Nghiên cứu giao thức định tuyến cho IPv6 ứng dụng trong mạng iot

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung trong Luận văn tơi viết hồn tồn là chính
xác và trung thực. Các tài liệu tham khảo s dụng có nguồn gốc đƣợc trích
dẫn rõ ràng. Tơi xin chịu ho n to n tr ch nhiệm nếu có dấu hiệu sao ch p từ
c c t i iệu h c Luận văn đƣợc tìm hiểu, nghiên cứu dƣới sự hƣớng dẫn của
TS. Huỳnh Công Tú, thầy

ngƣời uôn động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều

kiện thuận lợi nhất để tơi hồn thành. Tuy vậy do thời gian và khả năng có
hạn chắc chắn sẽ khơng tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận đƣợc sự góp
ý và bổ sung để luận văn đƣợc hồn chỉnh hơn trong thời gian đến.
Bình Định, ngày 20 tháng 04 năm 2021
Ngƣời thực hiện

Nguyễn Thông


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện luận văn, em đã có cơ hội đƣợc nghiên cứu,
học tập và cập nhật các kiến thức chuyên ng nh cơ bản trong các bộ mơn đã
đƣợc học ở trƣờng. Cùng với đó,

phƣơng ph p giảng dạy khoa học gắn với

thực tiễn công tác của các Thầy giảng viên trong khoa kỹ thuật công nghệ
trƣờng Đại học Quy nhơn Qua đây em cũng xin chân th nh cảm ơn Thầy

hƣớng dẫn TS. Huỳnh Cơng Tú đã giúp đỡ em hồn thành luận văn n y
Bình Định, ngày 20 tháng 04 năm 2021
Ngƣời thực hiện

Nguyễn Thông


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .................................................. vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................... ix
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. xii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................... 1
2. Tổng quan về tình hình triển khai IPv6 trên thế giới và tại Việt Nam ..... 2
2.1. Tình hình triển khai IPv6 trên thế giới ............................................... 2
2.2. Tình hình triển khai IPv6 tại Việt Nam ............................................. 3
2.3. Tình hình nghiên cứu về giao thức định tuyến cho IoT..................... 5
3. Mục đích v nhiệm vụ nghiên cứu:........................................................... 6
3.1. Mục đích nghiên cứu .......................................................................... 6
3.2. Nhiệm vụ nghiên cứu ......................................................................... 6
3.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:..................................................... 6
4 Phƣơng ph p uận v phƣơng ph p nghiên cứu:....................................... 7
5. Bố cục dự kiến của luận văn ..................................................................... 7
6 Ý nghĩa hoa học và thực tiễn của đề tài ................................................ 8
Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC IPv6 ........................................... 9
1.1. Khái quát chung về IPv6 [3] .................................................................. 9

1 2 Đặc điểm của IPv6 [3].......................................................................... 10
1.3. Cách thức biểu diễn, cấu trúc và các dạng địa chỉ IPv6 [3] ................. 11
1.3.1. Biểu diễn địa chỉ IPv6 ................................................................... 11
1.3.2. Cấu trúc của một địa chỉ IPv6 ....................................................... 12
1.3.3. Các dạng địa chỉ IPv6 ................................................................... 13
1.4. Tổng quan về giao thức bảo mật IPSec [17]. ....................................... 28


iv

1.5. Giao thức bảo mật IPSec trong mạng IPv6 [17] .................................. 32
1 5 1 M o đầu gói tin IPv6 ..................................................................... 32
1.5.2. Tích hợp bảo mật IPSec trong địa chỉ IPv6 .................................. 37
1.5.3. Nguyên tắc hoạt động của các giao thức bảo mật trong địa chỉ
IPv6 ......................................................................................................... 39
Kết luận chƣơng 1 ....................................................................................... 48
Chƣơng 2 MỘT SỐ CHUẨN GIAO TIẾP IoT VÀ CÁC CÔNG NGHỆ
CHUYỂN ĐỔI SANG IPv6............................................................................ 49
2.1. Một số chuẩn giao tiếp cho mạng IoT [15] .......................................... 49
2.1.1. Bluetooth ....................................................................................... 49
2.1.2. Zigbee ............................................................................................ 50
2.1.3. Z-wave........................................................................................... 50
2.1.4. 6LoWPAN..................................................................................... 51
2.1.5. Thread............................................................................................ 52
2.1.6. Wifi................................................................................................ 52
2.1.7. LoRa .............................................................................................. 53
2.2. Các công nghệ chuyển đổi IPv4 sang IPv6 [10] .................................. 55
2.2.1. Dual-stack ..................................................................................... 56
2.2.2. Công nghệ đƣờng hầm (Tunnel) ................................................... 56
2.2.3. Công nghệ biên dịch...................................................................... 59

