From DHCP to SLAAC

IPv4 组建的家庭网络常见的前缀长度是 /24，这样的网络有 256 个地址，通常使用DHCP方式组网。DHCP自动为网络设备分配 IP 地址以及相关的网络配置信息，例如子网掩码、网关地址和 DNS 服务器。DHCP 避免同一网络内IP地址冲突问题。

IPv6 组建的家庭网络中常见的前缀长度是 /64，能够容纳2^64 个地址，以至于根本不需要 DHCP 那样的中心化管理机制。IPv6 使用SLAAC方式进行IP管理。

SLAAC 简介

SLAAC（Stateless Address Autoconfiguration，无状态地址自动配置）是IPv6中的一种机制，用于设备自动配置自己的IPv6地址，而无需借助DHCP服务器。

SLAAC的工作原理：

链路本地地址生成：设备首先会生成一个链路本地地址，用于在本地网络中通信。链路本地地址通常通过在设备的MAC地址基础上添加前缀 fe80::/64 生成。
路由器通告（Router Advertisement，RA）：当设备接入网络时，它会通过发送Router Solicitation (RS) 消息，询问是否有路由器。网络中的IPv6路由器会通过Router Advertisement (RA) 消息进行回应，提供网络前缀、链路信息和其他配置参数。
全局唯一地址生成：设备接收到RA消息后，会结合所收到的网络前缀和自己的接口标识符（通常基于MAC地址）生成一个全局唯一的IPv6地址。这个地址可以用于与网络中的其他设备或互联网通信。
重复地址检测（Duplicate Address Detection，DAD）：为了确保地址唯一性，设备会在网络中广播该地址，确认是否已经有其他设备使用了相同的地址。如果没有响应，则表明该地址可以使用。

全局唯一地址生成算法

SLAAC使用的地址生成算法经历的升级：

EUI-64算法：基于设备的MAC地址生成，使用硬件特性，较早期版本。
RFC 7217 随机化算法：不依赖MAC地址，提供更强的隐私保护。
RFC 4941 临时地址算法：生成定期更换的随机地址，进一步增强隐私。

1. 基于 EUI-64 生成接口标识符（旧方法）

在最早的SLAAC标准中，设备的IPv6地址是基于EUI-64格式生成的，使用设备的MAC地址作为地址的一部分。该过程如下：

设备获取到IPv6网络的前缀（通常是64位）。
设备使用它的MAC地址（通常是48位）生成一个64位的接口标识符（Interface Identifier）。
生成接口标识符的算法：
1. MAC地址的前24位是组织唯一标识符 (OUI)，后24位是设备标识符。
2. 将MAC地址的第7位（“全局/本地位”）取反，以生成EUI-64格式。
3. 在MAC地址的中间插入16位的值 FFFE，将MAC地址扩展为64位。

这种方法生成的IPv6地址形式为：网络前缀::EUI-64。

2. 基于随机化的接口标识符（RFC 7217）

为了避免隐私和跟踪问题（因为EUI-64基于硬件地址是固定的，可以让设备的地址长期不变，暴露隐私），RFC 7217 引入了更安全的随机化算法生成接口标识符。

随机化接口标识符算法的特点：

不依赖设备的MAC地址或硬件特性。
可以为同一设备在同一个网络生成稳定的地址（即便重新启动），但不会暴露设备标识。
如果设备移动到不同的网络，会生成不同的接口标识符。

算法步骤：

设备从RA消息中获取网络前缀和其他相关信息。
设备结合以下因素生成一个随机的64位接口标识符：
- 网络前缀。
- 接口的标识符（如接口的名称或编号）。
- 网络参数（如RA中的参数）。
- 秘密密钥或随机数（确保地址生成的不可预测性）。
设备根据这些输入，使用哈希函数或伪随机生成器生成接口标识符。

3. 临时地址生成（RFC 4941）

为了进一步增强隐私，RFC 4941 引入了“临时地址”（Temporary Addresses）的概念。这种方法通常与基于EUI-64或随机接口标识符的地址并存，提供额外的隐私保护。

临时地址生成算法的步骤：

设备生成一个临时的、随机化的接口标识符，通常是基于伪随机数生成器（PRNG）或哈希函数。
定期更新临时地址，以确保跟踪困难。
临时地址不会替代设备的永久地址，而是用于发起对外的连接，隐藏设备的真实身份。

路由器通告（Router Advertisement，RA）

RA（Router Advertisement，路由器通告）消息是IPv6协议中的一种ICMPv6消息类型，主要由IPv6路由器发送，用于向本地网络中的设备传递网络信息。RA消息是IPv6无状态地址自动配置（SLAAC）的核心组成部分，设备通过接收RA消息来获取网络配置信息。

