Básico de Redes: Endereço IP e Roteamento

Visão Geral

Hoje, vamos falar sobre endereçamento IP e roteamento. Como sabemos, o endereço IP funciona na camada de rede da pilha de protocolos TCP/IP.

Um endereço IP consiste em 32 dígitos binários (zero e um). Dividimos então em duas partes: uma parte é o endereço de rede e a outra parte é o endereço do host.

O endereço de rede indica a rede onde os hosts estão inseridos, por outro lado, o endereço de host indica a identificação exclusiva do dispositivo ou PCs na rede.

Como sabemos, para a pilha de protocolos TCP/IP, podemos adicionar o cabeçalho TCP e o cabeçalho IP.

No cabeçalho IP, há o endereço IP de origem e o endereço IP de destino.

Endereço IP

Um endereço IP identifica exclusivamente um dispositivo de rede e consiste em 32 bits binários.

O endereço IP é exibido em notação decimal com pontos.

Dividimos o endereço IP em duas partes:

• Endereço de rede
• Endereço do host

Assim, o endereço IP é um número binário de 32 bits e 4 bytes que normalmente enxergamos em notação decimal com pontos separando o endereçamento em 4 octetos. Por exemplo:

• Notação binária: 11000000.10000000.11111111.11111110
• Notação decimal: 192.128.255.254

Podemos escrever um endereço IP usando um número binário. Além disso, podemos usar uma notação decimal. Em nossa rede real, normalmente, escrevemos com a notação decimal, porque esta é mais amigável e com isso, mais fácil de memorizar.

Classe de Endereço IP

Quando falamos de classe de IP, dividimos o endereço IP em 5 classes. Então, qual a melhor classe de IP para nossa rede?

Veja no gráfico acima a distribuição de classes de endereços IP.

Um IP classe A terá um endereço que vai de 1.0.0.0 até 126.255.255.255.
Já o IP classe B no que lhe concerne inicia com o IP 128.0.0.0 e vai até o endereço 191.255.255.255.
Agora o IP classe C inicia no endereço 192.0.0.0 e vai até 223.255.255.255.
Normalmente, em nossa rede real, usamos os endereços de classes A, B e C para identificar nossos hosts.

Usamos a classe D para serviços multicast. Iremos configurar o IP classe D no range de 224.0.0.0 até 239.255.255.255.
Por fim, o IP classe é reservado e tem os endereços de 240.0.0.0 até 255.255.255.255.

Perceba ainda que o primeiro bit da classe A é um zero, fixo.

Já os dois primeiros bits da classe B possui os bits 1 e 0 fixos.

Agora, os IPs de Classe C possuem os bits 1, 1, 0 fixos.

Já para classe D temos os bits 1, 1, 1 e 0 fixos.

Por fim, o endereço de classe E terá os bits fixos, 1, 1, 1, 1, 0.

Logo você entenderá porque estamos falando de bit de endereçamentos e o porquê desses bits serem fixos.

Vamos ver agora que existem alguns endereços IP especiais nas classes A, B e C.
Endereços IP especiais indicam significados diferentes conforme veremos a seguir.

Endereços IP especiais

Vamos analisar a tabela acima.

Endereço de Rede

Na primeira linha temos a rede como “any” e o host é “full 0”. Então o endereço ficaria assim: 192.168.100.0, por exemplo. Falando de bits, temos que os últimos oito bits deste IP são 0.

Certo, mas o que isso significa? Isso significa que este é um endereço de rede, logo temos a indicação de um segmento de rede ao apresentar esse endereço IP.

Endereço de Broadcast

Já na segunda linha da tabela temos “any” para rede e “Full 1” para host. Um exemplo seria o IP 192.168.200.255. Este é um exemplo de endereço de broadcast, ou seja, todos os nós em um segmento de rede especificado. Em bits teríamos os oito últimos bits do host com valor 1.

Partindo direto para última linha da nossa planilha temos o endereço 255.255.255.255, ou seja, rede e host “Full 1”. Esta é mais uma forma de provocarmos nossa tempestade de broadcast.

Quantos Hosts são permitidos em uma rede /24?

Em um exemplo prático, se tivermos uma rede representada conforme o exemplo: 192.168.100.0/24, existem dois endereços IP que não podemos usar. Um é o endereço de rede e o outro é o endereço de broadcast. Sendo 192.168.100.0, rede e 192.168.100.255, broadcast.

