本文通过抓包分析, 深入观察网卡启动过程的每个步骤, 从而逐步掌握通讯原理.
一, 为什么不能忽略网卡启动过程
掌握网络技术, 除了看 RFC 协议外, 最直接高效的方法就是 "亲眼所见".
其中抓包分析是最为关键的方法, 能了解到:
What: 对应哪个协议
Why: 协议用途
When: 协议之间的关联
How: 报文地址和内容
网卡启动是网络通讯的第一步, 只有夯实基础方能展翅高飞.
二, 实验环境
本文以 CentOS 7 为实验环境, 创建两个 network namespace(名字分别为 ns1 和 ns2), 并通过 veth 网卡桥接到同一个 Linux bridge(名字为 br0), 来模拟最简单的环境, 即两台同二层服务器.
1. 先贴出 Mac 地址:
ns1 内的 Mac:52:54:00:00:00:01
ns2 内的 Mac:52:54:00:00:00:02
2. 实验步骤:
在 ns1 里启动网卡, 但不抓包查看
在 ns2 里启动网卡, 同时在 br0 上进行抓包分析
3. 观察:
ns2 会产生哪些包
ns1 是否会对 ns2 进行响应
本文最后会附上实验脚本和抓包文件的下载地址.
三, 网卡启动前 / 后的样子
1. 网卡启动前的样子
在 ns2 里启动网卡之前, 先对 ns2 里的网络环境进行查看, 命令如下
- # 查看网卡状态
- ip netns exec ns2 ip link
- # 查看 ipv6 地址
- ip netns exec ns2 ip -6 addr
- # 查看 ipv6 路由
- ip netns exec ns2 ip -6 route
- # 查看 ipv6 多播地址
- ip netns exec ns2 ip -6 maddr
可以看到此时 eth0 处于 DOWN 的状态, 接下去, 对 eth0 进行 UP.
2. 网卡启动后的样子
- # 启动网卡
- ip netns exec ns2 ip link set eth0 up
进入 ns2 里查看
可以看到, 此时网卡已启动, 并获得了一个链路本地地址(图中 fe80 开头的)
3. 抓到了哪些包呢
这些包都是什么意思, 如何产生, 为何产生, 请接着往下看.
四, 结论写在前
网卡启动过程一共有 5 步, 详见示意图(右边的数字, 表示对应抓包图中的第几个包):
接下来, 将对这 5 步进行逐步讲解.
Step1. 生成 "链路本地地址"
(本步骤尚未产生数据包)
(1) "链路本地地址" 是什么
当网卡启动时会根据某种算法自动生成链路本地地址(Link-Local Address).
具体生成的地址, 与操作系统有关, 有的根据 Mac 地址换算而来(EUI-64), 有的则是随机生成, 并不统一.
"链路本地地址" 是范围为 fe80::/10 的单播地址.
"链路本地" 顾名思义, 只在同一个二层内传播, 不会被路由器转发.
(2) "链路本地地址" 有什么作用
地址自动配置
邻居发现协议
路由转发(可以作为下一跳地址)
Step2. 生成 "被请求节点多播地址"
(本步骤尚未产生数据包)
(1) "被请求节点多播地址" 是什么
在 IPv6 的世界中, 每生成一个 ip 地址(准确说是单播地址), 无论什么类型, 都会对应生成一个 "被请求节点多播地址"(Solicited-Node multicast address).
组成方式: FF02::1:FF00:0/104 + 单播地址的最后 24bit. 可以看到, 该地址是通过单播地址推导而成, 不是随机的. 上图中红框里的地址就是 "链路本地地址" 对应的 "被请求节点多播地址".
(2) 为什么需要 "被请求节点多播地址"
就 4 个字:"地址解析"
IPv4 中用 ARP 做地址解析, ARP 是基于广播的.
IPv6 没有广播, 只有多播. 既然是多播, 就总得有一个多播地址才行, 于是应运而生.
(3) "被请求节点多播地址" 工作原理
当他人想解析我的 Mac 地址时, 发送一个 "地址解析请求包" 到这个多播地址, 然后属于该多播地址的成员 (也就是 "我") 就会收到该数据包, 最后 "我" 返回 Mac 地址给对方. 这样就完成了 "地址解析" 的流程.
