Nghiên cứu, đề xuất triển khai ipv6 trong hệ thống lte

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

NGUYỄN TRẦN HIẾU

NGUYỄN TRẦN HIẾU

NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT TRIỂN KHAI IPv6
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

TRONG HỆ THỐNG LTE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

2016A
Hà Nội - 2018


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

NGUYỄN TRẦN HIẾU

NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT TRIỂN KHAI IPv6
TRONG HỆ THỐNG LTE

Chuyên nghành: Kỹ thuật viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN NGỌC VĂN

Hà Nội - 2018


MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ..............................................................iii
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................. v
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ vii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 - HỆ THỐNG MẠNG LTE VÀ VẤN ĐỀ SỬ DỤNG ĐỊA CHỈ IP .... 3
1.1 Tổng quan ..................................................................................................... 3
1.2 Hệ thống mạng LTE ..................................................................................... 4
1.2.1 Kiến trúc mạng LTE ............................................................................ 4
1.2.2 Các điểm tham chiếu trong LTE (LTE reference points) .................... 7
1.2.3 Các chồng giao thức trong LTE (control and user plane protocol) ..... 9
1.3 Vấn đề sử dụng tài nguyên địa chỉ IP......................................................... 12
1.3.1 Xu hướng tăng trưởng về số lượng người sử dụng Internet .............. 12
1.3.2 Xu hướng và sự phát triển của mạng băng rộng ................................ 13
1.4 Kết luận: ..................................................................................................... 15
CHƯƠNG 2 - GIAO THỨC THẾ HỆ MỚI IPv6 VÀ TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI16
2.1 Tổng quan ................................................................................................... 16
2.1.1 Một số ưu điểm của IPv6 so với IPv4 ................................................ 16
2.1.2 Sự khác biệt về việc sử dụng địa chỉ IPv6 so với IPv4 ...................... 18
2.1.3 Biểu diễn địa chỉ IPv6 ........................................................................ 19
2.1.4 Cấu trúc của một địa chỉ IPv6 ............................................................ 21

2.1.5 Định danh giao diện (interface identifier) trong địa chỉ IPv6 ............ 23
2.1.6 Phân loại địa chỉ IPv6 ........................................................................ 25
2.2 Sơ bộ về hiện trạng triển khai IPv6 nói chung và cho mạng 4G/LTE nói
riêng ............................................................................................................ 27
i


2.2.1 Trên thế giới ....................................................................................... 27
2.2.2 Trong nước ......................................................................................... 30
2.3 Kết luận ...................................................................................................... 33
CHƯƠNG 3 - GIẢI PHÁP CHUYỂN ĐỔI SANG IPv6 CHO MẠNG LTE VÀ
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG ....................................................................................... 34
3.1 Tổng quan về các giải pháp chuyển đổi sang IPv6 hiện nay ..................... 34
3.2 Kinh nghiệm, khuyến nghị triển khai IPv6 cho LTE trên thế giới ............ 37
3.2.1 Giải pháp của SKTelecom (Hàn Quốc) ............................................. 38
3.2.2 Một số khuyến nghị, kinh nghiệm triển khai LTE trên thế giới ........ 39
3.3 Một số kỹ thuật tiêu biểu được sử dụng trong quá trình chuyển đổi ......... 40
3.3.1 Kỹ thuật NAT64/DNS64 ................................................................... 41
3.3.2 Kỹ thuật 464XLAT (hỗ trợ IPv4 và IPv6) ......................................... 47
3.4 So sánh hiệu năng IPv4 và IPv6 trong mạng IPv6 LTE ............................ 50
3.4.1 Mơ hình mạng 4G/LTE dùng trong việc so sánh hiệu năng .............. 51
3.4.2 Các nghiên cứu đo lường hiệu suất IPv6 ........................................... 52
3.4.3 Phân tích kỹ thuật chuyển đổi IPv6 ................................................... 53
3.4.4 Đo kiểm hiệu năng ............................................................................. 62
3.4.4.1 Môi trường đo kiểm .................................................................... 62
3.4.4.2 Lựa chọn tên miền ...................................................................... 63
3.4.4.3 Kết quả........................................................................................ 63
3.5 KẾT LUẬN ................................................................................................ 66
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 68

LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... 69

ii


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
3G
3GPP
3GPP2
4G
E-RAN

Third Generation Mobile
Communications System
3rd Generation Partnership Project
3rd Generation Partnership Project
2
Fourth Generation Mobile
Communication System
Evolved Radio Access Network

E-UTRAN Enhanced
Universal
Terrestrial Radio Access
EPC
Network Evolved Packet
Control
FEC
Forward Error Correction
FDD

