IPv6安全防護分析

東帆

近日，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《推進互聯網協議第六版（IPv6）規模部署行動計劃》，加快推進IPv6規模部署，構建高速率、廣普及、全覆蓋以及智能化的下一代互聯網。

隨著計劃實施推行以及移動互聯網、物聯網的大力發展，我國整個網絡環境將發生翻天覆地的變化，全產業鏈已蓄勢待發，目前IPv6根服務器架設中國開始部署，IPv6城域網、政府網站IPv6雙棧化改造、IPv6城市公共無線網絡等均已開始試點和部署，互聯網BAT部分內容已支持IPv6訪問，流量增長迅速，新的網絡環境以及新興領域將面臨新的安全挑戰。

按照部署計劃，到2018年末，IPv6活躍用戶數達到2億，在互聯網用戶中的占比不低于20%，到2020年末，IPv6活躍用戶數超過5億，在互聯網用戶中的占比超過50%，新增網絡地址不再使用私有IPv4地址，到2025年末，我國IPv6網絡規模、用戶規模、流量規模位居世界第一位，網絡、應用、終端全面支持IPv6，全面完成向下一代互聯網的平滑演進升級，形成全球領先的下一代互聯網技術產業體系。

針對IPv6安全，計劃中重點要求升級安全系統，強化IPv6地址管理，增強IPv6安全防護，加強IPv6環境工業互聯網、物聯網、車聯網、云計算、大數據、人工智能等領域的網絡安全技術、管理及機制研究，構筑新興領域安全保障能力。

IPv6協議介紹

IPv6（Internet Protocol version 6，互聯網通信協議第6版）是數據包交換互聯網絡的網絡層協議，主要用于尋址和路由，是IETF（互聯網工程任務小組Internet Engineering Task Force，簡稱IETF）設計用來替代IPv4協議的，在早期協議發展階段，IPv6也叫做IPng。

IETF自1990年開始，開始規劃IPv4的下一代協議，除要解決IP地址短缺問題外，還要進行更多擴展。1994年，IETF會議中正式提議IPv6發展計劃，并于1998年8月成為IETF的草案標準，最終IPv6在1998年底被IETF通過公布互聯網標準規范（RFC 2460）的方式定義正式發布。

目前隨著移動互聯網、物聯網的大力發展，計算機網絡已經與人們的生活密切相關，可能身邊的每一樣電子設備都需要連入網絡，IP地址需求量劇增，同時IPv4地址越來越緊缺，IPv6的發展越來越迫切。

1. IPv6發展的主要原因如下：

①128位的地址空間：IPv6由128 Bits構成，單從數量級上來說，IPv6所擁有的地址容量是IPv4的約8×1 028倍，達到2 128個巨大的地址空間，不但解決了網絡地址資源數量的問題，同時也為物聯網的發展提供了基礎。

②層次化的路由結構，而這是當前IPv4無法滿足的：

分層匯總（Public、Site、Interface）；

更為簡單的ACL；

更少的路由條目。

③實現真正的點到點通信，而不是NAT。

④對安全傳輸的內在支持，提供更為安全的數據傳輸。

⑤對數據報文進行簡化，提供更快的數據包處理。

⑥支持移動IPv6，提供穩定的移動網絡服務。

⑦自動配置、即插即用。

⑧流標簽提供更多的服務質量控制能力。

從報文頭結構對比看，IPv6借鑒了IPv4的應用經驗，大大簡化了基本報頭結構，僅包含8個字段，IPv6中所有非核心功能都由擴展報頭實現。

2. IPv4和IPv6報文頭主要差異點如下：

①IPv6簡化報頭和數據長度計算：報頭長度字段已經不在IPv6基本報頭中使用，只使用一個字段來標示數據凈荷的總長度；

②更好支持DiffServ QoS服務：IPv4報頭的服務類型字段在IPv6中該字段被擴展為業務流類型和流標簽2個獨立的字段；

③取消中間分片：IPv4報頭為數據分片提供了數據報文ID、分片標志、分片偏移值3個字段，目前有許多針對這3個字段的攻擊手段，IPv6采用Path MTU發現機制，避免了中間路由器的分片處理，消除了一些安全隱患；

