Khóa luận Khóa luận Triển khai IPv6 trên cơ sở hạ tầng mạng IPv4 và mô phỏng hệ thống mạng IPv6

Khóa Luận Tốt Nghiệp – Ngành Kỹ Thuật Mạng 2011 Nguyễn Thanh Long – K13TMT Khoa CNTT – Trƣờng Đại học Duy Tân 1 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................. 3 DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ 5 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... 6 MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 8 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỊA CHỈ IPv6 ........................................................... 9 1.1 Nguyên nhân phát triển IPv6 .................................................................................. 10 1.2 Những giới hạn của IPv4 ........................................................................................ 11 1.3 Vấn đề quản lý địa chỉ IPv4 ................................................................................... 12 1.4 Kiến trúc của IPv6 .................................................................................................. 13 1.4.1 Tăng kích thƣớc của tầm địa chỉ .................................................................. 13 1.4.2 Sự phân cấp địa chỉ toàn cầu ........................................................................ 14 1.4.3 Một số tính năng mới nổi trội hơn so với IPv4 ............................................ 16 1.5 So sánh Header của IPv4 và IPv6 ........................................................................... 20 1.6 Định nghĩa cách biểu diễn địa chỉ IPv6 .................................................................. 24 1.6.1 Các quy tắc biểu diễn ................................................................................... 24 1.6.2 Sử dụng các địa chỉ IPv6 trong việc truy cập URL ..................................... 25 1.7 Phân loại địa chỉ ..................................................................................................... 26 1.7.1 Unicast Address ........................................................................................... 26 1.7.2 Multicast Address ......................................................................................... 28 1.7.3 Anycast Address ........................................................................................... 30 1.8 Các loại địa chỉ IPv6 đặc biệt ................................................................................. 31 1.8.1 Địa chỉ không định danh và địa chỉ loopback .............................................. 31 1.8.2 Địa chỉ IPv4-Compatible IPv6 ..................................................................... 31 1.8.3 Địa chỉ IPv4-Mapped IPv6 .......................................................................... 32 1.9 Thống kê các dạng địa chỉ IPv6 ............................................................................. 33 CHƢƠNG 2: TRIỂN KHAI IPv6 TRÊN CƠ SỞ HẠ TẦNG MẠNG IPv4 ............... 36 2.1 Thực trạng triển khai IPv6 ...................................................................................... 37 2.1.1 Trên thế giới ................................................................................................. 37 2.1.2 Tại Việt Nam ................................................................................................ 37 Khóa Luận Tốt Nghiệp – Ngành Kỹ Thuật Mạng 2011 Nguyễn Thanh Long – K13TMT Khoa CNTT – Trƣờng Đại học Duy Tân 2 2.2 Các phƣơng pháp triển khai IPv6 ........................................................................... 38 2.2.1 Định dạng EUI-64 ........................................................................................ 38 2.2.3 Tự động cấu hình phi trạng thái ................................................................... 39 2.2.4 DHCPv6 ....................................................................................................... 41 2.3 Mobile IPv6 ............................................................................................................ 43 2.4 Định tuyến cho liên mạng IPv6 .............................................................................. 43 2.4.1 Bảng định tuyến IPv6 ................................................................................... 44 2.4.2 Định tuyến tĩnh ............................................................................................. 47 2.4.3 Các giao thức định tuyến động trong IPv6 .................................................. 48 2.5 OSPFv3 cho IPv6 ................................................................................................... 53 2.5.1 Hoạt động của OSPFv3 ................................................................................ 