IPv4/IPv6 Características e Funcionamento dos Principais Mecanismos de Transição 1

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1 V SRST SEMINÁRIO DE REDES E SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES INATEL ISSN SETEMBRO DE 2016 IPv4/IPv6 Características e Funcionamento dos Principais Mecanismos de Transição 1 Gustavo Henrique Rosa Pereira 1 & Edson Josias Cruz Gimenez 2 Abstract This article initially presents a brief description of the TCP/IP stack, IPv4 (Internet Protocol version 4) and IPv6 (Internet Protocol Version 6) protocols, highlighting its main difference, the addressing format. Then, the main focus of work, the characteristics and operation of transition mechanisms IPv4/IPv6 are presented, which are dual stack, which provides support for both protocols the same device; tunneling, which allows to transmit IPv6 packets through IPv4 existing infrastructure; and translation, which takes IPv6 to IPv4 traffic and vice versa. Index Terms IPv6, Transition IPv4/IPv6, Dual Stack, IPv4/IPv6 Tunneling, IPv4/IPv6 Translation. Resumo Este artigo apresenta, inicialmente uma breve descrição sobre a pilha TCP/IP, os protocolos IPv4 (Internet Protocol Version 4) e IPv6 (Internet Protocol Version 6), destacando sua principal diferença, o formato do endereçamento. A seguir, o foco principal do trabalho, são apresentadas as características e o funcionamento dos principais mecanismos de transição IPv4/IPv6, que são: pilha dupla, em que provê suporte para ambos protocolos no mesmo dispositivo; tunelamento, no qual permite transmitir pacotes IPv6 através da infraestrutura IPv4 já existente; e a técnica de tradução, ocorrendo a conversão do tráfego IPv6 para IPv4 e vice-versa. Palavras chave IPv6, Transição IPv4/IPv6, Pilha dupla Tunelamento IPv4/IPv6, Traduação IPv4/IPv6. I. INTRODUÇÃO Na Internet, para que um dispositivo possa trocar informações com outros dispositivos, ele deve possuir um endereço único e sem possibilidade de confusão ou duplicação. Por fazer uso da pilha TCP/IP, cada dispositivo deve possuir um endereço IP próprio. Lembrando que dispositivo aqui pode ser desktops, notebooks, smartphones, tablets, eletrodomésticos, roteadores, switches, etc. Essa propriedade da Internet que permite a qualquer dispositivo se comunicar diretamente com qualquer outro é chamada de conectividade fim a fim [1]. Além disso, faz-se necessário que os dispositivos utilizem protocolos comuns, a fim de que possam trocar as informações de maneira adequada, no caso, o protocolo IP (Internet Protocol). O protocolo IP, na verdade, faz parte de um conjunto maior 1 Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para a obtenção do Certificado de Pós-Graduação em Engenharia de Redes e Sistemas de Telecomunicações. Orientador: Prof. MSc. Edson Josias Cruz Gimenez. Trabalho aprovado em 09/2016. de protocolos, conhecido por pilha TCP/IP, que inclui outros protocolos como TCP, UDP, DNS, ARP, RARP, DHCP, FTP, HTTP, entre outros. II. IPV4 (INTERNET PROTOCOL VERSÃO 4) A versão 4 do IP, definida na RFC 791, pode ser vista como uma das principais bases tecnológicas sobre as quais a Internet se sustenta, tendo como função principal viabilizar a interconexão de diferentes redes, permitindo o endereçamento lógico deste ambiente, e consequentemente, o encaminhamento dos pacotes entre essas redes [4]. As especificações do IPv4 reservam 32 bits para o endereçamento, possibilitando assim um total de endereços. Inicialmente, estes endereços foram divididos em três classes principais de tamanhos fixos, definidos da seguinte forma: Classe A: o primeiro byte representa o número da rede e os outros três bytes, o número do host, permitindo representar 126 redes, cada uma com endereços de host. Esta classe utiliza a faixa de até , no total; Classe B: os dois primeiros bytes representam o número da rede e os últimos dois bytes o número do host, permitindo representar redes, cada uma com endereços de host. Esta classe utiliza a faixa de até ; Classe C: os três primeiros bytes representam o número da rede e o último byte o número do host. Permite representar mais de 2 milhões de redes, cada uma com 256 endereços de host. Esta classe utiliza a faixa de até Além dessas, foram definidas ainda as classes D e E: a primeira dedicada para endereçamento multicast ( até ), e a segunda, reservada pelo IETF para aplicações futuras ou experimentais ( até ). O intuito dessa divisão foi tornar a distribuição de endereços flexível, abrangendo redes de tamanhos variados. Mas essa classificação mostrou-se na verdade rígida e muito ineficiente, levando a um grande desperdício de endereços após a comercialização da Internet. A. Esgotamento do IPv4 Com a popularização da Internet, ocorrida na década de 1990, esses endereços começaram a ser consumidos rapidamente, uma vez que toda nova rede conectada à Internet

