Activité 13  : Les adresses unicast

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Introduction

Dans cette troisième activité, nous allons approfondir le rôle des différents types d'adresses IPv6. Après les avoir identifiées, nous découvrirons leurs allocations puis la structure détaillée des préfixes réseau et sous-réseau. Enfin, nous illustrerons la portée des échanges avec ces différentes adresses à travers quelques exemples.

Types d'adresses

IPv6 définit trois types d'adresses : unicast, multicast, anycast.

• Le type unicast est le plus simple et désigne une interface unique. Une communication unicast signifie que le datagramme sera remis à une seule interface identifiée de manière unique par son adresse. La figure 1 montre une communication avec une adresse unicast. La datagramme est remis à un seul nœud de destination. Une adresse unicast peut également indiquer une portée qui peut être :
  
  • globale : unicité de l'identifiant sur l'ensemble de l'Internet (Global Unicast) ;
    
  • localement restreinte : unicité de l'identifiant étendue à un espace privatif limité à un site ou un campus (Unicast Local) ;
    
  • restreinte à un lien ou domaine de diffusion de type VLAN (Link-Local Unicast). Une adresse de portée locale (site ou lien) ne sera pas routée (c'est à dire traitée) sur l'Internet.

Figure 1 : L'adressage unicast (communication de type 1 vers 1).

• Une adresse de type multicast désigne un groupe d'interfaces appartenant à différents nœuds pouvant être situés n'importe où sur le réseau. Lorsqu'un datagramme a pour adresse de destination une adresse de multicast, il est acheminé par le réseau à toutes les interfaces appartenant au groupe. IPv6 ne dispose pas d'adresse spécifique de diffusion générale (broadcast) au sens reconnu par IPv4, où le datagramme est reçu par toutes les interfaces du réseau ou du sous-réseau et non pas toutes les interfaces de l'interconnexion. Le broadcast IPv4 est toujours restreint (confiné) à un réseau ou sous-réseau. En IPv4, le broadcast est "général" et toutes les interfaces sont à l'écoute. En IPv6, la multi-diffusion est beaucoup plus sélective. On peut s'adresser uniquement aux routeurs ou aux serveurs DHCP, par exemple. Au niveau lien, un groupe IPv6 permet de s'adresser à l'ensemble des interfaces, offrant par là la même fonction que le broadcast restreint d'IPv4. La figure 2 montre une communication utilisant une adresse multicast. Tous les membres du groupe reçoivent le datagramme émis par la source.

Figure 2 : L'adressage multicast (communication de type 1 vers n).

• Une adresse de type anycast officialise la proposition faite pour IPv4 dans le RFC 1546. Comme pour le multicast, une adresse anycast désigne un groupe d'interfaces. La différence est que le réseau va remettre le datagramme anycast à un membre du groupe et non pas à tous comme pour le multicast. La sélection du membre qui réceptionnera le datagramme est à la charge du réseau. Cela peut être le "plus proche" au sens du routage (nombre de sauts, RTD minimal…). Ce type d'adressage trouve son utilité par exemple lorsqu'il y a un service ou un contenu qui est repliqué sur plusieurs serveurs à travers l'Internet. Si les serveurs sont identifiés avec une adresse anycast, la communication du client ira vers le serveur le plus proche. La figure 3 illustre une communication avec une adresse anycast. Un seul des nœuds du groupe reçoit le datagramme.

Figure 3 : L'adressage anycast (communication de type 1 parmi n).

Identification des types d'adresses

Le type d'une adresse IPv6 est identifié par ses bits de poids fort.

Certains types d'adresses sont caractérisés par leur préfixe RFC 3513. Le tableau suivant donne la liste de ces préfixes. La plage « réservée » du préfixe 0::/8 est utilisée pour les adresses spéciales (adresse indéterminée, de bouclage, mappée, compatible). On notera que plus de 70 % de l'espace disponible n'a pas été alloué, ce qui permet de conserver toute latitude pour l'avenir.

Une interface possédera généralement plusieurs adresses IPv6. En IPv4, ce comportement est exceptionnel ; il est banalisé en IPv6.

Les adresses anycast ne sont pas distinguées des adresses unicast de quelque portée (globale, locale, lien) que ce soit.

