CN108769290B - 一种IPv6多地址生成与重复地址检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种IPv6多地址生成与重复地址检测方法，采用新的IPv6地址，节点随机方式生成一次生成多个接口ID，进行重复地址检测时，将同时对多个新生成的接口ID进行检测，只有当所有的接口ID都是冲突，重复地址检测才是失败的，否则会从没有表明是冲突的接口ID中随机挑选一个使用。本发明的多地址生成与重复检测，可以使得检测不易被攻击，检测效率高，通信轨迹不受监听。

Description

一种IPv6多地址生成与重复地址检测方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，特别与一种IPv6多地址生成与重复地址检测方法有关。

背景技术

在Internet发展初期，由于没有考虑到计算机网络的普及速度以及对世界深远影响，作为Internet基石的IP协议中的IP地址长度被设计为32位，这导致所有的可用IP地址数量约为40亿，远远无法满足现代网络应用需要。鉴于32位的IP地址已被耗尽，IETF提出IPv6作为IP协议(目前使用的为IPv4)的升级版本，其地址长度为128位，几乎可以任意使用而无需担心被耗尽。

节点可以进行网络通信的前提条件是获取到了合法的IP地址。在IPv6环境中，节点获取IPv6地址的方法主要有两种：一种是通过动态主机配置协议(DHCP)获取；另一种是通过无状态地址自动配置(SLAAC)的方式获取。在DHCP配置方式中，由于节点的IPv6地址是由DHCP服务器从地址池中随机挑选的空闲地址，因此地址的唯一性检查由DHCP服务器来完成，且有一定的保障，但节点在得到DHCP服务器分配的IP地址后仍然需要进行重复地址检测(Duplicate Address Detection，DAD)。

在SLAAC方式中，节点需要自己生成IPv6地址，方法主要有两种：一种是节点根据网络路由器发送的路由信息中给出的网络前缀，利用EUI-64方法生成自己的IP地址；另一种方法为生成链路本地地址，节点通过使用IPv6本地路由前缀“fe80：：”，然后结合自己的48比特链路层地址(MAC地址)，利用EUI-64方法生成链路本地地址。

EUI-64是IEEE定义的一种64位扩展唯一标识符，其产生方法和接口的链路地址有关。在以太网中，IPv6地址中的接口ID(InterfaceIdentifier，IID)是64位的，而MAC地址是48位的，EUI-64规定在MAC地址的中间位置插入十六进制整数“fffe”(二进制为1111111111111110)，从而将48位的MAC地址扩展为64位的接口ID。为了确保从这个MAC地址得到的接口ID是唯一的，还要将U/L位(从高位开始的第7位)设置为“1”，最后得到的就作为EUI-64格式的接口ID，如表1所示。

表1

1MAC地址：	0012：3400：ABCD
		2二进制格式：	00000000 00010010 00110100 00000000 10101011 11001101
3插入FFFE：	00000000 00010010 00110100 11111111 11111110 00000000 10101011 11001101
		4设置U/L位：	00000010 00010010 00110100 11111111 11111110 00000000 10101011 11001101
5EUI-64地址：	0212：34FF：FE00：ABCD

在IPv6中，根据协RFC4861规定，任何一个IPv6地址在使用前都要进行重复地址检测，目的是防止出现地址冲突(即两个或多个节点使用相同的IPv6地址)。而如果在重复地址检测过程中发现了地址冲突，节点有三种处理方法：

(1)不理会，继续使用；

(2)生成新的IPv6地址，并重新进行重复地址检测；

(3)停止使用；

大多数IPv6实现中都采用的第二种方法，因为第一种处理方法较为武断，没有从源头解决冲突。第三种方法则较为被动，会导致节点通信异常。所以，从目前采用的重复地址检测方式来看，存在以下三方面问题：

