IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議

NDP(Neighbor Discovery Protocol，鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議)是IPv6的一個(gè)關(guān)鍵協(xié)議，它組合了IPv4中的ARP、ICMP路由器發(fā)現(xiàn)和ICMP重定向等協(xié)議，并對(duì)它們作了改進(jìn)。作為IPv6的基礎(chǔ)性協(xié)議，NDP還提供了前綴發(fā)現(xiàn)、鄰居不可達(dá)檢測(cè)、重復(fù)地址監(jiān)測(cè)、地址自動(dòng)配置等功能。

1．地址解析：地址解析是一種確定目的節(jié)點(diǎn)的鏈路層地址的方法。NDP中的地址解析功能不僅替代了原IPv4中的ARP，同時(shí)還用鄰居不可達(dá)檢測(cè)(NUD)方法來(lái)維持鄰居節(jié)點(diǎn)之間的可達(dá)性狀態(tài)信息。

2．無(wú)狀態(tài)地址配置：NDP中特有的地址自動(dòng)配置機(jī)制，包括一些列相關(guān)功能，如路由器發(fā)現(xiàn)、接口ID自動(dòng)生成、重復(fù)地址監(jiān)測(cè)等。通過(guò)無(wú)狀態(tài)自動(dòng)配置機(jī)制，鏈路上的節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)獲得IPv6全球單播地址。

a)路由器發(fā)現(xiàn)：路由器與其他相連的鏈路上發(fā)布網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息，主機(jī)捕獲此信息后，可以獲得全球單播IPv6地址前綴、默認(rèn)路由、鏈路參數(shù)(鏈路MTU)等信息。

b)接口ID自動(dòng)生成：主機(jī)根據(jù)EUI-64規(guī)范或其他方式為接口自動(dòng)生成接口標(biāo)識(shí)符。

c)重復(fù)地址監(jiān)測(cè)(DAD)：根據(jù)前綴信息生成或手動(dòng)配置IPv6地址后，為保證該地址的唯一性，在其可以使用之前，主機(jī)需要檢驗(yàn)它是否已被鏈路上的其他節(jié)點(diǎn)所使用。

d)前綴重新編址：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)前綴變化時(shí)，路由器在與其相連的鏈路上發(fā)布新的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息，主機(jī)捕獲這些新信息后，重新配置前綴、鏈路MTU等地址相關(guān)信息。

3．路由重定向：當(dāng)在本地鏈路上存在一個(gè)更好的到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)的路由器時(shí)，路由器需要通告節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)配置改變。

NDP定義了5種ICMPv6報(bào)文類(lèi)型，包括RS、RA、NS、NA和Redirect報(bào)文，如表2-1所示。

表2-1 ICMPv6報(bào)文類(lèi)型

IPv6地址解析

地址解析在報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中具有至關(guān)重要的作用。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要得到同一條鏈路上另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)的鏈路層地址時(shí)，需要進(jìn)行地址解析。IPv6使用NDP實(shí)現(xiàn)了這個(gè)功能，且有所增強(qiáng)。IPv6的地址解析過(guò)程包括兩部分：一部分解析目的IP地址所對(duì)應(yīng)的鏈路層地址；另一部分是鄰居可達(dá)性狀態(tài)的維護(hù)過(guò)程，即鄰居不可達(dá)檢測(cè)。

1．地址解析

與IPv4的ARP相比，IPv6地址解析技術(shù)工作在OSI參考模型的網(wǎng)絡(luò)層，與鏈路層協(xié)議無(wú)關(guān)。這一特點(diǎn)的益處如下：

(1)加強(qiáng)了地址解析協(xié)議與底層鏈路的獨(dú)立性。對(duì)每一種鏈路層協(xié)議都使用相同的地址解析，無(wú)須再為每一種鏈路層協(xié)議定義一個(gè)新的地址解析協(xié)議。

