原创【科普系列】ICMPv6协议基础简介

 2024-12-4 14:04  135 0 分类: 汽车电子

引言

在科普介绍文章《IPv6协议—互联网通信协议第六版》中介绍了IPv6协议，这次的科普主题是ICMPv6（Internet Control Message Protocol version 6），它作为IPv6网络中的核心协议之一，是网络通信中不可或缺的一部分。ICMPv6的设计继承了IPv4中ICMPv4协议的基本功能，然而，它不仅仅是IPv6中错误报告和诊断工具，更在IPv6网络的运行中扮演了重要角色。与IPv4不同，IPv6不再依赖ARP（地址解析协议）来解析网络节点的物理地址，而是通过ICMPv6的邻居发现（Neighbor Discovery）功能来实现此类操作。此外，ICMPv6还支持地址自动配置、路径MTU发现、网络邻居的可达性检测等功能，这些都大大简化了IPv6网络的配置和管理。

在IPv6网络的日常运行中，ICMPv6不仅提供了基础的错误报告机制，还使得网络设备能够更加灵活地自动配置和发现网络拓扑。因此，理解ICMPv6协议及其各类报文的作用，对于网络工程师和系统管理员来说是非常必要的。

ICMPv6的报文格式

图 ICMPv6报文通用格式

ICMPv6报文的通用格式如上图所示，主要包括以下几个字段，每个字段在网络通信中都起到至关重要的作用：

Type（报文类型）：这是ICMPv6报文的首个字段，用于标识报文的类型。ICMPv6报文根据其功能可分为两大类：差错报文（类型范围：0-127）和消息报文（类型范围：128-255）。每种类型对应特定的错误报告或网络功能。

Code（报文子类型）：Code字段进一步细化了报文的类型。根据不同的报文类型，Code的值代表不同的具体子类型。例如，目的不可达报文中Code字段的值为0表示网络不可达，为1表示主机不可达，等等。

Checksum（校验和）：该字段用于对ICMPv6报文的完整性进行校验。校验和的计算能够确保在传输过程中数据未发生错误。ICMPv6要求对报文进行完整性检查，以保证通信的可靠性。

ICMPv6报文分类

ICMPv6报文根据功能的不同，分为差错报文和消息报文。

1. 差错报文（Type 0-127）

差错报文主要用于报告网络中的错误，帮助设备发现和解决通信问题。

目的不可达报文（Destination Unreachable, Type 1）：该报文用于报告数据包无法到达目标节点的情况。通常，路由器在无法找到目标节点或无法转发数据包时，发送目的不可达报文。根据不同的错误类型，Code字段有多个取值：
0 - 没有到目的地址的路由
1 - 禁止与目的地址通讯
2 - 超出源地址的范围
3 - 地址不可达
4 - 端口不可达
5 - 源地址入口/出口策略失败
6 - 拒绝到目的地址的路由
数据包过大报文（Packet Too Big, Type 2）：当数据包的大小超过链路的最大传输单元（MTU）时，路由器会发送该报文告知源节点减少数据包大小。
时间超时报文（Time Exceeded, Type 3）：当数据包的Hop Limit字段为0时，数据包会被丢弃，同时会发送超时报文。这通常表示数据包在传输过程中经过的跳数超出了允许的最大值，或者在分片重组时超时。Code字段值包括：
0 - Hop limit exceeded in transit传输过程中“hop-limit”超时；
1 - Fragment reassembly time exceeded分片重组超时；
参数错误报文（Parameter Problem, Type 4）：当IPv6数据包中的头部或扩展头部格式错误时，路由器会发送参数错误报文，指示数据包格式有问题。Code值包括0-2：
0 – 错误的首部字段；
1 – 不可识别的Next Header类型；
2 – 不可识别的IPv6选项。

2. 消息报文（Type 128-255）

消息报文则负责执行网络配置、诊断等功能。

Echo Request（Type 128）与Echo Reply（Type 129）：Echo请求和Echo响应报文的功能与IPv4中的Ping类似。Echo请求用于测试节点之间的连通性，目标节点返回Echo响应，确认数据包的传输。
RS报文（Router Solicitation, Type 133）：主机首次接入IPv6网络时，会发送RS报文，向路由器请求网络配置信息，如前缀、MTU等。接收到该报文的路由器会发送RA（详见下文）报文作为回应。

