UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCINCIAS PROGRAMA DE PS GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA Anlise e Otimizao de Roteamento em Backbones OSPF Utilizando MPLS-TE. Elaborado por: Jos Mrio Alexandre Melo de Oliveira RECIFE, 28 de Fevereiro 2011 UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCINCIAS PROGRAMA DE PS GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA Anlise e Otimizao de Roteamento em Backbones OSPF Utilizando MPLS-TE. por Jos Mrio Alexandre Melo de Oliveira Dissertao submetida ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica da Universidade Federal de Pernambuco como parte dos requisitos para a obteno do grau de Mestre em Engenharia Eltrica. Orientador: Prof. Dr. RAFAEL DUEIRE LINS RECIFE, 28 de Fevereiro 2011. Catalogao na fonte Bibliotecria Rosineide Mesquita Gonalves Luz / CRB4-1361 (BCTG) O48aOliveira, Jos Mrio Alexandre Melo de. AnliseeotimizaoderoteamentoemBackbones OSPF utilizando MPLS-TE /Jos Mrio Alexandre Melo de Oliveira.-Recife: O Autor, 2011 xiii, 177f., il., figs., grfs., tabs. Orientador : Prof. Dr. Rafael Dueire Lins. Dissertao (Mestrado)-UniversidadeFederalde Pernambuco.CTG.ProgramadePsGraduaoem Engenharia Eltrica, 2011. Inclui Referncias Bibliogrficas e Anexos.

1.Engenharia Eltrica 2. Telecomunicaes. 3.Redes.4.IP.5.MPLS.5.OSPF.I.Lins,Rafael Dueire.II. Ttulo. 621.3CDD(22.ed)UFPE/BCTG-100/2011

ii Agradecimentos Antesdeiniciaragradecendoaspessoasquemeajudaramdiretamentee indiretamentenodesenvolvimentodestetrabalhoagradeoaDeus,poisdurantevrios momentos ele me ajudou a no desistir mesmo quando tinha que trabalhar durante toda madrugada e no amanhecer do dia ir assistir aula ou at fazer prova. AgradeoaminhaesposaIreneemeufilhoDante,poisospriveiemmuitos momentosdaminhapresena,poisestavaestudandooucompensandohorriodo trabalho que tinha faltado para ir para as aulas do mestrado. AminhaesposaIreneagradeoporterlidoerelidodiversasvezesesta dissertaobuscandooentendimentodeumareacompletamentedistintadesua formao. AgradeoaomeuorientadorprofessorRafaelDueireportermeaceitadocomo aluno e ter me orientado durante o desenvolvimento desta dissertao. GostariadeagradeceraosprofessoresValdemarRochaeCeciciloPimentel pelas cartas de recomendao, dando voto de confiana no meu ingresso no mestrado. AmeuamigoRobertoMendonaagradeo,poisemvriosdomingostirou muitasdasminhasduvidaseficouemcasadiscutindocomigoassolues implementadas nesta dissertao. AmeucoordenadornaClaro,empresaondetrabalho,LindbergTertuliano,por ter ajudado na liberao dos equipamentos para montagem do laboratrio de teste. AminhameOsilda,porterfeitotodooesforonecessriodemostraro caminho do estudo, fazendo de mim um vencedor, pois consegui chegar at aqui. AgradeoaosprofessoresCarmeloJosAlbanezeJoaquimFerreiraMartins, membros da banca, por terem lido esta dissertao e contribudo com seus comentrios.

iii Resumo Oaumentodademandapelautilizaodenovosserviosdevaloragregado sobre as infraestruturas de rede baseadas no protocolo IP (Internet Protocol), tais como vozevdeo,contribuiparaqueasoperadorasdetelecomunicaesenfrentemum grandedesafioparaproverumbackboneestvel,escalveleotimizado,paraatender satisfatoriamente essas novas expectativas de trfego dos seus clientes. As empresas de telecomunicaesbuscamumaredecomumamaiordisponibilidadeemenorcusto.A tecnologiaMPLS(Multi-ProtocolLabelSwitching)indicadaparaproverevoluo, otimizaoeflexibilidadeaosbackbonesatuais,mostrando-seumatecnologia emergente a ser empregada nessas redes. OnovoparadigmadetransportebaseadonoMPLSpermiteasoperadorasde telecomunicaesconstrurem,sobreasinfraestruturasIP,ATM(Asynchronous TransferMode)eFrameRelay,umconjuntodesoluescriativaseflexveispara supriressanovademandadeservios.Dentreessesservios,destacam-seaofertade InterneteVPN(VirtualPrivateNetwork)narededaoperadoraapoiadapela implementaodeumaarquiteturacomQoS(QualityofService)esatisfazendoos requisitos de TE (Traffic Engineering) sobre MPLS. Esta dissertao apresenta a engenharia de trfego aplicada a backbone IP MPLS deumaoperadoradetelecomunicaes,comaaplicaoprticadoMPLS-TE(Multi-Protocol Label Switching Traffic Engineering), analisando e otimizando os recursos de transmissocomcaminhosredundantesnoutilizadospeloprotocoloOSPF(Open Shortest Path First). Palavra-Chave: Telecomunicaes, Redes, IP, MPLS, OSPF.

iv Abstract Telecommunicationcompaniesfaceagrowingdemandfornewaddedvalue services on network infrastructures based on IP(Internet Protocol), such as voice and video.Thisdemandbringsamajorchallengetoprovideastable,scalableand optimized backbone, to satisfactorily meet the expectations of their customers. Telecom operatars are looking for a network with greater availability and lower cost. The MPLS (Multi-ProtocolLabelSwitching)technologyisindicatedtoprovidetheneeded development,optimizationandflexibilitytocurrentbackbones,standingasviable technology to be employed in such networks. The new paradigm of MPLS-based transport enables telecom operators to build on top of the IP, ATM (Asynchronous Transfer Mode) and Frame Relay infrastructures a set of creative and flexible solutions for such services. Among those services there is theprovisionofInternetandVPN(VirtualPrivateNetwork)inthecarriernetwork supported by the implementation of an architecture for QoS (Quality of Service) and TE (Traffic Engineering) over MPLS. ThisM.Sc.dissertationpresentshowtrafficengineeringcanbeappliedtoa MPLSIPbackboneofatelecommunicationcarrier.TheMPLS-TE(Multi-Protocol LabelSwitchingTraffic Engineering)isusedtoanalyseandoptimisethetransmission resources in a real network taking advantage of the redundant paths, which are not used by the OSPF (Open Shortest Path First) protocol. Keywords: Telecommunications, Network, IP, MPLS, OSPF.

v Sumrio AGRADECIMENTOS .............................................................................................................................. II RESUMO ................................................................................................................................................. III ABSTRACT ............................................................................................................................................. IV SUMRIO .................................................................................................................................................. V LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................................ VII LISTA DE TABELAS ............................................................................................................................... X LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ............................................................................................ XI CAPTULO 1 - INTRODUO ............................................................................................................... 1 1.1 OBJETIVOS DA DISSERTAO ............................................................................................................. 3 1.2 ESTRUTURA DA DISSERTAO ........................................................................................................... 3 CAPTULO 2 A INTERNET E O PROTOCOLO IP .......................................................................... 5 2.1 PROTOCOLO IP ................................................................................................................................... 6 2.1.1 Protocolo IPv4 ........................................................................................................................... 7 2.1.2 Protocolo IPv6 ......................................................................................................................... 16 2.1.3 Protocolo IPv4 x IPv6 .............................................................................................................. 20 2.2 CONSIDERAES FINAIS ................................................................................................................... 22 CAPTULO 3 - PROTOCOLOS DE ROTEAMENTO ........................................................................ 23 3.1 COMUTAO E ROTEAMENTO .......................................................................................................... 26 3.2 PROTOCOLOS DE ROTEAMENTO ........................................................................................................ 27 3.2.1 IS-IS Intermediate System to Intermediate-System ............................................................... 34 3.2.2 OSPF Open Shortest Path First ............................................................................................ 36 3.2.3 Diferenas entre IS-IS e OSPF ................................................................................................ 47 3.2.4 BGP Border Gateway Protocol ............................................................................................ 49 3.3 CONSIDERAES FINAIS ................................................................................................................... 50 CAPTULO 4- A TECNOLOGIA MPLS-IP ......................................................................................... 51 4.1 SURGIMENTO DA TECNOLOGIA HISTRICO E EVOLUO .............................................................. 52 4.2 ROTEAMENTO CONVENCIONAL X BASEADO EM RTULOS ............................................................... 54 4.3 O CABEALHO MPLS ...................................................................................................................... 56 4.4 PLANO DE CONTROLE E DADOS DO MPLS ....................................................................................... 59 4.5 ELEMENTOS DA ARQUITETURA MPLS ............................................................................................. 62 4.6 FUNCIONAMENTO ............................................................................................................................. 69 4.7 ROTEAMENTO EXPLCITO ................................................................................................................. 73 4.8 VANTAGENS DO MPLS ..................................................................................................................... 74 4.9 CONSIDERAES FINAIS ................................................................................................................... 75 CAPTULO 5- SERVIOS DO MPLS .................................................................................................. 76 5.1 PSEUDOWIRE .................................................................................................................................... 76 5.1.1 Arquitetura de Referncia Pseudowire .................................................................................... 79 5.2.1 Tipos de VPN ........................................................................................................................... 81 5.2.3 Conceitos Especficos da VPN MPLS ...................................................................................... 86 5.3 QUALIDADE DE SERVIO (QOS) ....................................................................................................... 89 5.3.1 Arquiteturas de QoS ................................................................................................................. 90 5.3.1.1 Servios Integrados (IntServ) ................................................................................................ 91 5.3.2 DiffServ MPLS ......................................................................................................................... 97 5.4 MPLS-TE ......................................................................................................................................... 98 5.5 GMPLS .......................................................................................................................................... 101 5.6 ANLISE CRITICA AO MPLS ........................................................................................................... 102 5.7 CONSIDERAES FINAIS ................................................................................................................. 102

vi CAPTULO 6 - ENGENHARIA DE TRFEGO COM MPLS ......................................................... 103 6.1 ENGENHARIA DE TRFEGO ............................................................................................................. 104 6.2 ENGENHARIA DE TRFEGO SOBRE MPLS ....................................................................................... 106 6.2.1 Extenses do OSPF para TE .................................................................................................. 108 6.2.2 Extenses do IS-IS para TE ................................................................................................... 109 6.2.3 Protocolo RSVP-TE ............................................................................................................... 110 6.3 OPERAO DO MPLS-TE ............................................................................................................... 110 6.3.1 Atributos de Tneis MPLS-TE ............................................................................................... 111 6.3.2 Proteo e Restaurao FRR (Fast Reroute) ..................................................................... 111 6.4 TRANSMISSO DE PACOTES NO MPLS-TE ...................................................................................... 112 6.5 CONSIDERAES FINAIS ................................................................................................................. 112 CAPTULO 7 DESEMPENHO DO MPLS-TE EM UM SISTEMA COMERCIAL .................... 113 7.1 BACKBONE UTILIZADO PARA TESTES .............................................................................................. 113 7.2 ESCOLHENDO O PROTOCOLO IGP E O ESQUEMA DE ENDEREAMENTO IP PARA O BACKBONE DE TESTES. ................................................................................................................................................. 117 7.2.1 Protocolo OSPF - Processo do Backbone ............................................................................. 118 7.3 PROTOCOLO BGP (BORDER GATEWAY PROTOCOL) ....................................................................... 120 7.3.1 Sistema Autnomo para BGP ................................................................................................ 120 7.3.2 Configurao do BGP ............................................................................................................ 121 7.4 PROTOCOLO LDP (LABEL DISTRIBUITION PROTOCOL) ................................................................... 122 7.5 COMPORTAMENTO BSICO DO MPLS NO BACKBONE DE TESTES E CONFIGURAES APLICADAS. .. 122 7.5.1 Testes de Conectividade e encaminhamento de Trfego ........................................................ 123 7.6 CONSIDERAES FINAIS ................................................................................................................. 159 CAPTULO 8 - CONCLUSES E TRABALHOS FUTUROS .......................................................... 161 ANEXOS ................................................................................................................................................. 164 1.1 Configuraes bsicas para funcionamento do backbone ........................................................ 164 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.................................................................................................. 174

