Đồ án IPv6 và định tuyến trong mạng IPv6

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: IPV6 VÀ ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG IPV6 Sinh viên thực hiện: NGÔ VĂN DUYẾN Lớp ĐT8 - K47 Giảng viên hướng dẫn: THS. NGUYỄN THU NGA Cán bộ phản biện: GVC. PHẠM VĂN TUÂN Hà nội, 5-2007 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -------------------------------------------------- Độc lập - Tự do - Hạnh phúc --------------------------------- NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: .…………….………….…….. Số hiệu sinh viên: ……………… Khoá:…………………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: ………………......... Đầu đề đồ án: ………………………………………………..……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..………... Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ……………………………………..……………………………………………..……..…………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………….…..………………………..……………………………………………………………………………………. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ………………………………………………………………………………………………………………..….……………………………………………………………………………………………………………………………………..….………………………………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………………………………………………………………… Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ………………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………………………………………………………………………………………………..……….…………………………………………………………………………………………………………. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ………………………………………………………..…………………… Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….…………… Ngày hoàn thành đồ án: ………………………………………………………………………..……… Ngày tháng năm Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán bộ phản biện BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------------- BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: ....................................................................... Số hiệu sinh viên: .................................. Ngành: .................................................................................................. Khoá: ........................................................... Giảng viên hướng dẫn:.............................................................................................................................................. Cán bộ phản biện: ....................................................................................................................................................... Nội dung thiết kế tốt nghiệp: ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ Nhận xét của cán bộ phản biện: ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. Ngày tháng năm Cán bộ phản biện Mục lục Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Cấu trúc khung của Ipv6 tại lớp 2 trong mạng LAN 16 Hình 1.2: Cấu trúc khung truyền dẫn Ipv6 trong mạng Ethernet II 16 Hình 1.3: Cấu trúc địa chỉ IPv6 dang Global Unicast 19 Hình 1.4: Cấu trúc dạng địa chỉ Unicast 23 Hình 1.5: Ba phần của chia chỉ Unicast 24 Hình 1.6 : Cấu trúc của địa chỉ Link-local như sau 26 Hình 1.7: Hai máy trạm kết nối dùng địa chỉ Link Local 27 Hình: 1.8 : Cấu trúc địa chỉ Site-local 27 Hình1.9 :Các loại địa chỉ cần gán đối với một Site vào mạng IPv6 28 Hình 1.10: Cấu trúc địa chỉ IPX theo Ipv6 29 Hình 1.11: Cấu trúc địa chỉ anycast 30 Hình 1.12: Cấu trúc của địa chỉ Multicast 31 Hình 1.13: Cấu trúc địa chỉ Multicast được phân bố lại 33 Hình 1.14: Cấu trúc gói tin Ipv6 38 Hình 1.16: Các trường trong phần header của Ipv6. 