IPv4 - Guia rápido

Esta era é considerada a era dos computadores. Os computadores mudaram significativamente a maneira como vivemos. Um dispositivo de computação quando conectado a outro (s) dispositivo (s) de computação nos permite compartilhar dados e informações na velocidade da luz.

O que é rede?

Uma rede no mundo dos computadores é considerada uma coleção de hosts interconectados, por meio de alguma mídia compartilhada que pode ser com ou sem fio. Uma rede de computadores permite que seus hosts compartilhem e troquem dados e informações pela mídia. A rede pode ser uma rede local distribuída por um escritório ou uma rede metropolitana distribuída por uma cidade ou uma rede remota que pode ser distribuída por cidades e províncias.

Uma rede de computadores pode ser tão simples quanto dois PCs conectados por meio de um único cabo de cobre ou pode crescer até a complexidade em que todos os computadores neste mundo estão conectados uns aos outros, chamada de Internet. Uma rede então inclui mais e mais componentes para atingir seu objetivo final de troca de dados. Abaixo está uma breve descrição dos componentes envolvidos na rede de computadores -

Hosts- Diz-se que os hosts estão situados na extremidade final da rede, ou seja, um host é uma fonte de informações e outro host será o destino. Fluxos de informação ponta a ponta entre os hosts. Um host pode ser o PC de um usuário, um servidor de internet, um servidor de banco de dados, etc.
Media- Se conectado, pode ser um cabo de cobre, um cabo de fibra ótica e um cabo coaxial. Se for sem fio, pode ser uma frequência de rádio aberta ou alguma banda sem fio especial. As frequências sem fio também podem ser usadas para interconectar sites remotos.
Hub- Um hub é um repetidor multiporta e é usado para conectar hosts em um segmento de LAN. Devido ao baixo rendimento, os hubs raramente são usados. O hub funciona na camada 1 (camada física) do modelo OSI.
Switch- Um switch é uma ponte multiporta e é usado para conectar hosts em um segmento de LAN. Os switches são muito mais rápidos do que os hubs e operam na velocidade do fio. Switch funciona em Layer-2 (Data Link Layer), mas switches Layer-3 (Network Layer) também estão disponíveis.
Router- Um roteador é um dispositivo Layer-3 (Network Layer) que toma decisões de roteamento para os dados / informações enviados para algum destino remoto. Os roteadores são o núcleo de qualquer rede interconectada e da Internet.
Gateways - Um software ou combinação de software e hardware juntos, funciona para a troca de dados entre redes que estão usando protocolos diferentes para compartilhar dados.
Firewall - Software ou combinação de software e hardware, usado para proteger os dados dos usuários de destinatários indesejados na rede / internet.

Em última análise, todos os componentes de uma rede atendem aos hosts.

Endereçamento de host

A comunicação entre hosts pode acontecer apenas se eles puderem se identificar na rede. Em um único domínio de colisão (onde cada pacote enviado no segmento por um host é ouvido por todos os outros hosts), os hosts podem se comunicar diretamente através do endereço MAC.

O endereço MAC é um endereço de hardware de 48 bits codificado de fábrica que também pode identificar exclusivamente um host. Mas se um host deseja se comunicar com um host remoto, ou seja, não no mesmo segmento ou logicamente não conectado, então alguns meios de endereçamento são necessários para identificar o host remoto de forma exclusiva. Um endereço lógico é dado a todos os hosts conectados à Internet e este endereço lógico é chamadoInternet Protocol Address.

A International Standard Organization tem um modelo bem definido para Sistemas de Comunicação conhecido como Open System Interconnection ou o Modelo OSI. Este modelo em camadas é uma visão conceituada de como um sistema deve se comunicar com o outro, usando vários protocolos definidos em cada camada. Além disso, cada camada é designada a uma parte bem definida do sistema de comunicação. Por exemplo, a camada Física define todos os componentes de natureza física, ou seja, fios, frequências, códigos de pulso, transmissão de tensão etc. de um sistema de comunicação.