Frenquency Division Duplex
FDMA
Frequency
Division
Multiple
Access
GERAN
GSM EDGE Radio Access
Network
GPRS
General Packet Radio Service
GGSN
Gateway GPRS Support Node
HLR
Home Location Register
HSDPA
High Speed Downlink Packet
Access
HSPA
High Speed Packet Access
HSS
Home Subscriber Server
HSUPA
High Speed Uplink Packet Access
ICMP
Internet
Control
Messaging
Protocol

IPv4
IPv6
ISP
IANA
ITU
IETF

Hệ thống thông tin di động thế
hệ ba
Đề án của các đối tác thế hệ ba
Đề án thứ 2 của các đối tác thế
hệ thứ 3
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất phát
triển
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
tồn cầu tăng cường
Phát triển điều khiển gói dữ liệu
Hiệu chỉnh lỗi trước
Song công phân chia theo tần số
Đa truy nhập phân chia theo tần số
Mạng truy nhập vô tuyến GSM EDGE
Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp
Nút hỗ trợ cổng nối GPRS
Bộ ghi định vị thường trú
Truy cập gói đường xuống tốc độ cao

Truy cập gói tốc độ cao
Máy chủ quản lý thuê bao thường trú
Truy cập gói đường lên tốc độ cao

là giao thức điều khiển của tầng IP, sử
dụng để trao đổi các thơng tin điều
khiển dịng dữ liệu, thông báo lỗi và
các thông tin trạng thái của bộ giao
thức TCP/IP
Internet Protocol version 4 / Chồng giao thức kết nối Internet phiên
Internet Protocol version 6
bản 4
Chồng giao thức kết nối Internet phiên
bản 6
Internet service provider
Nhà cung cấp dịch vụ kết nối Internet
Internet
Assigned
Numbers Tổ chức cấp phát, quản lý tài nguyên
Authority
Internet toàn cầu.
International Telecommunications ITU là một tổ chức chun mơn của
Union
Liên Hiệp Quốc nhằm tiêu chuẩn hố
viễn thông quốc tế
Internet Engineering Task Force
Tạm dịch là Lực Lượng Quản Lý Kỹ
Thuật, là tổ chức mở được thành lập từ
năm 1993 bởi ISOC. Có chức năng
nghiên cứu, phát triển và quyết định
các chuẩn dùng trong Internet, thúc đẩy

iii

và phát triển các tiêu chuẩn Internet
Phát triển dài hạn
Nhiều đầu vào nhiều đầu ra
Nhiều đầu vào một đầu ra

LTE
MIMO
MISO

Long Term Evolution
Multiple Input Multiple Output
Multiple Input Single Output

MME
MMSE

Mobility Management Entity
Minimum Mean Square Error

MS
TCP

Mobile Station
Transmission Control Protocol

UDP

User Datagram Protocol

UE
UTRAN

User Equipment
UMTS Teresstrial Radio Access
Network
Vietnam
Internet
Network Trung tâm Internet Việt Nam
Information Center

VNNIC

Thực thể quản lý di động
Sai lỗi bình phương trung bình
cực tiểu
Trạm gốc
TCP là một trong các giao thức cốt lõi
của bộ giao thức TCP/IP. Sử dụng
TCP, các ứng dụng trên các máy chủ
được nối mạng có thể tạo các "kết nối"
với nhau, mà qua đó chúng có thể trao
đổi dữ liệu hoặc các gói tin.
UDP là một trong những giao thức cốt
lõi của giao thức TCP/IP. Dùng UDP,
chương trình trên mạng máy tính có thể
gửi những dữ liệu ngắn được gọi là
datagram tới máy khác
Thiết bị người sử dụng
Mạng truy nhập vô tuyến UMTS

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. Các đặc tả kỹ thuật cơ bản của 4G/LTE

3

Hình 2. Kiến trúc mạng LTE

4

Hình 3. Chức năng của các thành phần trong LTE.

5

Hình 4. Mơ hình tham chiếu LTE

8

Hình 5. Chồng giao thức LTE (LTE protocol layers)

9

Hình 6. Chồng giao thức User plane protocol

11

Hình 7. Chồng giao thức Control plane protocol

12

Hình 8. Số lượng người dùng Internet trên thế giới (theo Internet Live Stats) 13
Hình 9. Thống kê số lượng thiết bị di động đến 2021 (nguồn Cisco VNI Mobile) 14

Hình 10. Thống kê lưu lượng của thiết bị đến 2021 (nguồn Cisco VNI Mobile) 14
Hình 11. Tốc độ phát triển của mạng băng rộng (nguồn Cisco VNI Mobile)

15

Hình 12. Cách biểu diễn địa chỉ IPv6 từ dạng nhị phân sang hexa

20

Hình 13. Ví dụ về biểu diễn địa chỉ IPv6 ở dạng rút gọn

21

Hình 14. Cấu trúc thường thấy của một địa chỉ IPv6

22

Hình 15. Ánh xạ từ EUI-48 sang EUI-64

24

Hình 16. Tự động cấu hình 64 bít định danh giao diện từ địa chỉ MAC

25

Hình 17. Các loại địa chỉ IPv6

27

Hình 18. Top 10 nhà mạng triển khai IPv6 (nguồn World IPv6 Launch)

