Aspectos de Interoperabilidade entre o Protocolo IPv6 e as Redes de Dados Móveis

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1 V SRST SEMINÁRIO DE REDES E SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES INATEL ISSN SETEMBRO DE 2016 Aspectos de Interoperabilidade entre o Protocolo IPv6 e as Redes de Dados Móveis Luis Felipe Lima Guimarães 1, Carlos Roberto dos Santos 2 Abstract Exponential growth of the internet in fixed and mobile networks raised a problem with its most important protocol. The version 4 of the IP does not sustain the amount of new elements accessing the WEB neither the new applications that demand a more robust protocol with possibility to address the internet for the future. With this, the IPv6 becomes mandatory. The implementation of this protocol for users in mobile networks presents challenges for both service providers and transport networks for many elements along the way must be adapted for the changes that are necessary. Index Terms Internet, IPv6, Mobile data networks, Packet networks Resumo O crescimento exponencial da internet em redes fixas e móveis trouxe à tona um problema com seu protocolo mais importante, o IP. A versão 4 do IP não sustenta a quantidade de novos elementos acessando a WEB nem novas aplicações que necessitam de um protocolo mais robusto e com possibilidades de endereçar a internet do futuro. Com isso, a adoção do IPv6 tornase urgente e obrigatória. Sua implementação para usuários de redes móveis apresenta desafios tanto para provedores de serviço quanto para as redes de transporte, pois vários elementos devem se adequar às mudanças que se tornam necessárias. Palavras chave Internet, IPv6, Redes da dados móveis, Redes de pacotes I. INTRODUÇÃO As redes móveis foram um dos setores em que a evolução tecnológica mais foi percebida ao longo dos anos. Desde os primeiros passos, com redes puramente voltadas à comutação de circuitos, destinadas única e exclusivamente ao tráfego de voz, passando por redes mistas, com os primeiros serviços de acesso à rede de dados como a internet via WAP (Wireless Access Protocol) no inicio dos anos 1990, até o estágio atual de evolução, com redes completamente voltadas para o tráfego de dados, comutação de pacotes e taxas na casa dos Gigabits por segundo esperadas no LTE-A (Long Term Evolution- Advanced) -3GPP Release 10 [1]. Muitos aspectos das redes sofreram mudanças significativas para permitir essa evolução, como a adoção de modulações como o 64 e 256QAM, o uso de antenas MIMO (Multiple Input/Multiple Output) e a adoção de arquitetura flat na conexão à rede de dados. O LTE, 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. Carlos Roberto dos Santos. Trabalho aprovado em 09/2016. por sinal, trouxe uma grande alteração nas comunicações móveis de forma geral, pois foi a primeira geração desenvolvida primariamente para o transporte de dados, com interfaces baseadas na pilha de protocolos TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) e taxas de comunicação que faz dessa tecnologia a primeira real banda larga móvel, com capacidade de concorrer com os serviços fixos, até então, muito mais velozes e confiáveis que as redes móveis para comunicação de dados, permitindo que mais e mais usuários passassem a ter acesso ao meio ao mesmo tempo e com bandas cada vez maiores. Atualmente, bilhões de usuários já se conectam à internet por vários diferentes tipos de redes de acesso móvel como o ihspa (Internet High Speed Packet Access), o LTE e o LTE- A. Com o advento da chamada internet das coisas em um futuro próximo, projeções como as do grupo Gartner[2], conforme a Tabela I, são de que em 2020 tenhamos aproximadamente 25 bilhões de coisas conectadas. TABELA I PROJEÇÃO DA QUANTIDADE DE DISPOSITIVOS CONECTADOS NA INTERNET DAS COISAS (EM BILHÕES DE UNIDADES). Categoria Automotivos 96,0 189,6 372,3 3511,1 Uso pessoal 1842, , , , 5 Uso comercial - geral 395,2 479,4 623,9 5158,6 1009, Uso comercial - vertical 698,7 836,5 3164, , 25006, Total Fonte: Gartner Group (2014) Para permitir o endereçamento dessa imensa quantidade de elementos, o protocolo IPv4 não será suficiente. Na prática, o campo de endereços IPv4 públicos disponíveis na agência que regula os endereços da internet, a IANA (Internet Assigned Numbers Authority), terminou em meados de 2011[3], havendo, a partir dessa data, apenas endereços disponíveis nos Registros de Internet Regionais, entidades que supoervisionama alocação de endereços em uma determinada região do planeta. Relatórios de utilização e estimativa de esgotamento do IPv4 como o da Potaroo[4], resumida na Tabela II, mostram o quão grave é esse problema de falta de endereços. Isso cria um grande desafio, pois a tendência de demanda por IP s tende a crescer muito nos próximos anos. A

2 solução para esse problema reside na implementação do protocolo de internet da próxima geração, o IPv6. TABELA II DATAS DE PROJEÇÃO PARA EXAUSTÃO DE ENDEREÇOS IPV4. RIR (Registro de Internet Data de exaustão projetada Regional) APNIC 19-Abr-2011 RIPE NCC 14-Set-2012 LACNIC 10-Jun-2014 ARIN 24-Set-2015 AFRINIC 05-Jan-2019 Fonte: Potaroo (2015) A utilização da pilha de protocolos IPv6 traz desafios tanto para as redes fixas quanto para as redes móveis. Sua adoção hoje em dia é muito incentivada pela necessidade de provedores de serviço, de conteúdo e usuários de se adequar a ele o quanto antes e diminuir a dependência do protocolo IPv4. Neste trabalho é feito uma exposição dos aspectos relevantes para a implementação do IPV6 no plano do usuário nas redes móveis, descrevendo as alterações nos protocolos conhecidos e os novos protocolos que devem ser adotados. Com a finalidade de integrar os conceitos, é feita uma introdução dos principais conceitos das redes de dados móveis e uma descrição do protocolo IPv6, realçando suas principais diferenças em relação ao IPv4. II. VISÃO GERAL DA REDE DE DADOS MÓVEIS