Kết luận chƣơng 2 ....................................................................................... 61
Chƣơng 3 MÔ PHỎNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN IPv6 ỨNG DỤNG
TRONG MẠNG IoT ....................................................................................... 62
3.1. Giao thức định tuyến RPL.................................................................... 62
3.2. Hệ điều hành Contiki [1,2] ................................................................... 64
3 3 Đ nh gi thông số kỹ thuật của giao thức định tuyến RPL ................. 65
3.3.1. Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu [1] ............................................ 65


v

3.3.2. Cơng suất tiêu thụ trung bình của tồn mạng [1] .......................... 66
3.3.3. Thời gian sống của mạng [13] ...................................................... 66
3.3.4. Số lần thay đổi nút cha trung bình trong tồn mạng [1] ............... 67
3.4. Mơ phỏng mạng tổn hao công suất thấp dùng giao thức định tuyến
RPL.............................................................................................................. 67
3.5. Kết quả đ nh gi giao thức định tuyến RPL ........................................ 74
Kết luận chƣơng 3 ...................................................................................... 79
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 81
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (Bản sao)


vi

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt

6LoWPAN

IPv6 Protocol over Low-Power

S dụng giao thức IPv6 trong

Wireless PANs

các mạng PAN không dây công
suất thấp

AH

Authentication Header

M o đầu xác thực

APNIC

Asia- Pacific Network

Trung tâm thông tin mạng châu

Information Centre

Á- Th i Bình Dƣơng

ARP

Address Resolution Protocol

Thủ tục phân giải địa chỉ

CTP

Collection Tree Protocol

Giao thức cây thu thập dữ liệu
thực thi

DAO

Destination Advertisement

Đối tƣợng quảng b đích

Object
DDR

Data Delivery Ratio

Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu

DHCP

Dynamic Host Configuration

Giao thức cấu hình động máy

Protocol

chủ

DIO

DODAG Information Object

DODAG đối tƣợng thơng tin

DIS

DODAG Information

DODAG khuyến khích thơng tin

Solicitation
DNS

Domain Name System

Hệ thống tên miền

DODAG

Destination Oriented Direct

Đồ thị hông có chu trình đƣợc

Acyclic Graph

định hƣớng

ESP

Encrypted Security Payload

M o đầu mã hóa

ETX

Expected Transmission

Truyền kỳ vọng

IANA

Internet Assigned Numbers

Tổ chức cấp phát số hiệu Internet

Authority


vii

ICMP

Internet Control Message

Giao thức x lý các thông báo

Protocol

trạng thái cho IP

ICV

Integrity Check Value

Giá trị kiểm tra tính tồn vẹn

IEEE

Institute of Electrical and

Hội Kỹ sƣ Điện v Điện t

Electronics Engineers
IETF

Internet Engineering Task Force

Hiệp hội đặc trách kỹ thuật
Internet

IoT

Internet of Things

Internet Vạn Vật

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

IPSec

IP Security Architecture

Giao thức bảo mật Internet

IPv4

Internet Protocol version 4

Giao thức Internet phiên bản 4

IPv6

Internet Protocol version 6

Giao thức Internet phiên bản 6

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

LLN

Low- Power and Losy Networks

Mạng tổn hao công suất thấp

LTE

Long Term Evolution

Tiến hóa dài hạn

M2M

Machine-to-Machine

Tƣơng t c giữa máy với máy

NAT

Network Address Transiation

Chuyển đổi địa chỉ mạng

NAT- PT

Network Address Transiation -

Chuyển đổi địa chỉ mạng –

Protocol Transiator

chuyển đổi giao thức

QoS

Quality of Service

Chất ƣợng dịch vụ

RFC

Request for Comments

Tài liệu chuẩn cho Internet

RIPng

RIP next generation

Giao thức RIP đƣợc xây dựng
cho việc định tuyến trên nền
IPv6

RPL

Routing Protocol for Low-

Giao thức định tuyến Ipv6 dành

Power and Lossy Networks

cho mạng tổn hao công suất thấp


viii

SN

Sequence Number

Số thứ tự

SPI

Security Parameters Index

Chỉ mục tham số bảo mật

TCP

Transmission Control Protocol

Giao thức điều khiển giao vận

TTL

Time to live

Thời gian tồn tại

UDP

User Datagram Protocol

Giao thức dữ liệu ngƣời dùng

VNNIC

Vietnam Internet Network

Trung tâm Internet Việt Nam

Information Center


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình a. Tình hình triển khai IPv6 trên tồn thế giới [16]. ............................... 3
Hình b TOP c c đơn vị, doanh nghiệp triển khai IPv6 tiêu biểu tại Việt Nam
(Cập nhật 04/2021 nguồn APNIC [16])............................................ 4
Hình c. Biểu đồ tỉ lệ ứng dụng IPv6 tại Việt Nam (Cập nhật 04/2021, nguồn
APNIC [16])...................................................................................... 5
Hình 1. 1. Sự biến đổi của Internet. ................................................................ 10
Hình 1. 2. Cấu trúc thƣờng thấy của một địa chỉ IPv6. .................................. 12
Hình 1. 3. Cấu trúc địa chỉ link-local. ............................................................. 16