Structure de l'adresse unicast

Le plan d'adressage agrégé actuellement en vigueur est défini dans le RFC 3587. Il s'inspire des recommandations de la politique d'allocation d'adresse des autorités régionales (RIR Regional Internet Registry), définie dans le document ripe-267 et dans le RFC 3177, qui est un plaidoyer pour un préfixe de taille fixe de 48 bits.

Les adresses IPv6 peuvent être agrégées avec des préfixes de longueur quelconque, de manière similaire aux mécanismes mis en œuvre dans les architectures CIDR (Classeless InterDomain Routing) d'IPv4.

Un nœud peut avoir une connaissance minimale de la structuration interne de l'adresse, en fonction de son rôle dans l'interconnexion. Un hôte ou un routeur n'a ainsi pas la même vision de la structure de l'adresse. Au minimum, un nœud peut considérer l'adresse unicast comme un simple mot binaire de 128 bits, sans aucune structure particulière telle que présentée dans la figure 4.

Figure 4 : Structure minimale de l'adresse IPv6.

Un premier niveau de hiérarchisation découpe l'adresse en deux parties logiques : un préfixe réseau/sous-réseau, qui sera utilisé pour acheminer le datagramme à travers le réseau, et un identifiant d'interface qui sera utilisé sur le dernier saut pour remettre le datagramme à l'interface de destination. Ceci est représenté dans la figure 5. En pratique, chaque partie a une longueur de 64 bits comme l'analyse le RFC 7421.

Figure 5 : Hiérarchisation à deux niveaux logiques.

Différents types d'adresse unicast

L'adresse non spécifiée

L'adresse 0:0:0:0:0:0:0:0 ou ::/128 est définie comme l'adresse non spécifiée. Elle ne doit jamais être affectée à un nœud. Elle indique l'absence d'adresse. Elle est utilisée comme adresse source par les paquets d'initialisation lors de l'auto-configuration d'une station. Elle ne doit jamais être utilisée comme adresse de destination d'un paquet.

L'adresse de bouclage (loopback)

L'adresse unicast 0:0:0:0:0:0:0:1 ou ::1/128 est appelée adresse de bouclage (loopback). Elle est équivalente à l'adresse 127.0.0.1 d'IPv4. Elle est utilisée par un nœud pour s'envoyer des paquets à lui-même. Elle ne doit jamais être affectée à une interface. Elle est considérée comme ayant une étendue de type "lien-local" et doit être vue comme une adresse unicast de "lien-local" de l'interface virtuelle de bouclage (loopback interface). Elle ne doit jamais être utilisée comme adresse source ou destination d'un paquet circulant sur le réseau, ou plus exactement un paquet circulant hors de la machine. Un paquet reçu sur une interface avec une telle adresse de destination doit être détruit.

Les adresses unicast globales (GUA : Global Unicast Address)

Il s'agit des adresses globalement routables sur l'Internet V6. Elles sont communément qualifiées « d'adresses publiques ». Les adresses unicast globales sont issues du plan d'adressage agrégé, proposé dans le RFC 3587. Elles sont identifiées par le préfixe binaire 0b0010^[1], soit 2000::/3 en notation IPv6. Toute adresse IPv6 commençant par 2xxx :: ou 3xxx:: est donc une adresse unicast globale.

Le RFC 3587 définit la structure d'adressage IPv6 définie dans le RFC 3513 en précisant les tailles de chacun des blocs. Il est géré hiérarchiquement de la même manière que CIDR en IPv4. La figure 6 présente les trois niveaux de hiérarchie :

• une topologie publique (appelée Global Prefix) codée sur 48 bits, allouée par le fournisseur d'accès ;
• une topologie de site codée sur 16 bits (appelée Subnet ID). Ce champ permet de coder les numéros de sous-réseau du site ;
• un identifiant d'interface sur 64 bits (appelé Interface ID) distinguant les différentes machines sur le lien.

Figure 6 : Format général de l'adresse unicast globale.

