IPv6 vs IPv4使用差异说明

时间：2022-12-30 12:19:46

1 IPv6 vs IPv4使用差异说明

1.1 约束限制

  • chrony支持全局地址（global address），不支持链路本地地址（link-local address）。
  • Firefox支持通过http/https协议访问全局地址（global address），不支持链路本地地址（link-local address）。

1.2 配置说明

1.2.1 设置接口设备MTU值

1.2.1.1 概述

IPv6场景中会发现整个路由路径中的最小mtu的值作为当前链接的PMTU的值，源端根据PMTU的值确定是否进行分片发送，而在整个路径中的其它设备将不再需要进行分片处理，从而可以降低中间路由设备的负载大小。其中IPv6 PMTU设置的最小值为1280。

1.2.1.2 设置接口设备的mtu

如果在配置了IPv6地址的接口上设置mtu的值小于1280（IPv6 PMTU设置的最小值），则会导致该接口的IPv6地址被删除。并且无法再次添加IPv6地址。所以在IPv6场景中，对接口设备的mtu的配置一定要大于等于1280。 请在root权限下运行如下命令查看具体现象：

[root@superman-21 ~]# ip add show ens33
2: ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:96:c9:d7 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    altname enp2s1
    inet 192.168.0.21/24 brd 192.168.0.255 scope global noprefixroute ens33
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::9393:f6ae:ced9:7759/64 scope link noprefixroute 
       valid_lft forever preferred_lft forever
[root@superman-21 ~]# 
[root@superman-21 ~]# ip link set dev ens33 mtu 1200
[root@superman-21 ~]# 
[root@superman-21 ~]# ip add show ens33             
2: ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1200 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:96:c9:d7 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    altname enp2s1
    inet 192.168.0.21/24 brd 192.168.0.255 scope global noprefixroute ens33
       valid_lft forever preferred_lft forever
[root@superman-21 ~]# 
[root@superman-21 ~]# ip addr add fe80::9393:f6ae:ced9:7759/64 dev ens33
RTNETLINK answers: Invalid argument
[root@superman-21 ~]# 
[root@superman-21 ~]# ip link set dev ens33 mtu 1500
[root@superman-21 ~]# 
[root@superman-21 ~]# ip add show ens33
2: ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:96:c9:d7 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    altname enp2s1
    inet 192.168.0.21/24 brd 192.168.0.255 scope global noprefixroute ens33
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::20c:29ff:fe96:c9d7/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever
[root@superman-21 ~]# 
[root@superman-21 ~]# ip addr add 2001:222::2/64 dev ens33
[root@superman-21 ~]# 
[root@superman-21 ~]# ip add show ens33                   
2: ens33: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:0c:29:96:c9:d7 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    altname enp2s1
    inet 192.168.0.21/24 brd 192.168.0.255 scope global noprefixroute ens33
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 2001:222::2/64 scope global 
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::20c:29ff:fe96:c9d7/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever
[root@superman-21 ~]#

1.2.2 有状态自动配置IPv6地址

1.2.2.1 概述

IPv6与IPv4都可以在root权限下通过DHCP的方式获得IP地址。IPv6地址有两种配置方式：无状态自动配置和有状态自动配置。

  • 无状态自动配置

    不需要DHCP服务进行管理，设备根据网络RA（路由公告）获得网络前缀，或者link-local地址为固定fe80::。而接口ID则根据ifcfg配置IPV6_ADDR_GEN_MODE的具体设置来进行自动获得：

