Đề tài Những nguyên lý sáng tạo và ứng dụng trong cấu trúc ipv6

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ---------- TIỂU LUẬN MÔN HỌC: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC ĐỀ TÀI: NHỮNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO VÀ ỨNG DỤNG TRONG CẤU TRÚC IPv6 GVHD: GS.TSKH. Hoàng Văn Kiếm Người thực hiện: Nguyễn Hoàng Sỹ Mã số: CH1101037 Lớp: CH06 Tp.HCM, tháng 03 năm 2012 MỤC LỤC  MỤC LỤC .............................................................................................................. 2 LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 3 PHẦN A: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC IPv6 .................................................... 4 I. Giới thiệu IPv6: ................................................................................................... 4 II. Cấu trúc địa chỉ IPv6 Header:........................................................................... 5 III. Cách biểu diễn IPv6: ........................................................................................ 8 IV. Cấu trúc địa chỉ IPv6: ...................................................................................... 9 V. Phân loại địa chỉ IPv6: .................................................................................... 10 V.1/ UNICAST: ...................................................................................... 10 V.1.1/ Link-Local Address (LLA): ................................................................ 10 V.1.2/ Site-Local Addresses (SLA): .............................................................. 11 V.1.3/ Global Unicast Address (GUA): ......................................................... 12 V.1.4/ Unique- local addresses (ULA): ......................................................... 12 V.2/ MULTICAST: ................................................................................. 13 V.3/ ANYCAST: ..................................................................................... 14 VI./ Routing Protocol IPv6: .................................................................................. 15 VI.1/ BảNG ĐịNH TUYếN IPV6: .............................................................. 15 VI.1.1/ Các loại entry trong bảng định tuyến IPv6:........................................ 16 VI.1.2/ Quá trình định tuyến: ........................................................................ 16 VI.2/ ĐịNH TUYếN TĨNH IPV6: .............................................................. 17 VI.2.1/ Cấu hình static route IPv6: ................................................................ 18 VI.3/ CÁC GIAO THứC ĐịNH TUYếN ĐộNG TRONG IPV6: ....................... 19 VI.3.1/ RIPng (RIP Next Generation): .......................................................... 19 VI.3.2/ EIGRP cho IPv6:............................................................................... 20 VI.3.3/ OSPFv3 cho IPv6: ............................................................................. 22 PHẦN B: NHỮNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO ỨNG DỤNG TRONG IPv6 ....... 24 I. Nguyên lý phân nhỏ: ........................................................................................ 24 II. Nguyên lý tách khỏi: ........................................................................................ 24 III. Nguyên lý phẩm chất cục bộ: ........................................................................ 25 IV. Nguyên lý kết hợp: ......................................................................................... 26 V. Nguyên lý vạn năng: ........................................................................................ 27 VI. Nguyên lý chứa trong: .................................................................................... 