Ottimizzazione della mobilità in reti IPv4/IPv6

2.1. Presentazione 
9 
1. Introduzione 
Da ormai alcuni anni a questa parte, l’uso di molte e svariate tipologie di terminali 
mobili è soggetta a una considerevole espansione: a titolo di esempio, si parla di telefoni 
cellulari di terza e quarta generazione, smartphone, computer portatili, e ancora PDA e 
palmtop. Di pari passo, vanno diffondendosi sempre più le aree di accesso wireless che 
permettono l’uso di tali terminali, da quelle metropolitane, agli hot-spot pubblici, alle 
reti universitarie e perfino casalinghe. 
Benché le classiche reti cablate abbiano tuttora prestazioni notevolmente superiori, 
l’evoluzione attuale delle tecnologie wireless permette già la fruizione di un’amplissima 
gamma di servizi, anche a larga banda, di livello compatibile con pressoché tutte le 
comuni esigenze dell’utente finale, comprese quelle di multimedialità. Anche le realtà 
aziendali, che hanno tipicamente necessità più stringenti, non sono comunque immuni 
da questa rivoluzione. 
Le tecniche e i protocolli di accesso variano notevolmente a seconda dello scenario e del 
livello fisico di interesse, dei servizi da fornire e delle caratteristiche (energetiche, di 
potenza di calcolo, ...) del terminale. Tuttavia, a valle di ciò, è chiara la tendenza (o 
“convergenza”, usando la parola chiave della filosofia oggi proposta dagli operatori del 
settore) verso un comune denominatore: IP (“Internet Protocol”). IP, ufficialmente, 
non è che uno dei possibili protocolli afferenti al livello 3 ISO/OSI 
1
, ma in realtà è lo 
standard de facto della comunicazione a pacchetti. Perfino le prime reti cellulari, 
concepite come mero strumento di trasmissione vocale, sono in fase di conversione e già 
                                        
1
 storicamente, la definizione dei livelli ISO/OSI è posteriore a quella di IP che, pur essendo 
ragionevolmente posto a livello 3, possiede infatti funzionalità pertinenti a livelli inferiori o superiori (come 
il controllo degli errori e la segmentazione di pacchetti troppo lunghi).
1. Introduzione 
10 
usano IP poco più a valle delle “base station” (i nodi che, fra gli avanzati compiti di 
gestione degli utenti, trasducono e “adattano” su cavo il segnale radio e viceversa). 
Al momento, l’unica incarnazione di IP veramente globale è la versione 4 (indicata con 
“IPv4”), sviluppata – è arcinoto – come elemento strategico del programma di difesa 
2 
rete 3 
Internet IPv6 
rete 1 
 
rete 2 
 
    
 
router 
terminale 
mobile 
nodo generico 
Figura 1-1: esempio di problema tipico in scenari di mobilità. 
Il terminale mobile (nodo 1), mentre si trova sulla rete 1, comunica con il nodo 2 sulla rete 3. Il traffico viene 
inoltrato correttamente, tenendo conto dei rispettivi indirizzi IP. A un certo punto (evento 3), il terminale mobile 
cambia punto di accesso e si sposta dalla rete 1 alla rete 2: supponendo che voglia continuare la comunicazione 
in corso, mantiene il proprio indirizzo precedente. Quando però il nodo 2 tenta di inviargli un pacchetto, questo 
viene inoltrato ancora verso la rete 1. È evidente, perciò, che il solo protocollo IP non è sufficiente.   
2.1. Presentazione 
11 
statunitense. La sua specifica formale in RFC 
2
 risale al lontano 1981, ma è stata 
studiata nel decennio precedente: una vera eternità, nell’ambito delle telecomunicazioni. 
Nonostante l’età, è soprattutto grazie a IPv4 che Internet esiste e viene comunemente 
usata tutt’oggi. 
Nel corso degli anni, per il sempre più crescente allargamento della “rete delle reti”, 
alcuni aspetti di IPv4, innovativo per la sua epoca, si sono rivelati limitanti o 
inadeguati, come verrà approfondito in §3.1.1. Tuttavia, queste difficoltà sono state in 
gran parte superate, o ridotte, con l’introduzione di una pletora di protocolli e 
specifiche “satellite”, per esempio CIDR, NAT 
3
 e standard per il multicast 
4
. In genere, 
sono davvero lodevoli per la concezione, costretta all’interno di angusti vincoli (tecnici 
ed economici) dati dal preinstallato, ma hanno dichiaratamente scopo “transitorio” (che 
è diventato più che decennale) e di compromesso. In aggiunta, pongono per forza di 
cose alcune limitazioni (dovute anche al fatto di intervenire oltre l’area di influenza di 
IPv4) e – si può dire? – non contribuiscono certo a dare un’immagine elegante dello 
stack di comunicazione. 
Queste ragioni, insieme alla sentita esigenza di mobilità e alla naturale evoluzione della 
conoscenza delle reti, hanno spinto verso una profonda revisione di IPv4 e delle 
procedure ad esso connesse (come quelle di individuare i nodi vicini e i router, 
configurare gli indirizzi e comunicare in maniera sicura). Nel 1998, il risultato di una 
lunga gestazione è la versione 6 di IP, “IPv6”. Naturalmente, IPv6 eredita moltissimo 
dal suo predecessore 
5
, ma il suo progetto, più razionale e lineare, presenta una 
caratteristica modularità che ne facilita enormemente l’integrazione con gli altri 
protocolli e con gli altri livelli dello stack, oltre a consentire nativamente l’introduzione 
di estensioni a IPv6 stesso. Alcune conquiste di IPv6, come IPsec, sono state poi 
retrointrodotte in IPv4. 
                                        