    1. IPv6_ADDR_GEN_MODE=“stable-privacy” 则根据设备及网络环境来确定一个随机接口ID。
    2. IPv6_ADDR_GEN_MODE=“EUI64” 则根据设备MAC地址来确定接口ID。

  • 有状态自动配置：需要DHCP服务器进行管理分配，服从DHCPv6协议来从DHCPv6服务器端租赁IPv6地址。

    在有状态自动配置IPv6地址时，DHCPv6服务端可以通过客户端设置的vendor class将客户端进行分类，不同类别分配不同地址段的IPv6地址。在IPv4场景中，客户端可以直接用dhclient的-V选项来设置vendor-class-identifier，DHCP服务端在配置文件中根据vendor-class-identifier来对客户端进行分类处理。而IPv6场景中，如果使用同样的方法对客户端分类，则分类并不会生效。

    dhclient -6 <interface> -V <vendor-class-identifier string> <interface>

    这是由于DHCPv6和DHCP协议存在较大差异，DHCPv6的可选项中使用vendor-class-option替代了DHCP中的vendor-class-identifier。而dhclient的-V选项并不能设置vendor-class-option。

1.2.2.2 有状态自动配置IPv6地址时dhclient设置vendor class方法

  • 在客户端使用配置文件方式添加对vendor class的设置，使用方法如下：

    客户端配置文件（/etc/dhcp/dhclient6.conf），文件位置可以自定义，在使用时需要通过dhclient -cf选项来指定配置文件：

    option dhcp6.vendor-class code 16 = {integer 32, integer 16, string};
interface "ens33" {
        send dhcp6.vendor-class <Enterprise-ID number> <vendor class string length> <vendor class string>;
}

    IPv6 vs IPv4使用差异说明说明：

    • <Enterprise-ID number>，32位整型数字，企业标识号，企业通过IANA注册。
    • <vendor class string length>，16位整型数字，vendor class字符串长度。
    • <vendor class string>，要设置的vendor class字符串，例如：“HWHW”。

    客户端使用方法：

    dhclient -6 <interface> -cf /etc/dhcp/dhclient6.conf

  • DHCPv6服务端配置文件（/etc/dhcp/dhcpd6.conf），需要dhcpd -cf选项来指定该配置文件：

    option dhcp6.vendor-class code 16 = {integer 32, integer 16, string};
subnet6 fc00:4:12:ffff::/64 {
        class "hw" {
                match if substring ( option dhcp6.vendor-class, 6, 10 ) = "HWHW";
        }
        pool6 {
                allow members of "hw";
                range6 fc00:4:12:ffff::ff10 fc00:4:12:ffff::ff20;
        }
        pool6 {
                allow unknown clients;
                range6 fc00:4:12:ffff::100 fc00:4:12:ffff::120;
        }
}

    IPv6 vs IPv4使用差异说明说明： substring ( option dhcp6.vendor-class, 6, 10 ) 其中子字符串的开始位置为6，因为前面包含4个字节的<Enterprise-ID number>和2个字节的<string length>。而子字符串的结束位置为：6+<vendor class string length>。这里vendor class string为“HWHW”，字符串的长度为4，所以子字符串的结束位置为6+4=10。用户可以根据实际需要来确定<vendor class string>及相应的<vendor class string length>。

    服务端使用方法：

    # dhcpd -6 -cf /etc/dhcp/dhcpd6.conf <interface>

1.2.3 内核支持socket相关系统调用

1.2.3.1 概述

IPv6地址长度扩展到128比特，所以有足够的IPv6地址可供分配使用。同时IPv6头相比IPv4头进行了简化，并增强了IPv6的自动配置功能。IPv6地址分为单播地址，组播地址和任意播地址。常用的单播地址又包含：链路本地地址（link-local address），唯一本地地址（Unique local address）和全局地址（global address）。由于IPv6的全局地址十分充足，唯一本地地址一般不被使用（其前身为站点本地地址（site-local address），已于2004年被废弃）。当前主要使用的单播地址为：链路本地地址（link-local address）和全局地址（global address）。当前内核支持socket系统调用，在使用单播地址的链路本地地址和全局地址时存在差异。

1.2.3.2 link-local地址和global地址在socket调用时的差异

RFC 2553： Basic Socket Interface Extensions for IPv6 定义sockaddr_in6的数据结构如下；

struct sockaddr_in6 {     
    uint8_t         sin6_len;       /* length of this struct */     
    sa_family_t     sin6_family;    /* AF_INET6 */     
    in_port_t       sin6_port;      /* transport layer port # */     
    uint32_t        sin6_flowinfo;  /* IPv6 flow information */     
    struct in6_addr sin6_addr;      /* IPv6 address */     
    uint32_t        sin6_scope_id;  /* set of interfaces for a scope */ 
};

