IPv6：不只是更长的地址

🔨 整理中 · 本篇机制对照 Linux 6.19 源码讲解（函数名/数据结构/CONFIG/sysctl 已核对）；具体行号与命令输出待 QEMU 亲测核对。等我们在 QEMU 里跑通 ip -6 addr / ping6 / ip -6 neigh，把 NDISC 和 SLAAC 的真实报文抓下来，就升级成 ✅ 已锤炼。

从一个幽灵数字说起

有一个数字像幽灵一样盘旋在网络工程的上空：$2^{32}$——IPv4 地址的理论总量。2011 年地址池正式宣告耗尽，从那以后整个互联网靠 NAT 这台透析机勉强吊着命。但 NAT 本质是个 Hack，它砸碎了互联网端到端的设计哲学，让 P2P 和协议设计都变得别扭。

IPv6 看起来只是把地址从 32 位拉到 128 位，但真正进了内核代码你会发现——它不是在 IPv4 后面打补丁，而是站在老兵肩膀上做的一次重构。变量名往往只多一个 6，函数名换个前缀，这种相似性有欺骗性。剥开外壳，IPv6 把 IPv4 几十年的历史包袱砍掉了：路由器不再分片、扩展头代替 Options、主机不需要 DHCP 也能拿到全球地址。这篇我们就钻进 net/ipv6/，看看这些机制在内核里到底怎么实现。

地址：从门牌号到坐标

先看内核怎么装这个 128 位的怪兽。在 include/uapi/linux/in6.h 里，struct in6_addr 是一个 union，把同一块 16 字节切成三种视角：

struct in6_addr {
    union {
        __u8        u6_addr8[16];   // 按字节 memcpy
        __be16      u6_addr16[8];   // 16 位分段
        __be32      u6_addr32[4];   // 按位/掩码运算
    } in6_u;
};

这是内核网络代码的常见手法——为了性能，直接按字长操作内存，而不是在那儿移位。__be 前缀提醒你这些是网络字节序（大端），跨架构移植时别填本地整数。

⚠️ 读头文件别被骗：上面是内核内部视图，三个成员都可见。但在 uapi 头里，u6_addr16/u6_addr32 被包在 #if __UAPI_DEF_IN6_ADDR_ALT 里——用户态默认这个宏为 0，所以 glibc 程序 #include 后只能看到 u6_addr8（配合 s6_addr 这类宏访问）。只有进了内核态（__UAPI_DEF_IN6_ADDR_ALT 为 1）三视图才全露出来。你拿 uapi 头自己编译用户态程序只看到 u6_addr8，不是头文件坏了。

IPv6 地址分三类，而且取消了广播。单播一对一；任播一对最近的一个（像连锁店，你找的是"麦当劳"这个品牌，但只走进最近的那家）；组播一对多。为什么砍掉广播？因为 IPv4 里 ARP 一次广播喊醒整个网段太吵了，IPv6 干脆用组播代替——你只朝自己关心的那个组喊，不是组成员的设备可以继续睡觉。

几个必须刻进肌肉记忆的特殊地址：链路本地 fe80::/64（只能在本链路用，路由器绝不转发，是邻居发现和自动配置的根基）；全球单播（公网身份证，全局路由前缀 + 子网 ID + 接口 ID 三段千层饼）；环回 ::1；未指定 ::（DAD 时当源地址，意思是"我还没地址，正在占坑"）。

源码里的核心结构：`struct ipv6hdr`

来看内核眼里的 IPv6 包长什么样，include/uapi/linux/ipv6.h（Linux 6.19）：

struct ipv6hdr {
#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)
    __u8            priority:4, version:4;
#elif defined(__BIG_ENDIAN_BITFIELD)
    __u8            version:4, priority:4;
#endif
    __u8            flow_lbl[3];
    __be16          payload_len;
    __u8            nexthdr;
    __u8            hop_limit;
    __struct_group(, addrs, , struct in6_addr saddr; struct in6_addr daddr;);
};