Acompanhando a evolução das comunicações móveis ao longo dos anos, as redes de dados móveis também sofreram mudanças para se adequar às novas tecnologias. Os elementos básicos, no entanto, se mantiveram praticamente os mesmos desde o GPRS (General Packet Radio Service) no GSM (Global System for Mobile Communications). Abaixo são apresentados os elementos do núcleo da rede de dados, definidos pelas normas 3GPP 22060[5] e [6] e suas principais funções: SGSN (Signaling GPRS Serving Node) é o elemento que representa o primeiro ponto de acesso na rede de dados e o principal elemento do ponto de vista de sinalização da rede. Se conecta à GERAN (GSM EDGE Radio Access Network) nas unidades de controle das antenas conhecidas como BSC (Base Station Controler) no 2G e na UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) através da RNC (Radio Network Controller) no 3G. Além disso tem interface com o gateway da rede de dados, o GGSN (Gateway GPRS Serving Node), a base de dados de usuários, o HLR (Home Location Register)[7], a elementos do núcleo da rede de voz como a MSC( Mobile Switching Center) para serviços como o SMS, aos elementos da rede de cobrança OCS (Online Charging System ) e CG (Charging Gateway) além de outros SGSN para handover de usuários GGSN (Gateway GPRS Serving Node) é o elemento central do ponto de vista do plano da dados, responsável pela interconexão entre a rede GPRS e as outras redes de dados, como a internet por exemplo. Também é responsável pelo controle e gerenciamento dos endereços IP, roteamento, estatísticas a nível de aplicação, além de possuir funções de firewall. Se conecta ao SGSN, à RNC (ihspa), ao PCRF, aos sistemas de bilhetagem e a redes de dados externas. PCRF (Policy and Charging Rules Function) responsável pela implementação de regras de qualidade de serviço, uso de rede e controle de cobrança. É normalmente conectado ao GGSN em redes 2G e 3G e ao PGW em redes LTE.[8] Além desses, outros elementos considerados periféricos também fazem parte da rede de dados. São eles: HLR (Home Location Register) elemento que contém a base de dados dos usuários das redes móveis, tanto para os serviços de voz quanto para os serviços de dados. Contém informações da identidade do usuário, MSISDN (Mobile Station International Subscriber Directory Number), serviços associados à ele e sua localização do ponto de vista do elemento de rede. Como contém informações relativas ao tipo de pilha de protocolo de cada usuário, possui papel essencial na implementação do IPv6. Definido na norma 3GPP 23002[7]. DNS (Domain Name Server) assim como nas redes de dados, é o elemento responsável pela tradução de nomes de domínio em endereços IP. Para as redes móveis o DNS tem papel fundamental, pois participa de toda a interação entre os elementos, desde o registro do usuário na rede, passando pela identificação dos servidores responsáveis por cada rede de acesso local, na identificação de servidores remotos e, obviamente, para tradução de nomes de sites para o usuário final. Os procedimentos de DNS relacionados as redes 3GPP são organizados e descritos na norma 3GPP 29303[9]. BGW (Border Gateway) responsável pela interconexão entre operadoras para serviço de roaming de dados. De forma geral, as operadoras se conectam entre si para troca de dados através de um domínio chamado GRX (GPRS Roaming Exchange). Com a evolução das redes e a adoção da comunicação completamente baseada em IP, surge um domínio chamado IPX (IP exchange). Os BGW s fazem a comunicação com esses dois domínios e é a borda da rede do ponto de vista de sinalização e dados. É um elemento normalmente associado as redes IPs, baseado nas especificações do protocolo BGP (Border Gateway Protocol)[10] CG (Charging Gateway) e OCS (Online Charging Server) são elementos que fazem a comunicação entre o domínio das redes de dados e voz e a rede responsável pelos serviços de bilhetagem e cobrança. São divididos pelo tipo de sistema adotado, com o CG sendo o gateway para usuários pós-pagos e o OCS para usuários pré-pagos. Possuem algumas diferenças entre si, mas basicamente trabalham com informações geradas nos chamados CDR (Charging Data Records ou registros de dados de cobrança) gerados por cada usuário. [11] O padrão LTE introduziu uma arquitetura evolutiva em relação a seu antecessor imediato, o ihspa, como novos elementos no núcleo da rede e nas periferias. Esse novo núcleo

3 da rede de dados passou a ser conhecido como EPC (Evolved Packet Core) definido na norma 3GPP 23002[7] e seus principais elementos são: MME (Mobility Management Entity) Suas principais funções são definidas nas normas 3GPP [12], 3GPP [13] e 3GPP [14]: É o elemento responsável pela sinalização nas redes LTE. Possui conectividade com a rede de acesso (enodebs), com a base de dados de usuário local e remota, com o DNS,com o SGW, com elementos da rede de voz e com outros MME s para handover. S-GW (Serving Gateway) Definido na norma 3GPP 23401[12] O SGW possui inúmeras funções no domínio LTE. Ele combina funções de controle do SGSN com funções de dados do GGSN e é o ponto de entrada da rede LTE do ponto de vista do plano de dados. O SGW termina as interfaces em direção a eutran (evolved-umts Terrestrial Radio Access Network) e atua como gateway no plano de dados para handover entre enodebs e na mobilidade com outras tecnologias como 2G e o 3G. Do ponto de vista de roaming, atua como ponto concentrador provendo interfaces de comunicação com PGW externos. PDN-GW (Packet Data Network Gateway) Também definido via norma 3GPP 23401[8] o PGW é o elemento principal do ponto de vista do plano de dados, com funções semelhantes ao GGSN. É responsável pela aplicação de políticas, priorização de tráfego, controle de banda, terminação e alocação de endereços IP. HSS (Home Subscriber Server) é o equivalente ao HLR para a rede LTE, contendo a base de dados dos usuários com o perfil de cada um e sua