(1)检测过程易受攻击。由于节点即将使用的地址DAD检测过程中是公开，容易受到攻击，导致节点DAD失败。节点只能重新生成新的地址，重新执行DAD，一般情况下，节点会在3次DAD失败后不再进行地址配置，即地址配置失败，导致节点无法通信；

(2)隐私泄露。由于节点的IPv6地址是根据自己的MAC地址而生成，当节点在利用此地址进行通信时(无论是局域网内部通信，还是进行外网通信)，监听者都可以根据节点的IPv6地址，结合EUI-64规则，推测出节点的物理MAC地址，从而对节点的通信轨迹进行监听。

(3)检测效率低。每次只生成一个地址，检测一个地址，地址配置效率过低。

因此，为了克服上面提到的问题，我们提出一种IPv6多地址生成与重复地址检测方法，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种IPv6多地址生成与重复地址检测方法，检测不易被攻击，检测效率高，通信轨迹不受监听。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种IPv6多地址生成与重复地址检测方法，设置两种消息格式，分别是匹配值选项Match Option和重复接口选项IID Option；

匹配值选项Match Option由类型字段Type、长度字段Length、计数字段Count、保留字段Reserved和条目字段item构成，该选项用在NS_MAGD消息中，各字段具体描述如下：

类型字段Type：表示选项的类型，默认值为0；

长度字段Length：表示选项的长度，NS_MAGD消息长度以4字节为单位；

计数字段Count：表示选项中包含匹配值的个数；

保留字段Reserved：保留字段，留作以后功能扩展，使用全0填充；

匹配值选项Match Option的类型字段Type、长度字段Length、计数字段Count、保留字段Reserved长度共32比特；

条目字段item：32比特，用于NS_MAGD消息中；在主机生成B-set后，对于B-set中的每个64位的接口ID，截取左边32位得到一个长度为32位的二进制串，称为item；定义函数Left，功能是截取IID左侧32位，即item＝Left(IID，32)；把所有的item放到一起就得到了集合B-set’，即B-set’＝{item1，item2，…，itemn}；节点进行重复地址检测时，将B-set’中的所有item写入到匹配值选项Match Option的item字段中；

重复接口选项IID Option由类型字段Type、长度字段Length、计数字段Count、保留字段Reserved和接口地址字段Interface ID构成，该选项用在NA_MAGD消息中，各字段具体描述如下：

类型字段Type：表示选项的类型，默认值为1；

长度字段Length：表示选项的长度，NA_MAGD消息以4字节为单位；

计数字段Count：表示选项中包含接口ID的个数；

保留字段Reserved：保留字段，留作以后功能扩展，使用全0填充；

重复接口选项IID Option的类型字段Type、长度字段Length、计数字段Count、保留字段Reserved长度共32比特；

接口地址字段Interface ID：长度为64比特，用于NA_MAGD消息中，在接收方在使用NA_MAGD应答时，存储R-set中与Item匹配的接口ID；

其中IPv6地址128bit，包含网络前缀Prefix64bit和重复接口IID64bit，IID64bit通过函数截取左侧32位为item32bit；

发送端地址生成与检测过程如下：

发送端步骤一、对于给定的网络前缀Prefix，主机A随机生成n个64位接口ID(Interface ID，IID)，n＝2k，k＝1，2，3，…，k≤16，将这n个64位接口ID放到一起，构成备选地址集B-set；B-set＝{IID₁，IID₂，…IID_n}；

发送端步骤二、对于B-set集中的每个IID，主机A执行运算item＝Left(IID,32)，然后把item添加到B-set’中，从而得到匹配集B-set’，将然后生成Match Option选项；

发送端步骤三、以广播方式发送NS_MAGD进行重复地址检测，并记录检测开始时间TS；

发送端步骤四、等待并接收NA_MAGD，在规定的时间内，如果收到NA_MAGD，则进行发送端步骤五；如果超过了规定时间，则进行发送端步骤七；

发送端步骤五、将NA_MAGD中IID Option字段中的所有接口ID取出，生成应答地址集R-set；

发送端步骤六、将R-set中的每个地址依次与B-set中的所有地址进行比较，如果相同，则对B-set中的相同地址进行标记，设置重复标志repeat_flag字段，然后回到发送端步骤四；