A part le préfixe 2002::/16 qui est réservé au mécanisme de transition 6to4, cet espace est géré hiérarchiquement comme pour IPv4. L'IANA délègue aux 5 autorités régionales (RIR) des préfixes actuellement de longueur 12^[2] qui les redistribuent aux ISP de leur région. Suivant leur taille, les opérateurs reçoivent un préfixe plus ou moins long.

Il est maintenant admis que le préfixe attribué par un opérateur à ses clients peut également être un /56. En effet, si l'on garde l'attribution de préfixe de longueur 48 pour les sites terminaux, et que l'on intègre les réseaux domotiques, les opérateurs peuvent justifier d'un besoin important d'adresses que les autorités régionales ne peuvent leur refuser.

Nota : quelques préfixes du plan d'adressage agrégé du RFC 3587 ont un usage réservé. Ils sont répertoriés parmi les préfixes réservés répertoriés dans le registre du RFC 6890 (Special-Purpose IP Address Registries) complété du RFC 8190 (Updates to the Special-Purpose IP Address Registries).

• Le préfixe 2002::/16 est réservé au mécanisme d'intégration dit "tunnel 6to4" (Ce mécanisme maintenant considéré déprécié a été supplanté par le mecansime 6RD. Les mécanismes d'intégration seront présentés dans la séquence 4).
• Le préfixe 2001:db8::/32 est réservé pour la documentation. Ces adresses ne sont théoriquement pas routés par les opérateurs sur l'Internet public.
• Le préfixe 2001:5::/32 est réservé par le RFC 7954 (Locator/ID Separation Protocol (LISP) Endpoint Identifier (EID) Block) dans le cadre du protocole expérimental LISP, visant à séparer les fonctions de localisation et d'identitfication des adresses.
• Le préfixe 2001:10::/28 réservé par le RFC 4843 ORCHID (Overlay Routable Cryptographic Hash Identifiers) protocole visant à séparer les fonctions de localisation et d'identitfication des adresses, déprécié au profit d'ORCHIDv2
• Le préfixe 2001:20::/28 réservé par le RFC 7343 ORCHIDv2 (Overlay Routable Cryptographic Hash Identifiers Version 2) protocole visant à séparer les fonctions de localisation et d'identitfication des adresses.
• Le préfixe 2001:1::1/128 adresse anycast du protocole PCP (Port Control Protocol) réservé par le RFC 7723 (Port Control Anycast Address).
• Le préfixe 3ffe ::/16 était le préfixe des adresses du réseau expérimental 6bone qui a symboliquement été stoppé le 6 juin 2006 (06/06/06). Ces adresses sont donc aujourd'hui dépréciées.

Le plan agrégé 2000::/3 a été découpé en plusieurs plages d'adresses qui sont allouées par l'IANA aux différents RIR (Registres Internet Régionaux). Les RIR gèrent les ressources d'adressage IPv4 et IPv6 dans leur région (au niveau mondial). L'IANA alloue des blocs de taille /23 à /12 dans l'espace unicast global (2000::/3) aux cinq RIR. Ces derniers les allouent à leur tour aux LIR (fournisseur d'accès à internet) sous forme de blocs de taille minimale de /48. Les RIR peuvent choisir de subdiviser leur bloc /23 en 512 blocs /32, typiquement un par LIR. Le LIR peut à son tour assigner 65536 blocs /48 à ses clients, qui disposent alors chacun de 65536 réseaux /64.

La plage 2001::/16 du plan 0x2::/3 (001) avait été initialement attribuée pour l'adressage agrégé des RIR (Regional Internet Register). Cette plage a ensuite été étendue au fur et à mesure des besoins. La version actualisée du découpage du plan d'adressage agrégé est disponible auprès de l'IANA^[2].

La figure 7 représente un exemple concret, le plan d'adressage IPv6 de Renater (le réseau national de l'enseignement et de la recherche, fournisseur d'accès de l'enseignement supérieur français) :

Figure 7 : Format de l'adressage Renater (Réseau NAtional de l'Enseignement et de la Recherche).

Les adresses unicast locales

Il y a deux types d'adresse unicast qui sont utilisées localement:

• Les adresses locales de lien, dites "lien-local" que nous noterons aussi LLA (Link Local Address).
• Les adresses unicast locales uniques notées ULA (Unique Local unicast Address).

