Hệ thống mạng chồng giao thức IPv4 và IPv6

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------BÙI ANH QUANG

BÙI ANH QUANG

KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ

TRUYỀN THÔNG

HỆ THỐNG MẠNG CHỒNG GIAO THỨC
IPv4 VÀ IPv6

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Kỹ thuật máy tính và truyền thông)

2012B

Hà Nội – 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------BÙI ANH QUANG

HỆ THỐNG MẠNG CHỒNG GIAO THỨC
IPv4 và IPv6

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính và truyền thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Kỹ thuật máy tính và truyền thông)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS HÀ QUỐC TRUNG

Hà Nội – 2015


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Bùi Anh Quang
Đề tài luận văn: Hệ thống mạng chồng giao thức IPv4 và IPv6
Chuyên ngành: Kỹ thuật máy tính và truyền thông
Mã số HV: CB120148
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 25/04/2015
với các nội dung sau:
 Thay hình 2 cho phù hợp với nội dung luận văn
 Thêm các chú thích về tài liệu tham khảo
 Xóa bỏ các dòng chi tiết về cấu hình thiết bị trong nội dung luận văn
Ngày 14 tháng 05 năm 2015
Giáo viên hướng dẫn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Tác giả luận văn

Lời cam đoan
Sau một thời gian nghiêm cứu, tìm hiểu cùng với những kiến thức sẵn có của
bản thân và sự chỉ dạy nhiệt tình của thầy giáo hướng dẫn, tôi đã hoàn thiện luận
văn “Hệ thống mạng chồng giao thức IPV4 và IPv6”
Trong quá trình làm luận văn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ hết sức nhiệt tình
của các thầy cô giáo trong Viện công nghệ thông tin và truyền thông nói riêng và
Bộ môn truyền thông mạng nói riêng. Tôi xin cảm ơn toàn thể các thầy cô giáo
trong Viện. Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS. TS Hà Quốc
Trung đã trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi – Bùi Anh Quang - cam kết luận văn tốt nghiệp là công trình nghiên cứu
của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hà Quốc Trung. Các kết quả nêu
trong luận văn là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ công trình
nào khác.
Hà Nội, ngày 23 tháng 03 năm 2015
Tác giả luận văn

2


Danh mục hình vẽ
Hình 1: Sự cạn kiệt IPv4 qua các năm ......................................................................13
Hình 2: IPv6 đáp ứng các nhu cầu về địa chỉ IP trong tương lai ..............................13
Hình 3: Cách biểu diễn IPv6 .....................................................................................16
Hình 4: Kiến trúc quản lý việc cấp phát địa chỉ IPv6 hiện nay ................................17
Hình 5: Chi tiết IPv6 Header .....................................................................................19
Hình 6: Cấu trúc địa chỉ IPv4-Compatible IPv6 .......................................................23
Hình 7: Cấu trúc địa chỉ 6to4 ....................................................................................24
Hình 8: Cấu trúc địa chỉ IPv4-Mapped IPv6.............................................................25
Hình 9: Mạng Nat-PT................................................................................................27
Hình 10: Công nghệ tunneling. .................................................................................27

Hình 11: Mô hình 6to4 tunneling. .............................................................................28
Hình 12: Cấu trúc địa chỉ IPv6 6to4. ........................................................................29
Hình 13: Mô hình Tunnel Broker..............................................................................30
Hình 14: Cơ chế Dual Stack ......................................................................................31
Hình 15: Mô hình mạng lõi của các ISP ...................................................................35
Hình 16: Giải pháp 6PE ............................................................................................39
Hình 17: Thiết kế hệ thống mạng lõi 6VPE và 6PE .................................................40
Hình 18: Mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ trong giai đoạn đầu của quá trình
chuyển đổi lên IPv6 ...................................................................................................41
Hình 19: Mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ trong giai đoạn hai của quá trình
chuyển đổi lên IPv6 ...................................................................................................41
Hình 20: Mạng lõi của nhà cung cấp dịch vụ trong giai đoạn cuối của quá trình
chuyển đổi lên IPv6 ...................................................................................................42
Hình 21: Cấu trúc gói tin trong mạng 6VPE .............................................................43
Hình 22: Mô hình dịch vụ mạng có dây của Viettel .................................................44
Hình 23: Mô hình dịch vụ mạng không dây của Viettel ...........................................45
Hình 24: Mô hình dịch vụ mạng Office Wan của Viettel .........................................45
Hình 25: Đề xuất giải pháp 6VPE cho dịch vụ Office Wan của Viettel ...................50

