Hành trình giao thức Internet từ IPv4 đến IPv6

Câu chuyện bắt đầu

Trong thập niên 1970, đã có nhiều nỗ lực nhằm kết nối các máy tính đơn lẻ (Stand-alone) thành những mạng máy tính cơ bản. Hơn nửa tá hệ thống mạng đã ra đời trong thời kỳ này như: ARPANet, NPL Mark I, CYCLADES, ... trong đó ARPANet bao gồm 2 hệ thống mạng là PRNet và SATNet.

Một vấn đề lớn xuất hiện trong thời kỳ này: Tất cả các hệ thống mạng này đều không thể nói chuyện được với nhau. Năm 1973, Bob Kahn và Vint Cerf là hai chuyên gia tại ARPA làm cùng trong dự án “Xây dựng kiến trúc mở về kết nối liên mạng” (Open-architecture interconnection models) nhằm kết nối các hệ thống mạng của quân đội Mỹ với hệ thống mạng của ARPANet. Trong phiên họp vào tháng 5/1974, họ đã giới thiệu những mô tả (Spefication) đầu tiên về bộ giao thức Internet Protocol.

Sau đó, bộ giao thức này được thử nghiệm và thay đổi rất nhiều lần từ phiên bản 1 đến 3. Tháng 9/1981, phiên bản 4 (gọi tên đại diện là IPv4) của bộ giao thức TCP/IP được công bố chính thức trong RFC 791 (dành cho giao thức IP) và RFC 793 (dành cho giao thức TCP). Đây là phiên bản vẫn còn được sử dụng phổ biến cho đến ngày nay.

Hành trình giao thức Internet từ IPv4 đến IPv6 - Ảnh 1. — Hình 1. Thông tin của 2 RFC 791 và 793

Bộ giao thức TCP/IP từ khi được giới thiệu chính thức đã gây được tiếng vang lớn bởi vì nó đại diện cho một kiến trúc mở (open-architecture), không bản quyền (royalty-free) và không độc quyền (non-proprietary). Nó cho phép bất kỳ loại máy tính nào cũng có thể giao tiếp với nhau thông qua bất kỳ loại đường truyền nào. Ngoài ra TCP/IP chỉ đơn giản là thành phần phần mềm được cài đặt trên các thiết bị phần cứng nên khả năng triển khai nhanh và có tính tương thích cao.

Ngày 01/01/1983 được xác định là ngày “Flag day” của bộ giao thức TCP/IP khi toàn bộ hệ thống mạng của ARPNet cùng chuyển sang sử dụng giao thức này (thông qua hướng dẫn của RFC 801 trước đó). Dù vậy, đến giữa thập niên 1990 thì bộ giao thức này mới chính thức giành được ngôi vương (Winner) trên thế giới.

Hành trình giao thức Internet từ IPv4 đến IPv6 - Ảnh 2. — Hình 2. Cerf (trái) và Kahn đang nhận giải thưởng Presidential Medal Of Freedom năm 2005

Vấn đề của IPv4

Phần quan trọng nhất của giao thức IP đó chính là “địa chỉ IP” - định danh cho mỗi máy tính trên mạng. Đối với IPv4, địa chỉ này là một con số có độ dài 32 bit nhị phân, tương ứng với tổng số địa chỉ IPv4 là 232 = 4.294.967.296 hoặc 4,2 tỉ địa chỉ. Một con số quá lớn vào thập niên 1980. Lúc này dân số thế giới tầm 4,7 tỉ người, chưa có sự phổ biến của máy tính cá nhân, chưa có Internet cũng như điện thoại di động như bây giờ.