2 necessitava de um bloco próprio de endereços IP. Diante dessa nova dinâmica, foi necessário ampliar a estrutura organizacional para manter a gerência dos recursos da Internet, o que foi feito com o surgimento de novas autoridades de abrangência regional. Uma estrutura de controle para os blocos de endereçamento da Internet foi então criada, tendo a IANA (Internet Assigned Numbers Authority) como responsável pela distribuição dos blocos de endereços a um dos Registros Regionais de Internet (RIR - Regional Internet Registry), que os gerenciam e distribuem dentro de suas respectivas regiões geográficas. Em nossa região, o responsável é o LACNIC (Latin America and Caribbean Network Information Centre). [7] A Figura 1 ilustra como se encontra a distribuição dos RIRs no mundo. Fig. 1. Mapa dos Registros Regionais da Internet. [4] Os aproximados 4,3 bilhões de endereços possíveis pareciam quase que infinitos à época. A notícia assustadora ocorreu em 2011, com o estoque de endereços disponíveis na IANA atingindo seu esgotamento, ou seja, os blocos de endereços IPv4 disponíveis já haviam sido distribuídos para as autoridades regionais e, assim que os estoques locais chegassem ao fim, a Internet não poderia mais crescer. [2] O esgotamento de endereço IPv4 já era algo previsto desde o início da década de 1990, quando a Internet se tornou comercial. Além disso, apesar do protocolo IPv4 mostrar-se bastante robusto, de fácil implantação e interoperabilidade, não previa-se alguns aspectos importantes, como o crescimento das redes em ritmo exponencial, problemas relacionados à segurança dos dados transmitidos, necessidade de priorização na entrega de determinados tipos de pacotes, falta de suporte à mobilidade para permitir que dispositivos móveis acessem à rede, entre outros. Diante disso, o IETF passou a discutir estratégias para solucionar, além do problema do esgotamento de endereços, os aspectos citados anteriormente. Alguns mecanismos paliativos foram responsáveis por manter o IPv4 funcional até hoje, postergando a adoção de um novo protocolo. Os 3 principais mecanismos criados foram o CIDR (Classless Inter-domain Routing), o DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) e o NAT (Network Address Translation). [6] Embora estas medidas tenham diminuído a demanda por novos blocos de endereços IPs, elas não foram suficientes para resolver o problema de esgotamento de endereços, decorrente do crescimento da Internet. A adoção dessas técnicas reduziu, à época, em apenas 14% a quantidade de blocos de endereços solicitados à IANA e a curva de crescimento da Internet continuava apresentando um aumento exponencial, conforme ilustra a Figura 2. [6] Fig. 2. Evolução das alocações de blocos de endereços IPv4 pelo IANA. [4] III. IPV6 (INTERNET PROTOCOL VERSÃO 6) Em dezembro de 1993 a IETF formalizou, através da RFC 1550, as pesquisas a respeito da nova versão do protocolo IP, solicitando o envio de projetos e propostas para esse novo protocolo. Esta foi umas das primeiras ações do grupo de trabalho da IETF denominado IPng (Internet Protocol next generation). As principais questões que deveriam ser abordadas na próxima versão do protocolo IP foram: escalabilidade, segurança, configuração e administração de rede, suporte a QoS (Quality of Service), mobilidade, políticas de roteamento e como ocorreria a transição.. O grupo de trabalho, então, selecionou três protocolos candidatos para a nova camada de rede da arquitetura TCP/IP. O vencedor foi o SIPP (Simple Internet Protocol Plus), por diferir menos do IPv4 e ter um plano de transição melhor. Mas uma combinação de aspectos positivos dos três protocolos candidatos foi feita e com isso gerou-se a recomendação para a versão 6 do IP, em novembro de [8] A Figura 3 ilustra a evolução ocorrida entre os diferentes protocolos até se chegar à verão final do IP versão 6. Fig. 3. Evolução dos protocolos de criação do IPv6. [8] A. Endereçamento IPv6 Um dos principais diferenciais do IPv6 é seu campo de endereçamento, onde cada endereço IPv6 possui 128 bits, permitindo assim endereços distintos; um total de endereços

3 públicos. Esse número representa cerca de 79 trilhões de vezes a quantidade atual de endereços IPv4. Além disso, a forma de representar os endereços também mudou, passando-se a utilizar números hexadecimais de 16 bits, separados por :. Quanto à utilização desses endereços, os mesmos foram classificados em unicast, multicast e anycast. Unicast, identificam um host de forma única e exclusiva (um para um); multicast, identificam um grupo de host que recebem o mesmo fluxo de pacotes (um para muitos); anycast, acontece quando um endereço é compartilhado por mais de um host com o objetivo de se alcançar o host mais próximo (um para um de muitos). Os endereços broadcast, que existiam na versão 4 do IP, não é mais utilizado no IPv6, passando a ser responsabilidade de um grupo multicast específico, em que todos os nós fazem parte, o grupo multicast-all-nodes (endereço IPv6: ff02::1). B. Comparativos IPv4 x IPv6 Antes de apresentar as características das principais técnicas de trabsição IPv4/IPv6 é importante resaltar algumas das diferenças mais videntes entre as duas versões do IP. Assim, de maneira bastante simplificada, na Tabela 1 são mostradas as principais diferenças entre as duas versões do protocolo IP TABELA I PRINCIPAIS DIFERENÇAS ENTRE IPV4 E IPV6. usuário não seja prejudicado em relação à sua percepção do conteúdo existente na Internet, se faz crucial a adoção de mecanismos de transição permitindo a comunicação entre essas duas ilhas. [9] Há uma grande diversidade de mecanismos de transição para tornar possível a interoperabilidade IPv4/IPv6, no entanto, de maneira geral, todos eles podem ser classificados em três grandes categorias: pilha-dupla, tunelamento e tradução. Cada categoria possui suas particularidades e, por isso, não é possível afirmar qual é a melhor. A escolha do mecanismo mais adequado não é uma tarefa fácil, pode variar desde a infraestrutura de baixo nível até as aplicações de alto nível. A. Pilha-dupla Essa técnica, conhecida também por Dual Stack, consiste em instalar e operacionalizar ambos os protocolos IPv4 e IPv6 nos dispositivos da rede, tendo a capacidade de enviar e receber os dois tipos de pacotes. Com isso, um nó pilha-dupla se comportará como um nó IPv4, na comunicação com outro nó IPv4, e se comportará como um nó IPv6, na comunicação com outro nó IPv6. A Figura 4 ilustra a arquitetura TCP/IP de um dispositivo