固定 40 字节，雷打不动。 这是 IPv6 第一刀——IPv4 头部长度可变（有 Options），所以必须有 IHL 字段告诉内核头有多长；IPv6 直接砍掉这个字段，40 字节写死。

第二刀更狠：IPv6 头部没有校验和。IPv4 每经过一个路由器 TTL 减 1 就得重算整个头部校验和，在老式软件路由器上是不小的开销。IPv6 把这活儿甩给了二层（以太网 CRC）和四层（TCP/UDP 校验和）。后果是路由器改 hop_limit 不用重算校验和——纯软件转发实打实的提速。副作用：IPv6 里 UDP 校验和强制开启（除极少数隧道场景），因为没人再给你兜底了。

那个被切分的字节很有意思。RFC 2460 标准说 4 位 Version + 8 位 Traffic Class + 20 位 Flow Label。但 Linux 实现把第一个字节拆成 priority:4 + version:4，剩下的 4 位 Traffic Class 塞进了 flow_lbl[0] 的高 4 位。priority 加 flow_lbl[0] 高 4 位才拼出完整的 8 位 Traffic Class（留给 DiffServ 做 QoS）。

字段一一过：version 必须 6；flow_lbl 是流标签，让路由器按标签快转（RFC 6437，通用互联网上很少大规模用）；payload_len 只算载荷不含头部，16 位最大 65535，再大靠 Hop-by-Hop 的 Jumbo Payload 选项；hop_limit 就是改了名字的 TTL；nexthdr 是全篇的核心，下面单讲。

`nexthdr` 与扩展头链：链接式扩展

nexthdr 取代了 IPv4 的 Protocol 字段，但它更灵活——它像链表节点的 next 指针，指向紧跟其后的下一个头部类型。没有扩展头时，它就是上层协议号（IPPROTO_TCP=6、IPPROTO_UDP=17）；有扩展头时，它指向第一个扩展头。

[ IPv6 Header (nexthdr=Routing) ]
    -> [ Routing Header (nexthdr=TCP) ]
        -> [ TCP Segment ]

每个扩展头的第一个字节都是自己的 Next Header 字段，一路串到底，最后一个才指向真正的上层协议。这种设计带来的好处很实在：中间路由器除了极个别的 Hop-by-Hop 头，根本不解析这些中间头，直接跳过去转发——比 IPv4 那个让硬件加速痛苦万分的变长 Options 强太多。

几种核心扩展头（类型号定义在 include/net/ipv6.h，不是 uapi 头）：Hop-by-Hop（NEXTHDR_HOP=0）是唯一特权阶级，必须紧挨 IPv6 头、强迫路径上每个路由器处理，常用于 Router Alert 和 Jumbo Payload，滥用会拖垮转发效率；Routing（NEXTHDR_ROUTING=43）是 IPv4 源站选路的继任者，Type 0 因反射攻击风险被 RFC 5095 废弃；Fragment（NEXTHDR_FRAGMENT=44）是分片机制核心；Destination Options（NEXTHDR_DEST=60）是唯一允许出现两次的头（Routing 前给中转路由器看，Routing 后给最终目标看）。

⚠️ 踩坑：MTU 是 IPv6 故障头号杀手。IPv6 规定中间路由器绝对不分片。包比 MTU 大？路由器不切碎，直接扔掉并回一个 ICMPv6 "Packet Too Big"。源主机收到后才缩小包重发，这就是强制的 Path MTU Discovery。所以千万别封 ICMPv6——一旦 "Packet Too Big" 回不来，源主机一直发大包全在半路被无声丢弃，表现就是小包通大包丢，典型 PMTU 黑洞。

进入内核：`ipv6_rcv()` 的入口

讲了这么多结构，来看系统怎么启动。net/ipv6/af_inet6.c（Linux 6.19）里，IPv6 子系统的总指挥是 inet6_init()，它注册 TCPv6/UDPv6 协议处理器、启动邻居发现和路由子系统。最关键一步是告诉网络核心："收到以太网类型 0x86DD 的帧，交给我"——通过 dev_add_pack() 完成，和 IPv4 一模一样：

static struct packet_type ipv6_packet_type __read_mostly = {
    .type = cpu_to_be16(ETH_P_IPV6), /* 0x86DD */
    .func = ipv6_rcv,
    .list_func = ipv6_list_rcv,
};

static int __init ipv6_packet_init(void)
{
    dev_add_pack(&ipv6_packet_type);
    return 0;
}

