CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VÀ NHU CẦU TRIỂN KHAI IPv6 CHO MẠNG KHÔNG DÂY CÔNG SUẤT THẤP 1.1 Tổng quan về địa chỉ IPv6 Trước nguy cơ thiếu hụt không 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, hoàn 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. IPv6 được thiết kế với những tham vọng và mục tiêu như sau: - Không gian địa chỉ lớn hơn và dễ dàng quản lý không gian địa chỉ. - Hỗ trợ kết nối đầu cuối-đầu cuối và loại bỏ hoàn toàn công nghệ NAT - Quản trị TCP/IP dễ dàng hơn: DHCP được sử dụng trong IPv4 nhằm giảm cấu hình thủ công TCP/IP cho host.
IPv6 được thiết kế với khả năng tự động cấu hình mà không cần sử dụng máy chủ DHCP, hỗ trợ hơn nữa trong việc giảm cấu hình thủ công. - Cấu trúc định tuyến tốt hơn: Định tuyến IPv6 được thiết kế hoàn toàn phân cấp. - Hỗ trợ tốt hơn Multicast: Multicast là một tùy chọn của địa chỉ IPv4, tuy nhiên khả năng hỗ trợ và tính phổ dụng chưa cao. 3 - Hỗ trợ bảo mật tốt hơn: IPv4 được thiết kế tại thời điểm chỉ có các mạng nhỏ, biết rõ nhau kết nối với nhau.
Do vậy bảo mật chưa phải là một vấn đề được quan tâm. Song hiện nay, bảo mật mạng Internet trở thành một vấn đề rất lớn, là mối quan tâm hàng đầu. - Hỗ trợ tốt hơn cho di động: Thời điểm IPv4 được thiết kế, chưa tồn tại khái niệm về thiết bị IP di động. Trong thế hệ mạng mới, dạng thiết bị này ngày càng phát triển, đòi hỏi cấu trúc giao thức Internet có sự hỗ trợ tốt hơn.
Để thực hiện được những mục tiêu trên, gói tin IPv6 đã được thiết kế lại bao gồm 2 loại mào đầu như hình bên dưới: Mào đầu cơ bản: độ dài cố định 40 byte, chứa các thông tin cơ bản để xử lí gói tin IPv6. Mào đầu mở rộng: Chứa những thông tin tính năng mở rộng (xác thực, mã hóa.) hoặc các dịch vụ thêm vào.1: Cấu trúc gói tin IPv6 a. Mào đầu cơ bản: Mào đầu cơ bản bao gồm các trường được mô tả như hình vẽ bên dưới: 4 Hình 1.2: Mào đầu gói tin IPv6 - Version – 4 bít: Cùng tên với trường trong địa chỉ IPv4. Chỉ khác giá trị thể hiện địa chỉ phiên bản 6.
- Traffic Class – 8 bít:: Thực hiện chức năng tương tự trường “Service Type” của địa chỉ IPv4. Trường này được sử dụng để biểu diễn mức độ ưu tiên của gói tin, ví dụ gói tin nên được truyền với tốc độ nhanh hay thông thường, hướng dẫn thiết bị thông tin xử lý gói một cách tương ứng. - Payload Length – 16 bít: Trường này thay thế cho trường Total length của địa chỉ IPv4. Tuy nhiên, nó chỉ xác định chiều dài phần dữ liệu (payload).
Phần dữ liệu trong gói tin IPv6 đƣợc tính bao gồm cả header mở rộng. Bằng 16 bit, trường Payload Length có thể chỉ định chiều dài phần dữ liệu của gói tin IPv6 lên tới 65,535 byte. - Hop Limit - 8 bit: Thay thế trường Time to live của địa chỉ IPv4. - Next Header – 8 bít: Thay thế trường Protocol.
Trường này chỉ định đến header mở rộng đầu tiên của gói tin IPv6 (nếu có) đặt sau header cơ bản, hoặc chỉ định tới thủ tục lớp trên nhƣ TCP, UDP, ICMPv6 khi trong gói tin IPv6 không có phần header mở rộng. Nếu sử dụng để chỉ định thủ tục lớp trên, trường này sẽ có giá trị tương tự nhƣ trường Protocol của địa chỉ IPv4. 5 - Source Address: Địa chỉ nguồn, chiều dài là 128 bít. - Destination Address: Địa chỉ đích, chiều dài là 128 bít.
Mào đầu mở rộng: - Chứa những thông tin tính năng mở rộng (xác thực, mã hóa.) hoặc các dịch vụ thêm vào. - Có thể có nhiều mào đầu mở rộng trong 1 gói tin IPv6. - Các mào đầu mở rộng được đặt nối tiếp nhau theo qui định, mỗi loại header mở rộng có cấu trúc trường riêng. - Thường các mào đầu mở rộng được xử lí tại thiết bị định tuyến đích, tuy nhiên cũng có các mào đầu mở rộng được xử lí tại mọi hop gói tin đi qua (mào đầu mở rộng dạng Hop-by-Hop).