Então, quantos endereços IP podemos usar? Em uma conta padrão, faremos 2 elevado a oitava potência, menos 2. Por que usamos a oitava potência? Porque no nosso exemplo 8 é o número de bits que iremos usar para nossos hosts. Por isso, falamos de bits no início dessa análise.

Então, para uma rede de 24 bits, podemos usar então 254 endereços para hosts.

Endereço de Loopback

Agora vamos ver a terceira linha da nossa tabela, onde temos 127 como indicação de rede e o host sendo “Any”, por exemplo, 127.0.0.1. Usamos, normalmente, este endereço IP para testes de internos. São endereços não roteados, restritos a aplicação de testes na interface local.

Rota Default

Agora vamos para a linha de Rede e Host “Full 0”: isso significa que todos os dígitos são “0”, como 0.0.0.0 em uma rede ipv4. Ele indica basicamente “todas as redes”. Usamos esse endereço IP para configuração da nossa rota padrão, ou como chamamos, rota default.

Quantos Host são permitidos em cada classe de IP?

Para endereços de Classe A temos até 16.777.216 IPs
Já para Classe B podemos ter até 65.536 IPs.
Por fim, o IP Classe C consegue acomodar até 256 endereços.

Conforme falamos anteriormente, lembre-se que sempre teremos dois IPs. Não podemos usá-los nos nossos hosts, pois farão os papéis de IP de Rede e IP de Broadcast.

Em seguida, veremos que existem alguns endereços IP especiais que você precisa conhecer. São endereços privados, não roteados na internet.

Endereço IP Privado

Características gerais dos endereços de IP Privados:

• Definidos na RFC1918
• Endereços IP privados não podem ser usados na internet.
• Teremos endereços IP privados nas três classes de IP
  • 10.0.0.0 ~10.255.255.255
  • 172.16.0.0 ~172.31.255.255
  • 192.168.0.0 ~192.168.255.255

Então, nas classes A, B e C, temos um intervalo reservado para endereços IP privados. Mas, o que significa endereço IP privado? Você só pode usar o endereço IP privado na sua rede local. Você não pode usar para a rede pública. Provedores de serviço não roteiam esse endereçamento IP devido às normas e regulamentações de endereçamentos.

Para citar um exemplo de uso de IP privado, temos um grupo local ou uma empresa privada que necessita se comunicar internamente sem necessidade de desperdiçar IP públicos, que como sabemos, são finitos, em especial se tratando de ipv4. Se outra empresa privada, também desejar usar endereços IP privados para comunicação interna dos seus elementos, tudo bem. Podendo inclusive usar o mesmo endereço IP uma vez que, por ser restrito a uso interno, essas redes não são roteadas na internet, logo, as duas empresas não se comunicaram usando esse endereçamento, não havendo risco de conflito de IP.

Endereços IP privados são reservados pela RFC1918 para utilização no range de 10.0.0.0 até 10.255.255.255, ou 172.16.0.0 até 172.31.255.255 e por fim, o intervalo de 192.168.0.0 até 192.168.255.255.

Esses três intervalos são reservados para atender a necessidade de endereços IP privados que, conforme falamos, podemos usar na área local.

O que é máscara de Sub-rede?

Antes de mais nada vamos à algumas definições:

• Usamos máscara de rede para distinguir a parte da rede da parte do host.
• O formato da máscara é mesmo do endereço IP
• Quando definimos a parte da rede e a parte da sub-rede da máscara, temos o bit 1 enquanto a parte do host será preenchido com bit 0.
• A máscara e o endereço IP são expressos da mesma forma. Na máscara, 1 indica o bit de rede e 0 indica o host. Um 255 indica oito unidades de bits.
• Por padrão, a máscara de sub-rede da rede classe A é 255.0.0.0. Já da rede classe B é 255.255.0.0. Por fim, a rede classe C recebe uma máscara, por padrão, de 255.255.255.0.

Agora, vamos entender a máscara de sub-rede.

Falamos que o formato da máscara é igual ao formato do endereço IP. Ou seja, estamos fazendo a mesma representação em bits que falamos ao apresentar o endereçamento IP anteriormente, 32 bits divididos em 4 octetos.