39 Hình 2.1: Các ví dụ về AH 46 Hình 2.2: Định dạng AH 46 Hình 2.3: Dạng mào đầu của ESP 48 Hình 2.3: Dùng Stateless để cấu hình Prefix và Interface ID 52 Hình 2.5: Tự cấu hình địa chỉ Linh-Local 52 Hình 2.6: Quá trình tự cấu hình địa chỉ Stateless 53 Hình 3.1: Chồng hai giao thức 56 Hình 3.2: Triển khai các đường hầm Ipv6 thông qua Ipv4 58 Hình 3.3: Quy trình chuyển gói tin qua đường hầm 59 Hình 3.4: Đường hầm cấu hình bằng tay 60 Hình 3.5: Cơ chế 6to4 61 Hình 3.6: Khuôn dạng địa chỉ 6to4 62 Hình 3.7: Cơ chế hoạt động 6to4 62 Hình 3.8: Đường hầm ISATAP 64 Hình 3.9: Dạng địa chỉ ISATAP 65 Hình 3.10: ISATAP Router 66 Hình 3.11: NAT-PT 68 Hình 3.12: Truyền tin IPv4 đến IPv4 70 Hình 3.13: Mô hình hoạt động của DSTM 73 Hình 9: Sơ đồ chuyển trạng thái trong RIPng 84 Hình 5.1: Giao tiếp Ipv6 cơ bản của Microsoft Window SP1 89 Hình 5.2: Giao tiếp ipv6 của Window SP1 sau cài đặt bổ sung 90 Hình 5.6: Kết nối hai máy thuần Ipv6 trong mạng LAN 95 Hình 5.7: Mô hình Kết nối hai nút thuộc hai site Ipv6 qua router Ipv6 97 Hình 5.8 : Mô hình định tuyến với giao thức định tuyến RIPv6 101 Hình 5.9: Mô hình định tuyến với giao thức định tuyến OSPFv6 104 Danh mục bảng Bảng 1.1: Bảng phân bổ các loại địa chỉ Ipv6 16 Bảng 1.2: Các giá trị của trường phạm vi 32 Bảng 1.3: So sánh địa chỉ Ipv4 và Ipv6 37 Bảng 1.4 : So sánh mào đầu của Ipv4 và Ipv6 40 Bảng 4.1: Ví dụ về bảng định tuyến 82 Danh mục từ viết tắt Tên viết tắt Tên đầy đủ Ý nghĩa 6Bone 6Bone Một mạng Ipv6 thử nghiệm AH Authentication Header Header trong Ipv6 nhằm bảo đảm tính chân thực và toàn vẹn của gói tin trong quá trình truyền AS Autonmous System Hệ tự quản, tập hợp các thiết bị định tuyến có cùng hệ quản trị BGP Border Gateway Giao thức định tuyến giữa các hệ tự quản CIDR Classless Interdomain Pouting Giao thức định tuyến liên miền không phân lớp DSTM Dual Stack Transition Mechanism Một cơ chế chuyển đổi giữa hai mạng Ipv4 và IPv6 tách biệt với nhau. EUI-64 64-BIT GLOBAL IDENTIFIER Địa chỉ MAC 64 bit của IPv6 ESP Encapsulationg Security Payload Một kiểu header trong IPv6 nhằm cung cấp khả năng bảo mật cho gói tin IPv6 FP Format prefix Tiền tố định dạng IPG Interior Gateway Protocol Giao thức định tuyến nội bộ, dùng trao đổi các thông tin định tuyến trong nội bộ hệ tự quản IPSec Internet Protocol Security Một kiểu bảo mật trong IPv6 với hai trường AH và ESP IPv4 Internet Protocol Version 4 Giao thức IP version4 IPv6 Internet Protocol Version 6 Giao thức IP version4 ISATAP Intra-Site Automatic Tunnel Addressing Protocol ISATAP là một cơ chế chuyển đổi đường hầm IPv6 over IPv4 với các điểm đầu cuối có thể là Host hoặc Router LSA Link State Advertisement Kiểu quảng bá trạng thái liên kết được sử dụng trong giao thức OSPF NAT-PT Network Address Translator – Protocol Translator Phương pháp chuyển đổi địa chỉ chuyển đổi giao thức. ND Neighbor Discovery Giao thức phát hiện Neighbor NLA ID Next-Level Aggregation Idendifier Định danh tích hợp mức tiếp theo mức đỉnh OSPF Open Short Path First Giao thức định tuyến chọn con đường còn mở ngắn nhất RIP Routing Information Protocol Giao thức thông tin định tuyến, dùng định tuyến trên các mạng nhỏ SLA ID Site-Level Aggregation Identifier Định danh tích hợp mức site TLA ID Top-level Aggregation