(4) "被请求节点" 这 5 个字到底是什么意思
别人请求解析我的地址, 那么我就是被请求的节点. 我生成 "被请求节点多播地址" 的目的, 就是让别人能够请求到我.
Step3. "多播成员报告"
(对应抓包图中的 No. 1/2/4/6)
(1) 什么是 "多播成员报告"
MLDv2 协议 (多播控制协议) 中的一种报文类型(Membership Report).
通俗理解就是对外宣称 "我要加入某某多播组".
成员报告是单向的, 不会收到回应包.
(2) 为什么要进行 "多播成员报告"
只要生成多播地址, 就要进行成员报告, 这是多播的工作机制.
成员报告的目的是为了减少网络中的多播流量.
(3) 要报告的是哪个成员
要报告的成员不是单播地址, 而是多播地址.
这里指的就是 "被请求节点多播地址". 即 "我要加入 ff02::1:ff00:2 多播组"
Step4. "重复地址检测"
(对应抓包图中的 No. 3)
(1) 什么是 "重复地址检测"
为了防止 IP 地址冲突, 每生成一个单播地址, 都会进行一次 "重复地址检测"(Duplicate Address Detection, 简称 DAD).
此刻, 就是对 Step1 生成的 "链路本地地址" 进行检测.
(2) 何时进行 "重复地址检测"
在生成单播地址并完成发送一次 "MLDv2 成员报告" 后, 就会随机延时一小段时间进行检测.
在 centos7 里检测次数可通过内核参数 net.ipv6.conf.eth0.dad_transmits 进行修改, 若设置为 0 表示不进行检测.
(3) "重复地址检测" 的工作原理
举个例子: 我想给我家小狗取名, 叫 "球球", 但不想和邻居家的小狗重名, 于是我大声喊:"球球". 如果没有任何狗狗看过来, 那就可以认定此名字没有冲突.
专业解释: 发送一个地址解析包(Neighbor Solicitation, 简称 NS), 请求解析的地址就是自己的地址, 并等待回应, 若超时仍未得到回应(Neighbor Advertisement, 简称 NA), 即可认为地址可用.
Step5. "无状态地址自动配置"
(对应抓包图中的 No. 5/7/8)
(1) 什么是 "无状态地址自动配置"
在 IPv6 中, 有 2 种自动配置 IP 地址的方法:
DHCPv6: 也叫做 "有状态分配"
SLAAC:"无状态地址自动配置"(Stateless Address Autoconfiguration)
(2) SLAAC 的作用是什么
自动配置 IP 地址
自动配置网关
注: 这里说的 IP 地址, 是指 "全球单播地址" 或者 "唯一本地地址", 也就是俗称的公网地址和私网地址. 而不是 "链路本地地址".
(3) 工作原理
涉及到这 2 种报文:
- "路由器请求"(Router Solicitation, 简称 RS)
- "路由器通告"(Router Advertisement, 简称 RA)
当收到路由器回应的 RA 报文后, 就会根据报文中的 IP 前缀信息, 自动生成 IP 地址, 并将网关指向该路由器的 "链路本地地址".
(4) 如何能够收到 RA 报文呢
有 2 种办法:
路由器定期发送 RA 报文
自己主动发送 RS 报文, 路由器收到后就会立刻回应 RA 报文
由于本次实验中没有路由器, 因此截图中仅能看到主动发送的 RS 报文, 而没有得到回应.
思考题
在生成 "全球单播地址" 或 "唯一本地地址" 之后, 还会采用 "链路本地地址" 做基础通讯吗?
为什么 "多播成员报告" 可以减少网络中不必要的多播流量, 接入层交换机要进行额外配置吗?
"地址重复" 时, 是否会自动更换 IP?
RA 包只能包含一个 IP 前缀信息吗? 一个前缀只能生成一个 IP 地址吗? 生成的地址是什么样的?
若存在多台路由器, 网关会指向谁?
如果不想自动配置 IP, 只想手工配置 IP, 可以忽视 RA 包吗? 如何忽视?
上述问题, 将在《IPv6 系列》的下一篇文章中进行解答.
来源: http://network.51cto.com/art/201907/599706.htm