O modelo OSI tem as seguintes sete camadas -

Application Layer (Layer-7)- É onde fica o aplicativo do usuário que precisa transferir dados entre ou entre hosts. Por exemplo - HTTP, aplicativo de transferência de arquivos (FTP) e correio eletrônico, etc.
Presentation Layer (Layer-6)- Essa camada ajuda a entender a representação de dados de uma forma em um host para outro host em sua representação nativa. Os dados do emissor são convertidos em dados on-the-wire (formato padrão geral) e, no final do receptor, são convertidos para a representação nativa do receptor.
Session Layer (Layer-5)- Esta camada fornece recursos de gerenciamento de sessão entre hosts. Por exemplo, se algum host precisar de uma verificação de senha para acesso e se as credenciais forem fornecidas, a verificação de senha dessa sessão não acontecerá novamente. Essa camada pode auxiliar na sincronização, controle de diálogo e gerenciamento de operações críticas (por exemplo, uma transação bancária online).
Transport Layer (Layer-4)- Esta camada fornece entrega de dados ponta a ponta entre os hosts. Essa camada pega os dados da camada acima e os divide em unidades menores chamadas Segmentos e, em seguida, os entrega à camada de Rede para transmissão.
Network Layer (Layer-3) - Essa camada ajuda a identificar exclusivamente hosts além das sub-redes e define o caminho que os pacotes seguirão ou serão roteados para chegar ao destino.
Data Link Layer (Layer-2)- Esta camada pega os dados brutos de transmissão (sinal, pulsos, etc.) da Camada Física e cria Quadros de Dados e os envia para a camada superior e vice-versa. Essa camada também verifica quaisquer erros de transmissão e os classifica de acordo.
Physical Layer (Layer-1) - Esta camada trata da tecnologia de hardware e do mecanismo de comunicação real, como sinalização, tensão, tipo e comprimento do cabo, etc.

Camada de rede

A camada de rede é responsável por transportar dados de um host para outro. Ele fornece meios para alocar endereços lógicos para hosts e identificá-los exclusivamente usando os mesmos. A camada de rede pega unidades de dados da Camada de Transporte e as divide em uma unidade menor chamada Pacote de Dados.

A camada de rede define o caminho dos dados, os pacotes devem seguir para chegar ao destino. Os roteadores funcionam nessa camada e fornecem um mecanismo para rotear os dados até seu destino.

A maior parte da Internet usa um conjunto de protocolos denominado Internet Protocol Suite, também conhecido como conjunto de protocolos TCP / IP. Este conjunto é uma combinação de protocolos que engloba vários protocolos diferentes para diferentes finalidades e necessidades. Como os dois principais protocolos nesses conjuntos são TCP (Transmission Control Protocol) e IP (Internet Protocol), é comumente denominado como conjunto de protocolos TCP / IP. Este conjunto de protocolos tem seu próprio modelo de referência, que segue na Internet. Em contraste com o modelo OSI, este modelo de protocolos contém menos camadas.

Figure - Descrição comparativa de modelos de referência OSI e TCP / IP

Este modelo é indiferente à implementação de hardware real, ou seja, a camada física do modelo OSI. É por isso que esse modelo pode ser implementado em quase todas as tecnologias subjacentes. As camadas de transporte e Internet correspondem às mesmas camadas de mesmo nível. Todas as três camadas superiores do modelo OSI são compactadas juntas em uma única camada de aplicativo do modelo TCP / IP.

Protocolo de Internet versão 4 (IPv4)

O protocolo da Internet é um dos principais protocolos do conjunto de protocolos TCP / IP. Este protocolo funciona na camada de rede do modelo OSI e na camada de Internet do modelo TCP / IP. Assim, este protocolo tem a responsabilidade de identificar hosts com base em seus endereços lógicos e rotear dados entre eles pela rede subjacente.

O IP fornece um mecanismo para identificar hosts de maneira exclusiva por meio de um esquema de endereçamento IP. O IP usa a entrega de melhor esforço, ou seja, não garante que os pacotes sejam entregues ao host de destino, mas fará o possível para chegar ao destino. O protocolo da Internet versão 4 usa um endereço lógico de 32 bits.

O protocolo da Internet sendo um protocolo da camada 3 (OSI) pega os segmentos de dados da camada 4 (transporte) e os divide em pacotes. O pacote IP encapsula a unidade de dados recebida da camada acima e adiciona às suas próprias informações de cabeçalho.

Os dados encapsulados são chamados de carga de IP. O cabeçalho IP contém todas as informações necessárias para entregar o pacote na outra extremidade.