发送端步骤七、将B-set中所有被标记为重复的地址去掉，用剩余地址生成可用地址集合A-set，如果A-set不为空，则从A-set中随机挑选一个接口ID，设为IID_X，再结合网络前缀Prefix，生成一个IPv6地址作为节点的新地址，Prefix作为新地址的前64位，IID_X作为新地址的后64位；如果A-set为空，则表明所有B-set中的接口都不可用，重复地址检测DAD失败；

接收端检测过程如下：

接收端步骤一、接收NS_MAGD；

接收端步骤二、根据NS_MAGD中的网络前缀Prefix，从本地地址池中提取出所有与Prefix匹配的128位地址，截取后64位，形成待检测地址集C-set；

接收端步骤三、如果C-set不为空，则从NS_MAGD的匹配值选项Match Option字段中提取出所有的item，形成匹配集B-set’，进行接收端步骤四；否则丢弃该NS_MAGD；

接收端步骤四、将C-set的接口ID与B-set’中的条目进行匹配；匹配方法为，对于C-set中的每个接口ID，用IID_Y表示，将其与B-set’中的匹配值，即item进行匹配，如果Left(IID_Y，32)＝item，即如果IID_Y的左侧32位与B-set’中的某个item相等，则匹配成功，将IID_Y加入应答地址集R-set；

接收端步骤五、如果R-set不为空，发送NA_MAGD进行应答；否则将NS_MAGD丢弃，不发送任何应答消息。

所述的发送端地址生成与检测过程步骤三中，其NS_MAGD报文的Target字段是写入网络前缀Prefix。

所述的发送端地址生成与检测过程步骤四中，所述规定的时间为从TS起3秒钟内。

所述的发送端地址生成与检测过程发送端步骤六中的比较方法如下：

从B-set中取出接口ID，用IDi表示，将其与R-set中所有ID进行比较，一旦发现IDi与R-set中的某个接口ID相同，则将IDi的重复标记repeat_flag设置为True；然后继续B-set中取出下一个接口ID继续与R-set中所有ID进行比较，直至B-set中的所有接口ID都比较过。

本发明采用上述方案后，具有如下技术效果：

(1)节点一次不再只产生一个接口ID，而是生成多个接口ID；

(2)在进行接口ID生成时，不是采用EUI-64规则，而是采用随机方式生成；

(3)在进行重复地址检测时，将同时对多个新生成的接口ID进行检测；

(4)只有当所有的接口ID都是冲突，重复地址检测才是失败的，否则会从没有表明是冲突的接口ID中随机挑选一个使用。

附图说明

图1为本发明中IPv6地址、Prefix、IID和item之间的关系图；

图2为本发明发送端地址生成与检测过程流程图；

图3为本发明接收端检测过程流程图；

图4为本发明中实施例一的网络拓扑图。

具体实施方式

参见说明书附图，对本发明较佳实施例做进一步阐述。

本发明的方法为多地址生成与重复检测(Multiple Address Generation andduplicate Detection，简称为MAGD)。

一、MAGD消息格式

设置两种消息格式，如表2和表3所示：

各字段描述：

Type：选项的类型，0为匹配值选项Match Option，用在NS_MAGD消息中；1为重复接口选项IID Option，用在NA_MAGD消息中；

Length：表示选项长度，NS_MAGD消息和NA_MAGD消息以4字节为单位；

Count：当Type＝0时，表示选项中包含的匹配值的个数；当Type＝1时，表示选项中包含的接口ID个数；

Reserved：保留，使用全0填充；

Item：32位，用于NS_MAGD消息中。在主机生成B-set后，对于B-set中的每个64位的接口ID，进行运算item＝Left(IID，32)，从而得到集合B-set’，即B-set’＝{item1，item2，…，itemn}；节点进行重复地址检测时，将B-set’中的item放到NS消息选项中，见表2；