29

Hình 19. Biểu đồ phát triển IPv6 của một số công ty hàng đầu trên thế giới

30

Hình 20. Tỉ lệ triển khai IPv6 của Việt Nam (tháng 12/2017, nguồn APNIC)

30

Hình 21. Số lượng người dùng IPv6 (tháng 12/2017, nguồn Cisco)

31

Hình 22. Tỉ lệ lưu lượng IPv6 của FPT và VNPT (nguồn World IPv6 Launch) 31
Hình 23. Mơ hình sử dụng NAT64/DNS64

43

Hình 24. Minh họa kết nối mạng IPv6-IPv4

44

Hình 25. Hoạt động của DNS64 trong kết nối IPv6-IPv4

44

Hình 26. Hoạt động của NAT64 trong kết nối IPv6-IPv4

45

Hình 27. Cơ chế hoạt động của NAT64/DNS64

46

Hình 28. Mơ hình IPv4 + 464XLAT

47

Hình 29. Mơ hình IPv6 + 464XLAT

48
v


Hình 30. Phương thức chuyển đổi địa chỉ trong 464XLAT

48

Hình 31. Topology mạng 3GPP khơng dây

49

Hình 32. Kiến trúc mạng IPv6 LTE tại Hàn Quốc (sử dụng 464XLAT)

51

Hình 33. Thủ tục kết nối TCP kết nối tới web server IPv6

55

Hình 34. Timeline kết nối TCP trên nền IPv6

56

Hình 35. Thủ tục kết nối TCP tới máy chủ web IPv4

57

Hình 36. Timeline kết nối TCP trên nền IPv4

58

Hình 37. Thủ tục kết nối TCP tới máy chủ web IPv4 sử dụng 464XLAT

59

Hình 38. Thủ tục kết nối TCP từ IPv6 tới IPv4 khi bị fallback.

60

Hình 39. Timeline kết nối từ IPv6 sang IPv4 khi bị fallback.

61

Hình 40. Kết quả đo hiệu năng kết nối IPv4 và IPv6

64

Hình 41. RTT kết nối IPv6 tới web server đích

65

Hình 42. RTT kết nối IPv4 tới web server đích

65

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Các điểm tham chiếu trong LTE ............................................................. 9
Bảng 2. Một số thông tin về việc thử nghiệm/triển khai LTE IPv6 .................... 40

vii


MỞ ĐẦU
Trước khi trình bày các vấn đề nghiên cứu trong đề tài này, em xin chân
thành cảm ơn TS. Nguyễn Ngọc Văn đã tận tình hướng dẫn, cảm ơn các tác giả của
bài báo, tài liệu, đã cung cấp các kiến thức, thơng tin hữu ích để em hồn thiện phần
nghiên cứu.
Gần đây, rất nhiều cụm từ như "Thời đại bùng nổ thông tin", "Internet bùng

nổ", "thương mại điện tử bùng nổ", "bùng nổ các blog giải trí", "bùng nổ trò chơi
trực tuyến", "di động đang phát triển bùng nổ", "3G sẽ làm bùng nổ Mobile
Internet",... hay được nhắc đến khá nhiều. Phần nào cho thấy lĩnh vực CNTT - Viễn
thông - Internet - Di động đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ và tiếp tục
"bùng nổ" trong tương lai.
Mạng di động 2G được nâng cấp lên 3G và đang tiến lên 4G/LTE, các ứng
dụng Internet di động ngày càng phong phú, chiếc điện thoại di động "cục gạch"
ngày nào giờ được cải tiến thành các điện thoại thơng minh có thể duyệt web khắp
nơi, tốc độ truy cập mạng cũng được cải thiện đáng kể, lượng nội dung số được tạo
ra "ào ạt", đơn vị đo exabyte sắp phải tăng lên zettabyte (tương đương 1024
exabyte)... và địa chỉ IP phiên bản 4 (IPv4) được sử dụng gần như triệt để - sắp đến
thời điểm cạn kiệt - và sẽ được thay thế bởi IPv6.
Công nghệ IPv6 mang đến giải pháp cứu cánh cho cộng đồng mạng trên toàn
thế giới. Được phát triển trên nền tảng IPv4, mục tiêu chính của IPv6 là tăng khơng
gian địa chỉ Internet và có thêm một số cải tiến liên quan tới vấn đề bảo mật, di
động,…
Chính vì vậy, được sự đồng ý và hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Ngọc
Văn, em đã tập trung thực hiện đề tài ”Nghiên cứu, đề xuất triển khai IPv6 trong hệ
thống LTE”, với mục tiêu đưa ra phương án giải quyết vấn đề thiếu hụt địa chỉ IP
khi triển khai các ứng dụng, công nghệ mới liên quan tới Internet, đặc biệt trong
lĩnh vực di động LTE. Luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: Hệ thống mạng LTE và vấn đề sử dụng địa chỉ IP
Chương 2: Giao thức thế hệ mới IPv6 và tình hình triển khai
Chương 3: Giải pháp chuyển đổi sang IPv6 cho mạng LTE và đánh giá hiệu
năng.
Do nhiều yếu tố khách quan và chủ quan, Luận văn khó có thể tránh khỏi các
sai sót, hạn chế. Em mong sẽ nhận được sự góp ý của các thầy, các cơ để Luận văn
1