pilha-dupla, podendo se comunicar apenas com IPv6 ou IPv4, e também encapsular IPv6 dentro do IPv4 ou vice-versa. IPV4 Endereço de 32 bits Suporte opcional ao IPSec Nenhuma referência a capacidade de QoS (Quality of Service) Processo de fragmentação realizada pelos roteadores O cabeçalho inclui o campo opções IPV6 Endereço de 128 bits Suporte obrigatório de IPSec Introduz capacidades de QoS utilizando o campo flow label Os hosts emissores passam a realizar a fragmentação Campo opções transferidos para o campo extension header ARP (Address Resolution Protocol) utiliza requisitos do tipo Broadcast IGMP (Internet Resolution Management Protocol ) é utilizado para gerir relações locais de sub-redes Endereços de Broadcast são utilizados para enviar tráfego para todos os host de uma rede IV. TRANSIÇÃO IPV4/IPV6 ARP foi abandonado e substituído por mensagens Neighbor Discovery IGMP foi substituído por mensagens MLD (Multcast Listner Discovery) Deixa de existir o endereço de Broadcast, para se utilizar endereços Multicast O objetivo da transição é permitir a interoperabilidade dos dispositivos IPv6 e IPv4, já que não são diretamente compatíveis entre si. O IPv6 não foi projetado para ser uma extensão ou complemento do IPv4, mas sim um substituto que resolve o problema do esgotamento de endereços. Esta transição ainda está sendo realizada em muitas redes, e pode levar muitos anos para se concretizar na Internet como um todo, na qual temos duas ilhas da Internet operando em paralelo, uma baseada em IPv4 e outra em IPv6. Para que o Fig. 4. Arquitetura TCP/IP em dispositivo Dual Stack (IPv4/IPv6). O fato é que a existência de duas pilhas de protocolos, IPv4 e IPv6, operando simultaneamente, significa a existência de duas redes em paralelo, cada uma com seu plano de endereçamento, tabela de roteamento, regras de firewall, etc. Enfim, todos os esforços de gestão e operação são duplicados, o que acaba se tornando um ponto negativo. [9] Outra observação em relação a esse mecanismo é sobre as buscas de nomes no DNS. Estas buscas podem ter como retorno registros A, a aplicação usa IPv4; registros AAAA, a aplicação usa IPv6; ou registros AAAA e A, a aplicação tenta primeiro o IPv6, se falhar, tenta o IPv4. Observa-se que a forma de tratar essa situação varia em função da aplicação utilizada pelo usuário. Ao receber endereços IPv6 e IPv4 como resposta à uma consulta no servidor DNS, a aplicação decide qual protocolo usar. Normalmente a preferência é pelo protocolo IPv6 e, em caso de falha, tenta-se o IPv4. No entanto, esse comportamento traz consigo uma característica bastante negativa do ponto de vista operacional: o desempenho fica comprometido.

4 Aconteceu então que, devido a esse comportamento, a Internet se tornou mais lenta, e os usuários deduziram que o desempenho do IPv6 era pior do que o do IPv4, o que não é verdade. A solução para esse problema foi publicada em abril 2012 na RFC 6555, e ficou conhecida como Happy Eyeballs. Com essa solução, mantém-se a preferência pelo uso do IPv6, no entanto, aquele registro que responder primeiro à busca será utilizado. [2] Outra situação é a existência de equipamentos que não suportam pilha-dupla e que não podem ser facilmente substituídos, dificultando também a implantação do novo protocolo IPv6. Nesse caso, deve-se utilizar outras técnicas de transição. B. Tunelamento (Túneis) As técnicas de tunelamento, também conhecidas por encapsulamento, permitem transmitir pacotes IPv6 através da infraestrutura IPv4 já existente, o que é muito útil quando não se pode ter pilha-dupla nos dispositivos. O tunelamento acontece sem a necessidade de realizar qualquer mudança nos mecanismos de roteamento. Essas técnicas estão sendo adotadas durante o período de transição do protocolo, sendo o cenário esperado no curto prazo, o trânsito IPv4 entre redes IPv6, em virtude da ampla disseminação do IPv4. Por outro lado, a longo prazo espera-se que esse cenário seja o inverso, ou seja, que haja trânsito IPv6 entre redes IPv4. As Figuras 5 e 6 ilustram esses dois cenários. usuário interessado faça um cadastro junto à empresa provedora dessa solução. Realizado o cadastro, o próprio serviço de tunelamento Broker se encarrega de criar o túnel virtual para o usuário. Aos usuários que possuem endereços dinâmicos, normalmente é disponibilizado um software cliente ou script que faz a conexão e configuração automática, sempre que o usuário se conectar. Para o usuário que tenha um endereço IPv4 fixo, pode-se optar por fazer a configuração manual, no entanto o serviço pode exigir que o túnel seja mantido ativo por tempo contínuo, em compensação à conectividade. A Figura 7 representa a topologia lógica do tunelamento Broker, desde a solicitação de acesso ao servidor até a criação do túnel. Os passos são os seguintes: 1 O cliente IPv4/IPv6 (pilha-dupla) solicita o túnel via IPv4 (nesse caso, pode ser solicitado à autenticação); 2 O servidor Broker cadastra o usuário no servidor de túnel; 3 O servidor Broker informa ao cliente os parâmetros para criação do túnel; 4 O túnel é estabelecido. Fig. 5. Cenário à curto prazo: tunelamento IPv6/IPv4. Fig. 6. Cenário à longo prazo: tunelamento IPv4/IPv6. Um número muito grande de RFCs relacionadas às técnicas de tunelamento já foram publicadas, e a cada dia são propostas novas estratégias, e outras acabam se tornando obsoletas. Por essa razão, neste trabalho, serão discutidas apenas aquelas consideradas mais tradicionais, que são: Broker, 6over4 (6in4), 6to4, 6rd, Teredo e ISATAP. 