Interface ID：64位，用于NA_MAGD消息中，在接收方在使用NA_MAGD应答时，存储R-set中与item匹配的接口ID，见表3。

其中128位的IPv6地址中包含64位Prefix和64位IID，64位IID通过函数Left(IID，32)截取左侧32位为item，其关系如图1所示。

二、发送端MAGD

结合图2，发送端地址生成与检测过程如下：

步骤一、对于给定的前缀Prefix，主机A随机生成n个64位接口ID(Interface ID，IID)，n＝2k，k＝1，2，3，…，此处建议k值小于等于16，将这n个64位接口ID放到一起，构成备选地址集B-set；B-set＝{IID₁，IID₂，…IID_n}；

步骤二、对于B-set集中的每个IID，主机A执行运算item＝Left(IID，32)，从而得到匹配集B-set’，将然后生成Match Option选项；

其中，函数Left(value，32)的功能是截取value左侧32位。

步骤三、以广播方式发送NS_MAGD进行重复地址检测(NS_MAGD报文的Target字段不再写入重复地址检测的目的地址，而是写入网络前缀Prefix)，并记录检测开始时间TS；

步骤四、等待并接收NA_MAGD，在规定的时间内(从TS起3秒钟内)，如果收到NA_MAGD，则进行步骤五；如果超过了规定时间，则进行步骤七；

步骤五、将NA_MAGD中IID Option字段中的所有接口ID取出，生成应答地址集R-set；

步骤六、将R-set中的每个地址依次与B-set中的所有地址进行比较，比较算法采用表5所示表4所示，如果相同，则对B-set中的相同地址进行标记，设置repeat_flag字段，然后回到步骤四；

表4

步骤七、将B-set中所有被标记为重复的地址去掉，用剩余地址生成可以用地址集合A-set，如果A-set不为空，则从A-set中随机挑选一个接口ID，设为IID_X，再结合网络前缀Prefix，生成地址Prefix||IID_X作为节点的新地址；如果A-set为空，则表明所有B-set中的接口都不可用，DAD失败。

三、接收端MAGD

结合图3，接收端检测过程如下：

步骤一、接收NS_MAGD；

步骤二、根据NS中的网络前缀信息Prefix，从本地地址池中提取出所有与Prefix匹配的128位地址，截取后64位，形成待检测地址集C-set；

步骤三、如果C-set不为空，则从NS_MAGD的Match Option字段中提取出所有的item，形成匹配集B-set’，进行步骤四；否则丢弃该NS_MAGD；

步骤四、将C-set的接口ID与B-set’中的条目进行匹配；匹配方法为，对于C-set中的每个接口ID，用IID_Y表示，将其与B-set’中的匹配值，即item进行匹配，如果Left(IID_Y，32)＝＝item，则匹配成功，将IID_Y加入应答地址集R-set；

步骤五、如果R-set不为空，发送NA_MAGD进行应答；否则将NS_MAGD丢弃。

实施例一

网络拓扑图见图4，拓扑中包含一台交换机和三台主机：主机A、主机B和主机C，三台主机的基本信息见表5。

表5

MAGD过程演示

(1)现假设主机A要根据路由器公布的网络前缀2001：1：：/64生成一个新的IPv6地址，假设主机A随机生成了4个接口ID，从而得到了B-set如下：

B-set

＝{′dbad01b7da61432e′，′7fc4191f7deb486a′，′95463600cd6c4e29′，000000000000001a]