④取消校驗和字段：許多IPv4后續報文頭如ICMP、UDP和TCP中均含有同時覆蓋基本報頭和數據部分的檢驗和字段，因此IPv4報頭中校驗和字段是多余的，此字段在IPv6基礎報頭中已經取消；

⑤對選項功能的處理：IPv6采用擴展報頭實現選項功能，解決了IPv4中帶有選項內容的數據包不能被高效傳輸的問題，也使得IPsec以及未來可能出現的新的安全協議的采用更加方便。

從報文頭結構對比可見，IPv4協議報文頭結構冗余，影響轉發效率，同時缺乏對端到端安全、QoS、移動互聯網安全的有效支持，而IPv6協議重點針對上述幾個方面進行了改進，采用了更加精簡有效的報文頭結構，IPv6協議選項字段都放在擴展頭中，中間轉發設備不需要處理所有擴展報文頭，提高數據包處理速度，并且通過擴展選項實現IPsec安全加密傳輸和對移動互聯網安全的支持。

從協議族來看，IPv6協議族相對于IPv4協議族，基本部分也發生了較大的變化，如ARP協議被NDP代替，ICMPv6合并了IPv4中的ICMP，IGMP、ARP、RARP和RA等多個協議的功能。

IPv6協議設計的安全考慮

從協議的角度，IPv4協議誕生較早，前期設計幾乎沒有任何的安全考慮，因此特別是對報文地址的偽造與欺騙使得無法對網絡進行很有效的監管和控制，而在IPv6協議設計之初，引入了認證包頭（AH）、封裝安全載荷（ESP）、安全關聯（SA）、密鑰管理協議（IKMP）等加密和認證機制，并強制實現了IPsec協議族認證，IPsec協議族中的報文認證頭（AH，Authentication Header）和報文封裝安全載荷（ESP，Encapsulation Security Payload）內嵌到協議棧中，作為IPv6的擴展頭出現在IP報文中，提供完整性、保密性和源認證保護，從協議設計上較大地提升安全性。

IPv6協議安全設計相比IPv4主要有如下增強：

可溯源和防攻擊：IPv6地址資源豐富，不需要部署NAT，掃描困難。

IPv6的默認IPsec安全加密機制：IPv6協議中集成了IPsec，通過認證報頭（AH）和封裝安全載荷報頭（ESP）2個擴展頭實現加密、驗證功能，中間轉發設備只需要對帶有IPsec擴展包頭的報文進行普通轉發，大大減輕轉發壓力。

NDP和SEND：采用NDP協議取代現有IPv4中ARP及部分ICMP控制功能如路由器發現、重定向等。

真實源地址檢查體系：真實源IPv6地址驗證體系結構（SAVA）分為接入網（Access Network）、區域內（Intra-AS）和區域間（Inter-AS）源地址驗證3個層次，從主機IP地址、IP地址前綴和自治域3個力度構成多重監控防御體系。

特別對于IPv4網絡地址而言，數量非常有限，因此很多時候是一個地址被多臺主機通過NAT等技術共用。使用IPv6之后，可以將每個地址指定給一個對象，每個地址唯一，IPv6的地址分配可采用逐級、層次化的結構，這將使得追蹤定位、攻擊溯源得到很大的改善，用戶、報文和攻擊關聯對應，用戶對自己的任何行為負責，并具有不可否認性。

IPv6協議也定義了多播地址類型，而取消了IPv4下的廣播地址，可有效避免IPv4網絡中利用廣播地址發起的廣播風暴攻擊和DDoS攻擊。同時，IPv6協議規定了不允許向使用多播地址的報文回復ICMPv6差錯消息，能有效防止ICMPv6報文造成的放大攻擊。

另外，IPsec協議族中的AH和ESP安全擴展包頭為IPv6核心的安全機制和設計，提供了關鍵的加密和認證機制。

AH是IPv6的一個安全擴展包頭，在RFC4302中定義，協議號為51。IPv6的認證主要由AH來完成。認證包頭通過在所有數據包頭加入一個密鑰，通過AH使數據包的接收者可以驗證數據是否真的是從它的源地址發出的，并提供密碼驗證或完整性測試。這種認證是IP數據包通過一定加密算法得出的編碼結果，相當于對IP數據包進行數字簽名，只有密鑰持有人才知道的“數字簽名”來對用戶進行認證，同時接收者可通過該簽名驗證數據包的完整性。

