IPv6排障工具之ping6完整过程细节剖析

导语 | 关于ping的原理详解，网上可以搜索出很多相关内容，而ping6的详解，则很少看见高质量的文章。希望本文能够让更多朋友了解ping6的原理。通过本文你将了解到什么是ICMPV6协议，以及一个完整的ping6过程究竟是怎样发生的。(本文作者：腾讯云售后架构师 李彬文)

一、ICMPv6简介

ICMPv6（Internet Control Message Protocol for the IPv6）是IPv6的基础协议之一。ICMPv6具备向源地址报告关于向目的地传输IPv6数据包过程中的差错信息和控制信息。

ICMPv6定义了一些消息，如：目的不可达、数据包超长、超时、响应请求和响应应答等。在IPv6中，ICMPv6除了提供ICMPv4常用的功能之外，还有其它一些功能，如邻接点发现、无状态地址配置（包括重复地址检测）、PMTUD等。

二、ICMPv6报文格式

ICMPv6报文格式如下图所示：

           

ICMPv6属于OSI七层协议栈的网络层，虽然和IPv6属于同一层，但是封装时必须先封装IPv6报文头部。

ICMPv6字段注释：

• Type：表明消息的类型，0至127表示差错报文类型，128至255表示信息报文类型。

• Code：表示此消息类型细分的类型。

• Checksum：表示ICMPv6报文的校验和。

三、ICMPv6差错报文

ICMPv6差错报文用于报告在转发IPv6数据包过程中出现的错误，可以分为以下4种：

1. 目的不可达错误报文

在IPv6中间设备转发IPv6报文过程中，当设备发现目的地址不可达时，就会向发送报文的源地址发送ICMPv6目的不可达错误报文，同时报文中会携带引起该错误报文的具体原因。

目的不可达错误报文的Type字段值为1，根据错误具体原因又可以细分为：

Code=0：没有到达目标设备的路由。

Code=1：与目标客户端的通信被管理策略禁止。

Code=2：未指定。

Code=3：目的IP地址不可达。

Code=4：目的端口不可达。

2. 数据包过大错误报文

在IPv6中间设备转发IPv6报文过程中，发现报文超过出接口的链路MTU时，则向发送报文的源地址发送ICMPv6数据包过大错误报文，其中携带出接口的链路MTU值。数据包过大错误报文是Path MTU发现机制的基础。

数据包过大错误报文的Type字段值为2，Code字段值为0。

3. 时间超时错误报文

在IPv6报文收发过程中，当设备收到Hop Limit字段值等于0的数据包，或者当设备将Hop Limit字段值减为0时，会向发送报文的源地址发送ICMPv6超时错误报文。对于分段重组报文的操作，如果超过定时时间，也会产生一个ICMPv6超时报文。

时间超时错误报文的Type字段值为3，根据错误具体原因又可以细分为：

Code=0：在传输中超越了跳数限制。

Code=1：分片重组超时。

4. 参数错误报文：

当目的节点收到一个IPv6报文时，会对报文进行有效性检查，如果发现问题会向报文的源地址回应一个ICMPv6参数错误差错报文。

参数错误报文的Type字段值为4，根据错误具体原因又可以细分为：

Code=0：IPv6基本头或扩展头的某个字段有错误。

Code=1：IPv6基本头或扩展头的NextHeader值不可识别。

Code=2：扩展头中出现未知的选项。   

四、ICMPv6信息报文

ICMPv6信息报文提供诊断功能和附加的主机功能，比如组播侦听发现和邻居发现。

常见的ICMPv6信息报文主要包括回应请求报文（Echo Request）和回应应答报文（Echo Reply），这两种报文也就是通常使用的Ping6报文。可以分为以下2种：

1. 回应请求报文

回应请求报文用于发送到目标地址，以使目标地址立即发回一个回应应答报文。回应请求报文的Type字段值为128，Code字段的值为0。

2. 回应应答报文

当收到一个回应请求报文时，ICMPv6会用回应应答报文响应。回应应答报文的Type字段的值为129，Code字段的值为0。

五、ping6 完整过程梳理

如下图所示，云主机CVM1要和CVM2通信（假设CVM的IPV6地址和VPC已经按文档https://cloud.tencent.com/document/product/213/40010正常配置且IPV6路由和地址检查都正常）。