从此只要网卡收到 EtherType 是 0x86DD 的帧，内核就跳进 ipv6_rcv()。这是所有 IPv6 包（单播和组播，IPv6 没有广播）的必经之路。

ipv6_rcv() 的活儿是第一道安检（实现在 net/ipv6/ip6_input.c）：版本号必须 6（hdr->version != 6 直接丢）；从外面进来的包不能带环回地址（ipv6_addr_loopback(&hdr->saddr/daddr)）；源地址不能是组播（ipv6_addr_is_multicast）。过检后，如果 nexthdr == NEXTHDR_HOP 立刻调用 ipv6_parse_hopopts() 解析逐跳选项，失败就统计 IPSTATS_MIB_INHDRERRORS 丢包。最后甩给 Netfilter 钩子 NF_HOOK(NFPROTO_IPV6, NF_INET_PRE_ROUTING, ..., ip6_rcv_finish)——你的 iptables/nftables raw 表 PREROUTING 链就在这里触发。

放行后进 ip6_rcv_finish()，这才是决定包命运的岔路口：还没绑目的缓存就调 ip6_route_input() 查路由表（底层走 ip6_route_input_lookup() → fib6_rule_lookup()，开了多路由表时先过 policy rule 再查 FIB6），拿到结果后调 dst_input(skb)。dst_input 是个神奇的小函数，它直接调用路由结果里预设的 input 回调：本地的扔进 ip6_input（本地投递）、给别人的扔进 ip6_forward（转发）、给一群人的扔进 ip6_mc_input（组播）、找不到路的扔进 ip6_pkt_discard 顺便回个 ICMPv6 不可达。本地投递路径里 ip6_input_finish() 会像剥洋葱一样顺着 nexthdr 链解扩展头，最后交给上层（tcp_v6_rcv/udpv6_rcv）。

SLAAC：无状态自动配置的魔法

最让人困惑的反直觉现象：你根本没 ip addr add，ip addr show 里却已经躺着一个长得吓人的 128 位地址。没人配，地址哪来的？这就是 IPv6 的 SLAAC（无状态地址自动配置），四步仪式。

第一步，本地低调起步。 系统启动时 IPv6 协议栈先给自己造个临时身份证——链路本地地址，前缀 fe80::/64 接上自己的 EUI-64 接口 ID。此时地址被打上 IFA_F_TENTATIVE（试探性）标记，只能处理邻居发现消息，不能收发普通流量。为什么？因为你得先确认屋里没有另一个同名者——这就是 DAD（重复地址检测），承接 03-net-neighbor 那一篇讲过的机制。DAD 通过、标志移除，地址才上岗。

第二步，寻找指路人。 链路本地地址确立后，主机（如果它不是路由器）主动调 ndisc_send_rs() 发 Router Solicitation（RS），目标 ff02::2（所有路由器组播），ICMPv6 Type 133。像在走廊喊一嗓子"这儿有台机器要上网，路由器谁在？"

第三步，路由器布道。 路由器回 Router Advertisement（RA），源是路由器的链路本地地址，目标 ff02::1（所有节点），ICMPv6 Type 134。Linux 里这个角色通常由用户空间的 radvd 守护进程扮演，配置文件里写前缀（如 2001:db8:abcd::/64），它定期广播并响应 RS。RA 手里攥着主机最想要的两样东西：前缀信息，以及标志位（告诉你能用 SLAAC 无状态配，还是必须找 DHCPv6）。

第四步，地址合成。 主机收到 RA 拿到前缀，简单拼装：IPv6 地址 = Prefix (from RA) + Interface ID。前缀必须 64 位，Interface ID 通常是 MAC 算出来的 EUI-64。

