L'attuale versione dell'Internet Protocol, IPv4 o semplicemente IP, ha servito la causa della rete Internet e delle reti aziendali egregiamente per più di vent'anni, ma sta iniziando a mostrare le corda nel sostenere l'impressionante tasso di crescita di Internet e le esigenze di nuovi servizi. IP risulta non facile nella configurazione delle reti e dei terminali, dispone di uno spazio di indirizzamento in via di esaurimento e non offre soluzioni semplici al problema di dover rinumerare una rete quando si cambia Internet Service Provider (ISP). Diversi meccanismi sono stati sviluppati nel corso degli anni per superare queste limitazioni, come DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) per la configurazione automatica dei terminali ed i NAT (Network Address Translator) per permettere il riutilizzo degli indirizzi, ma ciascuno di questi presenta significative limitazioni.

L'IETF (Internet Engineering Task Force) si è posta questo problema fin dall'inizio degli anni '90, avviando un'attività di ricerca per la specifica di un protocollo IP di nuova generazione, che superasse le limitazioni dell'attuale versione. Dopo una serie di proposte che hanno contribuito alla definizione dei requisiti per il nuovo protocollo, nel 1994 si è compiuta la scelta del candidato a sostituire l'attuale IP, che è stato denominato IPv6. Da allora è stato fatto molto lavoro: le specifiche hanno raggiunto un'elevato grado di maturità, si può contare un numero notevole di implementazioni del protocollo, tra le quali quelle dei maggiori costruttori di router. Per supportare il protocollo IPv6 nel 1996 è nata una sperimentazione a livello mondiale del protocollo IPv6, la rete 6Bone, che al luglio 2002 conta circa 1200 sedi in 59 nazioni (costruttori, ISP, università e centri di ricerca). La rete 6Bone ha permesso sia a costruttori che ISP di acquisire notevole esperienza sul protocollo IPv6. Tuttavia in ambito IETF, visto che ormai la transizione è già in corso, si è deciso di iniziare la fase di chiusura della rete 6Bone che terminerà il giorno 6 Giugno 2006 (06/06/06).

L'esaurimento degli indirizzi

La motivazione principale per l'introduzione di un nuovo protocollo IP è sicuramente il progressivo esaurimento dello spazio di indirizzamento di IPv4. A fronte di un numero teorico di indirizzi disponibili pari a 2 32 (più di 4 miliardi), l'utilizzabilità pratica dello spazio di indirizzamento per numerare i terminali è limitata dall'esigenza di strutturare in modo flessibile le reti. Questo porta a considerare l'esistenza di un fattore di efficienza massima nell'uso dello spazio di indirizzamento, che è stato determinato empiricamente per confronto con la capacità di sfruttamento degli indirizzi in altri sistemi di telecomunicazioni (telefonia, SNA, DECNET, ecc.). Applicando lo stesso ragionamento al caso di IP il massimo numero di indirizzi utilizzabile senza pregiudicare la possibilità di configurazione flessibile della rete è pari a circa 240 milioni.

Le caratteristiche di IPv6

Certamente la novità più importante introdotta dal protocollo IPv6 è l'adozione di uno spazio di indirizzamento su 128 bit contro i 32 bit di IPv4. La disponibilità di indirizzi più lunghi, oltre a garantire un margine di crescita pressoché illimitato, consentirà di dare alla rete Internet una struttura più flessibile ed efficiente di quella attuale. In particolare sarà possibile organizzare la rete su un numero arbitrario di livelli gerarchici e l'adozione di una politica di assegnazione degli indirizzi rispecchiante fin dall'inizio tale gerarchia assicurerà la massima aggregazione delle informazioni di raggiungibilità e quindi la scalabilità del routing.

L'estensione dello spazio di indirizzamento, tuttavia, è soltanto una delle novità salienti che constraddistinguono la nuova versione del protocollo IP. In effetti IPv6 ha rappresentato anche l'occasione ideale sia per razionalizzare il protocollo IPv4 (eliminando le funzioni non utilizzate) sia per rispondere alle esigenze che si sono manifestate tra gli utenti di Internet nel corso degli ultimi anni introducendo un insieme di funzionalità innovative non presenti nell'attuale versione di IP.