IPv6 vs IPv4使用差异说明说明： sin6_scope_id： 32位整型，对于链路本地地址（link-local address），对于链路范围的sin6_addr，它可以用来标识指定的接口索引号。如果是站点范围的sin6_addr，则用来作为站点的标识符（站点本地地址已被抛弃)。

在使用link-local地址进行socket通信时，在构造目的地址时，需要制定该地址所对应的接口索引号。一般可以通过if_nametoindex函数将接口名转化为接口索引号。具体方式如下，

int port = 1234;
int sk_fd;
int iff_index = 0;
char iff_name[100] = "ens33";
char * ll_addr[100] = "fe80::123:456:789";
struct sockaddr_in6 server_addr;

memset(&server_addr,0,sizeof(structsockaddr_in6));
iff_index=if_nametoindex(iff_name);

server_addr.sin6_family=AF_INET6;
server_addr.sin6_port=htons(port);
server_addr.sin6_scope_id=iff_index;
inet_pton(AF_INET6, ll_addr, &(server_addr.sin6_addr));

sk_fd=socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
connect(sk_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(struct sockaddr_in6));

1.2.4 IPv4的dhclient守护进程持久化配置

1.2.4.1 概述

通过NetworkManager服务来管理网络服务时，如果接口ifcfg-<interface-name>配置文件中配置了DHCP方式获得IP地址，则相应地NetworkManager服务会拉起dhclient守护进程来通过DHCP协议方式来从DHCP服务器获取IP地址。

dhclient提供了"-1"选项来决定dhclient进程在未获得DHCP服务响应时，是会不断持久化尝试请求地址还是会尝试时间超时后退出。针对IPv4的dhclient守护进程，可以在ifcfg-<interface-name>配置文件中设置PERSISTENT_DHCLIENT来决定是否设置IPv4的dhclient进程的持久化。

1.2.4.2 约束限制
  1. 当dhclient进程在运行中被杀死，network服务无法自动将其拉起，可靠性需要用户自己保障。
  2. 配置了持久化选项PERSISTENT_DHCLIENT，需要确保有相应的DHCP服务器。如果在拉起network时无可用DHCP服务器，dhclient进程不断尝试发送请求包但无回应，则会导致network服务卡死直到network服务超时失败。由于network服务在拉起多个网卡的IPv4 dhclient进程时，是通过串行的方式来拉起的。如果有网卡配置了持久化而DHCP服务器没有准备好，则会导致network服务在给该网卡获取IPv4地址超时卡死，进而导致后续网卡无法获得IPv4/IPv6地址。

以上两种约束限制是特殊的应用场景，需要用户自己进行可靠性保障。

1.2.4.3 IPv4 DHCP和IPv6 DHCPv6方式获取地址的配置差异

可以通过配置接口ifcfg-<interface-name>参数来分别实现IPv4和IPv6通过DHCP/DHCPv6协议来动态获取IP地址，具体配置说明如下；

BOOTPROTO=none|bootp|dhcp
DHCPV6C=yes|no
PERSISTENT_DHCLIENT=yes|no|1|0

  • BOOTPROTO： none表示静态配置IPv4地址，bootp|dhcp则会拉起DHCP dhclient来动态获取IPv4地址。

  • DHCPV6C： no表示静态配置IPv6地址，yes则会拉起DHCPv6 dhclient来动态获取IPv6地址。

  • PERSISTENT_DHCLIENT：no|0表示IPv4的dhclient进程配置为“非持久化”，当dhclient向DHCP服务器发送一次请求报文而无响应，则会间隔一段时间后退出，退出值为2。yes|1则表示IPv4的dhclient进程配置为“持久化”，dhclient会向DHCP服务器反复发送请求报文。**如果没有配置PERSISTENT_DHCLIENT项，则IPv4的dhclient会默认设置为“持久化”**。