Hình 1. 4. Cấu trúc địa chỉ Site-local. ............................................................. 17
Hình 1. 5. Cấu trúc địa chỉ Unicast tồn cầu. ................................................. 19
Hình 1. 6. Phân cấp định tuyến địa chỉ IPv6 Unicast toàn cầu. ...................... 19
Hình 1. 7. Cấu trúc địa chỉ IPv6 multicast. ..................................................... 22
Hình 1. 8. Phạm vi (scope) của địa chỉ IPv6. .................................................. 23
Hình 1. 9. Multicast trong phạm vi link. ......................................................... 25
Hình 1. 10. Cấu th nh địa chỉ solicited-node multicast từ địa chỉ unicast..... 27
Hình 1. 11. IPSec chế độ Tunnel mode........................................................... 31
Hình 1. 12. Cấu trúc gói tin IPv6. ................................................................... 33
Hình 1 13 Định dạng gói tin IPv6. ................................................................ 34
Hình 1. 14. Các giá trị của trƣờng Next Header. ............................................ 35
Hình 1 15 M o đầu mở rộng của địa chỉ IPv6. ............................................. 36
Hình 1 16 Định dạng của Extension Header. ................................................ 37
Hình 1. 17. IPSec trong chế độ Transport. ...................................................... 38
Hình 1. 18. IPSec trong chế độ Tunnel. .......................................................... 39
Hình 1 19 Định dạng m u đầu IPSec AH. .................................................... 39
Hình 1. 20. Hai chế độ xác thực của AH. ....................................................... 41


x

Hình 1 21 M o đầu đƣợc xác thực trong chế độ IPv6 AH Transport (Phần
m u nâu đậm là phần dữ liệu dƣợc xác thực). ................................ 42
Hình 1 22 M o đầu đƣợc xác thực trong chế độ IPv6 AH Tunnel (Phần màu
nâu đậm là phần dữ liệu đƣợc xác thực). ........................................ 42
Hình 1. 23. Mơ tả AH xác thực v đảm bảo tính tồn vẹn dữ liệu. ................ 43
Hình 1 24 Định dạng m o đầu IPsec ESP..................................................... 44
Hình 1 25 M o đầu đƣợc mã hóa trong chế độ IPv6 ESP Transport (Phần
m u nâu đậm là phần dữ liệu đƣợc mã hóa). .................................. 45
Hình 1 26 M o đầu đƣợc mã hóa trong chế độ IPv6 ESP Tunnel (Phần màu

nâu sậm là phần dữ liệu đƣợc mã hóa). .......................................... 46
Hình 1. 27. Ngun tắc hoạt động của ESP Header. ...................................... 46
Hình 2. 1. Gói Radio của LoRa. ...................................................................... 54
Hình 2 2 Ngăn xếp kép.................................................................................. 56
Hình 2. 3 Cơ chế mơi giới đƣờng hầm........................................................... 58
Hình 2 4 Cơ chế 6to4 [14]............................................................................. 59
Hình 2. 5. Dịch địa chỉ mạng- Dịch giao thức. ............................................... 60
Hình 3. 1. Mơ hình cấu trúc mạng DODAG [1]. ............................................ 63
Hình 3. 2. Thực thi giao thức RPL trên hệ điều hành Contiki. ....................... 65
Hình 3. 3. Mạng thu thập dữ liệu với một nút can thiệp. Các vòng tròn hiển thị
phạm vi giao thoa. ........................................................................... 71
Hình 3. 4. Cấu trúc thơng điệp của nút g i. .................................................... 73
Hình 3. 5. Nhật ký nội bộ. ............................................................................... 73
Hình 3. 6. Bản ghi thơng điệp nút chìm. ......................................................... 73
Hình 3. 7. Bản ghi thơng điệp xuất ra. ............................................................ 73
Hình 3. 8. So sánh cơng suất tiêu thụ trung bình [1]. ..................................... 75
Hình 3 9 Sơ đồ bố trí các nút mạng .............................................................. 76


xi

Hình 3. 10. Mức tiêu thụ năng ƣợng của các nút mạng bố trí theo sơ đồ hình
3.9 .................................................................................................... 76
Hình 3. 11. Sự phụ thuộc của mức tiêu thụ năng ƣợng vào số nút cảm biến. 77
Hình 3. 12. . Mức tiêu thụ năng ƣợng của mạng gồm 10,15,20,25 nút cảm
biến. ................................................................................................. 78


xii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1 1 Địa chỉ multicast mọi node. ........................................................... 24
Bảng 1 2 Địa chỉ multicast mọi router. ......................................................... 25
Bảng 3. 1. Kịch bản đ nh gi mô phỏng [1]. .................................................. 74


