A rede é a camada OSI Nível 3 e é a camada da Internet no modelo TCP-IP. Assim como as camadas Física e MAC, a camada de rede também faz parte da camada de infraestrutura na arquitetura de referência IOT.
Esta camada é responsável pelo endereçamento e roteamento dos pacotes de dados. Nesta camada, os datagramas da camada de transporte são encapsulados em pacotes de dados e entregues aos seus destinos usando endereçamento IP. O IPv4 era o protocolo padrão para a camada de rede até agora. O IPv4 possui um espaço de endereçamento limitado que já está esgotado e incapaz de lidar com a escalabilidade das aplicações IOT. O novo padrão IPv6 foi desenvolvido para acomodar espaço de endereço suficiente para permitir o endereçamento de bilhões de dispositivos IOT. Existem também muitas pilhas de protocolos baseadas no endereçamento IPv6 desenvolvidas considerando o cenário IOT. Os protocolos populares da camada de rede são os seguintes –
• IPv4
•IPv6
• 6LoWPAN
• 6TiSCH
• 6Lo
• IPv6 sobre Bluetooth de baixa energia
• IPv6 sobre G.9959
IP versão 4 (IPv4) –
IPv4 ainda é o protocolo de camada de rede amplamente utilizado para computadores em rede. Os endereços IPv4 são expressos como números decimais pontilhados. O endereço consiste em quatro octetos (número de 32 bits) divididos em duas partes – endereço de rede para identificar exclusivamente uma rede TCP-IP ou IOT e endereço de host para identificar o host dentro da rede identificada. Uma máscara de sub-rede é usada junto com o endereço IP de 32 bits para identificar exclusivamente um host (computador ou dispositivo IOT). A máscara de sub-rede também é um número de 32 bits. A máscara de sub-rede ajuda a identificar a localização exata do dispositivo host. Os roteadores extraem o endereço de rede do endereço IPv4 e o comparam com uma tabela de rotas para identificar a rede e o pacote de dados é entregue primeiro à rede de destino. Em seguida, a máscara de sub-rede é usada para identificar exclusivamente o host e entregar o pacote de dados ao dispositivo host.
No padrão, existem cinco classes IPv4 – A, B, C, D e E. A classe de um endereço IPv4 é identificada pelo primeiro octeto do endereço IP. As classes A, B e C são as mais comumente usadas. A classe D é reservada para multicasting e a classe E para fins experimentais.
No endereço IPv4 classe A, o primeiro octeto é usado para identificar a rede e os três octetos restantes são usados para identificar o host. Esta classe de endereçamento é geralmente usada em redes com grande número de dispositivos host. O primeiro bit do primeiro octeto é sempre definido como 0, portanto, o primeiro octeto pode ter um valor decimal no intervalo de 1 a 127. O valor 127 para o primeiro octeto no endereço classe A permanece reservado para endereço IP de loopback ou host local, portanto, apenas os valores de 1 a 126 permanecem disponíveis. A máscara de sub-rede padrão para a classe A é 255.0.0.0. Com este esquema de endereçamento, um máximo de 126 redes e um máximo de 16777214 dispositivos host em cada rede podem ser identificados exclusivamente.
No endereço IPv4 classe B, os dois primeiros octetos são usados para identificar a rede e os dois últimos octetos são usados para identificar o dispositivo host. Os primeiros dois bits no primeiro octeto do endereço de classe B são sempre definidos como 10, portanto o endereço de rede pode variar de 128.0.XX a 191.255.XX. A máscara de sub-rede padrão para endereço de classe B é 255.255.0.0. Com este esquema de endereçamento, um máximo de 16.384 redes e um máximo de 65.534 dispositivos host em cada rede podem ser identificados exclusivamente.
No endereço IPv4 classe C, os três primeiros octetos são usados para identificar a rede e o último octeto é usado para identificar o dispositivo host. Os primeiros três bits do primeiro octeto do endereço Classe C são sempre definidos como 110, portanto seu valor pode variar de 192 a 223. O endereço de rede pode variar de 192.0.0.X a 223.255.255.X. A máscara de sub-rede padrão para endereço de classe B é 255.255.255.0. Com este esquema de endereçamento, um máximo de 2.097.152 redes e um máximo de 254 dispositivos host em cada rede podem ser identificados exclusivamente.
Suponha que um endereço IPv4 de classe C seja 192.168.8.1 e uma máscara de sub-rede seja 255.255.255.0. A máscara de sub-rede em binário é convertida em 11111111.11111111.11111111.00000000, o que implica que os três primeiros octetos são o endereço de rede e o último octeto é o endereço do host. Assim, no endereço IP 192.168.8.1, 192.168.8.0 será o endereço de rede e 000.000.000.1 será o endereço do host.
Existe apenas espaço de endereço para 4.294.967.296 endereços no padrão IPv4. Este espaço de endereço já se esgotou e não é escalonável para acomodar bilhões de dispositivos IOT. Portanto, o IPv6 foi introduzido para expandir o espaço de endereços para a IOT.