1) Tunelamento Broker O túnel Broker é uma alternativa para se conseguir conectar à uma rede IPv6, quando esta ainda não está disponível na rede do usuário ou em seu provedor de acesso. Permite, portanto, que dispositivos IPv6/IPv4 (pilha-dupla), isolados em uma rede IPv4, acessem redes IPv6. Essa técnica de tunelamento está definida na RFC 3053, e seu funcionamento é bastante simples. Existem diversas empresas provedoras de serviço de conectividade à Internet que disponibilizam servidores públicos, facilitando o processo de estabelecimento de túneis virtuais por meio do serviço Broker. O processo para estabelecer um túnel Broker requer que o Fig.7. Topologia lógica do tunelamento Broker. Existem dois grandes serviços de tunelamento Broker com presença global pela Internet: o SixXS e o Hurricane Electric Tunnel O SixXS é o único serviço de tunelamento Broker com ponto de presença no Brasil, sendo de responsabilidade da CTBC (Companhia de Telecomunicações do Brasil Central) [4]. Esse serviço provê túneis com prefixos /64, gerados a partir do prefixo 2001:1291:200::/48. Em virtude de sua existência nacional, o SixXs é recomendado no Brasil por oferecer desempenho melhor. O Hurricane Electric Tunnel também é um serviço popular que pode ser utilizado gratuitamente. Sua vantagem é que o usuário recebe um prefixo /48 para criar suas sub-redes. Por outro lado, tem a desvantagem de não possuir um ponto de presença no Brasil. Portanto, a técnica de tunelamento Broker é útil para estimular o crescimento de redes IPv6, aumentando o número de dispositivos que possuem suporte ao novo protocolo IP. 2) Tunelamento 6over4 O tunelamento 6over4, IPv6-sobre-IPv4, é uma técnica que faz o encapsulamento de pacotes IPv6 em pacotes IPv4. Definido na RFC 4213, é conhecido também como 6in4

5 (IPv6-in-IPv4) ou protocolo-41, devido ao valor inserido no campo Protocol do cabeçalho IPv4. Esse campo é preenchido com o valor 41 (29 em hexadecimal) para indicar que se trata de um pacote IPv6 dentro do pacote IPv4. Assim o destinatário, ao receber o pacote IPv4, sabe que o payload desse pacote contém um pacote IPv6, bastando então, apenas remover o cabeçalho IPv4. A Figura 8 ilustra o funcionamento da técnica de tunelamento 6over4, mostrando o processo de encapsulamento e desencapsulamento ocorrido com os pacotes IPv6 recebidos e entregues. redes IPv6 isoladas que possuem trânsito IPv4 e necessitam de acesso à Internet IPv6, sem a necessidade de configurar túneis explicitamente. Os túneis (automáticos) 6to4 só são possíveis devido à existência de alguns relays públicos, espalhados na Internet, que executam pilha-dupla e, portanto, ficam responsáveis por intermediar a comunicação entre as ilhas IPv4 e IPv6. A Figura 10 apresenta uma forma de tunelamento roteador a roteador, permitindo a comunicação entre hosts IPv6 através de uma infraestrutura IPv4 já existente. O 6to4 fornece um endereço IPv6 único, formado pelo prefixo de endereço global 2002:wwxx:yyzz::/48, em que wwxx:yyzz equivale aos 32 bits de endereço IPv4 do host, convertido para hexadecimal. Por exemplo, o prefixo 6to4 de uma rede IPv seria 2002:C0A8:201::/48. De forma geral, o host IPv6 envia um pacote IPv6 ao roteador 6to4, que o encapsula em um pacote IPv4, utilizando o campo protocol tipo 41, e o encaminha ao host de destino IPv6 através da rede IPv4. Fig. 8. Funcionamento 6over4. Um túnel 6over4 é criado manualmente e sua configuração consiste em definir quais serão os endereços IPv4 (origem e destino) utilizados em cada ponta do túnel. Lembrando que o túnel será estabelecido entre duas pontas IPv4 onde será enviado tráfego IPv6. Esse tipo de túnel pode ser utilizado para contornar um dispositivo ou um enlace sem suporte IPv6 numa rede, ou para criar túneis estáticos entre duas redes IPv6 através de uma rede IPv4 [9], podendo ainda ser utilizado em outras técnicas de transição que transportam pacotes IPv6 em redes IPv4. A Figura 9 ilustra o conceito básico do tunelamento 6over4, no que diz respeito à criação do túnel IPv6 sobre a rede IPv4. Fig.9. Topologia básica de uma rede com tunelamento 6over4. 3) Tunelamento 6to4 A técnica de tunelamento 6to4, definida na RFC3056, é uma das técnicas mais antigas em uso, e inspirou a criação da técnica 6rd. Os túneis são automaticamente configurados entre Fig. 10. Exemplo de funcionamento do tunelamento 6to4. Com relação ao tunelamento 6to4, a RFC 3056 define os seguintes termos: Host 6to4: É um host IPv6 configurado com, no mínimo, um endereço 6to4. Roteador 6to4: É um roteador IPv4/IPv6 que encaminha o tráfego endereçado por 6to4 entre os hosts 6to4 e outros roteadores 6to4 ou roteadores de retransmissão 6to4 na rede IPv6. Roteador de retransmissão 6to4: Um roteador IPv4/IPv6 que encaminha o tráfego endereçado por 6to4 entre os roteadores 6to4 e os hosts na rede IPv6. Esse tipo de túnel foi muito tradicional e ainda, em alguns casos, é utilizado na Internet, no entanto, traz consigo alguns problemas que têm resultado em seu desuso. O maior desses problemas diz respeito à segurança, uma vez que, os relays sendo bem conhecidos, qualquer atacante poderia praticar um ataque de negação de serviço nesses roteadores públicos, prejudicando o serviço. Ainda pior, a possibilidade de um atacante falsificar um relay por meio de spoofing, podendo se passar pelo elemento intermediário na comunicação. 4) Tunelamento 6rd O túnel 6rd (6 Rapid Deployment), ou IPv6 de implementação rápida, é muito similar à técnica 6to4, sendo conhecida como uma extensão da mesma. Baseando-se na estrutura proposta pela técnica 6to4, um provedor francês, de nome Free, conseguiu um feito importante ao prover acesso à rede IPv6 por meio de um tunelamento desenvolvido por eles. Isso aconteceu no final do ano de 2007 (7/11 a 11/12) e foi um enorme sucesso, originando, inclusive, uma RFC informacional, a RFC 5569.

