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 tôi viết hoàn toàn là chính

xác và trung thực. Các tài liệu tham khảo s dụng có nguồn gốc đƣợc trích

dẫn rõ ràng. Tôi 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 tôi hoàn thành. Tuy vậy do thời gian và khả năng có

hạn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận đƣợc sự góp

ý và bổ sung để luận văn đƣợc hoàn 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 môn 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 Công Tú đã giúp đỡ em hoàn 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. Công suất tiêu thụ trung bình của toàn 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 toàn mạng [1]............... 67

3.4. Mô 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

Wireless PANs

S dụng giao thức IPv6 trong

các mạng PAN không dây công

suất thấp

AH Authentication Header M o đầu xác thực

APNIC Asia- Pacific Network

Information Centre

Trung tâm thông tin mạng châu

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

Object

Đối tƣợng quảng b đích

DDR Data Delivery Ratio Tỷ lệ chuyển phát bản tin dữ liệu

DHCP Dynamic Host Configuration

Protocol

Giao thức cấu hình động máy

chủ

DIO DODAG Information Object DODAG đối tƣợng thông tin

DIS DODAG Information

Solicitation

DODAG khuyến khích thông tin

DNS Domain Name System Hệ thống tên miền

DODAG Destination Oriented Direct

Acyclic Graph

Đồ thị hông có chu trình đƣợc

định hƣớng

ESP Encrypted Security Payload M o đầu mã hóa

ETX Expected Transmission Truyền kỳ vọng

IANA Internet Assigned Numbers

Authority

Tổ chức cấp phát số hiệu Internet

vii

ICMP Internet Control Message

Protocol

Giao thức x lý các thông báo

trạng thái cho IP

ICV Integrity Check Value Giá trị kiểm tra tính toàn vẹn

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Hội Kỹ sƣ Điện v Điện t

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 -

Protocol Transiator

Chuyển đổi địa chỉ mạng –

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￾Power and Lossy Networks

Giao thức định tuyến Ipv6 dành

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

Information Center

Trung tâm Internet Việt Nam

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình a. Tình hình triển khai IPv6 trên toàn 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 toàn 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