(2)增強(qiáng)了安全性。在第三層實(shí)現(xiàn)地址解析可以利用三層標(biāo)準(zhǔn)的安全認(rèn)證機(jī)制來(lái)防止ARP攻擊和ARP欺騙。

(3)減小了報(bào)文傳播范圍。IPv6的地址解析利用三層組播尋址限制了報(bào)文的傳播范圍，可節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。

在IPv6中，NDP通過(guò)在節(jié)點(diǎn)間交互NS和NA報(bào)文完成IPv6地址到鏈路層地址的解析，然后通過(guò)解析后得到的鏈路層地址和IPv6等地址信息來(lái)建立相應(yīng)的鄰居緩存表項(xiàng)。如圖2-10所示，NodeA的鏈路層地址為00E0-FC00-0001，全局地址為1::1:A；NodeB的鏈路層地址為00E0-FC00-0002，全局地址為1::2:B。當(dāng)NodeA要發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文到NodeB時(shí)，需要NDP完成地址解析過(guò)程。

(1)NodeA發(fā)送一個(gè)NS報(bào)文到鏈路上，目的IPv6地址為NodeB對(duì)應(yīng)的被請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)組播地址(FF02::1:FF02:B)，選項(xiàng)字段中攜帶了NodeA的鏈路層地址00E0-FC00-0001。

(2)NodeB接收到該NS報(bào)文后，由于報(bào)文的目的地址FF02::1::FF02:B是NodeB的被請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)組播地址，所以NodeB會(huì)處理該報(bào)文；同時(shí)，根據(jù)NS報(bào)文中的源地址和源鏈路層地址選項(xiàng)更新自己的鄰居緩存表項(xiàng)。

(3)NodeB發(fā)送一個(gè)NA報(bào)文來(lái)應(yīng)答NS，同時(shí)在消息的目標(biāo)鏈路層地址選項(xiàng)中攜帶自己的鏈路層地址00E0-FC00-0002。

(4)NodeA接收到NA報(bào)文后，根據(jù)報(bào)文中攜帶的NodeB鏈路層地址，創(chuàng)建一個(gè)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)NodeB的鄰居緩存表項(xiàng)。

圖2-10 地址解析

通過(guò)交互，NodeA和NodeB就獲得了對(duì)方的鏈路層地址，建立起了到達(dá)對(duì)方的鄰居緩存表項(xiàng)，從而可以相互通信。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的鏈路層地址發(fā)生改變時(shí)，將以所有節(jié)點(diǎn)組播地址FF02::1為目的地址發(fā)送NA報(bào)文，通知鏈路上的其他節(jié)點(diǎn)更新鄰居緩存表項(xiàng)。

2．鄰居不可達(dá)檢測(cè)(NUD)

NUD(Neighbor Unreachable Detection，鄰居不可達(dá)檢測(cè))是節(jié)點(diǎn)確定鄰居可達(dá)性的過(guò)程。鄰居不可達(dá)檢測(cè)機(jī)制通過(guò)鄰居可達(dá)性狀態(tài)機(jī)來(lái)描述鄰居的可達(dá)性。

鄰居可達(dá)性狀態(tài)機(jī)保存在鄰居緩存表中，共有如下6種狀態(tài)：

(1)INCOMPLETE(未完成狀態(tài))：表示正在解析地址，但鄰居鏈路層地址尚未確定。

(2)REACHABLE(可達(dá)狀態(tài))：表示地址解析成功，該鄰居可達(dá)。

(3)STALE(失效狀態(tài))：表示可達(dá)時(shí)間耗盡，未確定鄰居是否可達(dá)。

(4)DELAY(延遲狀態(tài))：表示未確定鄰居是否可達(dá)。DELAY狀態(tài)不是一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，而是一個(gè)延時(shí)等待狀態(tài)。

(5)PROBE(探測(cè)狀態(tài))：節(jié)點(diǎn)會(huì)向處于PROBE狀態(tài)的鄰居持續(xù)發(fā)送NS報(bào)文。