vii Lista de Figuras Figura 1: Formato do Datagrama no IPv4 [3]. ................................................................. 8 Figura 2: Tipo de servio ou servio diferenciados [3]. ................................................... 8 Figura 3: Flags usados na fragmentao [3]. ................................................................. 11 Figura 4: Exemplo de fragmentao [3]. ........................................................................ 11 Figura 5: Campo de protocolo e dados encapsulados [3]. .............................................. 12 Figura 6: Classess dos endereos IPs. ............................................................................ 13 Figura 7: Curva de crescimento de distribuio de blocos de endereos com aplicao de NAT e CIDR [11]. ............................................................................................. 16 Figura 8: Formato do Datagrama no IPv6: cabealho e payload [3].............................. 18 Figura 9: Formato de um Datagrama IPv6 [3]. .............................................................. 18 Figura 10: Diagrama interno de um roteador [6]. ........................................................... 25 Figura 11: Rede representada como um grafo [4]. ......................................................... 28 Figura 12: Contagem do nmero de seqncia em forma de lollipop (pirulito) [6]. ...... 32 Figura 13: Topologia de rede simples, demonstrado o algoritmo SPF [5]. .................... 38 Figura 14: A viso do roteador A para rede depois de rodar o algoritmo SPF [5]. ........ 41 Figura 15: Topologia de rede simples demonstrando o algoritmo CSPF [5]. ................ 43 Figura 16: Rede em que os critrios de desempate do CSPF entra em ao [5]. ........... 46 Figura 17: O cabealho de calo inserido entre o cabealho nvel 2 e o cabealho IP. . 57 Figura 18: (a) Rtulo em um pacote encapsulado por ATM (b) Rtulo em um pacote encapsulado no quadro. .......................................................................................... 58 Figura 19: O cabealho do MPLS [34]. .......................................................................... 58 Figura 20: Plano de Controle e Plano de Dados [7]. ...................................................... 60 Figura 21: Plano de Controle e Plano de Dados [36]. .................................................... 61 Figura 22: Componentes de uma rede MPLS [9]. .......................................................... 62 Figura 23: Componentes da Arquitetura MPLS em Detalhes [34]. ............................... 62 Figura 24: Caminhos comutados por rtulos. ................................................................. 65 Figura 25: Fuso de rtulos em um mesmo LSP. ........................................................... 66 Figura 26: R2 aloca rtulos e anuncia ligaes com R1................................................. 67 Figura 27: R1 armazena os rtulos recebidos em uma tabela. ....................................... 67 Figura 28: R3 anuncia outra ligao e R2 armazena o rtulo recente em uma tabela.... 68 Figura 29: Diagrama de operao do MPLS. ................................................................. 70 Figura 30: Pilha de rtulos [6]. ....................................................................................... 71 Figura 31: Exemplo ilustrativo de rede MPLS com pilha de rtulos [6]. ...................... 72 Figura 32: Exemplo de pilha de rtulos em uso [6]. ...................................................... 72 Figura 33: Penultimate Hop Popping em rede MPLS. ................................................... 73 Figura 34: Uma rede exigindo roteamento explcito. ..................................................... 74 Figura 35: Backbone MPLS fornecendo servio Pseudowire -AToM[34]. ................. 77 Figura 36: Aplicao do pseudowire em rede de servios de telecomunicaes mvel. 79 Figura 37: Modelo de Referncia Pseudowire [30]........................................................ 80 Figura 38: VPN MPLS de Camada 2 [7]. ....................................................................... 82 Figura 39: MPLS conectando vrias VPNs [30]. ........................................................... 82 Figura 40: Modelo de VPN Overlay com ATM e Frame-Relay [7]. ............................. 84 Figura 41: Modelo de VPN Overlay Ponto de vista do cliente [34]............................ 84 Figura 42: Modelo Peer-to-Peer [34]. ............................................................................ 85 Figura 43: Topologia de VPN MPLS [34]. .................................................................... 87 Figura 44: Funcionamento Route Distinguisher [34]. .................................................... 88

viii Figura 45: Componentes da Arquitetura IntServ [45]. ................................................... 92 Figura 46: Condicionador de Trfego de DiffServ. ........................................................ 93 Figura 47: Marcao no Cabealho IP Campo ToS [34]............................................. 94 Figura 48: Marcao no Cabealho do MPLS Campo EXP [34]. ............................... 94 Figura 49: O campo DS do IP [3]. .................................................................................. 95 Figura 50: Caminhos com MPLS -TE. ........................................................................... 99 Figura 51: Estabelecendo o tnel MPLS -TE. .............................................................. 100 Figura 52: Encaminhamento IP tradicional [7]. ........................................................... 106 Figura 53: Balanceamento de carga com MPLS-TE. ................................................... 107 Figura 54: Backbone fsico montado para testes. ......................................................... 114 Figura 55: Fragmento de um Backbone de uma Operadora Telecomunicaes Comercial. ............................................................................................................ 114 Figura 56: Placa PA-2E3. ............................................................................................. 116 Figura 57: Placa NPE-G1. ............................................................................................ 116 Figura 58: PA-MC-8TE1. ............................................................................................. 117 Figura 59: NM-2CET1-PRI. ......................................................................................... 117 Figura 60: NM-HDV com placa VWIC-1MFT-E1. ..................................................... 117 Figura 61: MPLS Frame-Mode. ................................................................................... 123 Figura 62: Tela do TfGen gerando um trfego de 50000 kbps. ................................... 124 Figura 63: Trace na estao conectada no roteador CE11............................................ 124 Figura 64: PRTG Traffic Grapher gerando grficos das interfaces entre PE1, P1 e P2. .............................................................................................................................. 125 Figura 65: Tela do TfGen gerando um trfego de 10000 kbps. .................................... 125 Figura 66: Trace na estao conectada no roteador CE22. .......................................... 126 Figura 67: PRTG Traffic Grapher monitorando o trfego que foi gerado na interface entre o roteador P1 e PE1. .................................................................................... 126 Figura 68: PRTG Traffic Grapher monitorando o trfego que foi gerado na interface entre o roteador P2 e PE1. .................................................................................... 127 Figura 69: PRTG Traffic Grapher gerando grficos das interfaces com ICMP. ......... 128 Figura 70: Detalhando a interface do P1 com PE1 do trfego ICMP gerado. .............. 128 Figura 71: Detalhando a interface do P2 com PE1 do trfego ICMP gerado. .............. 129 Figura 72: Detalhe da interface P1 PE1 com aplicao do MPLS-TE. .................... 130 Figura 73: Detalhe da interface P2 PE1 com aplicao do MPLS-TE. ................... 131 Figura 74: Tela do PRTG Traffic Grapher para comparao da aplicao do MPLS-TE. .............................................................................................................................. 131 Figura 75: Grfico para comprovao do trfego pelo tneis T1 e T2 do MPLS-TE. . 132 Figura 76: Grfico para comparao da utilizao do OSPF no backbone no cenrio do teste 3 e a aplicao do MPLS-TE. ...................................................................... 132 Figura 77: Grfico para comparao da utilizao do OSPF no backbone no cenrio do teste 2 e a aplicao do MPLS-TE. ...................................................................... 133 Figura 78: Tela do TfGen gerando um Contnuo e Randmico de 34000 kbps. .......... 134 Figura 79: PRTG Traffic Grapher Apresentado o Trfego Contnuo e Randmico seguindo apenas um caminho. .............................................................................. 135 Figura 80: Analisador de protocolo Acterna DA-340. .................................................. 136 Figura 81: Analisador de protocolo Acterna DA-340 detalhamento da instalao na WAN entre o P2 com PE11. ................................................................................. 137 Figura 82: PRTG Traffic Grapher Apresentado o Trfego Contnuo e Randmico seguindo com caminhos redundantes. .................................................................. 138 Figura 83: Analisador de protocolo Acterna com 48,76%. .......................................... 139 Figura 84: Analisador de protocolo Acterna transio do MPLS-TE. ......................... 139

ix Figura 85: Analisador de protocolo Acterna, detalhamento da instalao na LAN do CE11. .................................................................................................................... 140 Figura 86: Analisador de protocolo Acterna conectado na rede 10.81.20.0 do CE11.141 Figura 87: Detalhe da chamada VoIP com protocolo SIP. ........................................... 142 Figura 88: PRTG Traffic Grapher Apresentado o Trfego Contnuo e Randmico com trfego de pacotes de VoIP. .................................................................................. 143 Figura 89: Analisador de protocolo Acterna VoIP Analaysis. ..................................... 143 Figura 90: Analisador de protocolo Acterna tela Expert Analysis ............................... 144 Figura 91: Analisador de protocolo Acterna parmetros do Jitter ............................... 145 Figura 92: Tela do Acterna DA-340 apresentando as estatsticas dos alarmes. ........... 146 Figura 93: Fragmento de um Backbone de uma Operadora de Telecomunicaes Comercial com enlace de 155 Mbps entre P1 e PE1. ........................................... 147 Figura 94: PRTG Traffic Grapher apresentado o Trfego por um nico caminho de maior banda STM-1. ............................................................................................. 147 Figura 95: Analisador de protocolo Acterna detalhando .............................................. 148 Figura 96: Analisador de protocolo Acterna apresentando nmero das chamadas passando pelo STM-1. .......................................................................................... 149 Figura 97: PRTG Traffic Grapher apresentado o Trfego por um nico caminho de maior banda. ......................................................................................................... 150 Figura 98: Analisador de protocolo Acterna nmero das chamadas. ........................... 150 Figura 99: Analisador de protocolo Acterna reconhecimento de Jitter........................ 151 Figura 100: PRTG Traffic Grapher apresentado o Trfego sendo dividido com a aplicao do MPLS-TE. ....................................................................................... 152 Figura 101: Analisador de protocolo Acterna apresentado 14 novas chamadas. ......... 152 Figura 102: Tela do Analisador de protocolo Acterna do detalhe do Expert Analysis. 153 Figura 103: Roteador Cisco 1750 com placa FXS. ...................................................... 154 Figura 104: Analisador de protocolo Acterna nmero das chamadas. ......................... 154 Figura 105: Incremento de trfego seguindo apenas um nico caminho. .................... 155 Figura 106: Incremento de alarmes de jitter baseado nos parmetros do analisador. .. 155 Figura 107: Detalhes do protocolo utilizado na chamada VoIP. .................................. 156 Figura 108: Balanceamento do trfego. ........................................................................ 157 Figura 109: Alarmes de jitter de chamadas VoIP com protocolo H.225 utilizando o MPLS-TE ............................................................................................................. 158 Figura 110: Comparao dos nmeros de alarmes de jitter em ligaes VoIP. ........... 158