- Trong mọi mào đầu mở rộng đều có trường Next Header như trong mào đầu cơ bản, trường Next Header này sẽ chỉ ra hmào đầu mở rộng kế tiếp nó. - Các loại mào đầu mở rộng được mô tả trong bảng sau: Bảng 1.1: Các dạng mào đầu mở rộng STT Loại header mở rộng Mô tả chức năng 1 Hop by Hop Chứa những thông tin, tham số được xử lí tại từng hop gói tin đi qua 2 Destination Mang thông tin địa chỉ đích tiếp theo. 3 Routing Để gói tin đi theo 1 tuyến đường xác định trước, không tùy thuộc vào lựa chọn đường đi của các routing protocol. Trường này chứa danh sách các địa chỉ đích mà gói tin sẽ phải đi qua.
4 Fragment Để các router trên đường đi ko phải thực hiện việc phân mảnh, việc phân mảnh thực hiện ngay tại nguồn gửi ==> giảm tải cho các router. 5 Authentication&ESP 6 Trong phần này, em đã trình bày cấu trúc cơ bản của gói tin IPv6. Tuy nhiên, để có thể triển khai trong môi trường đặc thù như mạng không dây công suất thấp, cấu trúc gói tin IPv6 cần phải được mã hóa lại để phù hợp hơn. Trong các phần tiếp theo, em sẽ tập trung nghiên cứu nôi dung này.2 Tổng quan về Internet của vạn vật (IoT/IoE) Internet của vạn vật, viết tắt là IoT (tiếng Anh: Internet of Things) là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính.
IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó.3: Khái niệm Internet vạn vật (IoT) Hay hiểu một cách đơn giản IoT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau. Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G), 7 Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy pha cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác. Cisco, nhà cung cấp giải pháp và thiết bị mạng hàng đầu hiện nay dự báo: Đến năm 2020, sẽ có khoảng 50 tỷ đồ vật kết nối vào Internet, thậm chí con số này còn gia tăng nhiều hơn nữa.
IoT sẽ là mạng khổng lồ kết nối tất cả mọi thứ, bao gồm cả con người và sẽ tồn tại các mối quan hệ giữa người và người, người và thiết bị, thiết bị và thiết bị. Một mạng lưới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng. Một con người sống trong thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối tượng có khả năng theo dõi.4: Số lượng thiết bị kết nối dự kiến đến 2020 IoT có ứng dụng vô cùng rộng rãi và đa dạng, có thể liệt kê tập trung ở một số lĩnh vực sau: - Quản lí hạ tầng 8 - Quản lí đô thị - Quản lí môi trường - Mua sắm thông minh - Quản lí các thiết bị cá nhân - Tự động hóa ngôi nhà - Y tế thông minh. - Thành phố thông minh.
Trong các ứng dụng nêu trên của IoT thì môi trường mạng không dây công suất thấp tầm gần (LoWPAN) đóng một vai trò quan trọng. Đây là môi trường chủ đạo trong IoT để các vật thể có thể kết nối với nhau trong phạm vi tầm gần. Trong phần tiếp theo, em sẽ nghiên cứu các khái niệm, đặc điểm của môi trường này.3 Tổng quan về mạng không dây công suất thấp 1.1 Khái niệm Một mạng không dây công suất thấp tầm gần (Low Power Wireless Personal Area Network – LoWPAN) là một mạng thông tin liên lạc chi phí thấp cho phép các ứng dụng, dịch vụ hoạt động thông qua kết nối không dây với công suất và băng thông hạn chế. Một mạng LoWPAN thường bao gồm các thiết bị phù hợp với tiêu chuẩn IEEE 802.
Các thiết bị tuân theo chuẩn IEEE 802.4 có các đặc điểm như sau: sử dụng sóng ngắn, tốc độ thấp, công suất thấp và giá thành thấp, hạn chế về năng lực tính toán, bộ nhớ….4 là một chuẩn để xác định lớp vật lý và lớp điều khiển truy cập trong mạng không dây tốc độ thấp (low-rate wireless personal area networks = LR- WPANs). Nó được tạo ra bởi nhóm IEEE 802. Nó là cơ sở cho việc triển khai các kỹ thuật như ZigBee, WirelessHART, MiWi,… Ngoài ra, nó cũng được sử dụng để triển khai 6LoWPAN, cũng như là tiền đề cho việc xây dựng các RFC liên quan tới mạng “wireless embedded Internet”.2 Đặc điểm Các thiết bị trong mạng không dây công suất thấp có thể hoạt động trong 3 dải tần số 868/915/2450 MHz, cụ thể: - 868.6 MHz: Dùng cho khu vực Châu Âu. - 902–928 MHz: Dùng cho khu vực Bắc Mỹ.5 MHz: Dùng trong phạm vi trên toàn thế giới.
Sử dụng các gói tin có kích thước nhỏ để truyền tải thông tin. Giả sử rằng các gói tin lớp vật lý tối đa là 127 byte, dẫn đến kích thước khung hình tối đa ở lớp điều khiển truy cập là 102 byte.