được hoàn thiện hơn. Một lần nữa cho em gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn
Ngọc Văn, hội đồng nghiệm thu đề tài, các thầy cô giáo trong Viện Đào tạo sau Đại
học – Viện Điện tử viễn thông - Đại Học Bách Khoa Hà Nội,… đã hướng dẫn, hỗ
trợ, tạo điều kiện cho em trong thời gian qua.

2


CHƯƠNG 1 - HỆ THỐNG MẠNG LTE VÀ VẤN ĐỀ SỬ DỤNG ĐỊA CHỈ IP
1.1

Tổng quan

LTE, viết tắt của cụm từ Long-Term Evolution, là thế hệ thứ tư của chuẩn
UMTS do 3GPP phát triển. Nó cịn được gọi bằng cái tên phổ biến - 4G/LTE, là
công nghệ truyền thông không dây tốc độ cao dành cho các thiết bị di động và trạm
dữ liệu. 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông
tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần
mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng
tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối.
Trên lý thuyết, LTE hoạt động dựa trên các công nghệ mạng GSM/EDGE và
UMTS/HSPA - cho phép tăng cường hiệu năng và tốc độ tải mạng nhờ vào việc sử
dụng các phương thức vô tuyến khác nhau, DSP (bộ xử lý tín hiệu) mới, bộ điều
chỉnh tần số, cùng với những cải tiến ở lõi mạng. Những nhà phát triển đã thiết kế
LTE theo hướng đơn giản hoá kiến trục mạng thành một hệ thống dựa trên nền IP
với độ trễ truyền tải dữ liệu giảm thấp hơn nhiều lần so với chuẩn mạng 3G.
Về đặc tính kỹ thuật, dịch vụ mạng 4G/LTE cho tốc độ tải xuống ở mức cao
nhất đạt 300 Mbps, và tốc độ tải lên (mức cao nhất) đạt 75 Mbps với độ trễ trong
việc truyền tải dữ liệu thấp hơn 5 ms. Bên cạnh đó, cơng nghệ 4G/LTE cũng có khả
năng quản lý các thiết bị di động có tốc độ di chuyển nhanh, cũng như những luồng

dữ liệu đa điểm, tại nhiều vị trí khác nhau. Về băng tần hỗ trợ, tiêu chuẩn 4G/LTE
có thể hoạt động ở nhiều băng tần khác nhau, cụ thể, ở Bắc Mỹ, băng tần hỗ trợ là
700/800 và 1700/1900, Nam Mỹ là 2500 MHz, ở Châu Âu là 800/1800/2600 MHz,
Châu Á là 1800/2600 MHz, và cuối cùng ở Úc là 1800 MHz.

Hình 1. Các đặc tả kỹ thuật cơ bản của 4G/LTE

3


1.2

Hệ thống mạng LTE
1.2.1 Kiến trúc mạng LTE
Kiến trúc mạng LTE được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ hoàn tồn chuyển

mạch gói với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ cao và độ trễ tối thiểu. Hệ
thống 4G/LTE gồm có các thành phần chính như sau [1]:
 Thiết bị người sử dụng UE (User Equipment)
 Mạng truy cập vô tuyến EUTRAN (4G-Evolved UMTS Radio Access
Network)
 Mạng lõi chuyển mạch gói EPC (Evolved Packet Core)
Trong đó phần EUTRAN và EPC kết hợp lại còn được gọi là EPS (Evolved
Packet System)

Hình 2. Kiến trúc mạng LTE
EPS được thiết kế phẳng hơn, đơn giản hơn so với cấu trúc hệ thống mạng
lõi GPRS (chỉ với 2 nút cụ thể là nút B - eNodeB và phần tử quản lý di động
MME/GW), do đã loại bỏ các thành phần không hợp lý khỏi kiến trúc và phân chia
lại vai trò của control plane và user plane hợp lý hơn (VD, phần điều khiển mạng vô

tuyến RNC được loại bỏ khỏi đường dữ liệu và chức năng của nó được thực hiện
trong các eNodeB). Thành phần chính của EPS bao gồm Evolved NodeB (eNodeB),
Mobility Management Entity (MME), Serving Gateway (S-GW), Home Subscriber
Server (HSS), Packet Data Network Gateway (PDNGW or P-GW) [22].

