Tong quang va cau truc ipv6
- 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG IPV6 NGUYỄN QUANG AN LỘC 1 1.1 Nguyên nhân phát triển IPv6: Năm 1973, TCP/IP được giới thiệu và ứng dụng vào mạng ARPANET. Vào thời điểm đó, mạng ARPANET chì có khoảng 250 Site kết nối với nhau, với khoảng 750 máy tính. Internet đã và đang phát triển với tốc độ khủng khiếp, đến nay đã có hơn 60 triệu người dùng trên toàn thế giới. Theo tính toán của giới chuyên môn, mạng nternet hiện nay đang kết nối hàng trăm ngàn Site với nhau, với khoảng hơn 10 triệu máy tính; trong tương lai không xa, những con số này không chì dừng lại ở đó. Sự phát triển nhanh chóng này đòi hỏi phải kèm theo sự mở rộng, nâng cấp không ngừng của cơ sở hạ tầng mạng và công nghệ sử dụng. Bước sang những năm đầu của thế kỷ XXI, ứng dụng của Internet phát triển nhằm cung cấp dịch vụ cho người dùng notebook, cellualar modem và thậm chí nó còn hâm nhập vào nhiều ứng dụng dân dụng khác như TV, máy pha cà phê... Để có thể đưa những khái niệm mới dựa trên cơ sở TCP/IP này thành hiện thực, TCP/IP phải mở rộng. Nhưng một thực tế mà không chì giới chuyên môn, mà ngay cả các ISP cũng nhận thức được đó là tài nguyên mạng ngày càng hạn hẹp. Việc phát triển về thiết bị, cơ sở hạ tầng, nhân lực. không phải là một khó khăn lớn. Vấn đề ở đây là địa chì IP, không gian địa chì IP ngày càng cạn kiệt, càng về sau địa chì IP (IPv4) không thể đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng đó. Bước tiến quan trọng mang tính chiến lược đối với kế hoạch mở rộng này là việc nghiên cứu cho ra đời một thế hệ sau của giao thức IP, đó chính là IP version 6. IPv6 ra đời không có nghĩa là phủ nhận hoàn toàn IPv4 (công nghệ mà hạ tầng mạng chúng ta đang dùng ngày nay). Vì là một phiên bản hoàn toàn mới của công nghệ IP, việc nghiên cứu, ứng dụng vào thực tiễn luôn là một thách thức rất lớn. Một trong những thách thức đó liên quan đến khả năng tương thích giữa IPv6 và IPv4, liên quan đến việc chuyển đổi từ IPv4 lên IPv6, làm thế nào mà người dùng có thể khai thác những thế mạnh của IPv6 nhưng không nhất thiết phải nâng cấp đồng loạt toàn bộ mạng (LAN, WAN, Internet) lên IPv6. 1.2 Những giới hạn của IPv4: IPv4 hỗ trợ trường địa chì 32 bit, IPv4 ngày nay hầu như không còn đáp ứng được nhu cầu sử dụng của mạng Internet. Hai vấn đề lớn mà IPv4 đang phải đối mặt là việc thiếu hụt các địa chì, đặc biệt là các không gian địa chì tầm trung (lớp B) và việc phát triển về kích thước rất nguy hiểm của các bảng định tuyến trong Internet. Thêm vào đó, nhu cầu tự động cấu hình (Auto-config) ngày càng trở nên cần thiết. Địa chì IPv4 trong thời kỳ đầu được phân loại dựa vào dung lượng của địa chì đó (số lượng địa chì IPv4 ). Địa chì IPv4 được chia thành các lớp. 3 lớp đầu tiên được sử dụng phổ biến nhất. Các lớp địa chì này khác nhau ở số lượng các bit dùng để định nghĩa Network ID. Ví dụ: Địa chì lớp B có 14 bit đầu dành để định nghĩa Network ID và 16 bit cuối cùng dành cho Host ID. Trong khi địa chì lớp C có 21 bit dành để định nghĩa Network ID và 8 bit còn lại dành