IPv6 Neighbor Cache - Kurzbeschreibung

Beschreibung

Nodes am internen Link

Router
Linux Host
Windows Host

Neighbor Discovery Protocol (NDP)

Dank der Link-local Addresses waren die Nodes in der Lage miteinander auf dem internen Link zu kommunizieren
Wir haben dies mit diversen Echo Requests bereits ausprobiert

Nodes waren in der Lage die Link-local Addresses ihrer Nachbarn zu gültigen Link-layer Addresses aufzulösen

Unser Link internal ist ein virtuelles Ethernet, die Link-layer Addresses entsprechen in unserem Netz deshalb den bei Ethernet gebräuchlichen MAC-Adressen
Zuständig für die Auflösung von IPv6-Adressen zu Link-layer Addresses ist das Neighbor Discovery Protocol (NDP), spezifiziert in RFC 4861

NDP wird über ICMPv6 transportiert

Damit ist es von IPv6 abhängig, wenn es IPv6-Adressen auflösen soll
Wie und warum das dennoch funktioniert, werden wir uns gleich anschauen
Vorher machen wir uns aber noch mit den Neighbor Caches vertraut
Jeder Node betreibt einen Neighbor Cache in dem er die Ergebnisse der Link-layerAdressauflösungen zwischenspeichert

Unter IPv4 haben wir für die Auflösung noch ARP benutzt, dessen Ergebnisse in der ARP-Tabelle zwischengespeichert wurden

Hinweis

Die Einträge in den Neighbor Caches sind je nach Betriebssystem und Zustand unterschiedlich lange gültig

Im Normalfall sind sie sehr kurzlebig
Wir brauchen für die folgenden Experimente deshalb mitunter mehrere Anläufe
Für das Einfangen eines ganz bestimmten Zustands müssen wir zum richtigen Zeitpunkt den Neighbor Cache auslesen
Manchmal ist es daher vorteilhaft, das nächste Kommando schon in der Zwischenablage bereit zu halten, um schneller reagieren zu können

Neighbor Cache Windows

Wechsel zur Virtuellen Maschine windows

Terminal öffnen
- zum Beispiel mit der bereits bekannten Methode Windows-Taste+R und cmd
Um sicherzugehen, dass sich Einträge im Neighbor Cache befinden werden, kommunizieren wir mit einem anderen Node auf dem Link

Echo Request an die Link-local Address von linux

C:\Users\user> ping -n3 fe8::2:ff:fe6:d1e%12
Pinging fe8::2:ff:fe6:d1e %12 with 32 bytes of data :
Reply from fe8::2:ff:fe6:d1e%12: time <1 ms
Packets : Sent = 3 , Received = 3, Lost = ( % loss ) ,

Sobald eine Antwort eintrifft, können wir den Vorgang abbrechen und den Neighbor Cache ausgeben lassen

C:\Users\user> netsh interface
Interface 12: LAN1
Internet Address
---------------------------fe8 ::2 : ff : fe6 : d1e
ff 2 ::1
ff 2 ::1: ff6 : d1e

ipv6 show neighbors
Physical Address
----------------- - -6 - d -1 e
33 -33 - - - - 1
33 -33 - ff -6 - d -1 e

Type
--------Reachable
Permanent
Permanent

Die IPv6-Adresse fe8 ::2 :ff:fe6 :d1e wurde korrekt zur Link-layer Address - - -6 - d-1e aufgelöst

Der Zustand des Eintrages ist Reachable, das heißt, der zugehörige Node gilt auf dem Link als erreichbar

Nach circa 20 Sekunden lassen wir uns den Neighbor Cache ein weiteres Mal ausgeben:

C:\Users\user> netsh interface
Interface 12: LAN1
Internet Address
---------------------------fe8 ::2 : ff : fe6 : d1e
ff 2 ::1
ff 2 ::1: ff6 : d1e

ipv6 show neighbors
Physical Address
----------------- - -6 - d -1 e
33 -33 - - - - 1
33 -33 - ff -6 - d -1 e

Type
--------Stale
Permanent
Permanent

Der Eintrag für die Adresse fe8 ::2 :ff:fe6 :d1e hat seinen Zustand zwischenzeitlich auf Stale gewechselt

