基本内容

IPv6邻居发现（Neighbor Discovery，ND）协议使用五种类型的ICMPv6消息，实现下面一些功能：地址解析、验证邻居是否可达、重复地址检测、路由器发现/前缀发现、地址自动配置和重定向等功能。 ND协议通常与ARP协议共同写成ARP/ND，因此可以从此知道，它实际上可以理解为IPV6中的ARP协议，实现了ARP的功能，此外进行扩展。

NS/NA报文功能

如上表中所示，NS/NA报文的功能实际上和IPv4中的ARP协议报文很类似，包括地址冲突检测、ip/mac表项生成等，并额外扩展了一个邻居可达性探测的功能。

地址解析

获取同一链路上邻居节点的链路层地址（与IPv4的ARP功能相同），通过邻居请求消息NS和邻居通告消息NA实现。以下图为例，A获取B的链路层地址过程如下：

(1) 节点A以组播方式发送NS消息。NS消息的源地址是节点A的接口IPv6地址，目的地址是节点B的被请求节点组播地址，消息内容中包含了节点A的链路层地址和请求的目标地址。

(2) 节点B收到NS消息后，判断报文的目标地址是否为自己的IPv6地址。如果是，则节点B可以学习到节点A的链路层地址，并以单播方式返回NA消息，其中包含了自己的链路层地址。

(3) 节点A从收到的NA消息中就可获取到节点B的链路层地址。

验证邻居是否可达

在获取到邻居节点的链路层地址后，通过邻居请求消息NS和邻居通告消息NA可以验证邻居节点是否可达。

(1) 节点发送NS消息，其中目的地址是邻居节点的IPv6地址。

(2) 如果收到邻居节点的确认报文，则认为邻居可达；否则，认为邻居不可达。

重复地址检测

当节点获取到一个IPv6地址后，需要使用重复地址检测功能确定该地址是否已被其他节点使用（与IPv4的免费ARP功能相似）。如图所示，通过NS和NA实现重复地址检测的过程为：

(1)  节点A发送NS消息，NS消息的源地址是未指定地址::，目的地址是待检测的IPv6地址对应的被请求节点组播地址，消息内容中包含了待检测的IPv6地址。

(2)  如果节点B已经使用这个IPv6地址，则会返回NA消息。其中包含了自己的IPv6地址。

(3)  节点A收到节点B发来的NA消息，就知道该IPv6地址已被使用。反之，则说明该地址未被使用，节点A就可使用此IPv6地址。

实验抓包分析

下面以一个实验来对NS/NA报文交互过程及其功能进行分析验证

• 实验拓扑

• 报文交互过程（NA/NS）

1. PC生成了本地链路地址，发送NS报文进行重复地址检测，目的地址为生成的本地链路地址对应的被请求节点组播地址

2. 同时，PC会在链路本地范围上发送NA报文，告诉链路范围上的设备自己的链路层地址，类似于免费arp

3. PC通过RA报文（后续会提到）获取到了地址前缀（2001:: /64），根据EUI-64生成了全球单播唯一地址（2001::353f:47d6:cabd:3f25），仍然首先进行地址冲突检测（第一、二步），接着当PC ping SW，则PC会请求SW的链路层地址

PC发送NS报文请求SW地址（2001::1）的链路层地址，其中报文源IP为PC生成的IPv6全球单播地址，目的IP为2001::1对应的组播地址ff02::1:ff00:1，并且报文中携带Target Address（2001::1），避免不同ipv6地址对应同一个组播地址的问题。

4. SW收到NS报文后，会首先检查Target Address字段是否是自己的IPv6地址，如果是，则接收并单播回应NA报文。如果该字段的地址不是自己的IPv6地址，则丢弃。

5. 对于H3C设备，可以使用display ipv6 neighbors all查看ipv6邻居状态，在邻居状态变化时（如由Reachable–>Stale–>Probe）会发送NS/NA报文，对邻居可达性进行探测

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NA报文：

NS报文：

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邻居状态变化

在前面的抓包分析中，提到了ipv6邻居状态，共有五种状态，下图是邻居状态机迁移过程

1. A先发送NS报文，并生成缓存条目，此时，邻居状态为Incomplete。

2. 若B回复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，即删除表项。

3. 经过邻居可达时间，邻居状态由Reachable（H3C中邻居可达状态时间默认为1200000ms，即20min）变为Stale，即未知是否可达。

   邻居可达状态时间修改

   H3C设备中，可用ipv6 nd nud reachable-time time，取值范围为1～3600000，单位为毫秒。

4. 如果在Reachable状态，A收到B的非请求NA报文（MAC地址修改），且报文中携带的B的链路层地址和表项中不同，则邻居状态马上变为Stale。

5. 在Stale状态若A要向B发送数据，则邻居状态由Stale变为Delay，并发送NS请求。若无发送数据的需求，则会在Stale状态超时后（H3C中默认为240min），进入Delay状态

