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ICMPv6

ICMPv6（Internet Control Message Protocol for the IPv6）是IPv6的基础协议之一。

在IPv4中，Internet控制报文协议ICMP（Internet Control Message Protocol）向源节点报告关于向目的地传输IP数据包过程中的错误和信息。它为诊断、信息和管理目的定义了一些消息，如：目的不可达、数据包超长、超时、回应请求和回应应答等。在IPv6中，ICMPv6除了提供ICMPv4常用的功能之外，还是其它一些功能的基础，如邻接点发现、无状态地址配置（包括重复地址检测）、PMTU发现等。

ICMPv6的协议类型号（即IPv6报文中的Next Header字段的值）为58。

ICMPv6错误报文的分类

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

目的不可达错误报文

在IPv6节点转发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节点发送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：与目标设备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。

数据包过大错误报文

在IPv6节点转发IPv6报文过程中，发现报文超过出接口的链路MTU时，则向发送报文的源节点发送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。

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，会向发送报文的源节点发送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。

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节点回应一个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。

ICMPv6信息报文的分类

ICMPv6信息报文提供诊断功能和附加的主机功能，比如多播侦听发现和邻居发现。常见的ICMPv6信息报文主要包括回送请求报文（Echo Request）和回送应答报文（Echo Reply），这两种报文也就是通常使用的Ping报文。

回送请求报文：回送请求报文用于发送到目标节点，以使目标节点立即发回一个回送应答报文。回送请求报文的Type字段值为128，Code字段的值为0。

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

邻居发现

邻居发现协议NDP（Neighbor Discovery Protocol）是IPv6协议体系中一个重要的基础协议。邻居发现协议替代了IPv4的ARP（Address Resolution Protocol）和ICMP路由器发现（Router Discovery），它定义了使用ICMPv6报文实现地址解析，跟踪邻居状态，重复地址检测，路由器发现以及重定向等功能。

地址解析

在IPv4中，当主机需要和目标主机通信时，必须先通过ARP协议获得目的主机的链路层地址。在IPv6中，同样需要从IP地址解析到链路层地址的功能。邻居发现协议实现了这个功能。

ARP报文是直接封装在以太网报文中，以太网协议类型为0x0806，普遍观点认为ARP定位为第2.5层的协议。ND本身基于ICMPv6实现，以太网协议类型为0x86DD，即IPv6报文，IPv6下一个报头字段值为58，表示ICMPv6报文，由于ND协议使用的所有报文均封装在ICMPv6报文中，一般来说，ND被看作第3层的协议。在三层完成地址解析，主要带来以下几个好处：

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避免地址解析攻击。

使用组播方式发送请求报文，减少了二层网络的性能压力。

地址解析过程中使用了两种ICMPv6报文：邻居请求报文NS（Neighbor Solicitation）和邻居通告报文NA（Neighbor Advertisement）。

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。

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。

Host A在向Host B发送报文之前它必须要解析出Host B的链路层地址，所以首先Host A会发送一个NS报文，其中源地址为Host A的IPv6地址，目的地址为Host B的被请求节点组播地址，需要解析的目标IP为Host B的IPv6地址，这就表示Host A想要知道Host B的链路层地址。同时需要指出的是，在NS报文的Options字段中还携带了Host A的链路层地址。当Host B接收到了NS报文之后，就会回应NA报文，其中源地址为Host B的IPv6地址，目的地址为Host A的IPv6地址（使用NS报文中的Host A的链路层地址进行单播），Host B的链路层地址被放在Options字段中。这样就完成了一个地址解析的过程。

跟踪邻居状态

通过邻居或到达邻居的通信，会因各种原因而中断，包括硬件故障、接口卡的热插入等。如果目的地失效，则恢复是不可能的，通信失败；如果路径失效，则恢复是可能的。因此节点需要维护一张邻居表，每个邻居都有相应的状态，状态之间可以迁移。

RFC2461中定义了5种邻居状态，分别是：未完成（Incomplete）、可达（Reachable）、陈旧（Stale）、延迟（Delay）、探查（Probe）。