Les adresses locales de lien (LLA : Link Local Address)

Les adresses "lien-local", sont des adresses dont l'étendue de validité est restreinte au lien ou au domaine de diffusion de niveau 2 (domaine de broadcast comme celui défini pour un VLAN (Virtual Local Area Network)). Que ce soit par un lien ou par un domaine de diffusion, les interfaces réseaux sont directement connectées entre elles. Elles sont dites voisines. La communication entre 2 interfaces voisines s'effectue sans aucun routeur intermédiaire. Par exemple, les deux extrémités d'une liaison PPP ou d'un tunnel, ou les machines connectées sur un même domaine de diffusion Ethernet (VLAN Ethernet) sont voisines et peuvent communiquer directement. Les adresses "lien-local" sont analogues aux adresses APIPA^[3] (Automatic Private Internet Protocol Addressing) d'IPv4 décrites dans le RFC 3927 (préfixe IPv4 réservé pour cet usage : 169.254.0.0/16).

Les adresses "lien-local" sont automatiquement configurées à l'initialisation de l'interface afin que la communication entre nœuds voisins puisse se faire. Elles sont utilisées par les protocoles de configuration d'adresse globale, de découverte de voisins et de découverte de routeurs. Elles doivent être uniques sur leur étendue, un protocole de détection de duplication d'adresse permet de s'en assurer. Par contre, la duplication d'une adresse "lien-local" entre deux liens différents est autorisée.

Ces adresses sont "non routables". Ainsi, un routeur ne doit en aucun cas retransmettre un paquet ayant pour adresse source ou destination une adresse de type "lien-local".

La portée restreinte de ces adresses les limite, dans la pratique, à un usage de démarrage automatique (boostrap) et aux mécanismes de configuration automatique. Leur usage ne devrait pas être généralisé dans les applications.

La figure 8 représente le préfixe d'identification qui est fe80 ::/10. L'adresse "lien-local" a le format suivant : préfixe fe80::/64 accolé au 64 bits de l'identifiant d'interface, généralement dérivé de l'adresse MAC de l'interface Ethernet. Cela ne pose pas de problème de respect de la vie privée car, contrairement aux adresses globales, les adresses "lien-local" ne sortent jamais du réseau où elles sont utilisées.

Figure 8 : Format de l'adresse lien-local.

Nota : Une adresse "lien-local" (ou multicast) n'indique pas intrinsèquement l'interface de sortie puisque toutes les interfaces partagent le même préfixe fe80::/10. Il faut donc indiquer, de manière explicite, sur quelle interface doivent être émis les paquets. Sur certains systèmes d'exploitation (BSD, Mac OS, Windows), il est possible de la spécifier en ajoutant à la fin de l'adresse le nom de l'interface voulue, précédé du caractère "%". Sous Linux, un argument de commande réseau, généralement -I permet de la désigner.

Les adresses locales uniques (ULA : Unique Local unicast Address)

Le RFC 4193 définit un nouveau format d'adresse unicast : les adresses uniques locales (ULA : Unique Local unicast Address). Dans leur usage, elles sont analogues aux adresses privées IPv4 du RFC 1918. Elles sont couramment appelées adresses privées (à l'inverse des adresses unicast globales dites publiques).

Ces adresses sont restreintes à un site unique et destinées à une utilisation locale. Elles sont routables à l'intérieur d'un espace privatif (réseau local de campus, réseau d'entreprise, réseau domestique...) mais ne peuvent pas en sortir. Elles sont filtrées par les fournisseurs d'accès et ne peuvent donc pas être routées sur l'Internet public. La longueur du préfixe étant de 48 bits, elles peuvent se manipuler comme des adresses globales, avec un identifiant de sous-réseau (SID) sur 16 bits et un identifiant d'interface (IID) sur 64 bits.