Tra i cambiamenti introdotti nel passaggio da IPv4 a IPv6 vi è una significativa semplificazione del formato dell'header. Alcuni campi dell'header di IPv4 sono stati rimossi o resi opzionali allo scopo di ridurre il carico computazionale legato all'elaborazione dei pacchetti e per contenere il più possibile l'occupazione di banda dell'intestazione nonostante l'incremento nella dimensione degli indirizzi. Come conseguenza, anche se gli indirizzi IPv6 sono quattro volte più lunghi degli indirizzi IPv4, l'header IPv6 è solo due volte più grande di quello IPv4.

Inoltre, al fine di consentire un forwarding più efficiente dei pacchetti ed una maggiore estensibilità del protocollo, sono stati introdotti dei cambiamenti sostanziali nella modalità di codifica delle opzioni. In IPv6 le opzioni non sono più parte integrante dell'header IP, ma ciascuna viene memorizzata in un header separato (extension header) che si colloca tra l'header IPv6 e l'header del soprastante livello di trasporto (es. TCP o UDP). Inoltre, mentre con IPv4 ogni router attraversato deve esaminare tutte le opzioni presenti in ciascun pacchetto, la maggior parte degli extension header IPv6 sono esaminati soltanto dalla destinazione finale. Questo, unitamente al fatto che l'header IPv6 viene ad avere una dimensione fissa (il che consente una maggiore ottimizzazione dei moduli hardware che eseguono il forwarding), si traduce in un consistente incremento delle prestazioni e rende attuabile l'utilizzo delle opzioni in IPv6.

Le maggiori novità di IPv6 rispetto ad IPv4 sono tuttavia da ricercarsi nelle funzionalità che si è deciso di integrare nel protocollo al fine di facilitare l'amministrazione della rete ed il supporto a nuovi servizi ed applicazioni. A tale scopo il protocollo comprenderà nella sua versione definitiva supporto nativo a:

• servizi differenziati (best-effort e a qualità garantita);
• configurazione automatica di terminali, servizi ed apparati di rete;
• servizi multicast (cioè la possibilità di realizzare comunicazioni "multipunto-multipunto");
• mobilità dei terminali;
• sicurezza nelle comunicazioni.

Il supporto per la fornitura di servizi di rete a qualità differenziata si basa sulla presenza nell'header IPv6 di due campi (class e flow label) utilizzabili dalla sorgente per marcare i pacchetti appartenenti a flussi di traffico che necessitano di un trattamento speciale da parte della rete (es. una garanzia sul ritardo e/o sulla perdita nel trasferimento a destinazione).

Per quanto riguarda invece i meccanismi di autoconfigurazione, IPv6 è stato progettato per essere un protocollo completamente "Plug and Play". Questo significa che ogni terminale IPv6 sarà in grado di diventare operativo all'accensione senza bisogno di interventi manuali da parte dell'amministratore di rete. A tale scopo sono già stati definiti potenti meccanismi di autoconfigurazione per host e router. Tra questi si cita in particolare il protocollo di Neighbor Discovery (ND), mediante il quale i terminali utente possono configurare autonomamente gli indirizzi IPv6 delle proprie interfaccie a partire dalle informazioni pubblicizzate dai router vicini. Questo meccanismo semplifica molto l'amministrazione della rete in quanto, contrariamente ai protocolli di autoconfigurazione attualmente disponibili in IPv4 (DHCP, Dynamic Host Configuration Protocol), non richiede la configurazione manuale ed il mantenimento di un server centralizzato.

Infine, con riferimento al supporto per le trasmissioni multicast, alla mobilità dei terminali ed alla sicurezza, come è stato già anticipato si tratta di servizi di rete che dovranno essere supportati integralmente da IPv6 nella sua versione definitiva. A tale scopo, sono attualmente in fase avanzata di definizione i meccanismi per la fornitura di servizi di autenticazione, riservatezza ed integrità dei dati, nonché i protocolli di gestione della mobilità che consentiranno ad ogni terminale IPv6 di cambiare in modo trasparente il proprio punto di accesso ad Internet senza vedere compromesso il proprio grado di connettività alla rete.