x Lista de Tabelas Tabela 1: Usurios de Internet por Regio Geogrfica [10]. ............................................ 5 Tabela 2: Tipos de Servio [3]. ........................................................................................ 9 Tabela 3: Endereos IPv4 para redes privadas. .............................................................. 15 Tabela 4: Cdigos Prximo Cabealho no IPv6 [3]. ...................................................... 19 Tabela 5: Comparao entre os cabealhos de IPv4 e IPv6. .......................................... 22 Tabela 6: Comparao dos protocolos de roteamento escalveis................................... 34 Tabela 7: Combinao do mapa de Classes.................................................................... 38 Tabela 8: Lista PATH e TENT para o roteador A com SPF. ......................................... 39 Tabela 9: Lista PATH e TENT para o roteador A aps o passo2 com SPF. .................. 39 Tabela 10: Lista PATH e TENT para o roteador A aps o passo3 com SPF. ................ 39 Tabela 11: Lista PATH e TENT para o roteador A aps o passo 4 com SPF. ............... 40 Tabela 12: Lista PATH e TENT para o roteador A aps o passo 5 com SPF. ............... 40 Tabela 13: Tabela de roteamento do roteador A com SPF. ............................................ 40 Tabela 14: Lista inicial de PATH e TENT aps o passo 1 com CSPF. ......................... 44 Tabela 15: Lista PATH e TENT para o roteador A aps passo 2 com CSPF. ............... 44 Tabela 16: Lista PATH e TENT para o roteador A aps passo 3 com CSPF. ............... 44 Tabela 17: Lista PATH e TENT para o roteador A aps passo 4 com CSPF. ............... 44 Tabela 18: Lista PATH e TENT para o roteador A aps passo 5 com CSPF. ............... 45 Tabela 19: Atributos dos cinco caminhos possveis de RtrA at RtrZ com CSPF. ........ 46 Tabela 20: Um resumo das diferenas entre OSPF e IS-IS [6]. ..................................... 47 Tabela 21: Arquitetura IP Convencional e Arquitetura IP baseada em rtulos.............. 56 Tabela 22: Classes Padro do DSCP .............................................................................. 96 Tabela 23: Class Selector Codepoints [5]. ..................................................................... 97 Tabela 24: Roteadores do backbone. ............................................................................ 115 Tabela 25: IP das loopbacks dos roteadores. ................................................................ 119 Tabela 26: Estatsticas de mensagens do plano de controle ......................................... 138

xi Lista de Abreviaturas e Siglas AFAssured Forwarding ASAutomonous System ASICApplication Specific Integrated Circuit ATMAsynchrounous Transfer ModeAToM Any Transport over MPLS BGPBorder Gateway Protocol BoSBottom of Stack CBRConstant Bit Rate CBWFQClass-Based Weighted Fair Queueing CECustomer Edge CEFCisco Express Forwarding CIDRClassless interdomain routing CLNPConnectionless Network Protocol CQCustom Queueing CSPFConstrained Shortest Path First CUCurrently Unused DiffServDifferentiated Service DLCIData Link Connection Identifier DNSDomain Name System DSDifferentiated Services DSCPDiffServ Codepoint DWDMDense Wavelength Division MultiplexingEBGPExternal BGP ECMP Equal Cost Multipath ECNExplicit Congestion Notification EFExpedited Forwarding EGPExterior Gateway Protocol EIGRPEnhanced Interior Gateway Protocol ESEnd Systems EXPExperimental bits FECForwarding Equivalent Class FIBForwarding Information Base FIFOFirst in First out FQFair Queueing FRFrame-Relay FRRFast Rerouting GMPLSGeneralized Multiprotocol Label Switching GREGeneric Routing Encapsulation IANAInternet Assigned Numbers Authority IBGPInternal BGP ICMPInternet Control Message Protocol IETFInternet Engineering Task Force IGPInterior Gateway Protocol IGRPInterior Gateway Routing Protocol IOSInternetworkOperation System IPInternet Protocol

xii ISIntermediate Systems IS-ISIntermediate System to Intermediate System IS-IS-TEIntermediate System to Intermediate System Traffic Engineering ISOInternational Organization for Standardization ITU-TInternational Telecommunication Union - Telecommunication ISPInternet Service Provider ISUPISDN User Part L2TPLayer 2 Tunneling Protocol LANLocal Area Network LDPLabel Distribution Protocol LERLabel Edge Router LFIBLabel Forwarding Information Base LIBLabel Information Base LLQLow Latency Queueing LPPrivate Line LSA Link-State Advertisement LSPLabel Switched Path LSRLabel Switch Router L2TPLayer 2 Tunneling Protocol MACMedia Access Control MP-BGPMulti Protocol BGP MOSMean Opinion Score MPLSMulti-Protocol Label Switching MPLS-TEMulti-Protocol Label Switching Traffic Engineering NSFNational Science Foundation OSIOpen Systems Interconnection OSPFOpen Shortest Path First OSPF-TEOpen Shortest Path First Traffic Engineering PProvider PBTProvider Backbone Transport PDHPlesiochronous Digital Hierarchy PDUProtocol Data Unit PEProvider Edge PHBPer-Hop Behavior PHPPenultimateHop Popping POPPenultimate hop pop POSPacket Over Sonet PPPPoint to Point PQPriority Queueing PSNPacket Switched Network PVCPrivate Virtual Circuit QoSQuality of Service RDRouter Distinguisher REDRandom Early Detection RFCRequest for Comments RIBRouting Information Base RIPRouting Information Protocol RIPngRouting Information Protocol next generation ROAD Routing and Addressing RRRouter Reflection

xiii RSVPResource Reservation Protocol RSVP-TEResource Reservation Protocol Traffic Engineering RTRouter Targets SCTPStream Control Transmission Protocol SDH Synchronous Digital Hierarchy SLAService Level Agreement SNMP Simple Network Management Protocol SONETSynchronous optical networking STMSynchronous Transport Module SIGTRANSignaling Transport SIPSession Initiation Protocol TCPTransmission Control Protocol TDMTime Division Multiplexing TETraffic Engineering TLVType-Length-Variable T MPLSTransport MPLS TOSType Of Service TTLTime to Live UDPUser Datagram Protocol VCIVirtual Channel Identifier VoIPVoice over IP VPLSVirtual Private Lan Service VPNVirtual Private Network VPWS Virtual Private Wire Service VRFVirtual Routing and Forwarding WANWide Area Network WFQWeighted Fair Queueing WREDWeighted Random Early Detection

1 Captulo 1 - Introduo As redes de computadores mudaram a maneira pela qual so feitos os negcios e omodocomoaspessoasvivem.Hoje,oacessoInternetpormeiodeplataformas cabeadasjnoatendeaomercadoconsumidor,poishumagrandenecessidadede mobilidade.Nohmaismodelosdeescritriosfixos,comramaiseestaesde trabalhopresasamesasecadeiras.Atecnologiadamobilidadeestpresentenas residncias,empresas,escolas,universidades,aeroportos,etc.Paraatenderaessa grandedemanda,novastecnologiasestoemconstantedesenvolvimento,visando fornecer um servio com segurana e qualidade. Estar conectado a uma rede no mais suficiente, necessrio largura de banda, seguranaedisponibilidadedoservio,jqueosusuriosnecessitamdeligaesde videoconferncia,transfernciadearquivosemtemporeal,assistiraprogramasde televisoviaInternet,provimentodeescritriosvirtuais,etc.Comessademanda,os fornecedoresdeserviosdetelecomunicaestminvestidobastanteemredesde multiservios, com o objetivo de atender a servios para clientes finais como voz, vdeo, acessoInterneteaindausaressaredededadosparaenviarservioslegadoscomo sinalizaodetelecomunicaes,bilhetesdetarifao,serviosderecargaspara plataforma prepago entre outros. Com essa integrao, as redes se tornam complexas em topologia e em gerenciamento, tendo cada vez mais a necessidade de utilizar tcnicas de comutao associada a tcnicas de roteamento, tirando dos roteadores do ncleo da rede tarefascomplexas,edeixandoapenasastarefasmaisrpidasassociadascomutao. Com isso, os roteadores de backbones no devem fazer o trabalho complexo das redes. Pode-se utilizar uma tecnologia mais apropriada para WAN (Wide Area Network), rede espacialmentedistribudaqueabrangeumagrandereageogrfica[1],assimcomoda adoo de uma metodologia de consenso em relao a aspectos de projeto por parte dos desenvolvedores. Aarquiteturademuitosbackboneshoje,jestbaseadaemIP(Internet Protocol)[2]emuitasoperadorasdetelecomunicaespossuemequipamentosde Multiplexao baseados em SONET/SDH (Synchronous Opitcal Network/ Synchronous DigitalHierarchy)[3],comtecnologiaATM(AsynchronousTransferMode)[1]ea tecnologiaEthernet[4],queestbastantepresentenessemercado.OMPLS(Multi-

2 Protocol Label Switching) [4] surge como uma tecnologia que associa as caractersticas rpidas de comutao da camada 2 e a inteligncia da camada 3 do modelo OSI (Open Systems Interconnection) [1], alm de oferecer maior possibilidade de gerenciamento e engenharia de trfego, reduzindo o processamento necessrio para realizar o roteamento de datagramas de rede.A princpio, o MPLS foi desenvolvido para melhorar o desempenho das redes IP notransportedepacotes,atravsdepequenosrtuloscomtamanhofixo.Issofeito combinando o processo de roteamento da camada 3 com a comutao da camada 2. Na arquitetura IP sobre MPLS para encaminhar um pacote necessrio obter as informaesnocabealhoMPLS(32bits),quemenoscomplexoqueo cabealhoIP (20bytes),permitindoassimmelhorarodesempenhodosequipamentoscommenor poder de processamento e armazenamento. Objetivando a implementao de novas tecnologias embackbones e sem perder oinvestimentofeitoemequipamentos,atecnologiaMPLS(Multi-ProtocolLabel Switching)possibilitaaintegraodeequipamentosquenopossuemoIPnativocom equipamentos que possuem IP nativo. Comapossibilidadedeutilizaodeumanicainfraestruturadedadose, partindo da premissa de uma rede segura e de menor custo, a utilizao de um backbone IPMPLS(InternetProtocolMulti-ProtocolLabelSwitching)provaosassinantesos serviosdevoz,vdeoedados,sendoaindapossvelaintegraodeservioslegados como,porexemplo,sinalizaoISUP(ISDNUserPart)sobreumaredeIPcomo protocolo SIGTRAN (Sinaling Transport). A principal contribuio desta dissertao apresentar e analisar a engenharia de trfego sendo aplicada em um backbone IP MPLS de uma operadora comercial, com a aplicaoprticadoMPLS-TE(Multi-ProtocolLabelSwitchingTrafficEngineering) [5],mostrandoaanliseeaotimizaodosrecursosdetransmissoeutilizaode caminhosredundantesnoutilizadospeloprotocoloOSPF(OpenShortestPathFirst) [6].ForamfeitosexperimentosdousodaengenhariadetrfegoaplicadaaoMPLS, atravsdeumcenriorepresentativodeumbackbonedeoperadorade telecomunicaes criado para este trabalho.