cho Host ID... Do đó, dung lượng của các lớp địa chỉ này khác nhau. 1.3 Vấn đề quản lý địa chỉ IPv4: Bên cạnh những giới hạn đã nêu ở trên, mô hình này còn có một hạn chế nữa chính là sự thất thóat địa chỉ nếu sử dụng các lớp địa chỉ không hiệu quả. Mặc dù lượng địa chỉ IPv4 hiện nay có thể đáp ứng nhu cầu sử dụng trên thế giới, nhưng cách thức phân bổ địa chỉ IPv4 không thực hiện được chuyện đó. Ví dụ: một tổ chức có nhu cầu triển khai mạng với số lượng Host khoảng 300. để phân địa chỉ IPv4 cho tổ chức này, người ta dùng địa chỉ lớp B. Tuy nhiên,
- 2. TỔNG QUAN VỀ MẠNG IPV6 NGUYỄN QUANG AN LỘC 2 địa chỉ lớp B có thể dùng để gán cho 65536 Host. Dùng địa chỉ lớp B cho tổ chức này làm thừa hơn 65000 địa chỉ. Các tổ chức khác sẽ không thể nào sử dụng khoảng địa chỉ này. Đây là điều hết sức lãng phí. Trong những năm 1990, kỹ thuật Classless Inter-Domain Routing (CIDR) được xây dựng dựa trên khái niệm mặt nạ địa chỉ (address mask). CIDR đã tạm thời khắc phục được những vấn đề nêu trên. Khía cạnh tổ chức mang tính phân cấp (Hierachical) của CIDR đã cải tiến khả năng mở rộng của IPv4. Phương pháp này giúp hạn chế ảnh hưởng của cấu trúc phân lớp địa chỉ IPv4. Phương pháp này cho phép phân bổ địa chỉ IPv4 linh động hơn nhờ vào Subnet mask. Độ dài của Network ID vào Host ID phụ thuộc vào số bit 1 của Subnet mask, do đó, dung lượng của địa chỉ IP trở nên linh động hơn. Ví dụ: sử dụng địa chỉ IP lớp C với độ dài Subnet Mask 23 (x.x.x.x/23) cho tổ chức trên. Địa chỉ này có Host ID được định nghĩa bởi 9 bit, tương đương với 512 Host. Địa chỉ này là phù hợp. Tuy nhiên, CIDR có nhược điểm là Router chỉ có thể xác định được Network ID và Host ID nếu biết được Subnet mask. Mặc dù có thêm nhiều công cụ khác ra đời như kỹ thuật Subnetting (1985), kỹ thuật VLSM (1987) và CIDR (1993), các kỹ thuật trên đã không cứu vớt IPv4 ra khỏi một vấn đề đơn giản: không có đủ địa chỉ cho các nhu cầu tương lai. Có khoảng 4 tỉ địa chỉ IPv4 nhưng khoảng địa chỉ này là sẽ không đủ trong tương lai với những thiết bị kết nối vào Internet và các thiết bị ứng dụng trong gia đình có thể yêu cầu địa chỉ IP. Một vài giải pháp ngắn hạn, chẳng hạn như ứng dụng RFC 1918 trong đó dùng một phần không gian địa chỉ làm các địa chỉ dành riêng và NAT là một công cụ cho phép hàng ngàn Host truy cập vào Internet chỉ với một vài IP hợp lệ. Tuy nhiên, giải pháp mang tính dài hạn là việc đưa vào IPv6 với cấu trúc địa chỉ 128 bit. Không gian địa chỉ rộng lớn của IPv6 không chỉ cung cấp nhiều không gian địa chỉ hơn IPv4 mà còn có những cải tiến về cấu trúc. Với 128 bit, sẽ có 340 282 366 920 938 463 463 374 6 địa chỉ. Một con số khổng lồ. Trong năm 1994, IETF đã đề xuất IPv6 trong RFC 1752. IPv6 khắc phục một số vấn đề như thiếu hụt địa chỉ, chất lượng dịch vụ, tự động cấu hình địa chỉ, vấn đề xác thực và bảo mật. 1.4 Sơ lược một số đặc điểm của IPv6: Khi phát triển phiên bản mới, IPv6 hoàn toàn dựa trên nền tảng IPv4. Nghĩa là tất cả những chức năng của IPv4 đều được tích hợp vào IPv6. Tuy nhiên, IPv6 cũng có một vài đặc điểm khác biệt. 1.4.1 Tăng kích thước của tầm địa chỉ: IPv6 sử dụng 128 bit địa chỉ trong khi IPv4 chỉ sử dụng 32 bit; nghĩa là IPv6 có tới 2128 địa chỉ khác nhau; 3 bit đầu luôn là 001 được dành cho các địa chỉ khả định tuyến toàn cầu (Globally Routable Unicast -GRU). Nghĩa là còn lại 2125 địa chỉ. Một con số khổng lồ. Điều đó có nghĩa là địa chỉ IPv6 sẽ chứa 1028 tầm địa chỉ IPv4. 