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IPv6 provendo Mobilidade e Interatividade para a TV Digital

Introdução 

Muito se tem discutido sobre TV Digital e seu uso como principal solução para a "Inclusão Digital".
Porém poucos textos têm tratado do assunto "interatividade" como um dos caminhos para essa inclusão. E mais, se ela será realmente possível ou não.
Para que possamos realmente alcançar a inclusão digital e levarmos a interatividade a todos, as "caixas digitais" precisam ser realmente interativas, pois estamos num país com 54 milhões de aparelhos de TV, dos quais 45 milhões só tem acesso à TV aberta; e desses 45 milhões de televisores, quase a metade é de 14 polegadas com antenas internas (1). 
Todos esses dados nos mostram um abismo social entre as classes.
O fato de termos 22 milhões de aparelhos com antena interna, nos remete à necessidade de robustez do sistema, pois em TV Digital ou você tem imagem ou não tem (sinais digitais são formados por bits de 0 e 1).
Outro fator é que enquanto apenas 15% dos domicílios possuem algum tipo de "TV paga" (seja cabo ou MMDS); os outros 85% só tem acesso à tv aberta, e é no canal de retorno (bidirecionalidade) da TV Digital que está a verdadeira possibilidade de se diminuir esse abismo social.
Essa bidirecionalidade transformará a TV em um veículo de integração, trazendo informações antes restritas à uma parcela dessa grande massa de indivíduos.

IPv6: Um breve histórico

Em 1991, dados coletados sobre o crescimento da Internet pelos membros do IETF. apontavam que até 1994 os endereços de Internet entrariam em esgotamento, uma vez que o espaço de endereçamento é de 32 bits e as tabelas de roteamento estavam se tornando grandes demais para serem gerenciadas de forma a garantir a qualidade do serviço.
Adotou-se então o "controle de cotas de domínio"(CIDR) e o prazo do fim dos endereçamentos foi prorrogado, até que uma solução mais eficiente pudesse ser encontrada .
As aplicações para Internet começaram a ampliar-se e apresentar novas necessidades, para as quais o IPv4 mostrou-se deficiente. 
Já naquele momento a Internet começava a tomar forma de grande rede mundial inclusive com novos nichos de mercado sendo descobertos, a exemplo do o e-commerce e vídeo conferências. 
Atualmente essas necessidades cresceram ainda mais pois cada país tem uma cota definida pelas instituições internacionais que administram a rede global. 
Em alguns lugares, principalmente onde há uma maior penetração da Internet, essa reserva de endereços chegou a um ponto critico.
E a demanda cresce cada vez mais em função da necessidade de endereços por paises super-populosos como a CHINA e em função da convergência entre mídias que passam a necessitar de pontos de acesso à rede, também em mercados como: a transmissão de dados via celular(mobilidade),transações bancarias (Segurança) e Tv Digital (interatividade).
Em 1994 grupos sugeriram soluções que fossem compatíveis com o IP e que pudessem substituí-lo gradualmente. Foi formado então IPNG Working Group (IETF)
o IEFT publicou uma série de RFCs (Request For Documents ), que definem as especificações da arquitetura da Internet, descrevendo o IPv6. 
O RFC base do IPv6 é o RFC 1752 e trata de sua especificação, enquanto que as especificações dos protocolos complementares que abordam os problemas como segurança, arquitetura e endereçamento são definidos em outros RFCs. 
O IPv6 foi projetado levando em consideração as necessidades do mercado com redes de arquiteturas mais escalonáveis, maior segurança e integridade dos dados, dando vazão para QoS, autoconfiguração e maior agregação no nível do backbone global.
No IPv6 cada endereçamento é determinado por 128 bits, um número suficientemente grande para suprir a demanda de endereços IP's .