6 Nesse curto período, a Free obteve um prefixo /32 da sua autoridade regional da Internet (RIR), providenciou a atualização remota do firmware de todos os dispositivos instalados na casa dos clientes (CPE Customer Premises Equipment) para suportar sua solução 6rd, e realizou testes com diversos sistemas operacionais para assegurar que seus clientes poderiam ter conectividade IPv6. A estratégia do 6rd é similar ao 6to4 no sentido em que o prefixo IPv6 é gerado a partir do IPv4 público, no entanto, uma diferença é que não existe um prefixo reservado e, por essa razão, a Free utilizou seu próprio prefixo conjuntamente com os endereços IPv4 públicos dos clientes. Com isso, conseguiu prover conectividade IPv6 para todos os seus usuários, sem nenhum custo adicional. A Figura 11 representa a topologia da rede coma técnica de tunelamento 6rd. Fig. 11. Exemplo de funcionamento do tunelamento 6rd. Outra diferença do 6rd para o 6to4 é que não existe mais os relays públicos na Internet. Assim, todo tráfego da operadora tem que passar por gateways na rede interna da própria operadora para, então, ser encaminhado aos clientes. Os gateways 6rd são, na realidade, relays 6to4 com firmware atualizado para a realidade da operadora. Esses gateways acabam sendo mais seguros do que os relays públicos do 6to4, uma vez que estão sob controle da operadora. Dois equipamentos são notáveis nessa topologia: o CPE 6rd, instalado como interface entre a rede IPv4 da operadora e do usuário; e o Relay 6rd, instalado na interface entre a rede IPv4 da operadora e a Internet IPv6. O CPE 6rd atribui ao usuário tanto um endereço IPv4 quanto um IPv6. Este endereço IPv6 é público, mas formado de maneira específica para que o relay 6rd identifique-o como um endereço 6rd. O relay 6rd é um equipamento que vai encapsular e desencapsular pacotes para trafegarem corretamente nas redes IPv4 e IPv6. Esta técnica, assim como as técnicas 6PE (IPv6 Provider Edge - RFC 4798) e 6VPE (VPN Provider Edge - RFC 4659), que suportam comunicação IPv6 por meio de uma rede MPLS (Multiprotocol Label Switching) IPv4, permite que os provedores utilizem sua infraestrutura IPv4 já existente para fazer uma implantação rápida do IPv6. As técnicas 6PE e 6VPE não serão tratadas neste artigo. [9] 5) Tunelamento Teredo O túnel Teredo, definido na RFC 4380, é uma técnica de tunelamento automático, desenvolvida pela Microsoft com o intuito de prover acesso à rede IPv6 aos usuários de seus sistemas operacionais que possuem somente conectividade à rede IPv4. A principal diferença entre o Teredo e as outras técnicas de tunelamento automático é que seu funcionamento é possível mesmo por trás de um NAT (Network Address Translation), comum nos roteadores domésticos. Para o sistema operacional cliente se comunicar com os servidores Teredo na Internet, os pacotes IPv6 são encapsulados em pacotes UDP (User Datagram Protocol) e encaminhados por meio da porta 3544 [4]. Para estabelecer um túnel Teredo, que possui um prefixo reservado (2001:0000::/32), o cliente (Windows) deve realizar uma rápida negociação com o servidor Teredo (passo 1). Em seguida, esse servidor encaminha o tráfego para o servidor IPv6 (passo 2), que posteriormente, é encaminhado para os relays públicos que executam pilha-dupla (passo 3), chegando até o cliente de origem a definição do seu endereço IPv6 e o seu tipo de NAT (passos 4 e 5). A partir daí, o cliente realiza uma rápida negociação com o relay Teredo (passos 6 e 7). Somente após essa negociação, entre o cliente e os servidores localizados na Internet, se obtém acesso à rede IPv6 através da comunicação direta com os relays públicos (passos 8 e 9). A utilização dessa técnica não é muito recomendada devido à complexidade de seu funcionamento, alto overhead, alta taxa de falhas e baixa segurança. Contudo, é importante conhecê-la bem, já que se encontra implementada, e é utilizada de forma automática em algumas versões do Windows, um sistema operacional bastante comum nas maiorias das estações dos usuários. A Figura 12 ilustra a criação de um túnel Teredo, mostrando os passos citados anteriormente, sendo possível perceber, por esse exemplo, a complexidade dessa técnica. Fig. 12. Exemplo de criação de um túnel Teredo. A utilização de túneis automáticos implica que, mesmo a rede não tendo IPv6 implantado, os usuários podem ter endereços IPv6 em seus dispositivos, inclusive com capacidade para receber conexões entrantes, contornando mecanismos e regras de segurança existentes no ambiente. Os sistemas operacionais Windows 7 e 8 já possuem o Teredo instalado e ativado por padrão. Nas versões XP, 2003 e 2008, o Teredo vem apenas instalado, mas não ativo [10]. Já no FreeBSD e no Linux ele não vem instalado, portanto, é possível fazer sua instalação e ativação por meio de um software chamado Miredo. O Teredo foi desenvolvido pela Microsoft em substituição ao 6to4 para permitir seu funcionamento em ambientes que realizam NAT. No entanto, justamente por conta dessa característica, de atravessar o NAT da rede interna de maneira

