Tópico 04 · Camada de Rede

Protocolo IPv4

Endereçamento, datagrama e roteamento na Internet — RFC 791 (1981)

Serviços de Redes

O que é o IPv4 e onde ele atua

O Internet Protocol versão 4 é o protocolo da camada de rede responsável por endereçar e encaminhar pacotes entre redes distintas.

Não orientado a conexão: cada pacote (datagrama) viaja de forma independente.
Melhor esforço (best-effort): não garante entrega, ordem ou ausência de duplicação.
Roteável: permite a comunicação fim a fim atravessando múltiplas redes.

Posição na pilha TCP/IP

Fica acima da camada de enlace (Ethernet/Wi-Fi) e abaixo da camada de transporte. A confiabilidade (entrega garantida, ordem) é delegada ao TCP; o IP só cuida de levar o pacote ao destino.

Endereçamento: 32 bits

Um endereço IPv4 tem 32 bits, escritos em notação decimal pontuada: quatro octetos (0–255) separados por pontos.

192 . 168 . 0 . 10
decimal pontuado

11000000 . 10101000 . 00000000 . 00001010
os mesmos 32 bits, em binário (4 octetos de 8 bits)

Espaço de endereçamento

2³² = 4.294.967.296 endereços possíveis (~4,3 bilhões). Parece muito, mas foi insuficiente para a Internet atual.

Duas partes lógicas

Todo endereço divide-se em parte de rede (identifica a rede) e parte de host (identifica o dispositivo dentro dela). A fronteira é dada pela máscara.

Das classes ao CIDR

Modelo classful (histórico)

Classe	1º octeto	Prefixo	Uso
A	0–127	/8	Redes enormes
B	128–191	/16	Redes médias
C	192–223	/24	Redes pequenas
D	224–239	—	Multicast
E	240–255	—	Reservada/experimental

CIDR (sem classes)

Desde 1993 (RFC 1518/1519), a fronteira rede/host é flexível e indicada pelo prefixo /n — o número de bits de rede. Acaba o desperdício do modelo classful e melhora a agregação de rotas.

Máscara de sub-rede: os n bits 1 marcam a rede; os restantes, o host. /24 = 255.255.255.0.

Sub-redes: a matemática

Com um prefixo /n, restam 32 − n bits para hosts. O número de endereços e de hosts utilizáveis por sub-rede é:

endereços = 2⁽³²⁻ⁿ⁾
hosts úteis = 2⁽³²⁻ⁿ⁾ − 2
# −2: endereço de rede e de broadcast

Por que −2? O primeiro endereço identifica a rede e o último é o broadcast — nenhum dos dois pode ser atribuído a um host.

Exemplo: 192.168.1.0/26

máscara = 255.255.255.192
bits de host = 32 − 26 = 6
tamanho do bloco = 2⁶ = 64
sub-redes: .0 / .64 / .128 / .192

# para o bloco .0:
rede ......... = 192.168.1.0
1º host ...... = 192.168.1.1
último host .. = 192.168.1.62
broadcast .... = 192.168.1.63
hosts úteis .. = 2⁶ − 2 = 62

Endereços especiais e reservados

Faixa / endereço	Nome	Função
10.0.0.0/8 · 172.16.0.0/12 · 192.168.0.0/16	Privados (RFC 1918)	Uso interno; não roteáveis na Internet pública (dependem de NAT).
127.0.0.0/8	Loopback	O próprio host (127.0.0.1 = localhost).
169.254.0.0/16	Link-local / APIPA	Autoconfiguração quando não há DHCP (RFC 3927).
0.0.0.0	Indefinido / rota padrão	"Este host" ou qualquer destino, conforme o contexto.
255.255.255.255	Broadcast limitado	Envia a todos os hosts da rede local.
224.0.0.0/4	Multicast (Classe D)	Entrega a um grupo de hosts assinantes.

Endereços privados + NAT foram uma das principais respostas à escassez de IPv4.

O datagrama IPv4 (cabeçalho)

O cabeçalho tem 20 bytes (sem opções) e até 60 bytes. Cada linha abaixo representa 32 bits:

Os 20 bytes obrigatórios vão da Versão ao Endereço de Destino; as Opções são raras.

Campos do cabeçalho, em detalhe

Campo	Bits	Para que serve
Versão	4	Vale 4 no IPv4.
IHL	4	Tamanho do cabeçalho em palavras de 32 bits (mín. 5 = 20 bytes; máx. 15 = 60 bytes).
DSCP + ECN	8	Qualidade de serviço (priorização) e notificação de congestionamento.
Comprimento Total	16	Cabeçalho + dados, em bytes (até 65.535).
Identificação	16	Identifica os fragmentos de um mesmo datagrama original.
Flags	3	DF (não fragmentar) e MF (há mais fragmentos).
Deslocamento do Fragmento	13	Posição deste fragmento (em unidades de 8 bytes) no datagrama original.
TTL	8	Limite de saltos; evita pacotes em loop eterno.
Protocolo	8	O que vem na carga: 1=ICMP, 6=TCP, 17=UDP.
Checksum do Cabeçalho	16	Detecção de erro apenas no cabeçalho (recalculado a cada salto).
Origem / Destino	32 + 32	Endereços IP do remetente e do destinatário.