1.4.2 Tăng sự phân cấp địa chỉ: IPv6 chia địa chỉ thành một tập hợp các tầm xác định hay boundary: 3 bit đầu cho phép biết được địa chỉ có thuộc địa chỉ khả định tuyến toàn cầu (GRU) hay không, giúp các thiết bị định tuyến có thể xử lý nhanh hơn. Top Level Aggregator (TLA) ID được sử dụng vì 2 mục đích: thứ nhất, nó được sử dụng để chỉ định một khối địa chỉ lớn mà từ đó các khối địa chỉ nhỏ hơn được tạo ra để cung cấp sự kết nối cho những địa chỉ nào muốn truy cập vào Internet; thứ hai, nó được sử dụng để phân biệt một đường (Route) đến từ đâu. Nếu các khối địa chỉ lớn được cấp phát cho các nhà cung cấp dịch vụ và sau đó được cấp phát cho khách hàng thì sẽ dễ dàng nhận ra các mạng chuyển tiếp mà đường đó
- 3. TỔNG QUAN VỀ MẠNG IPV6 NGUYỄN QUANG AN LỘC 3 đã đi qua cũng như mạng mà từ đó Route xuất phát. Với IPv6, việc tìm ra nguồn của 1 Route sẽ rất dễ dàng. Next Level Aggregator (NLA) là một khối địa chỉ được gán bên cạnh khối TLA, những địa chỉ này được tóm tắt lại thành những khối TLA lớn hơn, khi chúng được trao đổi giữa các nhà cung cấp dịch vụ trong lõi Internet, ích lợi của loại cấu trúc địa chỉ này là: Thứ nhất, sự ổn định về định tuyến, nếu chúng ta có 1 NLA và muốn cung cấp dịch vụ cho các khách hàng, ta sẽ cố cung cấp dịch vụ đầy đủ nhất, tốt nhất. Thứ hai, chúng ta cũng muốn cho phép các khách hàng nhận được đầy đủ bảng định tuyến nếu họ muốn, để tạo việc định tuyến theo chính sách, cân bằng tải... Để thực hiện việc này chúng ta phải mang tất cả các thông tin về đường đi trong Backbone để có thể chuyển cho họ. 1.4.3 Đơn giản hóa việc đặt địa chỉ Host: IPv6 sử dụng 64 bit sau cho địa chỉ Host, trong 64 bit đó có cả 48 bit là địa chỉ MAC của máy, do đó, phải đệm vào đó một số bit đã được định nghĩa trước mà các thiết bị định tuyến sẽ biết được những bit này trên subnet. Ngày nay, ta sử dụng chuỗi 0xFF và 0xFE (:FF:FE: trong IPv6) để đệm vào địa chỉ MAC. Bằng cách này, mọi Host sẽ có một Host ID duy nhất trong mạng. Sau này nếu đã sử dụng hết 48 bit MAC thì có thể sẽ sử dụng luôn 64 bit mà không cần đệm. 1.4.4 Địa chỉ Anycast: IPv6 định nghĩa một loại địa chì mới: địa chì Anycast. Một địa chì Anycast là một địa chì IPv6 được gán cho một nhóm các máy có chung chức năng, mục đích. Khi packet được gửi cho một địa chì Anycast, việc định tuyến sẽ xác định thành viên nào của nhóm sẽ nhận được packet qua việc xác định máy gần nguồn nhất.Việc sử dụng Anycast có 2 ích lợi: Một là, nếu chúng ta đang đến một máy gần nhất trong một nhóm, chúng ta sẽ tiết kiệm được thời gian bằng cách giao tiếp với máy gần nhất. Thứ hai là việc giao tiếp với máy gần nhất giúp tiết kiệm được băng thông. Địa chì Anycast không có các tầm