4


Hình 3. Chức năng của các thành phần trong LTE.
Evolved NodeB (eNodeB) là trạm cơ bản “base station” trong hệ thống EPS.
Một trong những chức năng của nó là để thực hiện nén tiêu đề ở tầng IP [21]. Nó xử
lý các vấn đề:
 Quản lý tài nguyên vô tuyến
 Nén tiêu đề IP và mã hóa luồng dữ liệu người dùng
 Lựa chọn một MME cho UE khi không có định tuyến cho UE đó đến
MME
 Định tuyến dữ liệu của người dùng tới S-GW
 Lập kế hoạch và truyền các bản tin phân trang
 Lập kế hoạch và truyền thông tin broadcast, đo lường và báo cáo đo
lường
 Lập kế hoạch và truyền các bản tin PWS
Mobility Management Entity (MME) có trách nhiệm xác thực
(authenticating), xác định quyền (authorizing) cho UE và được kết nối với HSS.
Trên thực tế, MME có các chức năng giống như SGSN mà khơng có tính năng
5


chuyển tiếp gói tin. Về cơ bản, MME là phần điều khiển của SGSN như là một kết
quả của phân chia chức năng giữa Control và User planes [21]. Nó có các chức
năng sau:

 Báo hiệu NAS
 Bảo mật báo hiệu NAS
 Điều khiển kiểm soát AS
 Báo hiệu node Inter-CN cho di động giữa các mạng truy nhập 3GPP
 Chế độ có thể truy cập UE ở chế độ không hoạt động (Idle mode)
 Theo dõi quản lý danh mục vùng (đối với UE ở chế độ idle và active)
 Lựa chọn PDN-GW S-GW
 Lựa chọn MME khi chuyển giao (handovers) có MME thay đổi
 Lựa chọn SGSN cho việc chuyển giao sang mạng truy nhập 3G/2G
 Chuyển vùng
 Xác thực
 Các chức năng quản lý bearer bao gồm thiết lập bearer dành riêng Hỗ trợ
truyền bản tin PWS
Home Subscriber Server (HSS) có các chức năng giống như HLR trong hệ
thống GPRS. Nó giữ các hồ sơ thuê bao (subscriber profiles) cho mục đích nhận
thực, xác định quyền và nó cũng chứa các thơng tin về các dịch vụ mặc định cho
thuê bao [21].
Serving Gateway (S-GW) là neo di động (mobility anchor) cho việc di động
giữa các eNodeB. Chức năng chính của nó là định tuyến các gói tin từ eNodeB tới
P-GW ở đường lên, và từ P-GW tới eNodeB ở đường xuống. Đối với thiết bị người
dùng (UE), một S-GW luôn sẵn sàng, bất kể số lượng kết nối mạng. Tuy nhiên, SGW có thể thay đổi do việc quản lý lưu động (mobility management). Do đó, UE có
thể có nhiều S-GWs theo thời gian. Chức năng của S-GW tương tự như chức năng
SGSN trên User Plane [21]. Nó có các chức năng sau:
6


 Điểm neo di động cục bộ cho việc chuyển giao giữa các eNodeB
 Neo di động cho việc di động giữa các 3GPP
 Buffering gói tin đường xuống trong chế độ idle E-UTRAN và khởi tạo
thủ tục yêu cầu dịch vụ kích hoạt mạng

 Ngăn chặn hợp pháp
 Định tuyến và chuyển tiếp gói tin
 Đánh dấu gói tin mức vận chuyển trong đường lên và đường xuống Tính
tốn mức chi cho người dùng và QCI, cho phép tính phí của UL và DL
trên mỗi UE, PDN, và QCI
Packet Data Network Gateway (P-GW) là gateway hoặc router kết nối UE
với mạng ngoài, thường là với Internet. So với GPRS, P-GW và GGSN có chức
năng tương đương, và P-GW có thể được sử dụng làm GGSN. Trong một số cấu
hình, S-GW và P-GW được gộp thành một phần tử, và đơi khi được gọi như SAEGW [21]. Nó có các chức năng:
 Lọc gói tin theo người dùng
 Ngăn chặn hợp pháp
 Phân bổ địa chỉ IP cho UE
 Đánh dấu gói tin mức vận chuyển ở đường xuống
 Tính phí mức dịch vụ UL và DL
1.2.2 Các điểm tham chiếu trong LTE (LTE reference points)
LTE định nghĩa các điểm tham chiếu để liên kết các khái niệm, kết nối hai
nhóm chức năng giữa các thực thể khác nhau của E-UTRAN và EPC. Những điểm
tham chiếu này được liệt kê trong Bảng 1 (dựa trên bản release 8 của tiêu chuẩn)
[21].