IP versão 6 (IPv6) –
O IP Versão 6 é um sucessor interoperável do IPv4. O espaço de endereços no IPv4 é limitado a aproximadamente 4,3 bilhões de dispositivos. Haverá 20 bilhões de dispositivos IOT somente até o ano 2020. Portanto, um padrão de endereçamento IP que fosse escalável para atender à futura infraestrutura IOT era a necessidade da época.
Comparados aos endereços de 32 bits no IPv4, existem endereços de 128 bits no IPv6. O endereço é dividido em oito blocos de 16 bits onde cada bloco pode ser representado por um número hexadecimal de 4 dígitos. cada bloco no endereço IPv6 é separado por ponto e vírgula. Portanto, um endereço IPv6 típico seria semelhante a 77AD:45DF:A23D:8:2D:76DF:245:AF. Existem oito blocos no endereço – 77AD, 45DF, A23D, 8, 2D, 76DF, 245 e AF.
Cada bloco é separado por ponto e vírgula no endereço.
Pode haver três tipos de endereços no padrão IPv6 –
1) Endereço Unicast – endereço para identificar uma única interface
2) Endereço multicast – endereço para identificar múltiplas interfaces agrupadas em nós diferentes
3) Endereço Anycast – endereço para identificar uma única interface em um conjunto de interfaces pertencentes a diferentes nós
Com endereços de 128 bits, o IPv6 pode ser usado para identificar 340 trilhões de trilhões de trilhões (38X1038), o que equivale a aproximadamente 667 sextilhões (667X1021) de dispositivos por metro quadrado na Terra. Isto é mais que suficiente para o futuro mais distante da IOT.
6LoWPAN –
A rede de área pessoal sem fio de baixa potência IPv6 (6LoWPAN) é um protocolo de camada de rede baseado no padrão IPv6 para redes de área pessoal sem fio. Baseado no protocolo 802.15.4 na camada física, o padrão foi desenvolvido para endereçamento de sensores e dispositivos IOT em uma Rede de Sensores Sem Fio (RSSF). Este protocolo é uma versão modificada do IPv6 com a intenção de implementar o protocolo da Internet para todos e cada um dos dispositivos (dispositivos restritos, bem como dispositivos grandes) e dispositivos de baixo consumo de energia com capacidades limitadas, como menos memória, rede com perdas, etc. IPv6 opera apenas em 2,4 GHz faixa de frequência com taxa de transferência de dados de 250 Kbps.
As redes 6LoWPAN se conectam à Internet por meio de um gateway (WiFi ou Ethernet), que realiza algum processo de conversão de protocolo para que o dispositivo possa se comunicar com a Internet. Especificamente, a camada de adaptação realiza as três otimizações a seguir para reduzir a sobrecarga de comunicação –
1) Compressão de cabeçalho – Ipv6 suporta comprimento de cabeçalho de pacote de 127 bytes. Portanto, 6loWPAN define a compactação de cabeçalho de pacotes IPv6 para diminuir a sobrecarga do IPv6.
2) Fragmentação – O tamanho mínimo da MTU (unidade máxima de transmissão) do IPv6 é 1280 bytes. Por outro lado, o tamanho máximo de um quadro no IEEE 802.15.4 é de 127 bytes. Portanto, o pacote IPv6 precisa ser fragmentado. Isso é feito pela camada de adaptação.
3) Encaminhamento de camada de link – 6LoWPAN também suporta roteamento de malha, que é feito na camada de link usando endereços curtos em nível de link. Este recurso pode ser usado para comunicação em uma rede 6LoWPAN.
6TiSCH –
Desenvolvido pela IETF, 6TiSCH é um padrão IPv6 para protocolos de camada MAC 802.15.4. O padrão permite que endereços IPv6 passem pelo modo Time-Slotted Channel Hopping (TSCH) da camada MAC IEEE 802.15.4e, para que a camada de adaptação IPv6 possa ser usada para automação industrial e redes com baixas perdas de energia (LLN).
6Lo –
Desenvolvido pelo grupo IETF, o IPv6 sobre redes de nós com recursos limitados (6Lo) é um protocolo de acesso à rede baseado em IPv6 para links de dados que foram excluídos por 6LoWPAN e 6TiSCH. Por exemplo, a padronização IPv6 sobre BLE, NFC, IEEE 802.11ah e muitos outros protocolos da camada MAC serão incluídos neste padrão.
IPv6 sobre Bluetooth de baixa energia –
Este é um padrão de camada de adaptação IPv6 para o protocolo de camada MAC Bluetooth 4.0. O padrão exclui o recurso de fragmentação do 6LoWPAN, pois já existe um recurso de segmentação e remontagem de pacotes do Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) na pilha BLE.
IPv6 sobre G.9959 –
Este é um padrão de endereçamento IPv6 para o protocolo da camada MAC G.9959. G.9959 é uma pilha de protocolos de acesso à rede projetada para redes sem fio de dispositivos de baixo consumo de energia em uma rede de área pessoal (PAN).
Portanto, o IPv6 e as pilhas de protocolos baseadas nele são o futuro das aplicações IOT. Possui espaço de endereço suficiente para qualquer infraestrutura IOT futurista. No próximo tutorial, os protocolos da camada de transporte serão discutidos.