Die Nachbarn am Link können offensichtlich verschiedene Zustände haben

Neighbor Cache Linux

Die Zustände werden wir in einem weiteren Experiment, diesmal von Linux aus, untersuchen

Wir verschicken Echo Requests an fuzzball, werden uns aber bei Eingabe der Adresse im letzten Zeichen vertippen
Die Echo Requests gehen an die Adresse fe8 ::219:83ff:fe 9:17db
Den Vorgang brechen wir vorerst nicht ab

user@linux:~ ping6 fe8::219:83ff:fe9:17db%eth
PING fe8::219:83ff:fe9:17db% eth '
( fe8 ::219:83 ff : fe 9 :17 db ) 56 data bytes
From fe8 ::2 : ff : fe6 : d1e icmp_seq =1 Destination '
unreachable : Address unreachable
48 packets transmitted ,
received , +42 errors , 1 % '
packet loss , time 47182 ms

Während Linux weiter fleißig Echo Requests versendet, öffnen wir ein zweites Terminal und schauen in diesem auf den Neighbor Cache

Unter Linux steht uns dafür das Kommando ip neighbor show zur Verfügung

user@linux:~ ip neighbor show
fe8::219:83ff:fe9:17 db dev eth INCOMPLETE

Wir lernen mit Incomplete einen weiteren Zustand kennen

Nun brechen wir das Senden der Echo Requests im ersten Terminal ab, wechseln zügig in das zweite Terminal und lassen uns erneut den Neighbor Cache ausgeben

user@linux:~ ip neighbor show
fe8::219:83ff:fe9:17 db dev eth FAILED

Sofern wir uns nicht zu viel Zeit gelassen haben, sehen wir noch den Zustand Failed bevor der Eintrag aus dem Neighbor Cache verschwindet

Failed ist kein Zustand, den man in RFC 4861 findet, sondern soll verdeutlichen, dass die Auflösung der Adresse nicht erfolgreich beendet werden konnte

Zustände der Einträge

Den anderen Zuständen hingegen sind klare Bedeutungen zugeordnet:

Zustand	Beschreibung
Incomplete	Es findet gerade eine Adressauflösung statt Diese konnte aber noch nicht erfolgreich beendet werden
Reachable	Der zugehörige Nachbar gilt als erreichbar Entweder findet gerade eine Kommunikation mit ihm statt oder eine solche ist erst wenige Sekunden her
Stale	Die Erreichbarkeit des zugehörigen Nachbarn ist unbekannt Es fand kürzlich eine Kommunikation mit ihm statt Solange keine weitere Kommunikation beabsichtigt ist, sollte auf eine erneute Adressauflösung verzichtet werden
Delay	Der zugehörige Nachbar gilt nicht als erreichbar Es wurde aber wieder eine Kommunikation mit ihm gestartet Bleibt eine Bestätigung der Erreichbarkeit durch die kommunizierende Schicht aus, wird auf IP-Schicht die Erreichbarkeit aktiv überprüft werden
Probe	Der zugehörige Nachbar gilt nicht als erreichbar Seine Erreichbarkeit wird gerade aktiv geprüft Sollte die Prüfung fehlschlagen, wird der Eintrag entfernt

Adressauflösung mitschneiden

Dass die Neighbor Caches funktionieren haben wir gerade gesehen

Auch wissen wir dank der erfolgreichen Echo Requests, dass die Auflösung von IPv6-Adressen und Link-layer Addresses funktioniert
Es ist nun an der Zeit, die Frage nach dem Wie zu beantworten

Dazu suchen wir uns einen Node aus, der gerade einen leeren Neighbor Cache hat, zum Beispiel fuzzball

Das Kommando zum Anzeigen des Neighbor Caches ist uns aus den vorherigen Experimenten noch bekannt
Sollten sich noch gültige Einträge im Neighbor Cache befinden, warten wir noch etwas ab

Wenn der Node seine IPv6-Nachbarn schließlich vergessen hat, starten wir Wireshark auf dem entsprechenden Interface, hier eth1