3 1.1 Objetivos da Dissertao EstadissertaoanalisaumbackboneIPeseusprotocolosderoteamento internos e apresenta uma soluo para otimizao do uso de caminhos redundantes com a engenharia de trfego aplicada pelo protocolo MPLS-TE. tratado especificamente o caso de um backbone que utiliza como IGP (Interior GatewayProtocol)[5]oprotocoloderoteamentoOSPF(OpenShortestPathFirst), ondeaplicadaasoluodoMPLS-TEcomobjetivodeotimizarosrecursosde transmisso. So exibidos grficos de utilizao de enlaces de um backbone representativo de operadoradetelecomunicaescomercial,ondevrioscaminhossopossveispara chegar a um destino final. Os objetivos desta dissertao so: estudar as redes IPs e protocolos de roteamento interno e externo; apresentar a tecnologia MPLS, suas funes e servios; mostraravantagemdoencaminhamentodotrfegoemcondiesonde se temcircuitos baseados na tecnologia TDM (Time Division Multiplexing).montarumatopologiaderedequesimuleomaisprximopossvelum ambiente real de uma de rede de dados de uma operadora de telecomunicaes; fazerumcomparativoentreusodoprotocoloderoteamentointernoea aplicao da engenharia de trfego; 1.2 Estrutura da Dissertao Estadissertaodivididaemoitocaptulos,incluindoestedeIntroduo.A seguir, exibido um breve resumo dos demais captulos: Captulo 2 A Internet e o protocolo IPOsegundocaptuloapresentaoprotocoloIP.Nestecaptulofeitoum comparativo entre as verses do protocolo IPv4 e IPv6. Captulo 3 Protocolos de RoteamentoO terceiro captulo apresenta os protocolos de roteamento IGP (Interior Gateway Protocol) [5] e EGP (Exterior Gateway Protocol) [5]. Neste captulo feita uma reviso dos conceitos de roteamento e comutao, base necessria para esta dissertao.

4 Captulo 4 A Tecnologia MPLS-IP No captulo quatro so tratadas sucintamente as definies do protocolo MPLS e seu uso com o protocolo IP. Esse captulo responsvel por apresentar o embasamento tericodasvantagensdoprotocoloMPLS.descritocomofeitooencaminhamento de pacotes IP sobre MPLS e como so comutados os rtulos. Captulo 5 Servios do MPLS NoquintocaptuloserabordadoosserviosdatecnologiaMPLStaiscomo QoS (Quality of Service) [8], VPN (Virtual Private Network) [9], pseudowire ou AToM (AnyTransportoverMPLS)[5]eMPLS-TE(Multi-ProtocolLabelSwitchingTraffic Engineering) [5]. Captulo 6 Engenharia de Trfego com MPLS O sexto captulo discorre sobre engenharia de trfego e dado completo foco na aplicaodoMPLS-TE,ondesotratadosostiposdetneiscomo,porexemplo,por afinidade,porespecificaodecaminho(dinmicoouexplcito)eaprioridadedadaa cadatnel.Nessecaptuloaindatratadaarecuperaorpida,umaaplicaodo MPLS-TE chamada FRR (Fast Rerouting) [9]. Captulo 7 Desempenho do MPLS-TE em um Sistema ComercialNostimocaptulo,faz-seaaplicaoprticanobackbonedaoperadoraem estudo,ondeasoluoestaplicadaparaestabelecimentodetneisexplcitos.Nesse captulo,descritaatopologiadolaboratrio,utilizadoparasimulaodarede.So apresentados os detalhes dos roteadores utilizados nos experimentos [7]. Captulo 8 Concluses e Trabalhos Futuros Nooitavocaptulo,soapresentadasasconclusesdestadissertaosobrea eficciadautilizaodoMPLS-TEemumarededetelecomunicaes.Sotambm apresentadas novas linhas de pesquisas que podem dar continuidade a este trabalho. Anexos Noapndicepodemserencontradasaslistagemcomasconfiguraesdos roteadores de rede utilizados nos testes aqui descritos.

5 Captulo 2 A Internet e o protocolo IP ComadisseminaodaARPANET(AdvancedResearchProjectsAgency Network), a NSF (National Science Foundation) resolveu criar uma sucessora, que seria abertaatodososgruposdepesquisauniversitriose,comessapremissa,tomoua deciso de interligar seus centros de pesquisas, usando a mesma tecnologia de hardware daARPANET,mascomatecnologiadesoftwarediferente,poisseusequipamentos utilizavam TCP/IP (Transmission Control Protocol Internet Protocol). Emprimeirodejaneirode1983,oTCP/IPsetornouoprotocolooficialna ARPANET, em seguida, essa foi interconectada NSF, e apartir disso,o crescimento dessas redes se tornou exponencial [1]. Essas redes de redes [2] se tornou a Internet, no maiscomfinsacadmicos,esimcomfinscomercias,crescendocadavezmais.Na tabela 1, pode-se visualizar o crescimento do nmero de usurios de Internet por regio geogrfica [10]. Tabela 1: Usurios de Internet por Regio Geogrfica [10]. Regies Populao (em 2010) Usurios de Internet (2000) Usurios de Internet (atualmente) % por Regio % no mundo Crescimento 2000-2010 frica1.013.779.0504.514.400110.931.70010,9 %5,6 %2.357,3 % sia3.834.792.852114.304.000825.094.39621,5 %42,0 %621,8 % Europa813.319.511105.096.093475.069.44858,4 %24,2 %352,0 % Oriente Mdio212.336.9243.284.80063.240.94629,8 %3,2 %1.825,3 % Amrica Norte344.124.450108.096.800266.224.50077,4 %13,5 %146,3 % Amrica Latina /Caribe592.556.97218.068.919204.689.83634,5 %10,4 %1.032,8 % Oceania34.700.2017.620.48021.263.99061,3 %1,1 %179,0 % Total6.845.609.960360.985.4921.966.514.81628,7 %100,00%444,8 % NomodelodeInternet,oprincipalprotocoloderedeoIP(InternetProtocol) [2].OprotocoloIPfoicriadocomobjetivosimplesdetornarpossvelacomunicao entremquinasindependentedomeiodetransmisso,nopossuindomecanismosde notificaooucorreodeerro.OprotocoloIPnotemmecanismosquepermitem realizar consultas de gerenciamento, sem controle de fluxo, no orientado conexo e no era prevista qualidade de servio, ou seja, um protocolo desenvolvido para trabalhar emumaredebest-effort(estetermonoIPsignificaquenoprovmecanismosde controledeerrosoufluxo)[3].Desdeoseudesenvolvimento,esseprotocolosofreu vrias modificaes emseu projeto inicial com objetivo de se adequarsnecessidades atuaisdeserviosdevozsobreumaredededadoseserviodevdeosobredemanda.

6 Para isso, foi necessrio a criao de campos no cabealho do IPv4 e o desenvolvimento deumprotocoloqueadicionasseocontroledefluxocomo,porexemplo,oprotocolo ICMP (Internet Control Message Protocol) [3]. Almdessespontos,existemdoisproblemasimportantesqueprecisamser resolvidos quando se conecta redes: heterogeneidade e escalabilidade [4].O desafio da heterogeneidadeoferecerumserviohost-a-hosttilebastanteprevisvelatravs desseemaranhadoderedesdiferentes.Paraentenderoproblemadeescalabilidade, necessrio considerar o crescimento da Internet, que praticamente dobrou de tamanho a cadaanoduranteosltimos20anos.Essetipo decrescimentotrazinmerosdesafios, um deles o roteamento [4]. A Internet se tornou um bem pervasivo para a populao, como tambm para as empresas e centros de pesquisas, hoje sem Internet pouco se faz.Neste captulo, apresentado o protocolo IP (Internet Protocol) e como ele pode serusadoparaamontagemdeumainter-redeescalveleheterognea.Somostrados vriosproblemasqueaInternetapresentouduranteseucrescimentoeastcnicasque foramempregadaspararesolveressesproblemaseoprojetoqueculminounanova versodoprotocoloIP,queoIPverso6(IPv6),tambmconhecidacomoIPda prxima gerao. 2.1 Protocolo IP OInternetProtocolaferramentachaveusadaparamontarinter-redes escalveis e heterogneas [4]. O protocolo IP foi projetado para permitir a interconexo de redes de computadores que utilizam a tecnologia de comutao de pacotes. O ponto inicial,quandosedesejamontarumainter-rede,definirummodelodeservio,ou seja,osservioshost-a-hostquedevemseroferecidos.OprotocoloIPpossuiuma filosofiaondeelenoexigepraticamentenadadequalquertecnologiautilizadapara montar uma inter-rede. O IP um protocolo sem conexo, onde o datagrama um tipo depacotequeenviadodeumamaneirasemconexoporumarede.Odatagrama conhecidocomoumpacote,quetrafegadeformaindependentenarede.Nesse datagramaoupacotesotransportadasinformaesquepermitemoencaminhamento atoseudestinoecadaroteadorpertencenteaessaredetomaadecisoporqual interface deve enviar esse pacoteatravs de tabelas de roteamento, que so atualizadas periodicamente.Nessemodelodeservio,osdatagramassoenviadosbaseadosno

7 melhor esforo, muito embora o protocolo IP se esforce ao mximo para entreg-los, ele nofazgarantiasdeentregaeservistoquefoicriadoumcampoadicionalno cabealho IP com objetivo de fazer marcao de pacotes.OprojetoinicialdoprotocoloIPfoicriarumprotocolobaseadoemmelhor esforo(best-effort)e,comisso,osroteadoresseriamomaissimplespossvel.OIP pressupe a falta de confiabilidade das camadas inferiores e faz o mximo para levar a transmisso at o seu destino, mas sem garantias [3]. O protocolo IP limitado apenas criaoeencaminhamentodedatagramase,seaconfiabilidadeforimportante,oIP deveserutilizadocomoutrosprotocolosconfiveiscomo,porexemplo,osprotocolos dacamadadetransporteedacamadadeaplicao.Nessascamadassuperiores (transporte ou aplicao) cabe a funo de organizao dos datagramas recebidos, bem como fazer um pedido de retransmisso de um datagrama perdido, caso seja necessrio. A parte principal do modelo de servio IP o tipo de pacote que pode ser transportado. OdatagamaIP,comoamaioriadospacotes,consisteemumcabealhoseguindopor uma srie de bytes de dados [4]. 2.1.1 Protocolo IPv4 OformatododatagramaIPv4exibidonaFigura1.Eletemumcomprimento varivel e dividido em duas partes: cabealho e dados. O cabealho tem comprimento de 20 a 60 bytes e contm informaes essenciais para o roteamento e a entrega[3]. O cabealhocontmasinformaesadministrativasdodatagrama,jocampodedados contmasinformaesdasaplicaes.Osprincipaiscamposdessedatagramasoos seguintes [3]: Verso(VER4bits):Estecampode4bitsdefineaversodoprotocoloIP. Atualmente, a verso 4. Entretanto, a verso 6 (IPng) poder substituir completamente a verso 4 no futuro. Observe-se que a colocao deste campo diretamente no incio do datagrama facilita para que tudo o mais no formato do pacote seja redefinido em verses posteriores.EstecampoinformaaosoftwaredoIPv4,querodanamquinaem processamento, que o datagrama tem formato da verso 4. Todos os campos devem ser interpretadosconformeespecificadonaquartaversodoprotocolo.Seamquina estiverusandoalgumaoutraversodoIP,odatagramadescartadoemvezdeser interpretado incorretamente.