AH的驗證范圍與ESP有所區別，包括了整個IPv6數據包。AH位于IPv6頭和一些上層協議頭之間，如果存在擴展包頭，則AH必須位于逐跳選項頭、選路擴展頭和分段擴展頭之后。ESP也是IPv6的一個安全擴展包頭，在RFC4303中定義，協議號為50。其對IPv6數據包的有效載荷部分加密，不包括IPv6包頭部分，能為IP層提供機密性、數據源驗證、抗重放以及數據完整性檢驗等安全服務，其中數據機密性是ESP的主要功能，其他均為可選。ESP頭位于IPv6頭和上層協議之間，如果存在擴展包頭，則ESP頭必須位于逐跳選項頭、選路擴展頭、分段擴展頭和認證頭之后。由于ESP只對ESP頭之后的數據加密，所以通常將目的地選項頭置于ESP頭之后。ESP和AH各擴展包頭可以單獨使用，也可以一起使用。

IPv6網絡安全威脅分析

IPv6相對于IPv4，除了和IPv4相同的安全威脅外，新增部分主要來自于協議族、協議報文格式、自身設計實現、IPv4向IPv6的演進過程中新增或者變化引入的安全威脅。

1. IPv6與IPv4共同的安全威脅

IPv6與IPv4同為網絡層協議，有共同的安全威脅如下：

①未配置IPsec可實施網絡嗅探，可能導致信息泄露；

②應用層攻擊導致的漏洞大多數在網絡層無法消除；

③設備仿冒接入網絡；

④未實施雙向認證情況下可實施中間人攻擊Man-in-the-Middle Attacks（MITM）；

⑤泛洪攻擊。

2. IPv6協議族新增安全威脅

IPv6相對于IPv4在協議族上發生了較大的變化，新增安全威脅如下：

①NDP攻擊：針對ARP的攻擊如ARP欺騙、ARP泛洪等在IPv6協議中仍然存在，同時IPv6新增的NS、NA也成為新的攻擊目標，存在DoS攻擊、中間人攻擊等安全威脅。

②新增ICMPv6協議作為IPv6重要的組成部分，存在DoS攻擊、反射攻擊等安全威脅；

③IPv6支持無狀態的地址自動分配，該功能可能造成非授權用戶可以更容易的接入和使用網絡，存在仿冒攻擊安全威脅；

④IPv6網絡環境下由于網絡掃描實施難度高，但仍可通過IPv6前綴信息搜集、隧道地址猜測、虛假路由通告及DNS查詢等手段搜集到活動主機信息，通過DNS獲取IPv6地址范圍和主機信息可能會成為黑客優選攻擊路徑，針對DNS系統的攻擊會更加猖獗；

⑤IPv6組播地址仍然支持，存在通過掃描、嗅探甚至仿冒關鍵DHCP Server、Router等安全威脅。

⑥IPv6路由協議攻擊：RIPng/PIM依賴IPsec，OSPFv3協議不提供認證功能，而是使用IPv6的安全機制來保證自身報文的合法性，未配置IPv6安全機制，OSPFv3路由器存在仿冒的安全威脅；

⑦移動IPv6仿冒偽造攻擊：移動IPv6節點能夠在不改變IP地址的情況下，在任何地方接入網絡都能夠直接與其他節點通信，在提供可移動性及方便通信的同時，由于移動節點的不固定性，也給不法分子提供了攻擊的機會，存在偽造綁定更新消息等安全威脅；

⑧MLD仿冒及泛洪攻擊。

3. IPv6協議報文格式新增安全威脅

IPv6協議相關RFC標準在不斷的發展更新，協議自身也存在漏洞，所有遵循IPv6協議的設備都會受到該漏洞的影響，新增安全威脅如下：

①協議自身存在漏洞，如IPv6協議Type0路由頭拒絕服務漏洞，該漏洞已于2007年12月由RFC 5095修補，禁用了IPv6擴展頭中的Type 0路由頭；

②IPv6分片攻擊；

③IPv6擴展頭攻擊；

④ND DAD攻擊（Duplicate Address Detection）；

⑤ND Router Advertisement仿冒、DoS、中間人攻擊。

4. IPv6自身實現新增安全威脅

IPv6和IPv4協議一樣，設備與應用在實現對IPv6協議的支持時，不同的系統開發商因軟件開發能力的不同，在IPv6協議軟件開發、各種算法實現也會引入各種可能的安全漏洞。