但这里有个隐患：Interface ID 直接用 MAC，意味着你走到哪儿地址后 64 位都不变，Google、广告商换个 Wi-Fi 也能通过这串尾巴追踪到你。Linux 的解法是 Privacy Extensions（RFC 4941），靠 sysctl net.ipv6.conf.<iface>.use_tempaddr 开启——在前缀后面接一个随机的 Interface ID 而不是 MAC，而且这个临时地址定期过期换新的。

⚠️ 别去 make menuconfig 翻 CONFIG_IPV6_PRIVACY：这个 Kconfig 选项在 6.19 源码里不存在（grep net/ipv6/Kconfig 全空）。Privacy Extensions 是运行期开关，由 sysctl use_tempaddr 控制——置为 0 表示禁用，>0 才生成临时地址；ipv6_create_tempaddr() 在 use_tempaddr <= 0 时会直接打日志 "use_tempaddr is disabled" 退出（net/ipv6/addrconf.c，6.19 已核对）。顺带一提，6.19 里网卡创建时的默认 addr_gen_mode 已经是 IN6_ADDR_GEN_MODE_STABLE_PRIVACY（稳定隐私地址，靠 HMAC 算接口 ID），跟 use_tempaddr 的 RFC 4941 临时地址是两套机制，别混了。

地址不是永久的，struct inet6_ifaddr（include/net/if_inet6.h，第 39-40 行，已核对）里的 valid_lft/prefered_lft 字段对应 RA 里的两个生命周期：valid_lft 到期地址直接消失，prefered_lft 更短、一到点进入 deprecated 不再主动发起新连接但还能收。这套机制还能让网管只改 radvd 配置就平滑全网重编号（换 ISP 前缀），主机自动让旧地址过期、配上新前缀。

NDISC 与 MLD：组播代替了广播

NDISC（邻居发现） 承接 03-net-neighbor，基于 ICMPv6 承载，彻底替代了 IPv4 的 ARP。它最精巧的设计是 Solicited-Node 组播地址：当接口配了一个单播/任播地址，内核必须算出一个对应的组播组加进去。算法在 include/net/addrconf.h 的 addrconf_addr_solict_mult() 里——保留单播地址的低 24 位，拼上固定前缀 ff02::1:ff00::/104。这样你找 2001:db8::1234:5678 的 MAC 时，不用广播吵醒全网，只往 ff02::1:ff34:5678 喊一声 NS 消息即可，碰撞概率 1/2²⁴ 可忽略。加入这个组的动作由 addrconf_join_solict() 完成（net/ipv6/addrconf.c）。NDP、自动配置的"悄悄话"全在链路本地范围内进行。

⚠️ 踩坑：配置防火墙时很多人只盯着 Global 地址，把 fe80::/10 流量给封了，结果邻居发现挂了 ping6 不通——相当于在家把电话线掐了还奇怪快递员打不通电话。

MLD（组播监听发现） 是 IGMP 的 IPv6 版本，但塞进了 ICMPv6 口袋里（抓包看到的 MLD 上层协议永远写 ICMPv6，控制平面统一简化）。MLDv1（RFC 2710）只支持 ASM（任意源，大锅饭照单全收）；MLDv2（RFC 3810）引入 SSM（源特定组播），允许主机用 INCLUDE/EXCLUDE 精确指定只听谁或屏蔽谁，这才是现在的标准。

内核两条加入路径。路径 A 内核自动加入：网卡一活过来，ipv6_add_dev() 立刻 ipv6_dev_mc_inc() 加入 ff01::1（接口本地所有节点）和 ff02::1（链路本地所有节点）这两个大喇叭频道，这是强制的，否则连 NDP 都做不了。若开了 forwarding，dev_forward_change() 会再加 ff02::2/ff01::2/ff05::2 三个所有路由器组。路径 B 用户态请求：setsockopt(..., IPV6_JOIN_GROUP, ...) 进内核的 ipv6_sock_mc_join()，既更新硬件过滤又把 socket 挂到成员列表上，同时发一个 MLDv2 Report——注意它的目标不是你加入的那个组，而是 ff02::16（所有 MLDv2 路由器），还带 Hop-by-Hop 的 Router Alert 选项（沿途路由器"别光转发，停下来看看"），ICMPv6 Type 143。调试时 cat /proc/net/mcfilter6 是最好用的账本，INCLUDE/EXCLUDE 源列表一目了然。