2
 “Request For Comments”: è un documento che riporta informazioni o specifiche riguardanti nuove 
ricerche, innovazioni e metodologie dell’ambito internet. La serie degli RFC è cominciata nel 1969 (si veda 
S. Bradner, “The Internet Standards Process -- Revision 3”, RFC 2026, 1996). 
3
 si veda sempre §3.1.1. 
4
 IPv4 prevede nativamente solo le modalià unicast e broadcast. 
5
 si è scelto “6” e non “5”, come numero di versione, per evitare fraintendimenti di notazione con un 
protocollo sperimentale che non ha mai visto la luce nell’applicazione.
1. Introduzione 
12 
A causa della natura stessa di IP, versione 4 o versione 6, la gestione dei terminali 
mobili non è affatto di immediata soluzione. Anzitutto, è necessario accordarsi su una 
definizione di “mobilità”: cosa si intende, tecnicamente, per terminale mobile? Quali 
sono gli obiettivi di un protocollo di gestione della mobilità? Il paragrafo §2.1 
approfondisce questi aspetti, per quanto riguarda l’ambito IP. In Figura 1-1 si riporta 
una schematizzazione introduttiva di un problema tipico: senza attenti accorgimenti, è 
chiaro che è il solo protocollo IP non è sufficiente a garantire il supporto alla mobilità. 
Per ora, ci si limita a dire che un protocollo di gestione della mobilità deve permettere 
a un terminale mobile di continuare le proprie comunicazione nel corso degli 
spostamenti, senza necessità di intervento sugli altri nodi (fissi o a loro volta mobili) coi 
quali sta comunicando. In generale, l’approccio usato è quello di permettere al 
terminale mobile di appoggiarsi a macchine di assistenza, dette “agenti”. Tali 
macchine, a conoscenza degli spostamenti del terminale, funzionano da punto di 
“raccolta” e “smistamento” per il traffico in mobilità del terminale stesso. I nodi coi 
quali il terminale comunica non devono così avere alcuna conoscenza degli spostamenti 
del terminale. Un agente può offrire i propri servizi a più di un terminale mobile. 
Per quanto questo approccio sia efficace, ha tuttavia dei forti limiti in termini di 
efficienza, poiché tutto il traffico – tipicamente – dovrà compiere ogni volta un percorso 
piuttosto lungo, proprio per la necessità di transitare per l’agente. Un secondo 
problema che ci si è posti è stato pertanto: è possibile permettere a un terminale mobile 
di scambiare traffico direttamente con il nodo di interesse, anche in scenari di mobilità? 
Per IPv6 
6
, la risposta è affermativa, ma solo se il nodo di interesse è opportunamente 
istruito. 
Per reti IPv6, esiste infatti – e verrà presentato nel dettaglio – il meccanismo standard, 
parte integrante del protocollo “Mobile IPv6”, esaminato in profondità nel corso del 
capitolo 2. Tuttavia, come illustrato in §3.1, le reti IPv6 non godono ancora di ampia 
diffusione, e non si prevede neppure che questa possa essere raggiunta nel breve o 
medio termine. Pertanto, un ambito di discussione estremamente attivo, e che cerca 
                                        