O DIFERENCIAL DO IPv6 

Além de um maior espaço de endereçamento, o IPv6 possui algumas características que justificam sua adoção para a TV Digital. 
Como estamos falando de duas tecnologias emergentes, e principalmente aqui no Brasil onde os sistemas de transmissão ainda estão em estudo para ser adotados ou mesmo desenvolvidos, deve-se levar em conta todas as tecnologias que possam vir a contribuir para que o padrão nacional seja o mais robusto e eficaz possível em todas as classes de atuação da TV Digital. 
Deixar o IPv6 de fora da tecnologia de TV Digital pode ser muito mais que um erro estratégico de implementação.
Corre-se o risco de limitação da tecnologia, uma vez que todos os dados indicam que em mais alguns anos todos estaremos usando redes mistas com IPv4/IPv6 e até 2007 grande parte da América só trafegara dados em IPv6. O governo dos Estados Unidos tem previsões de gastos na ordem de US$30 bilhões para adequar os computadores e sua rede a essa nova realidade. 

Empresas como A CISCO já contam com produtos voltados para IPv6, apostando na internet multimídia, tTV de alta definição e telefonia IP. 
Por fim, vale saber que tecnologias como o NAT (network address translation), que prolongaram o uso do IPv4 com relação ao numero de endereços possíveis, criaram problemas para algumas aplicações como segurança fim-a-fim e inviabilizaram redes VPN ( Virtual Private Networks). 
O IPv6 pode atribuir um único endereço global a todos os hosts finais no mundo e portanto permitir a comunicação direta entre todos eles sem NAT's no meio. 
Esse grau de liberdade alcançada com endereços IP globais abrirá novas possibilidades de serviços de rede com maior valor agregado.
É dessa liberdade que a TV Digital necessita para seus mais desejados produtos: a mobilidade e interatividade. 
O mundo analógico esta migrando para o digital, e cada vez mais mídias, telecomunicações e informática estão integradas entre si.
Pensando nisso expomos abaixo as principais características e funcionalidades do IPv6 e como elas podem colaborar com a TVDigital.

Os Cabeçalhos de IPv4/IPv6

Cabeçalho IPv4                                                             Cabeçalho IPv6

Como podemos ver na comparação dos cabeçalhos, alguns campos foram removidos do cabeçalho IPv6 devido à ausência da necessidade de fragmentação nos roteadores e da verificação ao nível de camada de rede.
Enquanto o IPv4 possui 12 campos em um total de 160 bits, o IPv6 é constituído por 8 campos em um total de 320 bits.
A ausência notória do "checksum" do cabeçalho, pode levar a dúvidas quanto à confiabilidade do roteamento de pacotes. Mas o IPv6 baseia-se na confiabilidade das camadas inferiores e de seus próprios mecanismos de controle de erros, como o LLC (Logical Link Control) para redes locais e o controle das camadas de adaptação dos circuitos ATM e o controle PPP (Point to Point Control) para links seriais.
Dessa forma o mecanismo de controle de erros exercido pelo antigo cabeçalho "checksum", é desempenhado pelas camadas inferiores proporcionando a mesma confiabilidade na entrega dos pacotes.
A cada salto de um pacote IPv6, os roteadores não precisarão se preocupar com o cálculo do tamanho do cabeçalho (que é fixo). 
Todas essas modificações aumentarão substancialmente o desempenho dos roteadores e o QoS das redes.

Novo formato

Uma das características mais vantajosas é o novo formato de endereço que amplia o antigo endereço de 32 para 128 bits possibilitando assim um método simples de autoconfiguração através da identificação EUI-64 (Extended Unique Interface) da maior partes das placas de rede. 
O EUI-64 altera o endereço MAC dos novos dispositivos de rede fabricados, de 48 bits para 64 bits, permitindo ao IPv6 utilizar 64 bits na identificação das redes e 64 bits na identificação dos hosts.

Assim o endereço é dividido em 8 partes de 16 bits, como apresentado no seguinte exemplo:

3ffe:3108:0:0:8:800:200C:420A

Apenas 15% de todo espaço de endereçamento IPv6 está previamente alocado, ficando o restante reservado para uso futuro.

Exemplos na forma completa e na forma abreviada, como apresentado em [RFC1884].

A terceira opção de representação, mais conveniente quando em ambientes mistos com redes IPv4 e IPv6, é da forma x:x:x:x:x:x:d:d:d:d, onde os "x" são números hexadecimais (16 bits) e os "d" são valores decimais de 8 bits referentes a representação padrão do IPv4.

