Comparación, ventajas, problemas y una metodología parala transición de IPv4 a Ipv6 en las redes de comunicaciones

Yezid Donoso Meisel*

Resumen

Las redes de computadores que hoy en día utilizan TCP/IP con IP versión 4 tendrán en pocosaños el problema de ocupar en su totalidad el espacio de direcciones posibles. Este ha sido elmotivo para que investigadores y empresas que tengan que ver con redes y comunicacionesestén analizando el diseño y desarrollo de una nueva versión de ¡P,la cual ha sido denominadaIPv6, ¡Png o Fast IP. El IPv6, como lo denominaremos de ahora en adelante, nace como unaposible solución a los problemas presentados y en la versión ¡Pu4.Palabras claves: Ipv6, Jpng, Fast IP.

Abstract

Within afew years, computer networks using TCP/IP, IP version 4, will have the problem ofoccllpying completely the p05sible address space. Far this reason, researchers and organisa-tions dealing with networks and communications are analysing the design and developmenta ncw IP vcrsion named IPv6, lPng, or Fast IP. Thus, IPv6, as we call it henceforth, rises asa possible solution to the presented and yet not resolved problems in lPv4.Key words: IPv6, IPng, Fast IP

L Introducción

••MSc. IngenierodeSislemasdela Universidaddel Norte. Minor en Gestión de Proyectos de Inge-niería de la misma universidad. Magister en Inge-niería de Sistemas de la Universidad de los Andes,con área de investigación en redes de comunica-ciones. Profesor e investigador del Departamentode Ingeniería de Sistemas de la Universidad delNorte. (E-mail: ydonoso@guayacan.uninorte.edu.co)

Debido a los problemas presentadospor la versión 4 de lP, se ha realizadouna investigación con el propósito dediseñar un nuevo modelo de IP, al cualse ha denominado Ipv6 o Ipng o Fast lP,

En la primera parte de este trabajo seestablece una comparación entre IPv4 e

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IPv6, luego se mencionan las ventajasde este nuevo protocolo, se revisan al-gunas desventajas o complicaciones quepuede presentar esta nueva versión, yfinalmente se propone una metodologíade transición de IPv4 a Ipv6.

2. Comparación entre IPv4 - IPv6

La versión actual de Ipv4 presenta, entreotros, los siguientes problemas:

o Cantidad de direcciones disponiblesen IPv4.

o Debido a las diferentes clases de di-reccionamiento de redes (clase A, B,e, D YE) cuando la cantidad de has!screce a un número mayor del sopor-tado por el tipo de red, entonces sepresenta el problema de pasar a otrotipo de red o segmentar la red.

o Requerimientos de transmisión de

32 Bits

las aplicaciones que viajan por lared.

A continuación se presentan unascomparaciones técnicas entre la versiónactual de Tcp/lp (IPv4) y la nuevaversión (IPv6).

Los conceptos referentes a IPv4 sepueden encontrar en [COMER96], Y losrelacionados con IPv6, en [COMER96],[TANENBAUM96],[DEERINC95].

o Encabezados del IP

La versión IPv4, que es la utilizada ac-tualmente en las redes a nivel mundial,presenta el forma to que se m ues tra en lafigura 1.

El encabezado consta de 20 bytes de

111111111111111111111111111111111

Versiónl IHL ITipo de Servicio Longitud Tolal

Idenlificación .I~I~Fragmentos Offset

Time lo Live I Protocolo Header Checksum

Dirección Origen

Dirección Destino

Opcional (o más palabras)

Figura 1. Encabezado del Ipv4

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parte fija y una longitud variable en laparte opcional.

En la versión IPv6, el encabezado fijose reemplaza por un encabezado base ypor unas extensiones de encabezados,de ser necesario, en el enrutamiento delpaquete. Elformato del encabezado basedel IPv6 se presenta en la figura 2, yenla figura 3, el formato de un encabezadobase con extensiones del IPv6.

Este nuevo formato trae comoconsecuencia una mejora en lo referentea que se envía por la red sólo los enca-bezados que sean necesarios para unacomunicación en particular. Es decir

que cuando se organiza un paquete enIPv6, éste es más flexible que en IPv4,donde el encabezado es fijo, ya sea quese necesite o no toda la información decontrol.

Claro está de que no todo es ventaja,ya que por el hecho de ser flexible,cuando un routerva a revisar el paquete,éste tiene que revisar todos los encabe-zados y sus extensiones.