(2)主机A根据B-set生成匹配集合B-set’：

B-set′＝{′dbad01b7′，′7fc4191f′，′95463600′，′00000000′}

然后以广播方式发送NS_MAGD进行重复地址检测，NS_MAGD见表6；

表6

(3)主机B和C都可以收到该NS_MAGD。主机B收到NS_MAGD后，根据报文的Target address字段提取出网络前缀为′2001：1：：/64′，然后主机B检索自己的地址池，找出满足前缀为‘2001：1：：/64′的地址，由于主机B没有满足前缀′2001：1：：/64′的地址，C-set为空，所以B丢弃该NS_MAGD，不再进行进一步检测；

(4)主机C收到该NS_MAGD后，根据提取出的报文前缀，发现地址池中的′2001：1：：1：C′和′2001：1：：1：A′满足该地址前缀，则形成C-set：C-set：＝{′000000000000001C′，′000000000000001A′}

由于C-set非空，所以主机C会根据NS_MAGD的Match Option字段，提取出所有的item得到B-set’：

B-set′＝{′da61432e′，′7deb486a′，′cd6c4e29′，′00000000′}

(5)主机C将C-set中的条目与B-set’中的条目进行比对，发现：

Left(′000000000000001a′，32)＝′00000000′

Left(′000000000000001c′，32)＝′00000000′

即′00000000000001c′和′000000000000001a′满足条件匹配条件，则将其加入到R-set中，最终形成R-set＝{′000000000000001c′，′000000000000001a′]。由于R-set非空，所以主机C会发送NA_MAGD进行应答，NA_MAGD详情见表7。

表7

(6)主机A在收到NA_MAGD后，从NA_MAGD的IID Option字段中提取出所有IID，形成R-set，然后将B-set与R-set中的接口ID进行比对，发现IID′000000000000001a′是重复的，并进行标记，然后从B-set中去掉重复的，形成A-set：

A-set＝{′dbad01b7da61432e′，′7fc4191f7deb466a′，′95463600cd6c4e29′]

由于A-set非空，所以A从A-set中随机选取一个IID，假设被选中的接口ID为′dbad01b7da61432e′，再结合前缀，最终得到可用的新地址′2001：1：：dbad01b7da61432e′。

以上是本发明优选实施方式，在本发明构思前提下所做出若干其他简单替换和改动，都应当视为属于本发明的保护范畴。

Claims (4)

1.一种IPv6多地址生成与重复地址检测方法，其特征在于：设置两种消息格式，分别是匹配值选项Match Option和重复接口选项IID Option；

匹配值选项Match Option由类型字段Type、长度字段Length、计数字段Count、保留字段Reserved和条目字段item构成，该选项用在NS_MAGD消息中，各字段具体描述如下：

类型字段Type：表示选项的类型，默认值为0；

长度字段Length：表示选项的长度，NS_MAGD消息长度以4字节为单位；

计数字段Count：表示选项中包含匹配值的个数；

保留字段Reserved：保留字段，留作以后功能扩展，使用全0填充；

匹配值选项Match Option的类型字段Type、长度字段Length、计数字段Count、保留字段Reserved长度共32比特；

条目字段item：32比特，用于NS_MAGD消息中；在主机生成B-set后，对于B-set中的每个64位的接口ID，截取左边32位得到一个长度为32位的二进制串，称为item；定义函数Left，功能是截取IID左侧32位，即item＝Left(IID，32)；把所有的item放到一起就得到了集合B-set’，即B-set’＝{item1，item2，…，itemn}；节点进行重复地址检测时，将B-set’中的所有item写入到匹配值选项Match Option的item字段中；

重复接口选项IID Option由类型字段Type、长度字段Length、计数字段Count、保留字段Reserved和接口地址字段Interface ID构成，该选项用在NA_MAGD消息中，各字段具体描述如下：

