Перед тем как начать: это цикл статей. Мы рекомендуем до этого материала ознакомиться со статьей про Interlayer Discovery.
Хотя IPv6 является основной темой этих лекций, в некоторых случаях IPv4 представляет собой полезный пример решения; Address Resolution Protocol IPv4 (ARP) является одним из таких случаев. ARP - это очень простой протокол, используемый для решения проблемы межуровневого обнаружения, не полагаясь на сервер любого типа. Рисунок ниже будет использован для объяснения работы ARP.
Предположим, A хочет отправить пакет C. Зная IPv4-адрес C,
203.0.113.12 недостаточно, чтобы A правильно сформировал пакет и поместил его на канал связи по направлению к C. Чтобы правильно построить пакет, A также должен знать:
- Находится ли C на том же канале связи, что и A
- MAC или физический адрес C
Без этих двух частей информации A не знает, как инкапсулировать пакет в канал связи, поэтому C фактически получит пакет, а B проигнорирует его. Как можно найти эту информацию? На первый вопрос, находится ли C на том же канале вязи, что и A, можно ответить, рассмотрев IP-адрес локального интерфейса, IP-адрес назначения и маску подсети.
ARP решает вторую проблему, сопоставляя IP-адрес назначения с MAC-адресом назначения, с помощью следующего процесса:
- Хост A отправляет широковещательный пакет каждому устройству в сети, содержащему адрес IPv4, но не MAC-адрес. Это запрос ARP; это запрос A на MAC-адрес, соответствующий 203.0.113.12.
- B и D получают этот пакет, но не отвечают, поскольку ни один из их локальных интерфейсов не имеет адреса 203.0.113.12.
- Хост C получает этот пакет и отвечает на запрос, снова используя unicast пакет. Этот ответ ARP содержит как IPv4-адрес, так и соответствующий MAC-адрес, предоставляя A информацию, необходимую для создания пакетов в направлении C.
Когда A получает этот ответ, он вставляет сопоставление между 203.0.113.12 и MAC-адресом, содержащимся в ответе, в локальном кэше ARP. Эта информация будет храниться до истечения времени ожидания; правила тайм-аута записи кэша ARP различаются в зависимости от реализации и часто могут быть настроены вручную. Продолжительность кэширования записи ARP - это баланс между слишком частым повторением одной и той же информации в сети в случае, когда сопоставление IPv4-адресов с MAC-адресами не меняется очень часто, и отслеживанием любых изменений в расположении устройство в случае, когда конкретный адрес IPv4 может перемещаться между хостами.
Когда A получает этот ответ, он вставляет сопоставление между 203.0.113.12 и MAC-адресом, содержащимся в ответе, в локальный кэш ARP. Эта информация будет храниться до тех пор, пока не истечет время ожидания; правила для тайм-аута записи кэша ARP варьируются в зависимости от реализации и часто могут быть настроены вручную. Продолжительность кэширования записи ARP - это баланс между тем, чтобы не повторять одну и ту же информацию слишком часто в сети, в случае, когда сопоставление IPv4-MAC-адресов меняется не очень часто, и идти в ногу с любыми изменениями в местоположении устройства, в случае, когда конкретный IPv4-адрес может перемещаться между хостами.
Любое устройство, получающее ответ ARP, может принять пакет и кэшировать содержащуюся в нем информацию. Например, B, получив ответ ARP от C, может вставить сопоставление между 203.0.113.12 и MAC-адресом C в свой кэш ARP. Фактически, это свойство ARP часто используется для ускорения обнаружения устройств, когда они подключены к сети. В спецификации ARP нет ничего, что требовало бы от хоста ожидания запроса ARP для отправки ответа ARP. Когда устройство подключается к сети, оно может просто отправить ответ ARP с правильной информацией о сопоставлении, чтобы ускорить процесс начального подключения к другим узлам на том же проводе; это называется gratuitous ARP. Gratuitous ARP также полезны для Duplicate.
Gratuitous ARP также полезны для обнаружения дублирующихся адресов (Duplicate Address Detection - DAD); если хост получает ответ ARP с адресом IPv4, который он использует, он сообщит о дублированном адресе IPv4. Некоторые реализации также будут посылать серию gratuitous ARPs в этом случае, чтобы предотвратить использование адреса или заставить другой хост также сообщить о дублирующемся адресе.
Что произойдет, если хост A запросит адрес, используя ARP, который не находится в том же сегменте, например, 198.51.100.101 на рисунке 5? В этой ситуации есть две разные возможности:
- Если D настроен для ответа как прокси-ARP, он может ответить на запрос ARP с MAC-адресом, подключенным к сегменту. Затем A кэширует этот ответ, отправляя любой трафик, предназначенный для E, на MAC-адрес D, который затем может перенаправить этот трафик на E. Наиболее широко распространенные реализации по умолчанию не включают прокси-ARP.
- A может отправлять трафик на свой шлюз по умолчанию, который представляет собой локально подключенный маршрутизатор, который должен знать путь к любому пункту назначения в сети.
IPv4 ARP - это пример протокола, который отображает interlayer идентификаторы путем включения обоих идентификаторов в один протокол.
