IPV6 ND协议--源码解析【根源分析】

ND协议介绍

ND介绍请阅读上一篇文章：IPv6知识 - ND协议【一文通透】
11.NDP协议分析与实践_router solicitation报文中不携带source link-layer address-CSDN博客

ND协议定义了5种ICMPv6报文类型，如下表所示：

NS/NA报文主要用于地址解析
RS/RA报文主要用于无状态地址自动配置
Redirect报文用于路由器重定向。

源码存在于头文件

#include<netinet/ip6.h>
#include<netinet/icmp6.h>
#include<netinet/ether.h>

NS包解析

ICMPv6邻居请求（Neighbor Solicitation）消息

其中各字段的含义如下：
1）Target Address：待解析的IPv6地址，16types。Target Address不能是组播地址，可以是链路本地地址、站点本地地址和全球单播地址。
2）Options:地址解析中只使用了链路层地址选项（Link-Layer Address Option），是发送NS报文节点的链路层地址。
Source/Target Link-Layer Address（链路层地址选项）的格式如下图所示：

其中各字段含义如下：
1）Type：选项类型，在链路层地址选项中包括如下两种：

Type=1，表明链路层地址为Source Link-Layer Address（源链路层地址），在NS，RS，Redirect报文中使用。
Type=2，表明链路层地址为Target Link-Layer Address（目标链路层地址），在NA，Redirect报文中使用。

2）Length：选项长度，以8bytes为单位。
3）Link-Layer Address：链路层地址。长度可变，对于以太网为6bytes。

邻居请求报文NS（Neighbor Solicitation）报文：Type字段值为135，Code字段值为0，在地址解析中的作用类似于IPv4中的ARP请求报文。用来获取邻居的链路层地址，验证邻居是否可达，进行重复地址检测等。

NA包解析

ICMPv6邻居通告（Neighbor Adivertisment）消息

其中各字段的含义如下：
1）Target Address：待解析的IPv6地址，16types。Target Address不能是组播地址，可以是链路本地地址、站点本地地址和全球单播地址。被公告的 IP 地址，不能是多播地址
2）R (Router flag) : 发送者是否为 Router; 当 Router 不再扮演 Router 角色时，将该值设置为 0，Hosts 会将该 Router 从默认路由表中删除
3）S (Solicited flag) : 是否为 NS 响应消息
4）O (Override flag) : 通知其他节点 link 地址变化
5）Options: 地址解析中只使用了链路层地址选项（Link-Layer Address Option），是发送NS报文节点的链路层地址。链路层地址选项的格式如下图所示：
其中各字段含义如下：
1）Type：选项类型，在链路层地址选项中包括如下两种：

Type=1，表明链路层地址为Source Link-Layer Address（源链路层地址），在NS，RS，Redirect报文中使用。
Type=2，表明链路层地址为Target Link-Layer Address（目标链路层地址），在NA，Redirect报文中使用。

2）Length：选项长度，以8bytes为单位。
3）Link-Layer Address：链路层地址。长度可变，对于以太网为6bytes。

邻居通告报文NA（Neighbor Adivertisment）报文：Type字段值为136，Code字段值为0，在地址解析中的作用类似于IPv4中的ARP应答报文。用来对NS消息进行响应。另外，当节点在链路层变化的时候主动发出NA消息，告知邻居本节点的变化。

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RS包解析

ICMPv6路由器请求（Router Solicitation）消息

其中字段含义如下：
Options（选项）字段：只能是源链路层地址选项，表明该报文发送者的链路层地址，不过如果IPv6报头的源地址为未指定地址，则不能包括该选项。
ICMPv6路由器请求（Router Solicitation）消息：Type字段值为133，节点启动后，通过RS消息向路由器发出请求，请求前缀和其他配置信息，用于节点的自动配置。

