IPv6. Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho - UNESP/IBILCE. Redes de Computadores II Tópicos em Sistemas de Computação

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1 Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho - UNESP/IBILCE Redes de Computadores II Tópicos em Sistemas de Computação IPv6 Discente: Leandro Bertini Lara Gonçalves Docente Responsável pela Disciplina: Prof. Dr. Adriano Mauro Cansian

2 Agenda Um pouco de história Conceitos básicos Cabeçalhos de Extensão Transição do IPv4 para o IPv6 Endereçamento IPv6 2

3 Um pouco de História IPv4 tem sido usado desde sua especificação em 1981 Possui capacidade de nomeação para 2³² elementos Surgiu em um momento que a internet era usada somente por algumas universidades, institutos de pesquisa e militares 2³² era considerado infinito naquela época No início de 1990 o número de endereços IPv4 livres começou a se tornar escasso O Grupo de Trabalho de Tempo de Vida de Endereços (Address Lifetime Expectations) estimou que os IPv4 estariam esgotados entre 2008 e 2018 Em fevereiro de 2011, o IANA alocou o último bloco IPv4 para um registrador regional (RIR). 3

4 Um pouco de História Quando o último endereço IPv4 for alocado, nenhum outro dispositivo poderá ser inserido na rede com esse protocolo Acarreta estagnação e impede o crescimento da internet e de sua tecnologias dependentes. Assim, o IETF iniciou, em 1990, os trabalhos para o desenvolvimento de um substituto do IPv4. Esforço denominado de Next Generation IP - IPng O resultado desses esforços foi o IPv6 [RFC 2460] Muito maior capacidade de nomeação Desenvolvido para lidar com os problemas que o IPv4 não foi projetado para enfrentar 4

5 Um pouco de História? IPv4 IPv5 IPv6 Mas, afinal, o que aconteceu com o IPv5? Inicialmente, o Protocolo ST-2 foi o candidato a se tornar o sucessor do IPv4, e portanto nomeado de IPv5 Contudo, o protocolo hoje conhecido como IPv6 se mostrou superior e o ST-2 foi descartado 5

6 Conceitos Básicos O IPv6 foi projetado para trazer diversos avanços sobre o IPv4 Capacidade de endereçamento de 2 128, ou 3.4x x10 28 vezes a capacidade do IPv trilhões de endereços por quilograma da Terra 171 milhões de endereços por quilograma do Sol Cabeçalho de 40 bytes Fixo Processamento de opções diferente do IPv4 Permite um processamento mais otimizado e veloz 6

7 Conceitos Básicos Rotulação de Fluxo RFC 2460: Um fluxo é uma sequência de pacotes enviada de uma fonte em particular para um destino em particular (unicast ou multicast) na qual a origem deseja um tratamento especial pelos roteadores. Executa a rotulação de fluxos para que se possa prover tratamento especial para esse conjunto de pacotes Visa, originalmente, otimização de audio, vídeo. Ou por um usuário com prioridade (E como fica a neutralidade?) Prioridade Definido o campo de 8 bits Classe de Tráfego no cabeçalho do IPv6 Utilizado para diferenciar datagramas de um fluxo Semelhante ao ToS do IPv4 7

8 Dados (Payload) Adaptado de Nic.br (2017) 8

9 Dados (Payload) Versão: Contém o número da versão do datagrama IP. Tem 4 bits de comprimento. Utiliza o decimal 6 para o IPv6. Datagramas IP não são interoperáveis diretamente, então devem ser tratados separadamente. Outros número de IP, especialmente de antigos concorrentes do IPv6, são definidos em: Adaptado de Nic.br (2017) 9

10 Dados (Payload) Classe de Tráfego: Divide-se em dois subcampos: Differentiated Services Field (DS Field): Primeiros 6 bits do campo Usado para processamento especial do datagrama quando encaminhado Explicit Congestion Notification (ECN): Últimos 2 bits do campo Usado para indicar explicitamente que há congestionamento Adaptado de Nic.br (2017) 10

11 Dados (Payload) Adaptado de Nic.br (2017) Identificador de Fluxo: Tem 20 bits de comprimento. Identifica o fluxo do qual faz parte o datagrama inspecionado. 11