Identifier Định danh tích hợp mức đỉnh VPN Virtual Private Network Một kiểu mạng trong đó hai mạng LAN đầu cuối kết nối với nhau thông qua Internet và hoạt động như một mạng LAN. LỜI NÓI ĐẦU Mạng Internet và các mạng dùng công nghệ IP đã trở lên rất quan trọng trong cuộc sống của xã hội hiện đại ngày nay. Mạng Internet đã tạo ra một môi trường hoạt động toàn cầu cho tất cả mọi người tham gia, gần như xóa đi biên giới giữa các quốc gia, thu ngắn khoảng cách địa lý. Một trong những vấn đề quan trọng mà kỹ thuật mạng trên thế giới đang phải giải quyết là sự phát triển với tốc độ quá nhanh của mạng Internet toàn cầu. Sự phát triển này cùng với sự tích hợp dịch vụ, triển khai những dịch vụ mới, kết nối nhiều mạng khác nhau, như mạng di động với mạng Internet đã đặt ra vấn đề thiếu tài nguyên dùng chung. Việc sử dụng hệ thống địa chỉ hiện tại cho mạng Internet IPv4 sẽ không đáp ứng nổi sự phát triển của mạng Internet toàn cầu trong một thời gian ngắn sắp tới. Do đó nghiên cứu triển khai ứng dụng một phương thức đánh địa chỉ mới nhằm khắc phục hạn chế này là một yêu cầu tất yếu cần được làm ngay. Mạng Internet Việt Nam cũng đặt ra những yêu cầu tương tự. Nhưng với hệ thống cơ sở hạ tấng hiện tại, các thiết bị dịch vụ đang khai thác sử dụng hệ thống địa chỉ IPv4. Các thiết bị và phần mềm hiện tại chưa hỗ trợ nhiều hoặc chưa tương thích hoặc chưa sẵn sàng với việc sử dụng tới việc sử dụng IPv6 (Internet Protocol version 6). Để bắt kịp với sự phát triển của mạng Internet, trong tương lại mạng Internet Việt Nam phải hỗ trợ IPv6. Vấn đề triển khai sử dụng IPv6 là sự thay đổi có quy mô rộng lớn. Vì vậy cần có sự chuẩn bị kỹ lưỡng trước khi thực hiện để giảm chi phí, tận dụng được cơ sở hạ tầng hiện có. Trước tiên, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Trường Dại Học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là thầy Nguyễn Xuân Dũng, cô Nguyễn Thu Nga đã tận tình giúp đỡ. Em cũng chân thành cảm ơn các cán bộ giảng viên, kỹ thuật viên và các bạn ở Học viện mạng Cisco Bách Khoa đã giúp đỡ trong quá trình thực tập. Sinh viên Ngô Văn Duyến CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ IPV6 KHÁI QUÁT CHUNG Xuất phát điểm của Ipv6 có tên gọi là Ipng (Internet Protocol Next Generation) là một phiên bản mới của IP, được thiết kế để thay thế cho giao thức cũ Ipv4. Ipng được gán với phiên bản là 6 và lấy tên chính thức là Ipv6. Quan điểm chính khi thiết kế Ipv6 là từng bước thay thế Ipv4, không tạo ra sự biến động lớn đối với hoạt động của mạng Internet nói chung và của từng dịch vụ trên Internet nói riêng, đảm bảo tính tương thích tuyết đối với mạng Internet dùng Ipv4 hiện tại. Những chức năng đã được kiểm nghiệm thành công trong Ipv4 sẽ vẫn duy trì trong Ipv6. Những chức năng không được sử dụng trong Ipv4 sẽ bị loại bỏ, và đồng thời triển khai một số chức năng mới liên quan đến địa chỉ, bảo mật, và triển khai các dịch vụ mới. Ipv4 có 32 bit địa chỉ với khả năng lý thuyết có thể cung cấp một không gian địa chỉ 232 = 4 294 967 296 địa chỉ. Còn Ipv6 có 128 bit địa chỉ với khả năng cung cấp địa chỉ về mặt lý thuyết 2128 = 340 282 366 920 938 463 374 607 431 768 211 456 địa chỉ, nhiều hơn không gian địa chỉ của Ipv4 là khoảng 8 tỷ tỷ tỷ lần vì 232 lấy tròn là 4x109 còn 2128 lấy tròn là 340x1036. Số địa chỉ này nếu rải đều trên bề mặt trái đất thì mỗi mét vuông có khoảng 665 570 tỷ tỷ địa chỉ. 