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IPV6 Learn

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June 5, 2025

地址构成

IPv6地址由 128位二进制 组成，通常表示为 8组16位十六进制数，每组之间用冒号（:）分隔：

2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329

可进行缩写

2001:db8::ff00:42:8329

地址种类

单播

  • Global Unicast Address 全球单播地址
    • 开头通常为 2xxx::/3 例：2001:db8::1
  • Link-local Address (LLA) 链路本地地址
    • 只能在本地链路中通信，不可跨路由器。常用于NDP和自动地址配置。
    • fe80::/10
  • ULA, Unique Local Address 唯一本地地址
    • 用于本地网络内部通信，类似于IPv4的私有地址（如192.168.0.0/16）
    • fc00::/7

多播 Multicast Address

  • 开头为 ff00::/8

任播 Anycast Addresses

  • 和单播形式一样，但是行为不同，只会被最近的一个节点所接受

ULA vs. Link-local Address

项目 ULA Link-local Address
类似IPv4地址 类似私网地址（如 192.168.x.x） 类似 APIPA（169.254.x.x）地址
可路由性 组织内部可路由 只在本地链路有效
典型用途 私有通信、企业内网 网络自动配置、路由发现、DHCP替代

Link-local Address 生成的逻辑

前缀（固定） + 接口标识符（通常基于MAC）

部分 长度 示例
前缀 10位 fe80::/10（即前两位为1111111010）
填充0（保留） 54位 全部置零
接口标识符 64位 通常由 MAC 地址生成

完整格式fe80:0000:0000:0000:XXXX:XXXX:XXXX:XXXX

接口标识符通常由MAC地址生成（EUI-64），但是为了提高隐私，也通常使用随机生成

Solicited-node multicast address 请求节点多播地址

是一种特殊的多播地址，它是邻居发现协议（NDP）用来替代 ARP 的核心机制之一

部分 说明
ff02::1:ff00:0/104 固定前缀，多播，作用范围为本地链路
::XX:XXXX 目标主机地址的最后 24 位（即最低 6 个 hex 位）

Multicast Group 多播组

任何一个主机只要“加入”了这个多播组，就能自动接收发往这个组地址的包，无需每次点对点建立连接

对于实现 NDP，只需要将自己的所有 IPv6 地址对应的 Solicited-node multicast address 加入多播组，即可收到来自其他主机的NS请求

多播组的很好避免了IPv4请求中ARP对于0.0.0.0地址的监听，只有目标主机会相应，其他主机无需处理

ICMPv6

ICMP 是 IPv6 网络的控制协议

位于第三层 —— 网络层

其功能包括：

  • 报告错误（如目的不可达）
  • 执行诊断（如 ping 和 traceroute）
  • 实现 IPv6 的邻居发现协议（NDP）
  • 支持自动地址配置（SLAAC）

ICMPv6报文结构

字段名 长度 说明
Type 8 bits 报文类型，如 128 表示 Echo Request
Code 8 bits 报文子类型，用于细化 Type 的意义
Checksum 16 bits 校验和，校验整个 ICMPv6 报文
Message Body 变量 根据 Type 不同而不同的字段结构

IPv6 取消了以下复杂繁琐的 IPv4 机制，全部交由 ICMPv6 完成：

IPv4 功能 IPv6 替代机制 实现协议
ARP 邻居发现（NDP） ICMPv6 Type 135/136
广播 多播地址配合 ICMPv6 完成 ICMPv6 + Multicast
DHCP 地址配置（可选） SLAAC + RA ICMPv6 Type 134
路由器发现（RIP） 路由器广告和请求 ICMPv6 Type 133/134

ICMPv6报文分类:

类别 功能 典型报文类型
错误消息 报告通信错误 目的不可达、分片失败、超时等
信息消息 诊断、请求应答 Echo Request / Echo Reply
邻居发现（NDP） 地址解析、前缀分发、主机自动配置 Router Solicitation, Advertisement, NS/NA
组播监听（MLD） 管理设备加入/退出组播组 MLD Query, MLD Report

错误消息

类型(Type) 名称 Code 值含义
1 Destination Unreachable 0=无路由；1=管理禁止；3=端口不可达等
2 Packet Too Big 无法转发的最大 MTU
3 Time Exceeded TTL 超时或重新组装超时
4 Parameter Problem 报文字段错误（如非法标志位）

信息报文

类型(Type) 名称 用途
128 Echo Request ping 请求
129 Echo Reply ping 应答

Neighbor Discovery Protocol (NDP)

类型(Type) 名称 用途
133 Router Solicitation (RS) 主机请求路由器广播网络参数
134 Router Advertisement (RA) 路由器向主机通告前缀、MTU、默认网关等
135 Neighbor Solicitation (NS) 类似 ARP 请求，请求目标 IPv6 地址对应的 MAC 地址
136 Neighbor Advertisement (NA) 类似 ARP 响应，返回 MAC 地址
137 Redirect 路由器通知主机使用更优路径