Hành trình giao thức Internet từ IPv4 đến IPv6 - Ảnh 3. — Hình 3. Tỉ lệ tăng dân số trong giai đoạn 1980-1983

Năm 1986 mạng NSFNet ra đời nhằm kết nối các trung tâm siêu máy tính (Supercomputer center) và các trường đại học tại Mỹ. Đến năm 1989, NSFNet có khoảng 1000 hệ thống mạng kết nối (theo RFC 1118) với 3 triệu người dùng. Đây được coi như là mạng trục (Backbone) đầu tiên của Internet. Sang năm 1993, mạng Internet bắt đầu lan rộng ra quy mô toàn cầu. Cùng lúc đó công nghệ kết nối Internet Dial-up được thương mại hóa năm 1992, rồi các công nghệ băng rộng (Broadband) lần lượt ra đời, kết hợp với mạng WWW (World Wide Web), máy tính cá nhân... Tất cả những điều này thực sự khiến cho mạng Internet bùng nổ. Các chuyên gia Internet đã bắt đầu nhận ra vấn đề của IPv4. RFC 1287 (tháng 12/1991) đã dự đoán có thể có đến 109 (chính xác là 10⁷-10¹⁰) hệ thống mạng sẽ kết nối Internet, đồng nghĩa không gian địa chỉ IPv4 sẽ bị cạn kiệt.

Internet mang lại lợi ích cho tất cả các bên tham gia, đặc biệt là những nhà cung cấp dịch vụ và đơn vị sản xuất thiết bị mạng, vì thế cuộc đua tìm giải pháp đã được tiến hành. Hàng loạt các giải pháp được đề xuất, trong đó có thể kể đến những giải pháp sau:

- RFC 1519 (9/1993): Kỹ thuật CIDR (Classless Inter- Domain Routing) đã xóa ý nghĩa của việc phân chia địa chỉ IPv4 thành các lớp mặc định A, B, C ... thay vào đó cho phép gom thành các dãy mạng lớn hơn gọi là Supernet. Việc này giúp cho việc phân bổ địa chỉ IPv4 hiệu quả hơn và bảng Routing table gọn hơn

- RFC 1878 (10/1993): Kỹ thuật VLSM (Variable Length Subnet Mask) dựa trên cơ sở của CIDR cho phép chia một dãy mạng được cấp thành những mạng con nhỏ hơn (Subnet) nhằm tối ưu trong việc phân chia trong các hệ thống mạng.

- RFC 1597 (3/1994): Đây là giải pháp rất hiệu quả, trong đó quy định những dãy địa chỉ nội bộ (Private IP address) cho phép những tổ chức, doanh nghiệp không cần kết nối vẫn có thể sử dụng giao thức TCP/IP. Các dãy địa chỉ này không có ý nghĩa trên Internet và được dùng lại giữa các mạng nội bộ.

- RFC 1631 (5/1994): Có thể nói NAT (Network Address Translator) là giải pháp đột phá nhất, cho phép ánh xạ một hay nhiều địa chỉ Private thành một địa chỉ Public. Điều này giúp việc sử dụng địa chỉ IP Public hiệu quả hơn, hạn chế tình trạng cạn kiệt địa chỉ IPv4. Một giải pháp bổ sung khác là kỹ thuật CGNAT (Carrier-grade NAT) được mô tả trong RFC 6598 (4/2012) cho phép thực hiện NAT lần 2 tại các nhà mạng giúp tiết kiệm thêm lần nữa.

- RFC 1541 (10/1993): Một giải pháp ít được nhắc đến đó chính là DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol). Giao thức này dựa trên nền tảng của giao thức BOOTP nhưng điều khác biệt là BOOTP gán địa chỉ IP tự động nhưng địa chỉ đó cố định, không thay đổi theo thời gian trong khi DHCP cấp tự động và là địa chỉ ngẫu nhiên. Việc này cho phép các ISP thu hồi địa chỉ không được dùng để gán lại cho máy tính khác, giúp việc sử dụng địa chỉ IP trở nên hiệu quả hơn.

Dù có nhiều giải pháp đưa ra nhưng cuối cùng địa chỉ IPv4 cũng đã chính thức cạn kiệt. APNIC là khu vực cạn kiệt sớm nhất vào 19/4/2011 và cuối cùng là vùng RIPE NCC vào ngày 25/11/2019.

Hành trình giao thức Internet từ IPv4 đến IPv6 - Ảnh 4. — Hình 4. Thời điểm cạn kiệt của các đơn vị quản lý địa chỉ IP cấp vùng

Đến nay, với sự xuất hiện của 4G, 5G cùng với IoT thì với số lượng địa chỉ IPv4 còn lại trong các tổ chức, các nhà mạng không thể giải quyết được bài toán thiếu hụt địa chỉ.

