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Netzwerke

IPv6

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von Carl H.

IPv6 Merkmale

  • Vereinfachter Header

  • Routingeffizienz - keine Fragmentierung, keine Prüfsumme

  • Keine Broadcasts

  • Extension Header

  • Flow Labels

  • Darüber hinaus:

    • Ende-zu-Ende Verbindung durch Verzicht auf NAT

    • Unterstützung von Sicherheit und Mobilität

Headerfelder

  • Der Basisheader besteht in IPv6 aus 8 Feldern.

  • Die Headergröße beträgt 40 Bytes.

  • Gegenüber IPv6 wird auf 6 der 12 Felder verzichtet:

    • Header Length

    • Identification

    • Flags

    • Fragment Offset

    • Header Checksum

    • Padding

Optimierungen

  • Vereinfachung des Headers - Beschleunigung des Routings

    • Die Prüfsummen für Header und Paket sind nicht in jedem Knoten neu zu berechnen, das TTL-Feld ist jedoch zu dekrementieren

  • Keine Broadcasts: Broadcast werden als Multicast umgesetzt

  • Dienstgüte

  • Flexibilität bei Optionen durch Extension-Header

  • Erweiterung der Protokollfamilie - ICMPv6, DHCPv6

  • Der große Adressraum von IPv6 ermöglicht

    • einerseits ein globales hierarchisches Adressierungsschema, um das Routing zu optimieren und die Routingtabelleneinträge zu reduzieren

    • andererseits stellt es genügend Adressen für neue Dienste und Geräte bereit

Felder

  • Flow Label: dieses Feld erlaubt den Anwendungen der Endsysteme den Verkehr auf IP-Basis zu differenzieren. Flow Labels identifizieren einen Paketstrom und ermöglichen folglich eine gezielte Verarbeitung durch Router auf dem Weg

  • Next Header: Der Wert diese Feldes bestimmt die anschließende Verarbeitung des Paketes. Ist keine explizite Verarbeitung vorgesehen, steht hier die Kennung für ein Upper-Layer protocol: 6 = TCP und 17 = UDP

    • Realisiert Fragmentierung, Authentication, etc. falls benötigt.

    • ICMPv6 ist als Extension Header definiert.

Änderungen an Applikationen

  • Manche Anwendungen erwarten einen IP4-Protokollstapel

  • Prüfung, dass alle Eingabemasken nicht nur IPv4-Adressen akzeptieren

  • Druckserver oder ähnliche Geräte, die nicht aufgerüstet werden können, müssen ausgetuascht werden

  • DNS-Server um die Fähigkeit erweitern, AAAA-Recordeinträge zu akzeptieren

  • Für Firewalls müssen die Weiterleitregeln hinsichtlich IPv6 aktualisiert werden.

  • Bei ISP muss ein IPv6-Zugang beauftragt werden

  • Umstellung des Routing incl. Übergangslösungen

Adressveränderungen

  • IPv6 kennt keine variablen Subnetzmasken wie IPv4

  • Die ersten 64 Bit adressieren das Netz, der Rest den Host

  • IPv6-Adressen beziehen sich immer explizit auf einen Gültigkeitsbereich

    - Scope

  • Jede Netzwerkkarte kann mehrere Adressen besitzen

  • Jeder IPv6-Rechner besitzt nach dem Start eine Adresse des link-local-Bereichs (verbindungslokal), die mit dem Präfix FE80::/64 beginnt (Netzteil). Der Hostteil kann aus der MAC-Adresse bestimmt werden.

  • Automatische Adresskonfiguration ohne DHCP

Adresspräfix

  • Der Präfix ist Teil der Adresse und stellt die höherwertigen Bits dar. Damit wird das Netzwerk identifiziert.

