Protocolo IP, Endereçamento e Sub-redes

Como a Internet identifica redes, hosts e caminhos

Professor: Gabriel Soares Baptista

Da Aula Anterior Para Hoje

Na aula passada, vimos a camada de rede como a camada que escolhe caminhos entre redes.

Hoje vamos concretizar essa ideia com o protocolo IP.

Perguntas centrais

  • Como um pacote IP é formado?
  • Como interpretar um endereço IPv4?
  • Como dividir uma rede em sub-redes?
  • O que muda com IPv6?

Ideia Central

O IP oferece uma forma lógica de endereçar hosts e redes.

Nesta aula

  • IPv4 usa endereços de 32 bits.
  • Prefixos e máscaras separam rede e host.
  • Sub-redes dividem um bloco maior em redes menores.
  • IPv6 amplia o endereçamento para 128 bits.
Base da aula

Tanenbaum 5.6.1 a 5.6.3, Forouzan capítulo 19 e apoio do capítulo 22 para encaminhamento.

O Problema Que o IP Resolve

Uma LAN Ethernet não representa a Internet inteira.

Dentro da LAN

  • O MAC entrega quadros localmente.
  • O switch encaminha por endereço MAC.
  • O enlace atual resolve só o próximo trecho.

Fora da LAN

  • A comunicação atravessa várias redes.
  • Cada rede pode usar tecnologia diferente.
  • Roteadores precisam de endereços lógicos.
Reflita

Se o endereço MAC identifica uma interface no enlace local, por que ele não basta para entregar dados pela Internet inteira?

MAC e IP Não Competem

O MAC não descreve uma posição lógica dentro de uma rede de redes.

Função de cada um

Endereço Função
MAC Entrega local no enlace atual
IP Entrega lógica entre redes

Ideia prática

O MAC ajuda no próximo salto. O IP permite continuar a viagem.

Erro comum

Endereço IP não é “o MAC da Internet”. MAC identifica uma interface no enlace local. IP identifica logicamente uma interface em uma rede IP.

Exemplo 1

Seu notebook quer acessar um servidor fora de casa.

  1. O notebook envia um quadro ao roteador doméstico.
  2. O quadro usa MAC no enlace local.
  3. Dentro do quadro existe um pacote IP.
  4. O roteador observa o IP e encaminha para outra rede.

Conclusão

O quadro muda a cada enlace. O pacote IP mantém a direção lógica da comunicação.

IPv4 Como Datagramas

O IPv4 trata cada pacote como um datagrama.

Isso significa

  • Cada pacote é encaminhado de forma independente.
  • Não há conexão obrigatória antes do envio.
  • O pacote carrega informações para ser roteado.

Melhor Esforço

IPv4 é um protocolo sem conexão e de melhor esforço.

Ele não garante sozinho

  • Entrega.
  • Ordem.
  • Ausência de duplicação.
  • Recuperação de perda.

Por que isso funciona?

A rede fica simples. A confiabilidade pode ser tratada nas pontas, por protocolos como TCP.

Cabeçalho IPv4

Um datagrama IPv4 possui cabeçalho e dados.

Tamanho

  • Cabeçalho mínimo: 20 bytes.
  • Pode crescer se houver opções.

Campos Importantes do IPv4

Campo Ideia principal
Versão Indica IPv4
IHL Tamanho do cabeçalho
Comprimento total Tamanho do datagrama
TTL Limita saltos
Protocolo Indica TCP, UDP ou outro
Origem e destino Endereços IPv4 finais

TTL

O TTL evita que pacotes circulem indefinidamente.

Leitura prática

Etapa TTL
Origem 4
Depois de $R_1$ 3
Depois de $R_2$ 2
Depois de $R_3$ 1
Depois de $R_4$ 0

Quando chega a zero, o pacote é descartado.

Relação com traceroute

  • Envia pacotes com TTL crescente.
  • Cada roteador que zera o TTL responde com erro.
  • A origem descobre os saltos intermediários.
Observação

O TTL protege contra loops e também permite diagnóstico de caminho.

Endereços IPv4

Um endereço IPv4 tem 32 bits.

Escrita humana

192.168.1.34

Escrita binária

$$ 192.168.1.34 = 11000000.10101000.00000001.00100010 $$

Cada número decimal representa um octeto.

Reflita

Se o endereço IPv4 tem 32 bits, como um roteador sabe qual parte identifica a rede e qual parte identifica o host?

Prefixo e Máscara

Um endereço IP precisa ser lido junto com seu prefixo.

