PJI11103: Endereçamento IPv4
Como visto em Redes de Computadores e Projeto 2, computadores e equipamentos na Internet (chamados de hosts) precisam ter um identificador único e que seja válido globalmente. Os endereços IP, definidos pelo protocolo da Internet (IP - Internet Protocol) são números de 32 bits que desempenham o papel de identificadores globais. Cada um desses endereços é comumente representado em uma notação decimal, com um número entre 0 e 255 para cada 8 bits. como mostrado na figura a seguir. Com isso, é possível em tese endereçar até hosts na Internet, o que equivale a pouco mais de 4 bilhões de endereços.
Um endereço IP apresentado em notação decimal e em binário
Configuração de endereços
O endereço IP de um host pode ser configurado de forma estática ou dinâmica. No primeiro caso, o usuário predefine o endereço IP no próprio equipamento. No segundo, o equipamento usa um protocolo especial de configuração para obter sua configuração de rede.
Um conjunto de informações são necessárias para que um host consiga efetivamente se comunicar em rede, as quais não se limitam ao endereço IP. Essas informações são:
- Endereço IP e máscara de rede: um host precisa de um endereço para que possa se comunicar com outros hosts. A máscara de rede informa o tamanho da subrede IP em que ele se encontra.
- Rota default (padrão): para se comunicar com hosts de outras subredes, é preciso enviar os pacotes para um roteador que saiba encaminhá-los a seus destinos. O roteador default (ou padrão) é um roteador para quem se destinam todos esses pacotes. Tecnicamente ele corresponde à rota para o destino 0.0.0.0/0.
- Endereço IP do servidor DNS: usuários costumam endereçar hosts e servidores por seus nomes de domínio, e não por seus endereços IP. Isso é muito mais fácil de memorizar do que os endereços numéricos. Como explicado em aula, nomes de domínio são análogos a nomes de assinantes em um catálogo telefônico. No entanto, as aplicações precisam dos endereços IP para se comunicarem. O servidor DNS faz a tradução de nome de domínio para endereço IP, e é usado pelas aplicações transparentemente (isso é, você não percebe que isso ocorre). O endereço desse servidor deve ser configurado em cada host, para que se possam traduzir nomes de domínio.
Configuração estática
A configuração estática envolve um usuário gravar a configuração de rede de forma persistente na memória do host. Cada tipo de equipamento apresenta um procedimento diferente para armazenar a configuração de rede estática. Por exemplo, em computadores com sistema operacional Linux da família Debian (tais como Debian Ubuntu, Mint e muitos outros), a configuração de rede fica armazenada no arquivo /etc/network/interfaces:
iface eth0 inet static
address 10.1.23.19
netmask 255.255.255.0
gateway 10.1.23.254
Em roteadores sem-fio TP-Link WDR 4300, essa configuração de rede pode ser gravada por meio de uma interface web para gerenciamento do equipamento:
Menu Network->LAN da interface web do roteador sem-fio TP-Link WDR4300
E, em roteadores Cisco, a configuração estática é feita por meio de comandos na CLI (Command Line Interface), os quais ficam gravados na memória permanente do roteador.
router# configure terminal
router(config)# interface e0
router(config-if)# ip address 10.1.23.19 255.255.255.0
router(config-if)# exit
router(config)# ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 10.1.23.254
router(config)# exit
router# write memory
router# write terminal
Building configuration...
Current configuration : 472 bytes
!
version 12.3
!
hostname Router
!
interface Ethernet0
ip address 10.1.23.19 255.255.255.0
!
ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 10.1.23.254
Configuração dinâmica
Um host pode obter suas informações de rede dinamicamente por meio do protocolo DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol). Desta forma, não há necessidade de o usuário saber as informações de rede necessárias para configurar corretamente seu equipamento. Isso torna possível também centralizar e automatizar a distribuição de endereços de rede para hosts. Se alguma das informações precisar ser modificada (ex: o roteador default), basta alterá-las no serviço DHCP para que toda a rede seja eventualmente reconfigurada.