• Fragmentación en IPv4 y en IPv6

El funcionamiento de la versión IPv4 esdiferente al de la IPv6, debido a que laimportancia del Mru se fundamenta en

FORMATO DE LOS 40-0CTETOS (ENCABEZADO BASE IPv6)Cada diagrama en IPv6 comienza con un encabezado base

24o 4

VERS

PAYLOAD LENGTH

16

FLOW LABEL

NEXT HEADE HOP LIMIT

31

18

DIRECCIÓN ORIGEN

DIRECCIÓN DESTINO

Figura 2. Encabezado base del IPv6

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Opcional ,

Encabezado Extensión I Extensión NDatosBase Encabezado Encabezado

Figura 3. Encabezado base con extensiones en IPv6

dos enrutadores adyacentes, ya que losenrutadores están en capacidad de frag-mentar los paquetes de acuerdo con elMTU encontrado.

En cambio, en la versión IPv6 se lequita ese recargo de trabajo a los enru-tadores y se establece lo que se conocecomo fragmentación end-to-end, la cualconsiste en que sólo el origen es el quefragmenta los paquetes de acuerdo almínimo Mru encontrado en todo el tra-yecto desde el nodo de origen hasta elnodo de destino. En efecto, este enfoquegenera una serie de inconvenientes encaso de que se pierda la comunicaciónentre un par de enrutadores. Para estohay pocas soluciones, pero desde miperspectiva de investigador planteo lasiguiente:

Si en un punto del trayecto se pierdela comunicación, el enrutador deberíaestar en capacidad -obviamente se esta-ría sobrecargando la funcionalidad deéste- de encontrar otro camino con unMTU mayor o igual al tamaño de losfragmentos. Si este camino es encon-trado, deben enviarse los paquetes porla nueva ruta. Pero aquí se origina otro

problema, y consiste en que si este ca-mino con ese requerimiento de Mru nose encuentra, deberá comunicársele alnodo de origen que la comunicación seperdió y que resulta imposible rees-tablecerla, para que el nodo de origentome las medidas necesarias, tales comovolver a encontrar otra ruta hasta elnodo de destino y retransmitir lainformación.

Bajoeste esquema, y como se observaen la figura 4, si el protocolo es la versiónIPv4, cada enrutador (A,8,C,O,E,F,G) iráfragmentando cada paquete de acuerdoal Mru (x,y,z,w,r,s,t) entre cada par deenrutadores.

En cambio, si la versión es el IPv6,primero se establecerá la ruta que deberáseguir cada paquete entre el hast deorigen y el hast de destino, luego sedetermina el mínimo Mru en toda laruta escogida, a continuación el hastorigen y sólo éste fragmentará lospaquetes de acuerdo al mínimo Mruhallado, para finalmente ser enviados yque viajen por la red hasta el nodo dedestino.

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A

Fragmentación

E

Figura 1.4. Fragmentación de paquetes

• Seguridad en el ancho de banda y enel retardo

Este es otro aspecto que marca diferenciaentre el IPv4 y el IPv6, puesto que a lahora de escoger el camino que debeseguirse entre un nodo de origen y unode destino, no sólo se hallará el mínimoMTU, sino que se buscará el camino queproporcione un ancho de banda requeri-do y con un retardo razonable para laaplicación que vaya a viajar por la red.Con esto se podría asegurar la transfe-rencia de video en tiempo real; peroaquí se presentaría el mismo problemaque en el de la fragmentación: Si se caeun enlace entre un par de enrutadores,¿qué pasaría?, porque tocaría volver abuscar otro camino con las mismas es-pecificaciones de ancho de banda y deretardo.

• Se cambia el tiempo de vida por elnúmero de saltos

En la versión IPv6 se ha cambiado el

campo Time to Live de IPv4 por el cam-po Hop Limit. Entonces ya no se tieneen cuenta el tiempo que el paquete estéviajando por la red, sino por el númerode nadas o enrutadores por los que estépasando has ta su llegada al destino final.

• El formato de las direcciones

En IPv4 las direcciones constan de 32bits de longitud, los cuales son expre-sados por 4 números decimales separa-dos por un punto entre ellos. Una direc-ción típica en IPv4 es la siguiente:

128.10.2.1

En la versión IPv6, las direccionesconsisten de 128 bits de longitud, loscuales son expresados por númeroshexadecimales, y cada grupo de 16 bitses representado por su correspondienteen base 16. Además, los números sonseparados con dos puntos. Una direc-ción típica en IPv6 es la siguiente:

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FF05:0:0:0:0:0:0:B3

Ahora, la notación en IPv4 se puederepresentar en IPv6 de la siguientemanera:

0:0:0:0:0:0:128.10.2.1

Pero en IPv6 los ceros se puedenabreviar por dos puntos consecutivos, yentonces quedaría de la siguiente forma:

::128.10.2.1

3. Ventajas del IPv6 sobre el IPv4

En cuanto a las ventajas que presenta laversión IPv6 con respecto a la IPv4,podemos mencionar las siguientes:

• Direcciones más largas. El nuevotamaño de la dirección es el cambiomás notable. IPv6 cuadriplica el ta-maño de la dirección del IPv4 de 32a 128 bits. El espacio disponible parauna dirección IPv6 es tan grande queno puede llegar a agotarse en unfuturo previsible.