localização. Também implementa funções de autenticação, importante no domínio do LTE. [7]. De forma geral, as conexões entre os diferentes elementos presentes na rede de dados móveis são representados por interfaces lógicas. Essas interfaces lógicas possuem características distintas entre si como protocolos de rede e transporte envolvidos na comunicação, interesse de tráfego, se o tráfego se refere ao plano de controle ou de dados, se são mandatórios ou opcionais entre outras. A evolução das redes fez com que essas interfaces lógicas no LTE passassem todas a serem baseadas na pilha de protocolos IP. A arquitetura das redes de dados móveis, com seus principais elementos e suas respectivas interfaces lógicas, pode ser resumida no modelo simplificado como ilustra a Figura 1: BSC BTS Gp Gb GERAN - Rede de Acesso GSM/EDGE DNS SGSN Gr Redes de Roaming (GRX/IPX) Gi Gn IuPS Gp GGSN RNC Iub Gy Gn NodeB Gz Gx UTRAN - Rede de Acesso UMTS RADIUS BGW/FW Borda da rede OCS CG Unidades de Cobrança DNS HLR/HSS AAA PCRF Bases de Dados S4 Núcleo da Rede de Dados Redes IP Externas (Internet) RADIUS Equipamento do usuário S8 Gx SGW Figura 1 Modelo de arquitetura de redes móveis simplificado III. ANÁLISE DO PROTOCOLO IPV6 Gz S5 Gy SGi PGW S1U S8 S11 enodeb S6a S1MME MME DNS eutran - Rede de Acesso LTE Com o objetivo principal de resolver a questão do esgotamento de endereços IPv4, a versão 6 do protocolo IP começou a ser desenvolvida já no início da década de 1990, baseada nos trabalhos de um grupo de estudos conhecido como IESG (Internet Engineering Steering Group). A primeira RFC oficial foi publicada em 1995 sob o titulo de The Recommendation for the IP Next Generation Protocol, ou Recomendações para o protocolo IP da próxima geração[7]. Essa RFC, de número 1752[15], constitui as bases para o aprimoramento do protocolo ao longo de revisões posteriores e novas RFCs que vieram a detalhar os princípios de funcionamento desse protocolo. A primeira RFC que introduz o protocolo e algumas de suas especificações foi a RFC 1883[16], também de Atualmente há inúmeras outras normas possuem definições importantes para o funcionamento de redes baseadas em IPv6 como a RFC 4291[17] que trata a questão do endereçamento e a RFC 6275[18] que trata da questão de mobilidade do protocolo. A criação do protocolo IPv6 permitiu não só resolver o problema de esgotamento de endereços como também implementar serviços difíceis de serem adotados com o IPv4, como mobilidade e autoconfiguração por exemplo. As principais mudanças do protocolo IPv6 em relação ao IPv4 são: Simplificação no cabeçalho;

4 Segurança nativa com IPSec; Mais bits para endereçamento (128bits no IPv6 / 32bits no IPv4); Utilização de cabeçalhos de extensão; Possibilidade de autoconfiguração de endereços; Cada um desses aspectos será abordado em seguida. A. Cabeçalho IPv6 O cabeçalho do IPv6, como mostrado na Figura 2, apesar de mais extenso, é mais simples se comparado ao cabeçalho do protocolo IPv4. Alguns campos presentes no cabeçalho do IPv4 foram removidos ou tornaram-se opcionais, sendo inseridos nos campos de extensão de cabeçalhos, posteriores ao cabeçalho básico, de tamanho fixo (40 bytes). Os campos removidos foram: Tamanho do cabeçalho (IHL ou Internet Header Length) Cabeçalho de tamanho fixo no IPv6 ; Identificação do cabaçalho; Flags; Fragment Offset Informação de fragmentação no IPv6 via cabeçalhos de extensão; Header Checksum No IPv6 não é realizada a verificação de consistência (CRC ou Cyclic Redundancy Check); Options substituidos pelos cabeçalhos de extensão no IPv6; Padding Dessa forma, foi possível diminuir o overhead, reduzindo assim, o custo do processamento nos roteadores. Version 4 bit Traffic Class 8 bit Payload Length 16 bit Source Address 128 bit Flow Label 20 bit Next Header 8 bit Destination Address 128 bit Hop Limit 8 bit Figura 2 Cabeçalho do protocol IPv6 Fonte:RFC 1883[16] Version (Versão): Identifica a versão do endereço. Traffic Class (Classe de Tráfego): Semelhante ao campo Type of Service do IPv4, esse campo permite identificar e distinguir um pacote IPv6 entre diferentes classes ou prioridades. Flow Label (Identificação de Fluxo): Identifica uma sequencia de pacotes que necessitam de tratamento especial pelos roteadores ao longo do caminho, como pacotes de fluxos em tempo real, por exemplo. Payload Length (Tamanho dos Dados): Informa o comprimento dos dados, em octetos, encapsulados pela camada de rede, isto é quantos bytes vêm depois do cabeçalho IPv6 (os campos de extensão são contabilizados). Next Header (Próximo Cabeçalho): Permite dizer quais das seis extensões de cabeçalhos estão presentes, caso haja alguma. Hop Limit (Limites de Saltos): Semelhante ao TTL (Time to Live) no IPv4, indica o limite de saltos que um pacote pode ter entre uma origem e um destino. Ao contrário do IPv4 porém, os nós IPv6 não são obrigados a implementá-lo. Source Address (Endereço de Origem):Informa o endereço de origem do pacote Destination Address (Endereço de Destino): Informa o endereço de destino. B. Segurança no IPv6 A utilização de cabeçalhos de extensão permite que o IPv6 implemente o protocolo de segurança IPSec de forma nativa, sem a necessidade de adaptação ou inserção de cabeçalhos após o cabeçalho IP, como ocorre no IPv4. A utilização dos cabeçalhos de segurança do IPSec, o AH (Authentication Header) e o ESP (Encapsulating Security Payload) estão previstas desde a primeira versão do protocolo na lista dos cabeçalhos de extensão. A Tabela III mostra os cabeçalhos de extensão do IPv6 e seus respectivos códigos. TABELA III CABEÇALHOS DO IPV6. Ordem Tipo do Cabeçalho Código do próximo cabeçalho 1 Cabeçalho base IPv6-2 Hop-by-Hop Options 0 3 Destination Options (w Routing) 60 4 Routing 43 5 Fragment 44 6 Authentication 51 7 Encapsulating Security Payload 50 8 Destination Options 60 9 Mobility Header 135 No next header 59 Fonte: RFC1883[16] C. Endereçamento