系，至少在自己本地交换机链路上，可以确认是唯一的。

  • 地址形式是以FE80::/10为前缀（注意不是网络前缀，网络前缀固定是64），11-64位为0 加 一个64位接口标识

    image-20240208223040584

  • 接口ID

    • 接口ID为64bits，用于标识链路上的接口，在每条链路上接口ID必须唯一

    • 接口ID的作用

      • 可用于构成LinkLocal地址
      • 可在无状态配置环境中用于构成IPv6地址（这部分就是后面要讲的RA消息相关了）

    • 接口ID的生成

      • 自动生成随机接口ID（比如Windows)

      • 手工配置接口ID（比如Linux)

        放个图片

      • 根据IEEE的EUI-64规范将48比特的MAC地址转化为64比特的接口ID

        总结就是把MAC地址劈开，中间插入FFFE，设置UL位也即第七个bit

        image-20240208225142318

        比如Linux的这个linklocal地址

        image-20240208225228362

关于这个UL位，第七个bit是怎么取，貌似众说纷纭？有的说直接取1，有的说直接取0，有的说是取反。而我直接看内核的代码是取反的操作。

net/ipv6/addrconf.c中结构体ipv6_devconf指定了ipv6地址的生成格式为eui64

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具体eui64的生成代码在函数addrconf_ifid_eui48

addrconf_addr_gen
    ipv6_addr_set(&addr, htonl(0xFE800000), 0, 0, 0);
	case IN6_ADDR_GEN_MODE_EUI64:
		 ipv6_generate_eui64(addr.s6_addr + 8, idev->dev)
             addrconf_ifid_eui48(eui, dev);
				addrconf_addr_eui48_base
                	memcpy(eui, addr, 3);
        			eui[3] = 0xFF;
       				eui[4] = 0xFE;
       	 			memcpy(eui + 5, addr + 3, 3);

                if (dev->dev_id) {
                        eui[3] = (dev->dev_id >> 8) & 0xFF;
                        eui[4] = dev->dev_id & 0xFF;
                } else {
                        eui[0] ^= 2;
                }
         addrconf_add_linklocal(idev, &addr, 0)    
             ipv6_add_addr

其中的dev_id是unsigned short类型，用于共享网络，不过这个变量的赋值我目前是搞不清楚的

image-20240209002652186

不过从我的WSL来看，是符合这段代码的逻辑

cat /sys/class/net/eth0/dev_id

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tentative address临时地址

地址::称为未指定地址，不能分配给任何节点。在节点获得有效的IPv6地址之前，可在发送的IPv6报文的源地址字段填入该地址，但不能作为IPv6报文中的目的地址。

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组播地址

  • 地址范围是FF00::/8

  • 地址格式

    image-20240209170512998

  • 几个常见的组播地址（flags为0000，scope为2），也即本地链路范围有效
    • FF02::1：表示链路上的所有节点
    • FF02::2：表示链路上的所有路由器
    • FF02::9：表示链路上的所有RIP路由器
    • FF02::5：表示链路上的所有OSPF路由器
    • FF02::6：表示链路上的所有OSPF DR路由器

  • 组播MAC地址的映射

    image-20240209170753408

  • 被请求节点组播地址 Solicited-node

    • 主要用于重复地址检测（DAD）和替代ipv4中的ARP

    • 由前缀FF02::1:FF00:0／l04和ipv6单播地址的最后24位组成 ，一个ipv6的单播地址对应一个Solicited-node地址，对应关系如下

      image-20240210152510050

    • Solicited-node地址受限范围为本地链路范围

Well-Known Multicast IPv6 Address

image-20240404111038894

任意播地址

任意播地址，标识多个接口，目的为任意播地址的报文会被送到最近的一个被标识接口，最近节点是由路由协议来定义的。任意播地址用单播地址的形势。

不是很理解这个任意播地址，等后续更新再补充。

根据网上查到的资料一跟资料二，我理解这个任意播地址是路由器才会有的？而且多用于移动IPv6？

比如我下面的wsl，tap0网卡开了转发选项，而且运行了radvd服务（让自己看起来是个路由器？）

tttt

特殊地址

未指定地址

::/128，即 0:0:0:0:0:0:0:0。只能作为尚未获得正式地址的host的源地址，不能作为目的地址，不能分配给真实的网络接口

环回地址

::1/128，相当于 IPv4 中的回环地址lo 127.0.0.1

ORCHID

原型是Overlay Routable Cryptographic Hash Identifiers，地址范围是2001:10::/28，这些是不可送达的 IPv6 地址，用于加密散列识别

参考链接

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