3


Hình 26: Topo mạng mô phỏng ................................................................................52

4


Danh mục từ viết tắt
6PE
6VPE

AfriNIC
APNIC
ARIN
ARPANET
ATM
BGP
CE
CIDR
DHCP
DLCI
IANA
ID
IETF
IPv4
IPv6
ISP
LAN
LDP
LER
LIB
LSR
MEN
MPLS
MTU
NAT
NAT-PT
NT
OSFP
P
PE

QoS
RIPE
RIR
RPR
TCP
TE
TTL
UDP
VCI

IPv6 Over MPLS
IPv6 VPN Over MPLS
African Network Information Centre
Asia-Pacific Network Information Centre
American Registry for Internet Numbers
Advanced Research Projects Agency Network
Asynchronous Transfer Mode
Border Gateway Protocol
Customes Edge
Classless Inter-Domain Routing
Dynamic Host Configuration Protocol
Data link connection identifier
Internet Assigned Numbers Authority
Identifier
Internet Engineering Task Force
Internet Protocol version 4
Internet Protocol version 6
Internet Service Provider
Local Area Network
Label Distribution Protocol

Label Edge Router
Label Information Base
Label Switched Routers
Metro Ethernet
Multiprotocol Label Switching
Maximum Transmission Unit
Network address translation
Network Address Translation-Protocol Translation
Network Termination
Open Shortest Path First
Provider Core
Provider Edge
Quality of Service
Réseaux IP Européens Network Coordination Centre
Regional Internet Registry
Resilient Packet Ring
Transmission Control Protocol
Transport Edge
Time to Live
User Datagram Protocol
Virtual channel identifier
5


VLSM
VoIP
VPI
WAN
WDM

Variable-length subnet mask
Voice over Internet Protocol
Virtual path identifier
Wide area network
Wavelength Division Multiplexing

6


Mục lục
Lời cam đoan .......................................................................................................... 2
Danh mục hình vẽ .................................................................................................. 3
Danh mục từ viết tắt ............................................................................................... 5
Mở đầu ................................................................................................................... 9
Nội dung ............................................................................................................... 12
Phần 1: Cơ sở lý thuyết ........................................................................................ 12
Chương 1: Tổng quan về IPv6 ............................................................................. 12
1.1. Sự hình thành và phát triển của IPv6 ............................................................ 12
1.2. Hạn chế của IPv4 .......................................................................................... 14
1.3. Kiến trúc IPv6 ............................................................................................... 16
1.4. IPv6 Header ................................................................................................... 18
1.5. Phân loại địa chỉ IPv6 ................................................................................... 21
1.6. Các loại địa chỉ IPv6 đặc biệt ........................................................................ 22
1.6.1. Địa chỉ không định danh và địa chỉ loopback ............................................ 22
1.6.2. Địa chỉ IPv4-Compatible IPv6 ................................................................... 23
1.6.3. Địa chỉ IPv4-Mapped IPv6......................................................................... 24
Chương 2: Các cơ chế chuyển đổi từ IPv4 lên IPv6 ............................................ 26
2.1. NAT-PT......................................................................................................... 26
2.2. Tunnelling ..................................................................................................... 27
2.2.1. Giới thiệu chung về công nghệ Tunnelling ................................................ 27