RS包（路由请求）：结构体nd_router_solicit解析

RA包解析

ICMPv6路由器通告（Router Advertisement）消息

路由器周期性地发布 RA 消息，包含 on-link/off-link 的 prefix、hop-limit 和 link-MTU 等

其中字段含义如下：

类型 : 消息类型， RA 固定为 134
代码 : 发送者固定为 0，接收者忽略
校验和 : 用于校验 ICMPv6 和部分 IPv6 首部完整性
跳数限制 : 主机跳数限制，0 表示路由器没有指定，需主机设置
M (Managed Address Configuration) :
- M=1 : 表示目标机使用 DHCPv6 获取 IPv6 地址
- M=0 : 表示目标机使用无状态自动配置SLAAC，根据RA 消息获得的 IPv6 前缀构造 IPv6 地址
O (Other Configuration) :
- O=1 : 目标机使用 DHCPv6 获取其他配置信息(不包括 IPv6 地址)，比如 DNS 等
- O=0 : 目标机不使用 DHCPv6 获取其他配置信息(不包括 IPv6 地址)，比如手工配置 DNS 等
默认路由器有效期: 表示该路由器能当默认路由器的时间，0 表示不是默认路由，单位为秒
节点可达有效期 : 表示某个节点被确认可达之后的有效时间，0 表示路由器没有指定，需主机设置，单位毫秒
重传间隔时间 : 重新发送 NS 消息间隔时间，单位毫秒

Options选项字段中个选项的含义如下：
1）源链路层地址选项：路由器发送RA报文的接口的链路层地址。
2）MTU选项：包含了在链路上运行的链路层协议所能支持的MTU最大值，如果 MTU 可变, router 会发送该选项。
3）前缀信息选项（Prefix Information Option）：用于地址自动配置的前缀信息，可包含多个。前缀信息选项在RFC2461中定义，用于表示地址前缀和有关地址自动配置的信息，值用于RA报文中；在其他的消息中，此选项应该被忽略。自动配置地址时，指明前缀是否为 on-link 和是否可用来自动配置 IPv6 地址
其格式如下图所示：

4）路由信息选项（Route Information Option）：用于主机生产默认路由。通知主机添加指定的路由到路由表。
路由信息选项在RFC4191中定义，取代了原前缀信息选项的功能。接收RA报文的主机将选项中的信息添加到自己的路由表中，以便在发送报文时做出更好地转发决定，其个数如下图所示：

其中各字段含义如下所示：

5）通告间隔 : Mobile IPv6 extension，通知主机每隔多久 home agent 会定期发送 NA 消息
6）Home Agent Info : Mobile IPv6 extension，每个 Home agent 用来公告自己的优先顺序及有效期

RA包：nd_router_advert 解析

选项Options 解析

Options选项字段中个选项的含义如下：
1）源链路层地址选项：路由器发送RA报文的接口的链路层地址。
2）MTU选项：包含了在链路上运行的链路层协议所能支持的MTU最大值。

前缀信息选项解析

（3）前缀信息选项（Prefix Information Option）：用于地址自动配置的前缀信息，可包含多个。前缀信息选项在RFC2461中定义，用于表示地址前缀和有关地址自动配置的信息，值用于RA报文中；在其他的消息中，此选项应该被忽略。自动配置地址时，指明前缀是否为 on-link 和是否可用来自动配置 IPv6 地址
其格式如下图所示：

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ND重定向解析

当路由器发现更好的报文转发路径(next-hop)时候，会用重定向报文告诉主机

类型 : 消息类型，固定为 137
代码 : 发送者固定为 0，接收者忽略
**校验和 **: 用于校验 ICMPv6 和部分 IPv6 首部完整性
**目标地址 **: 重定向后的 Router 地址
**目的地址 **: 原始封包的目的位址
选项 :

目标链路层地址选项 : 目标的链路层地址，如果知道的话
重定向头部选项 : 引起 Router 发送 Redirect message 的原始封包內容或部分內容(重定向消息大小不能超过1280 bytes)