no IPv6 Principal justificativa para criação e implementação do protocolo em grande escala, o endereçamento no IPv6 é basicamente um aprimoramento em relação aos campos de endereço no IPv4. O protocolo estende a utilização dos campos de endereço origem e destino dos 32 bits do IPv4 para 128 bits, disponibilizando assim uma quantidade infinitamente superior de endereços que os aproximadamente 4 bilhões do IPv4. Soma-se a isso a utilização de CIDR (Classless Interdomain Routing) e novos tipos de endereços que dão mais flexibilidade a sua utilização. Esses novos tipos de endereços são: Global equivalente ao endereço público no IPv4, isto é, um endereço único conhecido na internet. Representado na forma de endereços 2000::/3. Link-Local endereço atribuido automaticamente a interface com base no endereço Ethernet MAC (Media Access Control), tem escopo apenas local, para comunicação com

5 elementos diretamente conectados. Representado na forma de endereços FE80::/64. Unique-Local equivalentes aos endereços privados do IPv4, tem escopo apenas dentro de uma rede local, não sendo roteáveis na Internet. Representado na forma de endereços FC00::/7. A Tabela IV mostra as principais diferenças em relação a capacidade de endereçamento entre os protocolos IPv4 e IPv6. Protocolo TABELA IV COMPARATIVO IPV4 VS IPV6. Campos de endereçamento Total de nós endereçáveis Tipos de endereço IPv4 32 bits 4,2 x 10 9 Multicast Unicast Anycast IPv6 128 bits 3,4 x Unicast (Link Local / Unique- Local / Global ) Multicast / Broadcast Devido a grande quantidade de bits do campo de endereço do protocolo IPv6, o plano de endereçamento se torna bem mais complexo que no IPv4. Pela dificuldade de visualização de endereços com 128 bits, é adotada uma representação em hexadecimal, com 32 campos de 4 bits cada, divididos em 8 grupos de 16 bits para maior similaridade com IPv4. Esse formato foi definido na RFC 4291[17] e RFC 5952[19]. Assim como ocorre no IPv4, no IPv6 os endereços são divididos em prefixos de rede e endereço da interface. No IPv6, o endereço da interface é chamado IID (Interface Identifier) e é definido como tendo 64 bits de comprimento, como mostrado na Figura 3: Figura 3 Formato do endereço IPv6 Fonte: RFC 4291[17] A parte de rede é dividida em prefixo global, que representa o prefixo alocado por provedor de serviço pela entidade reguladora, e identificador de rede, que corresponde a subdivisão dos endereços em redes individuais conforme a necessidade. Quando um usuário recebe um endereço IPv6 e IPv4 na mesma requisição diz-se que ele possui um endereço Dual- Stack, isso é, ele tem a possibilidade de utilização simultânea de ambas as pilhas de protocolos. Esse método de alocação de IPv6 e IPv4 de forma conjunta é um dos pilares que permite a transição entre os protocolos de forma suave. D. Autoconfiguração Introduzida na RFC 1970[23] e atualmente na RFC 4861[24], o NDP (Neighbor Discovery Protocol) para IPv6 apresenta o protocolo que veio a substituir o ARP (Address Resolution Protocol) usado no IPv4 na resolução de endereços de camada de enlace em endereços IPv6. Esse protocolo faz uso de mensagens ICMPv6 (Internet Control Message Protocol) para realizar inúmeras funções entre elas: Resolução de endereços IPV6 (função do protocolo ARP no IPv4) Detecção de roteadores na LAN; Detecção de nós vizinhos; Autoconfiguração de endereços (SLAAC) Detecção de endereços duplicados na LAN; Verificação de acessibilidade de roteadores e nós vizinhos; Determinação da MTU (Maximum Transmission Unit) ou unidade máxima de transmissão. IV. ESTUDO DO PLANO DE ENDEREÇAMENTO IPV6 EM REDES DE DADOS MÓVEIS Como explicado no capítulo anterior, a divisão do endereço IPv6, assim como no IPv4 é feita em prefixo de rede e campo do usuário, sendo o endereço da interface definido como tendo 64 bits. Dessa forma, os prefixos de rede são limitados a um tamanho máximo de 64 bits e como o plano de endereçamento deve ser baseado em quantidades de endereços disponíveis para usuários, os 64 bits disponíveis para os prefixos de rede são alocados de acordo com essa premissa. A parte de rede do endereço que corresponde ao prefixo global, alocada pela entidade reguladora, normalmente varia entre 28 e 56 bits. O tamanho dessa parte do endereço depende da necessidade de alocação e determina como as sub-redes serão alocadas para cada propósito. No Brasil, o Núcleo de Informação e Coordenação do Ponto BR, o NIC-Br, indica a alocação mínima para provedores de serviço de um bloco IPv6 /32, independente do uso para redes fixas ou móveis. Além disso, a RFC 6177[25] permite que as operadoras aloquem esses blocos para usuários ou empresas em redes IPv6 /48 ou /56, dependendo da quantidade de IPv6 necessários em cada caso, flexibilizando assim, a utilização do macro bloco /32. Para redes móveis, cada usuário pode possuir um ou mais contextos de dados ou portadoras de dados. Cada portadora representa uma conexão à rede de dados com características distintas entre si tais como endereçamento e QoS (Quality of Service). Cada conexão a um tipo de serviço utiliza uma portadora distinta, através de APNs (Access Point Networks) distintas. Essas APNs são configuradas nos equipamentos dos usuários e representam a identificação da rede de dados específica a qual cada usuário irá se conectar. No LTE por exemplo, um parâmetro conhecido como EPS Bearer ID (3GPP 24007[25]) permite o número de portadoras por usuário de até 11. Cada portadora, contexto ou conexão no usuário final pode conter um IPv4 (/32), um IPv6 (/64) ou um IP Dual-Stack. A diferenciação desses contextos será explicada posteriormente. Os elementos responsáveis por gerenciar e alocar os endereços IPv4 e IPV6 em uma rede de dados móveis são o GGSN (2G/3G) e o PGW (LTE), no núcleo da rede, o HLR/HSS quando o endereço IP do usuário é estático, e,