7 transparente, ele pode ser perigoso no ambiente de uma empresa. É possível que conteúdo não autorizado na rede possa ganhar acesso por meio do túnel automático que existe nos hosts executando Microsoft Windows. Para eliminar esse risco, devem ser bloqueados todo tráfego de pacotes UDP destinado à porta 3544 que seja originado pelas máquinas da rede interna. Obviamente que, ao fazê-lo, os túneis Teredo deixam de funcionar nas máquinas dos usuários da empresa. 6) Tunelamento ISATAP O ISATAP (Intra-Site Automatic Tunnel Addresing Protocol), definido na RFC 4214, é uma técnica de tunelamento automático que pode ser muito útil para ambientes corporativos que possuem suas redes internas padrão IPv4, mas que já possuem trânsito à Internet via IPv6 em seus roteadores de borda. Nesse caso, a rede interna continua operando normalmente em IPv4, sendo o ISATAP utilizado para possibilitar a comunicação com os demais hosts na Internet IPv6. A Figura 13 representa o tráfego ISATAP entre os clientes que estão na mesma rede IPv4 e entre os clientes que estão em redes IPv4 diferentes. Pode-se observar que para os clientes ISATAP, que estão na mesma rede IPv4, a comunicação é feita diretamente sem a interferência do roteador ISATAP; e para os clientes ISATAP, que estão em redes IPv4 diferentes, existe a interferência do roteador ISATAP, pois o tráfego passará por uma rede IPv6. A transmissão dos pacotes IPv6 é feita utilizando o protocolo do tipo 41 ou 6in4. Fig. 13. Tunelamento ISATAP. Assim como nas outras técnicas de tunelamento automático, o ISATAP utiliza o endereço IPv4 dos clientes e roteadores como parte dos endereços ISATAP, permitindo à um nó determinar facilmente os pontos de entrada e saída dos túneis IPv6, sem a necessidade de nenhum outro protocolo ou recurso auxiliar [11]. Portanto, os primeiros 64 bits do endereço são do próprio prefixo IPv6, os 16 bits seguintes pode assumir o valor 200 ou 000, na sequência, os próximos 16 bits assumem o valor 5EFE, que identifica a técnica ISATAP e, por fim, os últimos 32 bits trazem o endereço IPv4 propriamente dito. Na Figura 14 é mostrado o formato do endereço ISATAP, e a seguir são descritos cada um dos campos do endereço. Fig. 14. Esquema de formação do endereço ISATAP. Prefixo Unicast: É qualquer prefixo unicast de 64 bits válido em IPv6, pode ser link-local (FE80::/64) ou global. ID IPv4 público ou privado: Se o endereço IPv4 for público, este campo deve ter o valor "200". Se for privado, o valor do campo será 000 ; ID ISATAP: Sempre terá o valor 5EFE; Endereço IPv4: É o IPv4 do cliente ou roteador em formato IPv4. O ISATAP é suportado pela maior parte dos sistemas operacionais e roteadores, tendo como vantagem ser de fácil implantação. É utilizado, em sua grande maioria, em organizações que possuem trânsito IPv6, mas que possuem partes de sua infraestrutura em IPv4 (pilha-dupla). C. Tradução Ao contrário das técnicas de tunelamento, o método de tradução oferece uma maneira de realizar a tradução de IPv6 para IPv4 e vice-versa. Quando se utiliza a tradução, o tráfego (pacote) não é encapsulado, mas sim convertido para o tipo adequado ao destino, que pode ser IPv4 ou IPv6. Os métodos de tradução podem atuar em camadas distintas e de diversas formas, traduzindo os cabeçalhos (IPv4 em IPv6 e vice-versa), realizando a conversão de endereços, ou ainda atuando na troca de tráfego TCP ou UDP, visando um roteamento mais transparente na comunicação entre os dispositivos que apresentam suporte apenas à uma versão do protocolo IP. Antes dos métodos de tradução serem apresentados, é importante destacar que tanto as técnicas de tunelamento quanto as técnicas de tradução podem operar no modo stateful ou stateless. As técnicas stateful são aquelas em que é necessário manter as tabelas de estado com informações sobre os endereços ou pacotes para processá-los. Nas técnicas stateless não é necessário guardar essas informações, uma vez que cada pacote é tratado de forma independente [10]. De forma geral, as técnicas stateful são mais pesadas operacionalmente, pois, gastam mais CPU e memória. Portanto, sempre que possível, deve-se dar preferência às técnicas stateless. Neste trabalho são apresentados os dois principais mecanismos de tradução: CGNAT (Carrier Grade NAT) e NAT-PT (Network Address Translation Protocol Translation). 1) Tradução CGNAT O primeiro mecanismo, o Carrier Grade NAT (RFC 6264), conhecido por CGNAT, é uma técnica de tradução de grande porte que vem sendo praticada por algumas operadoras de telecomunicações que não possuem mais endereços IPv4 disponíveis e, portanto, se encontram em situação crítica [12]. Essa prática consiste em aplicar o NAT no próprio núcleo operacional da rede, antes mesmo de chegar ao usuário,