图 RS报文示例

RA报文（Router Advertisement, Type 134）：RA报文由路由器周期性广播，或者在收到RS报文后作为响应发送，提供网络配置信息，如前缀、链路本地地址、MTU、跳数限制等。Cur Hop Limit表示主机跳数限制，M位（管理地址配置位）指示主机是否需要使用DHCPv6获取配置，该位为0表示无状态自动配置，为1表示通过DHCPv6服务器获取配置信息，该位置1时O位无意义，因为所有参数依然通过DHCPv6获得。O位（其他配置标志位）指示是否有其他配置可用，该位置0表示 DHCPv6服务器没有其他可用信息。该位置1时，其他参数使用DHCPV6服务器获得，包括路由器生存时间、邻居可文达时间、邻居的重传时间、链路的MTU信息和DNS相关信息等。

图 RA报文示例

NS报文（Neighbor Solicitation, Type 135）：NS报文主要包括以下功能：

1）地址解析：在IPv6中，没有类似IPv4中的ARP（地址解析协议）来解析链路层地址（如MAC地址）。而NS报文用于请求或查询目标节点的链路层地址，当一个IPv6主机需要发送数据包到网络中某个已知的IPv6地址时，它首先需要知道目标节点的链路层地址（MAC地址）。此时，发送NS报文给目标节点，并在Target Address字段中填入目标节点的IPv6地址。

2）邻居可达性检测：NS报文还用于检测网络中某一节点是否仍然活跃，是否能够正常接收数据。当发送节点收到目标节点的NA（详见下文）报文时，即可确认该目标节点是可达的。若目标节点没有回应，发送节点会根据超时情况判断目标节点是否不可达。

3）地址冲突检测：在进行IPv6地址自动配置时，主机会随机选择一个IPv6地址，并通过发送NS报文来检测该地址是否已经被其他节点使用。如果网络中有其他节点回复NA报文，表示该地址已被占用，主机则需要选择另一个地址。

图 NS报文示例

NA报文（Neighbor Advertisement, Type 136）：NA报文是NS报文的响应，通常由目标节点（即被查询的节点）发送，用来告知请求方自己的链路层地址和可达性信息。NA报文主要功能包括：

1）响应地址解析请求：当一个节点接收到NS报文时，它会通过发送NA报文来响应请求，提供自己的链路层地址（通常是MAC地址）。

2）确认邻居可达性：如果节点A通过NS报文检测到节点B的可达性，节点B通过发送NA报文来响应，确认其处于活动状态。

3）地址冲突响应：如果某个节点在收到NS报文时发现该地址与自己冲突（即自己已经使用该地址），它将通过NA报文告知发送NS报文的节点。

图 NA报文示例

ICMPv6的安全性

尽管ICMPv6在IPv6网络中扮演着重要角色，但其也可能成为网络攻击的潜在目标。以下是几种可能的攻击类型：

ICMPv6洪水攻击（Flood Attacks）：攻击者可以发送大量的ICMPv6报文，消耗网络带宽和资源，从而导致目标设备的性能下降，甚至瘫痪。
ICMPv6重定向攻击（Redirect Attacks）：攻击者可能伪造ICMPv6的重定向报文，诱使节点向错误的网关发送数据，从而导致流量被劫持。
ICMPv6拒绝服务（DoS）攻击：通过发送大量无效或恶意的ICMPv6报文，攻击者可以导致网络设备响应超载，影响服务的正常运行。

总结

ICMPv6不仅是IPv6网络中不可或缺的协议，它还为网络设备提供了关键的支持功能，包括地址自动配置、邻居发现、路径MTU发现等。ICMPv6的广泛应用大大简化了IPv6网络的配置与管理，提高了网络的自适应能力和可扩展性。而随着IPv6在车载网络的逐步普及（例如大众、奥迪等整车厂早已应用IPv6），掌握ICMPv6协议的基础及其应用，能够帮助汽车电子领域的网络工程师更好地管理和优化网络环境，并确保网络的高效、安全运行。

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