  • Die Angabe der Präfixlänge geschieht über eine Dezimalzahl, die die Anzahl der Bits bezogen auf die Adresslnge von 128 Bits angibt

  • Beispiel:

    • 1080:6809:8086:6502::/64 entspricht der CIDR-Darstellung in IPv4

Adresskomponenten

  • Eine Adresse besteht aus zwei Teilen:

    • einem Präfix

    • einer Interface-ID

  • beide Teile sind 64 Bit lang

  • Die Interface-ID kann von Ethernet, PPP, HDLC Adressen automatisch erzeugt werden

Adresstypen

  • IPv6 unterscheidet drei Hauptadresstypen:

    • Unicast - eine Adresse für ein einzelnes Interface, die als Quelle und Ziel einer gezielten Paketzustellung dient

    • Anycast - eine Adresse für eine Menge von Interfaces, die zu unterschiedlichen Knoten gehören. Ein Paket wird an die nächstliegende Schnittstelle im Sinne des Rountingprotokolls gesendet

    • Multicast - eine Adressierung einer Gruppe von Interfaces auf unterschiedlichen Knoten

Adresszuweisung

  • Eine IPv6-Adresse ist einem einzelnen Interface nicht einem Host/Knoten zugewiesen.

  • Einem einzelnen Interface können mehrere IPv6-Adressen zugeordnet sein (Uni-, Any- oder Multicast)

  • Mehrere physikalische Interfaces können zum Zwecke des Load-Sharing über eine einzige Unicast-Adresse verfügen

Unicast-Adresstypen

  • Es gibt mehrere Unicast-Adresstypen

    • Global Unicast-Adressen

    • Unique-Local Adressen

    • Link-Local Adressen

    • IPv4-mapped IPv6-Adressen

    • PIv4 kompatible IPv6-Adressen

Globale Unicast-Adresse

  • Die globale IPv6 Unicast-Adresse entspricht der herkömmlichen IPv4 globalen Unicast-Adresse.

  • Sie erlaubt die Zusammenfassung in Präfixe und damit der Verringerung der Zahl der Routingtabelleneinträge

  • Eigenschaften

    • globale eindeutige Adresse: 2001 Präfix

    • der Präfix 2001:/3 entspricht dem Binärwert 0010 ist durch die IANA für die Allgemeinheit freigegeben

    • Adressen besitzen eine Lebenszeit (RFC 4192 on Renumbering)

Globale Unicast-Adresse

  • Bestandteile

    • Ein 48-Bit globaler Routingpräfix

    • Eine 16-Bit Subnetzkennung: diese wird von einzelnen Organisationen genutzt, um eine eigene hierarchische Adressstruktur und Subnetze vergleichbar denen in IPv4 aufzubauen.

    • Eine 64-Bit Interface-ID: sie identifiziert eindeutig ein Interface

Interface Identifier

  • Die Interface-ID der Unicastadresse können auf mehrere Arten bestimmt werden:

    • automatisch nach 64-bit EUI-64

    • automatisch durch eine generierte Pseudozufallszahl

    • zugewiesen über DHCP

  • manuell konfiguriert

Modifiziertes EUI-64-Format

  • Adressen mit dem Präfix 2000::/3 (=001) müssen einen 64-Bit Interface Identifier tragen, der dem EUI-64-Format entspricht.

  • Der 64-Bit-Interface Identifier wird benötigt, um ein Interface auf einem Link eindeutig zu erkennen

  • Das EUI-Format leitet sich aus 48-Bit-MAC-Adresse ab, indem die hexadezimale Zahl FFFE zwischen die obersten und uuntersten 3 Bytes eingefügt wird.

  • Modifiziertes EUI-64-Format: Anschließend wird das 7-te Bit des oberen Bytes invertiert

Unique-lokale Adresse

  • Unique-lokale Adressen entsprechen den privaten Adressen von IPv4.

  • Diese Adressen sind auf einen speziellen Bereich begrenzt und werden nicht ins Internet weitergegeben. Sie können allerdings innerhalb eines bestimmten Nutzerbereichs geroutet werden

  • Eine derartige Adresse verwendet den Präfix FC00::/7 (=1111 110), den Subnetz-Identifier (16 Bits) und die Interface-ID nach dem EUI-64-Format.