2.2.2. Các cơ chế Tunneling ................................................................................. 28
2.3. Dual Stack ..................................................................................................... 30
Phẩn 2: Định hướng và Giải pháp cho chuyển đổi lên IPv6 ở Việt Nam ............ 32
Chương 1: Giải pháp cho chuyển đổi IPv4 lên IPv6 ở Việt Nam........................ 32
1.1. Lộ trình chuyển đổi lên IPv6 ......................................................................... 32
1.2. Những khó khăn khi chuyển đổi lên IPv6 ở Việt Nam ................................. 33
1.3. Cơ sở hạ tầng mạng MPLS của các ISP ở Việt Nam. ................................... 34
1.4. Cơ chế chuyển đổi IPv4 lên IPv6 cho các ISP ở Việt Nam. ......................... 35

7


1.4.1. NAT-PT trên hệ thống mạng MPLS .......................................................... 36
1.4.2. Tunnelling trên hệ thống mạng MPLS ....................................................... 36
1.4.3. Dual Stack trên hệ thống mạng MPLS....................................................... 38
Chương 2: Giải pháp chuyển đổi từ IPv4 lên IPv6 cho dịch vụ Office Wan trên
cơ sở hạ tầng mạng MPLS của Viettel. ................................................................ 44
2.1. Thực trạng hệ thống mạng lõi MPLS cho dịch vụ Office Wan của Viettel.. 44
2.2. Yêu cầu khi chuyển đổi lên IPv6 đối với dịch vụ Office Wan ..................... 46
2.3. Đề xuất giải pháp chuyển đổi lên IPv6 với dịch vụ Office Wan trên mạng lõi
MPLS của Viettel ................................................................................................. 48
2.4. Mô tả giải pháp 6VPE cho chuyển đổi từ IPv4 lên IPv6 cho phân mạng dịch
vụ Office Wan của Viettel.................................................................................... 50
Chương 3: Mô phỏng thử nghiệm công nghệ 6VPE............................................ 52
3.1. Kịch bản thử nghiệm ..................................................................................... 52
3.2. Đánh giá thử nghiệm giải pháp 6VPE........................................................... 53
Kết luận ................................................................................................................ 54
Danh mục tài liệu tham khảo ............................................................................... 55
Phụ lục A: Chuyển mạch nhãn đa giao thức MPLS ............................................ 56
Phụ lục B: Metro MPLS ....................................................................................... 69

8


Mở đầu
Chúng ta đang sống trong kỷ nguyên của Internet. Thật khó để tưởng tượng
cuộc sống của con người sẽ như thế nào nếu mạng interner ngừng hoạt động dù chỉ
trong vài giờ. Chỉ trong vòng nửa thế kỷ mạng Internet với tiền thân là ARPANET
đã phát triển với một tốc độ không tưởng. Từ chỗ chỉ có vài trăm máy tính kết nối
khi mới hình thành hiện tại Internet đã phát triển thành hệ thống mạng toàn cầu với
hàng trăm triệu máy tính kết nối và hàng nghìn dịch vụ, ứng dụng khác nhau. Các
dịch vụ trên Internet không ngừng phát triển kéo theo cơ sở hạ tầng mạng phải
không ngừng nâng cao về băng thông và chất lượng dịch vụ. Tuy nhiên đôi lúc cơ
sở hạ tầng mạng cũng không theo kịp tốc độ tăng lên quá nhanh của các dịch vụ và
ứng dụng trên Internet. Bước sang thế kỷ XXI với việc xuất hiện các thiết bị cá
nhân với khả năng kết nối mạng trên nền tảng TCP/IP như điên thoại thông minh và
máy tính bảng thì yêu cầu về nâng cấp cơ sở hạ tầng mạng càng trở nên cấp thiết.
Thêm vào đó những ý tưởng về một thế giới thông minh mà trong đó mỗi một thiết
bị điện tử đều có thể kết nối Internet và được điều khiển từ xa càng làm cho yêu cầu
về cơ sở hạ tầng mạng tăng cao.
Trên thực tế, khó khăn lớn nhất khi phát triển cơ sở hạ tầng mạng không phải
nằm ở con người, kỹ thuật hay chi phí mà nằm ngay trong kiến trúc ban đầu của
mạng Internet. Mục đích thiết kế ban đầu của mạng Internet là dùng để kết nối
mạng trong trường đại học. Do đó việc định danh các máy tính trong mạng được
thực hiện qua giao thức IP(IPv4). Giao thức này sử dụng 32 bit để đánh địa chỉ cho
một máy tính, tức là có khoảng hơn 4 tỷ IP. Với một mạng trong trường đại học thì
như vậy là quá đủ, nhưng với hệ thống mạng toàn cầu thì 4 tỷ IP là chưa đủ. Đến
cuối năm 2012 đã không còn địa chỉ IP để phân phối cho các nhà cung cấp dịch vụ
Internet. Để đáp ứng nhu cầu về địa chỉ IP hiện tại cũng như nhu cầu mở rộng trong
tương lai, địa chỉ IPv6 đã được phát triển. Tuy nhiên lúc này lại xuất hiện một vấn