8 Figura 1: Formato do Datagrama no IPv4 [3]. TamanhodoCabealho(HLEN4bits):Estecampodefineocomprimento totaldocabealhododatagramaempalavrasde32bitsenecessrioporqueo comprimento do cabealho varivel. Quando no existem opes, o que quase sempre acontece [4], o comprimento do cabealho de 20 bytes e o valor desse campo 5 (5 x 4 = 20 bytes) de extenso. Quando o campo de opes estiver em seu tamanho mximo, seu valor 15 (15 x 4 = 60 bytes) de extenso [3]. TipodeServio(DS-8bits):OcampoToS(TypeofService)tevediversas definiesdiferentesnodecorrerdosanos,masafunobsicapermitirqueos pacotes sejam tratados de modo diferente, com base nas necessidades da aplicao[4]. Estecampoutilizadopelosroteadoresparadeterminarcomoodatagramadeveser tratado, podendo diferenciar os diferentes tipos de datagramas IP. Por exemplo, pode ser til distinguir os datagramas de tempo real (Ex.: TelefoniaIP) dos trfego que noso detemporeal(Ex.:FTP).OIETF(InternetEngienneringTaskForce)mudoua interpretaoeonomedestecampode8bits.Estecampo,anteriormentedenominado tipodeservio,agorasechamaserviosdiferenciados[3]enafigura2possvel visualizar as duas interpretaes. Figura 2: Tipo de servio ou servio diferenciados [3]. D: Minimizar atraso T: Maximizar throughput R: Maximizar a confiabilidade PrecednciaBits TOS C: Minimizar custo Ponto de cdigo Tipo de ServioServios diferenciados 32 bits

9 Notipodeservio,ostrsprimeirosbitssodenominadosbitsdeprecedncia. Os 4 bits seguintes so chamados bits ToS (Type of Service) e o ltimo bit no usado. A precedncia um subconjunto de trs bits no intervalo que vai de 0 (000 em binrio) a7(111embinrio).Aprecednciadefineaprioridadedodatagramaemquestes comocongestionamento.Seumroteadorestivercongestionandoeprecisardescartar algunspacotes,aquelescommenorprecednciaserodescartadosprimeiro.OToS umsubcampode4bits,ondecadabittemumsignificadoespecial.Emboraumbit possaser0ou1,umesomenteumdosbitsdosubcampopodetervalor1emcada datagrama. Os padres de bits e suas interpretaes so apresentados na tabela 2. Tabela 2: Tipos de Servio [3]. Bits ToSDescrio 0000Normal (padro) 0001Minimizar custo 0010Maximizar confiabilidade 0100Minimizar throughput 1000Minimizar atraso Na interpretao com os servios diferenciados os seis primeiros bits formam o subcampo ponto de cdigo e os ltimos 2 bits no so usados.Esse campo ser mais detalhado no captulo 5, sesso 5.3.1.2, desta dissertao. Tamanhototaldodatagrama(16bits):Trata-sedeumcampoquedefineo comprimentototaldodatagramaIPv4,incluindoocabealho.Otamanhomximode umdatagramaIPde65.535bytes.Porm,aredefsicaemcimadaqualoIPest sendo executado no pode admitir pacotes to grandes. Por esse motivo, o IP admite um processodefragmentaoeremontagem.Paradescobrirocomprimentodosdados provenientesdacamadasuperior,subtrai-seocomprimentodocabealhodo comprimento total. O comprimento do cabealho pode ser encontrado multiplicando-se o valor do campo tamanho do cabealho por 4. Algunspadresfsicosnosocapazesdeencapsularumdatagramade65.535 bytesemseusquadros.Odatagramatemqueserfragmentadoparaconseguirser transmitido por essas redes, com exemplo o protocolo Ethernet apresenta uma restrio mnimaemximanotamanhodosdadosquepodemserencapsuladosemumquadro

10 (46 a 1.500 bytes). Se o tamanho de um datagrama IPv4 for menor que 46 bytes, sero acrescidos alguns bits de preenchimento para atender a essa exigncia.Identificao(16bits):UtilizadoparaidentificaododatagramaIP,no processodefragmentaodopacote,paraqueomesmosejaremontadonamesma ordememquefoifragmentado.QuandoumdatagramamaiordoqueoMTU (MaximumTransferUnit)deumadeterminadatecnologia,eleprecisaserdivididoem fragmentosparaquepossasertransmitidonarede.Assim,ocampoidentificador utilizado para que seja possvel saber a qual datagrama cada fragmento pertence. Umdosproblemasdeoferecerummodelodeserviouniformeponta-a-ponta porumacoleoheterogneaderedesquecadatecnologiaderedecostumatersua prpria idia quanto ao tamanho que um pacote pode ter. Umdatagramapodetrafegarporvriasredesdiferentes.Cadaroteador desencapsulaodatagramaIP,apartirdoquadroqueelerecebe,oprocessaeentoo encapsulaemoutroquadro.Oformatoeotamanhodoquadrorecebidodependemdo protocolo usado pela camada fsica por meio do qual o quadro acaba de passar. Se, por exemplo,umroteadorinterligaumaLAN(LocalAreaNetwork)aumaWAN(Wide AreaNetwork),elerecebeumquadronoformatodaLANetransmiteumquadrono formato da WAN. AidiacentralquecadatipoderedetenhaumaMTU(MaximumTransfer Unit), que o maior datagrama IP que ele pode transportar em um quadro.ParatornaroprotocoloIPindependentedaredefsica,osprojetistasdecidiram fazerocomprimentomximodeumdatragramaIPiguala65.535bytes.Issotornaa transmissomaiseficientequandoseutilizaumprotocolocomMTUdessetamanho. Entretanto,paraoutrasredesfsicas,necessriodividirodatagramaparatornar possvel sua passagem por essas redes. Isso denominado fragmentao. O interessante queanovaversodoprotocoloIP,oIPv6,nopermitefragmentaoemroteadores [2]. Flags(3bits):Trata-sedeumcampode3bits.Oprimeiroreservado.O segundodenominadobitDF(DontFragment),nofragmentadoeutilizadopara indicaraosroteadoresquenofragmentemopacote,porqueodestinonoossaber reconstruir.Seseuvalorfor1,amquinanopoderfragmentarodatagrama.Seno puderpassarodatagramapormeiodequalquerredefsicadisponvel,eledescartao datagramaeenviaumamensagemdeerroICMP(InternetControlMessageProtocol) ao host de origem. Se seu valor for 0, o datagrama pode ser fragmentado se necessrio.

11 O terceiro bit o chamado de bit MF (More Fragments) mais fragmentos. Se seu valor for 1, significa que esse datagrama no o ltimo fragmento; existem mais fragmentos apseste.Seseuvalorfor0,significaqueesseoltimoounicofragmento[3].A figura 3, mostra os flags usados na fragmentao. DF MF Figura 3: Flags usados na fragmentao [3]. Deslocamento doFragmento(FragmentationOffset - 13 bits): Esse campo de 13 bits mostra a posio relativa desse fragmento em relao ao datagrama inteiro. o offsetdosdadosnodatagramaoriginalmedidoemunidadesde8bytes.Afigura4 mostraumdatagramacujotamanhodosdadosiguala4000bytes,fragmentadosem trs partes. Figura 4: Exemplo de fragmentao [3]. Tempo de Vida (Time-to-live - 8 bits): utilizado para garantir que datagramas nofiquemcirculandoparasemprenarede.Aoreceberumdatagrama,todoroteador deve ler esse campo, se seu valor for maior que zero, ele dever decrement-lo em uma unidade e, se seu valor for igual a zero esse datagrama dever ser descartado, evitando assimumlaoderoteamentodelongadurao.Umdatagramatemumtempodevida tillimitadoemsuatransmissoporumarededecomputadores.Essecampofoi projetadooriginalmenteparaarmazenarumregistrodehoras,queerareduzidopelos roteadoresvisitados.Odatagramaeradescartadoquandoovalorsetornavazero. Entretanto,paraimplementaressemtodo,todasasmquinasdevemterrelgios sincronizados e devem saber quanto tempo leva para um datagrama ir de uma mquina a outra.Protocolo(8bits):Essecampodefineoprotocolodenvelsuperiorqueest utilizandoosserviosdacamadaderede.UmdatagramaIPpodeencapsulardadosde vriosprotocolossuperiorescomoTCP(TransmissionControlProtocol),UDP(User

12 DatagramProtocol),ICMP(InternetControlMessageProtocol)eOSPF.Essecampo especifica o protocolo de destino final para o datragrama IP que ser entregue. A figura 5 mostra os detalhes do campo. Figura 5: Campo de protocolo e dados encapsulados [3]. Checksum(16bits):Aparidade(checksum)nodatagramaIPcobreapenaso cabealho,enotodososdados.Hduasboasrazesparaisso.Emprimeirolugar, todososprotocolosdenvelsuperiorqueencapsulamdadosemumdatagramaIPtm umcampodeparidadequecobreopacoteinteiro.Portanto,aparidadeparaum datagrama IP no precisa verificar os dados encapsulados. Em segundo, o cabealho de um datagrama IP muda a cada roteador visitado, mas no os dados. Portanto, a paridade incluiapenasapartealterada.Seosdadosforeminclusos,cadaroteadorterque recalcularaparidadeparaopacoteinteiro,significandoumaumentonotempode processamento. EndereosIPdeorigemedestino(32bits):RepresentamosendereosIPdo host que envia o datagrama (fonte) e do host que receber o datagrama (destino). Opes(0a320bits):PermitequeocabealhoIPsejaampliado.Existem opes para segurana, armazenamento de rota, roteamento mandatrio, timestamp, etc. Uma vez que alguns datagramas podem requerer processamento de opes e outros no, a quantidade de tempo necessria para processar um datagrama IP em um roteador pode variarbastante.Poressasrazes,estecampofoidescartadonocabealhodaverso IPv6. AentidadequecontrolaosnmerosIPoIANA(InternetAssignedNumbers Authority), que hoje parte daICANN (InternetCorporation for Assigned Names and Numbers).AautoridadesobreosnmerosIPdelegadaregionalmenteparaoutras entidades.NaAmricaLatinaeCaribe,aentidaderesponsveloLACNIC,eno Brasil, o responsvel o NIC.br (Ncleo de Informao e Coordenao no Brasil) [12]. O valor do campo protocolo define A qual protocolo pertencem os dados Camada de Transporte Camada de Rede

13 As especificaes do IPv4 reservam 32 bits, ou seja, o espao corresponde a 232 (4.294.967.296)paraendereamento,possibilitandogerarmaisde4bilhesde endereos distintos. Na Internet, os dispositivos devem ser identificados por nmeros de 32bitsquedefinemdeformanicaeuniversalaconexodeumdispositivo.Os endereosIPsdevemsernicos,nopodendohaverdoisoumaisequipamentos utilizandoomesmoendereoIP.Assim,umendereoIPumnmeroqueidentifica unicamente no mundo cada conexo de dispositivo Internet.Basicamente,umendereoIPconsisteemduaspartes:aprimeiraconhecida comonetid,querepresentaoendereodaredequalpertenceodispositivo,ea segunda,conhecidacomohostid,querepresentaaidentificaododispositivonessa rede.NoesquemaoriginaldeendereamentoIP,existemcincoclassesdeendereos, conformeafigura6.Nessatabela,pode-severificarquaisbitsrepresentamohostide quaiscorrespondemaonetid,bastandoanalisaros3primeirosbits,poisosmesmos definem a classe a qual o endereo IP pertence. OCTETO 01 OCTETO 02 OCTETO 03 OCTETO 040 7 15 23 31CLASSE ACLASSE BCLASSE C01 01 1 0NetID (Rede) HostID (estao)NetID (Rede) HostID(estao)NetID (Rede) HostID(estao)1.0.0.0 a 127.255.255.255128.0.0.0 a 191.255.255.255192.0.0.0 a 223.255.255.255CLASSE D 224.0.0.0 a 239.255.255.255CLASSE E 240.0.0.0 a 255.255.255.255 Reservado para Uso FuturoEndereos de Multicast Figura 6: Classess dos endereos IPs. OendereamentoIPv4,emseuincio,usavaoconceitodeclasses.Essa arquiteturachamada:endereamentoporclasse.Essemtodo,emboraestejase tornandoobsoleto,serexplicadorapidamenteparamostraroconceitoportrsdo endereamento sem classe. NaclasseA,oprimeirobit(maissignificativo)zero,eosprximos7bits representamaidentificaodarede.Os24bitsrestantesrepresentamohost,ouo dispositivonarede.Essaclasserecomendvelpararedescomumnmeromuito grande de dispositivos, pois pode representar mais de 16 milhes de endereos IPs.

