隨着IPv6技術的普及，DHCPv6 作爲基礎技術是每一位IT人或多或少都需要了解的。本文將依託騰訊雲CVM來詳細剖析 DHCPv6 的工作原理，希望可以讓更多小夥伴掌握 DHCPv6 協議。什麼是 DHCPv6 協議?客戶端如何首次自動獲取一個 IPV6 地址?CVM重啓又如何自動獲取到上次使用的 IPv6 地址?本文作者：騰訊雲售後架構師 李彬文。

一、DHCPv6簡介

DHCPv6 (Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6)是一個用來分配 IPv6 地址、前綴以及DNS等配置的網絡協議。

DHCPv6 是一種運行在客戶端和服務端之間的協議，與 IPv4 中的 DHCP 一樣，所有的協議報文都是基於 UDP 的(客戶端使用UDP 端口號546，服務端使用端口號547)。但是由於在 IPv6中 沒有廣播報文，因此 DHCPv6 使用組播(默認所有DHCPv6服務器都會加入並偵聽該組播組：FF02::1:2)報文，客戶端也無需配置服務端的IPv6地址。

1. DHCPv6協議的優勢

相對其他分配IPV6地址的方式而言，DHCPv6具備以下優勢:

  • 更好控制 IPv6 地址的分配，DHCPv6 方式不僅可以記錄爲 IPv6 主機分配的地址，還可以爲特定的 IPv6 主機分配特定的地址，以便於網絡管理。
  • DHCPv6 支持爲網絡設備分配 IPv6 前綴，便於全網絡的自動配置和網絡層次性管理。
  • 除了爲 IPv6 主機分配 IPv6 地址和前綴外，還可以分配DNS服務器 IPv6 地址等網絡配置參數。

2. DHCPv6報文格式

DHCPv6 屬於 OSI 七層協議棧的應用層，所以需要先封裝網絡層 IPv6 頭部以及傳輸層UDP頭部。

3. DHCPv6字段註釋

  • msg-type：長度8比特，表示報文的類型，總共定義了13種消息類型。
  • transaction-id：長度24比特，表示 DHCPv6 客戶端隨機生成的交互ID(服務端發起的報文交互ID爲0)，用來標識一次來回交互的 DHCPv6 報文。例如Solicit/Advertise報文爲一次交互，Request/Reply報文爲另外一次交互，兩者有不同的交互ID。
  • options：根據消息類型不一樣長度可變，表示 DHCPv6 的可選字段。此字段包含了 DHCPv6 服務器分配給 IPv6 主機的配置信息，如客戶端標識、服務器標識或有效生命週期等信息。

4. DHCPv6定義的幾種常見消息類型

(1)Solicit，DHCPv6 客戶端使用Solicit報文來發現 DHCPv6 服務器的位置。

(2)Advertise，DHCPv6 服務器發送Advertise報文來對Solicit報文進行回應，通告客戶端能夠提供哪些 DHCPv6 服務。

(3)Request，DHCPv6 客戶端發送Request報文來向DHCPv6服務器請求IPv6地址和其它配置信息。

(4)Confirm，DHCPv6 客戶端向任意可達的 DHCPv6 服務器發送Confirm報文檢查自己目前獲得的 IPv6 地址是否適用與它所連接的鏈路。

(5)Reply，DHCPv6服務器在以下場合發送Reply報文：

  • DHCPv6 服務器發送攜帶了地址和配置信息的Reply消息來回應從 DHCPv6 客戶端收到的Solicit、Request、Renew、Rebind報文。
  • DHCPv6 服務器發送攜帶配置信息的Reply消息來回應收到的Information-Request報文。
  • 用來回應 DHCPv6 客戶端發來的Confirm、Release、Decline報文。

(6)Decline，DHCPv6 客戶端向 DHCPv6 服務器發送 Decline 報文，聲明 DHCPv6 服務器分配的一個或多個地址在 DHCPv6 客戶端所在鏈路上已經被其他客戶端使用。