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Mạng Internet và các mạng dùng công nghệ IP đã trở nên rất quan trọng
trong cuộc sống của xã hội hiện đại ngày nay. Mạng Internet đã tạo ra mơi
trƣờng hoạt động tồn cầu cho tất cả mọi ngƣời tham gia, gần nhƣ xóa đi biên
giới giữa các quốc gia, thu ngắn khoảng c ch 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 tồn cầu. Sự phát triển này cùng
với sự tích hợp dịch vụ, triển khai những dịch vụ mới, kết nối nhiều mạng
h c nhau, nhƣ mạng di động với mạng Internet đã đặt ra vấn đề thiếu tài
nguyên dùng chung. Việc s dụng hệ thống địa chỉ hiện tại cho mạng IPv4 sẽ
hông đ p 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 phƣơng thức
đ nh địa chỉ mới nhằm khắc phục những hạn chế này là một yêu cầu tất yếu
cần đƣợc làm ngay.
Hiện nay, IoT (Internet of Things) đang

một chủ đề nóng thu hút đƣợc

nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới [6,9,12]. Nhiều chuẩn
giao thức h c nhau đã đƣợc đề xuất cho mơ hình mạng IoT. Trong bối cảnh
bùng nổ về công nghệ thông tin, mạng Internet ngày càng mở rộng, các thiết

bị và cơng nghệ Internet hiện có nhƣ điện thoại thơng minh, máy tính bảng,
m y tính x ch tay, đồng hồ thơng minh, thiết bị và tự động hóa tịa nh cũng
đƣợc coi là một phần của Internet of Things. Quan niệm mới này về việc mở
rộng Internet đến mọi thứ là khả thi nhờ vào phiên bản mới của giao thức
Internet (IPv6). IPv6 trải rộng hông gian địa chỉ để hỗ trợ tất cả các thiết bị
hỗ trợ Internet mới nổi.


2

IPv6 đã đƣợc thiết kế để cung cấp thông tin liên lạc an to n cho ngƣời
dùng v tính di động cho tất cả các thiết bị gắn liền với ngƣời dùng; do đó
ngƣời dùng ln có thể đƣợc kết nối C c tính năng của IPv6 là thứ đã giúp
chúng ta có thể nghĩ đến việc kết nối tất cả c c đối tƣợng và xây dựng Internet
of Things. Mục tiêu của Internet of Things là tích hợp và thống nhất tất cả các
hệ thống thông tin liên lạc xung quanh chúng ta Do đó, c c hệ thống có thể
có đƣợc tồn quyền kiểm sốt và truy cập vào các hệ thống h c để cung cấp
khả năng giao tiếp và tính tốn phổ biến với mục đích x c định một thế hệ
dịch vụ mới.
IPv6 đƣợc coi là công nghệ phù hợp nhất cho Internet of Things, vì nó
cung cấp khả năng mở rộng, tính linh hoạt, kết nối đƣợc th nghiệm, mở
rộng, phổ biến, mở và end-to-end Đây

ý do tôi chọn đề tài "Nghiên cứu

giao thức định tuyến cho IPv6 ứng dụng trong mạng IoT" làm Luận văn tốt
nghiệp Cao học Đề t i đƣợc sự hƣớng dẫn của thầy TS. Huỳnh Công Tú –
Giảng viên Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, trƣờng Đại học Quy Nhơn
2. Tổng quan về tình hình triển khai IPv6 trên thế giới và tại Việt Nam
2.1. Tình hình triển khai IPv6 trên thế giới

Do Internet phát triển quá nhanh với các loại hình dịch vụ v phƣơng
thức kết nối mạng tiêu tốn địa chỉ, kể từ năm 2011, IPv4 chính thức cạn kiệt ở
phạm vi toàn cầu IPv6 đƣợc thiết kế thay thế, để khắc phục c c nhƣợc điểm
của IPv4 v đ p ứng đƣợc các yêu cầu phát triển của công nghệ, dịch vụ
Internet thế hệ mới.
Chuyển đổi IPv6 là xu thế bắt buộc đƣợc c c nƣớc trên thế giới triển
khai mạnh với chiều hƣớng tăng nhanh, đặc biệt trong khu vực Châu Á -Thái
Bình Dƣơng Theo số liệu thống ê, tính đến tháng 7/2019, tỉ lệ ứng dụng
IPv6 toàn cầu đạt khoảng 26%, tăng trƣởng trung bình 200%. Các doanh


3

nghiệp ISP, di động, nội dung lớn trên thế giới đã chuyển đổi mạng ƣới, dịch
vụ hoạt động với IPv6 và xây dựng kế hoạch tắt dần hệ thống mạng IPv4,
nhƣ: Goog e, Faceboo , Youtube, Microsoft, Instagram, CNN

IPv6 đã trở

thành giao thức mặc định trong triển khai 4G LTE, 5G, IoT. Tỷ lệ IPv6 của
các nhà mạng di động lớn tại Hoa Kỳ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Ấn Độ, Đ i
Loan

đạt mức rất cao, tiêu biểu: T-Mobile -93,36%; Reliance Jio -90,16%;

British Sky -87,75%; Verizon Wireless -86,05%; Sprint Wireless -77.99%,
Chunghwa Telecom -74,86%...