Les adresses uniques locales sont créées en utilisant un identifiant global généré pseudo-aléatoirement, selon l'algorithme défini dans le RFC 4193. La figure 9 indique que ces adresses suivent le format suivant :

• Prefix (7 bits) : fc00::/7 préfixe identifiant les adresses IPv6 locales (ULA) ;
• L (1 bit) : positionné à 1, le préfixe est assigné localement ; la valeur 0 est réservée pour une utilisation future (dans la pratique, les adresses ULA en usage actuellement sont donc identifiées par le préfixe fd00::/8) ;
• Global ID (40 bits) : identifiant global utilisé pour la création d'un préfixe unique (Globally Unique Prefix) ;
• Subnet ID (16 bits) : identifiant d'un sous-réseau à l'intérieur du site ;
• Interface ID (64 bits) : l'identifiant d'interface permet de distinguer les différentes machines sur le lien.

Figure 9 : Format de l'adresse unicast locale.

Ce type d'adresse permet d'isoler la numérotation externe et interne. En IPv4, l'utilisation d'un préfixe privé issu du RFC 1918 (comme 10.0.0.0/8) évite à un site de renuméroter son réseau s'il change de fournisseur d'accès. Un NAT (que nous appellerons NAT44 dans la suite de ce document) permet de passer de l'adressage privé à l'adressage public.

Avec les adresses de type ULA, il est possible de reproduire ce comportement en IPv6. Un dispositif, en bordure de réseau, va convertir le préfixe privé en préfixe public. Cet équipement, initialement appelé NAT66, a été renommé NPTv6 (Network Prefix Translation) car il ne possède pas les mêmes limitations que le NAT d'IPv4 du fait qu'il n'intervient pas au niveau de la couche de transport.

Comme pour le RFC 1918 d'IPv4, l'objectif est de permettre un adressage à usage privatif non routé sur l'infrastructure publique. Mais, à la différence du RFC 1918, où le risque de collision élevé est problématique en cas de connexion de deux sites utilisant ces adresses (lors de fusions d'entreprises par exemple), il s'agit de générer des préfixes quasi uniques. Dans un espace réservé, fc00::/7, le site qui souhaite des adresses quasi uniques tire un préfixe de 48 bits au hasard, suivant l'algorithme décrit dans le RFC 4193 en se basant sur l'heure courante et une adresse MAC d'une de ses interfaces. La probabilité de collision est donc très faible, vue la taille de l'espace d'adressage d'IPv6.

Ces adresses sont dites locales, et ne doivent pas être routées sur l'Internet global. Elles sont routables sur un espace limité tel un site. Elles peuvent également être routées entre un nombre limité de sites (sur la même aire interne d'un IGP, comme OSPF, ou au travers de tunnels point à point reliant les sites). Elles ont les caractéristiques suivantes :

• préfixe globalement unique (très forte probabilité d'unicité) ;
• un préfixe bien connu fc00::/7 facilitant le filtrage aux frontières du site ;
• limitation des conflits ou des opérations de réadressage lors de la fusion de sites où l'interconnexion privée de sites ;
• indépendance des préfixes vis-à-vis des fournisseurs d'accès ou des opérateurs ;
• indépendance vis-à-vis des applications : elles s'utilisent de la même manière que les adresses unicast globales ;
• en cas de débordement géographique accidentel (mauvaise configuration de l'annonce des routeurs ou des filtres, affichage accidentel dans un DNS public), l'unicité garantit l'absence de conflit avec d'autres adresses.

L'identifiant global de 40 bits ne doit pas être choisi de manière séquentielle ou selon un algorithme permettant de déduire un préfixe en fonction des autres préfixes du site. Il ne doit pas, non plus, être choisi par facilité mnémotechnique en « hexspeak », amusement consistant a générer des jeux de mots pour les codes hexadécimaux en mixant les lettres hexadécimales (a à f) et les chiffres 1 (pour 'i' ou 'l'), 0 (pour 'o'), 5(pour 's'), 6 ou 9 (pour 'g'), 7 (pour 't') ; les plus connus étant 'bad:f00d' « bad food », '600d:cafe' « good cafe », 'dead:beef' « dead beef », ou encore 'defe:ca7e:d « ... », et bien d'autres (source http://en.wikipedia.org/wiki/Hexspeak).