12 Dados (Payload) Adaptado de Nic.br (2017) Tamanho dos Dados: Tem 16 bits de comprimento. Tratado como um número inteiro e sem sinal. Define o tamanho da carga que segue o cabeçalho (esse tem tamanho fixo de 40 bytes). Considera o tamanho dos cabeçalhos de extensão, se houver. 12

13 Dados (Payload) Adaptado de Nic.br (2017) Próximo Cabeçalho: Tem 8 bits de comprimento. Armazena o valor do tipo de cabeçalho do segmento ou datagrama que encapsula. Hoje, se sabe que não necessariamente protocolos de transporte precisa ser encapsulados, mas protocolos de rede também podem sê-lo. Pode, também, ter o valor de cabeçalhos de extensão. 13

14 Dados (Payload) Limite de Encaminhamento (Hop Limit): Tem 8 bits de comprimento. Define o limite máximo de roteadores pelos quais o datagrama pode passar. É inicializado com um número inteiro maior que zero no momento da criação do datagrama e é decrementado em 1 a cada roteador que passa. Quando chega a zero, o datagrama é descartado. Semelhante ao campo Time to Live (TTL) do IPv4. Adaptado de Nic.br (2017) 14

15 Dados (Payload) Adaptado de Nic.br (2017) Endereço de Origem: Tem 128 bits de comprimento. Define o endereço IPv6 de origem do datagrama. Não pode ser um endereço multicast (broadcast não existe em IPv6). 15

16 Dados (Payload) Adaptado de Nic.br (2017) Endereço de Destino: Tem 128 bits de comprimento. Define o endereço IPv6 de destino do datagrama. Não pode ser um endereço multicast (broadcast não existe em IPv6). 16

17 Dados (Payload) Adaptado de Nic.br (2017) Dados: Não faz parte do cabeçalho. É a carga de um datagrama IPv6. Tipicamente contém segmentos de camada de transporte, mas pode conter datagramas. 17

18 Extraído de Nic.br (2017) 18

19 Extraído de Nic.br (2017) 19

20 Extraído de Nic.br (2017) 20

21 Extraído de Nic.br (2017) 21

22 Conceitos Básicos Fragmentação/Remontagem em IPv6 Não são realizada por elementos intermediários da rede Somente pode ser feita pelos elementos de origem e destino Requer o uso de Cabeçalho de Extensão Quando um datagrama grande demais para a rede é enviado, o elemento que não suporta o tamanho desse datagrama retorna uma mensagem de erro ICMP Pacote muito grande Nesse episódio, o remetente re-envia os dados, mas com um payload menor do que o anterior Isso ocorre até que o tamanho do datagrama seja aceitável até o elemento de destino 22

23 Conceitos Básicos Soma e verificação de cabeçalho Não são mais realizadas somas e verificações de cabeçalho no IPv6. Protocolos de camadas superiores à de rede requerem a corretude do datagrama para seus checksums As consequências de erros de transmissão são a identificação inadequada de remetente (o que impede a resposta), destinatário (o que extravia a mensagem), ou podem fazer com que o pacote seja ainda mais danificado e possivelmente descartado, durante o roteamento. Os meios de transmissão se tornaram muito mais confiáveis do que quando o IPv4 foi concebido 23

24 Conceitos Básicos Opções em IPv6 Não são mais incorporadas no cabeçalho padrão do protocolo IPv6 Isso permite que o cabeçalho padrão tenha tamanho fixo de 40 bytes Podem ser utilizadas por meio de cabeçalhos de extensão 24

25 Cabeçalhos de Extensão Funcionalidades especiais do IPv6 podem ser ativadas pelo uso de cabeçalhos de extensão Permite o uso dessas funcionalidade sob demanda sem afetar desnecessariamente o uso padrão protocolo Esses cabeçalhos são complementares ao cabeçalho padrão São indicados no campo Próximo Cabeçalho Permite que haja encadeamentos de diversos cabeçalhos Não há limite para o número de encadeamentos de cabeçalhos Processados pelos elementos finais, com exceção de um (Hop-by-Hop Options) Seguem uma ordem de processamento específica (RFC 2460, ítem 4.1) 25