27 VII. Nguyên lý gây ứng suất sơ bộ: ..................................................................... 28 VIII. Nguyên lý thực hiện sơ bộ: .......................................................................... 28 IX. Nguyên lý dự phòng: ..................................................................................... 29 X. Nguyên lý năng động ...................................................................................... 29 XI. Nguyên lý tác động hữu hiệu: ....................................................................... 30 XII. Nguyên lý rẻ thay cho đắt: ............................................................................ 30 XIII. Nguyên lý quan hệ phản hồi: ..................................................................... 31 XV. Nguyên lý sử dụng trung gian: ..................................................................... 31 XVI. Nguyên lý tự phục vụ: ................................................................................. 32 XVII. Nguyên lý sao chép (copy) ......................................................................... 32 PHẦN C : DEMO CẤU TRÚC VÀ TRIỂN KHAI IPv6 (Video minh họa kèm theo) .............................................................................................................................. 32 KẾT LUẬN ........................................................................................................... 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 33 LỜI MỞ ĐẦU  Năm 1973, TCP/IP được giới thiệu và ứng dụng vào mạng ARPANET.Vào thời điểm đó, mạng ARPANET chỉ 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 Internet hiện nay đang kết nối hàng trăm nghìn Site với nhau, với hàng trăm triệu máy tính. Trong tương lai không xa, những con số này không chỉ 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 trên các thiết bị mới ra đời: Tablet, Smart-Phone, Smart TV… 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 chỉ giới chuyên môn, mà ngay cả các ISP cũng nhận thức được đó là tài nguyên mạng ngày càng hạn hẹp, không gian địa chỉ IP đã cạn kiệt, địa chỉ 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. Trong nội dung bài tiểu luận này, tôi xin trình bày khái quát về cấu trúc công nghệ giao thức liên mạng phiên bản 6 (IPv6) mà thế giới đang hướng đến, các máy chủ Internet cũng như các mạng lưới kết nối sẽ cần giao thức này. Kèm theo đó, tôi cũng xin nêu lên các nguyên lý sáng tạo và ứng dụng cơ bản trong công nghệ IPv6. Tôi chân thành cảm ơn Thầy GS. TSKH Hoàng Văn Kiếm đã truyền đạt những kiến thức quý báu về các phương pháp nghiên cứu trong khoa học máy tính cũng như những hướng nghiên cứu chính trên thế giới hiện nay. PHẦN A: TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC IPv6 I. Giới thiệu IPv6: Các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) cùng nhiều website hàng đầu như Facebook, Google, Yahoo và Microsoft Bing sẽ chuyển sang IPv6 lâu dài vào ngày 06/06/2012 . IPv6 cho phép tăng lên đến 2128 địa chỉ, 3 bit đầu luôn là 001 được giành cho các địa chỉ khả định tuyến toàn cầu (Globally Routable Unicast –GRU) còn lại 2125 địa chỉ, nghĩa là có khoảng 4,25.1037 địa chỉ, trong khi IPv4 chỉ có tối đa 3,7.109 địa chỉ, nghĩa là IPv6 sẽ chứa 1028 tầm địa chỉ IPv4, một sự gia tăng khổng lồ so với 232 (khoảng 4.3 tỷ) địa chỉ của IPv4. Đây là một không gian địa chỉ cực 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 thậm chí cho từng vật dụng trong gia đình. Người ta nói rằng từng chiếc điều hòa, tủ lạnh, máy giặt hay nồi cơm điện v.v.. của từng gia đình một cũng sẽ mang một địa chỉ IPv6 để chủ nhân của chúng có thể kết nối và ra lệnh từ xa. Nhu cầu hiện nay, ước tính chỉ cần 15% không gian địa chỉ IPv6 còn 85% dự phòng cho tương lai. Hệ thống IPv6 hay còn gọi là IPng (Next Generation: thế hệ kế tiếp) được thiết kế với hy vọng khắc phục những hạn chế vốn có của địa chỉ IPv4 như:  Định dạng phần Header của các gói tin theo dạng mới. Các gói tin sử dụng IPv6 có cấu trúc phần Header thay đổi nhằm tăng cương tính hiệu quả sử dụng thông qua việc dời các vùng thông tin không cần thiết (non-essensial) và tùy chọn vào vùng mở rộng (Extension Header Field)  Cung cấp không gian địa chỉ rộng lớn hơn  Cung cấp giải pháp định tuyến và định vị địa chỉ hiệu quả hơn.  