đề khác. Mạng Internet đã phổ biến trên toàn thế giới và gần như hoàn thiện. Cơ sở
hạ tầng mạng cũng như các dịch vụ, ứng dụng đều chạy trên bộ giao thức IPv4. Câu
hỏi đặt ra là chuyển đổi từ IPv4 lên IPv6 như thế nào. Việc thay đổi toàn bộ cơ sở

9


hạ tầng để phù hợp với IPv6 là không thực tế. Ngay cả khi không cần quan tâm đến
vấn đề về chi phí thì việc thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng cũng phải diễn ra
trong một khoảng thời gian khá dài. Hơn nữa, không ai có thể đảm bảo rằng IPv6 là
một bộ giao thức toàn diện và không có bất cứ một lỗi gì khi IPv6 chưa được sử
dụng thử nghiệm rộng rãi. Do đó chuyển đổi từ IPv4 lên IPv6 không thể diễn ra
ngay lập tức mà phải có một quá trình lâu dài. Trong khoảng thời gian này IPv4 và
IPv6 sẽ phải cùng tồn tại.
Vậy làm thế nào để hai giao thức khác nhau có thể cùng hoạt động mà không
làm ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của người sử dụng. Với một nước mới
đang phát triển như Việt Nam thì việc lựa chọn giải pháp nào lại càng quan trọng vì
kinh phí cho quá trình chuyển đổi từ IPv4 lên IPv6 là khá hạn hẹp so với các nước
phát triển khác. Chính vì những lý do trên mà tôi đã lựa chọn đề tài ”Hệ thống mạng
chồng giao thức IPv4 và IPv6” để nghiên cứu và mô phỏng thử nghiệm trong luận
văn này.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế, nội dung của luận văn sẽ tập trung nghiên cứu
các giải pháp chuyển đổi từ IPv4 sang IPv6. Trong đó đặc biệt nghiên cứu về giải
pháp Dual Stack, phương pháp được đánh giá là hiệu quả, ít phải thay đổi về hệ
thống mạng lõi và đặc biệt là tiết kiệm về mặt chi phí.
Trong phạm vi nghiên cứu, luận văn cũng đưa ra những mô hình giải pháp
thiết kế phù hợp với hiện trạng của các nhà cung cấp dịch vụ ở Việt Nam, phân tích
một trường hợp cụ thể trên dịch vụ Office Wan của Viettel, tiến hành mô phỏng thử
nghiệm trên các thiết bị mạng để lựa chọn những phương án tối ưu nhất. Luận văn
được chia làm hai phần:

Phần 1: Cơ sở lý thuyết: Nghiên cứu tổng quan về IPv6 và những giải pháp
công nghệ chuyển đổi từ IPv4 lên IPv6
Phần 2: Định hướng và Giải pháp cho chuyển đổi lên IPv6 ở Việt Nam:
Nghiên cứu những giải pháp chuyển đổi từ IPv4 sang IPv6 cho hệ thống mạng lõi
MPLS của nhà cung cấp dịch vụ ở Việt Nam, đề xuất những giải pháp chuyển đổi

10


lên IPv6 cho các nhà cung cấp dịch vụ nói chung, phân tích trường hợp cụ thể về
giải pháp chuyển đổi lên IPv6 cho dịch vụ Office Wan của Viettel.