6
 per reti IPv4 l’approccio è più complesso già in partenza, perché vanno usati sempre due agenti per ogni 
terminale mobile. La mobilità in IPv4 non verrà affrontata nel dettaglio: le motivazioni alla base di questa 
decisione saranno ampiamente chiarite.
2.1. Presentazione 
13 
risposte di concreta applicabilità ai problemi attuali, è quello della convivenza di reti 
IPv4 e reti IPv6 e della gestione della mobilità in tali scenari. Per ora, non è stata 
definita una soluzione univocamente accettata, per quanto la recente evoluzione abbia 
registrato notevoli passi avanti verso un accordo, ma esistono molte ed interessanti 
proposte: le più rilevanti e condivise sono oggetto della discussione del capitolo 3. 
Tutte queste proposte, tuttavia, prevedono in ogni caso l’uso obbligatorio di agenti, 
quali punto di passaggio per tutto il traffico del terminale mobile. Talvolta, ciò può 
condurre a prestazioni del tutto insufficienti, rispetto alle esigenze del momento. È 
chiaro allora che è di un certo interesse cercare una soluzione che permetta, in scenari 
eterogenei IPv4/IPv6, lo scambio diretto di traffico fra un terminale mobile e un 
qualsiasi altro nodo. In combinazione e coerentemente con gli standard attuali, si è 
perciò definito e valutato, da un punto di vista teorico, un possibile approccio, oggetto 
del capitolo 4.
2.1. Presentazione 
15 
2. Mobile IPv6 
L’illustrazione del protocollo Mobile IPv6 è fondante per le discussioni che seguiranno. 
La specifica attuale [1], particolarmente estesa e complessa, è il frutto di molti anni di 
studio e confronti, e di oltre venti revisioni a livello di draft. Un’analisi sistematica va 
al di là degli scopi presenti, perciò, con riferimento agli argomenti scelti, alcuni elementi 
verranno trattati con notevole dettaglio, mentre per i restanti ci si limiterà agli aspetti 
essenziali. Pur nell’ottica di una panoramica ragionevolmente completa, per semplicità 
di esposizione la maggior parte dei numerosi dettagli – come i codici numerici usati, il 
preciso formato dei pacchetti, i suggerimenti implementativi, le regole di scheduling per 
l’invio dei pacchetti – sarà omessa. 
Per una corretta comprensione bisogna inoltre conoscere, almeno in prima battuta, gli 
strumenti di sicurezza (cifratura e autenticazione) forniti dall’elaborata infrastruttura 
IPsec, di cui si dà brevemente conto in §Appendice B. Lo standard permette poi l’uso 
di IKE (“Internet Key Exchange” 
7
), ma per brevità non verrà trattato. Anche le 
procedure di “Neighbor Discovery” (ND, [11]) hanno particolare rilevanza, come verrà 
illustrato più oltre, ma non verranno richiamate. 
2.1. Presentazione 
Mobile IPv6 (MIPv6) estende il protocollo IPv6 [6] [7] per permettere ai nodi di una 
rete (nodi singoli, non router o intere reti) di rimanere raggiungibili e continuare in 
maniera trasparente (seamless) le comunicazioni in corso, nonostante si spostino in 
altre reti dell’Internet IPv6. Si parla in tal caso di nodi mobili (“Mobile Node”, MN), 
per i quali ottenere la sola connettività nella nuova rete ospitante, detta “Foreign 
                                        
