奔涌的IPv6背后，DHCPv6協(xié)議你了解多少？

作者：李彬文 2020-05-12 10:45:44

本文將依托騰訊云CVM來(lái)詳細(xì)剖析 DHCPv6 的工作原理，希望可以讓更多小伙伴掌握 DHCPv6 協(xié)議。什么是 DHCPv6 協(xié)議?客戶(hù)端如何首次自動(dòng)獲取一個(gè) IPV6 地址?CVM重啟又如何自動(dòng)獲取到上次使用的 IPv6 地址?

隨著IPv6技術(shù)的普及，DHCPv6 作為基礎(chǔ)技術(shù)是每一位IT人或多或少都需要了解的。本文將依托騰訊云CVM來(lái)詳細(xì)剖析 DHCPv6 的工作原理，希望可以讓更多小伙伴掌握 DHCPv6 協(xié)議。什么是 DHCPv6 協(xié)議?客戶(hù)端如何首次自動(dòng)獲取一個(gè) IPV6 地址?CVM重啟又如何自動(dòng)獲取到上次使用的 IPv6 地址?本文作者：騰訊云售后架構(gòu)師李彬文。

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一、DHCPv6簡(jiǎn)介

DHCPv6 (Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6)是一個(gè)用來(lái)分配 IPv6 地址、前綴以及DNS等配置的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

DHCPv6 是一種運(yùn)行在客戶(hù)端和服務(wù)端之間的協(xié)議，與 IPv4 中的 DHCP 一樣，所有的協(xié)議報(bào)文都是基于 UDP 的(客戶(hù)端使用UDP 端口號(hào)546，服務(wù)端使用端口號(hào)547)。但是由于在 IPv6中沒(méi)有廣播報(bào)文，因此 DHCPv6 使用組播(默認(rèn)所有DHCPv6服務(wù)器都會(huì)加入并偵聽(tīng)該組播組：FF02::1:2)報(bào)文，客戶(hù)端也無(wú)需配置服務(wù)端的IPv6地址。

1. DHCPv6協(xié)議的優(yōu)勢(shì)

相對(duì)其他分配IPV6地址的方式而言，DHCPv6具備以下優(yōu)勢(shì):

更好控制 IPv6 地址的分配，DHCPv6 方式不僅可以記錄為 IPv6 主機(jī)分配的地址，還可以為特定的 IPv6 主機(jī)分配特定的地址，以便于網(wǎng)絡(luò)管理。
DHCPv6 支持為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配 IPv6 前綴，便于全網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)配置和網(wǎng)絡(luò)層次性管理。
除了為 IPv6 主機(jī)分配 IPv6 地址和前綴外，還可以分配DNS服務(wù)器 IPv6 地址等網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)。

2. DHCPv6報(bào)文格式

DHCPv6 屬于 OSI 七層協(xié)議棧的應(yīng)用層，所以需要先封裝網(wǎng)絡(luò)層 IPv6 頭部以及傳輸層UDP頭部。

3. DHCPv6字段注釋

msg-type：長(zhǎng)度8比特，表示報(bào)文的類(lèi)型，總共定義了13種消息類(lèi)型。
transaction-id：長(zhǎng)度24比特，表示 DHCPv6 客戶(hù)端隨機(jī)生成的交互ID(服務(wù)端發(fā)起的報(bào)文交互ID為0)，用來(lái)標(biāo)識(shí)一次來(lái)回交互的 DHCPv6 報(bào)文。例如Solicit/Advertise報(bào)文為一次交互，Request/Reply報(bào)文為另外一次交互，兩者有不同的交互ID。
options：根據(jù)消息類(lèi)型不一樣長(zhǎng)度可變，表示 DHCPv6 的可選字段。此字段包含了 DHCPv6 服務(wù)器分配給 IPv6 主機(jī)的配置信息，如客戶(hù)端標(biāo)識(shí)、服務(wù)器標(biāo)識(shí)或有效生命周期等信息。