11


Nội dung
Phần 1: Cơ sở lý thuyết
Để có thể lựa chọn một giải pháp toàn diện và hiệu quả nhất cho việc chuyển
đổi lên IPv6 tại Việt Nam trước hết chúng ta cần nghiên cứu và tìm hiểu rõ về IPv6.
Phần 1 của luận văn sẽ trình bày tổng quan về IPv6 cũng như các cơ chế chuyển đổi
đáng được sử dụng.
Chương 1: Tổng quan về IPv6
1.1. Sự hình thành và phát triển của IPv6
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. Tuy nhiên với ưu điểm vượt trội của mình TCP/IP hầu như
ngay lập tức được áp dụng cho hệ thống mạng của nhiều nơi và dần dần hình thành
nên hệ thống mạng toàn cầu Internet dựa trên bộ giao thức TCP/IP hiện tại. Cho đến
nay Internet đã phát triển với một tốc độ khủng khiếp và không ngừng gia tăng về
số lượng máy tính truy cập hàng ngày. 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 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.

12


Hình 1: Sự cạn kiệt IPv4 qua các năm
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: Notebook,
Cellualar modem, 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. Việc phát triển về thiết bị, cơ sở hạ
tầng, nhân lực… không phải là một khó khăn quá 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 vì mục đích thiết kế ban đầu của IPv4 không phải là để sử dụng cho hệ
thống mạng toàn cầu. Nhu cầu hiện tại là cần phải có một giao thức mới thay thế
cho giao thức IPv4. IPv6 được phát triển để đáp ứng nhu cầu này.

Hình 2: IPv6 có thể đáp ứng các nhu cầu về địa chỉ IP trong tương lai
IPv6 ra đời không có nghĩa là ngay lập tức thay thế toàn bộ IPv4. Vì là một
phiên bản hoàn toàn mới của công nghệ IP, việc nghiên cứu, ứng dụng vào thực tiễn

13


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. Sự chênh lệch giàu nghèo giữa các quốc gia, kinh phí của từng nhà cung
cấp dịch vụ ISP hay đơn giản là tài chính của người sử dụng không cho phép
chuyển đổi toàn bộ hệ thống mạng lên IPv6. Các ứng dụng và dịch vụ và thiết bị
không phải toàn bộ đều có thể hỗ trợ một giao thức mới. Việc phát triển và thay đổi
phải thực hiện từng bước theo nhiều giai đoạn khác nhau.
1.2. Hạn chế của IPv4
IPv4 hỗ trợ trường địa chỉ 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 chỉ, đặc biệt là các không gian địa chỉ 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 chỉ IPv4 trong thời kỳ đầu được phân loại dựa vào số lượng địa chỉ IPv4.
Địa chỉ IPv4 được chia thành 5 lớp A, B, C, D,E. 3 lớp đầu tiên được sử dụng phổ
biến nhất. Các lớp địa chỉ này khác nhau ở số lượng các bit dùng để định nghĩa
Network ID.
Mô hình này còn có một hạn chế nữa chính là sự thất thoát 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 này.
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, 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.