地址解析

类似于ARP，当主机要发送数据给同一链路上的其他主机时，需要目标的 MAC 地址

步骤：

  1. 主机发送 NS（Type 135），目标是 IPv6 多播地址
    • 源地址是自己的 Link-local 地址
    • 目的地址是 ff02::1:ffXX:XXXX（目标地址的后24位）
  2. 目标主机收到后，回应 NA（Type 136） 报文，告知其 MAC 地址

自动地址配置

主机刚加入网络，需要配置 IPv6 地址

步骤：

  1. 主机发送 Router Solicitation（RS，Type 133）：
    • 请求局域网内的 IPv6 路由器发送网络配置参数
  2. 路由器响应 Router Advertisement（RA，Type 134），其中包含：
    • Prefix Information：前缀（如 2001:db8:/64），用于地址自动生成
    • 默认网关地址：即路由器自身的 link-local 地址(必须是 link-local 地址)
    • Router Lifetime：如果这个字段大于 0：接收该 RA 的主机会把发送该 RA 的 IPv6 源地址作为默认网关地址
    • MTU：本链路最大传输单元
    • M/O 标志位：
      • M（Managed）：是否应使用 DHCPv6 分配地址（有状态）
      • O（Other）：是否应使用 DHCPv6 获取其他参数（如 DNS）
    • 扩展选项 （注意纯RA消息并不包含 DNS/NTP 等参数）

RA可以使用 RDNSS（RFC 6106）扩展选项可以使用纯RA报文传递DNS信息

  1. 主机依据 RA 中的配置方式决定地址获取方式：
    • 若 M=0, O=0：完全使用 SLAAC，主机根据前缀和接口标识符（如 EUI-64）自动生成全球唯一 IPv6 地址
    • 若 M=0, O=1：使用 SLAAC 配置地址，通过 DHCPv6（无状态模式）获取 DNS 等参数
    • 若 M=1（无论 O 位）：
      • 主机启动 DHCPv6（有状态模式） 向服务器请求地址、DNS 等参数
  2. 地址生成后，主机会通过 DAD（重复地址检测） 确保该地址在本链路唯一（使用 NS 报文）

DAD 重复地址检测

为了确保新生成的地址在本地唯一

步骤：

  1. 主机对自己要使用的地址发送 NS（Type 135）
    • 目的是对应的多播地址
  2. 如果没人回应，说明地址可用；若有回应，则表示冲突，需换地址

NUD 邻居可达性检测

发送 NS 探测邻居是否在线（类似“ARP Keepalive”）维持邻居缓存表的有效性

Redirect 重定向

路由器发送 ICMPv6 Redirect（Type 137）告诉主机一个更近的网关地址

IPv6 多播地址到以太网 MAC 地址的映射规则

在 RS 消息中，我们发送目标地址为 ff02::2的数据包，对应需要有一个链路层的MAC多播地址，其中映射规则为：

以太网 MAC 多播地址格式：33:33:XX:XX:XX:XX 其中的 XX:XX:XX:XX 是 IPv6 地址的最后 32 位（即后 4 字节）

对应 ff02::2 的映射过程：

ff02::2 = ff02:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0002

取最后 32 位得到

00 00 00 02

映射为MAC地址

33:33:00:00:00:02

以太网链路层发送 RS 或 ICMPv6 消息（如 NS/RA）时，报文结构如下：

字段 内容
目的 MAC 地址 33:33:00:00:00:02
源 MAC 地址 主机网卡的 MAC，例如 ac48:00:11:22
类型（EtherType） 0x86DD（表示 IPv6）
Payload（负载） IPv6 报文（包含 ICMPv6 的 RS/RA）

所有接入该链路的 IPv6 路由器 都会监听其网卡上以太网帧目的地址为 33:33:00:00:00:02 的数据，收到后，会从 IPv6 层解析出目标地址 ff02::2，并处理该 RS 请求。

对比：不同 IPv6 多播地址的链路层表现

IPv6 多播地址 以太网 MAC 地址 含义
ff02::1 33:33:00:00:00:01 所有 IPv6 主机
ff02::2 33:33:00:00:00:02 所有 IPv6 路由器
ff02::1:ffxx:xxxx 33:33:ff:xx:xx:xx 邻居发现（目标特定主机）

IPv6接入通讯的过程

Steps

Step1: 物理连接

Step2: 生成 Link-local Address

Step3: Router Advertisement 发现路由器

使用 NDP(Neighbor Discovery Protocol) ，类似于IPv4中的ARP和DHCP

  1. 发送 RS 消息，目标地址为 ff02::2（所有路由器多播地址）
  2. 收到路由器的 RS 回复 RA, 包括
    1. 网络前缀
    2. 默认网关
    3. 有效期
    4. M/O 标志位
    5. MTU
    6. RA 扩展

Step4: 利用 SLAAC 生成全球单播地址 或 利用 DHCPv6 获取 地址和其他信息

  sequenceDiagram
    participant HostA as 主机 A (IPv6 主机)
    participant Router as 路由器 (IPv6 路由器)
    participant HostB as 主机 B (目标主机)

    Note over HostA: 1. 生成 link-local 地址 (fe80::A)
    HostA->>HostA: 自发 NS (Type 135, 目的=fe80::A)<br/>执行 DAD