26 Cabeçalhos de Extensão Cabeçalho IPv6 Próximo Cabeçalho = 6 Cabeçalho TCP Dados Cabeçalho IPv6 Próximo Cabeçalho = 43 Cabeçalho Routing Próximo Cabeçalho = 6 Cabeçalho TCP Dados Cabeçalho IPv6 Próximo Cabeçalho = 43 Cabeçalho Routing Próximo Cabeçalho = 44 Cabeçalho Fragmentation Próximo Cabeçalho = 6 Cabeçalho TCP Dados Extraído de Nic.br (2017) 26

27 Cabeçalhos de Extensão Valores possíveis do campo Próximo Cabeçalho para o IPv6 É igual ao IPv4 quando em comum, como para TCP e UDP Tabela com alguns possíveis Cabeçalhos de IPv6 Tipo do Cabeçalho Ordem Valor Referência Cabeçalho IPv RFC 2460, RFC 2473 Opções Hop-by-Hop 2 (Deve suceder o cabeçalho padrão) 0 RFC 2460 Opções de Destinatário 3,8 60 RFC 2460 Roteamento 4 43 RFC 2460, RFC 5095 Fragmentação 5 44 RFC 2460 Mobilidade IPv RFC 6275 Nenhum cabeçalho último 59 RFC 2460 TCP último 6 RFC 793 Adaptado de Fall. K. R.; Stevens W. R (2011) 27

28 Cabeçalhos de Extensão Opções de IPv6 em mais detalhes Podem ser agrupadas em dois tipos de Cabeçalhos de Extensão: Hop-by-Hop Options (0) e Destination Options (60). Ambos têm o mesmo formato de cabeçalho de extensão 8 bits para Próximo Cabeçalho 8 bits para o campo de comprimento campo Opções de comprimento variável Comprimento medido em 8 octetos Próximo Cabeçalho Comprimento do Cab. de Extensão Opções Adaptado de Nic.br (2017) 28

29 Cabeçalhos de Extensão Opções de IPv6 em mais detalhes Nesses cabeçalhos de extensão, as opções são codificadas como conjuntos de tipo-comprimento-valor (type-length-value, TLV) 8 bits para o Tipo da Opção 8 bits para o campo de Comprimento e tamanho variável para o campo Dados da Opção Comprimento medido em octetos Tipo da Opção Comprimento da Opção Dados da Opção Adaptado de Nic.br (2017) Opções devem ser executadas estritamente na ordem que aparecem no cabeçalho de extensão 29

30 Cabeçalhos de Extensão Opções de IPv6 em mais detalhes Se uma opção não for reconhecida pelo elemento que estiver processando o datagrama, deve ocorrer ações como exposto na tabela Os dois primeiros bits do campo Tipo de Opção definem a ação Valor Ação 00 Ignore a opção, continue o processamento normal do datagrama 01 Descarte o pacote completo Descarte o pacote e envie uma mensagem ICMPv6 Problema de Parâmetro para o remetente Descarte o pacote e envie uma mensagem ICMPv6 Problema de Parâmetro para o remetente, se o destinatário não for um endereço multicast Adaptado de Fall. K. R.; Stevens W. R (2011) 30

31 Cabeçalhos de Extensão Opções de IPv6 em mais detalhes Opções são alinhadas em 8 bytes Para que seja respeitado esse padrão, foi criado o Pad1 e o PadN O Pad1 é a inserção de um byte 0 após o TLV Não tem campo de valor, nem de comprimento Opção = 0 O PadN insere 2 ou mais bytes após o TLV Opção = 1 Comprimento do PadN Bytes (0) do PadN Adaptados de RFC

32 Cabeçalhos de Extensão Opções de IPv6 em mais detalhes IPv6 tem a opção de enviar Jumbo Payloads Payloads de até 2 32 bytes por pacote! Quando um jumbograma é criado, o campo de Comprimento de Dados do cabeçalho padrão é definido como 0 O TCP deve usar o valor do campo de Comprimento de Dados do cabeçalho de extensão ao invés de usar o do padrão Aumenta a chance de erros despercebidos no payload 32