Hình a. Tình hình triển khai IPv6 trên tồn thế giới [16].

2.2. Tình hình triển khai IPv6 tại Việt Nam
Theo lộ trình Kế hoạch h nh động quốc gia về IPv6 ban hành theo Quyết
định số 433/QĐ-BTTTT ng y 19/3/2011; điều chỉnh bổ sung theo Quyết định
số 1509/QĐ-BTTTT ngày 20/10/2014 của Bộ trƣởng Bộ Thông tin và Truyền
thông, Việt Nam đang ở năm cuối của kế hoạch h nh động quốc gia về IPv6.
Kết quả triển khai IPv6 Việt Nam đã đạt đƣợc nhiều kết quả nổi bật trên nhiều
phƣơng diện. Cụ thể nhƣ sau:
- Ngày 06/5/2013, nhân sự kiện ngày IPv6 Việt Nam 2013, mạng IPv6
Quốc gia gồm hệ thống DNS quốc gia và trạm trung chuyển Internet quốc gia
(VNIX) trên IPv6 chính thức đƣợc hai trƣơng với sự kết nối của 6 ISP (gồm
Viettel, VNPT, Netnam, FPT Telecom, SPT, VTC); tiếp tục đƣợc duy trì hoạt


4

động ổn định và phát triển với 18/20 ISP kết nối VNIX qua IPv6 (bổ sung
thêm CMC Telecom, HTC, LCS, MBG, MobiFone, SCTV, TPCOM, VNTT,
VinaData, DCNET, MTT ...) là nền tảng vững chắc cho công tác triển khai
IPv6 ở Việt Nam (tính đến 06/2020) Đối với hệ thống DNS quốc gia, hiện tại
đã có 6/7 cụm máy chủ đã hỗ trợ IPv4/IPv6 phục vụ cho vận hành cho hệ
thống tên miền quốc gia Việt Nam ".vn".
- Tính đến tháng 7/2019, Việt Nam đã có hơn 9 triệu thuê bao FTTH
(chủ yếu là thuê bao của Tập đo n VNPT, Tập đo n Viette v FPT Te ecom);
9 triệu thuê bao di động (của 03 nhà mạng lới nhất Việt Nam gồm: Viettel,
Vinaphone, Mobifone) v hơn 6 000 Website dƣới tên miền “ vn” hoạt động
tốt với IPv6; trong đó có 61 Website của cơ quan nh nƣớc, tiêu biểu có cổng
thông tin của Bộ Thông tin và Truyền thông, Bộ T i nguyên v Môi trƣờng,
UBND Tp. Đ Nẵng, UBND Tp HCM, Đồng Nai, nhiều sở TTTT .... Tỷ lệ
ứng dụng IPv6 của Việt Nam đạt 38%, Việt Nam đứng thứ 5 trên thế giới,
vƣợt qua Ma aysia v đứng thứ 1 khu vực ASEAN (nguồn APNIC), với hơn

20 000 000 ngƣời s dụng IPv6 (nguồn Cisco). Mạng Internet IPv6 Việt Nam
hoạt động ổn định, dịch vụ IPv6 đƣợc cung cấp rộng rãi tới ngƣời s dụng đã
góp phần đảm bảo cho hoạt động Internet Việt Nam bắt kịp với xu thế cơng
nghệ mới.

Hình b. TOP các đơn vị, doanh nghiệp triển khai IPv6 tiêu biểu tại Việt Nam (Cập
nhật 04/2021 nguồn APNIC [16]).


5

Hình c. Biểu đồ tỉ lệ ứng dụng IPv6 tại Việt Nam (Cập nhật 04/2021, nguồn APNIC
[16]).

2.3. Tình hình nghiên cứu về giao thức định tuyến cho IoT.
Hiện nay có nhiều chuẩn giao thức h c nhau đã đƣợc đề xuất cho mơ
hình mạng IoT. Một trong những chuẩn đó chính

việc s dụng giao thức

IPv6 trên mơi trƣờng liên kết vơ tuyến theo chuẩn IEEE 802 15 4 Để chuẩn
hóa về mặt giao thức, tổ chức chuẩn hóa quốc tế IETF đã hình thành hai nhóm
cơng t c đó

nhóm 6LoWPAN v nhóm RoLL Nhóm 6LoWPAN thực hiện

chuẩn hóa lớp thích ứng cần thiết với giao thức IPv6 trên các mạng s dụng
lớp vật lý IEEE 802.15.4 [8]. Nhóm RoLL thực hiện nhiệm vụ chuẩn hóa giao
thức định tuyến IPv6 cho các thiết bị có tài ngun hạn chế trên mơi trƣờng
liên kết vơ tuyến có tổn hao và cơng suất thấp Nhóm RoLL đã đề xuất giao

thức định tuyến RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy
Networks) nhằm xây dựng một cấu trúc liên kết mạng bền vững qua các liên
kết tổn hao công suất thấp với các yêu cầu trạng thái liên kết tối thiểu [13].
Tại Việt nam cũng đã có nghiên cứu về giao thức định tuyến cho mạng
tổn hao công suất thấp. Trong nghiên cứu [1] đã đ nh gi hiệu năng của giao
thức định tuyến RPL, giao thức định tuyến vectơ hoảng cách dựa trên IPv6