RA消息的功能

RA消息的主要功能是让设备知道如何在IPv6网络中进行配置，它包含了以下重要信息：

前缀信息：RA消息通常包含IPv6网络前缀（Prefix），设备使用这个前缀生成全局唯一的IPv6地址。这是SLAAC中的关键步骤。前缀的长度通常是64位。
地址自动配置标志：RA消息中有两个重要标志（flags）：
- A标志（Autonomous Flag）：如果设置为1，表示设备可以基于RA消息中的前缀自行生成IPv6地址（即SLAAC）。
- M标志（Managed Flag）：如果设置为1，表示需要使用DHCPv6来获取IP地址，不能通过SLAAC自动生成。
- O标志（Other Flag）：表示设备应通过DHCPv6获取其他配置信息（如DNS服务器等），而非依赖RA消息。
默认路由信息：RA消息告诉设备哪个IPv6地址是默认网关（通常是发送RA消息的路由器的地址）。设备可以将其设置为默认路由，以便与外部网络通信。
有效期信息：RA消息中包含前缀的有效期和默认路由的寿命信息，告诉设备前缀和路由的有效时间。这决定了设备多长时间后需要重新验证这些信息。
MTU（最大传输单元）：RA消息中可能包含网络的MTU值，告诉设备所连接网络支持的最大数据包大小。
递归DNS服务器（RDNSS）：RA消息有时还包含递归DNS服务器的地址，设备可以通过这个信息配置DNS解析服务。
其他可选参数：如生存时间（Hop Limit）、重传间隔等。

RA消息的传输方式

定期发送：IPv6路由器定期广播RA消息，以便通知网络中的所有设备网络参数和配置信息。这种定期广播确保新接入的设备可以及时获取配置信息。
按需响应：当设备接入网络时，可以发送Router Solicitation（RS）消息，向网络中的路由器询问配置。路由器在接收到RS消息后会立即响应一个RA消息。

RA消息的作用过程

典型的RA消息使用过程如下：

设备首次接入IPv6网络时，发送RS（Router Solicitation）消息，询问路由器的存在及网络配置。
路由器响应RA消息，设备根据RA消息中的前缀和标志信息进行地址自动配置。
如果RA消息允许SLAAC（通过A标志），设备使用RA中的前缀结合自己的接口标识符生成IPv6地址。
设备会根据RA消息中的其他信息（如默认路由、DNS服务器）进行进一步的网络配置。

RA消息与SLAAC的关系

SLAAC是无状态地址自动配置，设备通过接收RA消息中的前缀信息自动生成IPv6地址，而无需依赖外部的DHCP服务器。RA消息中的A标志和前缀信息决定了设备是否可以使用SLAAC进行配置。

重复地址检测（Duplicate Address Detection，DAD）

重复地址检测（Duplicate Address Detection，DAD）是IPv6协议中的一种机制，旨在确保在网络中没有两个设备使用相同的IP地址，避免地址冲突。

DAD的工作原理

重复地址检测的基本原理是：在一个节点配置一个IPv6地址时，它会在使用该地址前，先检查这个地址是否已经被其他设备使用。这个过程通过发送特定的 邻居发现协议（Neighbor Discovery Protocol, NDP） 消息来完成。

具体步骤如下：

生成临时地址：设备首先生成一个候选的IPv6地址。例如，当使用SLAAC时，设备基于链路本地前缀 fe80:: 和设备的MAC地址生成一个链路本地地址。
发送邻居请求（Neighbor Solicitation，NS）：
- 设备发送一个特殊的 邻居请求（NS） 消息，这个消息的目标地址是它希望使用的IPv6地址。
- 该消息是多播发送到本地链路上的所有设备，实际上询问网络中的其他设备：“这个地址已经在使用了吗？”
监听邻居通告（Neighbor Advertisement，NA）：
- 如果网络中的其他设备已经在使用该地址，那么该设备会响应并发送 邻居通告（NA），告知新的设备这个地址已经被占用。
确认结果：
- 如果没有收到响应：表示这个IPv6地址没有重复，设备可以安全地使用该地址。
- 如果收到响应：表示该地址已经被其他设备使用，设备将不会使用该地址，可能会生成新的地址或请求手动配置。

DAD的适用范围

链路本地地址（Link-Local Address）：IPv6设备在启动时会首先为每个网络接口生成一个链路本地地址，并通过DAD确保该地址在本地链路中是唯一的。
全局单播地址（Global Unicast Address）：当使用无状态地址自动配置（SLAAC）生成全球单播地址时，设备也会通过DAD检测全局地址的唯一性。
手动配置的IPv6地址：即使是手动配置的IPv6地址，也会通过DAD来确保地址不冲突。

特点和局限性

无状态自动配置依赖DAD：IPv6中的无状态地址自动配置（SLAAC）允许设备自行生成IP地址，而无需手动配置或依赖DHCP。在这种情况下，DAD尤为关键，确保生成的地址唯一。
只在链路本地范围内有效：DAD只在本地链路范围内有效，即检测的是本地链路上的设备是否存在地址冲突，无法跨链路或跨网络检测。
延迟问题：由于DAD需要检测地址的唯一性，这在设备启动或重新配置时可能会引入短暂的延迟，通常为几百毫秒。
与IPv4的不同：IPv4中通常通过ARP（地址解析协议）来检测地址冲突，而IPv6则使用NDP的DAD机制来进行类似的功能。

IPv6 SLAAC