A maioria dos equipamentos de usuários vem de fábrica com configuração de rede dinâmica. Isso vale para computadores pessoais, em que os sistemas operacionais detectam as interfaces de rede e as configuram com DHCP, smartphones, tablets, câmeras IP, ATA e telefones IP, impressoras, e possivelmente outros equipamentos. Em computadores pessoais com sistemas operacionais Linux da família Debian, uma interface pode ser configurada dinamicamente se for declarada em /etc/network/interfaces desta forma:
iface eth0 inet dhcp
A configuração de interfaces com DHCP no arquivo /etc/network/interfaces não é o procedimento usual, ao menos não em versões desktop desses sistemas operacionais. Nesses casos, o mais comum é que tal configuração seja feita por um daemon chamado network-manager. Esse daemon implementa um serviço de configuração de rede automática para o computador, e tenta configurar automaticamente todas as interfaces de rede que não foram configuradas em /etc/network/interfaces.
Protocolo DHCP
DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) é um protocolo para obtenção automática de configuração de rede, usado por computadores que acessam fisicamente uma rede. Esses computadores são tipicamente máquinas de usuários, que podem usar a rede esporadicamente (ex: usuários ocm seus laptops, com acesso via rede cabeada ou sem-fio), ou mesmo computadores fixos da rede. O principal objetivo do DHCP é fornecer um endereço IP, a máscara de rede, o endereço IP do roteador default e um ou mais endereços de servidores DNS. Assim, um novo computador que acesse a rede pode obter essa configuração sem a intervenção do usuário.
Para esse serviço pode haver um ou mais servidores DHCP. Um computador que precise obter sua configuração de rede envia mensagens DHCPDISCOVER em broadcast para o port UDP 67. Um servidor DHCP, ao receber tais mensagens, responde com uma mensagem DHCPOFFER também em broadcast, contendo uma configuração de rede ofertada. O computador então envia novamente em broadcast uma mensagem DHCPREQUEST, requisitando o endereço IP ofertado pelo servidor. Finalmente, o servidor responde com uma mensagem DHCPACK, completando a configuração do computador cliente. Como a configuração tem um tempo de validade (chamado de lease time), o cliente deve periodicamente renová-la junto ao servidor DHCP, para poder continuar usando-a. O diagrama abaixo mostra simplificadamente esse comportamento:
Abaixo segue um diagrama de estados detalhado do DHCP, mostrando todas as possíveis transições do protocolo:
O servidor DHCP identifica cada cliente pelo seu endereço MAC. Assim, o DHCP está fortemente relacionado a redes locais IEEE 802.3 (Ethernet) e IEEE 802.11 (WiFi).
Servidor DHCP
Em uma rede local em que hosts devem obter sua configuração de rede dinamicamente, deve haver ao menos um servidor DHCP. Esse serviço costuma estar disponibilizado em equipamentos de rede, tais como pontos de acesso sem-fio e roteadores. Por exemplo, o roteador sem-fio TP-Link WDR 4300 oferece esse serviço, que pode ser configurado e ativado por meio de sua interface de gerenciamento.
Configuração do serviço DHCP na interface web do roteador TP-Link WDR4300
Podem existir mais de um servidor DHCP em uma mesma rede local, porém há que ter um cuidado. As faixas de endereços concedidas por diferentes servidores não podem se sobrepor. Assim, se um servidor DHCP oferece endereços entre 192.168.1.20 e 192.168.1.00, um outro servidor DHCP pode oferecer endereços entre 192.168.1.110 e 192.168.1.200, mas não entre 192.168.1.90 e 192.168.1.150.
Servidores DHCP como esse costumam ser limitados. Com eles se consegue tão somente definir a faixa de endereços IP a ser concedida, o tempo de concessão, o servidor DNS e o roteador default. Porém há muitas outras possibilidades no serviço DHCP, tais como:
- Vincular um endereço IP a um host específico, com base em seu endereço MAC.