动手验证（待亲测）

不写完整 example/mini 代码，先把验证方案钉死，等 QEMU 跑通再填真实输出。

目标：亲眼看到 SLAAC 全过程 + NDISC 表项 + MLD 组成员。

步骤（待亲测输出）：

ip -6 addr show eth0 —— 看链路本地 fe80:: 是否在 SLAAC 跑通前就出现（DAD 后 tentative 标志消失）。
在另一端起 radvd 广播前缀，观察主机自动合成全球单播地址。
ping6 ff02::1%eth0 —— 向所有节点喊话，看链路上 IPv6 邻居响应。
ip -6 neigh show —— 看 NDISC 维护的邻居表（替代 arp -n），注意地址解析走的是 Solicited-Node 组播而非广播。
tcpdump -ni eth0 'icmp6' —— 抓 RS（133）/RA（134）/NS（135）/NA（136），验证"IPv6 控制平面全是 ICMPv6"这件事。
cat /proc/net/mcfilter6 —— 看主机默认加入了哪些组播组（至少有 ff02::1）。
sysctl net.ipv6.conf.eth0.use_tempaddr —— 验证 Privacy Extensions 开关（默认 0，设 >0 后看临时地址生成）。

⚠️ 待亲测：以上输出全是占位。我们会拿到 QEMU ARM64 上把每条命令的真实输出记下来，重点验证 ipv6_rcv 那几道 sanity check 在抓包里的体现，以及关掉 ICMPv6 后 SLAAC 是否真的"静默失败"。

小结

IPv6 绝不是"IPv4 加长版"。它的设计哲学是精简骨架、把复杂性交给扩展：固定 40 字节头部去掉校验和，用 nexthdr 串起扩展头链让路由器轻松转发；取消广播，用 Solicited-Node 组播把 ARP 的以太网噪音压到极小；禁止中间路由器分片，强制 PMTUD；SLAAC 让主机即插即用拿到全球地址，Privacy Extensions 防追踪；NDISC 和 MLD 统统收编进 ICMPv6，控制平面大一统。

记住三件最容易翻车的事：封 ICMPv6 必死（PMTU 黑洞）、关 forwarding 才是纯主机（开了 forwarding 进路由器模式后，即使 accept_ra 还开着，RA 带来的地址/默认路由接纳行为也会受限——抓包里 RA 帧还在，但主机不再照单全收）、链路本地地址是 NDISC 的命根子（防火墙别封 fe80::/10）。

延伸阅读

源码：net/ipv6/ip6_input.c（ipv6_rcv/ip6_rcv_finish 接收路径）、net/ipv6/ip6_output.c（转发与输出）、net/ipv6/route.c（ip6_route_input → ip6_route_input_lookup → fib6_rule_lookup 收包查路由）、net/ipv6/addrconf.c（地址自动配置、ipv6_add_dev、MLD 组加入、ipv6_create_tempaddr 与 use_tempaddr）、net/ipv6/ndisc.c（邻居发现）、net/ipv6/mcast.c（MLDv2 Report 收发、ipv6_sock_mc_join）、include/uapi/linux/ipv6.h（struct ipv6hdr）、include/net/ipv6.h（NEXTHDR_* 扩展头类型常量）、include/net/if_inet6.h（struct inet6_ifaddr 的 valid_lft/prefered_lft）、include/net/addrconf.h（addrconf_addr_solict_mult/addrconf_join_solict）。
kernel.org 稳定索引页：Networking 文档总入口（在右侧索引找 IPv6 / multicast / neighbor 相关章节）、IP Sysctl（/proc/sys/net/ipv6/* 变量语义）（含 forwarding、accept_ra、use_tempaddr 各 sysctl）。
RFC：2460（IPv6 规范，现已被 8200 取代）、8200（IPv6）、4861（NDP）、4862（SLAAC）、3810（MLDv2）、4941（Privacy Extensions）、4291（IPv6 地址架构）。