Por exemplo:
0:0:0:0:0:0:192.168.10.20

ou, na forma abreviada:
::192.168.10.20

Aproveitando o exemplo  apresentado acima, devemos explicar que no IPv6 foram especificados apenas três tipos de endereços:

UNICAST : Identifica apenas uma interface de rede .
Um pacote destinado a um endereço unicast é enviado diretamente para o host de destino associado ao endereço.
Existem vários tipos de endereçamento Unicast, entre eles:
- AGA - Aggregable Global Address: 
Representa um endereço que será globalmente usado. 
Baseia-se no CDIR,(Classes Inter Domain Routing). 
Este tipo de endereço quando utilizado em links, são agregados hierarquicamente, começando por clientes,em seguida pelos provedores.
O prefixo 2000::/3 (001) indica um endereço do tipo Aggregable Global

- LLA - Link Local Address: 
Este tipo de endereço pode ser automaticamente configurado em qualquer interface pela conjugação de seu prefixo FE80::/10 e a identificação da interface no formato EUI-64.

Estes endereços são utilizados nos processos de configuração dinâmica automática e nos processos de descoberta de elementos hierárquicos de roteamento. (como autoconfiguração de estações em uma rede).

- Ipv4-Based: 
Representa um endereço IPv6 cujos últimos 32bits representam um enderelo IPv4. Dessa forma quando anexamos um prefixo nulo de 96bits de zeros a um endereço IPv4, temos na verdade um mecanismo de " tunelamento" onde hosts e roteadores podem interpretar endereços IPv6 sobre IPv4.

Ex: ::194.65.3.1 (na forma condensada) ou 0:0:0:0:0:0:194.65.3.1 (na forma completa)

- IPv4-Mapped IPv6:
Para hosts sem suporte a IPv6 foi definido um outro tipo de endereço chamado IPv4-Mapped IPv6.
Ex ::FFFF:194.65.3.1

- SL- Site Local: 
São endereços identificados pelo prefixo de 10 bits (FECO::/10), destinados ao uso interno numa organização através da concatenação do campo SLA (16bits) com a identificação da Interface de rede (64 bits).
É considerado um endereço privado, pois os roteadores não repassam pacotes cujos endereços de origem sejam "site-local" e por conseguinte determina um domínio sem ligação com a Internet.

ENDEREÇO ANYCAST:
Identificam um grupo de interfaces de nodes diferentes. 
Este tipo de endereçamento é estritamente útil na busca mais rápida de um determinado servidor ou serviço

ENDEREÇO MULTICAST:
Idêntico ao Anycast, este endereço identifica grupo de interfaces, mas um pacote destinado a um endereço Multicast é enviado para todas as interfaces do grupo. 
O que torna o multicast tão eficiente é o fato de um pacote poder atingir todas as estações conectadas sem que para isso tenha que ser replicado. A informação destinada a uma estação usa a mesma largura de banda necessária para alcançar estações diferentes.
Cada vez mais aplicações com suporte a áudio e vídeo tem usado a comunicação multicast. Receptores ao invés de usarem conexões ponto-a-ponto entre host do grupo, utilizam o endereçamento multicast para a distribuição dos dados multimídia entre os hosts de destino. 

Novas funcionalidades

Além de representar um maior espaço de endereçamento e das modificações mostradas acima o IPv6 traz características importantes como:
- Stateless Autoconfiguration: 
Quando se instala um host (servidor/cliente) numa rede, automaticamente é atribuído um endereço com vários componentes, dentre eles a EUI-64. 
Esta característica de autoconfiguração é denominada "Stateless Autoconfiguration", e elimina a necessidade de se configurar manualmente estações em uma rede.
Ex: MacAddress: 00:2c:04:00:FF:56

