关于 IPv6 地址分配的一切

发表于 2024-10-12

序言

IPv4 只有一种动态地址分配方式，即 DHCP，但 IPv6 就有 SLAAC 和 DHCPv6 两种分配方式，同时 DHCPv6 还存在 PD (Prefix Delegation) 的扩展。这三种分配方式之间又存在交互，使得 IPv6 分配过程中出现的问题远比 IPv4 多。大多数可以搜到的教程只从表面解决了问题，对于其后的技术细节模棱两可，而没有从根本上厘清 IPv6 与 IPv4 的差异，

此文旨在从相关基础概念出发，授人以渔地讲清楚 IPv6 三种地址分配方式的工作原理，帮助彻底解决 IPv6 分配中的疑难杂症。

IPv6 基础概念

LLA (Link-Local Address，链路本地地址) 和 EUI-64

LLA 其实在 IPv4 中就已存在，当 DHCP 没有正常工作时，一些操作系统就会为网络接口分配一个 169.254.0.0/16 的地址，用于临时的点对点通信。但 LLA 在 IPv4 中并不重要，只扮演一个可有可无的备用角色，只有当 DHCP 故障时才会出现，因而绝大部分人（包括笔者）直到 IPv6 普及时才了解到 LLA 的存在。

IPv6 LLA (fe80::/8) 继承了 IPv4 LLA 点对点通信的基本功能，但更进一步承担了 NDP (Neighbor Discovery Protocol，邻居发现协议) 以及 SLAAC (Stateless Address Autoconfiguration，无状态地址自动配置) 的重要功能。理解它才能理解 SLAAC 的工作原理。

举例来说，当两个网口通过网线直接相连后，就会分别自动生成 IPv6 LLA，如 fe80::dfc2:d2aa:c86f:171e/64 和 fe80::da8f:9d5b:57e3:c6a6/64，两者都可以 ping 通对方的 LLA。在 Linux 上通过 ip -6 route 命令，可以查到自动配置的 LLA 路由项：

1	fe80::/64 dev eth0 proto kernel metric 1024 pref medium

IPv6 LLA 使用特定的算法从 MAC 地址中生成，即 EUI-64，例如网口的 MAC 地址为 70:07:12:34:56:78 时，生成的 EUI-64 为 7207:12ff:fe34:5678，LLA 则为 fe80:7207:12ff:fe34:5678/64（EUI-64 加上 fe80 的前缀）。具体的生成方式下图所示：

IPv6 LLA 生成过程，图源 https://www.networkacademy.io/ccna/ipv6/stateless-address-autoconfiguration-slaac

一般而言，路由器不会转发 LLA 地址的流量，它仅用于链路点对点通信。

GUA (Global Unicast Address，全局单播地址)

IPv6 GUA (2000::/3) 可以对应到 IPv4 “公网 IP”的概念。理论上它是全球唯一的，并且可以用于公网通信。一个配置良好的网络架构应当能使每个设备都获取到 IPv6 GUA，以最大程度上发挥 IPv6 的 P2P 通信优势。

私有地址

fc00::/7 被定义为 IPv6 的私有地址，类似于 IPv4 中的 10.0.0.0/8、172.16.0.0/12 和 192.168.0.0/16，用于局域网通信。与 LLA 不同的是，它可以被路由器转发。

由于 IPv6 被设计为全球每个设备都能分到 GUA，私有地址在 IPv6 中的作用被大大削弱。当无法做到为每个设备分配 GUA 时（如一些校园网环境），在内网分配 IPv6 私有地址可以作为替代方案，让内网设备可以访问 IPv6。

组播 (Multicast)

IPv6 组播地址（ff00::/8）与 IPv4 组播地址（224.0.0.0/4）类似，用于网段内的一对多通信。SLAAC 和 DHCPv6 都依赖组播工作。常用的组播地址有：

ff02::1：本地链路所有节点；
ff02::2：本地链路所有路由器。

NDP (Neighbor Discovery Protocol，邻居发现协议)

NDP 工作于 ICMPv6 之上，类似于 IPv4 ARP，用于发现数据链路层中其他节点和相应的 IPv6 地址，并确定可用路由和维护关于可用路径和其他活动节点的信息可达性。SLAAC 基于 NDP 工作，涉及的报文类型有：

RS（Router Solicitation）和 RA（Router Advertisement）：用于配置 IPv6 地址及路由；
NS（Neighbor Solicitation）和 NA（Neighbor Advertisement）：用于查找链路上其他设备的 MAC 地址。

SLAAC (Stateless Address Autoconfiguration, 无状态地址自动配置)

SLAAC 是 RFC 4862 中定义的 IPv6 地址分配方式，也是推荐的分配方式。事实上 Android 只支持 SLAAC IPv6 分配。

SLAAC 最大的特点就是无状态（stateless），即不需要一个中心化的服务器来负责分配。下面笔者用一个例子说面 SLAAC 的过程。

假设路由器上的 lan0 网口和主机上的 eth0 网口相连，lan0 的 LLA 是 fe80::1/64，eth0 的 MAC 地址为 70:07:12:34:56:78。同时，路由器持有 2001:db8::/64 的 GUA 前缀，即这个子网下所有 GUA 都会被上级路由器路由到此路由器的 wan 网口。SLAAC 的流程如下：

eth0 根据 MAC 地址生成 EUI-64 7207:12ff:fe34:5678 和 LLA fe80:7207:12ff:fe34:5678/64；
主机执行 DAD（Duplicated Address Detection）确保 LLA 在本地链路中唯一。其和地址分配无关，因而在此略过，有兴趣的读者可以自行查阅相关资料；
主机通过 eth0 LLA 发送 RS 消息。RS 使用组播地址 ff02::2 发送给本地链路所有的路由器。
路由器回复 RA 消息给 eth0 LLA。RA 中包含前缀 2001:db8::/64、有效期和 MTU 等信息。