    IPv6 vs IPv4使用差异说明说明： PERSISTENT_DHCLIENT配置只针对IPv4生效，对IPv6相关dhclient -6进程不生效，IPv6默认不进行持久化配置。

1.2.5 iproute相关命令配置IPv4与IPv6时的差异说明

1.2.5.1 概述

由于IPv4和IPv6是两个不同的协议标准，iproute相关命令在使用方法上存在一定的差异。本节主要梳理iproute包中用户经常使用到命令在IPv4和IPv6使用方面的差异，从而可以更好地指导用户使用iproute包中相关命令。

iproute相关命令均需要在root权限下运行。

1.2.5.2 IPv6地址的生命周期
IPv6状态 解释
tentative 临时状态：刚添加地址还处于地址重复检测DAD过程
preferred 首选状态：完成DAD过程，没有收到相应的NA报文，表示该地址没有冲突。
deprecated 弃用状态：地址有一定的使用时限（valid_lft和preferred_lft），preferred_lft到期后地址会变化deprecated状态。该状态下的地址不能用于创建新的连接，但是原有的连接可以继续使用。
invalid 无效状态：使用时限超过preferred_lft一段时间后仍然没有成功进行租约续约，则valid_lft时间到后地址状态会被设置为invalid，表示该地址不可以再被使用。

其它说明：

  • preferred_lft：preferred lifetime，地址为首选状态的寿命，preferred_lft没有到期的地址可以用于正常通信使用，若有多个preferred地址则按照内核具体机制选择地址。
  • valid_lft： valid lifetime，地址有效的寿命，在[preferred_lft, valid_lft]时间段内该地址不能被用于新建连接，已经创建的连接继续有效。
1.2.5.3 ip link 命令

命令：

# ip link set IFNAME mtu MTU

IPv6中PMTU的最小值为1280，如果mtu值设置小于1280则会导致IPv6地址丢失。其它设备无法ping通该IPv6地址。

1.2.5.4 ip addr命令

  1. 命令：

    # ip [-6] addr add IFADDR dev IFNAME

    添加IPv6地址可以选择添加-6选项也可以不添加，ip addr命令会根据具体地址类型来判断是ipv4地址还是IPv6地址。

    如果指定“-6”选项，但是 IFADDR 是ipv4地址则会有错误返回。

  2. 命令：

    # ip [-6] addr add IFADDR dev IFNAME [home|nodad]

    [home|nodad] 选项只针对IPv6地址有效。

    • home：将该地址指定为RFC 6275中定义的家庭地址。（这是移动节点从家庭链路获取的地址， 是移动节点的永久地址，如果移动节点保持在相同的归属链路中，则各种实体之间的通信照常进行。）
    • nodad：配置该项（仅限IPv6）添加此地址时不执行重复地址检测DAD（RFC 4862）。如果一台设备上多个接口通过nodad配置了多个相同的IPv6地址，则会按照接口顺序使用该IPv6地址。同一个接口上不能添加一个nodad一个非nodad的相同IPv6地址。因为两个地址是一样的，所以会报“RTNETLINK answers: File exists”。

  3. 命令：

    # ip [-6] addr del IFADDR dev IFNAME

    删除IPv6地址可以选择添加-6选项也可以不添加，ip addr del命令会根据具体地址类型来判断是ipv4地址还是IPv6地址。

  4. 命令：

    # ip [-6] addr show dev IFNAME [tentative|-tentative|deprecated|-deprecated|dadfailed|-dadfailed|temporary]
    • 不指定-6选项，则会同时打印IPv4和IPv6地址。指定-6选项则只打印IPv6地址。
    • [tentative|-tentative|deprecated|-deprecated|dadfailed|-dadfailed|temporary]，这些选项只针对IPv6，可以根据IPv6地址状态对地址进行筛选查看。
      1. tentative：（仅限IPv6）仅列出尚未通过重复地址检测的地址。
      2. -tentative：（仅限IPv6）仅列出当前未处于重复地址检测过程中的地址。
      3. deprecated：（仅限IPv6）仅列出已弃用的地址。
      4. -deprecated：（仅限IPv6）仅列出未弃用的地址。
      5. dadfailed：（仅限IPv6）仅列出重复地址检测失败的地址。
      6. -dadfailed：（仅限IPv6）仅列出未重复地址检测失败的地址。
      7. temporary：（仅限IPv6）仅列出临时地址
1.2.5.5 ip route命令