Um eine Adressauflösung zu erzwingen versenden wir wieder Echo Requests:

user@router:~ ping6 -c3 fe8::2:ff:fe6:d1e%eth1
PING fe8 ::2 : ff : fe6 : d1e % eth1 ( fe8 ::2 : ff : fe6 : d1e ) '
56 data bytes
64 bytes from fe8 ::2 : ff : fe6 : d1e : icmp_seq =1 ttl =64 '
time =3.75 ms
3 packets transmitted , 3 received , % packet loss , time '
2 5 ms

Neighbor Solicitation

Abbildung 4.6

Hat der betroffene Node wie gewünscht geantwortet stoppen wir die Aufzeichnung und schauen uns die Ergebnisse in Wireshark an
Das erste Paket von Interesse ist eine Neighbor Solicitation genannte Nachricht (siehe Abbildung 4.6)

Da das Neighbor Discovery Protocol ein in ICMPv6 eingebettetes Protokoll ist, fängt der spannende Teil mit einem ICMPv6-Header an

Der Nachrichtentyp hat die Nummer 135 und den Code 0
Neben der Checksum und reservierten Bytes existiert ein weiteres Feld, die Target Address
Sie enthält die aufzulösende IPv6-Adresse und gehört zum Ziel unseres Echo Requests
Danach folgt eine ICMPv6-Option namens Source Link-layer Address
Dabei handelt es sich um zusätzliche Informationen, die der Absender im Paket unterbringen kann
Hier hat fuzzball die Link-layer Address seines Interfaces freundlicherweise im Paket vermerkt
Der Gegenseite liefert er damit wertvolle Informationen für ihren eigenen Neighbor Cache
Ganz nebenbei ersparen solche Zusatzinformationen dem Link das ein oder andere Paket

Aber wie konnte das Paket überhaupt beim richtigen Node am Link landen, wo wir doch seine Link-layer Address noch nicht kennen? Die Lösung ist im IPv6-Header des Paketes versteckt und lautet Solicited Node Multicast Address

Sie wird wie in Abbildung 4.7 dargestellt berechnet

Solicited Node Multicast Address

Pakete an die Solicited Node Multicast Address eines Nodes können auch bei unbekannter Link-layer Address an diesen

Abbildung 4.7 - Solicited Node Multicast Address

00:00:00:60:0d:1e

Link-Layer Address (MAC)

ff02::1:ff60:0d1e

Solicited Node Multicast Address

Abbildung 4.8 - Neighbor Advertisement

zugestellt werden

Wie genau das funktioniert werden wir in Abschnitt 4.5 Multicast lernen
Vorerst werden wir uns damit begnügen, dass es irgendwie funktioniert

Neighbor Advertisement

Natürlich antwortet der angesprochene Node kurz darauf

Er tut dies mit einem sogenannten Neighbor Advertisement

Wieder schauen wir in das Paket, ähnlich Abbildung 4.8, hinein

Die Typnummer lautet nun 136, der Code bleibt unverändert und hat den Wert 0
Die Target Address gibt weiterhin an, für welche IPv6-Adresse eine Auflösung stattfindet
Neu ist das Feld Flags, das wir neugierig aufklappen

Wireshark erläutert die Flags eher sparsam, darum hier ihre Bedeutung

Flag	Beschreibung
Router	Ein gesetztes Flag zeigt an, das es sich bei der Quelle um einen Router handelt Das ist wichtig zu wissen, da ein Router an einem Link seine Rolle aufgeben kann Er wird dann zu einem normalen Host Diese Änderung zeigt er durch das Nichtsetzen des Flags an
Solicited	Mit diesem Flag wird darauf hingewiesen, dass das Neighbor Advertisement die Folge einer vorhergehen Neighbor Solicitation ist Der Empfänger bekommt damit die Erreichbarkeit eines Nodes bestätigt Mit der Information kann er seinen Neighbor Cache aktualisieren und Einträge im Zustand Stale oder Probe zurück auf Reachable setzen
Override	Mit dem Override-Flag kann die Quelle festlegen, was das Ziel des Neighbor Advertisements in den Neighbor Cache eintragen soll Ist es gesetzt, werden existierende Einträge zu der angegeben Adresse überschrieben Ist es nicht gesetzt, darf es lediglich einen unvollständigen Eintrag ergänzen Adressen, deren Einträge man nicht mit jedem Neighbor Advertisement überschreiben will, sind zum Beispiel Anycast Addresses Wenn mehrere Anycast Hosts am Link vorhanden sind, laufen die anderen Hosts sonst Gefahr, ständig ihre Neighbor Caches zu überschreiben, ohne einen Nutzen daraus zu ziehen