O cabeçalho IP inclui muitas informações relevantes, incluindo o número da versão, que, neste contexto, é 4. Outros detalhes são os seguintes -

Version- Versão nº do protocolo de Internet usado (por exemplo, IPv4).
IHL- Comprimento do cabeçalho da Internet; Comprimento de todo o cabeçalho IP.
DSCP- Ponto de Código de Serviços Diferenciados; este é o tipo de serviço.
ECN- Notificação explícita de congestionamento; Ele carrega informações sobre o congestionamento visto na rota.
Total Length - Comprimento de todo o pacote IP (incluindo cabeçalho IP e carga útil IP).
Identification- Se o pacote IP for fragmentado durante a transmissão, todos os fragmentos conterão o mesmo número de identificação. para identificar o pacote IP original ao qual pertencem.
Flags- Conforme exigido pelos recursos de rede, se o pacote IP for muito grande para ser manipulado, esses 'sinalizadores' informam se eles podem ser fragmentados ou não. Neste sinalizador de 3 bits, o MSB é sempre definido como '0'.
Fragment Offset - Este deslocamento informa a posição exata do fragmento no pacote IP original.
Time to Live- Para evitar o loop na rede, cada pacote é enviado com algum valor TTL definido, que informa à rede quantos roteadores (saltos) esse pacote pode cruzar. A cada salto, seu valor é diminuído em um e quando o valor chega a zero, o pacote é descartado.
Protocol- Diz à camada de rede no host de destino a qual protocolo esse pacote pertence, ou seja, o protocolo de próximo nível. Por exemplo, o número do protocolo ICMP é 1, TCP é 6 e UDP é 17.
Header Checksum - Este campo é usado para manter o valor da soma de verificação de todo o cabeçalho que é usado para verificar se o pacote foi recebido sem erros.
Source Address - endereço de 32 bits do remetente (ou origem) do pacote.
Destination Address - endereço de 32 bits do receptor (ou destino) do pacote.
Options - Este é um campo opcional, que é usado se o valor de IHL for maior que 5. Essas opções podem conter valores para opções como Segurança, Rota de Registro, Carimbo de data / hora, etc.

O IPv4 oferece suporte a três tipos diferentes de modos de endereçamento. -

Modo de endereçamento Unicast

Neste modo, os dados são enviados apenas para um host de destino. O campo Destination Address contém o endereço IP de 32 bits do host de destino. Aqui, o cliente envia dados para o servidor de destino -

Modo de endereçamento de difusão

Nesse modo, o pacote é endereçado a todos os hosts em um segmento de rede. O campo Endereço de destino contém um endereço de transmissão especial, ou seja,255.255.255.255. Quando um host vê esse pacote na rede, ele é obrigado a processá-lo. Aqui o cliente envia um pacote, que é entretido por todos os servidores -

Modo de endereçamento multicast

Este modo é uma mistura dos dois modos anteriores, ou seja, o pacote enviado não é destinado a um único host nem a todos os hosts do segmento. Neste pacote, o endereço de destino contém um endereço especial que começa com 224.xxx e pode ser entretido por mais de um host.

Aqui, um servidor envia pacotes que são entretidos por mais de um servidor. Cada rede tem um endereço IP reservado para o número de rede que representa a rede e um endereço IP reservado para o endereço de transmissão, que representa todos os hosts nessa rede.

Esquema de endereçamento hierárquico

O IPv4 usa um esquema de endereçamento hierárquico. Um endereço IP, que tem 32 bits de comprimento, é dividido em duas ou três partes, conforme mostrado -

Um único endereço IP pode conter informações sobre a rede e sua sub-rede e, por fim, o host. Este esquema permite que o endereço IP seja hierárquico, onde uma rede pode ter muitas sub-redes que, por sua vez, podem ter muitos hosts.

Máscara de sub-rede

O endereço IP de 32 bits contém informações sobre o host e sua rede. É muito necessário distinguir ambos. Para isso, os roteadores usam máscara de sub-rede, que é tão longa quanto o tamanho do endereço de rede no endereço IP. A máscara de sub-rede também tem 32 bits. Se o endereço IP em binário for AND com sua máscara de sub-rede, o resultado produzirá o endereço de rede. Por exemplo, digamos que o endereço IP seja 192.168.1.152 e a máscara de sub-rede seja 255.255.255.0, então -

Dessa forma, a máscara de sub-rede ajuda a extrair a ID da rede e o host de um endereço IP. Pode-se identificar agora que 192.168.1.0 é o número da rede e 192.168.1.152 é o host dessa rede.