7


Hình 4. Mơ hình tham chiếu LTE
Có nhiều giao diện nhưng các giao diện quan trọng trong hệ thống EPS là S1
(S1-MME và S1-U), S11, S5, và SGi. Các giao diện này được mô tả chi tiết như
bảng 1 ở bên dưới [11]:
Điểm tham Điểm cuối
Mô tả
chiếu

S1-U
E-UTRAN
Đường hầm mặt phẳng người sử dụng cho mỗi bearer và
(eNodeB) và S- chuyển mạch đường giữa các eNodeB trong q trình
GW
chuyển giao
S3

S4
S5

S6a

S10
S11

Nó cho phép người dùng và bearer trao đổi thông tin khi
di chuyển giữa các mạng 3GPP trong trạng thái idle
và/hoặc active
S-GW và SGSN
Nó cung cấp sự điều khiển liên quan và hỗ trợ di động
giữa mạng lõi GPRS và chức năng neo 3GPP của S-GW
S-GW và PDN- Nó được sử dụng cho việc định vị lại S-GW do tính di
GW
động của UE và nếu S-GW cần kết nối với một noncollocated PDN-GW
MME và HSS
Nó cho phép chuyển dữ liệu thuê bao và dữ liệu xác
thực để xác thực và cho phép người dùng truy cập MME
và HSS
MME và MME

Để định vị lại MME và MME để chuyển thơng tin
MME
MME và S-GW
Nó là giao diện điều khiển (control plane)
MME và SGSN

8


S12
Gx

SGi

Rx

Tạo đường hầm user plane khi đường hầm trực tiếp
được thiết lập
Nó cung cấp chuyển đổi chính sách QoS và các quy
định tính phí thành chính sách và hàm thực thi tính phí
(Charging Enforcement Function - PCEF) trong PDNGW
PDN-GW
và Có thể kết nối các mạng mạng dữ liệu gói riêng hoặc
PDN
cơng cộng hoặc giữa các mạng dữ liệu gói trong mạng
nội bộ, ví dụ như để cung cấp các dịch vụ IMS
PCRF và PDN
Điểm tham chiếu Rx nằm giữa AF và PCRF
UTRAN và SGW
PCRF và PDNGW

Bảng 1. Các điểm tham chiếu trong LTE
1.2.3 Các chồng giao thức trong LTE (control and user plane protocol)
Chồng giao thức trong LTE được phân thành hai nhóm chính: giao thức user
plane và giao thức control plane [15]. Nhóm giao thức user plane thực hiện vận
chuyển dữ liệu của người dùng thông qua tầng truy cập (access stratum) và giao
thức control plane chịu trách nhiệm kiểm soát, điều khiển các kết nối giữa UE và
mạng và các thiết bị truy cập vơ tuyến.

Hình 5. Chồng giao thức LTE (LTE protocol layers)

9


 Lớp vật lý: Mang tất cả thông tin từ các kênh vận chuyển MAC qua mơi
trường khơng khí. Chú ý tới việc điều chỉnh liên kết (AMC), điều khiển
công suất, tìm kiếm cell (cho mục đích đồng bộ và chuyển giao ban đầu)
và các phép đo khác (bên trong hệ thống LTE và giữa các hệ thống) cho
lớp RRC [15].
 MAC: lớp này cung cấp một tập hợp các kênh logic cho lớp con RLC mà
nó ghép vào các kênh vận chuyển lớp vật lý. Nó cũng quản lý sửa lỗi
HARQ, điều khiển thứ tự ưu tiên của các kênh logic cho cùng một UE và
lập kế hoạch động giữa các UE, vv [15]
 RLC: Nó vận chuyển các PDU của PDCP. Nó có thể hoạt động ở ba chế
độ khác nhau tùy thuộc vào độ tin cậy được cung cấp. Tùy thuộc vào các
chế độ này nó có thể cung cấp dịch vụ sửa lỗi ARQ, phân mảnh/ghép các
PDU, , phát hiện lặp, v.v ... [15]
 PDCP: Đối với lớp RRC, nó cung cấp vận chuyển dữ liệu của nó với sự
bảo vệ thơng qua việc mã hố và tồn vẹn và vận chuyển các gói tin IP,
có nén header ROHC, mã hóa, và tùy thuộc vào phân phối theo chuỗi

trong RLC, phát hiện trùng lặp, và truyền lại các SDUs của riêng mình
trong quá trình chuyển giao [15].
 RRC: Nó quan tâm đến thơng tin của hệ thống broadcast liên quan đến
tầng truy cập và vận chuyển cho các thông điệp của Non-Access Stratum
NAS, phân trang, thiết lập và giải phóng kết nối RRC, quản lý khố an
tồn, chuyển giao, QoS, v.v. [15]
Nói cách khác, các lớp kết nối với chồng giao thức E-UTRAN là:
 NAS: Giao thức giữa UE và MME. Giữa các thực thể khác thực hiện
chứng thực UE và kiểm soát an ninh và tạo ra một phần của các thông
báo phân trang
 Lớp IP
Chồng giao thức user plane protocol
10