33 Cabeçalhos de Extensão Opções de IPv6 em mais detalhes Pode ser definido um limite para o encapsulamento de túneis Tunelamento se refere ao encapsulamento de um protocolo em outro, de forma que não segue o padrão de camadas (Ex: IPv6 dentro de IPv6) Túneis podem ser transmitidos por meio de outros túneis de modo semelhante ao recursivo Se essa opção for presente, no encapsulamento: Se o valor for 0, o pacote é descartado e é retornada uma mensagem ICMPv6 Problema de Parâmetro Se maior que zero, é encapsulado com o valor decrescido em 1. 33

34 Cabeçalhos de Extensão Opções de IPv6 em mais detalhes Router Alert Indica que o datagrama contém informações que precisam ser processadas pelo roteador Mesma funcionalidade do que essa Opção em IPv4 Quick-Start Utilizada em conjunto com a função experimental de Quick Start do TCP/IP Sugerida para redes privadas e não para a internet Contém valores de transmissão, TTL, e outras, para a negociação com os roteadores no caminho 34

35 Cabeçalhos de Extensão Opções de IPv6 em mais detalhes CALIPSO (Common Architecture Label IPv6 Security Option) Prove um método de etiquetar datagramas com indicador de nível de segurança Concebido visando o uso em ambientes de segurança de rede multinivelada (Ex: redes governamentais, militares e bancárias) Home Address Utilizado quando a opção de mobilidade IPv6 está em uso Define o tratamento do pacote para que o usuário possa transitar por redes mantendo suas conexões originais Provê aos serviços o endereço original juntamente com o endereço atribuído pela rede no qual está conectado 35

36 Cabeçalhos de Extensão Cabeçalho de Roteamento Permite que o remetente de um datagrama controle em parte o caminho executado por ele Existe a definição de 2 tipos RH0: Permite a definição de um vetor de endereços de roteador que o datagrama deve visitar RH2: Permite a definição de apenas um endereço de roteador que o datagrama deve visitar. É usado em conjunto com a opção de mobilidade IPv6 O tipo RH0 foi depreciado por oferecer riscos à segurança da rede Poderia ser especificado caminhos com múltiplas instâncias do mesmo endereço, o que poderia levar a uma sobrecarga nesse roteador alvo ou no consumo de banda entre esse alvo e um vizinho 36

37 Cabeçalhos de Extensão Cabeçalho de Roteamento Identificado pelo valor 43 no Próximo Cabeçalho RH0 tem cabeçalho de tamanho variável, RH2 tem cabeçalho de 24 octetos Próximo Cabeçalho Comprimento do Cab. de Extensão Tipo de Roteamento SaltosRestantes RH2 Reservado (0) (32 bits) Endereço IP [1] (128 bits) RH0 Endereço IP [n] (128 bits) Adaptado de Fall. K. R.; Stevens W. R (2011) 37

38 Cabeçalhos de Extensão Cabeçalho de Fragmentação Identificado pelo valor 44 no Próximo Cabeçalho É usado quando a origem deseja enviar um pacote maior do que o MTU Somente o remetente pode fragmentar o pacote Nesse caso, insere um cabeçalho de extensão de fragmentação Somente o destinatário remonta o pacote Carrega informações sobre os fragmentos do datagrama IPv6 Próximo Cabeçalho Reservado Deslocamento do Fragmento Res M Identificação Adaptado de RFC

39 Cabeçalhos de Extensão Cabeçalho de Autenticação Identificado pelo valor 51 no campo Próximo Cabeçalho do datagrama Utilizado pelo IPSec para prover autenticação e garantia de integridade para os pacotes IPv6 Encapsulating Security Payload (ESP) Identificado pelo valor 50 no campo Próximo Cabeçalho do datagrama Utilizado pelo IPSec para garantir a integridade e confidencialidade dos pacotes 39

40 Transição IPv4 para IPv6 Como pode ser feita a transição da internet baseada em IPv4 para o IPv6? Equipamentos que só trabalham com IPv4 não são capazes de operar com IPv6 Novos equipamentos com IPv6 e IPv4 podem trabalhar com os dois protocolos Três opções: Dia da Conversão Pilha Dupla (RFC 4213) Tunelamento (RFC 4213) 40