A parte da rede e a parte da sub-rede da máscara recebem o bit 1 enquanto a parte do host é representado sem bit, 0.

Portanto, para as classes A, B e C temos a representação padrão: 255.0.0.0 para a classe A, 255.255.0.0 para classe B e 255.255.255.0 para classe C. Chamamos essas máscaras de máscaras padrões ou “natural masks”.

Então, vamos ver o seguinte exemplo. Se temos uma rede com máscara de sub-rede 255.255.255.0, os primeiros 24 bits são de valor 1, enquanto os últimos 8 bits são 0. Isso significa que pode definir 2 elevado a potência de 24 menos 2 redes. Agora, em cada rede, podemos adicionar 2 elevador a oitava potência menos 2 hosts.

Ficaria então assim:

Mascará de Sub-Rede: 255.255.255.0

Números de hosts por rede: 2⁸ – 2 = 254

Endereço de rede e Máscara de sub-rede

Podemos classificar os endereços IP como endereços classful (classe cheia ou padrão) ou endereços classless (sem classe).

Endereço IP classful: Teremos nosso net-id com: 8, 16 e 24.

Conforme mostrado abaixo, 192.168.1.100 é um endereço Classe C padrão e a máscara de sub-rede é 255.255.255.0. O endereço de rede deste endereço é 192.168.1.0.

• IP Address: 192.168.1.100
• Subnet Mask: 255.255.255.0
• Network Address: 192.168.1.0

Endereço IP Classless: O net-id pode ser definido para qualquer valor de 1 a 32.

Vantagens dos endereços IP Classless:

• Rede flexível e de fácil gerenciamento
• Reduz o desperdício de endereços IP

Se soubermos o endereço IP e a máscara de sub-rede, podemos calcular o endereço de rede.

No exemplo acima, o endereço IP é 192.168.1.100. Por padrão, a máscara de sub-rede é 255.255.255.0.

Os últimos oito bits são 0. E o endereço de rede tem o final 0.

Por padrão, existem três tipos de net-id: 8, 16 e 24, para as classes A, B e C respectivamente.

E para o endereço IP classless, podemos definir qualquer valor de 1 a 32.

Desse modo, podemos alterar a máscara de sub-rede e assim, temos além do fácil gerenciamento das redes, uma rede mais flexível. Além disso, pode reduzir o desperdício de endereços IP. Veremos um exemplo disso a seguir.

Endereço IP Classful, rede padrão

O endereçamento sem sub-rede, usa máscaras “naturais”, ou seja, não divide segmentos de rede. Esse endereço de rede recebe o nome de endereço IP classful e o comprimento do net-id pode ser 8, 16 ou 24 conforme vimos anteriormente.

Por exemplo, o segmento de rede classe B 172.16.0.0 usa como máscara padrão 255.255.0.0.

Portanto, o endereçamento sem uso de sub-rede usa máscara padrão e não divide segmentos de rede.

Para endereços IP classful, o comprimento pode ser 8, 16 ou 24 bits.

No nosso exemplo, existem apenas três PCs e precisamos apenas de três endereços IP.

Se usarmos o segmento de rede classe B e a máscara padrão 255.255.0.0, temos um grande desperdício de IPs.

Perceba que temos 16 bits reservados para endereços hosts, então: dois elevado a potência de 16, ou seja, 65.536 IPs, ou 65.534 Hosts considerando os IPs de rede e broadcast.

Mas, na verdade, no nosso exemplo, usamos apenas três endereços IP e não temos estimativa de crescimento. Então, nesse modelo vamos gerar um grande desperdiçar de endereços IP.

Para esse cenário, assim, podemos dividir o endereço IP em várias partes e podemos usar o endereço IP classless para definir nossas sub-redes.

Endereço IP Classless, sub-redes

Com endereços IP classless, podemos dividir um segmento de rede em muitos segmentos de rede.

Podemos modificar a sub-rede, alterando a quantidade de bits que vão identificar nossa rede. Portanto, o campo de número de sub-rede é adicionado ou removido conforme nossa necessidade.

Veja o exemplo acima. Por padrão, como sabemos, a parte da rede da classe B é 16 bits. Por outro lado, temos 16 bits para hosts. Já falamos sobre o cálculo padrão para saber a quantidade de redes e hosts que poderemos configurar por padrão.