4. DHCPv6定義的幾種常見(jiàn)消息類(lèi)型

(1)Solicit，DHCPv6 客戶(hù)端使用Solicit報(bào)文來(lái)發(fā)現(xiàn) DHCPv6 服務(wù)器的位置。

(2)Advertise，DHCPv6 服務(wù)器發(fā)送Advertise報(bào)文來(lái)對(duì)Solicit報(bào)文進(jìn)行回應(yīng)，通告客戶(hù)端能夠提供哪些 DHCPv6 服務(wù)。

(3)Request，DHCPv6 客戶(hù)端發(fā)送Request報(bào)文來(lái)向DHCPv6服務(wù)器請(qǐng)求IPv6地址和其它配置信息。

(4)Confirm，DHCPv6 客戶(hù)端向任意可達(dá)的 DHCPv6 服務(wù)器發(fā)送Confirm報(bào)文檢查自己目前獲得的 IPv6 地址是否適用與它所連接的鏈路。

(5)Reply，DHCPv6服務(wù)器在以下場(chǎng)合發(fā)送Reply報(bào)文：

DHCPv6 服務(wù)器發(fā)送攜帶了地址和配置信息的Reply消息來(lái)回應(yīng)從 DHCPv6 客戶(hù)端收到的Solicit、Request、Renew、Rebind報(bào)文。
DHCPv6 服務(wù)器發(fā)送攜帶配置信息的Reply消息來(lái)回應(yīng)收到的Information-Request報(bào)文。
用來(lái)回應(yīng) DHCPv6 客戶(hù)端發(fā)來(lái)的Confirm、Release、Decline報(bào)文。

(6)Decline，DHCPv6 客戶(hù)端向 DHCPv6 服務(wù)器發(fā)送 Decline 報(bào)文，聲明 DHCPv6 服務(wù)器分配的一個(gè)或多個(gè)地址在 DHCPv6 客戶(hù)端所在鏈路上已經(jīng)被其他客戶(hù)端使用。

二、首次獲取IPV6地址解析

CVM首次接入騰訊云 IPv6 網(wǎng)絡(luò)，通過(guò) DHCPv6 自動(dòng)獲取 IPv6 地址的交互報(bào)文如下所示：

1. 發(fā)現(xiàn)階段

客戶(hù)端CVM(云服務(wù)器)發(fā)送Solicit報(bào)文來(lái)發(fā)現(xiàn) DHCPv6 服務(wù)器，并請(qǐng)求DHCPv6 服務(wù)器(騰訊云虛擬組件)為其分配 IPv6 地址和網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)。

由于CVM不知道 DHCPv6 服務(wù)器的 IPv6 地址，所以CVM用組播地址：FF02::1:2向同一鏈路范圍內(nèi)的所有DHCPv6服務(wù)器發(fā)送Solicit報(bào)文。

Solicit報(bào)文中攜帶了客戶(hù)端的DUID、需要請(qǐng)求的非臨時(shí)地址、以及其他網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)等信息。

2. 提供階段

DHCPv6 服務(wù)器接收到Solicit報(bào)文后，選擇按照 IPv6 地址從小到大的順序采用循環(huán)查找方式，選擇最新找到的可供分配的 IPv6 地址，然后通過(guò)Advertise報(bào)文以單播方式回應(yīng)給CVM。

Advertise報(bào)文里面攜帶了服務(wù)器的DUID、客戶(hù)端的DUID、分配給客戶(hù)端的IPv6地址及租期等信息。

3. 選擇階段

因?yàn)镾olicit報(bào)文是組播發(fā)送的，所以如果同一鏈路范圍內(nèi)存在多個(gè) DHCPv6 服務(wù)器，則接收到Solicit報(bào)文的服務(wù)器都會(huì)回應(yīng)Advertise報(bào)文。