41 Transição IPv4 para IPv6 Dia da Conversão Um dia e horário definidos em que todas as máquinas são desligadas e atualizadas Todas passariam a operar em IPv4 e IPv6 NCP para TCP no início da década de 1980 Internet muito menor Se mostrou impraticável Com o porte da internet atual, essa abordagem é inviável 41

42 Transição IPv4 para IPv6 Pilha Dupla Elementos IPv6 também implementam IPv4 Rede opera com os dois protocolos em paralelo de modo que a difusão IPv6 se expanda gradualmente sem causar dano a infraestrutura IPv4 previamente existente A infraestrutura IPv4 começa a ser reduzida gradualmente a partir do ponto de maturidade IPv6 Por fim, o IPv4 é depreciado e o protocolo dominante passa a ser o IPv6 42

43 Transição IPv4 para IPv6 Pilha Dupla Adaptado de Kurose, J. F.; Ross, K. W. (2014) 43

44 Transição IPv4 para IPv6 Implantação de Túnel Túneis resolvem o problema de elementos IPv4 incompatíveis com IPv6 no intermédio da transmissão O pacote IPv6 inteiro é colocado como payload de um pacote IPv4. Esse pacote IPv4 passa pelo trecho da rede não habilitada para IPv6 Chegando no roteador habilitado para IPv6 o pacote é desencapsulado e continua o seu roteamento 44

45 Adaptado de Kurose, J. F.; Ross, K. W. (2014) 45

46 Transição IPv4 para IPv6 O IPv6 está desde 1998 especificado Apresenta dificuldade de implantação Requer mudanças de hardware Treinamento de pessoal Mudar protocolos de camada de rede é como alterar o alicerce de uma casa Difícil de fazer, e causa incômodos Protocolos de camada de aplicação aparecem e desaparecem mais rápido São como mudar a decoração 46

47 Endereçamento IPv6 Endereço IPv4 Notação decimal separada por pontos Endereço IPv Divide o endereço em 8 grupos de 16 bits separados por : e escritos com dígitos hexadecimais 2001:0DB8:AD1F:25E2:CADE:CAFE:F0CA:84C1 2 bytes 1 byte 47

48 Endereçamento IPv6 Na representação de um endereço IPv6 é permitido A utilização de caracteres maiúsculos e minúsculos (não é case sensitive) A omissão de zeros à esquerda Representar zeros contínuos por :: IPv6: 2001:0DB8:0000:0000:CAFE:0000:0000:84C1 Pode ser escrito como: 2001:db8:0:0:cafe::84c1 O formato 2001:db8::cafe::84c1 é inválido por causar ambiguidade na posição dos zeros omitidos por :: 48

49 Endereçamento IPv6 Representação dos Prefixos Do mesmo modo que CIDR (IPv4) <endereço IPv6>/<tamanho do prefixo> Exemplo: 128 bits de endereço IPv6, nesse /64 os 64 primeiros bits são o prefixo da rede. Prefixo 2001:db8:3003:2::/64 49

50 Endereçamento IPv6 Representação dos Prefixos Do mesmo modo que CIDR (IPv4) <endereço IPv6>/<tamanho do prefixo> Exemplo: 128 bits de endereço IPv6, nesse /64 os 64 primeiros bits são o prefixo da rede. Prefixo 2001:db8:3003:2::/64 URLs podem ser representadas como

51 Em IPv6 existem 3 tipos de endereços definidos: Unicast: Identificação individual Endereçamento IPv6 Anycast: Identificação seletiva Multicast: Identificação em grupo Não existe mais o tipo de endereço Broadcast 51

52 Endereçamento IPv6 Unicast Global 2000::/3 Globalmente roteável (como endereços públicos IPv4) 13% dos endereços disponíveis 2 45 redes /48 distintas n 64-n 64 Prefixo de Roteamento Global ID da subrede Identificador da Interface Topologia pública Topologia local Adaptado de NIC.br (2017) e visitado em 09/01/