6

cho mạng cảm biến không dây. Các tác giả nghiên cứu [1] đã chỉ ra sự phù
hợp của của giao thức RPL cho mạng IoT. Năm 2019, Nguyễn Trƣờng Giang
cùng các cộng sự tại Trung tâm Internet Việt Nam đã thực hiện: “Nghiên cứu
giao thức định tuyến IPv6 ứng dụng cho mạng khơng dây cơng suất thấp”
Nhóm chủ trì đề t i đã thực hiện nghiên cứu, xây dựng và triển khai hoàn
chỉnh đề tài theo các nội dung: nghiên cứu tổng quan về định tuyến IPv6 cho
mạng không dây công suất thấp; nghiên cứu kỹ thuật và các giao thức định
tuyến IPv6 cho mạng không dây công suất thấp; nghiên cứu đề xuất mơ hình
triển hai định tuyến IPv6 cho mạng khơng dây cơng suất thấp.
3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu:
3.1. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu giao thức định tuyến IPv6 và khả năng ứng dụng cho mạng
IoT.
3.2. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan IoT.
- Nghiên cứu về giao thức định tuyến IPv6.
- Vai trò IPv6 đối với IoT
- Những tính năng mới của IPv6 so với IPv4.
- Các cách thức để triển khai IPv6.
3.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

a) Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về định tuyến IPv6 và công nghệ chuyển đổi
IPv4-IPv6
- Nghiên cứu kỹ thuật và các giao thức định tuyến IPv6 cho mạng IoT
- Mô phỏng giả lập mơ hình triển hai định tuyến IPv6 cho mạng IoT


7

b) Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu các kỹ thuật và giao thức định tuyến IPv6 ứng dụng cho
mạng IoT công suất thấp
4. Phƣơng pháp luận và phƣơng pháp nghiên cứu:
- Phân tích tài liệu, số liệu thu thập đƣợc về các vấn đề iên quan đến
giao thức định tuyến IPv6 và ứng dụng trong ĩnh vực IoT, từ đó có c i nhìn
tổng quan v đầy đủ, đ nh gi đƣợc những ƣu điểm của giao tức định tuyến
IPv6 so với các giao thức khác.
- Khảo sát số liệu và thơng số của các tổ chức chuẩn hóa.
- Xây dựng mơ hình thực nghiệm s dụng mã nguồn mở nhằm phân
tích, so s nh, đ nh gi hiệu quả của việc s dụng giao thức IPv6 và ứng dụng
mạng IoT Tìm ra c c điểm mạnh cũng nhƣ hạn chế của nó từ đó chọn lựa,
điều chỉnh cho phù hợp với thực tế.
5. Bố cục dự kiến của luận văn
Mở đầu: Tập trung làm rõ những ý do cơ bản để lựa chọn đề tài, xác
định rõ mục tiêu, đối tƣợng, phạm vi v phƣơng ph p nghiên cứu của đề tài.
Chƣơng 1: Tổng quan về giao thức IPv6
Chƣơng n y sẽ trình bày tổng quan về các nghiên cứu iên quan đến
giao thức IPv6, giới thiệu giao thức bảo mật IPSec trong IPv6 và tích hợp bảo
mật IPSec trong địa chỉ IPv6.
Chƣơng 2: Một số chuẩn giao tiếp IoT và Các công nghệ chuyển

đổi sang IPv6
Chƣơng n y sẽ trình bày các nội dung iên quan đến một số chuẩn
giao tiếp IoT và các công nghệ chuyển đổi từ địa chỉ IPv4 sang địa chỉ IPv6


8

đảm bảo không phá vỡ cấu trúc Internet cũng nhƣ

m gi n đoạn hoạt động

của mạng Internet.
Chƣơng 3: Mô phỏng giao thức định tuyến IPv6 ứng dụng trong
mạng IoT
Chƣơng n y sẽ trình bày kết quả mơ phỏng v đ nh gi hiệu năng giao
thức RPL ứng dụng cho mạng tổn hao công suất thấp.
Kết luận và hƣớng phát triển, tài liệu tham khảo
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài có thể làm tài liệu tham khảo để học tập nghiên cứu cho các cán
bộ kỹ thuật ngành viễn thông, sinh viên ng nh điện t - viễn thông và công
nghệ thông tin.
Các tổ chức, doanh nghiệp trong ĩnh vực liên quan có thể tham khảo
các nội dung nghiên cứu của luận văn để áp dụng cho các hệ thống mạng IPv6
không dây công suất thấp của mình.