    Note over HostA: 2. 发送 RS (Type 133)<br/>请求路由器广播前缀等
    HostA->>Router: ICMPv6 RS (ff02::2)

    Note over Router: 3. 路由器回复 RA (Type 134)<br/>包含前缀、MTU、网关等
    Router-->>HostA: ICMPv6 RA

    Note over HostA: 4. 主机生成全局地址 (如 2001:db8::A)<br/>并进行 DAD 检查
    HostA->>HostA: 自发 NS (Type 135, 目的=2001:db8::A)

    Note over HostA,HostB: 5. 主机 A 想向主机 B 通信<br/>需要解析其 MAC 地址
    HostA->>HostB: NS (Type 135, 目的 ff02::1:ffXX:XXXX)

    Note over HostB: 6. 主机 B 回复 NA (Type 136)
    HostB-->>HostA: NA (包含 MAC 地址)

    Note over HostA: ✅ 邻居解析完成，可直接通信

NATv6

由于IPv6没有地址耗尽的问题，所以IPv6一般不使用NAT(Network Address Translation)

DHCPv6

DHCPv6 (Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6) 是 IPv6 的动态主机配置协议版本。虽然 SLAAC 提供了基本的自动配置，但 DHCPv6 提供了对地址分配和网络参数分发的更集中和详细的控制。它可以在两种主要模式下运行：有状态和无状态，这由路由器 RA 消息中的 M 和 O 标志决定。

DHCPv6 (Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6) is the version of the Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6. While SLAAC provides basic auto-configuration, DHCPv6 offers more centralized and detailed control over address assignment and network parameter distribution. It can operate in two primary modes: stateful and stateless, determined by the M and O flags in the router’s RA messages.

主要功能 (Main Functions)

  • 地址分配 (Address Assignment): Assigns global unicast IPv6 addresses and manages leases.
  • 参数分发 (Parameter Distribution): Provides other essential configuration information, such as DNS server addresses, NTP server addresses, and domain names.
  • 集中化管理 (Centralized Management): Allows network administrators to manage and track IPv6 address assignments from a central server.

工作模式 (Operating Modes)

DHCPv6’s behavior is typically dictated by the M (Managed) and O (Other) flags in the ICMPv6 RA message(RA，Type 134).

模式 RA 标志位 描述 主机行为
有状态 (Stateful) M=1 The DHCPv6 server directly assigns an IPv6 address to the host and keeps a record (“state”) of the lease. Host contacts a DHCPv6 server to request a specific IPv6 address and any other available parameters (like DNS).
无状态 (Stateless) M=0, O=1 The host generates its own IPv6 address using SLAAC. The DHCPv6 server does not assign an address but provides other configuration parameters (e.g., DNS). The server does not maintain lease records for addresses. Host uses SLAAC for its address and contacts a DHCPv6 server only to request additional information like DNS server addresses.

工作流程 (Workflow)

DHCPv6 uses a four-step message exchange process between the client and server to assign an address. This is different from the DORA (Discover, Offer, Request, Acknowledge) process in IPv4.

  1. Solicit (请求):
    • A client sends a Solicit message to the “All_DHCP_Relay_Agents_and_Servers” multicast address (ff02::1:2) to locate DHCPv6 servers.
  2. Advertise (通告):
    • Servers that can provide service respond to the client with an Advertise message, announcing their availability.
  3. Request (请求):
    • The client chooses one of the servers and sends a Request message to that server, asking for an address and other configuration data.
  4. Reply (回复):
    • The chosen server responds with a Reply message containing the assigned IPv6 address lease and any other requested parameters (like DNS servers).
  sequenceDiagram
    participant Host as 主机 (Client)
    participant Router as 路由器
    participant DHCPServer as DHCPv6 服务器

    Note over Host: 1. 生成 Link-local 地址 (fe80::A)并完成 DAD
    Host->>Router: 2. Router Solicitation (RS)

    Router-->>Host: 3. Router Advertisement (RA)<br/>包含 M=1 标志位

    Note over Host: 4. 主机解析 RA, 发现 M=1<br/>确定需要使用 DHCPv6 (有状态)

    Host->>DHCPServer: 5. DHCPv6 Solicit (寻找服务器)

    DHCPServer-->>Host: 6. DHCPv6 Advertise (宣告可用)

    Host->>DHCPServer: 7. DHCPv6 Request (请求地址)

    DHCPServer-->>Host: 8. DHCPv6 Reply (分配地址 2001:db8::B 及参数)

    Note over Host: ✅ 地址配置完成，主机可通信

DHCPv6 报文和端口 (Messages and Ports)

DHCPv6 communication relies on specific UDP ports and message types.

ICMPv6, like RA RA DAD, doesn’t use ports, because it operates at the Network Layer (Layer 3), not Transport Layer (Layer 4).

项目 说明
客户端端口 (Client Port) UDP Port 546
服务器端口 (Server Port) UDP Port 547
客户端标识 (Client Identifier) DUID (DHCP Unique Identifier), which is unique across all clients.
主要报文 (Key Messages) Solicit, Advertise, Request, Reply
Maven