11.NDP协议分析与实践

NDP 协议分析与实践

1. 概述

1.1 简介

• Neighbor Discovery Protocol 基于 ICMPv6 实现，用于替代 IPv4 中的 ARP 和 ICMP 路由器发现
• 基于 ICMPv6 实现节点发现(主机和路由)、重复地址检测、地址解析、邻居不可达检测和重定向等功能

1.2 NDP 报文格式

1.2.1 路由器请求 RS (Router Solicitations)

• 当主机网络接口启用时，主机可以发送 RS 消息要求路由器立即发布 RA 消息，不用等待路由器下次自动发布

• 类型 : 消息类型， RS 固定为 133
• 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
• 选项 : 源链路层地址选项，发送者的链路层地址，如果知道的话

1.2.2 路由器公告 RA (Router Advertisement)

• 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

• 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 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
• 选项 :
  • 源链路层地址 : 发送者的链路层地址，如果知道的话
  • MTU : 如果 MTU 可变, router 会发送该选项
  • 前缀信息 : 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
  • 路由信息 : 通知主机添加指定的路由到路由表
  • 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
  • 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

1.2.3 邻居请求 NS (Neighbor Solicitations)

• 用于邻居节点 link 层地址解析、是否可达和重复地址检测
  

• 类型 : 消息类型， NS 固定为 135
• 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 : 请求解析的目标 IP 地址，不能是多播地址
• 选项 : 源链路层地址选项，即发送者的链路层地址，如果知道的话

1.2.4 邻居公告 NA (Neighbor Advertisements)

• 用于响应 NS 消息，当节点 link 层地址变化时，会马上发布 NA 消息通知所有邻居
  

• 类型 : 消息类型， NA 固定为 136
• 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
• 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
• S (Solicited flag) : 是否为 NS 响应消息
• O (Override flag) : 通知其他节点 link 地址变化
• 目标地址 : 被公告的 IP 地址，不能是多播地址
• 选项 : 目标链路层地址选项，即目标地址的链路层地址，如果知道的话

1.2.5 重定向 (Redirect)

• 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)

1.3 NDP 选项

• 选项大小必须为 64 位的整数倍，有些选项可能在同一个消息中出现多次

1.3.1 选项格式

• 类型 : 选项类型
  • 1 : Source Link-Layer Address
  • 2 : Target Link-Layer Address
  • 3 : Prefix Information
  • 4 : Redirected Header
  • 5 : MTU
• 长度 : 选项长度，以 8 字节为单位（64 位的整数倍）

1.3.2 Source/Target Link-Layer Address

• Source 表示 RA、RS 和 NS 消息发送者的 link 层地址，Target 表示 NA 消息中待解析的邻居地址或 RD 消息中的重定向地址

• 类型 : 选项类型，源链路层地址为 1，目标链路层地址为 2

• 长度 : 选项长度，如 IEEE 802 地址值为 1

• 链路层地址 : 源链路层地址(发送者地址，用于 NS、RS 和 RA)或目标链路层地址(目标地址，用于 NA 和 RD)

1.3.3 Prefix Information

• 只能在 RA 消息中发送，一个 RA 消息中可以有多个该选项，主要用来指定自动配置地址的前缀和相关信息

• 类型 : 选项类型，固定为 3

• 长度 : 选项长度，固定为 4

• 前缀长度 : 取值范围是 0 到 128

• L(on-link flag) : 值为 1 时，表示该 prefix 组成的地址是为 on-link，host 必须在在效时间到期后，才能将该 prefix 视为 off-link，但是为 0 并不意味就是 off-link

• A(autonomous address-configuration flag) : 主机是否可以使用该 prefix 自动配置 IPv6 地址

• 有效时间 : 该 prefix 自动配置地址的有效时间和 on-link 地址的有效时间，单位秒，0xFFFFFFFF 表示无限长

• 偏好时间 : 该 prefix 自动配置的地址处于preferred（偏好）状态的时间（秒数），该值不能大于有效时间，0xFFFFFFFF 表示无限长

• 前缀 : 前缀内容

1.3.4 Redirected Header

• 只能在 RD 消息中发送，包含导致 router 发送重定向消息的原始封包的内容或部分内容
  

• 类型 : 选项类型，固定为 4

• 长度 : 选项长度

• IP 头 + 数据 : 导致 router 发送重定向消息的原始封包的内容或部分内容，重定向消息长度不能大于1280 字节

1.3.5 MTU

• 只能在 RA 消息中发送，表示该 link 上的 IPv6 MTU，通常为最小的 link MTU 值

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-L5PZDNzz-1577417885530)(img/NDP_Opt_MTU.png)]

• 类型 : 选项类型，固定为 5

• 长度 : 选项长度，固定为 1

• MTU : 接收到该消息的主机应该使用的 IPv6 MTU

1.4 相关命令

# 查看所有邻居节点
ip -6 neigh show

# 删除指定设备上所有邻居节点
sudo ip neigh flush dev eth0

2. NDP 编程

2.1 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）

2.1.1 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      8

struct 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      0x00000020

struct 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_ */

2.1.2 ndp.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include   /* 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");
}

2.1.3 main.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#include "ndp.h"
#include "ipv6.h"

#define BUFFER_SIZE 1500

static 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;
}

2.1.4 测试

192.168.2.100> gcc -Wall -g -o ndp  ipv6.c ndp.c cksum.c main.c && watch sudo ./ndp
88
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 32
	0x0000:  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 32
	0x0000:  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                           ......    

参考链接

https://tools.ietf.org/html/rfc4861

https://tools.ietf.org/html/rfc2461

http://hanteye01.blog.fc2.com/blog-entry-4.html

http://www.voidcn.com/article/p-gbyohzqn-vs.html

https://wenku.baidu.com/view/ebd52dc089eb172dec63b702.html?sxts=1571573449497

http://xq.dropsec.xyz/2018/10/19/IPv6-NDP%E5%8D%8F%E8%AE%AE%E5%AD%A6%E4%B9%A0/

https://cshihong.github.io/2018/01/29/IPv6%E9%82%BB%E5%B1%85%E5%8F%91%E7%8E%B0%E5%8D%8F%E8%AE%AE/