   邻居可达状态时间修改

   H3C设备中，分为系统视图下配置和接口视图下配置，接口视图下的配置优先级高于系统视图下的配置。 系统视图：

   ipv6 neighbor stale-aging { aging-minutes | second aging-seconds } 缺省情况下，STALE状态ND表项的老化时间为240分钟。

   接口视图

   ipv6 neighbor timer stale-aging { aging-minutes | second aging-seconds }

6. 在经过一段固定时间后，邻居状态由Delay（默认5s）变为Probe（每隔1s发送一次NS报文，连续发送3次），其间若有NA应答，则邻居状态由Delay变为Reachable。

7. 在Probe状态，A每隔一定时间间隔z(1s)发送单播NS，发送固定次数(3)后，有应答则邻居状态变为Reachable，否则邻居状态变为Empty，即删除表项。

下图是Reach–>Stale–>Delay–>Probe–>Reach的过程（已经将Stale状态超时时间改为60s）

RS/RA报文功能

在NS/NA实验中，提到RS/RA获取地址前缀，接口根据该前缀生成全球唯一单播地址，这个功能即IPv6的无状态自动配置功能。RS/RA报文实现的功能是路由器发现/前缀发现及地址无状态自动配置、重定向功能。

无状态自动配置

路由器发现/前缀发现是指节点从收到的RA消息中获取邻居路由器及所在网络的前缀，以及其他配置参数。

地址无状态自动配置是指节点根据路由器发现/前缀发现所获取的信息，自动配置IPv6地址。

路由器发现/前缀发现通过路由器请求消息RS和路由器通告消息RA来实现，具体过程如下：

(1) 节点启动时，通过RS消息向路由器发出请求，请求前缀和其他配置信息，以便用于节点的配置。

(2) 路由器返回RA消息，其中包括前缀信息选项（路由器也会周期性地发布RA消息）。

(3) 节点利用路由器返回的RA消息中的地址前缀及其他配置参数，自动配置接口的IPv6地址及其他信息。

前缀信息选项中不仅包括地址前缀的信息，还包括该地址前缀的首选生命期（preferred lifetime）和有效生命期（valid lifetime）。节点收到周期性发送的RA消息后，会根据该消息更新前缀的首选生命期和有效生命期。

· 有效生命期：表示前缀有效期。在有效生命期内，通过该前缀自动生成的地址可以正常使用；有效生命期过期后，通过该前缀自动生成的地址变为无效，将被删除。

· 首选生命期：表示首选通过该前缀无状态自动配置地址的时间。首选生命期过期后，节点通过该前缀自动配置的地址将被废止。节点不能使用被废止的地址建立新的连接，但是仍可以接收目的地址为被废止地址的报文。首选生命期必须小于或等于有效生命期。

抓包分析

1. 发送RS请求
2. 配置了非抑制RA报文的交换机发送RA报文回应，报文中包含了几个option字段，如该报文中，包含了交换机的mac地址、ipv6地址前缀、MTU

RS/RA报文字段含义

RS报文：

字段	长度	含义
Type	1字节	消息类型，此处值为133。
Code	1字节	该ICMPv6差错报文的始发者必须将该字段置为0，且接收端忽略该字段。
Checksum	2字节	用来在ICMPv6报文中检验数据和部分IPv6首部的完整性。
Reserved	4字节	此字段不使用。它必须由发送者初始化为0，接收者必须忽略它。
Options	可变	选项 源链路层地址：发送者的链路层地址，如果知道。如果Source Address是未指定地址，必须不 包括在内。否则，有地址的链路层上应当包括源链路层地址。 为TLV格式，各字段含义如下： Type: = 1，长度是1字节。 Length: 1字节，标识选项的长度(包括类型字段和长度字段)以8字节为单位计算。例如，IEEE802 地址的长度是1。Length值最少为1，0为非法值，须丢弃。 Link-Layer Address: 可变长度的链路层地址。此字段的内容和形式(包括字节和比特顺序)一般由描述IPv6在不同链路层上如何运行的特定文件中规定。