主机收到 RA，将前缀和 EUI-64 组合成 2001:db8::7207:12ff:fe34:5678/64 分配给 eth0，并添加路由表：

1 2	2001:db8::/64 dev eth0 proto ra metric 1024 expires 2591993sec pref medium default via fe80::1 dev eth0 proto static metric 1024 onlink pref medium

主机进行 DAD 检测，并使用 NA 消息向链路上的邻居通告新地址的使用。

SLAAC 流程，图源 https://www.networkacademy.io/ccna/ipv6/stateless-address-autoconfiguration-slaac

SLAAC 看起来很美好，但有个重要缺陷：不支持 DNS 信息的下发，主机必须通过其他方式（通常是 DHCPv6）获取 DNS。RA 中有两个标志位用以解决此问题：

M (Managed Address Configuration)：可以通过 DHCPv6 获取地址信息；
O (Other Configuration)：可以通过 DHCPv6 获取其他信息（如 DNS）。

而更新的 RFC 6106 则通过在 RA 中添加 RDNSS（Recursive DNS Server）和 DNSSL（DNS Search List），支持了 DNS 信息的下发。各操作系统对于 RDNSS 的支持度见 Comparison of IPv6 support in operating systems。在实际使用中，绝大部分情况下只需要配置 IPv4 DNS（通过 DHCPv4 获得），因而 RDNSS 扩展的意义并不大。

以上基于 EUI-64 的 SLAAC 地址配置存在的问题是，它生成的地址是固定并且可预测的，这会带来安全性和隐私问题。RFC 4941 定义的 IPv6 SLAAC 隐私扩展解决了这一问题。它在 SLAAC 时同时生成随机的、定期更换的地址，以解决隐私问题。同时 EUI-64 生成的地址也被保留，用于外部传入连接。在启用隐私扩展的情况下，Linux 中生成的 IPv6 地址例如（从上到下分别是隐私地址、EUI-64 GUA、LLA）：

2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc cake state UP group default qlen 1000
    link/ether 70:07:12:34:56:78 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet6 2001:db8::dead:beef:aaaa:bbbb/64 scope global temporary dynamic
       valid_lft 2591998sec preferred_lft 604798sec
    inet6 2001:db8::7207:12ff:fe34:5678/64 scope global dynamic mngtmpaddr noprefixroute
       valid_lft 2591998sec preferred_lft 604798sec
    inet6 fe80:7207:12ff:fe34:5678/64 scope link
       valid_lft forever preferred_lft forever

DHCPv6

DHCPv6 和 DHCPv4 的运行方式整体相同，主机发送 ff02::1:2 UDP 端口 547 的组播消息，DHCPv6 server 回复地址和 DNS 等信息。

有所不同的是，DHCPv6 可以在有状态或者无状态的模式下运行，两者的区别在于是否获取地址。当搭配 SLAAC 使用时，主机只需要从 DHCPv6 获取 DNS 等信息，因而可以使用无状态 DHCPv6。

DHCPv6 PD (Prefix Delegation, 前缀委托)

PD 是 RFC 3633 定义的 DHCPv6 扩展。它用于在网络中分发 IPv6 前缀。

在启用 PD 扩展的情况下，DHCP server 向主机发送一个 IPv6 子网前缀（如 2001:db8::/56）的使用权，并添加路由表以确保将此子网下的地址全部路由到请求前缀的主机。主机可以再对此子网进行划分和分配。

一个典型的 DHCPv6 PD 使用场景是家庭 ISP 网络接入。家庭网关路由器向 ISP DHCP server 请求 IPv6 前缀，然后再通过 SLAAC 在家庭内网中分发此前缀子网中的地址。

总结

本文简要介绍了 IPv6 地址分配中涉及的一些概念，并阐述了 SLAAC、DHCPv6、DHCPv6 PD 的工作原理。在简化地址管理这一方面，IPv6 可以说做得并不成功，多种标准并存，且存在不同的组合形式，让客户端会有不小的概率无法正确获取 IPv6。

在实际情况中，我们最常预见的 IPv6 分配情况有三种：

纯 SLAAC：一般校园网（教育网）属于此类。在实际使用中，笔者发现存在错误配置的内网主机胡乱发送 RA 的情况，导致整个内网所有主机的 IPv6 都错误配置。与此同时，在这种模式下，自行接入的路由器将无法再向下级设备分发 SLAAC GUA，因为 SLAAC 基于的本地链路组播数据包无法被路由器转发（可以通过 IPv6 桥接或者 NAT6 解决，此处不展开说明）。
纯 DHCPv6：一些企业内网会使用此模式，因为 DHCPv6 可以集中管理。这种模式最大的问题是 Android 不支持 DHCPv6。但在其他操作系统下，此模式运行较为稳定。
SLAAC + DHCPv6 PD：这是家庭 ISP 网络接入最常见的模式，大部分家用路由器都对此做了适配，可以做到开箱即用。

序言