Hierarquia de Endereços IPv6

Adailton J. S. Silva <adailton@rnp.br>
Marcel R. Faria <marcel@rnp.br>

Centro de Engenharia e Operações (CEO)
Rede Nacional de Ensino e Pesquisa (RNP)

Resumo
1. Conceitos Básicos
1.1 Endereço Unicast
1.2 Endereço Anycast
1.3 Endereço Multicast
2. Hierarquia de Endereçamento IPv6
2.1 Top-Level Aggregation ID
2.2 Next-Level Aggregation ID
2.3 Site-Level Aggregation ID
2.4 Interface ID
3. Endereçamento no 6Bone
4. Endereços IPv6 de Produção
5. Recomendações e Conclusão
6. Sites Relacionados

Resumo

Desde a publicação das primeiras RFCs sobre o sucessor do atual protocolo IPv4, muito se tem feito para aperfeiçoar algoritmos, desenvolver novos protocolos e novas tecnologias relacionadas ao protocolo da próxima geração IP, o IPv6. Comparando-se as referências deste artigo com as que foram publicadas no artigo O que Vai Mudar na Sua Vida com o IPv6 , percebe-se que algumas das RFCs, ou quase todas, já foram atualizadas, principalmente as que são a base da arquitetura do protocolo, a RFC 2373 - IP Version 6 Addressing Architecture [1], que substituiu a RFC 1884 de mesmo nome; a RFC 2460 - Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification [4], que substituiu a RFC 1883; e a RFC 2374 - An IPv6 Aggregatable Global Unicast Address Format [2], que substituiu a RFC 2073. Isso implica em um novo estágio de maturação do novo protocolo.

Este artigo apresenta uma visão atualizada da hierarquia de endereçamento IPv6, incluindo também o novo modelo de endereçamento do 6Bone e o modelo da distribuição de endereços IPv6 de produção definido pela IANA , fornecendo noções básicas para o entendimento de como funciona o endereçamento IPv6 e sua atual utilização, tanto no 6Bone quanto em ambientes de produção.

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1. Conceitos Básicos

A ampliação de 32 bits do endereço IPv4 para 128 bits no endereço IPv6 é uma das mais importantes características do novo protocolo. É um imenso espaço de endereçamento, com um número difícil de ser apresentado (2¹²⁸), porque são milhares de bilhões de endereços. O IPv6 acaba ainda com as classes de endereços e possibilita um método mais simples de auto-configuração.

O endereço IPv6 é representado através de três formas diferentes. A notação mais usual é x:x:x:x:x:x:x:x, onde os "x" são números hexadecimais, ou seja, o endereço é dividido em oito partes de 16 bits, como no seguinte exemplo:

1080:0:0:0:8:800:200C:417A

De todo espaço de endereçamento IPv6, apenas 15% está previamente alocado para uso (ver Tabela 1 a seguir), ficando os 85% restantes reservados para o futuro. Como apresentado a seguir, na forma abreviada, as seqüências de zeros podem ser substituídas pela string "::". No entanto, esta substituição só pode ser feita uma única vez em cada endereço. A tabela abaixo mostra alguns exemplos na forma completa e na forma abreviada, como apresentado em [1].

A terceira forma de representação, mais conveniente quando em ambientes mistos com nodes IPv4 e IPv6, é da forma x:x:x:x:x:x:d:d:d:d, onde os "x" são números hexadecimais (16 bits) e os "d" são valores decimais de 8 bits referentes à representação padrão já bem conhecida do IPv4. Por exemplo:

0:0:0:0:0:0:192.168.20.30

0:0:0:0:0:FFFF:172.17.10.40

ou, na forma abreviada:

::192.168.20.30

::FFFF:172.17.10.40

Esta forma de notação será bastante útil durante a migração do IPv4 para o IPv6 e na coexistência entre ambos. Há ainda uma outra notação importante, a que se refere à representação textual dos prefixos e que é similar à notação CIDR do IPv4: endereço/prefixo, ou seja, o prefixo representa a sub-rede a qual o endereço pertence. Por exemplo, considerando um prefixo de 60 bits sendo 12AB00000000CD3 em hexadecimal, as seguintes representações são válidas:

