IPv6 排障工具之 ping6 完整過程細節剖析

一、ICMPv6 簡介

ICMPv6（Internet Control Message Protocol for the IPv6）是 IPv6 的基礎協議之一。ICMPv6 具備向源地址報告關於向目的地傳輸 IPv6 數據包過程中的差錯信息和控制信息。

ICMPv6 定義了一些消息，如：目的不可達、數據包超長、超時、響應請求和響應應答等。在 IPv6 中，ICMPv6 除了提供 ICMPv4 常用的功能之外，還有其它一些功能，如鄰接點發現、無狀態地址配置（包括重複地址檢測）、PMTUD 等。

二、ICMPv6 報文格式

ICMPv6 報文格式如下圖所示：

ICMPv6 屬於 OSI 七層協議棧的網絡層，雖然和 IPv6 屬於同一層，但是封裝時必須先封裝 IPv6 報文頭部。

ICMPv6 字段註釋：

• Type：表明消息的類型，0 至 127 表示差錯報文類型，128 至 255 表示信息報文類型。
• Code：表示此消息類型細分的類型。
• Checksum：表示 ICMPv6 報文的校驗和。

三、ICMPv6 差錯報文

ICMPv6 差錯報文用於報告在轉發 IPv6 數據包過程中出現的錯誤，可以分為以下 4 種：

1. 目的不可達錯誤報文

在 IPv6 中間設備轉發 IPv6 報文過程中，當設備發現目的地址不可達時，就會向發送報文的源地址發送 ICMPv6 目的不可達錯誤報文，同時報文中會攜帶引起該錯誤報文的具體原因。

目的不可達錯誤報文的 Type 字段值為 1，根據錯誤具體原因又可以細分為：

Code=0：沒有到達目標設備的路由。

Code=1：與目標客戶端的通信被管理策略禁止。

Code=2：未指定。

Code=3：目的 IP 地址不可達。

Code=4：目的端口不可達。

2. 數據包過大錯誤報文

在 IPv6 中間設備轉發 IPv6 報文過程中，發現報文超過出接口的鏈路 MTU 時，則向發送報文的源地址發送 ICMPv6 數據包過大錯誤報文，其中攜帶出接口的鏈路 MTU 值。數據包過大錯誤報文是 Path MTU 發現機制的基礎。

數據包過大錯誤報文的 Type 字段值為 2，Code 字段值為 0。

3. 時間超時錯誤報文

在 IPv6 報文收發過程中，當設備收到 Hop Limit 字段值等於 0 的數據包，或者當設備將 Hop Limit 字段值減為 0 時，會向發送報文的源地址發送 ICMPv6 超時錯誤報文。對於分段重組報文的操作，如果超過定時時間，也會產生一個 ICMPv6 超時報文。

時間超時錯誤報文的 Type 字段值為 3，根據錯誤具體原因又可以細分為：

Code=0：在傳輸中超越了跳數限制。

Code=1：分片重組超時。

當目的節點收到一個 IPv6 報文時，會對報文進行有效性檢查，如果發現問題會向報文的源地址回應一個 ICMPv6 參數錯誤差錯報文。

參數錯誤報文的 Type 字段值為 4，根據錯誤具體原因又可以細分為：

Code=0：IPv6 基本頭或擴展頭的某個字段有錯誤。

Code=1：IPv6 基本頭或擴展頭的 NextHeader 值不可識別。

Code=2：擴展頭中出現未知的選項。

四、ICMPv6 信息報文

ICMPv6 信息報文提供診斷功能和附加的主機功能，比如組播偵聽發現和鄰居發現。

常見的 ICMPv6 信息報文主要包括回應請求報文（Echo Request）和回應應答報文（Echo Reply），這兩種報文也就是通常使用的 Ping6 報文。可以分為以下 2 種：

1. 回應請求報文

回應請求報文用於發送到目標地址，以使目標地址立即發回一個回應應答報文。回應請求報文的 Type 字段值為 128，Code 字段的值為 0。

2. 回應應答報文

當收到一個回應請求報文時，ICMPv6 會用回應應答報文響應。回應應答報文的 Type 字段的值為 129，Code 字段的值為 0。

五、ping6 完整過程梳理

如下圖所示，雲主機 CVM1 要和 CVM2 通信（假設 CVM 的 IPV6 地址和 VPC 已經按文檔 https://cloud.tencent.com/document/product/213/40010 正常配置且 IPV6 路由和地址檢查都正常）。

從 CVM1 輸入命令 ping6 2402:4e00:1200:2001::2020 -c 10，輸出的結果如下圖所示：

這是一次成功的 ping6 測試，但是這次 ping6 的細節大家也許不太瞭解。接下來我們主要按 OSI 協議棧來剖析整個 ping6 的工作過程以及整個過程會用到的相關報文。