  • Global ID ist zufällig zu generieren und Local ist 1 für die lokale Generierung.

  • Unique-Lokale Adressen sind in RFC 4193 “Unique Local IPv6 Unicast Addresses” definiert.

Link-lokale Adresse

  • Hierbei handelt es sich um eine automatisch erzeugte Adresse.

  • Sie verwendet den Präfix FE80::/10 (=1111 1110 11), Subnetz Bits die Nullen enthalten können und die Interface-ID im EUI-Format

  • Dieser Adresstyp wird in Verbindung mit dem Neighbor Discovery Protokoll für den automatischen Adresszuweisungsprozess genutzt.

  • Link-lokale Adressen werden nur für den Link erzeigt und darüber hinaus nicht weitergegeben. Stationen eines Links können ohne Router miteinander kommunizieren ohne, dass sie über eine Unique-lokale oder globale Adresse verfügen.

Multicast Adresse

  • EIne IPv6 Multicastadresse besitzt einen Präfix von FF00::/8 (1111 1111).

  • Das zweite Halbbyte der Adresse FF00::/16 definiert die Lebenszeit und den Geltungsbereich (scope)

  • Flag: Eine permanente Adresse besitzt einen Wert von 0 eine temporäre Adresse einen von 1

  • Scope: der Gültigkeitsbereich einer Multicastadresse variiert von node, link, site, organization bis zu global mit den Parametern 1, 2, 5, 8 bzw. E angezeigt

Vorgebene Multicast-Adressen

  • All Nodes: FF02::1 (entsprich dem Broadcast in IPv4)

  • All Routers: FF02::2

Multicast Gruppenzugehörigkeit

  • IPv6 Knoten wie Router und Hosts müssen folgenden Gruppen angehören:

    • FF02::1 link-local

    • FF02::1:FF00:0 Solicated Node für jede Uni- und Ancast-Adresse

    • Router müssen zusätzlich der Gruppe FF02::2 angehören

  • Solicited Node Mulitcast-Adressen werden zur Entdeckung von Nachbarn durch das Neighbor Discovery Protokoll verwendet.

  • Die unteren 24 Bits dieser speziellen Adresse entsprechen der IPv6 Unicast- oder Anycast-Adresse. Sie besitzt nur link-lokale Signifikanz

Spezielle Adressen

  • Die unspezifizierte Adresse ::/128 - sie besteht vollständig aus Nullen. Diese Adresse darf keinem Interface zugeordnet werden. Sie wurd nur in Software benutzt, bevor eine Anwendung die genaue Quelladresse erkannt hat.

  • Die link local Adresse ::1/128 - ist die Loopbackadresse. Eine Anwendung, die ein Paket an diese Adresse sendet, veranlasst IPv6 dieses an das gleiche Interface zurückzugeben (entspricht 127.0.0.1 in IPv4). Diese Adresse kann keinem Interface explizit zugewiesen werden. Sie wird nicht “gerouted"

IPv6- und IPv4-Adressen

  • Dual Stack: Ein Host unterstützt sowohl IPv4 und IPv6

  • Tunnel: Wenn Teile des Netzwerkes nicht IPv6 fähig sind können IPv6 in IPv4 getunnelt werden.

  • Adressumsetzung (DNS64, NAT64)

Zusammenfassung - Adressraum

Adresszuweisung

  • Die Internet Assigned Numbers Authority (IANA) teilt 2000::/3 Adressen an Registries zu.

  • Von der IANA erhält eine Registry einen Präfix der Länge von 20 bis 23 im Adressraum 2001::/16

  • Die Registries geben dann einen Präfix /32 an ISPs weiter, die ihrerseits einen Präfix/48 an ihre Kunden geben.

IPv6-Adressen in URLs

  • Da die Strukturierung der IPv6-Adressen über : erfolgt, dieser aber in URLs als Abtrennung für Ports genutzt wird, ist eine Unterscheidung notwendig.