  1. 命令：

    # ip [-6] route add ROUTE [mtu lock MTU]
    • -6选项：添加IPv6路由可以选择添加-6选项也可以不添加，ip route命令会根据具体地址类型来判断是IPv4地址还是IPv6地址。
    • mtu lock MTU：锁定路由的MTU值。如果不锁定MTU，则MTU的值则可能在PMTUD过程中被内核改变。如果锁定MTU，则不会尝试PMTUD，所有IPv4包都将不设置DF位发出，IPv6包则会按照MTU进行分段处理。

  2. 命令：

    # ip [-6] route del ROUTE

    删除IPv6路由可以选择添加-6选项也可以不添加，ip route命令会根据具体地址类型来判断是IPv4地址还是IPv6地址。

1.2.5.6 ip rule命令

  1. 命令：

    # ip [-6] rule list

    -6选项：设置-6选项打印IPv6的策略路由，不设置-6选项打印IPv4的策略路由。所以需要根据具体协议类型来配置-6选项。

  2. 命令：

    # ip [-6] rule [add|del] [from|to] ADDR table TABLE pref PREF

    -6选项：IPv6相关的策略路由表项需要设置-6选项，否则会报错：“Error: Invalid source address.”。相应地，IPv4相关的策略路由表项不可以设置-6选项，否则会报错：“Error: Invalid source address.”。

1.2.6 NetworkManager服务配置差异说明

1.2.6.1 概述

NetworkManager服务使用ifup/ifdown的逻辑接口定义进行高级网络设置。其参数大多数都是在/etc/sysconfig/network和/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-<interface-name>两个配置文件设置。前者为全局设置，后者为指定网卡的设置，当两者有冲突时，后者生效。

1.2.6.2 配置差异说明

其中在/etc/sysconfig/network下的配置差异有：

IPv4 IPv6 含义说明
NA IPV6FORWARDING=yes|no IPv6转发，默认不转发。
NA IPV6_AUTOCONF=yes|no IPv6转发打开是no，否则是yes。
NA IPV6_ROUTER=yes|no IPv6转发打开是yes，否则是no。
NA IPV6_AUTOTUNNEL=yes|no 指定Tunnel为自动隧道模式，默认是no。
GATEWAY IPV6_DEFAULTGW=<IPv6 address[%interface]> (optional) 在IPv6中设置默认网关。
NA IPV6_DEFAULTDEV=<interface> (optional) 指定默认转发的网卡。
NA IPV6_RADVD_PIDFILE=<pid-file> (optional) 默认ipv6_radvd_pid路径：/var/run/radvd/radvd.pid。
NA IPV6_RADVD_TRIGGER_ACTION=start|stop|reload|restart|SIGHUP (optional) radvd默认触发动作。

而在/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-<interface-name>下的差异主要有：

IPv4 IPv6 含义说明
IPADDRn IPV6ADDR=<IPv6 address>[/<prefix length>] ip地址。
PREFIXn NA 网络前缀，网络别名和ppp无效，优先级高于NETMASK。
NETMASKn NA 子网掩码，仅用于别名和ppp。
GATEWAY IPV6_DEFAULTGW=<IPv6 address[%interface]> (optional) 默认网关。
MTU IPV6_MTU=<MTU of link> (optional) 默认MTU。
IPV4_FAILURE_FATAL=yes|no IPV6_FAILURE_FATAL 默认值是no。若设置为yes，dhclient失败ifup-eth会直接退出。
NA IPV6_PRIVACY=rfc3041 默认禁用。
NA IPV6INIT=yes|no 默认开启IPv6。
NA IPV6FORWARDING=yes|no 默认关闭，已废弃。