(6)EMPTY(空閑狀態(tài))：表示節(jié)點(diǎn)上沒(méi)有相關(guān)鄰接點(diǎn)的鄰居緩存表項(xiàng)。

圖2-11 鄰居狀態(tài)機(jī)

圖中實(shí)線箭頭表示由NS/NA報(bào)文交互導(dǎo)致的狀態(tài)變化，各狀態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換如下：

① 在EMPTY狀態(tài)時(shí)，如果有報(bào)文要發(fā)送給鄰接節(jié)點(diǎn)，則在本地鄰居緩存表建立該鄰接節(jié)點(diǎn)的表項(xiàng)，并將該表項(xiàng)置于INCOMPLETE狀態(tài)，同時(shí)向鄰接節(jié)點(diǎn)以組播方式發(fā)送NS報(bào)文。

② 節(jié)點(diǎn)收到鄰居回應(yīng)的單播NA報(bào)文后，將處于INCOMPLETE狀態(tài)的鄰居緩存表項(xiàng)轉(zhuǎn)化為REACHABLE狀態(tài)。如果地址解析失敗(發(fā)出的組播NS超時(shí))，則刪除該表項(xiàng)。

③ 處于REACHABLE狀態(tài)的表項(xiàng)，如果在REACHABLE_TIME時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到關(guān)于該鄰居的"可達(dá)性證實(shí)信息"，則進(jìn)入STALE狀態(tài)。此外，如果該節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)出的非S置位NA報(bào)文，并且鏈路層地址有變化，相關(guān)表項(xiàng)會(huì)進(jìn)入STALE狀態(tài)。

④ 處于STALE狀態(tài)的表項(xiàng)，當(dāng)有報(bào)文發(fā)往該鄰居時(shí)，這個(gè)報(bào)文會(huì)利用緩存的鏈路層地址進(jìn)行封裝，并使該表項(xiàng)進(jìn)入DELAY狀態(tài)，等待收到"可達(dá)性證實(shí)信息"。

⑤ 進(jìn)入DELAY狀態(tài)后，如果DELAY_FIRST_PROBE_TIME時(shí)間之內(nèi)還未收到關(guān)于該鄰居的"可達(dá)性證實(shí)信息"，則該表項(xiàng)進(jìn)入PROBE狀態(tài)。

⑥ 在PROBE狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性地用NS報(bào)文來(lái)探測(cè)鄰居的可達(dá)性，探測(cè)最大時(shí)間間隔為RETRANS_TIMER，在最多嘗試MAX_ UNICAST_SOLICIT次后，如果仍未收到鄰居回應(yīng)的NA報(bào)文，則認(rèn)為該鄰居已不可達(dá)，該表項(xiàng)將被刪除。

NodeA上，NodeB的表項(xiàng)處于STALE狀態(tài)。此時(shí)若NodeA有報(bào)文發(fā)往NodeB，且沒(méi)有上層協(xié)議能夠提供到NodeB的"可達(dá)性證實(shí)信息"時(shí)，則NodeA需要重新驗(yàn)證到NodeB的可達(dá)性。

NUD過(guò)程與地址解析過(guò)程的主要不同之處在于以下兩點(diǎn)：

(1)NUD的NS報(bào)文的目的MAC是目的節(jié)點(diǎn)的MAC地址；目的IPv6地址為NodeB的單播地址，而不是被請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)組播地址。

(2)NA報(bào)文中的S標(biāo)記須置位，表示是可達(dá)性確認(rèn)報(bào)文，即這個(gè)NA報(bào)文是專(zhuān)門(mén)響應(yīng)NS報(bào)文的。