địa chì được định nghĩa riêng như Multicast, mà nó giống như một địa chì Unicast, chì có khác là có thể có nhiều máy khác cũng được đánh số với cùng scope trong cùng một khu vực xác định. Anycast được sử dụng trong các ứng dụng như DNS... 1.4.5 Việc tự cấu hình địa chỉ đơn giản hơn: Một địa chì Multicast có thể được gán cho nhiều máy, địa chì Anycast là các gói Anycast sẽ gửi cho đích gần nhất (một trong những máy có cùng địa chì) trong khi Multicast packet được gửi cho tất cả máy có chung địa chì (trong một nhóm Multicast). Kết hợp Host ID với Multicast ta có thể sử dụng việc tự cấu hình như sau: khi một máy được bật lên, nó sẽ thấy rằng nó đang được kết nối và nó sẽ gửi một gói Multicast vào LAN; gói tin này sẽ có địa chì là một địa chì Multicast có tầm cục bộ (Solicited Node Multicast address). Khi một Router thấy gói tin này, nó sẽ trả lời một địa chì mạng mà máy nguồn có thể tự đặt địa chì, khi máy nguồn nhận được gói tin trả lời này, nó sẽ đọc địa chì mạng mà Router gửi; sau đó, nó sẽ tự gán cho nó một địa chì IPv6 bằng cách thêm Host ID (được lấy từ địa chì MAC của interface kết nối với subnet đó) với địa chì mạng, Do đó, tiết kiệm được công sức gán địa chỉ IP. 1.4.6 Header hợp lý: Header của IPv6 đơn giản và hợp lý hơn IPv4. IPv6 chì có 6 trường và 2 địa chì, trong khi IPv4 chứa 10 trường và 2 địa chì. IPv6 Header có dạng: Hình 1.4.6 Định dạng IPv6 Header. IPv6 cung cấp các đơn giản hóa sau:
- 4. TỔNG QUAN VỀ MẠNG IPV6 NGUYỄN QUANG AN LỘC 4 - Định dạng được đơn giản hóa: IPv6 Header có kích thước cố định 40 octet với ít trường hơn IPv4 nên giảm được thời gian xử lý Header, tăng độ linh hoạt. - Không có Header checksum: Trường checksum của IPv4 được bỏ đi vì các liên kết ngày nay nhanh hơn và có độ tin cậy cao hơn vì vậy chì cần các Host tính checksum còn Router thì khỏi cần. - Không có sự phân đoạn theo từng hop: Trong IPv4, khi các packet quá lớn thì Router có thể phân đoạn nó. Tuy nhiên, việc này sẽ làm tăng them Overhead cho packet. Trong IPv6 chì có Host nguồn mới có thể phân đoạn một packet theo các giá trị thích hợp dựa vào một MTU path mà nó tìm được. Do đó, để hỗ trợ Host thì IPv6 chứa một hàm giúp tìm ra MTU từ nguồn đến đích. 1.4.7 Bảo mật: IPv6 tích hợp tính bảo mật vào trong kiến trúc của mình bằng cách giới thiệu 2 Header mở rộng tùy chọn: Authentication Header (AH) và Encrypted Security Payload (ESP) Header. Hai Header này có thể được sử dụng chung hay riêng để hỗ trợ nhiều chức năng bảo mật. - AH quan trọng nhất trong Header này là trường Integriry Check Value (ICU). ICU được tính bởi nguồn và được tính lại bởi đích để xác minh. Quá trình này cung cấp việc xác minh tính toàn vẹn và xác minh nguồn gốc của dữ liệu. AH cũng chứa cả một số thứ tự để nhận ra một tấn công bằng các packet replay giúp ngăn các gói tin được nhân bản. - ESP Header: ESP Header chứa một trường : Security Parameter Index (SPI) giúp đích của gói tin biết payload được mã hóa như thế nào. ESP Header có thể được sử dụng khi tunneling, trong tunnelling thì cả Header và payload gốc sẽ được