  • Die IPv6-Adresse wird daher in eckigen Klammern gesetzt

  • Beispiel:

    http://[2001:1:4F3A::206:AE14]:8080/index.html

Adressen pro Knoten

  • Wie viele IPv6-Adressen benötigt ein Knoten, um die Funktionsfähigkeit von IPv6 zu garantieren?

    • Link-lokale Adresse für jedes Interface

    • Zugewiesene Unicast-Adresse

    • Loopback-Adresse

    • All-nodes Multicast-Adresse

    • Solicited-node Multicast-Adresse für jedes Interface mit einer Uni- oder Anycast-Adresse

    • Unique-lokale Adresse

    • Eventuelle Multicast-Adressen

Adressen pro Router

  • Router benötigen folgende Adressen:

    • Unicast-Adressen für Interfaces

    • All-router Multicast-Adressen

    • Eventuell Anycast-Adressen

    • Spezielle Multicast-Adressen abhängig vom Routingprotokoll

Protokollfamilie

  • IPv6 besteht nicht nur aus einem isolierten Protokoll, sondern aus einer Familie weiterer Begleitprotokolle:

    • erweitertes ICMPv6, das

      • die Autokonfiguration

      • das Neighbor Discovery (ähnlich zu ARP)

      • …

    • DHCPv6, das durch die Autokonfiguration weniger genutzt werden dürfte

Eigenschaften

  • Mit ICMPv6 können Hosts und Router Fehler melden und einfache Nachrichten versenden

  • ICMPv6 gibt den Rahmen für zwei neue Protokolle in IPv6 vor:

    • ND: stellt eine Folge von fünf ICMPv6-Nachrichten bereit, die die Kommunikation der Knoten untereinander verwaltet. ND erstetzt ARP, die ICMPv4-Routersuche und das ICMPv4-Redirect. Darüber hinaus stellt es weitere Funktionen bereit.

  • ICMPv6-Nachrichten werden in der Regel automatisch gesendet, wenn ein IPv6-Paket das gewünschte Ziel nicht erreicht

  • ICMPv6-Nachrichten werden in IPv6-Pakete als Nutzlast gekapselt

Felder

  • Internet Control Message Protocol Version 6 ist in RFC 2463 beschrieben.

  • Die verschiedenen Arten von ICMPv6-Nachrichten werden im ICMPv6-Header gekennzeichnet.

  • Next Headervalue beträgt 58

  • Eine Nachricht besteht aus folgenden Feldern:

    • Type - identifiziert die Nachricht oder Aktion

    • Code - ist ein type-spezifischer Subidentifier, z.B. Destination Unreachable, Port unreachable, adminstrativ verboten

    • Checksum - über die gesamte ICMPv6-Nachricht berechnet

Nachrichten

Ziele des Neighbor Discovery

  • Adressauflösung

  • Next-hop Bestimmung

  • Discovery

    • Präfix (finde den local-link Nachbarn)

    • Parameter (hop limit, MTU)

    • Router (welches ist das Defaultgateway)

  • Maintenance

    • Neighbor Erkennung der Nichterreichbarkeit

    • Erkennung doppelter Adressen

    • Umleitung = Redirection

Neighbor Discovery

  • Der Neighbor Discovery Prozess kennt zwei Nachrichten:

    • Neighbor Solicitation

    • Neighbor Advertisement

Neighbor Advertisement

  • Antwort auf die Neighbor Soliciation Nachricht mit der Neighbor Advertisement Nachricht Typ 136

  • Quell- und Zieladressen sind gegenüber der Solicitation Nachricht vertauscht.

  • Der Datenteil enthält die Layer-2-Adresse des Knotens der die Advertisement-Nachricht schickt.