Agora, se aumentarmos o número de bits que representam máscara de sub-rede para 26, faremos novamente nosso cálculo padrão para chegarmos aos 64 IPs possíveis, ou 62 Hosts, considerando o primeiro IP da rede e o último para broadcast.

Representação da Máscara de sub-rede

Conforme a pilha de protocolo TCP/IP, uma máscara de sub-rede de 32 bits é usada para indicar o comprimento do campo da sub-rede.

O valor 1 corresponde ao campo do número do redes enquanto o valor 0 corresponde ao campo do número de hosts. 1 e 0 não podem ser usados em simultâneo.

Podemos representar o endereço IP com dígitos binários e então podemos calcular a máscara de sub-rede com base nesses mesmo binários.

Para a máscara de sub-rede, a parte da rede é 1 e a parte do host é 0.

Vamos usar o exemplo acima. Existem um de total de 28 bits para rede. Chegamos a esse número somando os bits marcados com 1 nos 4 octetos da nossa máscara de sub-rede. Então, 8 +8 +8 +4 bits de máscara, totalizam 28. Podemos representar nossa rede então com um /28.

Conversão de Endereço IP decimal para binário

Endereço IP decimal: 192.168.1.11

Endereço IP em Notação binária: 11000000.10101000.00000001.00001011

Sistema de conversão:

Basicamente, cada bit de cada octeto receberá uma potência fixa, começando da sétima potência até chegar a potência zero. Se todos os bits foram 1, note que a soma de todos os valores dariam 255. Por outro lado, se todos os bits tiverem valor zero, a soma de todos os bits será igualmente zero.

Então, iremos somar apenas as potências cujo bit for igual a um. É assim que convertemos nosso IP decimal para binário e vice-versa conforme podemos ver no nosso exemplo abaixo.

Básico de Roteamento

Roteadores são executados na camada de rede do modelo TCP/IP e implementam a interconexão de redes.

Descreverei abaixo as principais funções de um roteador na rede de dados.

• Gerar uma tabela de roteamento
• Encaminhar pacotes de dados para outras redes

Encaminhamento de pacote de dados

• Roteamento: criação, atualização e pesquisa da tabela de roteamento
• Adaptação de taxas entre sub-redes
• Isola redes para evitar tempestades de rede e específica regras de acesso (firewalls)
• Interconexão de redes distintas

Então temos que no roteador, temos uma tabela de roteamento que é chamada de tabelas de roteamento IP. O roteador é usado para encaminhar pacotes de dados para outras redes.

As funções do roteador são as funções de roteamento. Ele gerará, atualizará e consultará a tabela de roteamento sempre que for requisitado. Além disso, fará adaptação de taxa entre sub-redes e redes isoladas para evitar tempestades de rede, porque no roteador, as mensagens de broadcast não podem ser encaminhadas.

Os roteadores também podem isolar domínios de broadcast porque não podem encaminhar mensagens de broadcast.

O roteador pode comunicar diferentes segmentos de rede. Além disso, pode encaminhar mensagens para diferentes segmentos de rede.

Estas são as funções dos roteadores.

Como funciona o roteamento?

A tabela de roteamento pode ser configurada estaticamente ou gerada por um protocolo de roteamento dinâmico, como:

• Entradas de roteamento geradas por protocolos de roteamento;
• Protocolos de roteamento comuns: OSPF, RIP

Conteúdo da tabela de roteamento:

• Endereço de destino
• Máscara
• Interface de saída
• Próximo salto (next hop)

Conclusão

Vimos então, no artigo de hoje, como funciona o endereçamento IP e a máscara de sub-rede em uma rede de dados e como o computador interpreta os valores que identificamos em notação decimal. Vimos ainda que em uma rede padrão, existem endereços reservados para a própria rede e para o serviço de broadcast. Também vimos como converter um IP decimal para binário e como calcular os valores de bits e bytes de um endereçamento.

Vimos ainda as classes de IP existentes, desde as classes padrões até as classes especiais e privadas.

Aprendemos a usar máscara de rede padrão mas também aprendemos a calcular máscaras de sub-rede.

Vimos a função de um roteador e uma rede de dados e, em visão geral, como funciona o processo de roteamento.

Te espero no próximo artigo quando falarei do protocolo Ethernet. Até lá!