❧ Protocolo IP, Endereçamento e Sub-redes ❧

Introdução9.1

Hoje você vai ver como a Internet identifica redes e hosts, como o IP carrega pacotes entre essas redes e por que sub-redes são indispensáveis para organizar endereços na prática.

Na aula anterior, a camada de rede apareceu como a camada que decide caminhos entre redes. Agora vamos aproximar essa ideia do protocolo mais importante dessa camada. O foco deixa de ser apenas “como escolher uma rota” e passa a ser “como o pacote IP é formado, como o endereço IP é interpretado e como uma rede grande é dividida em partes menores”.

Esta aula usa como base principal o Tanenbaum, seção 5.6, especialmente 5.6.1 a 5.6.3, e o Forouzan, capítulo 19, com apoio pontual do capítulo 22 para entrega e encaminhamento.

O problema que o IP resolve9.2

Imagine um computador dentro de uma LAN Ethernet. Ele tem um endereço MAC e consegue enviar quadros para outros dispositivos no mesmo enlace local. Isso é suficiente enquanto todos estão no mesmo domínio de enlace. Mas a Internet não é uma única Ethernet gigante.

Na prática, a comunicação precisa atravessar várias redes diferentes. Um pacote pode sair de uma rede Wi-Fi, passar por uma Ethernet, atravessar enlaces de operadora e chegar a outra rede completamente diferente. Cada uma dessas redes pode ter tecnologia de enlace própria.

O problema é que o MAC não descreve uma posição lógica dentro de uma rede de redes. Ele serve para entrega local no enlace atual. Para sair de uma rede e chegar a outra, precisamos de um endereço que possa ser interpretado por roteadores em escala maior. Esse é o papel do endereço IP.

Em termos simples, o IP faz três coisas importantes.

1. Define o formato do pacote da camada de rede.
2. Define endereços lógicos para origem e destino.
3. Permite que roteadores encaminhem pacotes de uma rede para outra.

O IPv4 como protocolo de datagramas9.3

O Tanenbaum inicia o estudo da camada de rede da Internet pelo formato do datagrama IPv4. Esse nome é importante. No IPv4, cada pacote é tratado como um datagrama, isto é, uma unidade independente que carrega as informações necessárias para ser encaminhada.

O IPv4 é um protocolo sem conexão e de melhor esforço. Isso significa que ele não estabelece uma conexão antes de enviar os pacotes e também não promete entrega confiável por si só.

O que significa melhor esforço9.3.1

Melhor esforço não significa descuido. Significa que a rede tenta entregar o pacote, mas não garante que ele chegará, nem garante ordem, nem garante ausência de duplicação.

Se a confiabilidade for necessária, outro protocolo acima do IP, como o TCP, deve cuidar disso.

Porque essa simplicidade torna a rede mais flexível. Os roteadores podem encaminhar pacotes rapidamente sem manter estado de conexão para cada comunicação. A confiabilidade, quando necessária, pode ser tratada nas pontas.

Essa separação é uma das ideias mais importantes da arquitetura da Internet. A rede faz encaminhamento simples. As pontas podem adicionar controle, retransmissão e ordenação quando a aplicação precisar.

O cabeçalho IPv49.3.2

Um datagrama IPv4 possui cabeçalho e dados. O cabeçalho mínimo tem 20 bytes, mas pode ser maior se houver opções.

Os campos mais importantes para esta aula são estes.

Por que o TTL existe9.3.3

O campo TTL, ou Time To Live, evita que pacotes circulem indefinidamente. Apesar do nome sugerir tempo, na prática ele é usado como contador de saltos. Cada roteador decrementa esse valor. Quando ele chega a zero, o pacote é descartado.

Um pacote que sai com TTL igual a 4 pode ser lido assim.

Ao chegar a zero, o pacote não deve continuar circulando. Isso protege a rede contra loops de roteamento.

Endereços IPv4 como 32 bits9.4

Um endereço IPv4 tem 32 bits. Para facilitar a leitura humana, esses 32 bits são escritos como quatro números decimais separados por pontos. Cada número representa 8 bits, ou seja, um octeto.

Por exemplo, o endereço abaixo é uma forma decimal pontuada.