Representação Binária

O método do valor posicional é a forma mais simples de converter o valor binário de decimal. O endereço IP é um valor de 32 bits que é dividido em 4 octetos. Um octeto binário contém 8 bits e o valor de cada bit pode ser determinado pela posição do valor do bit '1' no octeto.

O valor posicional dos bits é determinado por 2 elevado à potência (posição - 1), ou seja, o valor de um bit 1 na posição 6 é 2 ^ (6-1) ou seja 2 ^ 5, que é 32. O valor total do octeto é determinado somando o valor posicional dos bits. O valor de 11000000 é 128 + 64 = 192. Alguns exemplos são mostrados na tabela abaixo -

A hierarquia do protocolo da Internet contém várias classes de endereços IP para serem usados com eficiência em várias situações, de acordo com o requisito de hosts por rede. Em termos gerais, o sistema de endereçamento IPv4 é dividido em cinco classes de endereços IP. Todas as cinco classes são identificadas pelo primeiro octeto do endereço IP.

A Internet Corporation for Assigned Names and Numbers é responsável pela atribuição de endereços IP.

O primeiro octeto referido aqui é o mais à esquerda. Os octetos numerados da seguinte forma, representando a notação decimal pontilhada do endereço IP -

O número de redes e o número de hosts por classe podem ser derivados por esta fórmula -

Ao calcular os endereços IP dos hosts, 2 endereços IP são reduzidos porque não podem ser atribuídos aos hosts, ou seja, o primeiro IP de uma rede é o número da rede e o último IP é reservado para IP de transmissão.

Endereço Classe A

O primeiro bit do primeiro octeto é sempre definido como 0 (zero). Assim, o primeiro octeto varia de 1 a 127, ou seja,

Os endereços de classe A incluem apenas IP começando de 1.xxx a 126.xxx apenas. O intervalo de IP 127.xxx é reservado para endereços IP de loopback.

A máscara de sub-rede padrão para o endereço IP da Classe A é 255.0.0.0, o que implica que o endereçamento da Classe A pode ter 126 redes (2 ⁷ -2) e 16777214 hosts (2 ²⁴ -2).

O formato do endereço IP de classe A é, portanto: 0NNNNNNN.HHHHHHHH.HHHHHHHH.HHHHHHHH

Endereço Classe B

Um endereço IP que pertence à classe B tem os primeiros dois bits no primeiro octeto definido como 10, ou seja,

Os endereços IP da Classe B variam de 128.0.xx a 191.255.xx A máscara de sub-rede padrão para a Classe B é 255.255.xx

A classe B tem 16384 (2 ¹⁴ ) endereços de rede e 65534 (2 ¹⁶ -2) endereços de host.

O formato do endereço IP de classe B é: 10NNNNNN.NNNNNNNN.HHHHHHHH.HHHHHHHH

Endereço Classe C

O primeiro octeto do endereço IP de Classe C tem seus primeiros 3 bits definidos como 110, ou seja -

Os endereços IP de classe C variam de 192.0.0.x a 223.255.255.x. A máscara de sub-rede padrão para a Classe C é 255.255.255.x.

A classe C fornece 2097152 (2 ²¹ ) endereços de rede e 254 (2 ⁸ -2) endereços de host.

O formato do endereço IP de classe C é: 110NNNNN.NNNNNNNN.NNNNNNNN.HHHHHHHH

Endereço Classe D

Os primeiros quatro bits do primeiro octeto em endereços IP de Classe D são definidos como 1110, fornecendo um intervalo de -

A classe D tem um intervalo de endereços IP de 224.0.0.0 a 239.255.255.255. A classe D é reservada para multicast. No multicast, os dados não se destinam a um determinado host, por isso não há necessidade de extrair o endereço do host do endereço IP, e a Classe D não possui nenhuma máscara de sub-rede.

Endereço Classe E

Esta classe de IP é reservada para fins experimentais apenas para P&D ou estudo. Os endereços IP nesta classe variam de 240.0.0.0 a 255.255.255.254. Como a Classe D, esta classe também não está equipada com nenhuma máscara de sub-rede.