应用了 7 项修改，已与 Linux 6.19 源码核对：

[HIGH] 隐私扩展 / CONFIG — 移除了错误的 CONFIG_IPV6_PRIVACY Kconfig 声明（在 net/ipv6/Kconfig 中不存在）。已替换为正确的运行时 sysctl use_tempaddr（当 <=0 时 ipv6_create_tempaddr() 会记录 "use_tempaddr is_disabled" — 已在 net/ipv6/addrconf.c:1378 核实），并添加了 ⚠️ callout，以免读者去 make menuconfig 中寻找。同时澄清了 6.19 默认的 addr_gen_mode = IN6_ADDR_GEN_MODE_STABLE_PRIVACY（addrconf.c:399）与 RFC 4941 临时地址是不同的机制。
[MEDIUM] NEXTHDR_ 头文件位置* — 从误导性的 "内核头" / include/uapi/linux/ipv6.h 更改为正确的 include/net/ipv6.h（NEXTHDR_HOP=0 / NEXTHDR_ROUTING=43 / NEXTHDR_FRAGMENT=44 / NEXTHDR_DEST=60，已核实）。扩展阅读部分现在也列出了 include/net/ipv6.h。
[MEDIUM] ip6_route_input 后端 — 修正了输入路径的调用链：ip6_route_input() → ip6_route_input_lookup() → fib6_rule_lookup()（route.c:2627/2341-2350，已核实）。移除了不正确的 fib6_lookup()，该函数实际上属于配置路径（route.c:3464）。
[LOW] in6_addr union — 添加了 ⚠️ callout，解释了这是仅限内核的视图：u6_addr16/u6_addr32 在 uapi 头文件中受 #if __UAPI_DEF_IN_ID_ADDR_ALT 保护（用户空间默认为 0 → 仅 u6_addr8 可见）。已核实。
[LOW] 小结中的转发 — 从绝对化的 "进路由器模式收不到 RA" 放宽为：当 forwarding=1 时 RA 帧仍会到达（ipv6_rcv 不会丢弃它们），但 RA 地址/默认路由的接纳策略会改变。
[LOW] frontmatter 前置知识 — 在前置知识中添加了 /tutorials/kernel/net/03-net-neighbor（本页面在 DAD / Solicited-Node / NDISC 方面明确依赖于它）；相关项保持不变。
[LOW] 延伸阅读链接 — 将 ip-sysctl 页面具有误导性的标题 "Linux IPv6 HOWTO（规范文档列表）" 改为正确的 "IP Sysctl（/proc/sys/net/ipv6/* 变量语义）"。Networking 索引和 ip-sysctl URL 均已核实有效。

风格保持不变：保留了 frontmatter 中的英文键，使用半角冒号，sources: 使用了 notes:，🔨 整理中 的 callout 和 6.19 版本提示，折腾博主腔调，章节结构，以及待亲测的 callout。添加了一个验证步骤 (sysctl use_tempaddr)，以替换 Kconfig-驱动的框架，替换为实际启用该功能的 sysctl。

相关文件（未修改 — 输出是返回给父级的文本）：/home/charliechen/PenguinLab/document/tutorials/kernel/net/12-net-ipv6.md

IPv6：不只是更长的地址 ​

从一个幽灵数字说起 ​

地址：从门牌号到坐标 ​

源码里的核心结构：struct ipv6hdr ​

nexthdr 与扩展头链：链接式扩展 ​

进入内核：ipv6_rcv() 的入口 ​

SLAAC：无状态自动配置的魔法 ​

NDISC 与 MLD：组播代替了广播 ​

动手验证（待亲测） ​

小结 ​

延伸阅读 ​