192.168.1.34

Em binário, ele corresponde a quatro octetos.

$$ 192.168.1.34 = 11000000.10101000.00000001.00100010 $$

Essa é a pergunta central do endereçamento IPv4. Um endereço IP sozinho não basta para separar rede e host. É preciso saber o prefixo ou a máscara.

Prefixo e máscara9.5

O prefixo indica quantos bits à esquerda identificam a rede. A forma mais comum hoje é a notação com barra.

192.168.1.34/24

Esse /24 significa que os 24 primeiros bits identificam a rede. Os 8 bits restantes identificam o host dentro dessa rede.

$$ \underbrace{192.168.1}_{24\ bits\ de\ rede}.\underbrace{34}_{8\ bits\ de\ host} $$

Em forma de máscara decimal pontuada, /24 equivale a:

255.255.255.0

Como ler uma máscara9.5.1

Uma máscara é um padrão de 32 bits no qual os bits 1 indicam a parte de rede e os bits 0 indicam a parte de host.

Para /24, temos:

$$ 11111111.11111111.11111111.00000000 $$

Em decimal:

$$ 255.255.255.0 $$

192.168.1.34/24

Rede: 192.168.1.0/24
Host: 34

Endereçamento com classes e por que ele ficou insuficiente9.6

Historicamente, o IPv4 usou endereçamento com classes. Os endereços eram divididos em classes A, B, C, D e E. Para redes comuns, as classes mais importantes eram A, B e C.

Esse modelo parecia simples, mas gerava desperdício. Uma organização que precisava de alguns milhares de endereços não cabia em uma classe C, mas receber uma classe B poderia entregar endereços demais.

O problema não era apenas técnico. Como o espaço IPv4 tem tamanho limitado, desperdício de blocos significava acelerar o esgotamento de endereços.

CIDR e endereçamento sem classes9.7

Para resolver esse desperdício, a Internet passou a usar CIDR, sigla de Classless Inter-Domain Routing. A ideia é abandonar os tamanhos fixos das classes e permitir prefixos mais flexíveis, como /20, /21, /27 ou /30.

No CIDR, o bloco é descrito pelo endereço inicial e pelo comprimento do prefixo.

192.168.10.0/24
10.40.0.0/20
172.16.8.0/21

O Tanenbaum destaca que o CIDR permite alocar blocos mais ajustados às necessidades reais e também permite agregação de rotas.

Sub-redes como divisão interna de uma rede9.8

Agora chegamos ao ponto que costuma causar mais dificuldade. Uma organização pode receber um bloco de endereços e ainda assim precisar dividi-lo internamente.

Imagine uma empresa com um bloco único.

192.168.10.0/24

Se todos os dispositivos ficassem em uma única rede, o gerenciamento seria simples, mas pouco organizado. A empresa talvez tenha setores, laboratórios, servidores e redes de visitantes. Faz sentido separar esses grupos em sub-redes.

Porque redes muito grandes aumentam broadcast, dificultam administração, reduzem isolamento e tornam políticas de segurança mais difíceis. Sub-redes criam divisões lógicas menores dentro de um bloco maior.

A ideia matemática da sub-rede9.8.1

Quando criamos sub-redes, pegamos alguns bits que antes pertenciam à parte de host e passamos a usá-los como parte do prefixo de sub-rede.

Em uma rede /24, existem 8 bits de host.

$$ 32 - 24 = 8 $$

Se transformarmos essa rede em quatro sub-redes, precisamos de 2 bits para identificar as sub-redes.

$$ 2^2 = 4 $$

O novo prefixo passa a ser:

$$ /24 + 2 = /26 $$

Cada sub-rede /26 tem 6 bits para hosts.

$$ 32 - 26 = 6 $$

Logo, cada sub-rede tem:

$$ 2^6 = 64\ endereços $$

Em IPv4 tradicional, dois endereços costumam ser reservados dentro de cada sub-rede, o endereço da própria rede e o endereço de broadcast. Assim, sobram 62 endereços utilizáveis para hosts.

$$ 64 - 2 = 62 $$

192.168.10.0/24

192.168.10.77/26

0, 64, 128, 192

Sub-rede: 192.168.10.64/26
Broadcast: 192.168.10.127
Hosts utilizáveis: 192.168.10.65 a 192.168.10.126

Máscaras comuns em sub-redes9.8.2

Esta tabela ajuda a fazer contas rápidas em redes IPv4 dentro de um /24.