8 entregando para seu cliente um endereço privado. Um primeiro problema do CGNAT é o uso dos endereços privados 10/8, /12 ou /16, afinal, existe a possibilidade de haver conflito entre os planos de endereçamento utilizados nas redes internas dos clientes e das operadoras. Para reparar esse problema e evitar o conflito de endereços, a RFC 6598 reserva o prefixo /10 como sendo uma faixa privada não roteável na Internet e de uso exclusivo das operadoras. O segundo problema, é fazer o redirecionamento de portas (port-forwarding) no roteador de borda responsável pelo processo de tradução, para permitir que conexões destinada ao endereço público em uma porta específica, sejam redirecionadas, por meio da tradução, para uma aplicação em algum servidor da rede. Portanto, perde-se a possibilidade de alcançabilidade direta entre os pontos, o que torna o gerenciamento e a configuração da rede mais complexa. Dessa forma, os administradores da rede vão depender da ação conjunta das operadoras para que as políticas de redirecionamento sejam escritas nos próprios roteadores da operadora. Se o NAT (conhecido de NAT44), por si só, já quebra o modelo fim a fim da arquitetura da Internet e torna o funcionamento de algumas aplicações mais complexo, o CGNAT (conhecido por NAT444) torna esse problema ainda mais grave. Para destacar o quão ruim é essa técnica, na prática usa-se o bordão "NAT do NAT". A Figura 15 ilustra uma topologia de rede fazendo uso do CGNNAT. Fig. 15. Exemplo de topologia com uso do Carrier Grade NAT. Os endereços IP da faixa /10 serão compartilhados entre os clientes da mesma operadora que faz uso do NAT444. Portanto, para o cliente utilizar a Internet de forma transparente, o NAT444 realiza o mapeamento das portas de origem de cada dispositivo, e assim, o provedor consegue entregar a eles, o conteúdo específico solicitado. O uso de aplicações como troca de arquivos P2P (peer-to-peer), conferência de voz e vídeo, e diversos tipos de jogos online, podem não funcionar em topologias que fazem uso do NAT444. 2) Tradução NAT-PT NAT-PT (RFC 2766) O segundo mecanismo de tradução, o NAT-PT (Network Address Translation Protocol Translation), definido na RFC 2766, é o processo de tradução de endereços IPv6 para IPv4 (NAT64) ou IPv4 para IPv6 (NAT46). É comum que essa técnica também esteja associada à tradução de nomes DNS de uma família para outra, exemplo, registros AAAA para A (DNS64) ou vice-versa (DNS46). Na Figura 16 é possível observar que a solução AFT baseada no NAT64/DNS64 é complexa e envolve uma série de etapas, descritas a seguir. Fig. 16. Exemplo de solução NAT-PT baseada em NAT64/DNS Cliente IPv6 quer acessar o domínio de destino, então, faz uma busca ao servidor DNS, que executa uma solução DNS64; 2. O servidor DNS64 sabe que o domínio de destino só pode ser acessado por meio da IPv4 (registro A), e o cliente executa somente a pilha IPv6. Nesse caso, o DNS64 insere o IPv4 ( ) no final do prefixo 64:FF9B::/96, resultando assim no endereço, em hexadecimal, 64:FF9B::C633:6401; 3. O cliente IPv6 faz o encaminhamento do pacote para o destino 64:FF9B::C633:6401; 4. Como o roteador está executando o serviço NAT64, ele recebe o pacote e faz a reserva de um IPv4, traduzindo a origem para algum endereço IPv4 válido e o destino para os últimos 32 bits do endereço 64:FF9B, que é ; 5. O pacote então trafega na rede IPv4 até chegar ao seu domínio de destino; 6. O servidor responde a requisição, e o pacote retorna novamente ao roteador executando o NAT64; 7. O NAT gerencia as comunicações, mantendo tabelas com informações das sessões (stateful), e por isso, no retorno, ele faz a tradução inversa. 8. A origem do pacote voltou a ser o endereço 64:FF9B::C633:6401, e o destino é o cliente IPv6 2001:DB8:CAFE::16. Essa técnica, apesar de complexa, se torna atrativa para os operadores de serviços de conectividade móvel, porque a adoção da pilha-dupla em telefones celulares, modems móveis e outros terminais portáteis resulta em maior consumo de bateria, um problema para dispositivos móveis. Toda sua complexidade reflete, na verdade, sobre a infraestrutura da operadora, ficando transparente para o usuário final. V. CONCLUSÃO O órgão responsável pelo controle de todos os blocos de endereços IP (versão 4), o IANA, informou, em fevereiro de 2011, que seu estoque tinha se esgotado. Isso quer dizer que o LACNIC, centro que gerencia e distribui os endereços IP em nossa região, não irá receber mais nenhum endereço do IANA.