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 và từng vật dụng trong gia đình v.v. 1.2 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CỦA IPv4 1.2.1. Thiếu địa chỉ IP Sự tăng quá nhanh của các host trên mạng Internet dẫn đến trạng thái thiếu địa chỉ IP gán cho các node. Do đó nhiều mạng đã phải sử dụng địa chỉ IP của mạng dùng chung cùng với kỹ thuật chuyển đổi địa chỉ mạng NAT (Network Address Translation) để có thể mở rộng không gian địa chỉ IP trên mạng. Với phương thức này nhiều địa chỉ IPv4 mạng riêng được chuyển đổi thành một hoặc một vài địa chỉ IPv4 công cộng để kết nối với các node khác trên mạng, đồng thời tạo ra khả năng sẻ dụng lại các dải địa chỉ IP mạng riêng tại nhiều nơi khác nhau. Tuy nhiên việc sử dụng kỹ thuật NAT làm mất đi tính an ninh chuẩn ở lớp mạng cũng như không có khả năng ánh xạ hợp lệ của các ứng dụng ở mức trên khi kết nối các node này với các mạng khác. Do đó một số ứng dụng ở lớp trên có thể không thực hiện được thông qua NAT. 1.2.2. Quá nhiều các routing entry trên backbone router Với sự phân bố hiện tại của các mạng IPv4 thì số lượng router entrry trên các backbone router lên tới trên 110000 bản ghi. Bảng định tuyến trên router bao gồm cả các định tuyến ngang hàng và định tuyến phân cấp. 1.2.3. Yêu cầu về an ninh thông tin ở lớp mạng Với Ipv4 hiện tại đã có nhiều giải pháp an ninh thông tin trên mạng nhằm đảm bảo thông tin được truyền trên mạng không bị lấy cắp. Giải pháp này có thể là IPSec, DES, 3DES, … nhưng các giải pháp này đều phải thực hiện cài đặt thêm và có nhiều phương thức khác nhau đối với mỗi loại sản phẩm. 1.2.4. Nhu cầu về các ứng dụng thời gian thực hay còn gọi là chất lượng dịch vụ QoS Chất lượng dịch vụ trong Ipv4 cũng được xác định trong trường TOS và phần nhận dạng tải trọng của gói tin IP ( đó là các cổng giao thức của ICP/ UDP). Tuy nhiên trường ToS này có ít tính năng và đặc biệt khi phần tải trọng của gói tin Ipv4 được mã hoá thì phần nhân dạng cổng giao thức TCP/ UDP không còn tác dụng nữa. Nhằm giải quyết vấn đề trên một nhóm trong tổ chức IETF đã đưa ra một giao thức liên mạng mới (Internet Potocol) gọi là IP version 6 hay Ipv6. Giao thức này được đưa ra cùng với hàng loạt các khuyến nghị trong việc chuyển đổi sang đần dần từ Ipv4 sang Ipv6 được thiết kế trên quan điểm tối thiểu hoá ảnh hưởng tới các lớp trên và lớp dưới trong quá trình triển khai. 1.3. CÁC TÍNH NĂNG CỦA IPv6 1.3.1. Dạng mào đầu gói tin mới Phần header của Ipv6 được giảm xuống mức tối thiểu bằng việc chuyển tất cả các trường phụ hoặc không cần thiết xuống phần header mở rộng nằm sau phần Ipv6 header. Việc tổ chức phần header hợp lý này làm tăng hiệu quả xử lý tại các router trung gian. Ipv6 header và Ipv4 header là không tương thích với nhau, do đó các node phải được cài đặt cả 2 phiên bản IP mới có thể xử lý các header khác nhau này. 1.3.2. Không gian địa chỉ lớn hơn: Ipv6 sử dụng 128 bit để đánh dấu địa chỉ nên số lượng địa chỉ có được là rất lớn khoảng 3,4.1038. Với không gian địa chỉ lớn như vậy cho phép phân chia địa chỉ thành nhiều mức khác nhau từ mạng trục, mạng trung gian đến địa chỉ cho mạng riêng của từng tổ chức. Hiện tại mới chỉ có một số ít các địa chỉ dùng cho các host nên số lượng địa chỉ dự phòng cho tương lai là rất nhiều do đó sẽ không cần phải sử dụng kỹ thuật NAT nữa. 1.3.3. Kết cấu địa chỉ và định