12AB:0:0:CD3:0:0:0:0/60

12AB::CD3:0:0:0:0/60

12AB:0:0:CD3::/60

Especificamente, o prefixo definido pelos primeiros bits do endereço indica cada tipo de endereço IPv6. O campo variável que compreende esses bits é denominado Format Prefix (FP). A alocação de todo espaço de endereçamento, como definida em [1], é apresentada pela seguinte tabela:

Tabela 1 - Alocação do Espaço de Endereçamento

Foi também eliminada a antiga alocação de endereços unicast Geographic-based apresentada pela RFC 1883, referente a uma faixa de endereços que seriam distribuídos geograficamente.

Os endereços IPv6 Unspecified, Loopback, e Embedded IPv4, apresentados a seguir, são alocados fora do espaço de endereçamento do prefixo 0000 0000. Também todos os prefixos de formato (FP) de 001 até 111, exceto os endereços Multicast (1111 1111), devem ter identificadores de interface de 64 bits no formato EUI-64.

Na arquitetura de endereçamento IPv6, há 3 tipos de endereços: Unicast, Multicast e Anycast. Os endereços do tipo Broadcast foram abolidos da arquitetura, mas essa funcionalidade é provida pelos endereços Multicast. Endereços de qualquer tipo podem ser assinalados a uma interface, e uma única interface pode compartilhar mais de um endereço que também podem ser de qualquer tipo.

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1.1 Endereço Unicast

Identifica uma única interface. Um pacote destinado a um endereço unicast é enviado diretamente para a interface associada ao endereço. Foram definidos alguns tipos de endereços unicast, que são:

Aggregatable Global Unicast Addresses : é o endereço unicast que será globalmente utilizado na Internet. Seu novo formato possui sete campos: o prefixo de 3 bits (001), um identificador TLA (Top-Level Aggregation), um campo RES reservado, um identificador NLA (Next-Level Aggregation), um identificador SLA (Site-Level Aggregation) e o identificador da interface:

Observe que, no formato inicial, a RFC 1883 indicava um NLA de 32 bits. Agora, o NLA foi reduzido para 24 bits, e foi criado um espaço reservado de 8 bits. O capítulo 2 a seguir apresenta detalhes dessa hierarquia de endereços.

Unspecified Address : definido como 0:0:0:0:0:0:0:0 ou "::", indica a ausência de um endereço e nunca deverá ser utilizado em nenhum node. Um exemplo seria sua utilização como endereço de origem (source address) de estações ainda não inicializadas, ou seja, que ainda não tenham aprendido seus próprios endereços. Além disso, esse tipo de endereço não deve ser utilizado em endereço destino ou em cabeçalho de roteamento de pacotes IPv6;

Loopback Address : representado por 0:0:0:0:0:0:0:1 ou "::1". Pode ser utilizado apenas quando um node envia um datagrama para si mesmo. Não pode ser associado a nenhuma interface física, nem como endereço fonte, nem como endereço destino, mas pode ser imaginado como sendo de uma interface virtual (loopback). Não deve ser utilizado em endereço fonte de pacotes enviados. Um pacote IPv6 com endereço destino da loopback também não deve deixar o node e nunca ser repassado por um roteador IPv6;

Embedded IPv4 Addresses : trata-se de um endereço IPv6 com um IPv4 embutido, também denominado IPv4-compatible IPv6 Address . É formado anexando-se um prefixo nulo (96 bits zeros) a um endereço IPv4 como, por exemplo, ::172.16.25.32. Este tipo de endereço foi incluído como mecanismo de transição para hosts e roteadores "tunelarem" pacotes IPv6 sobre roteamento IPv4.

• Para hosts sem suporte a IPv6, foi definido um outro tipo de endereço ( IPv4-mapped IPv6 Address ) da seguinte forma: ::FFFF:172.16.25.32.