从CVM1输入命令 ping6 2402:4e00:1200:2001::2020 -c 10，输出的结果如下图所示：

这是一次成功的ping6测试，但是这次ping6的细节大家也许不太了解。接下来我们主要按OSI协议栈来剖析整个ping6的工作过程以及整个过程会用到的相关报文。

Step1：ICMPv6创建一个56字节的回应请求： 

Step2：ICMPv6在56字节的请求数据基础上加上ICMPv6头部：

回应请求报文的Type字段值为128，Code字段的值为0，然后交给IPv6协议封装；

Step3：IPv6协议在ICMPv6基础上增加IPv6头部：（网络层封装）

  封装的源IPv6地址是接口网卡v6地址：2402:4e00:1200:2002::2011

封装的目标IPv6地址：2402:4e00:1200:2001::2020

Step4：根据目标IPv6地址和本地网段前缀做对比，发现目标地址不属于本地网段2402:4e00:1200:2002::/64。只能查路由表进行跨网段路由，查找路由表发现没有匹配的明细路由，最终只能选择默认路由::/0进行转发。

Step5：通过默认路由找到可以通过网卡eth0进行转发，但是需要数据链路层封装成功后才能从网卡转发出去。数据链路层封装的源MAC就是出接口eth0的MAC地址，目标MAC地址要从ip -6 neigh 表（类似IPv4的ARP表）中查询到。

   

这里并没有学习到目标IPv6地址2402:4e00:1200:2001::2020对应的MAC地址，导致无法进行数据链路层封装。

Step6：为了学习到目标地址2402:4e00:1200:2001::2020对应的MAC地址，首先发送NS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。

这里面存在着两个问题，下面我们也会给出相应的解释：

（1）被请求节点组播IPv6地址FF02::1:FF00:2020如何生成？

IPv6中没有广播地址，也不使用ARP。但是仍然需要从IP地址解析到MAC地址的功能。

在IPv6中，这个功能通过邻居请求NS（Neighbor Solicitation）报文完成。当一个节点需要解析某个IPv6地址对应的MAC地址时，会发送NS报文，该报文的目的IP就是需要解析的IPv6地址对应的被请求节点组播地址，只有具有该组播地址的节点会检查处理。

被请求节点组播地址由前缀FF02::1:FF00:0/104和目标单播地址的最后24位组成。由于目标单播地址是2402:4e00:1200:2001::2020,所以生成的被请求节点组播地址是：FF02::1:FF00:2020。

（2）被请求节点组播MAC地址33:33:ff:00:20:20如何生成？

组播MAC地址48bit的前24bit默认固定是33:33:ff，后半部分是被请求节点组播地址的后24bit，所以生成的组播MAC地址是33:33:ff:00:20:20。

Step7：CVM1发送的NS请求报文给到虚拟网关路由器，虚拟网关路由器收到NS报文后查看路由表匹配到路由2402:4e00:1200:2001::/64，代理目标地址回复一个NA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。

IPv6地址解析示意图：

学习到目标地址2402:4e00:1200:2001::2020对应的MAC地址是fe:ee:1e:1b:cb:e0。学习到的MAC存入到IPV6邻居表中：

Step8：回到Step5有了目标IPv6地址2402:4e00:1200:2001::2020对应的MAC地址可以进行数据链路层封装，然后从网卡eth0发出第一个ICMPv6的回应请求报文：

从第一个NS到第一个ICMPv6回应请求的发出顺序如下：（CVM1的网卡抓包）

Step9：该回应请求报文到达虚拟网关路由器A后查路由表找到对应的overlay网络隧道（这里的虚拟网关和overlay网络暂不用展开）转发到目标虚拟网关路由器B，然后由虚拟网关路由器B转发给CVM2的eth0网卡。

Step10：CVM2的网卡eth0收到回应请求报文后通过二层帧头的type字段，确认递交给IPv6协议处理。

Step11：IPv6协议处理头部，检查目标IP正确，检查下一个协议头部类型是ICMPv6。

Step12：当收到一个回应请求报文时，ICMPv6会用回应应答报文响应。回应应答报文的Type字段的值为129，Code字段的值为0。

CVM2按同样的方式去查路由表封装网络层报文，按Step5到Step7解析到MAC后，查ipv6 邻居表封装数据链路层的目的MAC。

具体CVM2从收到第一个回应请求报文到发出第一个回应应答报文顺序如下：

NS报文： 

NA报文：

学习到MAC后发送回应应答报文：

Step13：该回应应答报文到达虚拟网关路由器B后查路由表找到对应的overlay网络隧道转发到目标虚拟网关路由器A，然后由虚拟网关路由器A转发给CVM1的eth0网卡。

Step14：CVM1和CVM2以及虚拟路由器A和B都已经缓存了对应IPv6地址的MAC，后续封装无效再发送NS与NA，直接数据链路层封装后路由转发即可。

CVM1完整的10个ping6报文截图如下：

CVM2完整的10个ping6报文截图如下：

CVM1的ping6成功的截图如下：

到此一次完整的ping6的过程就结束了，同样的道理，其他协议报文也是有这样的一个封装和解封装过程，希望本文能够让对大家有所帮助。

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