tuyến được phân cấp có hiệu quả: Địa chỉ golbal Ipv6 sử dụng trên mạng Internet được thiết kế để tạo ra cơ sở định tuyến phân cấp, hiệu quả và có khả năng tổng hợp lại dựa trên sự phân cấp thành nhiều mức của các nhà cung cấp dịch vụ. Như vậy bảng định tuyến của router trong mạng trục sẽ nhỏ hơn rất nhiều bảng định tuyến trên router của một ISP. 1.3.4. Tự động cấu hình địa chỉ: Tương tự như Ipv4 với Ipv6 cũng cung cấp khả năng cấu hình địa chỉ tự động sử dụng DHCP. Đồng thời nó còn đưa ra khả năng tự động cấu hình địa chỉ khi không có DHCP server. Trong một mạng các host có thể tự động cấu hình địa chỉ của nó bằng cách sử dụng Ipv6 prefix nhận được từ router (gọi là địa chỉ link – local). Hơn nữa nếu trong một mạng mà không có router thì host cũng có thể tự động cấu hình địa chỉ link – local cho nó để thông tin với các host khác. Với sự phát triển nhanh chóng của mạng Internet cũng bị hạn chế bởi sự phức tạp trong việc sử dụng nên giao thức Ipv6 được xây dựng với tiêu chí đơn giản dễ sử dụng ngay cả với người không hiểu biết về công nghệ. Điều này đưa đến một đặc điểm của Ipv6 chỉ yêu cầu một phần nhỏ cho việc cấu hình và bảo dưỡng mạng. 1.3.5. An ninh thông tin: Các cơ chế bảo mật được tăng cường, có phần tiều đề dành cho bảo mật tương ứng với hai kỹ thuật bảo mật trong Ipsec là: AH và ESP. Giao thức Ipv6 hỗ trợ toàn bộ các tính năng của IPsec và cho phép sử dụng các thuật toán mã hóa, chứng thực và tính toàn vẹn dữ liệu Đây là một tiêu chuẩn cho an ninh mạng đồng thời mở rộng khả năng làm việc được với nhau của các loại sản phẩm. 1.3.6. Hỗ trợ QoS tốt hơn: Phần header của Ipv6 được đưa thêm một số trường mới. Trường Flow Label trong Ipv6 header được dùng để nhận dạng luồng dữ liệu. Từ đó router có thể có những chính sách khác nhau với các gói tin có luồng dữ liệu khác nhau. Do trường Flow Label nằm trong Ipv6 header nên QoS vẫn được đảm bảo khi phần tải trọng có mã hóa bởi IPSec. 1.3.7. Giao thức mới cho thông tin giữa các host liền kề: Giao thức khám phá node liền kề (Neighbor Discovery) của Ipv6 bao gồm hàng loạt các mesage điều khiển dạng ICMPv6 nhằm điều khiển sự tương tác giữa các node trong cùng một mạng kết nối. Giao thức này thay thế cho các bản tin phát quảng bá phân giải địa chỉ ARP, bản tin tìm kiếm router ICMP Router Discovery, ICMP redirect của Ipv4 bằng các bản tin unicast và mutlticast Neighbor Discovery. 1.3.8. Khả năng mở rộng tốt: Ipv6 có khả năng mở rộng tốt bằng việc sử dụng phần header mở rộng ngay sau phần Ipv6 header. Không giống như Ipv4 phần lựa chọn chỉ có 40 byte đối với Ipv6 thì phần header mở rộng chỉ bị hạn chế bởi kích thước gói tin IPv6. 1.3.9. Khả năng hỗ trợ di động: Với tính năng này, mạng Ipv6 dễ dàng cho phép người sử dụng truy cập mạng từ bất cứ đâu mà không cần thay đổi địa chi IP của mình. 1.4. CẤU TRÚC, PHÂN BỔ VÀ CÁCH VIẾT ĐỊA CHỈ IPV6 1.4.1. Cấu trúc gói tin Ipv6 trong mạng LAN Giao thức Ipv6 được đưa ra nhằm thay thế giao thức Ipv4 hiện nay do đó nó gần như chỉ liên quan tới các lớp trên trong mô hình OSI. Đối với các lớp dưới như lớp datalink và lớp vật lý thì không bị ảnh hưởng. Gói tin Ipv6 được truyền trong mạng nội bộ LAN có cấu trúc như sau: Phần header và trailer: phần được đóng gói của gói tin Ipv6 khi ở lớp 2. Ipv6 header:phần mào đầu của gói tin Ipv6 Payload (tải trong): mang thông tin của các lớp trên. Link layer Header