NSAP Addresses : endereço de 121 bits identificado pelo prefixo 0000001, definido pela RFC 1888 - OSI NSAPs and IPv6 como mecanismo de suporte para endereçamento OSI NSAP (Network Service Access Point) em redes IPv6;

IPX Address : endereço de 121 bits identificado pelo prefixo 0000010, incluído para prover mecanismo de mapeamento de endereços IPX em endereços IPv6. Os endereços IPX (Internal Packet eXchange) são utilizados em redes Netware;

Local-Use IPv6 Address : há dois de endereços para uso local: link-local e site-local:

• Link-local : endereço identificado por um prefixo de 10 bits (1111111010), definido para uso interno num único enlace para funções como auto-configuração de endereços, descoberta do vizinho (neighbor discovery) ou quando não há roteador. Estações ainda não configuradas, ou com um endereço global unicast ou com um site-local, poderão utilizar um endereço link-local. Os roteadores não devem repassar pacotes com endereço fonte ou destino deste tipo;
• Site-local : endereço identificado pelo prefixo de 10 bits (1111111011), definido para uso interno numa organização que não se conectaraá à Internet, e não há necessidade de uso de um prefixo global. Os roteadores não devem repassar pacotes cujos endereços origem ou destino sejam endereços site-local.

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1.2 Endereço Anycast

Identifica um grupo de interfaces de nodes diferentes. Um pacote destinado a um endereço anycast é enviado para uma das interfaces identificadas pelo endereço. Especificamente, o pacote é enviado para a interface mais próxima de acordo com a medida de distância do protocolo de roteamento.

Os endereços anycast são alocados no mesmo espaço de endereçamento unicast, utilizando qualquer um dos formatos dos endereços unicast. Assim, ambos os tipos de endereços não são distinguíveis sintaticamente. Quando um endereço unicast é configurado em mais de uma interface num mesmo node, ele se torna num endereço anycast e o node deve ser explicitamente configurado para reconhecer este endereço.

Um dos possíveis uso deste tipo de endereço seria identificar o grupo de roteadores pertencentes a um provedor Internet. Ou então, identificar um conjunto de roteadores conectados a uma sub-rede, ou ainda identificar os roteadores provendo entrada para um domínio de roteamento específico. Na prática, a experiência com endereços anycast na Internet ainda é muito incipiente e existem algumas complicações no uso generalizado desse endereço. Por isso, até que se adquira mais experiência e as soluções resolvam tais problemas, as seguintes restrições são impostas:

• Um endereço anycast não pode ser utilizado como endereço de origem (source address) de qualquer pacote IPv6;
• Um endereço anycast não pode ser configurado num host IPv6, ou seja, ele só pode ser associado a roteadores.

Foi pré-definido um formato para os endereços anycast, denominado subnet-router anycast address , como segue abaixo. O prefixo de sub-rede no endereço identifica um link específico. Este endereço anycast é sintaticamente o mesmo endereço unicast, só que com os bits do identificador da interface zerados, como mostrado.

Pacotes enviados para um endereço subnet-router anycast serão entregues a um roteador na sub-rede. Todos os roteadores devem suportar endereços deste tipo para as sub-redes nas quais possuam interfaces.

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1.3 Endereço Multicast

Igualmente ao endereço anycast, este endereço identifica um grupo de interfaces ou um grupo de nodes, mas um pacote destinado a um endereço multicast é enviado para todas as interfaces do grupo. Um node pode pertencer a mais de um grupo multicast.

As funcionalidades de multicasting foram formalmente incorporadas ao IPv4 em 1988, com a definição dos endereços classe D e do IGMP (Internet Group Management Protocol) e ganhou força com o advento do MBone (Multicasting Backbone), mas seu uso ainda não é universal. Desta vez, estas funcionalidades foram automaticamente incorporadas ao IPv6. Isto significa que não mais será necessário implementar túneis MBone, pois todos os hosts e roteadores IPv6 deverão suportar multicasting nativamente.