Cada classe de IP é equipada com sua própria máscara de sub-rede padrão que limita essa classe de IP para ter um número prefixado de Redes e um número prefixado de Hosts por rede. O endereçamento Classful IP não fornece nenhuma flexibilidade de ter menos número de hosts por rede ou mais redes por classe de IP.

CIDR ou Classless Inter Domain Routingfornece a flexibilidade de pegar emprestados bits da parte do host do endereço IP e usá-los como rede na rede, chamada de sub-rede. Ao usar sub-redes, um único endereço IP de Classe A pode ser usado para ter sub-redes menores que fornecem melhores recursos de gerenciamento de rede.

Sub-redes Classe A

Na Classe A, apenas o primeiro octeto é usado como identificador de rede e o restante dos três octetos são usados para serem atribuídos a hosts (ou seja, 16777214 hosts por rede). Para fazer mais sub-rede na Classe A, bits da parte do Host são emprestados e a máscara de sub-rede é alterada de acordo.

Por exemplo, se um MSB (bit mais significativo) é emprestado dos bits de host do segundo octeto e adicionado ao endereço de rede, ele cria duas sub-redes (2 ¹ = 2) com (2 ²³ -2) 8388606 hosts por sub-rede.

A máscara de sub-rede é alterada de acordo para refletir a sub-rede. Dada a seguir está uma lista de todas as combinações possíveis de sub-redes de Classe A -

Também no caso de sub-redes, o primeiro e o último endereço IP de cada sub-rede é usado para o número da sub-rede e o endereço IP de transmissão da sub-rede, respectivamente. Como esses dois endereços IP não podem ser atribuídos a hosts, a sub-rede não pode ser implementada usando mais de 30 bits como bits de rede, o que fornece menos de dois hosts por sub-rede.

Sub-redes Classe B

Por padrão, usando Classful Networking, 14 bits são usados como bits de rede, fornecendo (2 ¹⁴ ) redes 16384 e (2 ¹⁶ -2) 65534 hosts. Os endereços IP de classe B podem ser divididos em sub-redes da mesma maneira que os endereços de classe A, tomando emprestados bits dos bits do host. Abaixo são fornecidas todas as combinações possíveis de sub-redes Classe B -

Sub-redes de classe C

Os endereços IP de classe C são normalmente atribuídos a uma rede de tamanho muito pequeno porque ela só pode ter 254 hosts em uma rede. Dada abaixo está uma lista de todas as combinações possíveis de endereços IP de Classe B em sub-rede -

Os provedores de serviços de Internet podem enfrentar uma situação em que precisam alocar sub-redes IP de tamanhos diferentes de acordo com a necessidade do cliente. Um cliente pode solicitar uma sub-rede Classe C de 3 endereços IP e outro pode solicitar 10 IPs. Para um ISP, não é viável dividir os endereços IP em sub-redes de tamanho fixo; em vez disso, ele pode querer dividir as sub-redes de forma que resulte em desperdício mínimo de endereços IP.

Por exemplo, um administrador possui rede 192.168.1.0/24. O sufixo / 24 (pronunciado como "barra 24") informa o número de bits usados para o endereço de rede. Neste exemplo, o administrador possui três departamentos diferentes com diferentes números de hosts. O departamento de vendas tem 100 computadores, o departamento de compras tem 50 computadores, o departamento de contas tem 25 computadores e o departamento de gerenciamento tem 5 computadores. No CIDR, as sub-redes são de tamanho fixo. Usando a mesma metodologia, o administrador não pode cumprir todos os requisitos da rede.

O procedimento a seguir mostra como o VLSM pode ser usado para alocar endereços IP do departamento, conforme mencionado no exemplo.

Passo 1

Faça uma lista de sub-redes possíveis.

Passo 2

Classifique os requisitos de IPs em ordem decrescente (do mais alto para o mais baixo).

Vendas 100
Compra 50
25 contas
Gestão 5

Etapa 3

Aloque a faixa mais alta de IPs para o requisito mais alto, então vamos atribuir 192.168.1.0 / 25 (255.255.255.128) ao departamento de vendas. Esta sub-rede IP com número de rede 192.168.1.0 tem 126 endereços IP de host válidos que satisfazem os requisitos do departamento de vendas. A máscara de sub-rede usada para esta sub-rede tem 10000000 como o último octeto.