  • Wird ebenfalls genutzt, um über Änderungen der Linklayer-Adresse zu informieren. In diesem Fall ist die Zieladresse die “all-nodes multicast Adresse”

Adressauflösung

  • Ersetzt ARP

  • Host A (FE80::AAAA:AAAA) möchte Daten an Host B (fe80::BBBB:BBBB) senden.

  • Host A benötigt die MAC-Adresse: Dazu sendet Host A eine Neighbor Solicitation Message an die Solicited-node multicast address FF02::1:FFBB:BBBB mit dem Inhalt fe80::BBBB:BBBB.

  • Host B antwortet mit einer Neighbor Advertisement Message. Diese beinhaltet die MAC-Adresse von Host B.

  • Wird ein Paket über die Subnetzgrenze hinaus versendet, erfolgt die Adressauflösung für den gewählten Router.

  • Der Unterschied zu ARP ist, dass bereits IPv6 (Multicast) Adressen verwendet werden, welche automatisch konfiguriert wurden.

Neighbor Solicitation - Beispiel

Duplicate Adress Detection

  • IPv6 Hosts konfigurieren selbstständig Adressen.

  • Zur Überprüfung, ob diese in einem LAN bereits vergeben sind führen Sie für die selbst gewählte Adresse eine Adressauflösung durch.

  • Erhalten Sie keine Antwort, wird davon ausgegangen, dass die Adresse nicht vergeben ist und der Host nutzt diese.

  • Erhalten Sie eine Antwort, kann die gewählte Adresse nicht genutzt werden.

Router Discovery

  • Router Discovery ist ein Prozess, der Router auf dem lokalen Link identifiziert.

  • Dazu stehen die Nachrichten:

    • Router advertisement

    • Router solicitation zur Verfügung

Router Advertisement

  • Router advertisement (RA) Nachrichten sind durch den Typ 134 kenntlich gemacht und werden in bestimmten Zeitspannen von jedem konfigurierten Interface eines IPv6-Routers gesendet

  • Die Nachricht ist an die “all nodes multicast Adresse” FF02::1 gerichtet

  • Die Source IP-Adresse ist entweder die link local Adresse oder die unspezifizierte IPv6-Adresse (::)

  • Für die stateless Autokonfiguration besitzt der bekanntgegebene Präfix einer Länge von 64 Bit

RA - Informationen

  • Die Nachricht enthält folgende Informationen:

    • Ein Flag, das anzeigt, ob der Knoten den Autokonfigurationsmechanismus nutzen kann und dessen Typ

    • Ein oder mehrere IPv6-Präfixe, die Hosts des lokalen Links zur Konfiguration verwenden können

    • Lifetime-Informationen für jeden Präfix

    • Ob der Router, der die RA-Nachricht sendet als Defaultrouter angesehen werden soll

    • Zusatzinformationen für Hop Limit und MTU

Router Solicitation

  • Router Solicitation Nachrichten besitzen den ICMP-Typ 133 und werden beim Systemstart eines Hosts gesendet, so dass ein Host sofort automatisch konfiguriert wird, ohne auf einen Router Advertisement warten zu müssen

  • Die Quelladresse dieser Nachricht ist du unspezifizierte IPv6-Adresse 0:0:0:0:0:0:0:0

  • Die Zieladresse ist die All-Router Multicast Adresse FF02::2

Automatische Adresskonfiguration

  • Jedes IPv6-System ist in der Lage, seine eigene globale Unicastadresse zu konfigurieren

  • IPv6 Router - senden folgende Informationen auf dem local link

    • IPv6 Präfix - dabei kann nach altem und neuem Präfix nach einer Umnummerierung unterschieden werden, da Präfix mit einer Lifetime versehen sind

    • Default IPv6 Route

  • IPv6 Hosts - hören den local link ab und konfigurieren sich selbständig

    • Adresse mit Präfix der RA-Nachricht und dem EUI-64 Format

    • Defaultroute

Automatische Adresskonfiguration - Ablauf

  • Ein Knoten kann automatisch eine unique-lokale und globale IPv6 Adresse konfigurieren

