IPv6系列-初学者的10个常见困扰

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本文是《IPv6系列》文章的第二篇《常见困扰》,紧接《入门指南》,用于解答IPv6的10个常见困扰。

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目录

▪ 本文缘由
▪ 困扰1. IPv4和IPv6只有地址格式不同吗
▪ 困扰2. IPv4到IPv6对应用程序是透明无感知的吗
▪ 困扰3. 提供WEB服务,需要每台服务器都配置IPv6地址吗
▪ 困扰4. IPv4和IPv6要配在同一张网卡上吗
▪ 困扰5. 我的网卡有fe80开头的地址,可以用来上公网吗
▪ 困扰6. IPv6地址如何配置
▪ 困扰7. 没有了ARP,如何解析MAC地址
▪ 困扰8. IPv6使用多播替代广播,需要做哪些改造
▪ 困扰9. IPv6真的安全吗
▪ 困扰10. 如何学习IPv6
▪ 后续说明


本文缘由

在笔者的上一篇文章《IPv6系列-入门指南》里,简要阐述了以下内容:

▷ 掌握IPv6的必要性
▷ IPv6的3个常见顾虑
▷ IPv6基础知识
▷ 常用测试方法

而在进一步的实践学习中,会遇到很多的困扰。笔者结合自己以及身边的同行兄弟们遇到的困扰,精心挑选出10个困扰在本文中进行解答。

如果没有阅读过《IPv6系列-入门指南》,敬请劳神垂阅,以便知识的连贯。


困扰1. IPv4和IPv6只有地址格式不同吗

除了地址格式不同,IPv4与IPv6协议栈也不同,他们在逻辑上是完全不同的2个世界

以下实践中经常会遇到的4个不同之处:

基本通讯过程:ND替代ARP、多播替代广播、fe80地址成为标配、ICMP成为通讯核心
IP配置方式:客户端以无状态自动配置IP成为主流,弱化DHCP
DNS域名解析:AAAA记录替代IPv4的A记录、对应用存在优先级问题(优先解析AAAA还是A)
应用层适应性:socket编程中AF_INET仅支持IPv4,AF_INET6仅支持IPv6


困扰2. IPv4到IPv6对应用程序是透明无感知的吗

错,是有感知的,上层应用程序需要进行改造。

举个例子,当访问fzxiaomange.com时候,是要优先解析IPv6地址(AAAA)还是IPv4地址(A),因为总得选一条线路来发送请求。现在许多框架会优先选择IPv6。

注意:如果解析出AAAA记录,即使本机没有可路由IPv6地址,也有可能依然尝试通过IPv6进行请求,导致请求失败

还有一个典型的例子,是程序会在应用层里交互底层IP地址,比如FTP主动模式会在应用层里交互IPv4地址,而如果实际可用的是IPv6地址,就可能导致后续连接的异常。

无法做到透明无感知,是导致产生IPv4到IPv6的部分过渡方案的原因之一。


困扰3. 提供WEB服务,需要每台服务器都配置IPv6地址吗

现在有一种言论,说“IPv6地址无限多,每台服务器都可以配一个IP地址,不用做NAT”。

这很容易误导人,具体如何使用IPv6,还得根据场景而定。比如笔者的个人博客fzxiaomange.com,由nginx->php->mysql组成,分别位于3台服务器上,那只需要在nginx上配置IPv6地址,并在DNS上添加一条AAAA记录指向L7的IPv6地址即可。完全没必要在php、mysql服务器上配置IPv6地址,而且一旦配置了,就直接暴露内网了。

每个设备都配置IPv6,主要适用于偏客户端以及地址需求量大的场景,诸如物联网设备、手机4G、家庭宽带等。

另外,IPv6有NAT,适用于办公PC、机房服务器等需要访问IPv6网络,而不想被别人主动访问的场景。


困扰4. IPv4和IPv6要配在同一张网卡上吗

都可以,首先需要先了解2个词“单栈”“双栈”

以节点为角度(通用的解释):

▷ 单栈:表示一个IPv6节点,也就是一台服务器,或一部手机,仅有IPv6地址,或仅有IPv4地址,前者叫做“IPv6单栈”“IPv6-Only”,后者叫“IPv4单栈”“IPv4-Only”
▷ 双栈:表示一个IPv6节点,同时拥有IPv6地址和IPv4地址

以网卡为角度

▷ 单栈:表示一张网卡仅有IPv6地址,或仅有IPv4地址,示意图如下

singlestack

▷ 双栈:表示一张网卡同时拥有IPv6地址和IPv4地址

dualstack

IPv4和IPv6在逻辑上是两个完全不相交的世界。如果终端处位于同一个物理层,比如同一个VLAN,那么网卡就只能同时配置IPv6地址和IPv4地址;反之,就必须一张网卡配置IPv6,另一张网卡配置IPv4。所以,关键看网络架构是如何设计,各有利弊。比如放同一张网卡上,就可以做到带宽共享,而放不同网卡,可以做到带宽分别限制与计费。


困扰5. 我的网卡有fe80开头的地址,可以用来上公网吗

win10
centos7

当网卡启动的时候,会自动生成“链路本地地址”(Link-Local Address),这是一个fe80::/10的单播地址。“链路本地地址”用于IP自动配置邻居发现等。