如果有多個(gè) DHCPv6 服務(wù)器向DHCPv6客戶(hù)端回應(yīng)Advertise報(bào)文，則 DHCPv6 客戶(hù)端選擇服務(wù)器優(yōu)先級(jí)最高的Advertise報(bào)文(DHCPv6 服務(wù)器可以在Advertise消息中包含Preference選項(xiàng)，以便控制客戶(hù)端對(duì)服務(wù)器的選擇)，然后客戶(hù)端以組播方式向同一鏈路范圍內(nèi)的所有 DHCPv6 服務(wù)器發(fā)送Request報(bào)文，該報(bào)文中包含客戶(hù)端選擇的 DHCPv6 服務(wù)器(高優(yōu)先級(jí))的DUID、客戶(hù)端的DUID、客戶(hù)端IPv6地址。

4. 確認(rèn)階段

當(dāng) DHCPv6 服務(wù)器收到Request報(bào)文后，對(duì)報(bào)文中攜帶的服務(wù)端DUID信息進(jìn)行判斷：

若報(bào)文中攜帶的服務(wù)端DUID不是本服務(wù)端的DUID，則對(duì)該Request報(bào)文不回應(yīng)，同時(shí)將Request報(bào)文中請(qǐng)求的IPv6地址進(jìn)行回收。
若報(bào)文中攜帶的服務(wù)端DUID是本服務(wù)端的DUID，則以單播方式回應(yīng)Reply報(bào)文，確認(rèn)Request報(bào)文中請(qǐng)求的IPv6地址分配給客戶(hù)端使用。

5. 客戶(hù)端CVM處理階段

客戶(hù)端CVM收到Reply報(bào)文后會(huì)發(fā)送地址沖突探測(cè)報(bào)文(Neighbor Solicitation)，檢查本鏈路范圍內(nèi)是否有其他客戶(hù)端使用相同的IPv6地址，如果在指定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到回應(yīng)，表示客戶(hù)端可以使用此地址。

注意事項(xiàng):如果發(fā)的地址沖突探測(cè)報(bào)文(Neighbor Solicitation)收到了回應(yīng)，說(shuō)明有其他客戶(hù)端使用了此地址，CVM會(huì)以單播方式向服務(wù)端發(fā)送Decline(聲明地址沖突)報(bào)文，并重新發(fā)送Solicit報(bào)文請(qǐng)求新的可用IPv6地址。服務(wù)端收到Decline報(bào)文后，會(huì)將報(bào)文中攜帶的IPv6地址列為沖突地址。

三、重啟后獲取IPV6地址解析

CVM非首次接入騰訊云IPv6網(wǎng)絡(luò)，通過(guò) DHCPv6 自動(dòng)獲取 IPv6 地址的交互報(bào)文如下所示：

第一步，當(dāng)客戶(hù)端CVM(云服務(wù)器)非首次接入 IPv6 網(wǎng)絡(luò)時(shí)(比如重啟、網(wǎng)卡禁用后再啟用等)，CVM會(huì)通過(guò)組播地址：FF02::1:2，發(fā)送Confirm報(bào)文確認(rèn)該CVM之前的IPv6地址是否仍然可用。

第二步，DHCPv6 服務(wù)器(騰訊云虛擬組件)收到Confirm報(bào)文后，確認(rèn)Confirm報(bào)文中所有的地址是否適用于該CVM。

若Confirm報(bào)文中所有的IPv6地址都通過(guò)了確認(rèn)，服務(wù)器回應(yīng)確認(rèn)成功的Reply報(bào)文(如果客戶(hù)端收到確認(rèn)失敗的Reply報(bào)文，則發(fā)送Solicit報(bào)文，重新請(qǐng)求IPv6地址;)。

第三步，客戶(hù)端CVM收到確認(rèn)成功的Reply報(bào)文后會(huì)發(fā)送地址沖突探測(cè)報(bào)文(Neighbor Solicitation)，檢查本鏈路范圍內(nèi)是否有其他客戶(hù)端使用相同的IPv6地址，如果在指定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到回應(yīng)，表示該CVM可以使用此地址。