Die letzte Information im Paket ist die Source Link-layer Address, der eigentliche Grund der Anfrage

Übrigens

An diesem Beispiel zeigt sich die Flexibilität von IPv6

Die ICMPv6-Optionen werden stets zusammen mit einer Längenangabe versendet
Sollte sich irgendwann eine LinkTechnologie durchsetzen die mehr als 6 Bytes für eine Linklayer Address benötigt, steht einer Vergrößerung der entsprechenden ICMPv6-Option nichts im Wege

Ablauf einer typischen Adressauflösung

Der gesamte Prozess der Adressauflösung zwischen zwei Nodes auf dem Link besteht aus nur zwei Paketen

Von den Paketen musste keines an alle Nodes gesendet werden (siehe Abbildung 4.9)
Gegenüber Broadcast stellt das eine deutliche Einsparung dar, gerade an Links mit vielen Nodes

Anhang

Siehe auch

Links

Weblinks

TMP

IPv6-Neighbor Cache

Bei IPv6 wird die MAC-Adressenanfrage nicht wie bei IPv4 über das ARP-Protokoll realisiert, sondern über das Neighbor Discovery Protokoll (ein spezifisches ICMPv6-Protokoll). Dementsprechend werden die angefragten MAC-Adresse-IP-Adresse-Zuordnungen in den Neighbor-Cache abgelegt

Die Abfrage dieses Caches erfolgt über den Befehl

$ ip -6 neigh

Manuelle MAC-Adressanfrage

Um eine MAC-Adressanfrage manuell zu initiieren kann das tool ndisc6 (neighbor discovery) verwendet werden

# ndisc6 <IPv6-Zieladresse> <Quellinterface>

# ndisc6 <2001:638:408:200::1> <eth1>

IPv6-Neighbour Cache

Der Befehl show ipv6-neighbour-cache zeigt den aktuellen Neighbour Cache an

Die Ausgabe ist folgendermaßen formatiert:

<IPv6-Adresse> iface <Interface> lladdr <MAC-Adresse> (<Switchport>) <Gerätetyp> <Status> src <Quelle>

Bestandteile der Konsolenausgabe `show ipv6-neighbour-cache`
Ausgabe	Erläuterung
IPv6-Adresse	Die IPv6-Adresse des benachbarten Gerätes
Interface	Das Interface, über das der Nachbar erreichbar ist
MAC-Adresse	Die MAC-Adresse des Nachbarn
Switchport	Der Switchport, auf dem der Nachbar festgestellt wurde
Gerätetyp	Gerätetyp des Nachbarn (Host oder Router)
Status	Der Status der Verbindung zum benachbarten Gerät
Quelle	Die IPv6-Adresse, über die der Nachbar entdeckt wurde

Mögliche Einträge
INCOMPLETE	Die Auflösung der Adresse ist noch im Gange und die Link Layer Adresse des Nachbarn wurde noch nicht bestimmt
REACHABLE	Der Nachbar ist in den letzten zehn Sekunden erreichbar gewesen
STALE	Der Nachbar ist nicht länger als REACHABLE qualifiziert, aber eine Aktualisierung wird erst durchgeführt, wenn versucht wird ihn zu erreichen
DELAY	Der Nachbar ist nicht länger als REACHABLE qualifiziert, aber es wurden vor kurzem Daten an ihn gesendet und auf Verifikation durch andere Protokolle gewartet
PROBE	Der Nachbar ist nicht länger als REACHABLE qualifiziert. Es werden Neighbour Solicitation Probes an ihn gesendet um die Erreichbarkeit zu bestätigen