• Formatos de cabeceraflexible. IPv6utiliza un nuevo formato de datagra-ma. A diferencia del IPv4, que utilizauna cabecera de datagrama de for-mato fijo, donde todos los campos,excepto la parte opcional (ver figura1 ),ocupan un número fijo de octetos,el IPv6 utiliza un conjunto opcionalde cabeceras.

• Fragmentación end-to-end. Esta ven-taja radica en el hecho de que a los

enrutadores se les elimina la funciónde fragmentar los paquetes que leslleguen debido al MTU. En cambio,esta función queda determinada parael nodo de origen que quiere enviarla información por medio de la red.

• Soporte para reserva de recursos.IPv6 reemplaza la especificación deltipo de recursos del IPv4 con unmecanismo que permite la reservacon anterioridad de recursos de red.En particular, el nuevo mecanismosoporta aplicaciones corno video entiempo real, el cual requiere que segarantice el ancho de banda y elretardo.

• Provisión de extensiones al proto-colo. Quizás el cambio más signifi-cativo en el IPv6 es el desplazamientode un protocolo en el que estabanespecificados totalmente todos losrecursos a otro que permite caracte-rísticas adicionales. La capacidad deextensión tiene el potencial para per-mitir que el protocolo se adapte acambios en el hardware de la red o anuevas aplicaciones.

• Número de saltos. Al cambiarse eltiempo de vida en un paquete IPv4por el número de saltos en IPv6 seestá mejorando el hecho de que siexiste congestión en la red, este pa-quete no sea eliminado sin que tengala opción de llegar hasta el nodo dedestino. Corno es bien sabido, en Tcrel camino es establecido desde unprincipio, y por lo tanto se sabe deantemano cuál es el número de nadas

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por los que debe pasar.

4. Desventajas o complicaciones enIPv6

A pesar de que este nuevo protocolo deTI:' ha sido pensado para solucionar losproblemas presentados por la versiónanterior-ll:'v4-, no deja de tener compli-caciones, como las que se mencionan acontinuación:

/

• Asegurar especificaciones de recur-sos. Como es bien sabido, este nuevoprotocolo asegura un ancho de banday un retardo específico de acuerdocon la calidad necesitada en la trans-misión. Pero, ¿qué pasaría si uno'delos enlaces entre un parde enrutado-res se cae y no se puede reestablecerla comunicación? Aquí es cuando sepresentan los problemas, los cualesafectan los siguientes factores:

- Tamaño de los fragmentos de acuer-do al mínimo Mru.

- Ancho de banda específico para esacomunicación.

- Retardo aceptable en la transmisión.

Este caso fue analizado en el ítem decomparaciones, y la posible soluciónsería sobrecargar a los enrutadores en latarea de tratar de encontrar otro caminohasta el nodo de destino con las mismasespecificaciones requeridas para latransmisión o, de lo contrario, volver agenerar la comunicación desde el nodode origen.

• Transición de IPv4 a IPv6. Este as-

pecto no es considerado como unproblema, pero sí hay que tomarlocon mucha seriedad y con muchoprofesionalismo, debido a la tecno-logía disponible y a la gran cantidadde nodos (hosts y routers) con soportede IPv4 que hay en el mundo.

5. Esquema de una metodología detransición de IPv4 a IPv6

Después de revisar las ventajas y com-plicaciones del nuevo protocolo IPv6 yde establecer las comparaciones entreambas versiones, surge el problema decómo se podría llegar a implementar ensu totalidad esta nueva versión, o másbien, cuáles serían las etapas para poderllegar hasta ese punto.

La situación actual, en cuanto a latecnología de enrutamientos, exige quese utilicen buenas estrategias, puestoque no se podría desechar de la noche ala mañana tanta cantidad de enruta-dores que funcionan única y exclusiva-mente en IPv4.

Los conceptos referentes a la transi-ción de IPv4 a ÍPv6 se encuentranreferenciados en [LEHTPVIRTA96J,[CILL!-

GAN96].