14

Trong những năm 1990, kỹ thuật Classless Inter-Domain Routing (CIDR)
được xây dựng dựa trên khái niệm địa chỉ mặt nạ (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 yêu
cầu địa chỉ IP.
Một vài giải pháp ngắn hạn, chẳng hạn như ứng dụng RFC 1918 (Address
Allocation for Private Internets) 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 340.282.366.920.938.463.463.374.607.431.768.211.456 địa
chỉ. Một con số khổng lồ. Trong năm 1994, IETF đã đề xuất IPv6 trong RFC 1752
(The Recommendation for the IP Next Generation Protocol). IPv6 khắc phục một số

15

vấn đề như thiếu hụt địa chỉ, chất lượng dịch vụ, tự động cấu hình địa chỉ, vấn đề
xác thực và bảo mật.
1.3. Kiến trúc IPv6
Khi phát triển phiên bản địa chỉ mới, IPv6 hoàn toàn dựa trên nền tảng IPv4.
Nghĩa là hầu hết những chức năng của IPv4 đều được tích hợp vào IPv6. Tuy nhiên,
IPv6 đã lượt bỏ một số chức năng cũ và thêm vào những chức năng mới tốt hơn.
Ngoài ra IPv6 còn có nhiều đặc điểm hoàn toàn mới.
IPv6 sử dụng 128 bit địa chỉ, tăng gấp 4 lần số bit so với IPv4 (32bit). Nghĩa là
trong khi IPv4 chỉ có 232 ~ 4,3 tỷ địa chỉ, thì IPv6 có tới 2128 ~ 3,4*1038 địa chỉ IP.
Gấp 296 so với địa chỉ IPv4.

Hình 3: Cách biểu diễn IPv6
Giao thức IPv4 hiện tại được duy trì bởi kỹ thuật NAT và cấp phát địa chỉ tạm
thời. Tuy nhiên vì vậy mà việc thao tác dữ liệu trên payload của các thiết bị trung
gian là một bất lợi các lợi ích về truyền thông ngang hàng (peer-peer), bảo mật đầu
cuối và chất lượng dịch vụ (QoS). Với số lượng cực kỳ lớn địa chỉ IPv6 thì sẽ
không cần đến kỹ thuật NAT hay cấp phát địa chỉ tạm thời nữa. Vì lúc đó, mỗi thiết

16


bị (Máy tính, điện thoại, tivi, robot, thiết bị dân dụng…) đều sẽ có một địa chỉ IP
toàn cầu.
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 thậm
chí cho từng vật dụng trong gia đình. Trong tương lai, mỗi chiếc điều hòa, tủ lạnh,
máy giặt hay nồi cơm điện… của mọi gia định trên thế giới cũng sẽ mang một địa
chỉ IPv6 để chủ nhân của chúng có thể kết nối và ra lệnh từ xa.

Địa chỉ IPv6 sử dụng một giải pháp gọi là prefix (tiền tố) để phân cấp một địa
chỉ thành các khối xác định.

Hình 4: Kiến trúc quản lý việc cấp phát địa chỉ IPv6 hiện nay
Địa chỉ IPv6 hiện nay do tổ chức cấp phát địa chỉ Internet quốc tế IANA cấp
phát. Bảng sau mô tả chi tiết việc cấp phát địa chỉ IPv6 theo prefix. [6]
Prefix
/3

Chức năng

Số bit
3 bit

Luôn là 001 được dành cho các địa chỉ khả định tuyến toàn cầu
(Globally Routable Unicast –GRU).

/23

20 bit

Xác định cấp cao nhất là tổ chức IANA. IANA phân phối tiếp cho
5 RIR - tổ chức cấp khu vực cấp phát địa chỉ IP, bao gồm:
AfriNIC (Châu Phi), ARIN (Bắc Mỹ và Caribe), APNIC (Châu Á
Thái Bình Dương), RIPE (Châu Âu, Trung Đông và Trung Á).

/32

9 bit

Xác định cấp khu vực hoặc quốc gia. Được các RIR cấp cho các
ISP cao nhất trong hệ thống các nhà cung cấp dịch vụ của mỗi
quốc gia.

17


/48
/64

16 bit

Xác định cấp vùng. Là các nhà cung cấp dịch vụ ở mỗi vùng của

16 bit

mỗi quốc gia hoặc các tổ chức lớn.
Xác định cấp thấp nhất. Được các ISP cấp phát đến người dùng.