14 NaclasseB,oprimeirobit1eosegundo0.Osprximos14bits representamaidentificaodaredeeos16bitsrestantesrepresentamodispositivona rede. O nmero de dispositivos que podem ser endereados nessa classe relativamente grande, mais de 65 mil. NaclasseC,osdoisprimeirosbitstmvalor1,eoterceirobit0.A identificaodarederepresentadapelosprximos21bits,oquepossibilitaa representaodeumgrandenmeroderedes.Pararepresentaodedispositivosso utilizados os ltimos 8 bits, o que limita em 254 o nmero mximo de endereos IPs. NaclasseD,ostrsprimeirosbitsassumemvalor1eoquartovale0.Esta classe utilizada para identificar grupos de endereos de multicast. Diferentemente das classesanteriores,essaclassenopossuiumadivisoentrenetidehostid.Os4 primeiros bits so fixos e os 28 restantes representam um grupo. Na classe E, os quatro primeiros bits valem 1. Esta uma classe de endereos reservada para uso futuro. Um problema com o endereamento com classes que cada classe dividida em umnmerofixodeblocostendoumtamanhofixo.possvelnotarumafalhanesse esquema, um bloco em um endereamento classe A muito grande para praticamente qualquerorganizao.Noincioessaclassefoiatribudaintegralmentesgrandes instituies como IBM, AT&T, Xerox, HP, Apple, MIT, Ford, Departamento de Defesa Americano,entremuitasoutras,eforamdisponibilizados,paracadauma,16.777.216 milhes de endereos [11]. Isso significa que a maioria dos endereos na classe A era desperdiadaenoerausada.UmblococlasseBtambmmuitogrande, provavelmentemuitograndeparamuitasorganizaesquerecebiamumblococlasse B. Um bloco classe C, certamente, era muito pequeno para muitas organizaes. Os endereos classe D foram projetados para multicast. Cada endereamento nessa classe utilizadoparadefinirumgrupodehostsnaInternet.OsprovedoresdeInternet previamerroneamenteanecessidade268.435.456grupos[3].Nessecaso,issojamais aconteceu e muitos endereos tambm foram desperdiados. E finalmente, os endereos daclasseEeramreservadosparaofuturo,masapenasumpequenonmerofoi utilizado, resultando, mais uma vez, em desperdcio de endereos. DevidoaoritmodecrescimentodaInterneteapolticadedistribuiode endereos, em maio de 1992, 38% das faixas de endereos da classe A, 43% da classe Be2%daclasseC,jestavamalocados.Nessapoca,aredepossua1.136.000 hosts conectados [11].

15 EsseproblemamotivouaIETF(InternetEngineeringTaskForce)acriar solues para o esgotamento dos endereos IP e o aumento da tabela de roteamento. Em novembro de 1991, formado o grupo ROAD (Routing and Addressing), que apresenta como soluo a utilizao do CIDR (Classless Interdomain Routing) [11]. O roteamento interdomniosemclassesfoidefinidonaRFC4632(RequestforComments4632).A sua idia bsica o fim do uso de classe de endereos, permitindo a alocao de blocos detamanhoapropriadoarealnecessidadedecadarede.OCIDRumatcnicaque resolve os dois aspectos de expanso na Internet: crescimento das tabelas de roteamento dobackbone,medidaquemaisnmerosderedeprecisamserarmazenadasnelas,e potencial para o espao de endereos IP de 32 bits. O CIDR tenta equilibrar o desejo de reduzironmeroderotasqueumroteadorprecisaconhecer,comanecessidadede oferecer endereos de modo eficiente [4]. OutrasoluoparaoesgotamentodeendereosIPv4foioNAT(Network AddresTranslation),definidonaRFC3022.Esseprotocolopermiteaousurioter internamenteumgrandeconjuntodeendereoseexternamenteumoutroendereo,ou entoumpequenoconjuntodeendereos,ouseja,aidiabsicapermitirqueum nico endereo IPv4, ou um pequeno nmero deles, possa ser utilizado por vrios hosts para trafegar naInternet. Para separar os endereos usados internamentena residncia, ounaempresa,daquelesutilizadosparaaInternet,osprovedoresreservamtrs conjuntosdeendereos,denominadosprivadosconformeRFC1918eapresentadosna tabela 3 abaixo: Tabela 3: Endereos IPv4 para redes privadas. IntervaloTotal 10.0.0.0 a 10.255.255.255224 (16.777.216 hosts) 172.16.0.0 a 172.31.255.255220 (1.048.576 hosts)192.168.0.0 a 192.168.255.255216 (65.536 hosts) EssasoluosemostroueficienteemrelaoeconomiadeendereosIPv4, pois apresenta alguns aspectos positivos como: facilitar a numerao interna das redes, ocultaratopologiadasredesespermitiraentradadepacotesgeradosemrespostaa umpedidodarede.Noentanto,ousodoNATapresentainconvenientesqueno compensamasvantagenscomo,porexemplo,aquebradomodelofim-a-fimda Internet,nopermitindoaconexodiretaentredoishosts,oquedificultao

16 funcionamentodeaplicaescomoVoIP(VoiceoverIP)eVPN(VirtualPrivate Network).Almdisso,exigequeosequipamentosresponsveispeloserviodoNAT possuam grande poder de processamento. AssoluesapresentadasdiminuramademandaporIPv4,pormelasno solucionaramosproblemasdocrescimentodaInternet.Aadoodessastcnicas reduziuemapenas14%aquantidadedeblocossolicitadosaIANA(InternetAssigned NumbersAuthority)eacurvadecrescimentodaInternetcontinuavaapresentadoum aumento exponencial. Na figura 7 so apresentadas as solues paliativas do NAT e do CIDR na distribuio de blocos de endereos pela IANA [11]: Figura 7: Curva de crescimento de distribuio de blocos de endereos com aplicao de NAT e CIDR [11]. Hoje,porm,comocrescimentoaceleradodovolumedemquinaseredesna Internet,assimcomoosurgimentodenovastecnologiasedispositivosderedes (Smartphones,computadoresportteis,etc.),segundodadosdaABIReaserch,a quantidade de equipamentos mveis capazes de acessarem a Internet deve chegar a 2,25 bilhes[11].IssoindicaumrpidoesgotamentodosendereosIPsdisponveisea soluo em definitivo para escassez do IPv4 o IPv6. 2.1.2 Protocolo IPv6 OnovoprotocoloIPv6deverpossibilitararesoluodosproblemasatuaisde esgotamento do IPv4 e prover as funcionalidades necessrias para acompanhar as novas

17 tecnologias de redes que surgirem. Estima-se que, no Brasil, o esgotamento IPv4 ocorra entre 2012 e 2014 [12]. NoprojetooriginaldoprotocoloIPv4noforamprevistosaspectosde segurana,priorizaodepacote,aumentodatabeladeroteamentoeesgotamentodos endereosIP.Em1993comobjetivodesuperaressaseoutrasdeficincias,aIETF (InternetEngineeringTaskForce)formalizou,atravsdaRFC1560,aspesquisasa respeitodanovaversodoprotocoloIP.Asprincipaisquestesquedeveriamser abordadasseriam:escalabilidade,segurana,configurao,administraoderedes, suporteaQoS,mobilidade,polticasderoteamentoetransio.OIPv6,tambm conhecidocomoIPng(IntenetProtocolNextGeneration),foipropostoeagoraum padro. No IPv6, o IP foi extensivamente modificado para acomodar o crescimento no previstodaInternet.OformatoeocomprimentodoendereoIPforammodificados juntamentecomoformatododatagrama.Osprotocolosrelacionados,comoICMP, tambm foram modificados.Outros protocolos da camada de rede, como ARP (Adress ResolutionProtocol),RARP(ReverseAdressResolutionProtocol)eIGMP(Internet Group Management Protocol), foram eliminados ou inclusos no protocolo ICMPv6. Os protocolosderoteamento,comooRIP(RoutingInformationProtocol)eoOSPF, tambmforamligeiramentemodificadosparaacomodaressasalteraes.As especificaesdoIPv6foramapresentadasnaRFC1883dedezembrode1995,no entanto, em dezembro de 1998, esta RFC foi substituda pela RFC 2460 [11]. feito um brevecomentrio sobre um pacote IPv6 que mostrado na figura 8. Foramfeitasalgumasmudanasnoformatodocabealho-basedoIPv6,demodoa torn-lomaissimples,comapenas8campos.Cadapacotecompostoporum cabealho-baseobrigatrioseguidodopayload.Opayloadconsistededuaspartes: cabealhos de extenso opcionais e dados da camada superior. O cabealho-base possui tamanho fixo de 40 bytes, ao passo que os cabealhos de extenso e os dados da camada superiorcontmat65.535bytesdeinformao.Umadasmudanasfoiaremoode seiscamposdocabealhodoIPv4,jqueasfunesnosomaisnecessriasouso implementadaspeloscabealhodeextenso.Comessasmodificaesoprotocolose tornou mais simples, mais flexvel e mais eficiente, pois foi minimizado o overhead nos cabealhos reduzindo o processamento dos pacotes.

18 Figura 8: Formato do Datagrama no IPv6: cabealho e payload [3]. Ocabealho-basemostradonafigura9.ComparandoocabealhodoIPv4como cabealhoIPv6possvelverificarqueseiscamposdocabealhodoIPv4foram removidosequatrocampostiveramseusnomesalteradoseseusposicionamentos modificados. Figura 9: Formato de um Datagrama IPv6 [3]. Estes campos so os seguintes [3]: Verso(VER4bits):Umcampode4bitsquedefineonmerodaverodo IP.Para o IPv6, o valor 6. Prioridade (PRI 4 bits): O campo de 4bits define a prioridade do pacote em situaesdecongestionamentodetrfego.OcampodeprioridadeemumpacoteIPv6 Cabealho de extenso (opcional) Pacote de dados proveniente da camada superior Cabealho-base At 65.535 bytes40 bytes Payload Rtulo de fluxo Comprimento do payloadNH NH NH NH Endereo de origem Endereo de destino HL Comprimento do cabealho Comprimento do cabealho Comprimento do cabealho

19 define a prioridade de cada pacote em relao a outros pacotes de uma mesma origem. O IPv6 divide o trfego em duas amplas categorias: controlado por congestionamento e no controlado por congestionamento. Rtulo de Fluxo (Flow Label - 3 bytes): um campo de 24 bits que se destina a oferecertratamentoespecialparaumdeterminadofluxodedados.Umasequnciade pacotes,enviadadedeterminadaorigemacertodestino,queprecisadetratamento especial por parte dos roteadores, denominado de fluxo de pacotes. A combinao do endereo de origem com o valor do rtulo de fluxo define de forma exclusiva um fluxo depacotes.Essecampopodeserutilizadonatransmissodeudioevdeoemtempo realeemconjuntocomosoutrosprotocolosquefazemreservaderecursocomo,por exemplo, RSVP (Resource Reservation Protocol). Comprimentodopayload(PayloadLength2bytes):Estecampodefineo comprimento do datragrama IP excluindo o cabealho-base. Prximo Cabealho (NH - Next Header 8 bits): o campo que aponta para o prximo cabealho aps o cabealho-base em um datagrama IP. O next header um dos cabealhos de extenso opcional usado pelo IP ou cabealho de um pacote encapsulado comooUDPouTCP.Cadacabealhodeextensotambmcontmessecampo.A tabela4apresentadaparaocabealhoNextHeader.EssecamponoIPv4 denominado protocol. Tabela 4: Cdigos Prximo Cabealho no IPv6 [3]. Cdigo Prximo Cabealho 0 Opo N a N2 ICMP6 TCP17 UDP43 Roteamento de origem44 Fragmentao50 Encrypted Security Playload51 Autenticao59 Nulo (Prximo Cabealho inexistente)60 Opo de destino LimitedeSaltos(HL-Hoplimit8bits):Essecampoatendeaomesmo objetivo de campo TTL no IPv4.