注意事项

▷ 核心:每张网卡都会存在“链路本地地址”,这是IPv6协议通讯的核心,不应当删掉
▷ 范围:仅在同一个二层范围内进行传播,不会被路由器做转发
▷ 地址:“链路本地地址”的算法不统一,有的操作系统会根据mac地址计算而来(EUI-64),而有的则是随机或其他某种算法计算而来
▷ 服务:“链路本地地址”虽然可以在二层内互通,但主要用于核心通讯以及某些网络高级协议。不适用于上层应用业务之间的通讯。因此不能用来上公网,也不能用于对外提供服务


困扰6. IPv6地址如何配置

公网地址和私网地址

▷ 公网地址:“全球单播地址”(Global Unicast Address,2000::/3)
▷ 私网地址:“唯一本地地址”(Unique-Local Address,fc00::/7)

细心的人可能会发现,为什么这里叫做“全球单播地址”,而“唯一本地地址”却不叫做“唯一本地单播地址”,好吧,其实都是简称,在RFC里是这么定义的:“Global Unicast Addresses”、“Link-Local IPv6 Unicast Addresses”。其实“全球单播地址”是可以叫做“全球地址”的,只是这样显得有点别扭。

自动生成还是固定IP

在IPv6里,任何单播地址都可以自动生成,也可以手工配置固定IP,具体看应用场景:

▷ 客户端:如果我想访问ipv6互联网,而不对外提供服务,那么使用自动生成即可,无需使用固定的ip地址
▷ 服务端:如果需要对外提供服务,那么ip地址就需要固定了,不能使用自动生成

自动配置IP

在ipv6里还分为2种方法:“有状态”与“无状态”

▷ 有状态(Stateful):地址由DHCPv6 Server统一管理,DHCPv6 Client从中获得一个可用的IP地址
▷ 无状态(Stateless,简称SLAAC):路由器发出“路由通告”报文(Router Advertisement,简称RA),报文内包含了IPv6地址的前缀信息。当收到RA包后,就会根据其中前缀信息,自动生成一个或多个IP地址


困扰7. 没有了ARP,如何解析MAC地址

ARP协议是IPv4用于解析目标MAC地址的协议,而在IPv6里,解析地址采用的是邻居发现(Neighbor Discovery Protocol,简称NDP或ND)

ND不是一个具体协议,而是用来描述多个相关功能的协议的抽象集合,所涵盖的所有协议均是基于ICMPv6。其中有2种报文与解析MAC地址有关:

邻居请求报文NS(Neighbor Solicitation):请求解析
邻居通告报文NA(Neighbor Advertisement):响应解析

这与ping是非常类似的:

▷ ping:发送icmp的echo request报文,对端响应icmp的echo reply报文
▷ 地址解析:发送icmp的ns报文,对端响应icmp的na报文


困扰8. IPv6使用多播替代广播,需要做哪些改造

IPv6使用多播替代了广播,多播的特点是不会像广播那样完全泛洪,而是数据包只发送给加入了多播组的机器。

但是,这有个前提,就是交换机要能识别并维护多播组的信息,主流交换机都具备此功能,然而并不都是默认开启的。对于二层交换机来说,需要开启MLDv2 Snooping

顾名思义,就是交换机会识别“MLDv2成员报告”报文从哪个端口发来的,并记录下来,之后当交换机收到多播包后,会先查找其多播地址是否能在缓存里匹配上

▷ 匹配成功:仅会将数据包从相应的端口发出
▷ 匹配失败:就会泛洪,此时和广播毫无差异


困扰9. IPv6真的安全吗

理想很美好,IPv6从设计之初,就进行了大量的安全方面的设计,“完整的”IPv6在安全方面有至少以下3个优势:

▷ 原生支持的端到端加密
▷ 安全的邻居发现(Secure Neighbor Discovery,简称SEND
▷ 更大的地址空间

现实很残酷,只有第3点发挥了作用,更大的地址空间,减少了被非法扫描到的概率。而第1、2点并没真正普及起来,因为协议本身就很复杂、学习难度很大、实现起来也很不容易。因此IETF为了加速IPv6的普及,对安全性不再强制要求。这也导致了IPv6实际上并没有预期中的那么安全,在IPv4里存在的地址欺骗、虚假网关等情况,在IPv6里依然存在。


困扰10. 如何学习IPv6

网上能找到非常多的IPv6教程,其中有很多教程都是通篇讲IPv6地址、IP包格式、ICMP包格式,这很容易让初学者打退堂鼓。笔者虽然不是专业的网工,但愿能抛砖引玉,推荐的学习步骤如下:

1️⃣ IPv6的历史、设计理念
2️⃣ IPv6的地址格式、分类、前缀计算,以及与IPv4的对比
3️⃣ IP地址、网关路由的配置与查看
4️⃣ 服务端实践,尝试给自己的网站增加IPv6
5️⃣ 客户端实践,让自己的PC访问IPv6互联网
6️⃣ 应用层实践,自己写一对C/S程序,能同时支持IPv4与IPv6
7️⃣ IPv6通讯原理,抓包分析每个包,熟悉ND、DHCPv6等
8️⃣ IPv4与IPv6的互访、过渡
9️⃣ IPv6安全
🔟 具体领域的IPv6,例如移动IPv6


后续说明

在《IPv6系列》后续文章中,笔者会有选择性地对“困扰10”中提到的部分内容整理成文。为什么是有选择性,因为笔者并非网工出身,没有把握写出更好的文章,不能误人子弟。

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