53 Endereçamento IPv6 Unicast Link Local FE80::/64 Utilizado apenas localmente Atribuído automaticamente (autoconfiguração stateless) Identificação da Interface (Interface Identification - IID) atribuído com base no MAC da interface FE80 0 Identificador da Interface Extraído de Nic.br (2017) 53

54 Endereçamento IPv6 Unicast Unique Local [RFC 4193] FC00::/7 Prefixo globalmente único (ou com alta probabilidade) Utilizado para comunicações dentro do enlace ou entre um conjunto limitado desses Não é esperado o roteamento na internet Permite a combinação e a interconexão privada de locais sem a geração de conflitos de endereçamento Pref L Identificador Global ID da Subrede Identificador da Interface Extraído de Nic.br (2017) 54

55 Endereçamento IPv6 Unicast - Identificador de Interface (IID) Devem ser únicos dentro do prefixo de sub-rede O mesmo IID pode ser usado por mais de uma interface, desde que em sub-redes diferentes IID geralmente tem 64 bits que é atribuído: Manualmente Por autoconfiguração stateless DHCPv6 (statefull) A partir de chave pública (CGA) [RFC 3972] IID pode ser temporário e gerado aleatoriamente Normalmente é baseado no MAC no formato EUI-64 55

56 Endereçamento IPv6 Unicast - Alguns endereços especiais Localhost ::1/128 (endereço loopback) Endereço IPv4 mapeado ::FFFF: Uso em documentações 2001:db8::/32 56

57 Endereçamento IPv6 Entra Anycast, sai Broadcast... Identifica grupos de interfaces Entrega o pacote para a entrada mais próxima da origem Atribuídos a partir de endereços unicast Roteadores devem dar suporte ao Subnet-Router <Prefixo da rede><iid = 0> Ex: 2001:db8:cafe:c0de::/64 O pacote enviado para esse endereço é entregue ao roteador mais próximo da origem na mesma sub-rede Pode ser utilizado para descoberta de serviços em rede, balanceamento de carga, suporte a mobilidade IPv6, e localização de roteadores em sub-redes 57

58 Endereçamento IPv6 Anycast Imagem extraída de em 09/01/

59 Endereçamento IPv6 Multicast Utilizado para identificar grupos de interfaces Cada interface pode pertencer a mais de um grupo distinto Suporte a multicast é obrigatório Pacotes enviados a endereços multicast são entregues a todas as interfaces pertencentes a aquele grupo Derivado do bloco de IPv6 FF00::/8 O prefixo é FF, seguido de 4 bits de flags, 4 bits de escopo de multicast e, por fim, 112 bits utilizados para identificar o grupo Multicast derivado de unicast tem Identificador definido especificamente FF Flags 0RPT Escopo Identificador do Grupo multicast Extraído de Nic.br (2017) 59

60 Endereçamento IPv6 Endereços IPv6 são atribuídos a interfaces e não aos nós da rede IPv6 permite a atribuição de múltiplos endereços a uma interface Essa funcionalidade permite que um nó seja identificado por qualquer endereço que suas interfaces tenham Loopback ::1 Link Local FE80:... Unique Local FD07:... Global 2001:... Algoritmo de seleção dos endereços de origem e destino definido no RFC

61 Endereçamento IPv6 Alocaçao de endereços IPv6 Cada RIR recebe um bloco /12 do IANA O bloco 2800::/12 é reservado para o LACNIC O NIC.br trabalha com um /16 derivado desse /12 A alocação mínima para um ISP é um /32 NIC.br recomenda que Usuários domésticos móveis recebam um /64 Usuários domésticos residenciais recebam um /56 Usuários corporativos recebam /48 61

62 Bibliografia KUROSE, James F.; ROSS, Keith W. Redes de Computadores e a Internet. São Paulo: Person, Fall, Kevin. R.; Stevens; W. R. TCP/IP Illustrated, Volume 1: The Protocols. Kindle Edition: Addison-Wesley Professional, 2011 RFC 2460, disponível em < acesso em 09/01/2017 Apostilas e material teórico de IPv6.br, disponivel em < acesso em 09/01/

63 Obrigado! 63