7
 C. Kaufman, “Internet Key Exchange (IKEv2) Protocol”, RFC 4306, dicembre 2005.
2. Mobile IPv6 
16 
Network” (FN), non risolve che la parte più semplice del problema, dal momento che i 
meccanismi di IPv6 prevedono nativamente questa possibilità [10]. 
Per comunicare verso l’esterno, dovrà essere inoltre usato un nuovo indirizzo, poiché 
difficilmente i parametri di MN saranno compatibili con quelli della nuova rete. In 
particolare [2], i prefissi ammessi variano da rete a rete, a causa della corrente struttura 
gerarchica di IPv6, che fa di un indirizzo IPv6 un preciso localizzatore per MN. Allo 
stesso tempo, tuttavia, il medesimo indirizzo costituisce anche un identificatore univoco 
per MN stesso. Riflettendo su questa intrinseca doppia natura di un indirizzo IPv6 (si 
tenga presente anche Figura 1-1), è chiaro che uno spostamento interrompe 
inevitabilmente la comunicazione, a partire dal livello di trasporto: 
- se MN cambia indirizzo, infatti, non viene più riconosciuto correttamente dagli 
altri nodi con cui era in comunicazione; 
- se però MN non cambia indirizzo, non è in grado di ricevere pacchetti, poiché 
l’infrastruttura di routing – che si suppone funzioni correttamente – li inoltra 
alla sua rete di provenienza. Inoltre, MN potrebbe non essere in grado di 
comunicare se non usasse un prefisso valido sulla nuova rete 
8
. 
L’idea di MIPv6 è di conservare la natura identificativa di un indirizzo IPv6, 
associandogliene uno in via permanente, detto “Home Address”. Entrando più nel 
dettaglio, in ambito MIPv6 si parla propriamente di mobilità se in FN il nodo mobile è 
in grado, allo stesso tempo, di: 
- configurare un nuovo indirizzo, detto “Care-of Address” (CoA), topologicamente 
corretto rispetto a FN e che dunque gli assicuri connettività; 
- ricevere i pacchetti destinati all’indirizzo usato nella rete di casa (“Home 
Network”, HN), detto “Home Address” (HoA), rispetto al quale deve essere 
sempre raggiungibile (è normalmente un indirizzo di classe globale). 
Dal momento che MIPv6 è un protocollo di livello 3, risulta del tutto indipendente dal 
tipo di link-layer sottostante. In altre parole, è garantita la continuità della 
comunicazione e la raggiungibilità anche negli spostamenti fra reti IPv6 eterogenee 
                                        
8
 è il problema dell’ingress filtering: si veda in proposito §2.6.6.
2.1. Presentazione 
17 
quanto a tecnologia o mezzo fisico di accesso (handover verticale): per esempio, si può 
gestire il passaggio da una rete fissa Ethernet a una wireless WiFi, a un collegamento 
UMTS. La soluzione è pertanto molto più generale di un semplice handover orizzontale, 
che dipende fortemente dal link-layer. Naturalmente, i livelli inferiori dello stack del 
MN devono essere in grado di gestire la mobilità a basso livello, come per esempio 
cambiare cella o access point quando il segnale è troppo debole, oppure prevedere più 
antenne. Tali aspetti esulano però dagli scopi di MIPv6. 
In forza dell’esperienza acquisita nello sviluppo di Mobile IPv4 [27], MIPv6 ne 
condivide diversi aspetti e concetti, ma la sua perfetta integrazione con IPv6, oltre alle 
novità introdotte, ne fa una soluzione senz’altro migliore (si veda §3.1.1). Un innegabile 
elemento positivo introdotto è che le FN non necessitano di alcuna configurazione 
particolare, devono solo permettere al nodo di generare un indirizzo unicast instradabile 
(“unicast routable address”), oppure fornirglielo. Il CoA deve essere preferibilmente 
globale, ma tale requisito è funzione del contesto di impiego di MIPv6: lo standard, ad 
ogni modo, sconsiglia fortemente l’uso di indirizzi site-local sia per CoA, sia per HoA, e 
proibisce l’uso di quelli link-local. 
Volendo semplificare al massimo il funzionamento del protocollo, MN comunica i propri 
spostamenti a un router su HN, detto “Home Agent” (HA), il quale funziona da relay 
per tutti i pacchetti da e verso MN, in maniera trasparente rispetto a tutti i nodi in 
comunicazione con MN (detti “Correspondent Node”, CN). I CN potrebbero essere a 
loro volta mobili, ma dal punto di vista di MN questo non fa differenza (si confronti 
con quanto presentato in §2.5.3). 
Un aspetto di notevole rilevanza, non standardizzato in MIPv4 (nonostante la presenza 
di alcune proposte), è la possibilità nativa di stabilire un percorso diretto fra un nodo 
mobile in FN e un qualunque altro nodo IPv6 opportunamente predisposto. Si parla in 
questo caso di comunicazione in “Route Optimization” (RO), poiché più efficiente 
quanto a ritardi e, possibilmente, a throughput. È inoltre più affidabile, trattandosi in 
genere di un percorso più breve, non essendo necessaria la triangolazione attraverso 
HA. Pensando a un esempio estremo, in assenza di RO, un MN con HN europea, 
posizionato negli Stati Uniti e in comunicazione con un CN canadese, vedrebbe ogni 
singolo pacchetto inviato attraversare due volte l’Atlantico: una volta verso HA e una