9 Como consequência o estoque de endereços IPv4 do NIC.br esgotou-se em junho de Esse esgotamento de endereços IPv4 foi previsto quando o uso comercial da Internet foi liberado, causando um crescimento acelerado de usuários na Internet. Então, foram apresentadas medidas paliativas, tais como o CIDR, o DHCP e o NAT, no qual, bastante usadas ainda hoje para suprir a ausência dos endereços IPv4. Com o esgotamento do IPv6, todos os órgãos gestores da Internet intensificaram suas políticas para incentivar o uso do IPv6, tanto por parte dos usuários finais como principalmente pelas grandes operadoras e provedores de acesso à Internet. Com isso, por parte dos clientes, surgiu um grande dilema: como aproveitar toda a infraestrutura, que já está consolidada na versão 4 do IP? A resposta para essa pergunta já foi pensada no próprio desenvolvimento da nova versão do IP, através da criação de diferentes técnicas que permitem tanto a coexistência quanto a transição da versão anterior (IPv4) para a nova versão (IPv6). Apresentadas as principais técnicas de transição e coexistência IPv4/IPv6, foram destacadas suas características mais importantes e as situações em que cada uma seria mais indicada, além das vantagens e desvantagens de cada uma dessas técnicas. Sem dúvida nenhuma, a técnica mais utilizada é a pilhadupla, uma vez que, os dispositivos que a implementam, podem operar tanto nas redes IPv4 quanto nas redes IPv6 de maneira totalmente transparente aos usuários. As técnicas de tunelamento, menos complexas, e de tradução, de maior complexidade do ponto de vista da infraestrutura da rede, demandam maiores recursos nos dispositivos da rede. Em contrapartida, permitem que estes, mesmo não possuindo ambas a versões do protocolo IP, possam trocar informações entre si, aumentando assim a interoperabilidade desses dispositivos. Com foi comentado, existem já definidas inúmeras formas de transição dentro das três técnicas padrões (pilha dupla, tunelamento e transição), e a cada dia novas propostas são apresentadas. Cabe então aos administradores de redes, quando necessário, fazer uma análise correta dos custos e benefícios das técnicas, visando sempre otimizar não só os custos, com relação à infraestrutura, mas também o desempenho das redes e, principalmente a satisfação de seus clientes. [7] MARROQUIM, Maria Antonieta Correia. IP s e sua Hierarquia IPv6: Crescimento - Domínios no mundo (Online) Disponível em: Acesso em: 16/01/2016. [8] COMER, Douglas E. Redes de Computadores e Internet. 4. ed. Porto Alegre: Artmed/Bookman, [9] Equipe IPV6.BR. Transição (Online) Disponível em: Acesso em: 16/01/2016. [10] CANNO, Renato Montes. Tutoriais Banda Larga: Redes IP II p 3-4. (Online) Disponível em: Acesso em: 18/01/2016. [11] DOMINGOS, Fabiano Donisete. Técnica de Transição entre Redes IPv4/IPv (Online) Disponível em: Acesso em: 19/01/2016. [12] BRITO, Samuel Henrique Bucke. CGNAT na Transição IPv6: Solução ou Vilão? (Online) Disponível em: solucao-ou-vilao.html. Acesso em: 19/01/2016. [13] TANENBAUM, Andrew S. Redes de Computadores. 4. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, [14] FLORENTINO, Adilson Aparecido. IPv6 na prática. São Paulo: Linux New Media, (Coleção Academy). [15] OLIVEIRA, Emanoel; CASCARDO, Thadeu; LOUREIRO, Antônio. Análise dos Mecanismos de Gerenciamento de Mobilidade no IPv (Online) Disponível em: Acesso em: 24 jan [16] MIRANDA JÚNIOR, Wilson. IPv6: A Nova Geração da Comunicação: Mobilidade (Online) Disponível em: Acesso em: 24 jan Gustavo Henrique Rosa Pereira nasceu em Camanducaia, MG, em 05 de agosto de Possui os títulos: Técnico em Informática (IFET Campus de Inconfidentes, 2010), Tecnólogo em Redes de Computadores (Inatel, 2013). Desde de agosto de 2013, atuo como operador de suporte técnico em CFTV, na empresa Giga Security, localizada em Santa Rita do Sapucaí, MG. Edson Josias Cruz Gimenez - graduação em Engenharia Elétrica pelo Instituto Nacional de Telecomunicações (1987), especialização em Informática Gerencial pela Faculdade de Administração e Informática (1994), especialização em Educação Matemática pela Pontifícia Universidade Católica de Campinas (1987) e mestrado em Telecomunicações pelo Instituto Nacional de Telecomunicações (2004). Professor titular do Inatel. REFERÊNCIAS [1] EQUIPE IPV6.BR. Laboratório IPv6: Aprenda na prática usando um emulador de redes. São Paulo: Novatec Editora, [2] BRITO, Samuel Henrique Bucke. IPv6: O Novo Protocolo da Internet, 1. ed. São Paulo: Novatec Editora, [3] PALMA, Luciano; PRATES, Rubens. Guia de Consulta Rápida: TCP/IP, 1. ed. São Paulo: Novatec Editora, [4] Rodrigo Regis dos Santos... [et. al.]; colaboração Sidney C. de Lucena. IPV6 Básico,3. ed. Rio de Janeiro: RNP/ESR, [5] ALECRIM, Emerson. Endereço IP (Internet Protocol). (Online) Disponível em: Acesso em: 12/12/2015. [6] EQUIPE IPV6.BR Introdução: IP (Online) Disponível em: Acesso em: 12/12/2015.