Para este problema se plantea unametodología de transición de IPv4 aIPv6, la cual consiste en lo siguiente:

Como en la actualidad sólo existennodos IPv4, entonces se deben crearnodos que soporten tanto el IPv4 comoel IPv6 hasta cuando todos los nodos

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puedan llegar a hablar la misma versiónde 1P, es decir, el 1Pv6. Esta solución sepodría llevar a cabo por medio de dosformas:

• Con nodo s IPv4/IPv6. Los enruta-dores y máquinas de esta categoríatienen tanto 1Pv4 corno la pila deprotocolos 1Pv6. Además, tienen me-canismos corno tunelado 1Pv6 sobre1Pv4. Estos nadas pueden interope-rar directamente tanto con nadas1Pv4 corno con nadas 1Pv6, pero parauna comunicación con nados sola-mente 1Pv4 tienen que ser configu-rados con unas direcciones 1Pv6 com-patibles con 1pv4.

• Conenrutadores traductores de cabe-ceras IPv6/IPv4. Estos son enruta-dores que traducen paquetes de 1Pv6a paquetes de 1Pv4 y viceversa. Alrespecto, el enrutador podría sabercuál es la versión por medio del cam-po versión del encabezado del pa-quete.

Ahora, este tunelado se puede rea-

lizar por medio de un encapsulamiento,es decir que el paquete en el cual vienenencabezados y datos en 1pv6 se con-vierte sólo en datos para 1pv4 y luego sele adiciona el encabezado de 1pv4. Perosi el nodo es únicamente 1pv4, entoncesla dirección 1pv6 se tendrá que mandaren formato de 1pv4 de la siguiente forma:

0:0:0:0:0:0: 128.10.2.1o en su defecto ::128.10.2.1

Aquí surge un gran interrogante conrespecto a si el tamaño del paquete quesearma en 1pv4 es mayor al Mruen todoel trayecto. ¿Qué pasaría si el nodoorigen es 1pv4 y él no sabe ni está dise-ñado para buscar el mínimo Mru entreel nodo de origen y el nodo de destino?

La solución propuesta a este caso esque los nadas (Host y Routers) que sean1pv4 fragmentarán de acuerdo al Mruque conocen; y lo seguirán realizandomientras que los nadas por donde tran-site el paquete sean 1pv4. Cuando lle-guen a un nodo 1Pv4/1Pv6 que sepa quetiene que buscar el mínimo MTU en la

Header Data IPv6IPv6

Header Header Data IPv6IPv4 IPv6,¡taJPv~

Figura 5. Encapsulamiento de 1pv6 dentro de 1pv4

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ruta escogida, éste procederá a encon-trarlo, y una vez hallado tornará la deci-sión de fragmentara no y a qué tamaño,en caso de requerir de la fragmentación.Estos nadas sí están en capacidad defragmentar, puesto que tienen en supila de protocolos tanto Ipv4 corno Ipv6,es decir que pueden fragmentar y reen-samblar, y además pueden encontrar elmínimo MTU en la ruta escogida.

Ahora, ¿de qué forma se enviaríanlos paquetes por medio de la red ? Alrespecto se pueden plantear varias solu-ciones:

• Mapeo de direcciones. Esta técnicaconsiste en enviar la dirección IPv4de 32 bits en el extremo derecho delformato de IPv6, es decir, ocupando4 bytes de los 16 que lo componen.Los 12 bytes ubicados a la izquierdason rellenados con ceros (O).

Uno de los requisitos para el tuneladoes que el comienzo y los extremos(endpoints) del túnel sean nodosIPv6 /IPv4 con direcciones IPv6 com-patibles con IPv4. Tunelado significaque todos los paquetes IPv6 son ma-peados en el cuerpo de un paqueteIPv4 y enviados a través de áreas dered de IPv4. La forma más sencillade realizar el tunelado consiste enadicionar al paquete IPv6 los enca-bezados de IPv4 y transmÍ tirlo; cuan-do se necesite recibir, se le remueveel encabezado IPv4 y se procesa elresto del paquete corno IPv6.

De esta forma se podría ir pasandode la versión IPv4 a la IPv6, tanto en losnodos de procesamiento de informacióncorno en los nadas de enrutamiento depaquetes.

6. Conclusiones

• Capa IP dual. Esta técnica consisteen incluir completamente el IPv4 enun sistema nuevo con IPv6. Estosson los llamados nadas IPv6/IPv4.Estos nadas están en capacidad detrasmitir información tanto en for-mato IPv4 corno en IPv6.