Le préfixe de l'adresse IPv6 locale unique est créée en s'appuyant sur un mécanisme pseudo-aléatoire. Le RFC 4193 propose l'algorithme suivant :

1. prendre l'heure courante dans le format 64 bits du protocole NTP ;
2. prendre un identifiant EUI-64, au besoin dérivé de l'adresse MAC, de l'une des interfaces de l'équipement générant le préfixe ;
3. concaténer l'heure et l'identifiant d'interface pour créer une clé ;
4. calculer l'empreinte SHA-1 (digest) de 160 bits de cette clé ;
5. prendre les 40 bits de poids faible de l'empreinte comme identifiant global de 40 bits ;
6. préfixer l'identifiant global avec le préfixe fc00::/7 et positionner le bit L (8^e bit de poids fort) à 1. Dans la pratique, les préfixes ULA débutent donc par « fd ».

Le script, sous licence libre GPL, développé par Hartmut Goebel, disponible à l'URL http://forschung.goebel-consult.de/ipv6/createLULA.py, peut vous générer une série de préfixes conformes en utilisant une des adresses MAC ethernet de votre machine.

Ces préfixes ne devraient pas pouvoir être agrégés afin de renforcer la « non-routabilité » globale sur l'Internet. Par défaut, l'étendue de ces adresses est globale ; ce qui signifie qu'elles ne souffrent pas de l’ambiguïté levée par l'adresse site-local (un réseau ou un ensemble de réseaux interconnectés dans un site ou un campus). La limite de « routabilité » est fixée au site et à toutes les routes explicitement définies avec d'autres sites privés (soit dans la même aire d'IGP, soit au travers de tunnels). Pour les protocoles de routage extérieur (EGP Exterior Gateway Protocol), tel BGP, mis en oeuvre par les fournisseurs d'accès, la consigne est d'ignorer la réception et l'annonce de préfixes fc00::/7.

Conclusion

Nous venons d'approfondir le rôle des différentes adresses IPv6. Nous avons découvert les différents types d'adresses IPv6, leurs allocations, ainsi que la structure détaillée des préfixes réseau et sous-réseau. Les adresses unicast peuvent avoir une portée limitée au lien-local, ou bien routable sur un réseau local ou de site, voire une portée globale si les adresses sont routables sur l'internet. Les adresses multicast permettent d'atteindre un ensemble de correspondants à l'écoute des services spécifiés, ce qui est bien plus efficace que l'ancien modèle de diffusion mis en oeuvre en IPv4.

Références bibliographiques

1. ↑ Notation binaire. Les nombres en octal, en hexadécimal et en binaire.
2. ↑ ^{2.0 2.1} IANA. IPv6 Global Unicast Address Assignments
3. ↑ Wikipédia. Automatic Private Internet Protocol Addressing

Pour aller plus loin

RFC et leur analyse par S. Bortzmeyer :

• RFC 1516 Host Anycasting Service
• RFC 1918 Address Allocation for Private Internets Analyse
• RFC 3177 IAB/IESG Recommendations on IPv6 Address Allocations to Sites
• RFC 3513 Internet Protocol Version 6 (IPv6) Addressing Architecture
• RFC 3587 IPv6 Global Unicast Address Format
• RFC 3879 Deprecating Site Local Addresses Analyse
• RFC 3927 Dynamic Configuration of IPv4 Link-Local Addresses Analyse
• RFC 4048 RFC 1888 Is Obsolete
• RFC 4193 Unique Local IPv6 Unicast Addresses Analyse
• RFC 4548 Internet Code Point (ICP) Assignments for NSAP Addresses
• RFC 6598 IANA-Reserved IPv4 Prefix for Shared Address Space Analyse
• RFC 6890 Special-Purpose IP Address Registries Analyse
• RFC 7343 An IPv6 Prefix for Overlay Routable Cryptographic Hash Identifiers Version 2 (ORCHIDv2) Analyse
• RFC 7421: Analysis of the 64-bit Boundary in IPv6 Addressing Analyse
• RFC 7723 Port Control Protocol (PCP) Anycast Addresses Analyse
• RFC 7954 Locator/ID Separation Protocol (LISP) Endpoint Identifier (EID) Block Analyse
• RFC 7955 Management Guidelines for the Locator/ID Separation Protocol (LISP) Endpoint Identifier (EID) Block Analyse
• RFC 8190 Updates to the Special-Purpose IP Address Registries Analyse