Hierarquia de endereços9.9

O Forouzan explica a divisão em sub-redes como uma hierarquia. Sem sub-redes, há dois níveis principais.

1. Prefixo de rede.
2. Identificador de host.

Com sub-redes, passamos a ter três níveis.

1. Prefixo da rede da organização.
2. Prefixo da sub-rede.
3. Identificador do host.

Essa hierarquia é o que permite ao mundo externo enxergar a organização como um bloco agregado, enquanto a organização distribui internamente esse bloco em redes menores.

Encaminhamento e correspondência pelo prefixo mais longo9.10

Na aula anterior, você viu a diferença entre roteamento e encaminhamento. Agora podemos conectar essa ideia ao endereçamento.

Quando um roteador recebe um pacote, ele olha o endereço IP de destino e consulta sua tabela de roteamento. Cada entrada da tabela descreve um prefixo e uma saída.

O roteador deve escolher a entrada mais específica que combina com o destino. Essa regra é conhecida como correspondência pelo prefixo mais longo.

Porque o prefixo mais longo é mais específico. Ele descreve um bloco menor e, portanto, normalmente representa uma informação mais precisa sobre onde aquele destino está.

10.20.30.45

NAT como resposta parcial ao esgotamento IPv49.11

O espaço IPv4 tem cerca de $2^{32}$ endereços. Isso parecia enorme no início da Internet, mas se tornou pequeno diante do crescimento de hosts, celulares, servidores, redes domésticas e dispositivos conectados.

Uma das soluções práticas para prolongar a vida do IPv4 foi o NAT, ou Network Address Translation.

Com NAT, uma rede privada usa endereços internos que não são roteáveis globalmente. O roteador NAT troca os endereços privados por um endereço público ao enviar pacotes para a Internet.

Faixas privadas comuns em IPv4 incluem:

192.168.1.34

IPv6 e a mudança de escala9.12

O IPv6 surgiu como resposta de longo prazo ao esgotamento do IPv4. A diferença mais visível é o tamanho do endereço.

Um endereço IPv6 é escrito em grupos hexadecimais separados por dois-pontos.

2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329

Ele pode ser abreviado removendo zeros à esquerda e comprimindo uma sequência de grupos zero.

2001:db8::ff00:42:8329

O cabeçalho IPv69.12.1

O IPv6 também altera o cabeçalho. O cabeçalho principal tem tamanho fixo de 40 bytes e foi projetado para ser processado de forma mais simples pelos roteadores. Alguns campos do IPv4 foram removidos ou movidos para cabeçalhos de extensão.

Comparando com IPv4, alguns pontos merecem atenção.

Considere estes dois endereços.

192.168.1.10
2001:db8:acad:1::10

O primeiro é IPv4 e tem 32 bits. O segundo é IPv6 e tem 128 bits. A diferença não é apenas estética. O IPv6 oferece um espaço de endereçamento muito maior, o que reduz a dependência de soluções como NAT para economizar endereços.

Um endereço IPv6 pode ter uma parte de rede e uma parte de interface. Em muitas redes, é comum ver prefixos como:

2001:db8:acad:1::/64

Isso significa que os 64 primeiros bits identificam o prefixo da rede. Os 64 bits restantes identificam a interface dentro daquela rede.

Mesmo que os números pareçam maiores, a ideia de prefixo continua sendo fundamental.

Transição entre IPv4 e IPv69.13

O IPv6 não substituiu o IPv4 de uma vez. A Internet é grande demais para uma troca instantânea. Por isso, a transição usa estratégias graduais.

As três ideias mais importantes são estas.

Fechando a ideia9.14

O IP é a peça que torna possível interligar redes diferentes em uma Internet. O IPv4 organiza essa entrega com datagramas, endereços de 32 bits, prefixos, máscaras e sub-redes. Sub-redes tornam a administração viável ao dividir blocos em partes menores. O IPv6 amplia o espaço de endereços e reorganiza o cabeçalho, mas preserva a ideia central de encaminhar pacotes entre redes por meio de endereços lógicos.

Questões9.15

Próximos passos9.16

Na próxima aula, o passo natural é conectar endereçamento IP com os protocolos auxiliares que fazem a rede funcionar no cotidiano.

Você verá como ARP, ICMP e DHCP ajudam hosts e roteadores a descobrir vizinhos, diagnosticar problemas e obter configuração de rede automaticamente.