mã hóa và bỏ vào một ESP Header bọc ngoài, khi đến gần đích thì các gateway bảo mật sẽ bỏ Header bọc ngoài ra và giải mã để tìm ra Header và payload gốc. 2.4.6 Tính di động: IPv6 hỗ trợ tốt các máy di động như laptop. IPv6 giới thiệu 4 khái niệm giúp hỗ trợ tính toán di động gồm: Home address; Care-of address; Binding; Home agent. Trong IPv6 thì các máy di động được xác định bởi một địa chì Home address mà không cần biết hiện tại nó được gắn vào đâu. Khi một máy di động thay đổi từ một subnet này sang subnet khác; nó phải có một Care-of address qua một quá trình tự cấu hình. Sự kết hợp giữa Home address và Care-of address được gọi là một Binding. Khi một máy di động nhận được một Care-of address, nó sẽ báo cho Home agent của nó bằng gói tin được gọi là Binding update để Home agent có thể cập nhật lại Binding cáche của Home agent về Care-of address của máy di động vừa gửi. Home agent sẽ duy trì một ánh xạ giữa các Home address và Care-of address và bỏ nó vào Binding cáche. Một máy di động có thể được truy cập bằng cách gửi một packet đến các Home address của nó. Nếu máy di động không được kết nối trên subnet của Home agent thì Home agent sẽ gửi packet đó cho máy di động qua Care-of address của máy đó trong Binding cáche của Home agent (Lúc này, Home agent được xem như máy trung gian để máy nguồn có thể đến được máy di động). Máy di động sau đó sẽ gửi một gói tin Binding update cho máy nguồn của gói tin. Máy nguồn sau đó sẽ cập nhật Binding cáche của nó, thì sau này máy nguồn muốn gửi đến máy di động, chì cần gửi trực tiếp đến cho máy di động qua Care-of address chứa trong Binding cáche của nó mà không cần phải gửi qua Home address. Do đó, chì có gói tin đầu tiên là qua Home agent.
- 5. TỔNG QUAN VỀ MẠNG IPV6 NGUYỄN QUANG AN LỘC 5 2.4.7 Hiệu suất: IPv6 cung cấp các lợi ích sau: - Giảm được thời gian xử lý Header, giảm Overhead vì chuyển dịch địa chỉ: vì trong IPv4 có sử dụng private address để tránh hết địa chỉ, Do đó, xuất hiện kỹ thuật NAT để dịch địa chỉ, nên tăng Overhead cho gói tin. Trong IPv6 do không thiếu địa chỉ nên không cần private address, nên không cần dịch địa chỉ. - Giảm được thời gian xử lý định tuyến: nhiều khối địa chỉ IPv4 được phân phát cho các user nhưng lại không tóm tắt được, nên phải cần các entry trong bảng định tuyến làm tăng kích thước của bảng định tuyến và thêm Overhead cho quá trình định tuyến. Ngược lại, các địa chỉ IPv6 được phân phát qua các ISP theo một kiểu phân cấp địa chỉ giúp giảm được Overhead. - Tăng độ ổn định cho các đường: trong IPv4, hiện tượng route flapping thường xảy ra, trong IPv6, một ISP có thể tóm tắt các route của nhiều mạng thành một mạng đơn, chỉ quản lý mạng đơn đó và cho phép hiện tượng flapping chỉ ảnh hưởng đến nội bộ của mạng bị flapping. - Giảm Broadcast: trong IPv4 sử dụng nhiều Broadcast như ARP, trong khi IPv6 sử dụng Neighbor Discovery Protocol để thực hiện chức năng tương tự trong quá trình tự cấu hình mà không cần sử dụng Broadcast. - Multicast có giới hạn: trong IPv6, một địa chỉ Multicast có chứa một trường scope có thể hạn chế các gói tin Multicast trong các Node, trong các link, hay trong một tổ chức. - Không có checksum. 