20 Endereo de origem (Source address 128 bits): um endereo Internet de 16 bytes que identifica a fonte de origem do datagrama. Endereodedestino(Destinationaddress128bits):umendereode16 bytes que normalmente identifica o endereo de destino final do datagrama. Entretanto, seforusadooroteamentodeorigem,essecampocontmoendereodoprximo roteador. OIPv6,assimcomoIPv4,teveumagrandeaceitaonareaacadmica,mas paraqueseuusosetorneexponencialnecessrioqueosprovedoresdeacessoa InternetsejamcapazesdetransmitirtrfegoIPv6deformanativaemseusbackbones. Emcontrapartida,sabe-sequesuaimplementaoenvolvecustosemequipamentosde rede, alm de treinamento para toda a equipe. Estudos realizados mediram a quantidade de informao que trafega naInternet sobreoprotocoloIPv6.Essasanlisesforamrealizadasbaseadasnaquantidadede pginasnaInternetqueusamoIPv6enaconsultaaservidoresDNS(DomainName System), tentado medir a evoluo do uso do IPv6 na Internet [14]. O Google tem realizado [13] uma avaliao do estado atual do uso do IPv6 por pessoascomuns,coletandoinformaesfornecidaspelosnavegadoresdeumaparcela deusuriosdeseusservios.Comisso,foipossveldeterminarqueaproximadamente 0,2%deseusclientestemIPv6ativado,eaquantidadedeacessoqueutilizamoIPv6 subiu de 0,189% em agosto de 2008, para 0,261% em janeiro de 2009. BlocosdeendereosIPv6vmsendoalocadospelosRIRs(RegionalInternet Registries)haproximadamentedezanos.Noentanto,ofatodosRIRsalocarem endereosaosRegistrosNacionais,ouaosISPs,nosignificaqueessesendereos estejam sendo utilizados. Fazendo o cruzamento de dados sobre a quantidade de blocos /32 IPv6 j alocados com nmeros de rotas anunciadas na tabela de roteamento, nota-se queapenas3%dessesrecursosestosendoefetivamenteutilizados,isto,dos73.000 blocosjalocados,apenaspoucomais2.500estopresentesnatabelaglobalde roteamento [11]. 2.1.3 Protocolo IPv4 x IPv6 OIPv6apresentaalgumasvantagensemrelaoaoIPv4quepodemser resumidas a seguir:

21 Maior espao de endereamento: um endereoIPv6 tem 128bits de comprimento, permitindo nveis mais especficos de agregao deendereos,identificaodeumaquantidademuitomaiorde dispositivosnaredeeimplementaodemecanismosde autoconfigurao.Aescalabilidadederoteamentomulticast tambmfoimelhoradaatravsdaadiodocampoescopono endereomulticast.Eumnovotipodeendereo,anycast,foi definido [11]; Formatomaisadequadodocabealho.OIPv6usaumnovo formato,noqualasopessoseparadasdocabealho-basee inseridas,quandonecessrio,entreocabealho-baseeosdados dacamadasuperior.Issosimplificaeaceleraoprocessode roteamento,poisgrandepartedasopesnoprecisaser processada pelos roteadores [3]; Espaoparaexpanso.OIPv6foidesenvolvidoparapermitira extensodoprotocolo,casosejaprecisosuportarnovas tecnologias ou aplicaes [3];Suporteparaalocaoderecursos.NoIPv6foiadicionadoum novo recurso que permite identificao de pacotes que pertenam adeterminadostrfegosdefluxos,ocampotipodeserviodo IPv4 foi eliminado, mas um mecanismo, denominado flow label rtulodefluxofoiacrescentadoparapermitirqueaorigem solicitetratamentoespecialdepacote.Essemecanismopodeser usadoparasuportartrfegocomoudioevdeoemtemporeal [3]; Melhorsuportesegurana.OIPv6oferececonfidencialidadee integridadeparaospacotes,foramespecificadoscabealhosde extensocapazesdefornecermecanismosdeautenticaoe garantiraintegridadeeaconfidencialidadedosdados transmitidos. A tabela 5 apresenta de forma resumida a comparao do cabealho do IPv4 em relao nova verso do protocolo IPv6.

22 Tabela 5: Comparao entre os cabealhos de IPv4 e IPv6. 1 O campo de comprimento do cabealho eliminado no IPv6, pois o comprimento do cabealho fixo nessa verso. 2 O campo de tipo de servio eliminado no IPv6. Os campos de prioridade e de rtulo de fluxo, juntos, assumem a funo do campo de tipo de servio. 3 O campo comprimento total eliminado no IPv6 e substitudo pelo campo de comprimento do payload. 4 Os campos de identificao, flag e offset so eliminados do cabealho-base no IPv6. Eles so inclusos no cabealho de extenso. 5 O campo TTL chama-se limite de saltos IPv6. 6 O Campo de protocolo substitudo pelo campo next header. 7 A paridade (checksum) do cabealho foi eliminada, pois a paridade j calculada pelos protocolos de camada superior; portanto, ele no necessrio neste nvel. 8 Os campos de opes do IPv4 so implementados como cabealho de extenso no IPv6. 2.2 Consideraes Finais Neste captulofoi realizada uma revisogeral dos protocolosIPv4eIPv6, para apresentarumcomparativoentreasduasverses.EssarevisodoprotocoloIPv4foi necessria,poiseleutilizadonestadissertaoparaidentificarlogicamenteas interfaces dos roteadores do backbone de teste. DepoisqueforamtratadososaspectosdoprotocoloIP,serointroduzidosno captulo 3 os princpios de roteamento e comutao.Sero explorados os problemas de expanso dos protocolos de roteamento.

23 Captulo 3 - Protocolos de Roteamento O roteamento um processo de escolha do caminho a ser seguido pelos dados a serem transmitidos. Ele pode levar vrios aspectos em considerao desde a velocidade dos enlaces, ao nmero de saltos (hops) envolvidos, passando pelo custo de transmisso econfiabilidadedoscanais.Noroteamentoharetransmisso,noqualospacotesso encaminhados de um canal para outro. O roteamento diz respeito maneira pela qual as tabelasderoteamentosocriadasparaauxiliarnoencaminhamentodospacotes.Nas redesdedatagrama,incluindoasredesIP,oroteamentotratadopacoteapacote[4]. De uma forma simples, um roteador precisa apenas ser capaz de examinar o endereo de destinodopacoteedepoisdeterminarqualrotaamelhoropoparaencaminharo pacote at seu destino. O protocolo IP com sua simplicidade e flexibilidade o torna um grande sucesso na funo do roteamento, sendo esse protocolo responsvel pela entrega das informaes geradas pelas aplicaes aos seus destinos de forma correta e eficiente. Roteamento IP um termo utilizado para descrever as aes efetuadas pela rede paraenviarumpacotedeumdispositivoaoutroemumaredediferente,ouseja,os endereosIPsdeorigemedestinodevempertencerendereosderedesdiferentes. Cadadispositivodaredetemumendereolgicoparaqueelepossaseralcanado individualmente. Em alguns casos, os dispositivos tambm podem ser alcanados como parte de um grupo maior de dispositivos como, por exemplo, o multicast. Seohostnoestiverconectadoaumamesmaredefsicadohostdedestino, entoeleprecisaenviaropacoteaumgateway.Oelementogateway,queaantiga nomenclatura do roteador [6], o principal componente das redes IPs, e a sua principal tarefa o encaminhamento de pacotes. Os roteadores podem efetuar o roteamento direto usando tabelas de pesquisas como aquela produzida pelo ARP para mapear os endereos IP aos endereos MAC (Media Access Control) e assim empacotar os datagramas IP em quadros endereados aos seus destinos finais. Esse roteamento til em uma nica rede fsica,comoumaEthernet,masnoprticoquandomuitasredesdiferentesso reunidas.O roteamento indireto permite aos roteadoresencaminharem datagamasIP com base em seus endereos IP de destino. Para qualquer datagrama, um roteador determina o roteador do prximo salto (next hop), ao longo do caminho at o destino, e empacota o datagrama em um quadro no nvel do enlace. Um roteador s precisa responder a uma

24 pergunta muito simples: dado um datagramaIP que transporta um endereo dehost de destinoespecfico,porqualinterfaceodatagramadeveserenviadoeparaqualsalto seguinte?Portanto,aoreceberumpacoteoroteadorprecisalerocabealhoIP, determinarparaqualredededestinoopacotepertencee,atravsdaleituradeuma tabeladeroteamento,encaminh-loparaoprximosalto.Essaumaformade algoritmodepesquisaqueapanhaumendereoIPederivaemumidentificadorde interfaceeumendereoIPdosaltoseguinte.Aimplementaodastabelasde roteamentovariamuitodeumfabricantederoteadorparaoutro,eosrequisitosem conflitodedesempenhoeocupaodedadossoresponsveispelasvantagens competitivas que eles afirmam [6]. Osroteadoresobtmseuconhecimentodatopologiadasredesremotasatravs dosparesvizinhosoudasinformaesconfiguradasmanualmenteporum administrador. Assim, esses equipamentos constroem uma tabela de rotas que descreve como encontrar as redes remotas. Estando uma rede diretamente conectada ao roteador, o mesmo saber como alcan-la, no sendo necessrio nenhum mecanismo de criao derotas.Casoaredenoestejadiretamenteconectada,sernecessrioousodeum processoderoteamentoesttico,oquesignificadizerqueumadministradorinseriu manualmentetodasaslocalizaesdasredesnatabeladeroteamento,oudeum processoderoteamentodinmico,quenessecasooadministradorpodefazerusode algum protocolo de roteamento onde as rotas so divulgadas automaticamente. Quando na construo das tabelas de roteamento, um protocolo em um roteador secomunicacomoseuvizinhousandoomesmoprotocolo,informandoquaissoas redesquepodemseralcanadasporeleevice-versa.Emseguida,osroteadoresse atualizamsobretodasasredesquesabemequeaprenderam,colocandoessas informaes na tabela. Na prtica, os detalhes internos de um roteador so ligeiramente mais complexos doqueumanicatabeladeroteamento.Comopossvelobservarnafigura10,o roteadorpodeapanharsuasentradasemdiversasorigens,incluindoaconfiguraodo administrador, a descoberta por meio de protocolos como ICMP, o compartilhamento de informaes de rota com redes IGP (Interior Gateway Protocol) e a distribuio de rota deroteadoresparceiros,utilizandoumEGP(ExteriorGatewayProtocol).Asrotas descobertas por meio de protocolos de roteamento normalmente esto sujeitas a alguma filtragemdeimportaoderota,deacordocomasprefernciasconfiguradasno roteadorlocal.Todasasrotasaceitveisapartirdoprotocoloderoteamentoso