Os endereços multicast têm o seguinte formato:

Ou seja, todo endereço iniciado por 1111 1111 (ou FF) é um endereço multicast. O campo flgs tem o formato 000T. T=0, indica um endereço multicast permanentemente (well-know) alocado. T=1 indica um endereço temporário. Já o campo scop limita o escopo dos endereços multicast e assume alguns valores representando endereços multicast node-local, site-local, link-local, organization-local, global , etc. Há vários endereços multicast já alocados para algumas aplicações, outros reservados e algumas faixas ainda não alocadas [1].

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2. Hierarquia de Endereçamento IPv6

Os endereços IPv6 unicast foram projetados assumindo que os sistemas de roteamento da Internet repassam pacotes baseado num algoritmo de cálculo do prefixo mais longo, sem nenhum conhecimento da estrutura interna do endereço IPv6. O tipo específico de endereço IPv6 é indicado pelos primeiros bits do endereço. Como mostrado no seção anterior, o campo variável que compreende estes bits é denominado Format Prefix (FP) e detalhado em [2].

Dentre os tipos de endereços unicast apresentados anteriormente, foram apresentados os endereços Aggregatable Global Unicast Addresses a serem globalmente utilizados na Internet e definidos pelo formato de prefixo (FP = 001) para suportar a agregação provider-based, definida inicialmente pela RFC 1884, e um novo tipo de agregação denominada como exchange-based. Esta combinação permitirá uma agregação eficiente de rotas, tanto para sites conectados a provedores, quanto para aqueles conectados aos pontos de troca de tráfego (exchanges). Estes endereços apresentam a seguinte estrutura:

sendo,

• FP - Format Prefix de 3 bits, neste caso igual a 001;
• TLA ID - Identificador Top-Level Aggregation de 13 bits;
• RES - 8 bits reservados para uso futuro, e deve ter todos os bits zerados;
• NLA ID - Identificador Next-Level Aggregation de 24 bits;
• SLA ID - Identificador Site-Level Aggregation de 16 bits;
• Interface ID - Identificador da interface de 64 bits.

Em termos de topologia, essa estrutura permite uma organização em três níveis hierárquicos: pública, site e identificador de interface. A topologia pública (campos TLA, RES, e NLA) reflete o conjunto de provedores de serviços Internet, provedores de trânsito e pontos de troca de tráfego. A topologia site (campos SLA) tem abrangência local, uma organização específica que não provê serviços de trânsito para outras organizações ou sites. Já o identificador de interface (campos Interface ID), como o próprio nome indica, identifica a interface do node.

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2.1 Top-Level Aggregation ID

Os identificadores TLA são o topo da hierarquia de roteamento. Este formato suporta 8.192 (2¹³) identificadores TLA, que podem ser aumentados ou através do aumento do tamanho do campo TLA, utilizando os bits reservados do campo RES, ou utilizando um prefixo de formato adicional.

Os roteadores default-free devem ter uma entrada na tabela de roteamento para cada TLA ID ativo, e podem ter entradas adicionais para otimizar o roteamento de suas topologias específicas. Mas, em todos os níveis, a topologia de roteamento deve ser projetada para minimizar a quantidade de entradas na tabela de roteamento. Está sendo produzido um documento específico para o campo TLA.

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2.2 Next-Level Aggregation ID

Os identificadores NLA são utilizados pelas organizações que possuam um TLA ID para criar uma estrutura de endereçamento hierárquica e identificar sites. Cada organização que recebe um TLA ID tem um espaço de endereçamento de 24 bits de espaço NLA, ou seja, 16.777.216 (2²⁴) de endereços. O que torna possível dizer que cada organização recebe aproximadamente a mesma quantidade de endereços que toda atual Internet IPv4 pode suportar. Supondo, então, uma distribuição plana de todo espaço NLA, teríamos uma tabela de rotas com aproximadamente 16 milhões de entradas. Daí a importância de se hierarquizar o endereçamento para minimizar a tabela de rotas e otimizar o roteamento.

Como mostra o exemplo acima, a organização pode utilizar a parte superior do NLA ID (representada pelo campo NLA1 de "n" bits) de forma a criar num esquema de endereçamento hierárquico apropriado à topologia de sua rede, e os bits restantes podem ser utilizados para identificar os sites (Site ID).