9

Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ GIAO THỨC IPv6
Địa chỉ của các máy tính trên Internet hiện nay đang đƣợc đ nh số theo

thế hệ địa chỉ phiên bản 4 (IPv4) gồm 32 bít. Trên lý thuyết, khơng gian IPv4
bao gồm hơn 4 tỉ địa chỉ (thực tế thì ít hơn) Tuy nhiên đứng trƣớc sự phát
triển mạnh mẽ về số ƣợng các thiết bị trên mạng ƣới thì xảy ra nguy cơ thiếu
hụt hông gian địa chỉ IPv4; cùng với những hạn chế trong công nghệ và
những nhƣợc điểm của IPv4 đã thúc đẩy sự ra đời của một thế hệ địa chỉ
Internet mới IPv6. Đây

phiên bản đƣợc thiết kế nhằm khắc phục những hạn

chế của giao thức Internet IPv4 và bổ sung những tính năng mới cần thiết
trong hoạt động và dịch vụ mạng thế hệ mới.
Hiện nay các vấn đề bảo mật đang đƣợc quan tâm IPv6 đã đƣợc phát
triển với mục tiêu chính là cải thiện khả năng bảo mật. Trong chƣơng n y c c
vấn đề bảo mật trong mạng IPv6 sẽ đƣợc xem xét và trình bày.
1.1. Khái quát chung về IPv6 [3]
Xuất ph t điểm của IPv6 có tên gọi là IPng (Internet Protocol Next
Generation) là một phiên bản mới của IP, đƣợc thiết kế để thay thế cho giao
thức cũ IPv4 IPng đƣợc gán với phiên bản là 6 và lấy tên chính thức là IPv6.
Quan điểm chính khi thiết kế IPv6 là từng bƣớc 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 tƣơng thích tuyệt đối với mạng
Internet dùng IPv4 hiện tại. Những chức năng đã đƣợc kiểm nghiệm thành
công trên IPv4 sẽ vẫn duy trì trên IPv6. Những chức năng hông đƣợc s
dụng trên IPv4 sẽ bị loại bỏ, 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 bít địa chỉ về mặt lý thuyết có thể cung cấp một khơng gian
địa chỉ 232 = 4294967296 địa chỉ. Cịn IPv6 có 128 bít địa chỉ với khả năng


10

cung cấp địa chỉ 2128 = 340282366920938463374607431768211456 địa chỉ,
nhiều hơn hông gian địa chỉ IPv4 khoảng 8 tỷ tỷ tỷ lần vì 232 lấy trịn 4*109
cịn 2128 lấy trịn 340*1036. Số địa chỉ này nếu rải đều trên bề mặt tr i đất thì
mỗi mét vng có khoảng 665570 tỷ tỷ địa chỉ Đây

một hông gian địa chỉ

cực lớn với mục đích hơng chỉ có Internet mà cịn cho tất cả các mạng máy
tính, hệ thống viễn thơng, hệ thống điều khiển và từng vật dụng trong gia
đình…

Hình 1. 1. Sự biến đổi của Internet.

1.2. Đặc điểm của IPv6 [3]
Trong IPv6 giao thức Internet đƣợc cải tiến một cách rộng lớn để thích
nghi đƣợc sự phát triển khơng biết trƣớc đƣợc của Internet Định dạng v độ
dài của những địa chỉ IP cũng đƣợc thay đổi với những gói định dạng. Thế hệ
mới của IP hay IPv6 có những ƣu điểm nhƣ sau:
- Không gian địa chỉ lớn
- Phân cấp đ nh địa chỉ và phân cấp định tuyến rõ rệt hơn
- Đơn giản hóa việc đặt địa chỉ Host
- Khn dạng phần đầu đơn giản hóa
- Khả năng cấu hình địa chỉ tự động v đ nh số lại


11

- Khả năng x c thực và bảo mật an ninh
- Hỗ trợ tốt hơn về chất ƣợng dịch vụ QoS

- Hỗ trợ tốt hơn tính năng di động
- Khả năng mở rộng
1.3. Cách thức biểu diễn, cấu trúc và các dạng địa chỉ IPv6 [3]
1.3.1. Biểu diễn địa chỉ IPv6
Ngƣời ta không biểu diễn địa chỉ IPv6 dƣới dạng số thập phân Địa chỉ
IPv6 đƣợc viết hoặc theo 128 bít nhị phân, hoặc thành một dãy chữ số hexa
decimal. Tuy nhiên, nếu viết một dãy số 128 bít nhị phân quả là khơng thuận
tiện, v để nhớ chúng thì không thể. Do vậy, địa chỉ IPv6 đƣợc biểu diễn dƣới
dạng một dãy chữ số hexa Để biểu diễn 128 bít nhị phân IPv6 thành dãy chữ
số hexa decima , ngƣời ta chia 128 bít này thành các nhóm 4 bít, chuyển đổi
từng nhóm 4 bít thành số hexa tƣơng ứng và nhóm 4 số hexa thành một nhóm
phân cách bởi dấu “:” Kết quả, một địa chỉ IPv6 đƣợc biểu diễn thành một
dãy số gồm 8 nhóm số hexa cách nhau bằng dấu “:”, mỗi nhóm gồm 4 chữ số
hexa.