二、首次獲取IPV6地址解析

CVM首次接入騰訊雲 IPv6 網絡，通過 DHCPv6 自動獲取 IPv6 地址的交互報文如下所示：

1. 發現階段

客戶端CVM(雲服務器)發送Solicit報文來發現 DHCPv6 服務器，並請求DHCPv6 服務器(騰訊雲虛擬組件)爲其分配 IPv6 地址和網絡配置參數。

由於CVM不知道 DHCPv6 服務器的 IPv6 地址，所以CVM用組播地址：FF02::1:2向同一鏈路範圍內的所有DHCPv6服務器發送Solicit報文。

Solicit報文中攜帶了客戶端的DUID、需要請求的非臨時地址、以及其他網絡配置參數等信息。

2. 提供階段

DHCPv6 服務器接收到Solicit報文後，選擇按照 IPv6 地址從小到大的順序採用循環查找方式，選擇最新找到的可供分配的 IPv6 地址，然後通過Advertise報文以單播方式回應給CVM。

Advertise報文裏面攜帶了服務器的DUID、客戶端的DUID、分配給客戶端的IPv6地址及租期等信息。

3. 選擇階段

因爲Solicit報文是組播發送的，所以如果同一鏈路範圍內存在多個 DHCPv6 服務器，則接收到Solicit報文的服務器都會回應Advertise報文。

如果有多個 DHCPv6 服務器向DHCPv6客戶端回應Advertise報文，則 DHCPv6 客戶端選擇服務器優先級最高的Advertise報文(DHCPv6 服務器可以在Advertise消息中包含Preference選項，以便控制客戶端對服務器的選擇)，然後客戶端以組播方式向同一鏈路範圍內的所有 DHCPv6 服務器發送Request報文，該報文中包含客戶端選擇的 DHCPv6 服務器(高優先級)的DUID、客戶端的DUID、客戶端IPv6地址。

4. 確認階段

當 DHCPv6 服務器收到Request報文後，對報文中攜帶的服務端DUID信息進行判斷：

  • 若報文中攜帶的服務端DUID不是本服務端的DUID，則對該Request報文不回應，同時將Request報文中請求的IPv6地址進行回收。
  • 若報文中攜帶的服務端DUID是本服務端的DUID，則以單播方式回應Reply報文，確認Request報文中請求的IPv6地址分配給客戶端使用。

5. 客戶端CVM處理階段

客戶端CVM收到Reply報文後會發送地址衝突探測報文(Neighbor Solicitation)，檢查本鏈路範圍內是否有其他客戶端使用相同的IPv6地址，如果在指定時間內沒有收到回應，表示客戶端可以使用此地址。

注意事項:如果發的地址衝突探測報文(Neighbor Solicitation)收到了回應，說明有其他客戶端使用了此地址，CVM會以單播方式向服務端發送Decline(聲明地址衝突)報文，並重新發送Solicit報文請求新的可用IPv6地址。服務端收到Decline報文後，會將報文中攜帶的IPv6地址列爲衝突地址。

三、重啓後獲取IPV6地址解析

CVM非首次接入騰訊雲IPv6網絡，通過 DHCPv6 自動獲取 IPv6 地址的交互報文如下所示：

第一步，當客戶端CVM(雲服務器)非首次接入 IPv6 網絡時(比如重啓、網卡禁用後再啓用等)，CVM會通過組播地址：FF02::1:2，發送Confirm報文確認該CVM之前的IPv6地址是否仍然可用。

第二步，DHCPv6 服務器(騰訊雲虛擬組件)收到Confirm報文後，確認Confirm報文中所有的地址是否適用於該CVM。

若Confirm報文中所有的IPv6地址都通過了確認，服務器回應確認成功的Reply報文(如果客戶端收到確認失敗的Reply報文，則發送Solicit報文，重新請求IPv6地址;)。

第三步，客戶端CVM收到確認成功的Reply報文後會發送地址衝突探測報文(Neighbor Solicitation)，檢查本鏈路範圍內是否有其他客戶端使用相同的IPv6地址，如果在指定時間內沒有收到回應，表示該CVM可以使用此地址。

至此，客戶端通過DHCPv6協議首次和非首次自動獲取IPv6地址的原理就解釋清楚了，通過該文章也闡述了DHCPv6的6種常用類型報文的作用，希望小夥伴們多多嘗試，加深理解。

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