6 alternativamente, elementos como um servidor AAA (Authentication, Authorization and Accounting) ou DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) também podem ser utilizados como fonte de dados de endereçamento. Portanto, nesses elementos são configurados os blocos referentes a cada APN. Como o usuário pode conter múltiplas conexões simultâneas e a alocação de cada portadora se mantém no IPv6 essencialmente uma conexão ponto a ponto (/64), o tamanho dos blocos IPv6 necessários para cada APN se torna complexa pois a necessidade de IP s por usuário passa a variar não só pela possibilidade do usuário possuir múltiplas conexões como pelo fato de cada conexão poder ser IPv4, IPv6 ou Dual-Stack. Da mesma forma, a divisão de blocos de IPv6 por elemento e consequentemente, para toda a rede da operadora também se torna bastante complicada. A Tabela V mostra a variação dos blocos de IPv6 necessários por GGSN/PGW em diferentes cenários e para diferentes tipos de APN, considerando a informação de IP presente apenas nesses elementos. Bloco IPv6 atribuído a Operadora /32 TABELA V EXEMPLOS DA VARIAÇÃO NA NECESSIDADE DE BLOCOS IPV6. Quantidade de APN IPv6 / Dual Stack por GGSN/PGW Quantidade de usuários IPv6 por APN Bloco IPv6 necessário por APN Bloco IPv6 necessário por GGSN/PGW 1000 /54 / /50 / /47 / /44 / /54 / /50 / /47 / /44 / /54 / /50 / /47 / /44 / /54 / /50 / /47 / /44 /37 V. MÉTODOS DE ALOCAÇÃO DE ENDEREÇOS IPV6 SLAAC E DHCPV6 As normas da 3GPP definem inúmeros mecanismos para alocação de endereços IP em redes de dados móveis. A Tabela VI, mostra alguns desses métodos de alocação para IPv4 e IPv6. TABELA VI MÉTODOS DE ALOCAÇÃO DE ENDEREÇOS EM REDES DE DADOS MÓVEIS. Versão Método Sinalização NAS DHCPv4 IPv4 IKEv2 MIPv4 SLAAC / DHCPv6 DSMIPv6 IPv6 IKEv2 DHCPv6 PD Fonte: Deploying IPv6 in 3GPP Network [21] Nesse trabalho será abordado o método de alocação de endereços IPv6 mais comumente utilizado nas redes móveis, o SLAAC(Stateless Address Autoconfiguration) em conjunto com o DHCPv6(Dynamic Host Control Protocol). A. Stateless Address Autoconfiguration Com suas bases de funcionamento descritas na RFC 4862[27], o protocolo de autoconfiguração de endereços sem manutenção de estado (do inglês Stateless) requer apenas mínima configuração nos elementos responsáveis pela alocação de endereços. O mecanismo permite que cada host gere seu próprio endereçamento usando uma combinação de informações recebidas e geradas localmente. No caso de redes 3GPP, conforme descrito na 3GPP 23060[6], o GGSN/PGW anuncia prefixos (/64) que identificam a sub-rede associada ao enlace, enquanto os hosts geram localmente o identificador de interface IID (/64) que, em combinação com a parte de rede, torna o endereço IPv6 único. Para que a comunicação inicial entre host e GGSN/PGW seja possível, é necessário a geração local de um endereço do tipo link-local. A geração do endereço link-local garante conectividade em nível IP mesmo antes da alocação dos endereços. A próxima fase no processo de autoconfiguração envolve a determinação da existência de roteadores no domínio de rede através da identificação de mensagens do tipo Router Advertisements (ICMPv6 type 134[24]) enviadas por esses elementos. Essas mensagens ICMP são enviadas periodicamente e contém informação de prefixo necessária aos hosts na criação do endereço IPv6 global único na rede. Além de mensagens do tipo Router Advertisements, enviadas pelos roteadores, cada host pode utilizar mensagens do tipo Router Solicitation (ICMPv6 Type 133[24]) para descoberta de roteadores em seu domínio de rede. Essa comunicação é essencial, pois cada host necessita de um roteador para comunicação com redes fora de sua rede local. No caso das redes de dados móveis, o papel de roteador cabe ao GGSN/PGW. Após essa troca inicial de mensagens, cada host no domínio, utilizando a combinação do endereço da interface (IID) gerado localmente e do prefixo recebido pelo roteador, gera seu endereço IPv6 global, como mostrado na Figura 4.

7 Descrito pela norma RFC 6106[30], o processo de configuração do servidor DNS através de IPv6 Router- Advertisement complementa a utilização do SLAAC como processo de autoconfiguração, eliminando a necessidade do protocolo DHCPv6 para configuração do DNS, principalmente em redes móveis.. Figura 4 Resumo do processo de autoconfiguração do IPv6 (SLAAC) B. Dynamic Host Control Protocol version 6 O protocolo DHCPv6 é um protocolo com manutenção de estado (Stateful) para alocação de endereços IP de forma dinâmica que pode ser utilizado de forma independente ou complementar ao SLAAC.A utilização do DHCPv6[28] no processo de alocação de endereços para usuários em redes móveis é apenas para prover informações quanto aos servidores DNS a serem utilizados.. O funcionamento do protocolo DHCPv6 é semelhante ao seu equivalente em IPV4, com a utilização de mensagens UDP multicast entre cliente e servidor. O detalhamento do DHCPv6 não é objeto de estudo desse artigo, apenas sua opção de utilização como complemento ao SLAAC. A norma RFC 3646[29] descreve esse mecanismo de utilização do DHCPv6 para prover informações dos DNS disponíveis. De forma simplificada, é utilizada a opção 23 da mensagem DHCPv6 cliente/servidor que especifica uma lista dos endereços IPv6 dos servidores de DNS Recursivos que o cliente pode utilizar. O cabeçalho dessa mensagem é mostrado na figura 5: Figura 5 Opção da mensagem DHCP referente aos servidores DNS Fonte:RFC 3646 [29] A lista dos servidores é apresentada na ordem de preferência de utilização pelo cliente. Como o campo de opções possui tamanho variável, há um campo com a identificação do tamanho, ilustrado na Figura 6: Figura 6 Campos dos servidores DNS em IPv6 no protocol DHCP Fonte:RFC 3646 [29] VI. MODELOS DE CONTEXTOS OU PORTADORAS E CRIAÇÃO DE CONTEXTOS IPV6 Conforme apresentado no Capítulo IV, os contextos ou portadoras representam conexões à rede de dados móveis com características distintas entre si tais como