Hình 4 cho thấy chồng giao thức user plane bao gồm giao diện EUTRAN và
S1 của một hệ thống thông thường. Truy cập vô tuyến sử dụng các giao thức MAC,
RLC, và PDCP. Phần user plane của giao diện S1 được dựa trên giao thức GPRS
Tunneling Protocol - GTP, sử dụng một kỹ thuật đường hầm đảm bảo rằng các gói
tin IP gắn với một UE được phân phối tới đúng eNodeB kết nối với UE đó. GTP
đóng gói gói tin IP gốc vào một gói IP bên ngồi trước khi gửi tới eNodeB. Giao
diện S1 có thể được hoạt động trên các công nghệ lớp 1/lớp 2 khác nhau, ví dụ như
qua các mơi trường cáp quang, cáp đồng (leased lines) hay qua kết nối vơ tuyến
[17].

Hình 6. Chồng giao thức User plane protocol
Chồng giao thức control plane protocol
Chức năng của chồng giao thức điều khiển là để điều khiển truy cập vô
tuyến, kết nối giữa UE và mạng, tức là, báo hiệu giữa E-UTRAN và EPC [17]. Mặt
phẳng điều khiển bao gồm các giao thức điều khiển và hỗ trợ các chức năng trong

mặt phẳng người dùng:

11


Hình 7. Chồng giao thức Control plane protocol
 Điều khiển/kiểm soát kết nối truy cập mạng E-UTRAN, chẳng hạn như
gắn và tách ra khỏi E-UTRAN.
 Điều khiển/kiểm soát các thuộc tính của một kết nối truy cập mạng đã
được thiết lập, chẳng hạn như kích hoạt một địa chỉ IP.
 Điều khiển/kiểm soát đường dẫn định tuyến của một kết nối mạng được
thiết lập để hỗ trợ tính di động của người dùng.
 Điều khiển/kiểm soát việc phân bổ các tài nguyên mạng để đáp ứng nhu
cầu thay đổi của người sử dụng.
1.3

Vấn đề sử dụng tài nguyên địa chỉ IP
1.3.1 Xu hướng tăng trưởng về số lượng người sử dụng Internet
Thế giới ngày nay chứng kiến sự bùng bổ của Internet, với số lượng người sử

dụng Internet là 3.5 tỉ người - chiếm hơn 42% dân số toàn cầu (4/2017). Theo tốc
độ phát triển như trên, dự đoán đến năm 2018 số lượng người dùng Internet sẽ đạt
mốc hơn 4 tỉ người sử dụng [12].

12


Hình 8. Số lượng người dùng Internet trên thế giới (theo Internet Live Stats)
Song song với sự phát triển về Internet, một xu hướng phát triển mạnh mẽ
khác chính là sự phát triển của thông tin di động. Số lượng các thiết bị di động

thơng minh có kết nối mạng Internet đang ngày càng tăng lên, đáp ứng nhu cầu kết
nối và giải trí tốc độ cao từ bất cứ nơi đâu, bất cứ thời điểm nào của con người; điều
này đòi hỏi sự phát triển song song của các hệ thống cơ sở hạ tầng, mạng băng rộng.
Với tổng 4.3 tỉ địa chỉ IPv4 hiện có, sự phát triển bùng nổ của Internet đã vượt quá
khả năng đáp ứng của không gian địa chỉ.
1.3.2 Xu hướng và sự phát triển của mạng băng rộng
Theo thống kê của Cisco, đến cuối năm 2016, các thiết bị di động và kết nối
toàn cầu đã đạt con số 8,0 tỷ thiết bị (tăng so với mức 7,6 tỷ vào năm 2015), trong
đó thiết bị di động thông thường chiếm đến 50%, smart phone là 32% và phần còn
lại là của các thiết bị thông minh khác. Đến năm 2021, tổng số thiết bị di động trên
toàn cầu sẽ tăng lên, dự kiến có khoảng 11,6 tỷ thiết bị (smartphone chiếm khoảng
40%) [13].

13


Hình 9. Thống kê số lượng thiết bị di động đến 2021 (nguồn Cisco VNI Mobile)
Tuy số lượng thiết bị di động thông minh chỉ chiếm 32% tổng số các thiết bị
di động toàn cầu; tuy nhiên tổng lưu lượng dữ liệu kết nối trong năm 2017 của
chúng lại chiếm tới 86% của lưu lượng dữ liệu di động. Các thống kê cho thấy, lưu
lượng dữ liệu trung bình được tạo ra từ một smartphone gấp 14 lần so với một thiết
bị di động thơng thường. Đó là bởi vì các thiết bị thơng minh có thể cung cấp các
hình thức giải trí đa phương tiện thơng qua kết nối mạng băng rộng 3G, 4G, …

Hình 10. Thống kê lưu lượng của thiết bị đến 2021 (nguồn Cisco VNI Mobile)
Những thống kê mới nhất cho thấy tốc độ phát triển của mạng 3G và 4G
trong vài năm qua là rất nhanh và sẽ còn phát triển mạnh hơn trong thời gian tới.