25 combinadascomasrotasestticasconfiguradaseasrotasdiretasdescobertas,para formar que conhecido como RIB (Routing Information Base). Figura 10: Diagrama interno de um roteador [6]. AFIB(ForwardingInformationBase)ofereceinstruesnoambguasao componentedoroteadorqueencaminhaospacotesdedados.Dadoumendereode destino,aFIBdiraoroteadorporqualinterfaceeledeveencaminharopacoteeo endereodosaltoseguinte.Emmuitasaplicaes,aFIBtambmdivulgaroutras informaesteis,comoporexemplo,oendereoMACdosaltoseguinte,paraqueo componentedeencaminhamentospreciserealizarumaoperaodepesquisapor pacote. AFIBcontmasmelhoresrotasdefinitivas,deacordocomaspolticasde deciso de roteamento locais, e o roteador precisa compartilhar essas informaes com os outros roteadores nas redes s quais pertence. Contudo, os protocolos de roteamento Comunicao com roteadores parceiros EGP Configurao de rotas estticas pelo administrador Descoberta de hosts conectados diretamente Comunicao com redes IGP ConfiguraoDescobertaIGPIGPIGPEGPEGP Polticas de importao de rota Base de Informaes de roteamento (RIB) Mecanismo de deciso de roteamento Base de informaes de encaminhamento (FIB) Polticas de exportao de rota IGPIGPIGPEGPEGPEGP Determina encaminhamento do pacote Comunicao com redes IGP Comunicao com roteadores parceiros EGP EGP

26 sepreocupamnoapenascomasmelhoresrotas,mascomtodasasrotasdisponveis [6]. Agrandevantagemdousodeprotocolosderoteamentodinmicosobreo roteamentoestticoapossibilidadedeadaptaodinmicadasrotasemsituaesde falhasoucongestionamentosdetectados.Sealgumamudanaocorrernarede,os protocolosderoteamentodinmicoinformamautomaticamentetodososroteadores sobreoevento.Emsetratandodeumroteamentoesttico,oadministrador responsvelporatualizartodasasmudanasmanualmenteemtodososroteadores. Tipicamente,nasgrandesredes,umacombinaodoroteamentodinmicoeesttico usada [15].3.1 Comutao e Roteamento Omecanismodeaprendizadoemanutenodoconhecimentodatopologiade redeconsideradocomoafunoderoteamento.Omovimentorealdotrfego transientepormeiodoroteador,dainterfacedeentradaparaumainterfacedesada, umafunoseparadaconsideradacomoafunodecomutao[16].Comutaoo processodeapanharumquadrodeumaentradaeenvi-loporumasadaapropriada, baseado na informao da camada de enlace. Os mtodos para a comutao de quadros baseiam-senasinformaesdeendereodacamadadeenlace.Josrecursoseas funcionalidades dos switches de camada 3 e dos roteadores tm diversas semelhanas. Osswitchesdecamada3soumamisturadetecnologiasdebridge(ponte)e roteadores. Ou seja, um switch de camada 3 um roteador, embora mais rpido e mais sofisticado.ElesoperammontandoumatabeladeendereosIPmapeadospara interfacesdesadaepesquisamoendereodedestinodeumpacoteparadeterminara interface por meio da qual o pacote deve ser encaminhado. Eles passam o pacote de uma interfaceparaaseguintenonvelderede,damesmaformaqueumapontepassaum quadroemumnveldeenlace[6].Nosroteadores,demodogeral,acomutaode pacotesaconteceemsoftware,usandomecanismosbaseadosemmicroprocessadores, enquanto em um switch de camada 2 ou 3, o encaminhamento dos quadros ou pacotes realizado usando hardware ASIC (application specific integrated circuit) [17].Duranteumtempo,osswitchesdecamada3eramaesperanaparaaInternet. Eles no exigiam o clculo continuo de rotas toda vez que os protocolos de roteamento distribuam novas informaes e poderiam colocar sua tabela de comutao em circuitos

27 integrados(ASIC)paraencaminharmuitomaisrpido.Contudo,logoficouaparente que uma nova gerao de roteadores poderia ser criada, que tambm usava ASICs para o encaminhamento, enquanto mantinha a flexibilidade e a reatividade dos protocolos de roteamento [6]. Acomutaodepacotesofereceumnovomodeloparaoencaminhamentode dados na rede. Em vez de encaminhar cada pacote com base no endereo da camada de rede e nas informaes distribudas por protocolos de roteamento, os ns na rede podem usarrtulostransportadosnospacoteseinformaesdecomutaodertulos distribudas por novos protocolos ou extenses dos protocolos existentes. A comutao de pacotes IP o processo de encaminhar pacotes de dados dentro de uma rede, baseado em algum rtulo associado com cada pacote. Em alguns sentidos, oroteamentoIPtradicionalumaformadecomutaodepacotescadapacote transportaumendereoIPdedestinoquepodeserusadoparadeterminaroprximo saltonocaminhoemdireoaodestinorealizando,umaconsultanatabelade roteamento.H,noentanto,muitaslimitaesparaoroteamento,eacomutaode rtulos foi desenvolvida para revolver algumas delas. Esse assunto ser mais detalhado no captulo 4 desta dissertao onde sero tratados os aspectos do protocolo MPLS. possvelconcluiradiscussosobrecomutaoeroteamentoIPdescrevendo umaidiaquefoivistaoriginalmentecomoummeiodemelhorarodesempenhoda Internet. A chamada comutao de rtulos multiprotocolo, tenta combinar algumas das caractersticasdacomutaocomaflexibilidadeearobustezdoroteamento.O casamento dessas duas tecnologias, aparentemente opostas, tem feito com que o MPLS sejabemaceitonascomunidadesdaengenhariaedaInternet,comoasoluoperfeita paraencaminhamentodepacotesemredeslegadasenolegadas,comapossibilidade deimplementardiversosservioscomo,porexemplo,aengenhariadetrfegoqueo foco principal desta dissertao. 3.2 Protocolos de Roteamento Oroteamentoumproblemadeteoriadegrafos.Afigura11mostraumgrafo representando uma rede. Os ns do grafo so rotulados de A at F, esses ns podem ser hosts, switches, roteadores ou redes [4].

28 Figura 11: Rede representada como um grafo [4]. Oroteamentoapresentaapropostadesolucionaroproblemaencontrandoo caminho de menor custo entre dois ns quaisquer da rede. No grafo da rede apresentada nafigura11seriapossvelsimplesmentecalculartodososcaminhosmaiscurtose definir uma mtrica, porm essa tcnica esttica possui limitaes tais como: oela no trata de falhas de n ou de enlace; oela no considera o acrscimo de novos ns ou enlaces; oelaimplicaqueoscustosdabordanopodemmudar,embora sejapossvelrazoavelmentequereratribuirtemporariamenteum custo alto a cada enlace que esteja congestionado. Por isso, diante dos pontos apresentados, o roteamento na maioria dos backbones utilizaosprotocolosderoteamentodinmicos.Osprotocolosderoteamentoforam criados em resposta demanda por tabelas roteamento dinmicas, onde essas deveriam ser as melhores e menores possveis. Um protocolo de roteamento uma combinao de regras e procedimentos que possibilita aos roteadores na rede informarem as mudanas entre os pares. Eles permitem que os roteadores compartilhem tudo o que souberem em relao rede diretamente conectadas ou em relao aos vizinhos dos outros roteadores. Assimcomoinformaesdefalhaemlinhas(enlaces)detransmissocomo,por exemplo,umcircuitodeSTM(SynchronousTransportModule)queestejamudando seuestadorepentinamente,ecaminhosqueestocomaltonveldecongestionamento. Poressemotivo,astabelasderoteamentonormalmentesorecalculadasemtempos definidosouquandoumaquantidademnimademudananaredeestiversendo observada, pois em casos de vrias mudanas isso acarretaria em uma alta necessidade do processamento dos roteadores. CadaagrupamentoorganizacionaldecomputadoresdefinidocomoumAS (AutonomousSystem),ouseja,umsistemaquepodeoperarisoladamentedetodosos outrosagrupamentos.DentrodeumAS,asinformaesderoteamentoemgeralso bastantedistribudas,eumroteadorpodeclaramenteverocaminhopelaredeASat 43621911DAFEBC

29 outroroteadordentrodomesmoAS.OsprotocolosderoteamentodentrodeumASe entreASssodiferentes.RoteadoresdentrodeumAStrocaminformaesde roteamentoatravsdeumprotocolocomumconhecidocomoIGP(InteriorGateway Protocol),josroteadoresquefazemcomunicaoentreASs,ofazematravsdeum protocolo de roteamento chamado de EGP (Exterior Gateway Protocol) [15]. Parareduzirotrfegoderoteamento,asredesIP(assimcomoasredesMPLS) podemserdivididasemdiferentessistemasautnomos(autonomoussytems),tambm conhecidos como domnios de roteamento. Anaturezadistribudadosalgoritmosderoteamentoumdosprincipais motivospelosquaisessetemsidoumcampodepesquisaedesenvolvimentotorico. Existem muitos desafios para fazer com que os algoritmos distribudos funcionem bem, porexemplo,osalgoritmosdistribudoslevamapossibilidadededoisroteadores,em determinadoinstante,teremidiasdiferentesarespeitodocaminhomaiscurtoat algum destino [4]. Osprotocolosderoteamentopossuemumgrandeconjuntodeinformaese caractersticasdiferenciadasquepossivelcategorizarclassfulversusclasslesse distance vetor versus link-state. Onomeroteamentoporvetordedistnciaencontradotambmnasliteraturas como algoritmo de Bellman-Ford [16], a idia por trs do algoritmo com vetor distncia sugeridaporseunome:cadanconstriumarrayunidimensional(umvetor) contendo as distncias (custos) at todos os outros ns e distribui esse vetor aos seus vizinhosimediatos.Asuposioinicialparaoroteamentocomvetordistnciaque cadanconheceocustodoenlaceparacadaumdeseusvizinhosconectados diretamente. O melhor caminho pode estar relacionado com vrias medidas, sendo que o nmeroderoteadoresnarota(hopcount)amaisutilizada.Umenlacequeesteja inativo recebe o custo infinito. Asrotinasperidicasdeatualizaesderoteamentogeradaspelamaioriados protocolos de roteamentos vetor distncia vo apenas para os dispositivos de roteamento conectadosdiretamente.Numambientedevetordistnciapuro,asatualizaesde roteamentoincluemumatabelacompletaderoteamento,aqualpodeserchamadade atualizaointegral,ouseja,atrocadetodaatabeladeroteamento.Aoreceberuma tabela completa de um vizinho, um roteador pode verificar todas as rotas conhecidas e, emseguida,fazerasalteraesnatabelalocal,combasenasinformaesatualizadas recebidas.Esseprocessoderoteamentomuitosimples,enaprticapodeserlento,

30 provocandoumaltotempodeconvergncianarede(tempoqueosroteadoreslevam paraestabilizarastabelasderoteamentodeacordocomumamudanaocorridana topologia)epossveisloopsderoteamento.Comoexemplosdeprotocolosvetor distncia existem o RIP (Routing Information Protocol) definido na RFC 1058, o RIPv2 definidonaRFC1723eoRIPng(RoutingInformationProtocolnextgeneration)para IPv6definidonaRFC2080.JoIGRP(InteriorGatewayRoutingProtocol),de propriedade da Cisco, embora tambm seja protocolo vetor distncia, pouco usado no mercado, pois foi substitudo por um protocolo de roteamento mais avanado, o EIGRP (EnhancedInteriorGatewayProtocol)eexibealgumascaractersticasdelink-state. Destaca-se que todos os protocolos citados acima so do tipo IGP [16]. O roteamento por vetor distncia aplica o enfoque incremental para a construo e distribuio de informaes de caminho. Cada roteador distribui rotas inteiras, e seus vizinhosasselecionamapartirdessasrotas,quedevemseracrescentadasnatabelade roteamento, antes de passar adiante um conjunto de rotas at seus prprios pares. Oroteamentoporestadodeenlace(link-state)nodistribuirotaalguma,mas