- Segurança: 
As especificações do Ipv6 definiram dois mecanismos de segurança incluso no IPsec:
Autenticação de cabeçalho (authetication header) e Segurança do encapsulamento IP (Encrypted Security Payload).
O IPsec no IPv6 encripta os dados em todo seu percurso (concebendo segurança de fim-a-fim), enquanto no IPv4 os dados são encriptados apenas entre roteadores da camada de distribuição.
É essa autenticação através do cabeçalho que diferencia o IPv6 de seu antecessor, pois assegura ao destinatário que os dados IP são realmente do remetente indicado no endereço de origem, e que o conteúdo foi entregue sem modificações .Tudo isso graças a um algoritmo chamado de MD5 (Message Digest 5) especificado na RFC 1828.
A segurança do encapsulamento IP permite confidencialidade e autenticação dos dados encapsulados no pacote, utilizando para isso o algoritmo de criptografia DES (Data Encryption Standard) com chave de 56 bits definida pela RFC 1829.
Esses algoritmos de autenticação e criptografia, utilizam o conceito de associação de segurança entre o transmissor e o receptor. Dessa forma as chaves serão conhecidas apenas pelos membros associados.

Suporte a Serviços em Tempo Real 

Os mais atentos podem ter notado no cabeçalho do IPv6 o termo "Flow Label". 
Esse termo define uma seqüência de pacotes de uma determinada origem para um determinado destino (Unicast ou Multicast).
A origem requer um tratamento especial pelos roteadores, como por exemplo: Qos (Qualidade do Seriviço) ou RSVP (Reserva de Banda).
Dessa forma os campos Traffic Class e Flow Label, existem para facilitar o uso de protocolos para controle de tráfego em tempo real, permitindo a implementação na Internet de aplicações multimídia com integração de dados, voz e vídeo em tempo real.

Mobilidade

A mobilidade que temos hoje ainda é baseada no IPv4 que utiliza "roteamento triangular", o que gera inconvenientes para os usuários pois esse tipo de roteamento duplica pacotes de forma desnecessária em uma rede causando a sobrecarga de autenticações e impedindo que novos usuários entrem na rede móvel.

Mobilidade IPv6 (MIPv6), por outro lado, possibilita que um móvel passe de uma rede para outra sem que as conexões estabelecidas sejam interrompidas, permitindo que outras novas sejam criadas sem o roteamento triangular de seu antecessor e sem sobrecarga de processamento. 
Chamamos isso de mobilidade eficaz.
O grande desafio da mobilidade IP é evitar que as conexões do dispositivo móvel, sejam quebradas no evento de sua deslocação.
O IPv6 resolve tal problema de forma transparente para as camadas superiores do modelo OSI.
A nova geração 3G permitirá que aparelhos móveis (laptops, celulares, PDAs) sejam usados para transmitir além de voz, dados e imagens, permitindo a implementação de novas aplicações multimídia inclusive a TV Digital. 
E a mobilidade IPv6 tem papel fundamental para que essas mídias possam se deslocar sem comprometimento das conexões em andamento.

Vemos com isso toda a gama de vantagens que o IPv6 traz em sua bagagem, pois ele assume aqui todos os anos de desenvolvimento de seu antecessor IPv4 e implementa melhoras conceituais, eliminando os defeitos e incapacidades da versão anterior e mantendo os sucessos alcançados ao longo de 30 anos de existência do protocolo de Internet. Por tudo isso é natural que se pense na sua adoção para a Interatividade na Tv Digital. 

O que é Interatividade?

É a interação recíproca entre dois meios. No caso em estudo, o telespectador e a emissora devem trocar informações através de um canal bidirecional.
Dessa forma, misturado ao sinal digital de áudio e vídeo, teremos um segundo sinal que proverá interatividade aos usuários. Esse canal proverá acesso a sites na Internet, e-mail e outra gama de informações.
A interatividade na Tv Digital esta intimamente ligada à forma como os dados são tratados pela "caixa digital" ou "Set Top Box" (STB) e como esses são interpretados pelas diversas interfaces de processamento.
Ela esta baseada portanto em uma camada de software embarcado no STB dos usuários e em um canal de retorno que transmitirá suas solicitações para o provedor de conteúdo (seja ela a emissora ou um terceiro).
Os os serviços interativos da TV Digital são aqueles que necessitam de um canal de retorno para o usuário, entre eles: e-commerce, jogos, e-mail e Internet.