從下一代互聯網國家工程中心全球IPv6測試中心2017年11月份發布的《2017 IPv6支持度報告》來看：

目前的操作系統中，75%左右都默認安裝IPv6協議棧，65%左右支持DHCPv6，50%左右支持ND RNDSS。其中手機操作系統支持IPv6協議已經從實驗室走向了應用階段，Android 4.2、iOs 4.1、Windows Phone 6.5、Symbian 7.0開始都已經支持IPv6，并且默認安裝IPv6，自以上各手機系統版本后推出的新版本均支持IPv6。在DHCPv6功能上，IOS支持得比較好，從V4.0開始支持stateless DHCPv6，V4.3.1支持Stateful DHCPv6。Windows Phone支持DHCPv6 Lite，Android系統不支持DHCPv6。在鄰居發現（ND）選項RDNSS功能上，IOS目前已經支持ND RDNSS，Android 5.0以上已經支持ND RDNSS。若一個操作系統不支持DHCPv6和ND RDNSS，則無法在純IPv6網絡環境中自動配置查詢域名服務器。

各種應用軟件也逐漸開始支持IPv6以應對廣大用戶的需求。但是目前并不普遍，只有一些基礎應用軟件已經支持IPv6。

基礎應用軟件中有一小部分已可以支持IPv6，其中瀏覽器軟件，如IE系列、Chrome、Firefox和Opera等都支持IPv6；下載軟件和郵件客戶端軟件，如FileZilla3、SmartFTP4以及Outlook等都支持IPv6。但是國內自主研發的基礎應用軟件，除瀏覽器外，其他諸如下載軟件、即時通訊軟件等都尚無法在IPv6環境下正常使用。

各類軟件安全實現不當都可能引入IPv6協議安全漏洞，需要做好安全編碼及質量保障活動。

如下為典型的IPv6協議棧實現方面的漏洞。

Python getaddrinfo（）remote IPv6 buffer overflow

Apache remote IPv6 buffer overflow

Postfix IPv6 unauthorized mail relay vulnerability

Openbsd remote code execution in IPv6 stack

……

5. IPv4向IPv6演進過程中新增安全威脅

IPv4向IPv6的過渡是一個長期的過程，在IPv4與IPv6共存時期，為解決兩者間互通所采取的各種措施將帶來新的安全風險。例如，隧道方式下存在的拒絕服務攻擊、中間人攻擊，NAT-PT技術下存在的拒絕服務攻擊等。

IPv4向IPv6的演進過程中涉及到雙棧、隧道以及翻譯技術，主要安全威脅如下：

①雙棧技術：許多操作系統都支持雙棧，IPv6默認是激活的，但并沒有向IPv4一樣加強部署IPv6的安全策略，支持自動配置，即使在沒有部署IPv6的網絡中，這種雙棧主機也可能受到IPv6協議攻擊。

②隧道技術：幾乎所有的隧道機制都沒有內置認證、完整性和加密等安全功能，攻擊者可以隨意截取隧道報文，通過偽造外層和內層地址偽裝成合法用戶向隧道中注入攻擊流量，存在仿冒以及篡改泛洪攻擊安全威脅。

③翻譯技術：涉及載荷轉換，無法實現端到端IPsec，存在受到NAT設備常見的地址池耗盡等DDoS攻擊安全威脅。

互聯網IPv6網絡安全保障體系及策略探討

隨著基于IPv6的下一代網絡中應用的增加、速度的加快和規模的變大，IPv6網絡面臨著新的安全風險。

對于互聯網網絡，安全是保證網絡健康發展的重要因素，IPv6網絡安全保障體系的配套建設作為IPv6網絡建設的重要方面，在IPv6網絡設計階段對網絡安全需要進行通盤考慮，提升網絡架構的整體安全性。