1.3.1.1. Rút gọn cách viết địa chỉ IPv6
Dãy 32 chữ số hexa của một địa chỉ IPv6 có thể có rất nhiều chữ số 0 đi
liền nhau. Nếu viết toàn bộ v đầy đủ những con số này thì dãy số biểu diễn


12

địa chỉ IPv6 thƣờng rất dài. Do vậy, có thể rút gọn cách viết địa chỉ IPv6 theo
hai quy tắc sau đây:
Quy tắc 1: Trong một nhóm 4 số hexa, có thể bỏ bớt những số 0 bên
trái. Ví dụ cụm số “0000” có thể viết th nh “0”, cụm số “09C0” có thể viết
th nh “9C0”.
Quy tắc 2: Trong cả địa chỉ IPv6, một số nhóm liền nhau chứa tồn số 0
có thể khơng viết và chỉ viết th nh “::” Tuy nhiên, chỉ đƣợc thay thế một lần
nhƣ vậy trong toàn bộ một địa chỉ IPv6 Điều này rất dễ hiểu. Nếu chúng ta

thực hiện thay thế hai hay nhiều lần các nhóm số 0 bằng “::”, chúng ta sẽ
không thể biết đƣợc số các số 0 trong một cụm “::” để từ đó hơi phục lại
chính x c địa chỉ IPv6 ban đầu.
Địa chỉ IPv6 còn đƣợc biểu diễn theo cách thức liên hệ với địa chỉ
IPv4. 32 bít cuối của địa chỉ IPv6 tƣơng ứng địa chỉ IPv4 đƣợc biết theo cách
viết thông thƣờng của địa chỉ IPv4.
1.3.1.2. Biểu diễn một dải địa chỉ IPv6
Tƣơng tự nhƣ IPv4, một dải địa chỉ IPv6 đƣợc viết dƣới dạng một địa
chỉ IPv6 đi èm với số bít x c định số bit phần mạng (bít tiền tố), nhƣ sau: địa
chỉ IPv6/số bít mạng.
1.3.2. Cấu trúc của một địa chỉ IPv6
Cấu trúc chung của một địa chỉ IPv6 thƣờng thấy nhƣ hình 1.2 (một số
dạng địa chỉ IPv6 khơng tuân theo cấu trúc này).

Hình 1. 2. Cấu trúc thƣờng thấy của một địa chỉ IPv6.


13

 Bit x c định loại địa chỉ IPv6 (bít tiền tố - prefix):
Nhƣ đã đề cập, địa chỉ IPv6 có nhiều loại khác nhau. Mỗi loại địa chỉ
có chức năng nhất định trong phục vụ giao tiếp Để phân loại địa chỉ, một số
bít đầu trong địa chỉ IPv6 đƣợc d nh riêng để x c định dạng địa chỉ, đƣợc gọi
là các bít tiền tố (prefix). Các bít tiền tố này sẽ quyết định địa chỉ thuộc loại
nào và số ƣợng địa chỉ đó trong hơng gian chung IPv6
Ví dụ: 8 bít tiền tố “1111 1111” tức “FF” x c định dạng địa chỉ multicast.
Địa chỉ multicast chiếm 1/256 hơng gian địa chỉ IPv6. Ba bít tiền tố “001”
x c định dạng địa chỉ unicast định danh toàn cầu, tƣơng đƣơng với địa chỉ
IPv4 chúng ta vẫn thƣờng s dụng hiện nay.
 C c bít định danh giao diện (interface ID):

Ngoại trừ dạng địa chỉ multicast và một số dạng địa chỉ cho mục đích
đặc biệt, địa chỉ IPv6 s dụng trong giao tiếp toàn cầu, cũng nhƣ in -local (là
địa chỉ dùng trong giao tiếp giữa các IPv6 node trên một đƣờng kết nối),
site oca (địa chỉ đƣợc thiết kế cho giao tiếp trong phạm vi một site) đều có 64
bít cuối cùng đƣợc s dụng để x c định một giao diện duy nhất trên một
đƣờng kết nối (tƣơng đƣơng với một mạng con “subnet”) Nhƣ vậy, một phân
mạng con nhỏ nhất của địa chỉ IPv6 sẽ có ích thƣớc /64.
1.3.3. Các dạng địa chỉ IPv6
1.3.3.1. Tổng quan về phân loại địa chỉ IPv6
Địa chỉ IPv6 khơng cịn duy trì khái niệm broadcast. Theo cách thức gói
tin đƣợc g i đến đích, IPv6 bao gồm ba loại địa chỉ sau:
 Unicast: Địa chỉ unicast x c định một giao diện duy nhất. Trong mơ
hình định tuyến, c c gói tin có địa chỉ đích

địa chỉ unicast chỉ đƣợc g i