無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置

IPv6同時(shí)定義了無(wú)狀態(tài)和有狀態(tài)地址自動(dòng)配置機(jī)制。有狀態(tài)地址自動(dòng)配置使用DHCPv6來(lái)給主機(jī)動(dòng)態(tài)分配IPv6地址，無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置通過(guò)NDP來(lái)實(shí)現(xiàn)。在無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置中，主機(jī)通過(guò)接收鏈路上的路由器發(fā)出的RA消息，結(jié)合接口的標(biāo)識(shí)符而生成一個(gè)全球單播地址。

1．路由器發(fā)現(xiàn)

路由器發(fā)現(xiàn)是指主機(jī)定位本地鏈路上的路由器和確定其配置信息的過(guò)程，主要包含以下3方面內(nèi)容：

(1)路由器發(fā)現(xiàn)(Router Discovery)：主機(jī)發(fā)現(xiàn)鄰居路由器及選擇某一個(gè)路由器作為默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的過(guò)程。

(2)前綴發(fā)現(xiàn)(Prefix Discovery)：主機(jī)發(fā)現(xiàn)本地鏈路上的一組IPv6前綴，生成前綴列表。該列表用于主機(jī)的地址自動(dòng)配置和on-link判斷。

(3)參數(shù)發(fā)現(xiàn)(Parameter Discovery)：主機(jī)發(fā)現(xiàn)相關(guān)操作參數(shù)的過(guò)程，如MTU、報(bào)文的默認(rèn)跳數(shù)限制、地址分配方式等信息。

2．重復(fù)地址檢測(cè)

DAD(Duplicate Address Detection，重復(fù)地址檢測(cè))是節(jié)點(diǎn)確定即將使用的地址是否在鏈路上唯一的過(guò)程。所有的IPv6單播地址，包括自動(dòng)配置或手動(dòng)配置的單播地址，在節(jié)點(diǎn)使用之前必須要通過(guò)重復(fù)地址檢測(cè)。

DAD機(jī)制通過(guò)NS和NA報(bào)文實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送NS報(bào)文，其源地址為未指定地址，目的地址為接口配置的IPv6地址。在NS報(bào)文發(fā)送到鏈路上后，如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到應(yīng)答的NA報(bào)文，則認(rèn)為這個(gè)單播地址在鏈路上是唯一的，可以分配給接口；反之，如果收到應(yīng)答的NA報(bào)文，則表明這個(gè)地址已經(jīng)被其他節(jié)點(diǎn)所使用，不能配置到接口。

3．前綴重新編址

前綴重新編址(Prefix Renumbering)允許網(wǎng)絡(luò)從以前的前綴平穩(wěn)地過(guò)渡到新的前綴，用于提供對(duì)用戶(hù)透明的網(wǎng)絡(luò)重新編址能力。路由器通過(guò)RA報(bào)文中的優(yōu)先時(shí)間和有效時(shí)間參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)前綴重新編址。

(1)優(yōu)先時(shí)間(Preferred Lifetime)：無(wú)狀態(tài)自動(dòng)配置得到的地址保持優(yōu)先選擇狀態(tài)的時(shí)間。

(2)有效時(shí)間(Valid Lifetime)：地址保持有效狀態(tài)的時(shí)間。

對(duì)于一個(gè)地址或前綴，優(yōu)先時(shí)間小于或等于有效時(shí)間。當(dāng)?shù)刂返膬?yōu)先時(shí)間到期時(shí)，該地址不能被用來(lái)建立新連接，但是在有效時(shí)間內(nèi)，該地址還能用來(lái)保持以前建立的連接。在重新編址時(shí)，站點(diǎn)內(nèi)的路由器會(huì)繼續(xù)通告當(dāng)前前綴，但是有效時(shí)間和優(yōu)先時(shí)間將被減小到接近于0；同時(shí)，路由器開(kāi)始通告新的前綴。這樣，在每個(gè)鏈路上至少有兩個(gè)前綴共存，RA消息中包括一個(gè)舊的和一個(gè)新的IPv6前綴信息。