1.3 FAQ

1.3.1 iscsi-initiator-utils不支持登录fe80 IPv6地址

问题现象

客户端通过IPv6登录iscsi服务端时，使用如“iscsiadm -m node -p ipv6address -l”的命令格式登录，如果是全局地址（global address），直接替换将命令范例中的“ipv6address”替换为全局地址即可；但如果是链路本地地址（link-local address，fe80开头的IPv6地址）则无法使用，因为iscsi-initiator-utils目前机制还不支持用链路本地地址（link-local address）地址登录iscsi服务端。

原因分析

如果使用格式如“iscsiadm -m node -p fe80::xxxx -l”登录，会登录超时返回，这是因为使用链路本地地址必须指定接口，否则使用iscsi_io_tcp_connect函数调用connect函数会失败，并且产生标准错误码22。

如果使用格式如“iscsiadm -m node -p fe80::xxxx%enp3s0 -l”登录时，iscsi_addr_match函数会将地址“fe80::xxxx%enp3s0”与服务端返回的node信息中的地址“fe80::xxxx”对比，对比结果不匹配，导致登录失败。

因此，iscsi-initiator-utils目前机制还不支持用链路本地地址（link-local address）登录iscsi服务端。

1.3.2 网卡down掉之后，IPv6地址丢失

问题现象

通过ip link down+up网卡或ifconfig down+up网卡命令，将网卡down掉之后再上线，查看网卡上配置的ip地址，发现ipv4地址不丢失，而配置的IPv6地址丢失。

原因分析

内核中的处理逻辑为如果网卡设置为down状态，会清空所有IPv4及IPv6地址，将网卡重新up之后，ipv4地址自动恢复，网卡上自动配置的IPv6链路本地地址也会恢复，但是其他IPv6地址默认会丢失。如果需要保留这些IPv6地址，可以通过“sysctl -w net.ipv6.conf.<网卡名>.keep_addr_on_down=1”来实现。

1.3.3 bond口已具有多个IPv6地址时，添加或删除IPv6地址耗时过久

问题现象

下列方式配置或删除（包括flush）IPv6地址方式，X为动态变化的低16位，并且配置在bond口时，耗时会随已配置的IPv6地址数量成数倍增加。例如由4个物理网卡组成的bond口添加IPv6地址时，单线程添加删除3000 IPv6地址均需大概5分钟，而普通物理网卡耗时在10秒内。

ip a add/del 192:168::18:X/64 dev DEVICE
原因分析

bond口在添加IPv6地址时，会生成IPv6组播地址，并进行同步到所有的物理网卡上，此耗时会随IPv6数量增加而增加，导致耗时过长。

解决方法

IPv6的组播地址是由IPv6地址的低24位与33-33-ff组合生成，组播地址过多会导致添加删除耗时增加，如果生成的组播地址为少量，耗时不会受此影响。

建议添加IPv6地址时，可保持低24位一致，保持高位变动，单网卡中仅需一个网段的一个地址即可与外部正常通信，此配置更符合常规使用。

1.3.4 Rsyslog在IPv4和IPv6混合使用场景中日志传输延迟

问题现象

rsyslog客户端配置文件同时配置IPv4和IPv6地址，且端口配置相同的情况下，服务端收集log时会概率性出现日志打印延迟。

原因分析

延迟是因为rsyslog内部存在缓冲队列机制，默认情况下需要缓冲区队列达到一定数量才会写入文件。

解决方法

可在root权限下通过配置Direct模式，关闭缓冲队列机制解决该问题。在rsyslog远程传输服务端的/etc/rsyslog.d目录下新增的远程传输配置文件中，最开头增加如下配置：

$ActionQueueType Direct
$MainMsgQueueType Direct

IPv6 vs IPv4使用差异说明说明：

  • Direct模式减少队列大小为1，所以在队列中会保留1条日志到下次日志打印；
  • Direct模式会降低服务器端的rsyslog性能。
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