endereçamento IP e QoS. Esse conceito se mantém para sessões de dados no 2G/3G e no LTE, apesar de algumas diferenças práticas na implementação como o tipo de protocolo utilizado (GTPv1 vs GTPv2) e a nomenclatura da conexão (contexto PDP packet data protocol no 2G/3G vs conexão PDN packet data networks ou EPS bearer no LTE) por exemplo. No caso do LTE, a portadora é imediatamente estabelecida quando o móvel é ligado, logo após sua entrada na rede aérea, autenticação e conexão à PDN através do PGW, e permanece ativa durante todo o tempo, provendo ao usuário uma conectividade do tipo always-on[21]. Essa portadora estabelecida assim que o móvel é ligado é conhecida no LTE como default bearer, ou portadora padrão. No GPRS, o nome dado a essa conexão primária é Primary PDP Context, ou contexto PDP primário. No LTE, o usuário pode estabelecer mais de uma conexão primária. Entre elas, a característica comum seria a utilização de modelo de QoS non-gbr (non-guaranteed bit rate), isso é, sem garantia de banda. Outras conexões para um mesmo móvel podem ser estabelecidas, com ou sem garantia de banda. Quando a conexão possui garantia de banda ela é conhecida como portadora dedicada (do inglês, dedicated bearer). Seria o equivalente no GPRS ao secondary PDP Context ou contexto PDP secundário. Cada contexto ou portadora está associada a um endereço IP na forma dos três tipos mostrados a seguir[22]: Conexão PDP/PDN IPv4: a conexão PDN ou contexto PDP é associado a um endereço IPv4. É a conexão mais comum, pois utiliza a pilha de protocolo do IPv4, suportada por todos os móveis atualmente. Conexão PDP/PDN IPv6: a conexão ou contexto é associado apenas a um endereço IPv6. Isso significa que um móvel com uma conexão desse tipo só poderá acessar a pilha de protocolos IPv6 e deverá utilizar algum mecanismo de tradução para acessar páginas e serviços em IPv4. Conexão PDP/PDN IPv4v6: esse modelo particular, prevê a utilização de ambas as pilhas IPv4 e IPv6 simultaneamente. Nesse modelo, o móvel recebe 2 endereços IP, um IPv4 e um IPv6. A utilização de uma ou outra pilha de protocolo fica a cargo da aplicação utilizada. Também é conhecida como conexão Dual-Stack (ou pilha dupla) e foi definida na 3GPP Release8 para o EPS e na 3GPP Release 9 para o GPRS.

8 O tipo de conexão que será utilizado para cada portadora e para cada usuário depende de diversos fatores. A forma mais simples e mais comum, é quando o usuário envia o tipo de APN na requisição de acesso a rede. Dessa forma, quando o equipamento do usuário suporta ambas as pilhas de protocolo ele deve requisitar um PDP/PDN do tipo Dual-Stack. Quando o móvel suporta apenas a pilha IPv4 ele requisita o PDP/PDN do tipo IPv4. Uma requisição do tipo IPv6 seria incomum hoje, dado que nem todos os serviços estão disponíveis em IPv6 e nenhum móvel possui apenas suporte a essa pilha de protocolos, mas seria possível caso o móvel fizesse requisição desse tipo e a rede aceitasse essa requisição. Após o pedido de conexão ser realizado, caso os elementos de sinalização (SGSN no GPRS e MME no LTE) suportem o tipo de contexto requisitado, eles devem autorizar e autenticar o usuário nas bases de dados (HLR no GPRS e HSS no LTE) da seguinte maneira: Se o tipo de conexão requisitada é permitida no perfil do usuário, os elementos de sinalização setam o tipo de PDN/PDP conforme requisitado. Se o tipo de PDP/PDN requisitado for IPv4v6 e a subscrição de dados do usuário permitir apenas conexões do tipo IPv4 ou IPv6, a conexão é setada conforme a subscrição, apenas do tipo IPv4 ou apenas do tipo IPv6, e é retornado ao móvel uma mensagem indicando que apenas aquele tipo de conexão é permitida. Nesse caso, o móvel não deve fazer outra requisição de conexão para a pilha não suportada. Caso o tipo de PDP/PDN requisitado for IPv4 ou IPv6 e a subscrição for IPv4v6, o tipo de conexão é aceita conforme solicitado. Se a conexão requisitada for do tipo IPv4v6 e a subscrição permitir IPv4 e IPv6, mas não IPv4v6, fica a cargo da implementação apontar qual o tipo de conexão será setada para o usuário, se IPv4 ou IPv6. Nesse caso específico, o móvel deverá abrir uma nova requisição para o tipo de pilha não alocado na requisição anterior. Após essa fase, o elemento responsável pela atribuição dos endereços IPs para os móveis, o GGSN no GPRS e o PGW no LTE, também podem restringir a utilização da pilha requisitada. A configuração relativa a APN requisitada deve permitir e possuir endereços disponíveis para o tipo de conexão requisitada. Caso um desses pontos não seja possível, uma mensagem é enviada ao móvel indicando o tipo de erro na alocação de endereço. Como se tratam de pilhas de protocolos com pools de endereços distintos, os endereços IPv4 e IPv6 podem se esgotar em momentos diferentes. Isso, por exemplo, impediria a conexão do tipo IPv4v6 de funcionar corretamente, caso a pilha IPv4 ou IPv6 tiverem seus endereços esgotados no GGSN/PGW. Como visto anteriormente, esses elementos também são responsáveis por prover qual DNS será utilizado pelo usuário em cada conexão. Assim, informações sobre o endereço IPv4 ou IPv6 dos servidores DNS, dependendo do tipo de conexão, também são fornecidos. O processo de conexão a rede de dados pode ou não envolver outros elementos como um servidor AAA ou o PCRF. Como esses elementos não são obrigatórios na rede eles não fazem parte da análise do processo de criação de contextos IPv6. De forma geral, a função dos elementos principais no acesso do usuário móvel a uma conexão de dados do tipo IPv4, IPv6 ou IPv4v6 pode ser resumida na Figura 7: Figura 7 Principais elementos no processo de alocação de endereços para um usuários da rede de dados móveis VII. TRANSPORTE E ROTEAMENTO EM REDES DE DADOS MÓVEIS - GTP / OSPFV3 / BGP Como visto nos capítulos anteriores, o processo de configuração de IPv6 para usuários de redes de dados móveis não é trivial e envolve inúmeros elementos