类型字段Type：表示选项的类型，默认值为1；

长度字段Length：表示选项的长度，NA_MAGD消息以4字节为单位；

计数字段Count：表示选项中包含接口ID的个数；

保留字段Reserved：保留字段，留作以后功能扩展，使用全0填充；

重复接口选项IID Option的类型字段Type、长度字段Length、计数字段Count、保留字段Reserved长度共32比特；

接口地址字段Interface ID：长度为64比特，用于NA_MAGD消息中，在接收方在使用NA_MAGD应答时，存储R-set中与Item匹配的接口ID；

其中IPv6地址128bit，包含网络前缀Prefix64bit和重复接口IID64bit，IID64bit通过函数截取左侧32位为item32bit；

发送端地址生成与检测过程如下：

发送端步骤一、对于给定的网络前缀Prefix，主机A随机生成n个64位接口ID(Interface ID，IID)，n＝2k，k＝1，2，3，…，k≤16，将这n个64位接口ID放到一起，构成备选地址集B-set；B-set＝{IID₁，IID₂，…IID_n}；

发送端步骤二、对于B-set集中的每个IID，主机A执行运算

item＝Left(IID,32)，然后把item添加到B-set’中，从而得到匹配集B-set’，将然后生成Match Option选项；

发送端步骤三、以广播方式发送NS_MAGD进行重复地址检测，并记录检测开始时间TS；

发送端步骤四、等待并接收NA_MAGD，在规定的时间内，如果收到NA_MAGD，则进行发送端步骤五；如果超过了规定时间，则进行发送端步骤七；

发送端步骤五、将NA_MAGD中IID Option字段中的所有接口ID取出，生成应答地址集R-set；

发送端步骤六、将R-set中的每个地址依次与B-set中的所有地址进行比较，如果相同，则对B-set中的相同地址进行标记，设置重复标志repeat_flag字段，然后回到发送端步骤四；

发送端步骤七、将B-set中所有被标记为重复的地址去掉，用剩余地址生成可用地址集合A-set，如果A-set不为空，则从A-set中随机挑选一个接口ID，设为IID_X，再结合网络前缀Prefix，生成一个IPv6地址作为节点的新地址，Prefix作为新地址的前64位，IID_X作为新地址的后64位；如果A-set为空，则表明所有B-set中的接口都不可用，重复地址检测DAD失败；

接收端检测过程如下：

接收端步骤一、接收NS_MAGD；

接收端步骤二、根据NS_MAGD中的网络前缀Prefix，从本地地址池中提取出所有与Prefix匹配的128位地址，截取后64位，形成待检测地址集C-set；

接收端步骤三、如果C-set不为空，则从NS_MAGD的匹配值选项Match Option字段中提取出所有的item，形成匹配集B-set’，进行接收端步骤四；否则丢弃该NS_MAGD；

接收端步骤四、将C-set的接口ID与B-set’中的条目进行匹配；匹配方法为，对于C-set中的每个接口ID，用IID_Y表示，将其与B-set’中的匹配值，即item进行匹配，如果Left(IID_Y，32)＝item，即如果IID_Y的左侧32位与B-set’中的某个item相等，则匹配成功，将IID_Y加入应答地址集R-set；

接收端步骤五、如果R-set不为空，发送NA_MAGD进行应答；否则将NS_MAGD丢弃，不发送任何应答消息。

2.如权利要求1所述的一种IPv6多地址生成与重复地址检测方法，其特征在于：所述的发送端地址生成与检测过程步骤三中，其NS_MAGD报文的Target字段是写入网络前缀Prefix。

3.如权利要求1所述的一种IPv6多地址生成与重复地址检测方法，其特征在于：所述的发送端地址生成与检测过程步骤四中，所述规定的时间为从TS起3秒钟内。

4.如权利要求1所述的一种IPv6多地址生成与重复地址检测方法，其特征在于：所述的发送端地址生成与检测过程发送端步骤六中的比较方法如下：

从B-set中取出接口ID，用IDi表示，将其与R-set中所有ID进行比较，一旦发现IDi与R-set中的某个接口ID相同，则将IDi的重复标记repeat_flag设置为True；然后继续B-set中取出下一个接口ID继续与R-set中所有ID进行比较，直至B-set中的所有接口ID都比较过。

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