  • Dazu wird an die 64-Bit Interface-ID der über eine Router Advertisement Nachricht bezogene Präfix angehängt

  • Ist der Präfix in der RA-Nachricht global eindeutig, trifft dies auch für die neue konfigurierte Adresse zu

Automatische Adresskonfiguration - Beispiel

Formen der Adresszuweisung

  • In IPv6 existieren vier Arten, auf die ein Host eine IPv6-Adresse erhalten kann:

    1. Statische Konfiguration: vergleichbar der manuellen Zuweisung einer Adresse in IPv4

    2. Stateless Adress Autoconfiguration (SLAAC): der Host konfiguriert automatisch seine IPv6-Adresse wie in RFC 2462 beschrieben

    3. Stateful DHCPv6: der Host nutzt DHCPv6, um eine Adresse zu erhalten wie in RFC 3315 beschrieben

    4. Stateless DHCP: der Host nutzt SLAAC und zusätzlich DHCP, um zusätzliche Parameter für DNS Server, TFTP Server etc. zu bekommen

  • Der Konfigurationstyp wird über die M- und O-Flags des Router Advertisements gesteuert.

Automatische Adresskonfiguration - Details

  • Eine IPv6-Adresse kann steful (DHCPv6) oder stateless (IMCPv6) bezogen werden

  • Das M-Bit in der Router Advertisement Nachricht zeigt an, wie die Adresse erhalten wurde

    • M-Bit = 1 DHCPv6 stateful

    • M-Bit = 0 IMCPv6 stateless

  • Das O-Bit bestimmt, ob eine Station weitere Prameter von einem DHCPv6 Server anfragen soll (stateless DHCPv6)

Statische Konfiguration

  • Die Adresse wird manuell zugeteilt.

  • Diese Verfahren wird für kritische Netzwerkkomponenten wie Router, Switches oder Firewalls gewählt, aber nicht für die Mehrzahl der Hosts

Stateless Address Autoconfiguration (SLAAC)

  • Hier wird die Adresse durch die Kombination eines Präfixes mit dem Interface Identifier bestimmt.

  • Dazu sendet der Router auf dem “local-link all nodes” Multicastadresse Router Advertisements, die u.a. den Präfix enthalten.

  • Der Host kombiniert diese Information mit seiner Interface-ID, die er z.B. nach dem EUI-64-Verfahren bestimmt oder zufällig generiert.

SLAAC Wertung

  • Diese Form der Adresskonfiguration unterstützt das Intranet-weite Management der Adressen

  • Die automatische Konfiguration ermöglicht ein “Plug-and-Play” der Geräte und integriert neue Geräte nahtlos.

  • Dieses Merkmal erleichtert zudem einen Wechsel des Providers, da der neue Präfix über die Router Advertisements automatisch verteilt wird.

Stateful DHCPv6

  • DHCPv6 nutzt Multicasts zur Informationssuche und -zustellung

  • Zunächst muss ein Host einen Router auf seinem Link durch Neighbor Discovery Nachrichten entdecken

  • Wenn ein Router Advertisement die Nutzung von DHCP anzeigt, startet der Host die DHCP Solicitation-Phase, um einen DHCP-Server zu finden.

  • Der weitere Verlauf entspricht demjenigen bei IPv4.

Stateless DHCP

  • In diesem Fall wird DHCP nur dazu verwendet, um zusätzliche Parameter in Erfahrung zu bringen

  • Ein Host stützt sich auf den SLAAC-Prozess und sendet dann eine DHCPv6 Solicit-Nachricht an den DCHP-Server

Zusammenfassung

  • Vereinfachter Header mit längeren Adressen

  • Automatische Adresskonfiguration

    • Link local

    • Globale Adresse über SLAAC

    • Statische Konfiguration und DHCPv6 weiterhin möglich

  • Neue Adressformen:

  • Multicast anstelle von Broadcast

  • Link-local Adressen

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Carl H.

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