Il problema della transizione

La transizione dall'attuale Internet ad una nuova Internet basata su IPv6 non si annuncia particolarmente semplice perché i due protocolli non interoperano tra loro. Le differenze nell'header (lunghezza degli indirizzi, elementi dalla semantica diversa) comportano che pacchetti IPv6 non possono essere instradati attraverso reti IPv4 e viceversa. Le applicazioni oggi presenti per ambienti Intranet ed Internet basate su IPv4 non sono in generale utilizzabili così come sono su reti IPv6, ma devono essere modificate in modo da poter utilizzare indirizzi più lunghi.

Inoltre la durata della transizione tra IPv4 e IPv6 sarà prevedibilmente abbastanza lunga (qualche anno). Durante questo periodo i due protocolli coesisteranno, con un rapporto di utilizzo inizialmente a largo vantaggio di IPv4; l'affermazione più o meno rapida di IPv6 condizionerà significativamente l'evoluzione successiva.

Per questi motivi sono da tempo allo studio dei meccanismi di transizione che permettano l'interlavoro tra terminali e router che implementano i due protocolli. La soluzione più semplice risulta essere quella denominata Dual-Stack, che prevede la compresenza dei due protocolli su tutti i nodi di rete (terminali e router). Tale soluzione risulta molto conveniente soprattutto nel caso dei terminali (i requisiti sulle capacità dei sistemi sono molto modesti rispetto alle attuali potenze di calcolo e capacità di memoria).

Tuttavia possono presentarsi esigenze diverse quali:

• l'interconnessione di reti IPv6 attraverso backbone IPv4;
• l'interoperabilità tra terminali dotati di solo IPv6 e terminali dotati di solo IPv4;
• l'interconnessione di LAN IPv4 attraverso backbone IPv6.

Le risposte a queste esigenze sono innanzitutto meccanismi di tunneling (ad esempio per trasportare pacchetti IPv6 all'interno di pacchetti IPv4 ed instradarli attraverso l'attuale Internet). Altre soluzioni consistono nel posizionare al confine tra reti basate su protocolli diversi degli apparati che compiano la traduzione di indirizzo e protocollo: si tratta di una semplice estensione al concetto dei NAT (Network Address Translator) che da alternativa ad IPv6 diventano così utili strumenti di transizione. Altre soluzioni prevedono l'uso di gateway applicativi o proxy capaci di far interlavorare applicazioni residenti su terminali attestati su reti non omogenee.

Infine un'ultima classe di soluzioni, come ad esempio il servizio di Tunnel Broker proposto da CSELT ( https://carmen.cselt.it/ipv6tb) insieme all'IMAG di Grenoble, si pone l'obiettivo di agevolare l'utente singolo (anche con accesso di tipo dial-up) nelle procedure di collegamento a reti e servizi IPv6 attraverso l'attuale Internet.

Il ruolo della sperimentazione

Le prime sperimentazioni di laboratorio di soluzioni di networking basate su IPv6 sono presto confluite in una vasta sperimentazione su area geografica a livello mondiale con la nascita nel 1996 della rete 6Bone. 6Bone (IPv6 Backbone) è una rete IPv6 sperimentale (per informazioni: http://www.6bone.net) realizzata su Internet mediante l'interconnessione di laboratori IPv6 con la tecnica del tunneling. 6Bone ha conosciuto fino ad ora una crescita continua del numero di laboratori interconnessi ed è l'ambiente in cui si svolgono le più interessanti attività di sperimentazione del protocollo IPv6 quali: la verifica della maturità delle implementazioni, la gestione degli spazi di indirizzamento assegnati a provider sperimentali, il routing IPv6, le tecniche di renumbering, etc.

La rete è organizzata secondo una struttura gerarchica a tre livelli. Al livello gerarchico più elevato si collocano i siti (backbone node) che costituiscono il backbone di 6Bone, ovvero la porzione di rete su cui si basa in massima parte la connettività su scala geografica di cui possono godere tutti gli altri siti connessi. Al livello gerarchico inferiore si collocano invece i cosidetti siti di transito di 6Bone (transit node), ovvero i siti che sono connessi ad almeno uno dei siti di backbone ma che a loro volta operano da punto di accesso alla rete per uno o più nodi che non hanno un tunnel diretto verso il backbone. Questi ultimi costituiscono il livello gerarchico più basso dell'attuale struttura della rete 6Bone e sono denominati foglie (leaf node).