As organizações possuidoras de um TLA ID podem suportar NLA IDs no seu próprio espaço Site ID (do exemplo anterior), o que possibilita o provimento de serviços a outras organizações provedoras ou não de serviço público de trânsito. Por sua vez, as organizações possuidoras de um NLA ID podem usar o espaço Site ID para suportar outros NLA IDs, como mostrado abaixo:

O esquema acima leva a uma distribuição hierárquica, onde a responsabilidade para definição e alocação do espaço NLA é do possuidor do TLA, a responsabilidade do espaço NLA1 é do possuidor do NLA, a do NLA2 é do possuidor do NLA1 e assim por diante. Na alocação do espaço NLA, há uma troca entre a eficiência da agregação do roteamento e a flexibilidade. Uma estrutura hierárquica permite uma maior agregação de rotas e, por conseguinte, uma menor tabelas de rotas com otimização no roteamento. Já uma estrutura plana de distribuição de endereços NLA facilita a alocação de endereços, mas resulta em grandes tabelas de rotas.

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2.3 Site-Level Aggregation ID

O identificador SLA é utilizado por uma organização individual, que é responsável para definir a estrutura de endereços do espaço SLA. Dentro deste espaço, a organização pode criar localmente sua própria estrutura de endereçamento hierárquica, num procedimento similar às divisão em sub-redes do IPv4, só que com um número muito maior de sub-redes.

A exemplo do esquema apresentado no NLA, a organização possuidora do SLA pode decidir utilizar uma estrutura plana, aumentado a tabelas de rotas, ou definir uma estrutura hierárquica que seria da forma:

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2.4 Interface ID

Os identificadores de interface (Interface ID), como o próprio nome indica, são utilizados para identificar interfaces de um enlace específico e devem ser únicos para esse link. Também devem ser únicos num escopo mais abrangente. Em muitos casos, o identificador de interface será o endereço de interface da camada de enlace ou obtido a partir deste.

Para os endereços aggregatable global unicast, os identificadores de interface de 64 bits devem ser construídos no formato IEEE EUI-64. Estes identificadores podem ter um escopo global quando formados a partir de registros de escopo global, como é o caso dos endereços MAC de 48 bits definidos pelo IEEE; ou um escopo local quando não existirem tais registros. É o caso das conexões seriais ponto-a-ponto. Em [1], são apresentados os procedimentos para se obter um identificador de interface a partir de um endereço MAC. Para cada RFC que define o protocolo IPv6 sobre algum enlace específico, como IPv6 sobre Ethernet ou IPv6 sobre FDDI, há procedimentos para formação do Interface ID.

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3. Endereçamento no 6Bone

Com o propósito de utilizar o mínimo do espaço de endereçamento de produção IPv6, a IANA alocou ao Projeto 6Bone o prefixo TLA 3FFE::/16. Esse endereço é especificado no RFC 2471 - IPv6 Testing Address Allocation [5].

Sob esse prefixo, o 6Bone criou um formato próprio para o particionamento de seu espaço endereços. Esse formato é baseado no utilizado em endereços de produção, especificado no RFC 2374 - An IPv6 Aggregatable Global Unicast Address Format [2].

Os prefixos TLA e NLA do formato de produção são simulados dentro da faixa de endereços do 6Bone. Eles são chamados pseudo Top-Level Aggregation Identifier e pseudo Next-Level Aggregation Identifier, pTLA e pNLA respectivamente.

O formato de endereços utilizado é representado abaixo:

O tamanho do campo pTLA ID original permitia ao 6Bone atribuir identificadores para até 256 backbones. No início de 1999, devido a grande expansão do 6Bone, decidiu-se aumentar o campo pTLA para que este pudesse acomodar um maior número de redes. Há hoje, então, dois formatos para os campos pTLA e pNLA utilizados no 6BONE. A única diferença entre esses dois formatos é a quantidade de bits utilizados por cada um desses dois campos.