Exemplo

192.168.1.34/24

Interpretação

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

O /24 diz quantos bits pertencem à rede.

Máscara

Uma máscara tem 32 bits.

Regra

  • Bits 1 indicam a parte de rede.
  • Bits 0 indicam a parte de host.

Para /24

$$ 11111111.11111111.11111111.00000000 $$

$$ 255.255.255.0 $$

Exemplo 2

Considere o endereço:

192.168.1.34/24

Leitura

Rede: 192.168.1.0/24
Host: 34

Conclusão

192.168.1.34 é um host dentro da rede 192.168.1.0/24.

Cuidado

A rede não são sempre os três primeiros números. Isso só acontece em prefixos como /24. A separação real depende da máscara.

Endereçamento Com Classes

Historicamente, o IPv4 usou classes.

Classe Prefixo padrão Uso conceitual
A /8 Poucas redes muito grandes
B /16 Redes médias
C /24 Muitas redes pequenas

Problema

As classes tinham tamanhos fixos e desperdiçavam endereços.

Consequência

  • Desperdício de blocos.
  • Tabelas menos eficientes.
  • Esgotamento mais rápido do IPv4.

CIDR

CIDR significa Classless Inter-Domain Routing.

Ideia

Abandonar tamanhos fixos de classes e usar prefixos flexíveis.

192.168.10.0/24
10.40.0.0/20
172.16.8.0/21

CIDR permite alocar blocos mais próximos da necessidade real.

CIDR e Agregação

CIDRispISP200.10.0.0/20aCliente A200.10.0.0/22isp->abCliente B200.10.4.0/23isp->bcCliente C200.10.6.0/24isp->crotaAnúncio agregado200.10.0.0/20a->rotab->rotac->rota

Sub-redes

Uma organização pode receber um bloco e dividi-lo internamente.

Exemplo de bloco

192.168.10.0/24

Por que dividir?

  • Reduzir broadcast.
  • Separar setores.
  • Melhorar administração.
  • Facilitar políticas de segurança.
Reflita

Se uma organização recebe um bloco único, por que ela não deveria colocar todos os hosts na mesma rede?

Configuração Com Sub-redes

Sub-redes criam divisões lógicas menores dentro de um bloco maior.

Matemática da Sub-rede

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

$$ 32 - 24 = 8 $$

Para criar 4 sub-redes, precisamos de 2 bits.

$$ 2^2 = 4 $$

O novo prefixo será:

$$ /24 + 2 = /26 $$

Com /26, sobram 6 bits para hosts.

$$ 32 - 26 = 6 $$

Logo, cada sub-rede tem 64 endereços.

$$ 2^6 = 64 $$

Em IPv4 tradicional, dois endereços ficam reservados.

$$ 64 - 2 = 62 $$

Exemplo 3

Divida a rede abaixo em 4 sub-redes.

192.168.10.0/24

Resultado

Sub-rede Intervalo Broadcast
192.168.10.0/26 .0 a .63 .63
192.168.10.64/26 .64 a .127 .127
192.168.10.128/26 .128 a .191 .191
192.168.10.192/26 .192 a .255 .255

Exemplo 3: Host Dentro da Sub-rede

Qual é a sub-rede do host abaixo?

192.168.10.77/26

Blocos de /26

0, 64, 128, 192

Resultado

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

Máscaras Comuns

Prefixo Máscara Bloco Hosts úteis
/25 255.255.255.128 128 126
/26 255.255.255.192 64 62
/27 255.255.255.224 32 30
/28 255.255.255.240 16 14
/29 255.255.255.248 8 6
/30 255.255.255.252 4 2
Atenção

Máscara maior não significa rede maior. Um prefixo maior usa mais bits para rede e deixa menos bits para hosts.

Hierarquia de Endereços

Com sub-redes, o endereço IPv4 ganha três níveis conceituais.

HierarquiaIPv4enderecoEndereço IPv4redePrefixo da rededa organizaçãoendereco->redesubredePrefixo da sub-redeendereco->subredehostIdentificador do hostendereco->host

Encaminhamento Por Prefixo

O roteador consulta a tabela de roteamento usando o IP de destino.

Cada entrada informa

  • Prefixo.
  • Máscara ou comprimento do prefixo.
  • Próximo salto ou interface de saída.

Regra

Escolher a rota válida mais específica.