实战演练—NDP 编程

地址解析

地址解析在三层完成，不同的二层介质可以采用相同的地址解析协议
可以使用三层的安全机制（例如 IPsec）避免地址解析攻击
使用组播方式发送请求报文，减少二层网络的性能压力
NS/NA 消息的目的 IPv6 地址是个特定的组播地址，跳数限制为 255，保证不会跑远（不能转发或者路由）

ndp.h

#ifndef __ndp_h_
#define __ndp_h_/* 参考 linux /usr/include/netinet/icmp6.h */
#define ND_ROUTER_SOLICIT           133
#define ND_ROUTER_ADVERT            134
#define ND_NEIGHBOR_SOLICIT         135
#define ND_NEIGHBOR_ADVERT          136
#define ND_REDIRECT                 137#define ND_OPT_SOURCE_LINKADDR      1
#define ND_OPT_TARGET_LINKADDR      2
#define ND_OPT_PREFIX_INFORMATION   3
#define ND_OPT_REDIRECTED_HEADER    4
#define ND_OPT_MTU                  5
#define ND_OPT_RTR_ADV_INTERVAL     7
#define ND_OPT_HOME_AGENT_INFO      8struct icmp6_hdr {uint8_t  icmp6_type;   /* type field */uint8_t  icmp6_code;   /* code field */uint16_t icmp6_cksum;  /* checksum field */union {   uint32_t icmp6_un_data32[1]; /* type-specific field */uint16_t icmp6_un_data16[2]; /* type-specific field */uint8_t  icmp6_un_data8[4];  /* type-specific field */} icmp6_dataun;
};  struct nd_router_solicit      /* router solicitation */
{struct icmp6_hdr nd_rs_hdr;/* could be followed by options */
};#define nd_rs_type               nd_rs_hdr.icmp6_type
#define nd_rs_code               nd_rs_hdr.icmp6_code
#define nd_rs_cksum              nd_rs_hdr.icmp6_cksum
#define nd_rs_reserved           nd_rs_hdr.icmp6_data32[0]struct nd_router_advert       /* router advertisement */
{struct   icmp6_hdr nd_ra_hdr;uint32_t nd_ra_reachable;   /* reachable time */uint32_t nd_ra_retransmit;  /* retransmit timer *//* could be followed by options */
};#define nd_ra_type               nd_ra_hdr.icmp6_type
#define nd_ra_code               nd_ra_hdr.icmp6_code
#define nd_ra_cksum              nd_ra_hdr.icmp6_cksum
#define nd_ra_curhoplimit        nd_ra_hdr.icmp6_data8[0]
#define nd_ra_flags_reserved     nd_ra_hdr.icmp6_data8[1]
#define ND_RA_FLAG_MANAGED       0x80
#define ND_RA_FLAG_OTHER         0x40
#define ND_RA_FLAG_HOME_AGENT    0x20
#define nd_ra_router_lifetime    nd_ra_hdr.icmp6_data16[1]struct nd_neighbor_solicit    /* neighbor solicitation */
{struct icmp6_hdr nd_ns_hdr;uint8_t nd_ns_target[16]; /* target address */uint8_t nd_ns_options[0];
};#define nd_ns_type               nd_ns_hdr.icmp6_type
#define nd_ns_code               nd_ns_hdr.icmp6_code
#define nd_ns_cksum              nd_ns_hdr.icmp6_cksum
#define nd_ns_reserved           nd_ns_hdr.icmp6_data32[0]struct nd_neighbor_advert     /* neighbor advertisement */
{struct icmp6_hdr  nd_na_hdr;uint8_t nd_na_target[16]; /* target address */uint8_t nd_na_options[0]; /* could be followed by options */
};#define nd_na_type               nd_na_hdr.icmp6_type
#define nd_na_code               nd_na_hdr.icmp6_code
#define nd_na_cksum              nd_na_hdr.icmp6_cksum
#define nd_na_flags_reserved     nd_na_hdr.icmp6_data32[0]
#define ND_NA_FLAG_ROUTER        0x00000080
#define ND_NA_FLAG_SOLICITED     0x00000040
#define ND_NA_FLAG_OVERRIDE      0x00000020struct nd_redirect            /* redirect */
{struct icmp6_hdr  nd_rd_hdr;uint8_t nd_rd_target[16]; /* target address */uint8_t nd_rd_dst[16];    /* destination address *//* could be followed by options */
};#define nd_rd_type               nd_rd_hdr.icmp6_type
#define nd_rd_code               nd_rd_hdr.icmp6_code
#define nd_rd_cksum              nd_rd_hdr.icmp6_cksum
#define nd_rd_reserved           nd_rd_hdr.icmp6_data32[0]struct nd_opt_hdr              /* Neighbor discovery option header */
{uint8_t  nd_opt_type;uint8_t  nd_opt_len;       /* in units of 8 octets */uint8_t  nd_opt_data[0];   /* followed by option specific data */
};struct nd_neighbor_solicit* nd_alloc_ns(const char *taddr, const struct nd_opt_hdr *opt, size_t size);void nd_free_ns(struct nd_neighbor_solicit **ns);void nd_print_na(const struct nd_neighbor_advert *na, const struct nd_opt_hdr *tar_opt);struct nd_opt_hdr *nd_alloc_opt_src(const char *smac, int *size);void nd_free_opt(struct nd_opt_hdr **opt);int nd_socket(uint8_t hop_limit);ssize_t nd_send(int sockfd, const void *data, size_t size, const char *daddr, int flags);ssize_t nd_recv(int sockfd, void *buf, size_t size, const char *daddr, int flags); void nd_close(int sockfd);#endif /* __ndp_h_ */

