IPv6系列-彻底弄明白有状态与无状态配置IPv6地址

在今天的数字世界中，互联网连接无处不在，而IPv6作为下一代互联网协议，已经逐渐取代了IPv4，以满足不断增长的互联网设备需求。IPv6不仅为我们带来更多的IP地址，还引入了新的方式来分配这些地址。本教程将深入研究IPv6地址分配中的两种主要方式：Stateless（无状态）和Stateful（有状态），以及与之相关的RA报文和DHCPv6协议。

IPv6地址分配方式详解

IPv6地址分配涉及两个主要方面：Link-Local地址和Global地址。Link-Local地址用于在同一链路上的设备间通信，而Global地址用于互联网上的全球通信。让我们逐一了解这两种地址生成方式：

一. Link-Local地址的生成方式

生成"链路本地地址"有两种方式：

• 手动配置
• 自动配置

其中，自动配置又可以分为以下三种算法：

• eui64：根据MAC地址计算生成
• stable_secret：随网络环境的变化而变化，但在固定网络环境下保持不变
• random：随机生成

这些方式允许设备在同一链路上自动配置Link-Local地址，无需手动干预。

二. Global地址的生成方式

生成"全球单播地址"（或者"唯一本地地址"）也有两种方式：

• 手动配置
• 自动配置

自动配置又根据获取方式分为两种：

• 无状态（Stateless）：根据路由通告报文RA（Router Advertisement）中包含的prefix前缀信息自动配置IPv6地址，通常采用Prefix + (EUI64或随机)的方式。无状态配置也可以称为SLAAC（Stateless Address Autoconfiguration）。

• 有状态（Stateful）：通过DHCPv6协议获得IPv6地址。有状态配置又分为两种：

  • 有状态DHCPv6（Stateful DHCPv6）：IPv6地址和其他参数（如DNS）均通过DHCPv6获取。
  • 无状态DHCPv6（Stateless DHCPv6）：IPv6地址仍然通过RA报文方式生成，但其他参数（如DNS）通过DHCPv6获取。

要注意，有状态和无状态仅针对IPv6地址分配方式，不包括其他参数。有状态分配是可控、可管理的，通常由网络中的IP地址管理者（DHCPv6 Server）进行管理，而无状态分配则不可控，每个设备根据RA报文自行配置IPv6地址。

三. RA报文中的3个关键Flag

RA报文中包含三个关键的Flag位：

• Autonomous flag（A flag）：表示是否配置无状态IP。在RA报文中，每个prefix可以独立配置A flag。

  • 当A flag为on（对应bit位为1）时，客户端会自动生成IPv6地址，并配置子网路由条目和网关。
  • 当A flag为off（对应bit位为0）时，客户端不会生成IPv6地址，但仍然可以配置子网路由和网关。

• Managed flag（M flag）：表示是否配置有状态IP。M flag是RA报文的全局参数，一个RA报文只有一个M flag。

  • 当M flag为on（对应bit位为1）时，客户端可以通过DHCPv6获得IPv6地址和其他参数（如DNS列表）。
  • 当M flag为off（对应bit位为0）时，客户端不会通过DHCPv6获得IPv6地址。

• Other flag（O flag）：表示是否通过DHCPv6获得除IP以外的其他参数（如DNS列表）。O flag也是RA报文中的全局参数，一个RA报文只有一个O flag。注意：仅当M flag为off时，该参数才会被读取。

  • 当O flag为on（对应bit位为1）时，客户端在M flag为on或至少有一个A flag为on的情况下，将通过DHCPv6获得其他参数。
  • 当O flag为off（对应bit位为0）时，客户端不会通过DHCPv6获得其他参数。

四. 流程示意图

无状态和有状态IPv6地址分配方式并不相互对立，它们可以同时存在于同一网络设备上。下面的流程示意图展示了这一过程：

1. Stateless自动配置链路本地地址
2. Stateless自动配置全球地址（或唯一本地地址）
3. Stateful自动配置全球地址（或唯一本地地址）和其他参数，包括Stateful DHCPv6或Stateless DHCPv6。

需要注意的是，一些客户端操作系统或网络管理器在Stateless阶段未收到RA报文时可能结束，不会继续Stateful阶段，例如CentOS 7和Ubuntu 17的默认逻辑，而Windows Server 2012则会继续Stateful阶段。

五. 测试获得IP效果

我们进行了一系列测试，测试环境基于CentOS 7和NetworkManager进行搭建。以下是测试内容和结果：

• 测试M、O、A flag在所有排列组合的情况下，客户端是否会通过RA报文配置无状态IP。
• 客户端是否会通过RA报文配置prefix子网路由和网关。
• 客户端是否会通过RA报文配置无状态IPv6地址。
• 客户端是否会通过DHCPv6获得有状态IPv6地址。
• 客户端是否会通过DHCPv6获得

DNS。

测试结果如下表所示：

六. 应用场景（选择无状态还是有状态）

何时采用无状态或有状态取决于具体的应用场景。关键在于是否需要控制IPv6地址。如果需要控制地址，例如保持地址不变，那么应该选择有状态IPv6地址分配方式；如果不需要控制，可以选择无状态IPv6地址分配方式。

• 在服务端领域，需要对外提供服务，通常需要采用有状态IPv6地址，因为业务IP地址的突然变化容易导致业务中断，除非有良好的服务发现机制。
• 在客户端领域，如移动设备或办公室内的PC机，通常只需要连接到IPv6互联网，不需要对外提供服务，因此可以采用无状态IPv6地址分配方式。

七. 后续内容

由于篇幅限制，本文未提供详细的配置信息。我们将在后续的IPv6系列文章中提供完整的实验配置，包括RA和DHCPv6的配置，以及客户端的配置。请继续关注我们的系列文章以获取更多信息。

附. 参考文档

1. IPv6 Autoconfiguration Mechanisms
2. DHCPv6基础

本教程深入研究了IPv6地址分配的Stateless和Stateful方式，以及与之相关的RA报文和DHCPv6协议。了解这些方式和参数对于构建和管理IPv6网络至关重要。希望本教程能帮助您更好地理解IPv6地址分配，并根据实际需求选择合适的方式。