PrefixoMaisLongodestinoDestino10.20.30.45p810.0.0.0/8combinadestino->p8p1610.20.0.0/16combinadestino->p16p2410.20.30.0/24mais específicodestino->p24saidaEscolhainterface Cp24->saida

Exemplo 4

Tabela de roteamento:

Prefixo Saída
10.0.0.0/8 interface A
10.20.0.0/16 interface B
10.20.30.0/24 interface C

Destino:

10.20.30.45

Escolha correta: 10.20.30.0/24, pela interface C.

NAT

O NAT prolongou a vida do IPv4.

Ideia

  • A rede interna usa endereços privados.
  • O roteador troca o endereço privado por um público.
  • A Internet enxerga o endereço público.

NAT não é sub-rede

Sub-rede divide blocos. NAT traduz endereços.

NAT Em Diagrama

NAThost1Host interno192.168.1.34natRoteador NATprivado -> públicohost1->nathost2Host interno192.168.1.35host2->natinternetInternetvê o IP públiconat->internetendereço públicoserverServidor externointernet->server

Exemplo 5

Dentro de casa, seu computador pode ter:

192.168.1.34

Ao acessar um site

  • O roteador substitui o IP privado pelo IP público.
  • A resposta volta para o roteador.
  • A tabela NAT indica qual host interno deve receber a resposta.

Faixas privadas comuns

Bloco privado Uso típico
10.0.0.0/8 Redes privadas grandes
172.16.0.0/12 Redes privadas intermediárias
192.168.0.0/16 Redes domésticas e pequenas redes

IPv6

O IPv6 surgiu como resposta de longo prazo ao esgotamento do IPv4.

Versão Endereço Escrita comum
IPv4 32 bits decimal pontuada
IPv6 128 bits hexadecimal com dois-pontos

Forma completa:

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

Forma abreviada:

2001:db8::ff00:42:8329

Ideia

Zeros à esquerda podem ser omitidos e uma sequência de zeros pode ser comprimida.

Cabeçalho IPv6

O IPv6 tem cabeçalho base fixo de 40 bytes.

Objetivo

Facilitar o processamento pelos roteadores.

IPv4 x IPv6

Aspecto IPv4 IPv6
Endereço 32 bits 128 bits
Checksum No cabeçalho Removido do cabeçalho base
Fragmentação Pode ocorrer em roteador Só na origem
Opções Cabeçalho variável Cabeçalhos de extensão
Broadcast Existe Substituído por multicast e outros mecanismos

Exemplo:

2001:db8:acad:1::/64

Leitura

  • Os 64 primeiros bits identificam o prefixo da rede.
  • Os 64 bits restantes identificam a interface.

Mesmo com endereços maiores, a ideia de prefixo continua central.

Transição IPv4 Para IPv6

A Internet não poderia trocar de protocolo de uma vez.

Estratégias comuns

Estratégia Ideia
Pilha dupla Host suporta IPv4 e IPv6
Tunelamento IPv6 atravessa uma região IPv4 encapsulado
Tradução Cabeçalhos ou endereços são convertidos

Tunelamento IPv6 Sobre IPv4

TransicaoIPv6ipv6aRede IPv6r1Roteadorpilha duplaipv6a->r1ipv4Região IPv4pacote IPv6 encapsulador1->ipv4túnelr2Roteadorpilha duplaipv4->r2túnelipv6bRede IPv6r2->ipv6b

Fechando a Ideia

O IP torna possível interligar redes diferentes.

Para IPv4, você precisa dominar

  • Endereço de 32 bits.
  • Prefixo e máscara.
  • Sub-redes.
  • Correspondência pelo prefixo mais longo.

Para IPv6, você precisa perceber

  • O espaço de endereços aumenta muito.
  • O cabeçalho base muda.
  • A transição é gradual.
Ideia para levar

Para entender redes IP, leia sempre o endereço junto com o prefixo. Sem a máscara, um IPv4 é só um número. Com a máscara, ele revela rede, sub-rede, intervalo de hosts e encaminhamento.

Questões Para Revisão

  1. Por que MAC não basta para comunicação entre redes?
  2. O que significa melhor esforço no IPv4?
  3. Para que serve o TTL?
  4. O que significa 192.168.1.34/24?
  5. Por que /28 cria blocos menores que /24?
  6. O que é correspondência pelo prefixo mais longo?
  7. Qual é a diferença entre sub-rede e NAT?
  8. Cite duas diferenças entre IPv4 e IPv6.

Próximos Passos

Na próxima aula, conectaremos endereçamento IP com protocolos auxiliares da camada de rede.

Veremos

  • ARP.
  • ICMP.
  • DHCP.
  • Descoberta de vizinhos e diagnóstico.