No formato original, o campo pTLA possui 8 bits e o campo pNLA 24 bits, como ilustrado no diagrama acima. A notação dos prefixos pTLA fica, então, 3FFE:nn00::/24, onde "nn" representa o campo pTLA. Como exemplo, temos o pTLA 3FFE:2B00::/24, atribuído a RNP.

O novo formato utiliza os primeiros 4 bits do campo pNLA, que diminui para 20 bits, e os acresenta ao campo pTLA, que aumenta para 12 bits. A nova notação dos prefixos pTLA fica, então, 3FFE:nnn0::/28, onde "nnn" representa o novo campo pTLA. Para evitar conflitos com os pTLAs já atribuídos, o valor "nnn"começa a partir de 0x800. Um dos exemplos desses novos TLAs é o identificador atribuído à Nokia, 3FFE:8130::/28.

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4. Endereços IPv6 de Produção

Atualmente, já estão sendo oferecidos endereços IPv6 de produção pelos três Regional Internet Registries (RIR): ARIN, RIPE NCC e APNIC. Uma versão modificada da hierarquia de endereçamento está sendo utilizada nesta primeira fase:

Inicialmente, foi reservado pela IANA o prefixo TLA 2001::/16 para endereçamento de produção. Sob esse prefixo, são alocados os identificadores para backbones, utilizando para isso o campo Sub-TLA. O tamanho do prefixo mínimo alocado é de 35 bits.

O processo de alocação utiliza um procedimento chamado slow start. Ao se obter um identificador Sub-TLA, os 6 bits seguintes são reservados pelo RIR que fez a alocação. O RIR só fará alocações subseqüentes desse espaço reservado quando a organização tiver utilizado pelo menos 80% do espaço previamente alocado.

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5. Recomendações e Conclusão

Muitas das comparações entre os protocolos IPv4 e IPv6 se focam no tamanho dos endereços permitidos pelos dois (32 versus 128 bits). No entanto, como tem mostrado a experiência com o atual protocolo IPv4, não basta simplesmente aumentar a quantidade de endereços disponíveis. É necessário organizar o espaço de endereçamento de forma hierárquica, com o objetivo de prover a maior eficiência possível no roteamento. Sem tal preocupação, o tamanho das tabelas de rotas da Internet se tornaria tão elevado, que não seria possível a expansão da rede. Com isso em mente, os projetistas do IPv6 tiveram como uma de suas principais preocupações criar um espaço de endereçamento que permitisse, eficientemente, o particionamento em uma hierarquia global de roteamento.

Os endereços IPv6 de produção podem ser obtidos junto aos Regional Internet Registries. No caso do Brasil, o RIR responsável pela distribuição de endereços é a ARIN ( http://www.arin.net ). O tamanho mínimo dos prefixos alocados é /35, o que torna o processo de alocação um tanto burocrático e cheio de exigências, uma vez que esse é considerado um bloco grande de endereços. Atualmente, não existem provedores nacionais, sendo inviável, portanto, a obtenção de blocos de endereços de menor escopo.

Quanto aos endereços do 6Bone, podem ser obtidos junto ao Projeto Br6Bone, que é promovido pela RNP. O endereço Web do projeto é http://www.6bone.rnp.br .

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6. Sites Relacionados

[6BONE] 6Bone IPv6 Testbed Backbone - http://www.6bone.net

[BR6BONE] Br-6Bone Backbone de Testes IPv6 Brasileiro - http://www.6bone.rnp.br

[NGTRANS] IETF NGTrans Working Group Charter - http://www.ietf.org/html.charters/ngtrans-charter.html ;

[IPNG] IETF IPNG Working Group Charter - http://www.ietf.org/html.charters/ipngwg-charter.html ;

[IPV6SPEC] Especificações IPv6 - http://playground.sun.com/pub/ipng/html/specs/specifications.html ; 

[IETF] Internet Engineering Task Force http://www.ietf.org ;

[IETF/RNP] Mirror Oficial IETF no Brasil: http://www.ietf.rnp.br e ftp://ftp.ietf.rnp.br

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