RA报文：

字段	长度	含义
Type	1字节	消息类型，此处值为134。
Code	1字节	该ICMPv6差错报文的始发者必须将该字段置为0，且接收端忽略该字段。
Checksum	2字节	用来在ICMPv6报文中检验数据和部分IPv6首部的完整性。
Cur Hop Limit	1字节	8位无符号整数。默认值应当放置在发出IP分组的IP首部的Hop Count字段中。 取0值意味着未(由该路由器)规定。
M	1比特	1位“管理地址配置”标记。当置1时，它指出地址可通过Dynamic Host Configuration协议获得。 如果M标记置1，则O标记为冗余，可以忽略，因为DHCPv6将返回所有可用配置信息。
O	1比特	1位“其他配置”标记。 当M=0且O=1时，指示其他配置信息可通过DHCPv6获得。例如，这类信息包括DNS相关信息或关于网络内其他服务器的信息。 如果M=0且O=0，指示没有信息可通过DHCPv6获得。
Reserved	6比特	6位未使用字段。它必须由发送者初始化为0，接收者必须忽略它。
Router Lifetime	2字节	16位无符号整数。与默认路由器关联的生存期，以秒为单位。最大值18.2小时。取0值的Lifetime指出路由器不是默认路由器并且不应当出现在默认路由器列表中。Router Lifetime仅适用于作为默认路由器的路由器应用；对包括在其他消息字段或选项中的信息不适用。需要对它们的信息规定时间限制的选项有它们自己的生存期字段。
Reachable Time	4字节	32位无符号整数。此时间以毫秒计，在收到可达性确认后节点假定该邻居是可到达的。它由Neighbor Unreachability Detection算法使用(参阅第7-3节)。此值为0意味着没有(由此路由器)作出规定。
Retrans Timer	4字节	32位无符号整数。重发的Neighbor Solicitation消息间隔时间，以毫秒计。由地址解析和Neighbor Unreachability Detection算法使用。此值为0意味着没有(由此路由器)作出规定。
Options	可变	选项 - Source link-layer address：源链路层地址，发出Router Advertisement的接口的链路层地址。仅在有地址的链路层上使用。路由器可以忽略此选项，以便能够使入境负载跨多个链路层地址共享。 为TLV格式，各字段含义如下： - Type: = 1，长度是1字节。 - Length: 1字节，选项的长度(包括类型字段和长度字段)，以8字节为单位计算。例如，IEEE802 地址的长度是1。 - Link-Layer Address: 可变长度的链路层地址。此字段的内容和形式(包括字节和比特顺序)一般由描述IPv6在不同链路层上如何运行的特定文件中规定。 - MTU：在有可变MTU的链路上应当按此发送流量(正如在描述特定链路类型上如何 运行IP的文件中规定的)。可以按此在其他链路上发送流量。 MTU格式： - Type = 5 - Length = 1 - Reserved: 此字段未使用。它必须被发送者初始化为0，接收者必须忽略它。 - MTU: 32位无符号整数。是为此链路推荐的MTU。 - Prefix Information：这些选项规定了前缀，这些前缀是on-link的，和/或被用于地址自动配置。路由器应当包括所有它的on-link前缀(链路本地前缀除外)，所以多归属第主机有完整的前缀信息，这些前缀是关于主机们附着的链路的on-link目的地的。如果缺乏完整信息，当发送流量到它的邻居们时，多归属地主机或许不能够选择正确的出接口。 格式如下： - Type: = 3 - Length: = 4 - Prefix Length: 8位无符号整数。在合法前缀中领先比特的数目。其值范围是0到128。前缀长度字段为on-link确定提供必须的信息(当与前缀信息选项中L标记相结合时)。它也帮助实现地址自动配置，对此存在更多关于前缀长度的限制。 - L: 1位on-link标记。当置1时，指出此前缀可用于on-link确定。当没有置1时，通告对此前缀的on-link或off-link性质没有说明。换句话讲，如果L标记没有置1，主机不能推断出从该前缀引申出的地址是off-link。即，主机不能更新先前关于地址是on-link的指示。 - A: 1位自动地址配置标记。当置1时，指出此前缀可用于无状态地址自动配置。 - Reserved1: 6位未使用字段。必须被发送者初始化为0，接收者必须忽略它。 - Valid Lifetime: 32位无符号整数。时间长度以秒为单位(相对于分组被发送的时间)，在此时间内此前缀对于on-link确定来说是合法的。全1比特值(0xffffffff)表示无限。 - Preferred Lifetime: 32位无符号整数。时间长度以秒为单位(相对于分组被发送的时间)。在此时间 内经无状态地址自动配置，根据此前缀生成的地址保有优先权[ADDRCONF]。全1比特值(0xffffffff)表示无限。注意，此字段的值不能超过Valid Lifetime字段的值，以避免优先的地址不再合法。 - Reserved2: 此字段未使用。它必须被发送者初始化为0，接收者必须忽略它。 - Prefix: IP地址或IP地址的前缀。Prefix Length字段包含此前缀中有效领先比特的数目。在前缀中，在前缀长度之后的这些位被保留，并且必须被发送者初始化为0，接收者必须忽略它们。路由器不应当发送链路本地前缀的前缀选项，主机应当忽略这种前缀选项。

重定向

当主机启动时，它的路由表中可能只有一条到缺省网关的缺省路由。当满足一定的条件时，缺省网关会向源主机发送ICMPv6重定向消息，通知主机选择更好的下一跳进行后续报文的发送（与IPv4的ICMP重定向消息的功能相同）。重定向报文也承载在ICMPv6报文中，其Type字段值为137.

同时满足下列条件时，设备会发送ICMPv6重定向报文：

· 接收和转发数据报文的接口是同一接口；

· 被选择的路由本身没有被ICMPv6重定向报文创建或修改过；

· 被选择的路由不是设备的缺省路由；

· 被转发的IPv6数据报文中不包含路由扩展头。

参考文章

https://www.h3c.com/cn/d_201905/1185794_30005_0.htm#_Toc8828150

https://cshihong.github.io/2018/01/29/IPv6%E9%82%BB%E5%B1%85%E5%8F%91%E7%8E%B0%E5%8D%8F%E8%AE%AE/