IPv6 - thế hệ địa chỉ mới

Trước viễn cảnh cạn kiệt của IPv4, đầu thập niên 1990, nhóm đặc trách kỹ thuật Internet IETF đã nghĩ đến một thế hệ giao thức IP mới với tên gọi là IPng (Internet Protocol Next Generation). Vào tháng 01/1995, RFC 1752 là mô tả đầu tiên về IPng được xuất bản. Đến tháng 12/1995 thì RFC 1883 đã chuyển tên gọi từ IPng sang tên chính thức là IPv6 với mô tả chi tiết hơn về giao thức thế hệ mới này nhưng RFC 2460 (12/1998) mới được xem là mô tả đầy đủ nhất về IPv6. Với độ dài được nâng từ 32 lên 128 bit, địa chỉ IPv6 được xem không bao giờ cạn kiệt, tránh vết xe đổ của IPv4.

Nhắc về IPv5, đây không phải là một phiên bản IP chính thức mà chỉ là một đề xuất phát triển một giao thức thuộc tầng IP-Layer (tầng 3 của OSI) có tên gọi là Internet Stream Protocol nhằm đảm bảo chất lượng (QoS) cho việc truyền dữ liệu đa phương tiện (Multimedia) giữa các đầu cuối. Giao thức này được đề cập trong RFC 1190 (10/1990) và RFC 1819 (8/1995). Và mọi thứ đều chỉ dừng ở mức đề xuất thí nghiệm nhưng IETF vẫn gọi đây là IPv5 và dùng tên mới IPv6 là thế hệ tiếp theo của IPv4.

Từ khi ra đời, giao thức IPv6 đã được thử nghiệm suốt một thời gian dài với nhiều dự án khác nhau tại nhiều khu vực trên thế giới. Mạng toàn cầu đầu tiên để thử nghiệm, đánh giá thúc đẩy phát triển IPv6 là mạng 6BONE được triển khai từ năm 1996 đến 2006. Một dấu mốc quan trọng nữa là vào 04/2/2008, tổ chức IANA đã chính thức giới thiệu bản ghi (Record) mở rộng có tên AAAA nhằm phân giải tên miền DNS sang địa chỉ IPv6.

Dù vậy, kể từ bản mô tả cuối cùng của IPv6 ra đời năm 1998, sau hơn một thập kỷ, đến năm 2010, việc triển khai IPv6 trên toàn cầu mới thực chuyển động và tiến triển một cách chậm chạp. Những nỗ lực thúc đẩy đã bắt đầu tiến hành.

Ngày 08/6/2011, tổ chức Internet Society tổ chức ngày IPv6 toàn cầu (World IPv6 Day) lần đầu tiên để kiểm tra, đánh giá hoạt động của IPv6 và ngày khai trương chính thức (World IPv6 Launch) diễn ra sau đó đúng một năm, ngày 06/6/2012. Những nỗ lực này đã có hiệu quả và bắt đầu từ năm 2015, tỉ lệ triển khai IPv6 toàn cầu tăng lên rất nhanh, tính đến tháng 5/2022 đạt hơn 40%.

Hành trình giao thức Internet từ IPv4 đến IPv6 - Ảnh 5. — Hình 5: Tỉ lệ người dùng IPv6 trên thế giới

Thành công và thách thức

Internet là một hệ thống chia sẻ thông tin toàn cầu trong đó giao thức TCP/IP đã giúp kết nối và phát triển hạ tầng. Không những thế TCP/IP còn là động lực thúc đẩy phát triển các kỹ thuật và công nghệ quan trọng như Ethernet, Wifi, LAN, Broadband, Web, Email, VoIP, 3G, 4G, 5G, IoT, Cloud... Các mạng xã hội, các phương tiện truyền thông và những ứng dụng không ngừng phát triển theo thời gian.

Về mặt xã hội, việc kết nối các hệ thống mạng và mạng Internet cũng đã giúp quá trình giao tiếp của con người trở nên thuận tiện hơn, hiệu quả giáo dục được nâng cao, các dịch vụ liên quan con người cũng được phát triển đặc biệt là dịch vụ công. Nhiều cộng đồng mạng (Community Network) được xây dựng để cùng chia sẻ mục tiêu chung. Khoảng cách số (digital devide) cũng được dần thu hẹp.