邻居状态之间具体迁移过程如图所示，其中Empty表示邻居表项为空。

重复地址检测

重复地址检测DAD（Duplicate Address Detect）是在接口使用某个IPv6单播地址之前进行的，主要是为了探测是否有其它的节点使用了该地址。尤其是在地址自动配置的时候，进行DAD检测是很必要的。一个IPv6单播地址在分配给一个接口之后且通过重复地址检测之前称为试验地址（Tentative Address）。此时该接口不能使用这个试验地址进行单播通信，但是仍然会加入两个组播组：ALL-NODES组播组和试验地址所对应的Solicited-Node组播组。

IPv6重复地址检测技术和IPv4中的免费ARP类似：节点向试验地址所对应的Solicited-Node组播组发送NS报文。NS报文中目标地址即为该试验地址。如果收到某个其他站点回应的NA报文，就证明该地址已被网络上使用，节点将不能使用该试验地址通讯。

Host A的IPv6地址FC00::1为新配置地址，即FC00::1为Host A的试验地址。Host A向FC00::1的Solicited-Node组播组发送一个以FC00::1为请求的目标地址的NS报文进行重复地址检测，由于FC00::1并未正式指定，所以NS报文的源地址为未指定地址。当Host B收到该NS报文后，有两种处理方法：

如果Host B发现FC00::1是自身的一个试验地址，则Host B放弃使用这个地址作为接口地址，并且不会发送NA报文。

如果Host B发现FC00::1是一个已经正常使用的地址，Host B会向FF02::1发送一个NA报文，该消息中会包含FC00::1。这样，Host A收到这个消息后就会发现自身的试验地址是重复的。Host A上该试验地址不生效，被标识为duplicated状态。

路由器发现

路由器发现功能用来发现与本地链路相连的设备，并获取与地址自动配置相关的前缀和其他配置参数。

在IPv6中，IPv6地址可以支持无状态的自动配置，即主机通过某种机制获取网络前缀信息，然后主机自己生成地址的接口标识部分。路由器发现功能是IPv6地址自动配置功能的基础，主要通过以下两种报文实现：

路由器通告RA（Router Advertisement）报文：每台设备为了让二层网络上的主机和设备知道自己的存在，定时都会组播发送RA报文，RA报文中会带有网络前缀信息，及其他一些标志位信息。RA报文的Type字段值为134。

路由器请求RS（Router Solicitation）报文：很多情况下主机接入网络后希望尽快获取网络前缀进行通信，此时主机可以立刻发送RS报文，网络上的设备将回应RA报文。RS报文的Tpye字段值为133。

重定向

当网关设备发现报文从其它网关设备转发更好，它就会发送重定向报文告知报文的发送者，让报文发送者选择另一个网关设备。重定向报文也承载在ICMPv6报文中，其Type字段值为137，报文中会携带更好的路径下一跳地址和需要重定向转发的报文的目的地址等信息。

Path MTU

在IPv4中，报文如果过大，必须要分片进行发送，所以在每个节点发送报文之前，设备都会根据发送接口的最大传输单元MTU（Maximum Transmission Unit）来对报文进行分片。但是在IPv6中，为了减少中间转发设备的处理压力，中间转发设备不对IPv6报文进行分片，报文的分片将在源节点进行。当中间转发设备的接口收到一个报文后，如果发现报文长度比转发接口的MTU值大，则会将其丢弃；同时将转发接口的MTU值通过ICMPv6报文的“Packet Too Big”消息发给源端主机，源端主机以该值重新发送IPv6报文，这样带来了额外流量开销。PMTU发现协议可以动态发现整条传输路径上各链路的MTU值，减少由于重传带来的额外流量开销。

PMTU协议是通过ICMPv6的Packet Too Big报文来完成的。首先源节点假设PMTU就是其出接口的MTU，发出一个试探性的报文，当转发路径上存在一个小于当前假设的PMTU时，转发设备就会向源节点发送Packet Too Big报文，并且携带自己的MTU值，此后源节点将PMTU的假设值更改为新收到的MTU值继续发送报文。如此反复，直到报文到达目的地之后，源节点就能知道到达目的地的PMTU了。