14

Hình 11. Tốc độ phát triển của mạng băng rộng (nguồn Cisco VNI Mobile)
1.4

Kết luận:
Với các thông tin trên, phần nào đã cho thấy, trong bối cảnh các nhà cung

cấp dịch vụ di động trên thế giới đang không ngừng phát triển mạng di động của
mình sang thế hệ mạng di động mới như 3G, 3.5G hay 4G/LTE, và cùng với đó là
việc cạn kiệt số lượng địa chỉ IPv4 không thể cung cấp cho một số lượng lớn các
thiết bị điện thoại và các thiết bị di động thông minh sẽ phát sinh trong tương lai.
Các nhà cung cấp dịch vụ di động buộc phải có những biện pháp đúng đắn để đảm
bảo nhu cầu sử dụng lưu lượng dữ liệu ngày càng tăng của khách hàng. Thay vì cố
gắng duy trì tuổi thọ của mạng IPv4 bằng cách triển khai các giải pháp NAT nhằm
xử lý vấn đề thiếu hụt địa chỉ IP nhưng không xử lý triệt để vấn đề cạn kiệt địa chỉ
IPv4. Điều các nhà mạng di động cần làm ngay là bắt tay vào việc triển khai IPv6,
hướng đến giải pháp lâu dài, mang tính chiến lược và có thể mở rộng dễ dàng với
quy mô lớn và việc nghiên cứu phát triển IPv6 trên nền tảng công nghệ di động
4G/LTE cũng không nằm ngồi mục đích ấy.

15


CHƯƠNG 2 - GIAO THỨC THẾ HỆ MỚI IPv6 VÀ TÌNH HÌNH TRIỂN
KHAI
2.1

Tổng quan
Trước nguy cơ thiếu hụt khơng gian địa chỉ, cùng những hạn chế của IPv4

thúc đẩy sự đầu tư nghiên cứu một giao thức Internet mới, khắc phục những hạn chế
của giao thức IPv4 và đem lại những đặc tính mới cần thiết cho dịch vụ và cho hoạt
động mạng thế hệ tiếp theo. Giao thức Internet mà IETF đã đưa ra, quyết định thúc
đẩy thay thế cho IPv4 là IPv6 (Internet Protocol Version 6), giao thức Internet phiên
bản 6, còn được gọi là giao thức IP thế hệ mới (IP Next Generation – IPng). Địa chỉ
Internet phiên bản 6 có chiều dài gấp 4 lần chiều dài địa chỉ IPv4, gồm 128 bít.
Ý tưởng về việc phát triển giao thức Internet mới được giới thiệu tại cuộc
họp IETF 25 tháng 7 năm 1994, trong RFC1752, giới thiệu thủ tục IP phiên bản
mới. Quá trình phát triển, xem xét, sửa đổi, hồn thiện hóa các thủ tục Internet
phiên bản 6 được thực hiện bởi nhóm làm việc về IPv6 của IETF. Sau nhiều năm
nghiên cứu, những hoạt động cơ bản của thế hệ địa chỉ này đã được định nghĩa và
công bố năm 1998 trong một chuỗi tài liệu tiêu chuẩn từ RFC2460 tới RFC2467
[02, 03].
2.1.1 Một số ưu điểm của IPv6 so với IPv4
Không gian địa chỉ gần như vơ hạn:
IPv6 có chiều dài bít (128 bít) gấp 4 lần IPv4 nên đã mở rộng khơng gian địa
chỉ từ khoảng hơn 4 tỷ (4.3 * 109) lên tới một con số khổng lồ (2128 = 3.3*1038).
Một số nhà phân tích cho rằng, chúng ta khơng thể dùng hết địa chỉ IPv6.
Khả năng tự động cấu hình (Plug and Play):
IPv6 cho phép thiết bị IPv6 tự động cấu hình các thơng số phục vụ cho việc
nối mạng như địa chỉ IP, địa chỉ gateway, địa chỉ máy chủ tên miền khi kết nối vào
mạng. Do vậy đã giảm thiểu việc phải cấu hình nhân cơng cho thiết bị so với công
việc phải thực hiện với IPv4. Các thao tác cấu hình này có thể khơng phức tạp đối
với máy tính song với nhu cầu gắn địa chỉ cho một số lượng lớn các thiết bị như
camera, sensor, thiết bị gia dụng… sẽ phải tiêu tốn nhiều nhân cơng và khó khăn
trong quản lý [02].
Khả năng bảo mật kết nối đầu cuối – đầu cuối:
16