Phương thức cấu hình Host đơn giản và tự động ngay cả khi có hoặc không có DHCP Server (stateful / stateless Host Configuration)  Cung cấp sẵn thành phần Security (Built-in Security)  Hỗ trợ giải pháp chuyển giao ưu tiên (Prioritized Delivery) trong Routing.  Cung cấp Protocol mới trong việc tương tác giữa các Điểm kết nối (Nodes )  Có khả năng mở rộng dễ dàng thông qua việc cho phép tạo thêm Header ngay sau IPv6 Packet Header II. Cấu trúc địa chỉ IPv6 Header: Hình 2.1: Chi tiết IPv6 Header. Các trường có trong IPv6 Header :  Version : Trường chứa 4 bit 0110 ứng với số 6 chỉ phiên bản của IP.  Traffic Class : Trường 8 bit tương ứng với trường Type of Service (ToS) trong IPv4. Trường này được sử dụng để biểu diễn mức ưu tiên của gói tin, ví dụ có nên được truyền với tốc độ nhanh hay thông thường, cho phép thiết bị có thể xử lý gói một cách tương ứng.  Flow Label : Trường hoàn toàn mới trong IPv6, có 20 bit chiều dài. Trường này biểu diễn luồng cho gói tin và được sử dụng trong các kỹ thuật chuyển mạch đa lớp (multilayer switching), nhờ đó các gói tin được chuyển mạch nhanh hơn trước. Bằng cách sử dụng trường này, nơi gửi gói tin hoặc thiết bị hiện thời có thể xác định một chuỗi các gói tin thành 1 dòng, và yêu cầu dịch vụ cụ thể cho dòng đó. Ngay cả trong IPv4, một số các thiết bị giao tiếp cũng được trang bị khả năng nhận dạng dòng lưu lượng và gắn mức ưu tiên nhất định cho mỗi dòng. Tuy nhiên, những thiết bị này không những kiểm tra thông tin tầng IP ví dụ địa chỉ nơi gửi và nơi nhận, mà còn phải kiểm tra cả số port là thông tin thuộc về tầng cao hơn. Trường Flow Label trong IPv6 cố gắng đặt tất cả những thông tin cần thiết vào cùng nhau và cung cấp chúng tại tầng IP.  Payload Length :Trường 16 bit. Tương tự trường Toal Length trong IPv4, xác định tổng kích thước của gói tin IPv6 (không chứa header).  Next Header :Trường 8 bit. Trường này sẽ xác định xem extension header có tồn tại hay không, nếu không được sử dụng, header cơ bản chứa mọi thông tin tầng IP. Nó sẽ được theo sau bởi header của tầng cao hơn, tức là header của TCP hay UDP, và trường Next Header chỉ ra loại header nào sẽ theo sau.  Hop Limit :Trường 8 bit. Trường này tương tự trường Time to live của IPv4. Nó có tác dụng chỉ ra số hop tối đa mà gói tin IP được đi qua. Qua mỗi hop hay router, giá trị của trường sẽ giảm đi 1.  Source Address :Trường này gồm 16 octet (hay 128 bit), định danh địa chỉ nguồn của gói tin.  Destination Address :Trường này gồm 16 octet (hay 128 bit), định danh địa chỉ đích của gói tin. Ngoài ra IPv6 Header còn có thêm Extension Headers, là phần Header mở rộng. IPv6 ứng dụng một hệ thống tách biệt các dịch vụ gia tăng khỏi các dịch vụ cơ bản và đặt chúng trong header mở rộng (extension header), phân loại các header mở rộng theo chức năng của chúng. Làm như vậy thì sẽ giảm tải nhiều cho router, và thiết lập nên được một hệ thống cho phép bổ sung một cách linh động các chức năng. Hình 2.2: Extension Headers Extension Headers bao gồm 6 loại, khi sử dụng cùng lúc nhiều extension header, thường có một khuyến nghị là đặt chúng theo thứ tự sau: Hop-by-Hop Options, Destination Options, Routing, Fragment, Authentication and Encapsulating Security Payload, Upper-layer.  Hop-by-Hop options header : Header này (giá trị = 0) xác định một chu trình mà cần được thực hiện mỗi lần gói tin đi qua một router.  