ndp.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/ether.h>  /* for ether_aton */#include "ndp.h"
#include "common.h"struct nd_neighbor_solicit* nd_alloc_ns(const char *taddr, const struct nd_opt_hdr *opt, size_t size)
{struct sockaddr_in6 addr;struct nd_neighbor_solicit *ns;ns = (struct nd_neighbor_solicit *) calloc(1, sizeof(struct nd_neighbor_solicit) + size);ns->nd_ns_type = ND_NEIGHBOR_SOLICIT;ns->nd_ns_code = 0;if (inet_pton(AF_INET6, taddr, &addr.sin6_addr) == 0) handle_error_en(EINVAL, "taddr");memcpy(ns->nd_ns_target, &addr.sin6_addr, sizeof(addr.sin6_addr));if (NULL != opt && size > 0) memcpy(ns->nd_ns_options, opt, size);return ns;
}void nd_free_ns(struct nd_neighbor_solicit **ns)
{if (NULL != ns && NULL != *ns) {free(*ns);*ns = NULL;}
}void nd_print_na(const struct nd_neighbor_advert *na, const struct nd_opt_hdr *tar_opt) 
{char buffer[INET6_ADDRSTRLEN];printf("%02x\n", na->nd_na_type);printf("%02x\n", na->nd_na_code);printf("%04x\n", htons(na->nd_na_cksum));if (inet_ntop(AF_INET6, na->nd_na_target, buffer, INET6_ADDRSTRLEN) == NULL)handle_error("inet_ntop");printf("%s\n", buffer);printf("%s\n", ether_ntoa((struct ether_addr *) tar_opt->nd_opt_data));
}struct nd_opt_hdr *nd_alloc_opt_src(const char *smac, int *size)
{struct ether_addr *addr;struct nd_opt_hdr *opt;int tot_len = sizeof(struct nd_opt_hdr) + sizeof(struct ether_addr);opt = (struct nd_opt_hdr *) calloc(1, tot_len);opt->nd_opt_type = ND_OPT_SOURCE_LINKADDR;opt->nd_opt_len  = 1;addr = ether_aton(smac);memcpy(opt->nd_opt_data, addr->ether_addr_octet, sizeof(addr->ether_addr_octet));*size = tot_len;return opt;
}void nd_free_opt(struct nd_opt_hdr **opt)
{if (NULL != opt && NULL != *opt) {free(*opt);*opt = NULL;}
}int nd_socket(uint8_t hop_limit) 
{int sockfd;int hops = hop_limit;if ((sockfd = socket(AF_INET6, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMPV6)) == -1) handle_error("socket");if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_IPV6, IPV6_MULTICAST_HOPS, &hops, sizeof(hops)) == -1)handle_error("setsockopt : IPV6_HOPLIMIT");return sockfd;
}ssize_t nd_send(int sockfd, const void *data, size_t size, const char *daddr, int flags) 
{ssize_t count;struct sockaddr_in6 addr;memset(&addr, 0, sizeof(addr));addr.sin6_family = AF_INET6;inet_pton(addr.sin6_family, daddr, &addr.sin6_addr);if ((count = sendto(sockfd, data, size, flags, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr))) == -1)handle_error("sendto");return count;
}ssize_t nd_recv(int sockfd, void *buf, size_t size, const char *daddr, int flags) 
{ssize_t count;struct sockaddr_in6 addr;socklen_t socklen = sizeof(addr);memset(&addr, 0, sizeof(addr));addr.sin6_family = AF_INET6;inet_pton(addr.sin6_family, daddr, &addr.sin6_addr);if ((count = recvfrom(sockfd, buf, size, flags, (struct sockaddr *)&addr, &socklen)) == -1)handle_error("recvfrom");return count;
}void nd_close(int sockfd) 
{if (close(sockfd) == -1)handle_error("close");
}