Hành trình giao thức Internet từ IPv4 đến IPv6 - Ảnh 6. — Hình 6. Thống kê số lượng người dùng Internet toàn cầu

Dù vậy, thế giới vẫn không ngừng phát triển, những nhu cầu và vấn đề luôn phát sinh. Hiện nay chúng ta cùng đang hướng về nền công nghiệp 4.0, nhiều thách thức phát triển được đặt ra đối với CNTT. Vì thế TCP/IP cũng cần đáp ứng những thách thức mới về hiện tại cũng như tương lai.

Mục tiêu đầu tiên của hệ thống Internet đó là giữ vững sự ổn định của tất cả hệ thống mạng trên toàn cầu, tiếp tục mở rộng sự hiện diện, loại bỏ những mối đe dọa (threat), kiện toàn các kỹ thuật bảo mật và an ninh mạng, đặc biệt bảo đảm an toàn định tuyến toàn cầu (global routing).

Và chúng ta cũng đang bắt đầu kỷ nguyên mới, đại diện bởi quá trình chuyển đổi số (CĐS) (digitalization) và kết nối mọi thứ (interconnection of everything). Một số yêu cầu về công nghệ (key technology) như: 5G, 6G, trí thông minh nhân tạo (AI), thực tại ảo (VR), dữ liệu lớn (big Data), điện toán đám mây, Internet thế hệ mới (NGI), Internet vạn vật (IoT), mạng điều khiển bằng phần mềm (SDN), Multi-cloud network ... Bên cạnh đó là các chiến lược xây dựng nền tảng số, xã hội số, kinh tế số trên toàn cầu đang diễn ra mạnh mẽ. Đòi hỏi những tiêu chuẩn kỹ thuật cao hơn, số lượng kết nối nhiều hơn, mật độ kết nối lớn hơn và hiệu quả hơn.

Giao thức IPv6 ra đời đã đáp ứng được những yêu cầu và thách thức đặt ra. Không chỉ cho phép số lượng kết nối không hạn chế mà còn giúp kết nối được bảo mật hơn, việc mã hóa đơn giản hơn, cho phép bảng định tuyến toàn cầu tối ưu hơn, khả năng di động (mobility) uyển chuyển hơn, công tác vận hành khai thác thuận tiện hơn, chất lượng mạng được cải thiện và đáp ứng sự mở rộng trong tương lai.

Điều này lý giải tại sao xu hướng chuyển đổi các hệ thống mạng IPv4 sang IPv6 đang diễn ra mạnh mẽ trên toàn thế giới.

VNNIC và quá trình phát triển IPv6 tại Việt Nam

Tại Việt Nam, ngày 06/01/2009, “Ban công tác thúc đẩy phát triển IPv6 Quốc gia” được thành lập để thực hiện nhiệm vụ thúc đẩy phát triển địa chỉ IPv6 tại Việt Nam do Thứ trưởng Bộ TT&TT làm Trưởng ban, Trung tâm Internet Việt Nam (VNNIC) đóng vai trò Thường trực ban. Ngày 29/03/2011, Bộ trưởng Bộ TT&TT đã ban hành “Kế hoạch hành động quốc gia về IPv6” thực hiện trong giai đoạn 2011 - 2019.

Ngày 06/5/2013, VNNIC đã tổ chức buổi lễ “Khai trương IPv6 Việt Nam”, trong đó VNNIC phối hợp với các ISP (VNPT, Viettel, FPT Telecom, NetNam...) chính thức khai trương mạng IPv6 Quốc gia, được hình thành trên cơ sở kết nối song song IPv4/IPv6 hệ thống mạng DNS quốc gia, trạm trung chuyển Internet trong nước VNIX và mạng Internet của các nhà mạng.

Để tăng cường ứng dụng IPv6 trên mạng lưới, dịch vụ của cơ quan nhà nước, ngày 14/01/2021, Bộ trưởng Bộ TT&TT đã phê duyệt “Chương trình thúc đẩy, hỗ trợ chuyển đổi IPv6 cho cơ quan nhà nước giai đoạn 2021 - 2025” theo Quyết định số 38/QĐ-BTTTT.