54 2.5.2 So sánh OSPFv3 và OSPFv2 ....................................................................... 55 2.5.3 Gói tin LSA cho IPv6 ................................................................................... 57 2.5.4 Cấu hình OSPFv3 trên thiết bị Cisco ........................................................... 58 2.6 Giới thiệu các cơ chế chuyển đổi giữa IPv4 và IPv6 ............................................ 63 2.6.1 Dual Stack .................................................................................................... 64 2.6.2 Tunneling ..................................................................................................... 65 2.6.3 NAT-PT ........................................................................................................ 68 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MẠNG IPv6 ............................................... 71 3.1 Cài đặt và cấu hình trên GNS3 ............................................................................... 72 3.2 Lab 1 – Cấu hình OSPFv3 cho IPv6 ...................................................................... 73 3.3 Lab 2 – Manual IPv6 Tunnel .................................................................................. 79 3.4 Lab 3 – Cấu hình 6to4 tunnel kết hợp định tuyến tĩnh ........................................... 83 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 89 Khóa Luận Tốt Nghiệp – Ngành Kỹ Thuật Mạng 2011 Nguyễn Thanh Long – K13TMT Khoa CNTT – Trƣờng Đại học Duy Tân 3 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự cạn kiệt IPv4 qua các năm. ....................................................................... 10 Hình 1.2 Thế giới sẵn sàng cho IPv6. ........................................................................... 11 Hình 1.3 Số Bits trong IPv4 so với IPv6. ..................................................................... 13 Hình 1.4 Khác nhau cơ bản giữa IPv4 và IPv6. ........................................................... 14 Hình 1.5 Kiến trúc quản lý việc cấp phát địa chỉ IPv6 lúc đầu. ................................... 15 Hình 1.6 Kiến trúc quản lý việc cấp phát địa chỉ IPv6 hiện nay. ................................. 15 Hình 1.7 IPv6 Mobility. ................................................................................................ 18 Hình 1.8 Tổng hợp địa chỉ cho định tuyến. .................................................................. 19 Hình 1.9 IPv4 Header và IPv6 Header. ........................................................................ 20 Hình 1.10 Chi tiết IPv6 Header. ................................................................................... 21 Hình 1.11 Thứ tự header trong gói tin IPv6. ................................................................ 22 Hình 1.12 Truy cập website bằng địa chỉ IPv6 với port 8080. ..................................... 25 Hình 1.13 Cấu trúc địa chỉ Link-local. ......................................................................... 26 Hình 1.14 Xem địa chỉ Link-local của máy tính. ......................................................... 27 Hình 1.15 Cấu trúc địa chỉ Site-local. .......................................................................... 28 Hình 1.16 Cấu trúc địa chỉ Multicast Address. ............................................................ 28 Hình 1.17 Cấu trúc địa chỉ Anycast Address. .............................................................. 30 Hình 1.18 Cấu trúc địa chỉ IPv4-Compatible IPv6. ..................................................... 31 Hình 1.19 Cấu trúc địa chỉ 6to4. ................................................................................... 32 Hình 1.20 Cấu trúc địa chỉ IPv4-Mapped IPv6. ........................................................... 33 Hình 2.1 Định dạng EUI-64 cho IPv6. ......................................................................... 38 Hình 2.2 Mô tả định dạng EUI-64. ............................................................................... 39 Hình 2.3 Mô tả định dạng EUI-64 (tt). ......................................................................... 39 Hình 2.4 Stateles Autoconfiguration. ........................................................................... 40 Hình 2.5 Bƣớc 1 của Stateless Autoconfiguration. ...................................................... 41 Hình 2.6 Bƣớc 2 của Stateless Autoconfiguration. ...................................................... 41 Hình 2.7 Hoạt động của DHCPv6. ............................................................................... 