網絡安全保障體系可分為靜態安全防護體系以及動態安全運營體系2個層面。

靜態安全防護體系根據ITU-T X.805標準（端到端通信系統安全框架），網絡可分為基礎設施層、業務層和應用層，每個網絡層次可以劃分為管理、控制和數據3個平面。采用多種技術手段隔離管控，并在每個平面實施相應安全防護措施，從而使每個平面在安全方面都具備訪問控制、鑒別、不可抵賴、數據保密性、通信安全、完整性、可用性和隱私性8個屬性防護能力。

動態安全運營體系通過安全檢測和響應等安全基礎設施和相關安全管理組織、制度和流程的配套建設，可實現對網絡安全風險的動態發現和管理。

與IPv4相比，可以共用相同的網絡整體安全保障體系，但在IPv4基礎網絡的前提下需要確定升級演進到IPv6的策略，基于IPv6的特點和安全威脅分析，識別IPv6安全產品缺失的現狀并補齊，確定改造節奏，包括LVS、DNS等各類型服務器、網絡設備、DDoS設備、防火墻等，升級安全系統，結合業務實際利用好IPv6協議本身的安全增強技術手段，增強IPv6安全防護，同時加強IPv6環境各業務領域特別是新興領域物聯網、云計算、大數據、人工智能等的網絡安全技術、管理及機制研究，促進新的安全業務和應用的開展，形成全球領先的下一代互聯網技術產業體系。

IPv6網絡安全加固建議

雖然IPv6相對于IPv4來說增強了自身的安全機制，但一個新協議的引入必然會引入新的安全問題，對已有的網絡安全技術體系造成影響，因此熟悉已有業務及網絡、IPv6現狀及其安全性并針對性部署安全加固非常重要。

針對不同的IPv6網絡安全風險，有不同的安全應對技術、措施和方法，需要采取合適自身的IPv6安全解決方案及措施，構筑IPv6網絡安全及IPv6環境下新興領域安全保障能力。

以下是典型的IPv6網絡安全加固建議供參考。

做好IPv6網絡各層各面和各安全域的隔離及訪問控制，將安全影響控制到最小；

合理管控IPv6管理、控制和數據平面之間的資源互訪，在各安全域根據各域的特點輔以相應的安全保護和控制措施，實施雙棧的情況建議在IPv4/6雙棧設備上采用嚴格的網絡過濾和訪問控制，防范IPv4和IPv6安全問題的相互影響；

做好管理和控制平面IPv6網絡接入的認證與鑒權，制定完善的邊界防護策略，防止惡意設備及用戶的接入，結合業務實際情況有效利用IPv6協議的IPsec特性、源地址過濾技術等加強平面內的安全保護；

控制平面做好新增ICMPv6協議安全防護，建議根據實際情況選擇合適的安全措施，例如配置ACL白名單，僅允許必須的ICMPv6等報文通過，接口關閉ICMPv6重定向、端口停止發送RA消息，關閉發送ICMP不可達信息，關閉源路由防止Type 0 Routing Header攻擊等；

控制平面通過IPsec、認證以及白名單策略等做好IPv6網絡路由等協議安全防護；

管理平面與IPv4網絡類似，通過白名單策略、禁用不使用的IPv6服務等，確保攻擊面最小；

數據平面與IPv4網絡類似，配置ACL白名單策略，關閉不必要的服務、禁止源路由，部署IPv6 uRPF等；

DNS做好IPv6掃描及嗅探的安全檢測及防護；

建議嚴格限制IPv6同一片報文的分片數目，設置合理的分片緩沖超時時間；

建議配置端口的最大ND表項學習數量，限制擴展頭的數量和同一類型擴展頭實例的數目；

IPv6網絡涉及各類服務器、終端、網絡設備及應用軟件等，設計及開發要遵從成熟的安全工程方法及規范，確保IPv6協議棧安全質量，同時做好已知漏洞的安全檢測及修復；

IPv6協議攻擊的實施目前已有很成熟的開源安全工具套件，例如THC-IPv6、Si6 Networks ipv6-toolkit等，IPv6網絡及協議上線運行時，需要提前做好網絡中各部分IPv6協議棧健壯性測試、安全滲透測試及安全質量評估，及時削減安全風險；

基于IPv6的特點和安全威脅分析，確定IPv4升級演進到IPv6的策略，識別IPv6安全產品缺失的現狀并補齊，確定改造節奏，升級安全系統。