ao longo do caminho. Após a conclusão dessa etapa, tendo o móvel recebido o seu IPv4 ou calculado seu endereço IPv6 único, é necessário garantir que esse usuário tenha acesso a Internet ou a qualquer outro serviço de forma transparente independente do tipo de pilha que ele esta requisitando. Torna-se necessário então entrarmos na parte de transporte na rede de dados e seu protocolo mais importante, o GTP (GPRS Tunneling Protocol). Definido nas normas 3GPP 29060[31], 3GPP 32295[32] (GTP Charging Protocol Messages ou GTP`) e 3GPP 23401[33] (Procedimentos de Roaming de dados) ele é o protocolo de transporte mais comumente utilizado entre os nós do núcleo da rede de dados móveis, ou GSN s (GPRS Support Nodes) e redes de acesso e inclui procedimentos relativos ao plano de controle e sinalização, conhecido como GTP-C e transferência de dados, o GTP-U. Em relação às interfaces lógicas, as que utilizam o GTP como transporte são[34]: IuPS-C / IUPS-U Interface lógica entre RNC e SGSN. Corresponde a interface que provê conectividade entre a rede de acesso 3G e o núcleo da rede de dados. Gn-C / Gn-U Interface lógica entre SGSN e GGSN, é a interface que conecta os elementos principais do núcleo da rede de dados 2G/3G. É a interface que representa a ponte entre uma rede 3GPP e uma rede non-3gpp. Gp-C / Gp-U Abstração da interface Gn para identificação de tráfego quando o usuário esta em situação de roaming. Gz Interface entre GGSN/PGW e elementos da rede de bilhetagem para transporte de dados de cobrança conhecidos

9 como CDRs (Charging Data Records ou registro de dados de cobrança) S1-U Interface no plano de dados que conecta enodeb s e SGW. É a interface equivalente a Gn-U no LTE. S11- Interface do LTE responsável pela comunicação entre MME e SGW. Transporta apenas sinalização. S5 Interface entre o SGW e o PGW no LTE. Equivale a interface Gn-U / Gn-C no GPRS. Utiliza GTPv2 para controle e GTPv1 para dados. S8 Interface entre SGW e PGW para casos de roaming. Equivale a interface Gp no GPRS. S4 Interface entre SGSN Rel8 e SGW. S3 Interface entre SGSN Rel8 e MME. S10 Interfaces entre MME s. Atualmente, três versões do protocolo são utilizadas, sendo as versões 0 e 1 (GTPv0 / GTPv1) utilizadas em redes 2G/3G/LTE no plano de controle e dados e a versão mais atual (GTPv2) em redes LTE no plano de controle. O GTP utiliza a pilha IP/UDP para encapsular sinalização e dados de usuário em um túnel que é transportado de forma a separar esse tráfego no transporte entre os elementos da rede de dados móveis. No protocolo de transporte UDP[35] ele é identificado nas portas 2123 (GTP-C) e 2152 (GTP-U), como pode ser visto na Figura 8. Um túnel GTP é identificado através de três parâmetros, o endereço IP do nó, a porta UDP referente ao tipo de tráfego sendo transportado (controle ou dado) e o identificador do túnel, conhecido como TEID (Tunnel Endpoint Identifier). Esse parâmetro permite a multiplexação do tráfego GTP entre as entidades participantes do processo de troca de mensagens de sinalização e dados na rede móvel. Figura 9 Transporte de dados de usuário pelo domínio GTP Tunelamento GTP Considerando um tráfego IPv6 ou IPv4v6, a comunicação dentro do domínio da rede de dados se faz como mostrado na figura. Após o domínio GTP, isso é, após o Gateway da rede de dados GGSN/PGW, se faz necessário o transporte dos dados de acordo com a pilha de protocolos específica. Como dito anteriormente, não há comunicação entre as pilhas de protocolo IPv4 e IPv6 sem um método de tradução ou tunelamento. Dessa forma, a partir do gateway todo o roteamento e transporte de dados em IPv6 deve utilizar protocolos que o suportem. Diversos protocolos de roteamento atualmente possuem suporte ao IPv6 como o ISIS[36] (Intermediate System to Intermediate System), o RIPng[37] (Routing Information Protocol - New Generation), o OSPFv3[38] (Open Shortest Path First version 3) e o MP- BGP[39] (Multi-Protocol Border Gateway Protocol). Considerando apenas os protocolos de roteamento mais utilizados em redes locais e entre redes locais, o enfoque desse trabalho estará no OSPFv3 e no BGP. O roteamento de dados em uma rede de dados móveis pode ser resumido como na Figura10, com seus principais protocolos e elementos. Figura 8 Pilha de protocolos do GTP Fonte 3GPP 29060[31] Os dados de tráfego dos usuários ficam então encapsulados em um cabeçalho GTP-U contendo um TEID e o gateway da rede de dados (GGSN ou PGW) é o responsável por desencapsular esses dados, removendo o cabeçalho GTP e transformando esses pacotes em pacotes IP puros. Esse detalhe é importante, pois vai determinar a forma como um tráfego de usuário em IPv6 será tratado entre os elementos da rede de dados. O transporte desses dados pela rede GPRS independe do tipo de pilha que o usuário esta requisitando, seja ela IPv4, IPv6 ou Dual-Stack [34], sendo tratados apenas como payload pelo GTP. A Figura 9 mostra como é feito esse encapsulamento entre a geração dos dados pelo usuário e seu transporte pela rede de dados móveis até a internet, conhecido como tunelamento GTP. Figura 10 Roteamento da dados em IPv6 Definido atualmente pela RFC5340[38] a versão 3 do protocolo OSPF traz algumas alterações necessárias para suporte a rede que utilizam IPv6. Os mecanismos básicos do OSPF como eleição de DR (Designated Router), suporte a áreas, cálculo baseado no algoritmo SPF (Shortest Path First, ou menor rota primeiro), etc, se mantém os mesmos. As mudanças necessárias, seja por alterações nas semânticas do protocolo para suporte a endereços maiores no IPv6 ou para permitir que o protocolo funcione em um domínio de link e não de sub-redes IP foram incorporadas ao protocolo de forma a que ele se adequasse ao IPv6. Outra alteração importante no OSPF foi a remoção da autenticação. Como vista no capitulo