42 Hình 2.8 Bảng định tuyến IPv6 trên Windows............................................................. 46 Hình 2.9 Định dạng gói tin RIPng. ............................................................................... 49 Khóa Luận Tốt Nghiệp – Ngành Kỹ Thuật Mạng 2011 Nguyễn Thanh Long – K13TMT Khoa CNTT – Trƣờng Đại học Duy Tân 4 Hình 2.10 Next hop RTE. ............................................................................................. 49 Hình 2.11 IPv6 prefix RTE. ......................................................................................... 50 Hình 2.12 Cấu trúc phân cấp trong OSPFv3. ............................................................... 54 Hình 2.13 OSPFv3 LSA header và OSPFv2 LSA header. ........................................... 57 Hình 2.14 OSPFv3 LSA header. .................................................................................. 57 Hình 2.15 Mô hình OSPFv3 đa vùng cơ bản. .............................................................. 61 Hình 2.16 Sự chuyển đổi giữa mạng IPv4 và IPv6. ..................................................... 63 Hình 2.17 Mô hình Dual-stack. .................................................................................... 64 Hình 2.18 Dual-stack trong Windows. ......................................................................... 64 Hình 2.19 Dual-stack trong Cisco. ............................................................................... 65 Hình 2.20 Công nghệ tunneling. ................................................................................... 65 Hình 2.21 Mô hình 6to4 tunneling. .............................................................................. 67 Hình 2.22 Cấu trúc địa chỉ IPv6 6to4. .......................................................................... 67 Hình 2.23 Mô hình Tunnel Broker. .............................................................................. 68 Hình 2.24 Công nghệ NAT-PT. ................................................................................... 69 Hình 3.1 Giao diện chƣơng trình GNS3. ...................................................................... 72 Hình 3.2 Mô hình Lab 1 – OSPFv3. ............................................................................. 73 Hình 3.3 Mô hình Lab 2 – Manual IPv6 Tunnel. ......................................................... 79 Hình 3.4 Mô hình Lab 3 – 6to4 Tunnel. ....................................................................... 83 Khóa Luận Tốt Nghiệp – Ngành Kỹ Thuật Mạng 2011 Nguyễn Thanh Long – K13TMT Khoa CNTT – Trƣờng Đại học Duy Tân 5 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng đặc tả cấp phát địa chỉ IPv6 trên toàn cầu. .......................................... 16 Bảng 1.2 Ví dụ về địa chỉ IPv6 Multicast. ................................................................... 29 Bảng 1.3 Bảng mô tả các loại địa chỉ IPv6 Multicast. ................................................. 29 Bảng 1.4 Bảng thống kê các dạng địa chỉ IPv6. ........................................................... 34 Bảng 2.1 Chức năng gói LSA. ...................................................................................... 58 Bảng 2.2 Lệnh cấu hình OSPFv3 toàn cục ................................................................... 59 Bảng 2.3 Lệnh cấu hình OSPFv3 trên Interface ........................................................... 59 Khóa Luận Tốt Nghiệp – Ngành Kỹ Thuật Mạng 2011 Nguyễn Thanh Long – K13TMT Khoa CNTT – Trƣờng Đại học Duy Tân 6 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AD Administrative Distance AfriNIC African Network Information Centre AH Authentication Header APNIC Asia-Pacific Network Information Centre ARIN American Registry for Internet Numbers ARPANET Advanced Research Projects Agency Network BDR Backup Designated Router CEF Cisco Express Forwarding CIDR Classless Inter-Domain Routing DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DR Designated Router EIGRP Enhanced Interrior Gateway Routing Protocol ESP Encapsulating Security Payload EUI Extended Universal Identifier FP Format Prefix GNS Graphical Network Simulator GRU Globally Routable Unicast IANA Internet Assigned Numbers Authority ID Identifier IETF Internet Engineering Task Force IPv4 Internet Protocol version 4 IPv6 Internet Protocol version 6 IS-IS Intermediate System to Intermediate System ISP Internet Service Provider LACNIC Latin America and Caribbean Network Information Centre LAN Local Area Network LSA Link-state Advertisement LSDB Link-state Database MTU Maximum Tranmission Unit NLA Next Level Aggregator NTP Network Time Protocol Khóa Luận Tốt Nghiệp – Ngành Kỹ Thuật Mạng 