Обнаружение соседей IPv6
IPv6 заменяет более простой протокол ARP серией сообщений Internet Control Message Protocol (ICMP) v6. Определены пять типов сообщений ICMPv6:
- Тип 133, запрос маршрутизатора
- Тип 134, объявление маршрутизатора
- Тип 135, запрос соседа
- Тип 136, объявление соседа
- Тип 137, перенаправление
Рисунок ниже используется для объяснения работы IPv6 ND. Чтобы понять работу IPv6 ND, лучше всего проследить за одним хостом, поскольку он подключен к новой сети. Хост A на рисунке ниже используется в качестве примера.
- Теперь A использует этот link local address в качестве адреса источника и отправляет запрос маршрутизатору на link local multicast address (адрес многоадресной рассылки для всех узлов). Это сообщение ICMPv6 типа 133.
- B и D получают этот запрос маршрутизатора и отвечают объявлением маршрутизатора, которое является сообщением ICMPv6 типа 134. Этот одноадресный пакет передается на локальный адрес канала A, используемый в качестве адреса источника, fe80 :: AAAA.
- Объявление маршрутизатора содержит информацию о том, как вновь подключенный хост должен определять информацию о своей локальной конфигурации в виде нескольких флагов.
- Флаг M указывает, что хост должен запросить адрес через DHCPv6, потому что это управляемый канал.
- Флаг O указывает, что хост может получать информацию, отличную от адреса, который он должен использовать через DHCPv6. Например, DNS-сервер, который хост должен использовать для разрешения имен DNS, должен быть получен с помощью DHCPv6.
- Если установлен флаг O, а не флаг M, A должен определить свой собственный IPv6-адрес интерфейса. Для этого он определяет набор префиксов IPv6, используемых в этом сегменте, исследуя поле информации о префиксе в объявлении маршрутизатора. Он выбирает один из этих префиксов и формирует IPv6-адрес, используя тот же процесс, который он использовал для формирования link local address: он добавляет локальный MAC-адрес (EUI-48 или EUI-64) к указанному префиксу. Этот процесс называется SLAAC.
- Теперь хост должен убедиться, что он не выбрал адрес, который использует другой хост в той же сети; он должен выполнять DAD. Чтобы выполнить обнаружение повторяющегося адреса:
- Хост отправляет серию сообщений запроса соседей, используя только что сформированный IPv6-адрес и запрашивая соответствующий MAC-адрес (физический). Это сообщения ICMPv6 типа 135, передаваемые с link local address, уже назначенного интерфейсу.
- Если хост получает объявление соседа или запрос соседа с использованием того же адреса IPv6, он предполагает, что локально сформированный адрес является дубликатом; в этом случае он сформирует новый адрес, используя другой локальный MAC-адрес, и попытается снова.
- Если хост не получает ни ответа, ни запроса соседа другого хоста, использующего тот же адрес, он предполагает, что адрес уникален, и назначает вновь сформированный адрес интерфейсу.
A начнет с формирования link local address, как описано ранее. Предположим, A выбирает fe80 :: AAAA в качестве link local address.
Устранение ложных срабатываний при обнаружении повторяющегося адреса
Процесс DAD, описанный здесь, может привести к ложным срабатываниям. В частности, если какое-то другое устройство на канале связи передает исходные пакеты запроса соседа обратно к A, оно будет считать, что это от другого хоста, требующего тот же адрес, и, следовательно, объявит дубликат и попытается сформировать новый адрес. Если устройство постоянно повторяет все запросы соседей, отправленные A, A никогда не сможет сформировать адрес с помощью SLAAC.
Чтобы решить эту проблему, RFC7527 описывает усовершенствованный процесс DAD. В этом процессе A будет вычислять одноразовый номер, или, скорее, случайно выбранную серию чисел, и включать ее в запрос соседей, используемый для проверки дублирования адреса. Этот одноразовый номер включен через расширения Secure Neighbor Discovery (SEND) для IPv6, описанные в RFC3971.
Если A получает запрос соседа с тем же значением nonce, который он использовал для отправки запроса соседа вовремя DAD, он сформирует новый одноразовый номер и попытается снова. Если это произойдет во второй раз, хост будет считать, что пакеты зацикливаются, и проигнорирует любые дальнейшие запросы соседей с собственным одноразовым номером в них. Если полученные запросы соседей имеют одноразовый номер, отличный от того, который выбрал локальный хост, хост будет предполагать, что на самом деле существует другой хост, который выбрал тот же адрес IPv6, и затем сформирует новый адрес IPv6.
Как только у него есть адрес для передачи данных, A теперь требуется еще одна часть информации перед отправкой информации другому хосту в том же сегменте - MAC-адрес принимающего хоста. Если A, например, хочет отправить пакет в C, он начнет с отправки multicast сообщения запроса соседа на C с запросом его MAC-адреса; это сообщение ICMPv6 типа 135. Когда C получает это сообщение, он ответит с правильным MAC-адресом для отправки трафика для запрошенного IPv6-адреса; это сообщение ICMPv6 типа 136.
В то время как предыдущий процесс описывает объявления маршрутизатора, отправляемые в ответ на запрос маршрутизатора, каждый маршрутизатор будет периодически отправлять объявления маршрутизатора на каждом подключенном интерфейсе. Объявление маршрутизатора содержит поле lifetime, указывающее, как долго действует объявление маршрутизатора.
А теперь почитайте о проблемах шлюза по умолчанию. У нас получился отличным материал на эту тему.