Fragmentação e remontagem

Cada enlace tem uma MTU (unidade máxima de transmissão; na Ethernet, 1500 bytes). Se um datagrama é maior que a MTU do próximo enlace, o IPv4 o fragmenta.

Todos os fragmentos compartilham a mesma Identificação.
O bit MF = 1 em todos, exceto no último.
O Deslocamento indica onde cada pedaço se encaixa (em blocos de 8 bytes).
A remontagem ocorre só no destino final.

DF = 1: se o pacote não cabe e não pode ser fragmentado, é descartado e um ICMP avisa a origem — base do Path MTU Discovery.

Exemplo

datagrama = 4000 bytes
MTU = 1500 bytes
# 20 de cabeçalho → 1480 de dados/fragmento
frag 1: dados 0–1479 MF=1 off=0
frag 2: dados 1480–2959 MF=1 off=185
frag 3: dados 2960–3979 MF=0 off=370
# offset em unidades de 8 bytes (1480/8 = 185)

TTL, roteamento e traceroute

O TTL (Time To Live) é um contador de saltos. Cada roteador o decrementa em 1; ao chegar a zero, o pacote é descartado.

Por quê? Sem esse limite, um erro de roteamento poderia fazer um pacote circular para sempre, congestionando a rede.

Como o traceroute usa o TTL

Envia pacotes com TTL = 1, 2, 3, … Cada roteador que zera o TTL responde com ICMP Time Exceeded, revelando, salto a salto, o caminho até o destino.

Roteamento: cada roteador olha o endereço de destino e consulta sua tabela de rotas para decidir a próxima interface — decisão tomada salto a salto, independentemente para cada pacote.

Checksum do cabeçalho

O IPv4 protege apenas o cabeçalho contra erros, com um checksum de complemento de um sobre as palavras de 16 bits do cabeçalho.

1. zera o campo checksum
2. soma todas as palavras de 16 bits
(com "vai-um" circular)
3. checksum = complemento de um da soma

no receptor: soma + checksum = 0xFFFF → ok

Recalculado a cada salto: como o TTL muda em todo roteador, o checksum precisa ser refeito — custo que o IPv6 eliminou ao remover o checksum do cabeçalho.

E os dados? O cabeçalho IP não verifica a carga útil. Essa proteção fica a cargo das camadas superiores (checksum do TCP/UDP).

Encapsulamento e o papel do ARP

Cada camada "embrulha" os dados da camada superior, adicionando seu próprio cabeçalho.

ARP (Address Resolution Protocol): para entregar o quadro ao próximo salto na rede local, o IP de destino precisa ser traduzido para um endereço MAC. O ARP faz essa resolução IP → MAC.

ICMP: o protocolo de diagnóstico

O ICMP (Internet Control Message Protocol) acompanha o IP para reportar erros e diagnosticar a rede. Ele viaja dentro de datagramas IP (protocolo nº 1).

Echo Request/Reply — base do comando ping.
Time Exceeded — TTL zerou (usado no traceroute).
Destination Unreachable — destino/porta inacessível.

ping na prática

O ping mede se um host responde e o tempo de ida e volta (RTT), enviando Echo Requests e aguardando os Replies.

Esgotamento de endereços e soluções

O problema

~4,3 bilhões de endereços não bastam. O pool central da IANA esgotou em 2011, e as regiões esgotaram nos anos seguintes.

Paliativos

CIDR (uso eficiente de blocos), endereços privados (RFC 1918) e NAT, que faz muitos hosts internos compartilharem um IP público.

A solução definitiva

O IPv6, com 128 bits (3,4 × 10³⁸ endereços), elimina a escassez e simplifica o cabeçalho.

Efeito colateral do NAT: quebra o princípio fim a fim (hosts internos não são diretamente alcançáveis), complicando aplicações P2P e exigindo técnicas de NAT traversal.

IPv4 × IPv6 (panorama)

Aspecto	IPv4	IPv6
Tamanho do endereço	32 bits (~4,3 bilhões)	128 bits (~3,4 × 10³⁸)
Notação	Decimal pontuada	Hexadecimal com dois-pontos
Cabeçalho	20–60 bytes, com checksum	40 bytes fixos, sem checksum
Fragmentação	Roteadores e origem	Apenas a origem
Configuração	Manual / DHCP	Autoconfiguração (SLAAC) / DHCPv6
NAT	Onipresente	Em geral desnecessário

IPv4 e IPv6 coexistem hoje (pilha dupla); a transição é gradual.

Síntese

Em resumo

O IPv4 endereça e encaminha pacotes na Internet com 32 bits, em modelo não orientado a conexão e de melhor esforço. Seu datagrama carrega campos essenciais — endereços, TTL, protocolo, flags de fragmentação e checksum do cabeçalho. CIDR, endereços privados e NAT prolongaram sua vida diante da escassez, mas o futuro do crescimento é o IPv6.

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