main.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdint.h>
#include <arpa/inet.h>#include "ndp.h"
#include "ipv6.h"#define BUFFER_SIZE 1500static void ndp_addr_resolution(const char *smac, const char *saddr, const char *daddr, const char *taddr)
{int sockfd, opt_len, tot_len;struct nd_opt_hdr *opt;struct nd_neighbor_advert *na;struct nd_neighbor_solicit *ns;char buffer[BUFFER_SIZE];sockfd = nd_socket(255);   // 跳数限制为 255，保证不会跑远（不能转发或者路由）// 构建消息opt = nd_alloc_opt_src(smac, &opt_len);               // 设置自己的链接层地址ns = nd_alloc_ns(taddr, opt, opt_len); tot_len = sizeof(struct nd_neighbor_solicit) + opt_len;ns->nd_ns_cksum = ipv6_cksum(saddr, daddr, IPPROTO_ICMPV6, ns, tot_len);// 发送消息nd_send(sockfd, ns, tot_len, daddr, 0);nd_free_ns(&ns);nd_free_opt(&opt);// 接收消息memset(buffer, 0, sizeof(buffer));nd_recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), taddr, 0);// 解析消息na = (struct nd_neighbor_advert *) buffer;opt = (struct nd_opt_hdr *) (buffer + sizeof(struct nd_neighbor_advert));nd_print_na(na, opt);nd_close(sockfd);
}int main(int argc, char *argv[])
{const char *smac  = "00:0c:0c:0c:0c:0c";        // 发送者链路层地址const char *saddr = "fe80::20c:cff:fe0c:c0c";   // 本机 IPv6 地址const char *daddr = "ff02::1:ff0d:d0d";         // 发给组播地址const char *taddr = "fe80::20d:dff:fe0d:d0d";   // 待解析 IPv6 地址ndp_addr_resolution(smac, saddr, daddr, taddr);return 0;
}

测试结果

gcc -Wall -g -o ndp ipv6.c ndp.c cksum.c main.c && watch sudo ./ndp88
00
b087
fe80::20d:dff:fe0d:d0d
0:d:d:d:d:d                # 解析出来的 link 层地址192.168.2.200> sudo tcpdump -nt -XX icmp6
IP6 fe80::20c:cff:fe0c:c0c > ff02::1:ff0d:d0d: ICMP6, neighbor solicitation, who has fe80::20d:dff:fe0d:d0d, length 320x0000:  3333 ff0d 0d0d 000c 0c0c 0c0c 86dd 6005  # 以太网地址第一位为奇数，表示组播地址0x0010:  cbe6 0020 3aff fe80 0000 0000 0000 020c  ....:...........0x0020:  0cff fe0c 0c0c ff02 0000 0000 0000 0000  ................0x0030:  0001 ff0d 0d0d 8700 2314 0000 0000 fe80  ........#.......0x0040:  0000 0000 0000 020d 0dff fe0d 0d0d 0101  ................0x0050:  000c 0c0c 0c0c                           ......
IP6 fe80::20d:dff:fe0d:d0d > fe80::20c:cff:fe0c:c0c: ICMP6, neighbor advertisement, tgt is fe80::20d:dff:fe0d:d0d, length 320x0000:  000c 0c0c 0c0c 000d 0d0d 0d0d 86dd 6000  ..............`.0x0010:  0000 0020 3aff fe80 0000 0000 0000 020d  ....:...........0x0020:  0dff fe0d 0d0d fe80 0000 0000 0000 020c  ................0x0030:  0cff fe0c 0c0c 8800 b087 6000 0000 fe80  ..........`.....0x0040:  0000 0000 0000 020d 0dff fe0d 0d0d 0201  ................0x0050:  000d 0d0d 0d0d                           ......