Tới tháng 5/2022, tỷ lệ sử dụng IPv6 trên Internet Việt Nam đạt hơn 50%, đứng thứ 2 khu vực ASEAN, đứng thứ 11 toàn cầu (nguồn APNIC).

Hành trình giao thức Internet từ IPv4 đến IPv6 - Ảnh 7. — Hình 7. Tỉ lệ sử dụng IPv6 của Việt Nam

Đóng góp thành công cho việc chuyển đổi IPv6 của Việt Nam nhờ sự chỉ đạo, định hướng, hỗ trợ đúng hướng, kịp thời của Bộ TT&TT; cùng với sự quyết tâm chuyển đổi IPv6 của các doanh nghiệp (DN) lớn, tiêu biểu như: Viettel, VNPT, MobiFone, FPT ...

Hành trình giao thức Internet từ IPv4 đến IPv6 - Ảnh 8. — Hình 8. Tỉ lệ sử dụng IPv6 của các DN lớn tại Việt Nam (nguồn APNIC)

Giai đoạn tiếp theo, 2022-2025, công tác triển khai IPv6 Việt Nam được thực hiện theo mục tiêu “Chuyển đổi toàn bộ mạng Internet Việt Nam sang ứng dụng địa chỉ giao thức Internet thế hệ mới (IPv6)”, công tác chuyển đổi IPv6 cho mạng lưới, dịch vụ cơ quan nhà nước (CQNN) theo Chương trình IPv6 For Gov, theo đó: chuyển đổi toàn bộ mạng Internet Việt Nam sang IPv6, sẵn sàng hoạt động thuần IPv6 (IPv6 only) vào năm 2025.

Các chương trình đào tạo IPv6 được VNNIC tổ chức thường xuyên. Các chủ đề đa dạng từ quy hoạch, chuyển đổi mạng, định tuyến Internet, IPv6 với 3G/4G/5G, IoT, an toàn bảo mật với IPv6 ... VNNIC cũng cung cấp nội dung và tổ chức các khoá đào tạo trực tuyến qua hệ thống E-learning tại địa chỉ https://academy.vnnic.vn.

Tính đến tháng 5/2022, VNNIC đã tổ chức hơn 60 chương trình đào tạo, tập huấn IPv6 cho hơn 3.016 học viên (DN, CQNN); trong đó có 2.131 cán bộ CNTT từ 20 Bộ, ngành và 58 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương.

Hành trình giao thức Internet từ IPv4 đến IPv6 - Ảnh 9. — Hình 9. Số lượng học viên tham gia các lớp đạo tạo IPv6 từ VNNIC

Việc triển khai chuyển đổi Internet thế hệ mới IPv6 tại Việt Nam được bắt đầu từ rất sớm và triển khai bài bản. Với những gì đạt được và mục tiêu đặt ra cho giai đoạn sắp đến đã phản ánh mức độ phát triển Internet quốc gia và khẳng định vị thế trên trường quốc tế.

VNNIC sẽ luôn đồng hành trong quá trình chuyển đổi IPv6; góp sức xây dựng Internet thế hệ mới hiện đại, an toàn, phát triển bền vững; đảm bảo hạ tầng số để phát triển Chính phủ điện tử và CĐS quốc gia.

Hành trình phát triển của giao thức Internet là một chặng đường dài và đích đến là chuyển đổi thành công sang IPv6 ngày càng rõ nét. Sự hưởng ứng và tham gia tích cực, sâu rộng và đồng bộ của các tổ chức, DN vào các hoạt động thúc đẩy phát triển IPv6 tại Việt Nam sẽ góp phần thành công cho “Chương trình CĐS quốc gia đến năm 2025, định hướng đến năm 2030” theo Quyết định số 749/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ.

Tài liệu tham khảo:

[1]. https://www.howtogeek.com/119619/htg-explains-why-the-internet-is-running-out-of- ipv4-addresses-and-why-ipv6-is-important/

[2]. https://www.howtogeek.com/751880/the-foundation-of-the-internet-tcpip-turns-40/

[3]. https://blogs.igalia.com/dpino/2017/05/30/ipv6-status/

[4]. https://blogs.igalia.com/dpino/2017/05/25/ipv4-exhaustion/

(Bài viết đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 5 tháng 5/2022)