Esse sistema interativo deve ser capaz de suportar todos os usuários levando em consideração a densidade da população regional.
Por exemplo: uma emissora transmitirá para todos os usuários dentro da zona física de cobertura e o número concreto de usuários abrangidos dependerá da densidade populacional da área coberta. 
No entanto, o canal de retorno pode ser limitado pelo número de usuários suportados pelo sistema interativo e, conseqüentemente, a "densidade" da infra-estrutura irá variar entre as áreas urbanas e rurais de modo a suportar a porcentagem desejada de audiências.
Na maioria das opções para canais de retorno, a maior restrição é a largura de banda e os tempos de resposta associados que limitam o número de usuários e o tipo de aplicações.
O IPv6 mostra-se aqui como uma solução tanto para a restrição de largura de banda como para a latência da rede, pois a existência de suporte a serviços de tempo real e a possibilidade de reserva de banda, driblam essas restrições que eram inerentes ao antigo IPv4 .
É importante notar que é pouco provável que seja encontrada uma única solução para o canal de retorno, adequada a todos os usuários, de modo que os serviços interativos devem ser concebidos de maneira a funcionarem numa ampla gama de canais de retorno (por satélite, por cabo, por telefone fixo, CDMA,TDMA, etc) Uma vez que estes canais possuem inerentemente diferentes características, este objetivo deve ser alcançado através de uma interface de alto nível que converta os requisitos da aplicação em formatos reconhecidos pelo meio de transmissão. E o IPv6 vem somar forças a essa interface de alto nível que a tecnologia de TV Digital precisa.

Todos os serviços interativos na TV Digital fazem uso de componentes API's ou middleware para serem interpretados pelas diversas camadas do STB.
Sendo assim cabe entendermos como funciona.

O middleware e a Interpretação dos Dados

O middleware, é uma camada de software que faz a interface entre o hardware da "caixa digital" e as aplicações da TV Interativa. 
O middleware pode ser um ou mais programas residentes na memória do "Set Top Box", podendo inclusive ser atualizado de forma automática pelo provedor de serviços de TV Digital de forma remota.

Sabe-se que o middleware na TV Digital  atua como uma ponte de comunicação entre o sistema operacional do Set Top Box e as aplicações; daí o termo middleware (está no meio).
Ele é a divisão lógica das camadas centrais e superiores da pilha do software nas comunicações do Set Top Box.
O middleware equivale às camadas de Aplicação, Apresentação e Sessão do modelo OSI.
O middleware é utilizado para "isolar" (falando a grosso modo) os programas de aplicações no Set Top Box dos detalhes do hardware subjacente e dos componentes da rede . 
Dessa forma as aplicações para o aparelho podem operar de forma transparente através da rede sem ter que se preocupar com os protocolos subjacentes. 
Isso em teoria reduz consideravelmente a complexidade do desenvolvimento porque as aplicações podem ser escritas para tirar vantagem de uma interface comum. 
Assim, para desenvolver uma aplicação, eu preciso apenas garantir que a aplicação residente no Set Top Box interaja com a pilha de comunicação TCP/IP, para produzir meu aplicativo, sem requerer maior conhecimento da arquitetura dos protocolos subjacentes.
Embora o modelo OSI seja o ideal didaticamente falando, na prática da implementação é usado o modelo TCP/IP, que possui apenas 4 camadas (Aplicação, Transporte, Internet e Interface de rede).
Quanto à plataforma do STB,  cada fabricante possui implementações ligeiramente diferentes mas todos seguem mais ou menos o modelo a seguir.

Plataforma dividida em 5 camadas

1 - Camada de Hardware - correspondente à camada Física 
Nela estão alocados a Interface de Vídeo, MPG, e a Interface de Rede

2 - HAL (Hardware Abstration Layer) -  é a forma de realizar a inteface com os componentes de hardwares da 1º camada do Set Top Box (pode ser entendida como uma extensão da primeira). Mas ela é sempre a responsável para realizar as conexões entre os aplicativos e as interfaces de hardware

3 - Camada que aloca os decodificadores e as bibliotecas de MPEG-2

4 - API ou MIDLEWARE - Ele representa no modelo OSI as camadas de Aplicação, Apresentação e Sessão. 
O midleware utiliza os serviços do SO para controlar na TV aplicações com EPG, Pay-Per-View, Acesso Condicional, etc.