- Informar o nome do domínio DNS e o nome do host
- Informar os endereços de uma ou mais impressoras
- Indicar um arquivo de boot a ser usado pelo host
- ...e muitas outras opções !
O uso de um servidor DHCP completamente funcional demanda um programa especial a ser executado em um computador. O software ISC DHCP Server oferece todas as opções DHCP, além de ser altamente configurável. Ele pode ser instalado e executado em um computador com sistemas operacionais Linux, BSD, Solaris, entre outros da família Unix. Esse servidor DHCP é configurado por meio de um arquivo de configuração, cuja localização depende de como o software foi instalado. Em sistemas Ubuntu, em que o servidor DHCP pode ser instalado a partir de um pacote de software chamado isc-dhcp-server, esse arquivo está em /etc/dhcp/dhcpd.conf. Um exemplo simples desse arquivo está a seguir:
# tempos de concessão, em segundos
default-lease-time 600;
max-lease-time 7200;
# Algumas opções de uso comum
option subnet-mask 255.255.255.0;
option broadcast-address 192.168.1.255;
option routers 192.168.1.1;
option domain-name-servers 191.36.8.2, 191.36.8.3;
option domain-name "sj.ifsc.edu.br";
# subrede 192.168.1.0/24 com duas faixas de endereços a serem concedidos:
# 192.168.1.100 a 192.168.1.150
# 192.168.1.190 a 192.168.1.240
subnet 192.168.1.0 netmask 255.255.255.0 {
range 192.168.1.100 192.168.2.150;
range 192.168.1.190 192.168.2.240;
}
Encaminhamento IP
Subredes IP
Uma rota serve para informar como se chega a um determinado destino. Um destino pode ser um único endereço IP, ou uma subrede (que contém um conjunto de endereços IP). Para que um pacote IP chegue a um destino, deve-se transmiti-lo para o próximo roteador em direção a esse destino. Esse próximo roteador também deve conhecer uma rota para tal destino, repetindo o mesmo processo (reveja o experimento com 'traceroute). Ao menos duas informações compõem cada rota:
- O próximo roteador, expressado por um endereço IP: o endereço IP do próximo roteador (também chamado de gateway, que significa portal em inglês), o qual deve pertencer à mesma subrede do equipamento que o especifica em uma rota.
- O destino, que é expressado como uma subrede: Uma subrede é representada por um prefixo de rede e uma máscara. O prefixo são os N bits mais significativos comuns a todos os endereços IP contidos em uma subrede (lembre que um endereço IP tem 32 bits). A máscara informa quantos bits tem o prefixo. A combinação de prefixo de rede e máscara funciona da seguinte forma:
Imagine que exista uma subrede contendo os endereços de 192.168.2.0 até 192.168.2.255. Se representarmos esses endereços em binário, podemos ver que os 24 bits mais significativos são os mesmos para todos os endereços:
A máscara de rede tem a forma de um endereço IP, porém com bits 1 na parte correspondente ao prefixo, e 0 no resto. Assim, para o exemplo acima a máscara de rede é 255.255.255.0. Outra forma de representar a máscara é simplesmente informar o tamanho em bits do prefixo, e no exemplo a máscara seria 24. Juntando o prefixo e a máscara, a subrede pode ser representada de uma destas duas formas:
- 192.168.2.0/255.255.255.0
- 192.168.2.0/24
Agora imagine que o prefixo tenha 28 bits, como mostrado nesta figura:
Por ter um prefixo mais longo, o tamanho dessa subrede é menor. Isso significa que ela contém menos endereços IP, tanto que o primeiro endereço é 192.168.2.0 e o último é 192.168.2.15. Essa subrede poderia ser representada por:
- 192.168.2.0/255.255.255.240
- 192.168.2.0/28
Aproveitando esse exemplo, pode-se mostrar uma outra subrede que, apesar de não parecer, é diferente da anterior:
Essa outra subrede contém endereços entre 192.168.2.16 e 192.168.2.31. Essa subrede poderia ser representada por:
- 192.168.2.16/255.255.255.240
- 192.168.2.16/28