3.1 Khái quát chung về địa chỉ IPv6 Địa chỉ Internet thế hệ mới (IPv6) được IETF, nhóm chuyên trách về kỹ thuật của Hiệp hội Internet đề xuất dựa trên cấu trúc của IPv4. Địa chỉ IPv4 có cấu trúc 32 bit, trên lý thuyết có thể cung cấp không gian 232 = 4.294.967.296 địa chỉ. Đối với IPv6, địa chỉ IPv6 có cấu trúc 128 bit, dài gấp 4 lần so với cấu trúc của địa chỉ IPv4. Trên lý thuyết, địa chỉ IPv6 mở ra không gian địa chỉ. Số địa chỉ này nếu trãi đều trên diện tích 511263 của quả đất, mỗi mặt đất sẽ được cấp 6655701018 địa chỉ. Đây là một không gian địa chỉ cực kỳ lớn, với mục đích không chỉ cho Internet mà còn cho tất cả các mạng máy tính, hệ thống viễn thông, hệ thống điều khiển và thậm chí còn dành cho từng vật dụng trong gia đình. Người ta nói rằng từng chiếc máyđiều hòa, tủ lạnh... trong gia đình đều có thể mang một địa chỉ IPv6 và chủ nhân củanó có thể kết nối, ra lệnh từ xa. Với nhu cầu hiện tại, chỉ có khoảng 15% không gian địa chỉ IPv6 được sử dụng, số còn lại dành để dự phòng trong tương lai. 3.2 Cấu trúc địa chỉ IPv6 Địa chỉ IPv4 chia thành 3 lớp chính : A,B,C và hai lớp khác: D dùng cho multicast và lớp E dùng cho mục đích nghiên cứu. Còn địa chỉ IPv6 lại chia thành 3 loại chính như sau: Unicast Address: Còn được gọi là địa chỉ đơn hướng. Địa chỉ này được dùng để nhận dạng một Node. Một gói dữ liệu khi lưu thông trên mạng được gửi đến một địa chỉ Unicast, sẽ được chuyển đến Node mang địa chỉ Unicast đó. Anycast Address: Là địa chỉ dùng để nhận dạng một tập hợp Node. Một gói tin gửi đến địa chỉ Anycast sẽ được chuyển đến Node gần nhất trong tập hợp các Node mang địa chỉ Anycast đó. Khái niệm “gần nhất” ở đây ám chỉ chi phí (cost) tối ưu để đến một Node, thông tin này liên quan đến thông tin định tuyến. Multicast Address: Địa chỉ này cũng dùng để nhận dang một tập hợp các Node. Nhưng khác với địa chỉ Anycast, một gói tin khi chuyển đến địa chỉ
- 6. TỔNG QUAN VỀ MẠNG IPV6 NGUYỄN QUANG AN LỘC 6 Multicast được chuyển đến tất cả các Node mang địa chỉ Multicast này. Loại địa chỉ này cũng giống với địa chỉ Multicast trong IPv4 (lớp D). 3.2.1Địa chỉ Unicast: Loại địa chỉ này thường được dùng để dịnh danh cho các Interface . Giống như kiểu địa chỉ Point-to-point trong IPv4. Địa chỉ Unicast được phân thành những loại sau: 3.2.1.a Địa chỉ Global Unicast Được mô tả trong khuyến nghị RFC 2374. Dùng để nhận dạng các Interface, cho phép kết nối các Node trong mạng Internet IPv6 toàn cầu. Dạng địa chỉ này hỗ trợ các ISP có nhu cầu kết nối toàn cầu, được xây dựng theo kiến trúc phân cấp rõ ràng, cụ thể như sau: Hình 3.2.1.a1 Câu trúc địa chỉ Unicast. Trong đó: - 001: Định dạng Prefix đối với loại địa chì Global Unicast. - TLA ID: (Top Level Aggregation Identification) định danh các nhà caung cấp dịch vụ cấp cao nhất trong hệ thống các nhà cung cấp dịch vụ. - RES : Chưa sử dụng. - NLA ID: (Next Level Aggregation Identification) định danh nhà cung cấp dịch vụ bậc 2 (sau TLA).