Destination Options header : Header này (giá trị = 60) được sử dụng nếu có Routing Header. Để xác định chu trình cần thiết phải xử lý bởi Node đích. Có thể xác định tại đây bất cứ chu trình nào. Thông thường chỉ có những Node đích xử lý header mở rộng của IPv6. Như vậy thì các header mở rộng khác ví dụ: Fragment header có thể cũng được gọi là Destination Option header. Tuy nhiên, Destination Option header khác với các header khác ở chỗ nó có thể xác định nhiều dạng xử lý khác nhau.Mobile IP thường sử dụng Header này.  Routing header : Routing header (giá trị = 43) được sử dụng để xác định đường dẫn định tuyến. Ví dụ, có thể xác định nhà cung cấp dịch vụ nào sẽ được sử dụng, và sự thi hành bảo mật cho những mục đích cụ thể.Node nguồn sử dụng Routing header để liệt kê địa chỉ của các router mà gói tin phải đi qua. Các địa chỉ trong liệt kê này được sử dụng như địa chỉ đích của gói tin IPv6 theo thứ tự được liệt kê và gói tin sẽ được gửi từ router này đến router khác tương ứng.  Fragment header : Fragment header được sử dụng khi nguồn gửi gói tin IPv6 gửi đi gói tin lớn hơn Path MTU, để chỉ xem làm thế nào khôi phục lại được gói tin từ các phân mảnh của nó. MTU (Maximum Transmission Unit) là kích thước của gói tin lớn nhất có thể gửi qua một đường dẫn cụ thể nào đó. Trong môi trường mạng như Internet, băng thông hẹp giữa nguồn và đích gây ra vấn đề nghiêm trọng. Cố gắng gửi một gói tin lớn qua một đường dẫn hẹp sẽ làm quá tải. Trong địa chỉ IPv4, mối router trên đường dẫn có thể tiến hành phân mảnh chia gói tin theo giá trị của MTU đặt cho mỗi interface. Tuy nhiên, chu trình này áp đặt một gánh nặng lên router. Bởi vậy trong địa chỉ IPv6, router không thực hiện phân mảnh gói tin (các trường liên quan đến phân mảnh trong header IPv4 đều được bỏ đi).  Authentication and Encapsulating Security Payload header : Authentication header (giá trị = 51) và ESP header (giá trị = 50) được sử dụng trong IPSec để xác thực, đảm bảo tính toàn vẹn và tính bảo mật của 1 gói tin, được sử dụng để xác định những thông tin liên quan đến mã hoá dữ liệu.  Upper-layer header : Trường này được xem là header quy định trường ở trên tầng IP, xác định cách thức dịch chuyển gói tin. 2 giao thức dịch chuyển chính là TCP (giá trị = 6) và UDP (giá trị = 17). III. Cách biểu diễn IPv6: Người ta không biểu diễn địa chỉ IPv6 dưới dạng số thập phân. Địa chỉ IPv6 được viết hoặc theo 128 bit nhị phân, hoặc thành một dãy chữ số hexa. Tuy nhiên, nếu viết một dãy số 128 bit nhị phân quả là không thuận tiện, và để nhớ chúng thì không thể. Do vậy, địa chỉ IPv6 được biểu diễn dưới dạng một dãy chữ số hexa . Để biểu diễn 128 bit nhị phân IPv6 thành dãy chữ số hexa decimal, người ta chia 128 bit này thành các nhóm 4 bit, chuyển đổi từng nhóm 4 bit thành số hexa tương ứng và nhóm 4 số hexa thành một nhóm phân cách bởi dấu “:”. Kết quả, một địa chỉ IPv6 được biểu diễn thành một dãy số gồm 8 nhóm số hexa cách nhau bằng dấu “:”, mỗi nhóm gồm 4 chữ số hexa. Hình 3.1: Cách biểu diễn IPv6 IPv6 Address gồm 8 nhóm, mỗi nhóm 16 bits được biểu diển dạng số Thập lục phân (Hexa-Decimal). Vd-1 : 2001:0DB8:0000:2F3B:02AA:00FF:FE28:9C5A (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) Có thể đơn giản hóa với quy tắc sau :  Cho phép bỏ các số không (0) nằm phía trước trong mỗi nhóm  Thay bằng 1 số 0 cho nhóm có giá trị bằng không  Thay bằng :: cho các nhóm liên tiếp có giá trị bằng không Như vậy địa chỉ ở Vd-1 có thể viết lại như sau : Vd-2 : 2001:DB8:0:2F3B:2AA:FF:FE28:9C5A Vd-3 : địa chỉ = FE80:0:0:0:2AA:FF:FE9A:4CA2 Có thể viết lại = FE80::2AA:FF:FE9A:4CA2 IV. Cấu trúc địa chỉ IPv6: Hình 4.1: Cấu trúc chung của một địa chỉ IPv6 128 bit Trong 128 bit địa chỉ IPv6, có một số bit thực hiện chức năng xác định:  