1.4. IPv6 Header
Header của IPv6 có 40 octet (hay độ lớn 40 byte) trái ngược với 20 octet trong
IPv4. Tuy nhiên IPv6 có một số lượng các trường ít hơn, nên giảm được thời gian
xử lý Header, tăng độ linh hoạt. Trường địa chỉ lớn hơn 4 lần so với IPv4.
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 chỉ cần các Host tính
checksum còn Router thì không cần. Ngoài ra Header checksum là 1 tham số sử
dụng để kiểm tra lỗi trong thông tin header, được tính toán ra dựa trên những con số
của header. Tuy nhiên, có một vấn đề là header chứa trường TTL (Time to Live),
giá trị trường này thay đổi mỗi khi gói tin được truyền qua 1 router. Do vậy, header
checksum cần phải được tính toán lại mỗi khi gói tin đi qua 1 router. Nếu giải

phóng router khỏi công việc này, chúng ta có thể giảm được trễ.
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 thêm Overhead cho
packet. Trong IPv6 chỉ có Host nguồn mới có thể phân đoạn một packet theo các
giá trị tại 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.

18


Hình 5: 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, ví dụ VoIP, 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.

19

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, sẽ giảm tải nhiều cho router, và thiết
lập nên một hệ thống cho phép bổ sung một cách linh động các chức năng.
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

20


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, mỗi 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). [8]
1.5. Phân loại địa chỉ IPv6
Địa chỉ IPv6 dược chia ra thành 3 loại chính sau đây:

21

Unicast Address: Unicast Address dùng để xác định 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.
Anycast Address: Anycast Address dùng để xác định nhiều Interfaces. Tuy
vậy, packet có đích đến là Anycast Address sẽ thông qua Routing để chuyển đến
một interface trong số các interface có cùng Anycast Address, thông thường là
interface gần nhất. Chữ “gần nhất” ở đây được xác định thông qua giao thức định
tuyến đang sử dụng.
Multicast Address: Multicast Address dùng để xác định nhiều interfaces.
Packet có đích đến là Multicast Address sẽ thông qua Routing để chuyển đến tất cả
các interfaces có cùng Multicast Address.
Trong IPv6 địa chỉ Broadcast đã bị loại bỏ và được thay bằng địa chỉ
Multicast. [7] [12] [13]
1.6. Các loại địa chỉ IPv6 đặc biệt
1.6.1. Địa chỉ không định danh và địa chỉ loopback
0:0:0:0:0:0:0:0 hay được viết gọn thành “::” là loại địa chỉ không định danh
được node IPv6 sử dụng để thể hiện rằng hiện tại nó không có địa chỉ. Địa chỉ “::”
được sử dụng làm địa chỉ nguồn cho các gói tin trong quy trình hoạt động của một
node IPv6 khi tiến hành kiểm tra xem có một node nào khác trên cùng đường kết
nối đã sử dụng địa chỉ IPv6 mà nó đang dự định dùng hay chưa. Địa chỉ này không
bao giờ được gán cho một interface hoặc được sử dụng làm địa chỉ đích.
0:0:0:0:0:0:0:1 hay “::1” được sử dụng làm địa chỉ xác định interface
loopback, tương đương với dãi địa chỉ 127.0.0.0 của IPv4. Địa chỉ này dùng để
kiểm tra xem một máy tính có hoạt động được IPv6 hay không. Bên cạnh đó, với
các router thì địa chỉ::1 không bao giờ được gửi trên một đường kết nối hay chuyển
tới bởi router. Phạm vi của dạng địa chỉ này là phạm vi node. [12]

22

1.6.2. Địa chỉ IPv4-Compatible IPv6
IPv4-Compatible IPv6 là địa chỉ tương thích của một IPv4 với một IPv6 Node.
Khi sử dụng IPv4-Compatible như một IPv6 Destination, gói tin sẽ được đóng gói
(Packet) với IPv4 Header để truyền trong môi trường IPv4.

Hình 6: Cấu trúc địa chỉ IPv4-Compatible IPv6

23