10 III, o IPv6 já utiliza autenticação via AH (Authentication Header) e ESP (Encapsulating Security Payload) de forma nativa, eliminando a necessidade dos mecanismos de segurança no OSPF. Segue abaixo um resumo das alterações no protocolo OSPF para suporte ao IPv6: Processamento do protocolo por link e não por sub-redes IP; Alterações nas semânticas de endereçamento; Adição do Flooding Scope ou escopo de inundação enlace local, área ou sistema autônomo; Suporte explícito a múltiplas instâncias do protocolo por enlace; Uso de endereços do tipo Link Local; Remoção da autenticação; Alterações no formato do pacote expansão do campo Options, inclusão do Instance ID no cabeçalho, remoção do campo de autenticação; Identificação dos vizinhos OSPF apenas pelo Router ID; Para o protocolo BGP, o mais utilizado para roteamento entre sistemas autônomos, as alterações necessárias para suporte ao IPv6 e a outros protocolos, criaram uma versão do protocolo conhecida como MP-BGP (Multi Protocol Border Gateway Protocol) ou BGP multi-protocolo dando ao protocolo a capacidade de: 1. Associar um protocolo de rede particular com informações relativas ao próximo salto de uma rota. 2. Associar um protocolo de rede com o parâmetro NLRI (Network Layer Reachability Information) Para isso, o BGP faz uso da combinação de dois parâmetros, a Família de Endereços (Address-Family) e a Família de endereços subsequente (Subsequence Address Family) na criação de dois novos atributos, Multiprotocol Reachable NLRI (MP_REACH_NLRI) e Multiprotocol Unreachable NLRI (MP_UNREACH_NLRI). O primeiro, é utilizado para carregar informação dos destinos alcançáveis junto com os próximos saltos a serem utilizados no encaminhamento para esses destinos. O segundo carrega informações dos destinos não alcançáveis. Ambos os atributos são opcionais e não-transitivos, para manter a compatibilidade com versões anteriores do protocolo. Para o IPv6, um exemplo da utilização do AFI e SAFI para indicar a qual protocolo de rede o NLRI de determinada rota deve pertencer é mostrado na Tabela VII: Address Family Indicator (AFI) 2 - IPv6 TABELA VII UTILIZAÇÃO DO AFI E SAFI DO BGP COM IPV6. Subsequence Address Family Indicator (SAFI) 1 IPv6 Unicast 2 IPv6 Multicast 4 IPv6 com MPLS (6PE) 5 IPv6 com NG-MVPN 128 L3VPN com IPv6 unicast 129 L3VPN com IPv6 multicast Dessa forma, o transporte do tráfego do usuário na pilha de protocolos IPv6 é garantida desde a sua geração, na rede de dados móveis, até o seu destino, possivelmente em uma outra rede ou acessando um serviço na internet em IPv6. VIII. COBRANÇA E BILHETAGEM DE USUÁRIOS IPV6 A forma de coleta e armazenamento de dados de cobrança nas redes móveis de forma geral é feita utilizando um conjunto de informações conhecidas como CDR s. Essas informações incluem eventos onde a cobrança se faz necessária tais como tempo para estabelecimento de uma chamada, tempo de duração da chamada, quantidade de dados transferidos, etc. Esses registros são transferidos entre o elemento que gera esses CDR s e o CGF[40] (Charging Gateway Function), entidade que faz o interfaceamento com o chamado Billing Domain, isto é, as unidades da rede responsáveis pela cobrança aos usuários, através de uma variação do protocolo GTP conhecida como GTP Prime ou GTP`, que também utiliza a pilha de protocolos UDP/IP, porém na porta UDP Com a introdução do IPv6 nas redes de dados móveis, esses registros tem de ser atualizados de forma a conter dados referentes a uma conexão IPv6 ou Dual-Stack. Alguns campos do CDR em particular são afetados pela introdução do IPv6, como ilustra a Tabela VIII: TABELA VIII CAMPOS DO CDR AFETADOS PELA INTRODUÇÃO DO IPV6. Campo do CDR Tipo do PDP/PDN (PDP/PDN Type) Endereço do PDP/PDN (Served PDP/PDN Address) Extensão do Endereço do PDP/PDN (Served PDP/PDN Address Ext ) Endereço do SGSN (Serving Node Address) Descrição do campo Organização do Tipo de PDP (IETF) e Valor do Tipo de PDP. Endereço IPv4/ IPv6 do PDP atribuído ao IMSI. Endereço IPv4 do PDP Atribuído ao IMSI (para o caso de conexões Dualstack) Endereço IPv4 do serving node para interface Gn/S5 ou o endereço IPv6 na interface S2. IX. CONSIDERAÇÕES FINAIS Valores para usuáios IPv6 ou Dual Stack HEX[57] : IPv6 HEX[8D] : IPv4v6 Decimal: Endereço IPv4 X.X.X.X HEX : Endereço IPv6 H:H:H:H:H:H:H:H Decimal: Endereço IPv4 X.X.X.X Decimal: Endereço IPv4 X.X.X.X HEX : Endereço IPv6 H:H:H:H:H:H:H:H O aumento na demanda por velocidades cada vez maiores, somado a um maior número de acessos e demanda por serviços mais diversificados, gera a necessidade de evolução constante das redes. Essa evolução passa pela adoção de novas soluções que venham a solucionar problemas decorrentes dessa massificação do acesso. O protocolo IPv6, apesar de não ser um protocolo novo, é uma tecnologia que se apresenta com o propósito de servir como principal protocolo na internet do futuro, e assim atender o crescimento de usuários projetado para os próximos anos, principalmente com o advento da chamada Internet das Coisas.

11 Este artigo descreveu as características principais do IPv6 e focou os pontos de atenção para a sua adoção, tomando como base as tecnologias atuais GPRS, UMTS e LTE, mas projetando sua utilização no futuro. A ideia principal é colaborar para o entendimento dos elementos principais da rede de dados, como eles se relacionam entre si, como a adoção do IPV6 impacta cada um deles e permitir a compreensão das relações convergentes entre redes IP e redes 3GPP. Adicionalmente, por fornecer uma visão geral das redes de dados móveis, seus aspectos mais relevantes e principais protocolos, espera-se que este artigo possa ser um documento interdisciplinar. REFERÊNCIAS [1] LTE Advanced (on-line). Disponível na Internet. URL: (acesso em 2/11/2015) [2] Gartner Says 4.9 Billion Connected "Things" Will Be in Use in 2015 (on-line). Disponível na Internet. URL: (acesso em 2/11/2015) [3] IANA IPv4 Address Space Registry (on-line). Disponível na internet. 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