4．無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置過(guò)程

NDP的無(wú)狀態(tài)自動(dòng)配置包含兩個(gè)階段：鏈路本地地址的配置和全球單播地址的配置。當(dāng)一個(gè)接口啟用時(shí)，主機(jī)會(huì)首先根據(jù)本地前綴FE80::/64和EUI-64接口標(biāo)識(shí)符，為該接口生成一個(gè)鏈路本地地址，如果在后續(xù)的DAD中發(fā)生地址沖突，則必須對(duì)該接口手動(dòng)配置本地鏈路地址，否則該接口將不可用。需要說(shuō)明的是，一個(gè)鏈路本地地址的優(yōu)先時(shí)間和有效時(shí)間是無(wú)限的，永遠(yuǎn)不超時(shí)。

對(duì)于主機(jī)上全球單播地址的配置步驟如下：

① 主機(jī)節(jié)點(diǎn)NodeA在配置好鏈路本地地址后，發(fā)送RS報(bào)文，請(qǐng)求路由器的前綴信息。

② 路由器收到RS報(bào)文后，發(fā)送單播RA報(bào)文，攜帶用于無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置的前綴信息，同時(shí)路由器也會(huì)周期性地發(fā)送組播RA報(bào)文。

③ NodeA收到RA報(bào)文后，根據(jù)前綴信息和配置信息生成一個(gè)臨時(shí)的全球單播地址。同時(shí)啟動(dòng)DAD，發(fā)送NS報(bào)文驗(yàn)證臨時(shí)地址的唯一性，此時(shí)該地址處于臨時(shí)狀態(tài)。

④ 鏈路上的其他節(jié)點(diǎn)收到DAD的NS報(bào)文后，如果沒(méi)有用戶(hù)使用該地址，則丟棄報(bào)文，否則產(chǎn)生應(yīng)答NS的NA報(bào)文。

⑤ NodeA如果沒(méi)有收到DAD的NA報(bào)文，說(shuō)明地址是全局唯一的，則用該臨時(shí)地址初始化接口，此時(shí)地址進(jìn)入有效狀態(tài)。

地址自動(dòng)配置完成后，路由器可以自動(dòng)進(jìn)行NUD，周期性地發(fā)送NS報(bào)文，探測(cè)該地址是否可達(dá)。

路由器重定向

在重定向過(guò)程中，路由器通過(guò)發(fā)送重定向報(bào)文來(lái)通知鏈路上的報(bào)文發(fā)送節(jié)點(diǎn)，在同一鏈路上存在一個(gè)更優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文的路由器。接收到該消息的節(jié)點(diǎn)據(jù)此修改其本地路由表項(xiàng)。路由器僅為單播數(shù)據(jù)流發(fā)送重定向報(bào)文，而重定向報(bào)文也僅以單播形式發(fā)送到始發(fā)主機(jī)，并且只會(huì)被始發(fā)節(jié)點(diǎn)處理。

如圖2-12所示，NodeA的默認(rèn)路由器為RTA，現(xiàn)在NodeA想發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文到NodeB，路由器重定向機(jī)制需要經(jīng)過(guò)以下過(guò)程：

圖2-12 路由器重定向過(guò)程

(1)NodeA首先傳送第一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文到它的默認(rèn)路由器RTA，當(dāng)該報(bào)文經(jīng)過(guò)RTB到達(dá)NodeB后，RTA知道RTB是鏈路上轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文的更好選擇。

(2)RTA向始發(fā)報(bào)文的NodeA發(fā)送一個(gè)ICMPv6重定向報(bào)文，目標(biāo)地址中含有RTB的IPv6地址，報(bào)文選項(xiàng)字段的目標(biāo)鏈路層地址中含有RTB的鏈路層地址。

(3)NodeA獲悉RTB是到NodeB的更好路徑后，修改自己的目的緩存表，當(dāng)再發(fā)送到NodeB的報(bào)文時(shí)優(yōu)先發(fā)送到RTB，重定向完成。

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總結(jié)

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