5 - Camada de Aplicativos - Esta camada aloca todos os aplicativos de TV Digital, que são todos aqueles que o midleware controla : EPG, Pay-Per-View, Acesso Condicional, etc.

Seguindo esse modelo, a forma de transporte de dados obedece às especificações da pilha TCP/IP: os dados chegam até o Set Top Box, são processados pela interface de rede que os dados para a camada superior, (transporte) que por sua vez se comunica com a camada de aplicação via "sockets"; estes são associações de um endereço de origem e porta de origem, com um endereço de destino e porta de destino. Isso garante que a camada de rede (3 do modelo OSI) envie os dados da aplicação corretamente quando os pacotes chegam.
Quando o canal de retorno se dá pela linha telefônica, a interface de rede usa o protocolo PPP - Point-to-Point-Protocol; e assim sucessivamente para cada tipo de canal de retorno adotado,  seja por cabo ou satélite.
Graças às suas inúmeras características, entre elas o suporte a multiplos protocolos como RSVP (Protocolo de Reserva de Recursos), RTP (Protocolo de serviços de tempo real), RTCP (Protocolo de Controle de Tempo Real), o IPv6 pode prover a interatividade que a TV Digital precisa, contribuindo assim para a tão falada inclusão digital.

Conclusão

A promessa de inclusão digital só será possível se o modelo de negócio adotado pelo Sistema Brasileiro de TV Digital  for capaz de atender algumas premissas como:
FLEXIBILIDADE: Os Set Top Box devem ser capazes de decodificar o sinal digital seja qual for o padrão de transmissão.
MOBILIDADE: A convergência para estações celulares de 3 geração estão asseguradas pelas facilidades do IPMv6.
INTERATIVIDADE: Muito mais do que Jogos e E-mail, a oferta de utilidades públicas (e-Gov) como acesso à saldos do FGTS, marcação de consultas (SUS), pagamentos de impostos, requisição de certidões, etc.
Isto possibilitará maior proximidade e transparência ao governo e uma melhora dos serviços prestados aos cidadãos.
FOCO NO USUÁRIO: Em um país como o nosso cujo os níveis de renda e escolaridade são baixos, é necessário um estudo prévio e sério da usabilidade dos serviços interativos, interfaces e menus, que permitam o fácil manuseio dessas mídias por pessoas de qualquer nível de escolaridade, como agente fomentador do sucesso comercial para o produto.
Se para o usuário final a digitalização dos sinais proporcionará uma forma de diminuir o abismo social, para o mercado brasileiro essa mesma digitalização acena com a redefinição de um modelo de negócios em TV aberta e uma alavancada da industria de eletroeletrônicos que terá novas oportunidades de negócios, haja visto que o Brasil foi o primeiro pais no mundo a testar comparativamente os 3 padrões de transmissão digital (DVB, ISDB e ATSC), tornando-se uma referencia na área e tirando de uma vez por todas o estigma de que somos um pais subdesenvolvido para tecnologia e desenvolvimento cientifico. 
Atendidas essas premissas, um grande passo terá sido dado para tornar o Brasil realmente em um país de todos.
 O IPv6 como plataforma aberta vem para colaborar com isso.

(1) Dados obtidos da PENAD 2002 ( Pesquisa Nacional por Amostras de Domicílios do IBGE)

(*)  O Coordenador deste site, Tom Jones Moreira de Assis (T.JONES@zipmail.com.br) é formado em Processamento de Dados pela Faculdade de Tecnologia de S. Paulo (FATEC). É especialista em redes Windows. É membro da Brazil IPv6 Task Force. Atua como consultor técnico e pesquisador de novas tecnologias, entre elas,TvDigital, VoIP, Wi-Fi e IPv6.