Step1：ICMPv6 創建一個 56 字節的回應請求：

Step2：ICMPv6 在 56 字節的請求數據基礎上加上 ICMPv6 頭部：

回應請求報文的 Type 字段值為 128，Code 字段的值為 0，然後交給 IPv6 協議封裝；

Step3：IPv6 協議在 ICMPv6 基礎上增加 IPv6 頭部：（網絡層封裝）

封裝的源 IPv6 地址是接口網卡 v6 地址：2402:4e00:1200:2002::2011

封裝的目標 IPv6 地址：2402:4e00:1200:2001::2020

Step5：通過默認路由找到可以通過網卡 eth0 進行轉發，但是需要數據鏈路層封裝成功後才能從網卡轉發出去。數據鏈路層封裝的源 MAC 就是出接口 eth0 的 MAC 地址，目標 MAC 地址要從 ip -6 neigh 表（類似 IPv4 的 ARP 表）中查詢到。

這裡並沒有學習到目標 IPv6 地址 2402:4e00:1200:2001::2020 對應的 MAC 地址，導致無法進行數據鏈路層封裝。

Step6：為了學習到目標地址 2402:4e00:1200:2001::2020 對應的 MAC 地址，首先發送 NS 報文：Type 字段值為 135，Code 字段值為 0，在地址解析中的作用類似於 IPv4 中的 ARP 請求報文。

這裡面存在著兩個問題，下面我們也會給出相應的解釋：

（1）被請求節點組播 IPv6 地址 FF02::1:FF00:2020 如何生成？

IPv6 中沒有廣播地址，也不使用 ARP。但是仍然需要從 IP 地址解析到 MAC 地址的功能。

在 IPv6 中，這個功能通過鄰居請求 NS（Neighbor Solicitation）報文完成。當一個節點需要解析某個 IPv6 地址對應的 MAC 地址時，會發送 NS 報文，該報文的目的 IP 就是需要解析的 IPv6 地址對應的被請求節點組播地址，只有具有該組播地址的節點會檢查處理。

被請求節點組播地址由前綴 FF02::1:FF00:0/104 和目標單播地址的最後 24 位組成。由於目標單播地址是 2402:4e00:1200:2001::2020, 所以生成的被請求節點組播地址是：FF02::1:FF00:2020。

（2）被請求節點組播 MAC 地址 33:33:ff:00:20:20 如何生成？

組播 MAC 地址 48bit 的前 24bit 默認固定是 33:33:ff，後半部分是被請求節點組播地址的後 24bit，所以生成的組播 MAC 地址是 33:33:ff:00:20:20。

Step7：CVM1 發送的 NS 請求報文給到虛擬網關路由器，虛擬網關路由器收到 NS 報文後查看路由表匹配到路由 2402:4e00:1200:2001::/64，代理目標地址回覆一個 NA 報文：Type 字段值為 136，Code 字段值為 0，在地址解析中的作用類似於 IPv4 中的 ARP 應答報文。

IPv6 地址解析示意圖：

學習到目標地址 2402:4e00:1200:2001::2020 對應的 MAC 地址是 fe:ee:1e:1b:cb:e0。學習到的 MAC 存入到 IPV6 鄰居表中：

Step8：回到 Step5 有了目標 IPv6 地址 2402:4e00:1200:2001::2020 對應的 MAC 地址可以進行數據鏈路層封裝，然後從網卡 eth0 發出第一個 ICMPv6 的回應請求報文：

從第一個 NS 到第一個 ICMPv6 回應請求的發出順序如下：（CVM1 的網卡抓包）

Step9：該回應請求報文到達虛擬網關路由器 A 後查路由表找到對應的 overlay 網絡隧道（這裡的虛擬網關和 overlay 網絡暫不用展開）轉發到目標虛擬網關路由器 B，然後由虛擬網關路由器 B 轉發給 CVM2 的 eth0 網卡。

Step10：CVM2 的網卡 eth0 收到回應請求報文後通過二層幀頭的 type 字段，確認遞交給 IPv6 協議處理。

Step11：IPv6 協議處理頭部，檢查目標 IP 正確，檢查下一個協議頭部類型是 ICMPv6。

Step12：當收到一個回應請求報文時，ICMPv6 會用回應應答報文響應。回應應答報文的 Type 字段的值為 129，Code 字段的值為 0。

CVM2 按同樣的方式去查路由表封裝網絡層報文，按 Step5 到 Step7 解析到 MAC 後，查 ipv6 鄰居表封裝數據鏈路層的目的 MAC。

具體 CVM2 從收到第一個回應請求報文到發出第一個回應應答報文順序如下：

學習到 MAC 後發送回應應答報文：

Step13：該回應應答報文到達虛擬網關路由器 B 後查路由表找到對應的 overlay 網絡隧道轉發到目標虛擬網關路由器 A，然後由虛擬網關路由器 A 轉發給 CVM1 的 eth0 網卡。

Step14：CVM1 和 CVM2 以及虛擬路由器 A 和 B 都已經緩存了對應 IPv6 地址的 MAC，後續封裝無效再發送 NS 與 NA，直接數據鏈路層封裝後路由轉發即可。

CVM1 完整的 10 個 ping6 報文截圖如下：

CVM2 完整的 10 個 ping6 報文截圖如下：

CVM1 的 ping6 成功的截圖如下：

到此一次完整的 ping6 的過程就結束了，同樣的道理，其他協議報文也是有這樣的一個封裝和解封裝過程，希望本文能夠讓對大家有所幫助。

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