Bit xác định loại địa chỉ IPv6 (bit tiền tố - prefix). Như đã đề cập, địa chỉ IPv6 có nhiều loại khác nhau. Mỗi loại địa chỉ có chức năng nhất định trong phục vụ giao tiếp. Để phân loại địa chỉ, một số bit đầu trong địa chỉ IPv6 được dành riêng để xác định dạng địa chỉ, được gọi là các bit tiền tố (prefix). Các bit tiền tố này sẽ quyết định địa chỉ thuộc loại nào và số lượng địa chỉ đó trong không gian chung IPv6. Ví dụ: 8 bit tiền tố “1111 1111” tức “FF” xác định dạng địa chỉ multicast, là dạng địa chỉ sử dụng khi một Node muốn giao tiếp đồng thời với nhiều Node khác. Địa chỉ multicast chiếm 1/256 không gian địa chỉ IPv6. Ba bit tiền tố “001” xác định dạng địa chỉ unicast (dạng địa chỉ cho giao tiếp một - một) định danh toàn cầu, tương đương như địa chỉ IPv4 công cộng chúng ta vẫn thường sử dụng hiện nay. - Không gian địa chỉ IPv6 (IPv6 Adddress) với 128 bits địa chỉ cung cấp khối lượng tương đương số thập phân là : 2128 hoặc 340, 282, 366, 920, 938, 463, 463, 374, 607, 431, 768, 211, 45 6 địa chỉ so với IPv4 với 32 bits địa chỉ cung cấp khối lượng tương đương số thập phân là 232 hoặc 4, 294, 967, 296 địa chỉ. V. Phân loại địa chỉ IPv6: Địa chỉ IPv4 được chia ra 5 lớp A,B,C,D,E còn IPv6 lại được phân ra là 3 loại chính sau: V.1/ Unicast: Dùng để định vị một Interface trong phạm vi các Unicast Address. Gói tin (Packet) có đích đến là Unicast Address sẽ thông qua Routing để chuyển đến 1 Interface duy nhất. Trong loại địa chỉ này có rất nhiều kiểu, chúng ta hãy xem một số kiểu chính sau đây V.1.1/ Link-Local Address (LLA): Địa chỉ đơn hướng dùng nội bộ, được sử dụng cho một tổ chức có mạng máy tính riêng (dùng nội bộ) chưa nối với mạng internet toàn cầu hiện tại nhưng sẵn sàng nối được khi cần. Địa chỉ này chia thành 2 kiểu Link Local: nhận dạng đường kết nối nội bộ. Site Local : nhận dạng trong phạm vi nội bộ có thể có nhiều nhóm.  Mẫu địa chỉ cho Link local: 64 bits đầu = FE80 là giá trị cố định (Prefix = FE80 :: / 64) Interface ID = gồm 64 bits . Kết hợp với Physical Address của Network Adapter Hình 5.1.1: Cấu trúc địa chỉ của Link local Chúng ta thử vào cmd, gõ lệnh ipconfig /all để xem thử giá trị Link-Local Address  Mẫu địa chỉ cho Site local: Các bit đầu tiên 10 bit đầu được gọi là prefix dùng để phân biệt các loại, các kiểu địa chỉ khác nhau trong IPv6. Các interface ID trong các trường hợp trên để nhận dạng thiết bị Node hay router nhưng sử dụng tên miền. Hình 5.1.2: Cấu trúc địa chỉ của Site local V.1.2/ Site-Local Addresses (SLA): SLA tương tự các địa chỉ Private IPv4 (10.X.X.X, 172.16.X.X, 192.168.X.X) được sử dụng trong hệ thống nội bộ (Intranet). Phạm vi sử dụng SLA là trong cùng Site. (*) Site : là khái niệm để chỉ một phần của hệ thống mạng tại các tọa độ địa lý khác nhau Hình 5.1.3: Cấu trúc địa chỉ của SLA 1111 1110 11 = 10 bits đầu là giá trị cố định (Prefix = FEC0 /10) Subnet ID : gồm 54 bits dùng để xác địng các Subnets trong cùng Site Interface ID : gồm 64 bits. Là địa chỉ của Interfaces trong Subnet V.1.3/ Global Unicast Address (GUA): GUA là địa chỉ IPv6 Internet (tương tự Public IPv4 Address). Phạm vi định vị của GUA là toàn bộ hệ thống IPv6 Internet (RFC 3587). 3bits đầu luôn có giá trị = 001 nhị phân (Binary – bin) (Prefix = 001 /3) Global Routing Prefix : gồm 45 bits. Là địa chỉ được cấp cho một tổ chức, Công ty / Cơ quan … khi đăng ký IPv6 Internet Address (Public IP). Subnet ID : gồm 16 bits. Là địa chỉ tự cấp trong tổ chức để tạo các Subnets Interface ID : gồm 64 bits. Là địa chỉ của Interface trong SubnetCó thể đơn giản hóa thành dạng như sau (Global Routing Prefix = 48 bits). V.1.4/ Unique- local addresses (ULA): Đối với các Organization có nhiều Sites, Prefix của SLA có thể bị trùng lặp. Có thể thay thể SLA bằng ULA (RFC 4193), ULA là địa chỉ duy nhất của một Host trong hệ