2011 Nguyễn Thanh Long – K13TMT Khoa CNTT – Trƣờng Đại học Duy Tân 7 OSPF Open Shortest Path First OSPFv3 Open Shortest Path First Version 3 QoS Quality of Service RFC Request For Comment RIPE Réseaux IP Européens Network Coordination Centre RIPng Routing Information Protocol next generation RIR Regional Internet Registry SLA Site Level Aggregator SPF Shortest Path First TLA Top Level Aggregate VNNIC Viet Nam Network Information Center Khóa Luận Tốt Nghiệp – Ngành Kỹ Thuật Mạng 2011 Nguyễn Thanh Long – K13TMT Khoa CNTT – Trƣờng Đại học Duy Tân 8 MỞ ĐẦU I. Lý do chọn đề tài Với tiền thân là mạng ARPANET, ngày nay mạng INTERNET đã phát triển với tốc độ nhanh chóng và trở thành mạng lớn nhất trên thế giới. Các dịch vụ trên Internet không ngừng phát triển, cơ sở hạ tầng mạng đƣợc nâng cao về băng thông và chất lƣợng dịch vụ. Chính vì vậy, nhu cầu về địa chỉ IP ngày càng lớn, thế hệ địa chỉ Internet đầu tiên là IPv4, sẽ không thể đáp ứng nổi sự phát triển của mạng Internet toàn cầu trong tƣơng lai. Do đó, một thế hệ địa chỉ Internet mới sẽ đƣợc triển khai để bắt kịp, đáp ứng và thúc đẩy mạng lƣới toàn cầu tiến sang một giai đoạn phát triển mới. Chính vì lý do cấp thiết chuyển sang sử dụng “IPv6”, nên tôi đã chọn vấn đề này để nghiên cứu và làm đề tài khóa luận tốt nghiệp. II. Mục tiêu Mục tiêu đạt đƣợc sau khi hoàn thành khóa luận:  Hiểu rõ đặc điểm và cấu trúc của IPv6.  Nắm vững những tính năng mới của IPv6 so với IPv4.  Các cách thức để triển khai IPv6.  Triển khai thành công hệ thống mạng IPv6 đƣợc giả lập trên phần mềm GNS3 và nền tảng công nghệ của Cisco System. III. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi của IPv6 rất rộng, từ cơ sở hạ tầng cho đến các dịch vụ mạng. Khóa luận này nghiên cứu tổng quan về địa chỉ IPv6, các cách thức triển khai trên cơ sở hạ tầng mạng lớp 3 - lớp Network mà cụ thể là vấn đề định tuyển và chuyển đổi qua lại giữa môi trƣờng IPv4 và IPv6. IV. Bố cục Nội dung của khóa luận chia thành 3 chƣơng :  Chƣơng 1: Tổng quan về địa chỉ IPv6.  Chƣơng 2: Triển khai IPv6 trên cơ sở hạ tầng mạng IPv4.  Chƣơng 3: Mô phỏng hệ thống mạng IPv6. Khóa Luận Tốt Nghiệp – Ngành Kỹ Thuật Mạng 2011 Nguyễn Thanh Long – K13TMT Khoa CNTT – Trƣờng Đại học Duy Tân 9 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỊA CHỈ IPv6 Ngày 03-02-2011, nguồn cung địa chỉ Internet IPv4 đã chính thức cạn kiệt sau 30 năm sử dụng. Tổ chức quản lý địa chỉ Internet toàn cầu (IANA) đã phân bổ những khối địa chỉ IPv4 cuối cùng cho các nhà cấp phát địa chỉ Internet khu vực (RIR). Điều đó không có nghĩa mọi thứ trên thế giới đã chấm dứt, cũng không có nghĩa Internet đã đến ngày tận thế. Địa chỉ IPv6 là sẽ là phiên bản thế hệ tiếp theo Internet. Đây là phiên bản thiết kế nhằm khác phục những hạn chế của giao thức IPv4 và bổ sung những tính năng mới cần thiết trong hoạt động và dịch vụ mạng thế hệ sau. Chương 1 của khóa luận gồm những nội dung chính sau :  Các giới hạn của địa chỉ IPv4 và nguyên nhân phát triển địa chỉ IPv6.  Cấu trúc của địa chỉ IPv6.  Cách biểu diễn địa chỉ IPv6.  Các dạng địa chỉ của IPv6. Khóa Luận Tốt Nghiệp – Ngành Kỹ Thuật Mạng 2011 Nguyễn Thanh Long – K13TMT Khoa CNTT – Trƣờng Đại học Duy Tân 10 1.1 Nguyên nhân phát triển IPv6 Năm 1973, TCP/IP đƣợc 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 ngƣời dùng trên toàn thế giới. Theo tính toán của giới chuyên môn, mạng Internet hiện nay đang kết nối hàng trăm ngàn Site với nhau, với hàng trăm triệu máy tính. Trong tƣơng 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. Hình 1.1 Sự cạn kiệt IPv4 qua các năm. Bƣớc sang những năm đầu của thế kỷ XXI, ứng dụng của Internet phát triển nhằm cung cấp dịch vụ cho ngƣời dùng trên các thiết bị mới ra đời: Notebook, Cellualar modem, Tablet, Smart-Phone, Smart TV… Để có thể đƣa những khái niệm mới dựa trên cơ sở TCP/IP này thành hiện thực, TCP/IP phải mở rộng. Nhƣng một thực tế mà không chỉ giới chuyên môn, mà ngay cả các ISP cũng nhận thức đƣợc 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 chỉ IP, không gian địa chỉ IP đã cạn kiệt, địa chỉ IP (IPv4) không thể đáp ứng nhu cầu mở rộng mạng đó. Bƣớc Khóa Luận Tốt Nghiệp – Ngành Kỹ Thuật Mạng 2011 Nguyễn Thanh Long – K13TMT Khoa CNTT – Trƣờng Đại học Duy Tân 11 tiến quan trọng mang tính chiến lƣợc 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. Hình 1.2 Thế giới sẵn sàng cho IPv6. 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 tƣơng thích giữa IPv6 và IPv4, liên quan đến việc chuyển đổi từ IPv4 lên IPv6, làm thế nào mà ngƣời dùng có thể khai thác những thế mạnh của IPv6 nhƣng 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 trƣờng địa chỉ 32 bit, IPv4 ngày nay hầu nhƣ k