96 bito (12 bvteo)0:0:0:0:0:0:0:0:0:0:0:0

32 bito (4 bvteo)Dirección IPv4

Después de haber analizado la nuevaconfiguración de este protocolo de enru-tamiento de paquetes, hemos llegado alas síguientes conclusiones:

• Ipv6 presenta ventaja en cuanto altamaño de bytes que ocupan los en-cabezados, los cuales son variables;en cambio, en Ipv4 se tiene que incluirun tamañofijo,seaqueseutiliceonoen su totalidad.

• Por medio de un protocolo de encap-sulación. Esta técnica también es lla-mada IPv6 en IPv4 o tunelado deIPv6 sobre IPv4. El tunelado se utilizapara llevar paquetes de IPv6 a travésde áreas de red de envío tipo IPv4.

• En este modelo, debido al nuevotamaño de 128 bits de direcciones, sesupera el problema de la cantidad dedirecciones disponibles que presentael modelo en Ipv4.

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• La ventaja que representa el quitarlesa los emutadores el trabajo de lafragmentación, lo cual permite agi-lizar las transmisiones de paquetes ydescongestiona el tráfico en la red,debido a que a los emutadores se lesdeja nada más la función de direc-cionar paquetes y no la de fragmen-tación de paquetes de acuerdo alMru.

• La ventaja que significa el cambiodel campo Time-to-Live de Ipv4 porel campo Hop Limit de Ipv6. Esto sepuede observar cuando la red se en-cuentra congestionada, entonces mu-chos paquetes pueden llegar a sereliminados por el tiempo sin querealmente debieran serio.

Referencias

[COMER96] COMER Douglas, STEVENSDavid. Internetworking with TCP//P. Vol. Y. 3a

ed. Prentice Hall, 1996.[TANENBAUM96] TANENBAUM. An-

drew. ComputerNetworks. 3a ed. Prentice-Hall,1996.

[LEHTOVIRTA96] LEHTOVIRTA, Juha.Transition from IPv4 to Ipv6, 1996, http:/ /www.tascornm.fi/·jlvfngtrans/

[GILLIGAN96] GILLIGAN, R., NORD-MARK, E. Transitiort Mechanisms far IPv6.Host and Routers, 1996, http://206.21.31.20/notes / rfcs1 /3472_1e2.html

[DEERING95] DEERING, S., HINDEN, R.Internet Protacal Version 6 (lPv6) Specification,1995, http://seusa.sumitomo.com/ docs/rfc/rfc1883.lxt

Terminología

• Nodo: Un dispositivo o equipo que perte-nece a una red de comunicaciones, ya sea para

procesar información y transmitirla o bienpara enrutar esta información.• Paquete: Cantidad de información que

viaja por la red como una unidad en particulary entendible por la capa de red del modelo OsIo el modelo Tcr/Ir. La forma de entender esteflujo de información es por medio de camposde encabezados constantes y bien definidospor los equipos que intervienen en el procesode transmisión.• Enrutador (Router): Es un nodo queredirige un paquete de información ya sea aotro enrutador o al equipo que le debe llegar lainformación en caso de que este equipo perte-nezca a dichoenrutador. Los métodos deenru-tar estos paquetes de información son porunos algoritmos establecidos, como por ejem-plo: El camino más corto entre dos nadas;enrutamiento porel Vector de Distancias, etc.• Host: Escualquier nodo que primeramenteno es un enrutador, sino que transmite infor-mación producida localmente a otro equipode red o estación de trabajo, o que, a su vez,puede recibir información de otro equipo de lared para procesada. Para que esta informaciónllegue de un IIOSt a otro se necesita de losenrutadores, los cuales van encaminando estainformación para que llegue a su lugar dedestino.• Puentes (Bridges): Son dispositivos quepueden interconectar redes de diferentes pro-tocolos a nivel de la capa de maco Por ejemplo,pueden conectar redes que trabajen con losprotocolos 802.3 (E/herne/), 802.4 (Token Bus),802.5 (Token Ring) entre sí.

• MTU (Unidad de Transferencia Máxima):La MTU es el tamaño máximo de un paquete odatagrama soportado por la red en la cual estransportado.

• Tunneling: El tunelado o Tunneling seutiliza para llevar paquetes de IPv6 a través deáreas de red de envío tipo IPv4. Tuneladosignifica que todos los paquetes IPv6 son ma-peados o convertidos en el cuerpo de un pa-quete IPv4 y enviados a través de áreas de redde Ipv4.

• MAC: Subcapa de acceso medio .

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