Attualmente il backbone è costituito da oltre 60 siti (di cui due in Italia: CSELT e INFN-CNAF) e al suo interno si concentra la maggior parte della complessità del routing di 6Bone. La connettività tra i siti di backbone è garantita da un numero elevato di tunnel realizzati su Internet che formano una topologia a maglia arbitraria all'interno della quale l'instradamento dei pacchetti IPv6 si basa sul protocollo di routing dinamico BGP4+ (una versione di BGP4 in grado di supportare oltre ad IPv4 anche IPv6).

Con CSELT partecipano in questa sperimentazione costruttori di apparati (cisco, Bay Networks, Digital, ecc.), operatori di TLC (MCI, SPRINT, ecc.), Internet Service Provider (UUNET, ANSNET, SURFNET, etc.), centri ricerca e università.

è importante osservare come nell'ambito di 6bone stiano anche nascendo le prime reti di ricerca IPv6 native (CAIRN, vBNS/Internet2, WIDE e DARENet). Inoltre alcuni grandi ISP (UUNet, ANSNet) e reti dipartimentali USA (ESNet) hanno iniziato ad affiancare dei router IPv6 ai propri router di backbone in modo da creare reti IPv6 sperimentali che, pur esserendo basate per lo più su tunnel instaurati sulla preesistente infrastruttura IPv4, consentono di offrire ad utenza "amica" un primo servizio di interconnessione basato su protocollo IP di nuova generazione.

Ad ulteriore riprova di quella che sembrerebbe essere volontà da parte di alcuni ISP di avviare in tempi relativamente brevi offerte servizio basate su IPv6, si sottolinea il fatto che recentemente AT&T, UUNet/Worldcom ed altri operatori hanno richiesto a IANA (Internet Assigned Numbers Authority, l'ente che supervisiona l'assegnazione degli indirizzi in Internet) uno spazio di indirizzamento IPv6 ufficiale da utilizzare all'interno delle proprie reti. In risposta a questa esigenza a ciascuno dei registri responsabili dell'allocazione degli indirizzi IP in America (ARIN), Europa (RIPE-NCC) e Asia (APNIC) è già stato assegnato da IANA un sottoinsieme di indirizzi IPv6 da gestire all'interno delle proprie aree competenza. Questo significa che a breve sarà possibile per un ISP richiedere ed ottenere dai registri indirizzi IPv6 utilizzabili per offrire servizi commerciali ai propri utenti.

Si può quindi dire che la transizione della rete Internet verso l'adozione del protocollo IP di nuova generazione è già iniziata, proprio a partire dalla sperimentazione, ed esistono certamente tutti i presupposti affinché possa essere portata avanti in modo "indolore", limitandosi almeno in una prima fase ad affiancare apparati IPv6 alla già esistente infrastruttura IPv4.

Conclusioni

IPv6 rappresenta un significativo cambiamento rispetto all'attuale versione del protocollo IP ed è a tuttoggi l'unica soluzione concreta per porre rimedio nel lungo termine al problema della futura crescita di Internet. La sua introduzione nelle reti commerciali richiederà di affrontare una onerosa fase di transizione ostacolata dal fatto che esiste oggi un notevole Business su IPv4 e che molti dei miglioramenti (in termini di architettura di rete e di nuovi servizi) definiti per IPv6 sono riportabili in IPv4. Tuttavia esistono anche dei significativi driver per iniziare e stimolare la transizione, tra i quali:

• la disponibilità di uno spazio di indirizzamento praticamente illimitato;
• lo stato molto avanzato degli standard;
• l'attuale disponibilità di apparati da parte di tutti i principali costruttori;
• il fatto che esistono dei costi associati ad una mancata transizione, per permettere di sostenere la crescita di Internet continuando ad utilizzare l'attuale protocollo IP ed arricchendolo di tutti i nuovi servizi che IPv6 offre nativamente.

In questo contesto la sperimentazione di IPv6 ha un ruolo fondamentale per guidare la costruzione della nuova Internet ripercorrendo il cammino fatto per arrivare alla Internet attuale. Infine sarà sicuramente decisivo il ruolo di chi sviluppa e commercializza applicazioni Internet ed Intranet (es. Microsoft), che scegliendo o non scegliendo IPv6 determinerà più di ogni altro elemento il successo del nuovo protocollo.