Passo 4

Aloque o próximo intervalo mais alto, então vamos atribuir 192.168.1.128 / 26 (255.255.255.192) ao departamento de Compras. Esta sub-rede IP com número de rede 192.168.1.128 tem 62 endereços IP de host válidos que podem ser facilmente atribuídos a todos os PCs do departamento de compras. A máscara de sub-rede usada tem 11000000 no último octeto.

Etapa - 5

Aloque o próximo intervalo mais alto, ou seja, contas. O requisito de 25 IPs pode ser atendido com a sub-rede 192.168.1.192 / 27 (255.255.255.224) IP, que contém 30 IPs de host válidos. O número da rede do departamento de contas será 192.168.1.192. O último octeto da máscara de sub-rede é 11100000.

Etapa - 6

Aloque o próximo intervalo mais alto para a Administração. O departamento de gerenciamento contém apenas 5 computadores. A sub-rede 192.168.1.224 / 29 com a máscara 255.255.255.248 tem exatamente 6 endereços IP de host válidos. Portanto, isso pode ser atribuído ao Gerenciamento. O último octeto da máscara de sub-rede conterá 11111000.

Usando o VLSM, o administrador pode criar uma sub-rede na sub-rede IP de forma que o menor número de endereços IP seja desperdiçado. Mesmo depois de atribuir IPs a cada departamento, o administrador, neste exemplo, ainda fica com muitos endereços IP, o que não era possível se ele tivesse usado o CIDR.

Existem alguns espaços de endereço IPv4 reservados que não podem ser usados na Internet. Esses endereços têm um propósito especial e não podem ser roteados para fora da rede local.

Endereços IP privados

Cada classe de IP, (A, B e C) tem alguns endereços reservados como endereços IP privados. Esses IPs podem ser usados em uma rede, campus, empresa e são privados para ela. Esses endereços não podem ser roteados na Internet, portanto, os pacotes que contêm esses endereços privados são descartados pelos roteadores.

Para se comunicar com o mundo externo, esses endereços IP devem ser traduzidos para alguns endereços IP públicos usando o processo NAT ou o servidor Web Proxy pode ser usado.

O único propósito de criar um intervalo separado de endereços privados é controlar a atribuição de um pool de endereços IPv4 já limitado. Ao usar um intervalo de endereços privados dentro da LAN, o requisito de endereços IPv4 diminuiu significativamente em todo o mundo. Também ajudou a retardar o esgotamento dos endereços IPv4.

A classe IP, embora use o intervalo de endereços privados, pode ser escolhida de acordo com o tamanho e os requisitos da organização. Organizações maiores podem escolher o intervalo de endereços IP privados da classe A, enquanto as organizações menores podem optar pela classe C. Esses endereços IP podem ser subdivididos e atribuídos a departamentos de uma organização.

Endereços IP de loopback

O intervalo de endereços IP 127.0.0.0 - 127.255.255.255 é reservado para loopback, ou seja, um endereço próprio do Host, também conhecido como endereço do host local. Esse endereço IP de loopback é gerenciado inteiramente pelo sistema operacional e dentro dele. Os endereços de loopback permitem que os processos do servidor e do cliente em um único sistema se comuniquem entre si. Quando um processo cria um pacote com endereço de destino como endereço de loopback, o sistema operacional faz um loop de volta para si mesmo sem ter nenhuma interferência da NIC.

Os dados enviados em loopback são encaminhados pelo sistema operacional para uma interface de rede virtual dentro do sistema operacional. Esse endereço é usado principalmente para fins de teste, como arquitetura cliente-servidor em uma única máquina. Fora isso, se uma máquina host pode executar ping com êxito em 127.0.0.1 ou em qualquer IP do intervalo de loopback, significa que a pilha de software TCP / IP na máquina foi carregada e funcionando com sucesso.

Endereços locais de link

Caso um host não seja capaz de adquirir um endereço IP do servidor DHCP e não tenha sido atribuído nenhum endereço IP manualmente, o host pode atribuir a si mesmo um endereço IP de um intervalo de endereços locais Link reservados. O endereço local do link varia de 169.254.0.0 a 169.254.255.255.

Suponha um segmento de rede onde todos os sistemas estão configurados para adquirir endereços IP de um servidor DHCP conectado ao mesmo segmento de rede. Se o servidor DHCP não estiver disponível, nenhum host no segmento será capaz de se comunicar com qualquer outro. O Windows (98 ou posterior) e o Mac OS (8.0 ou posterior) suportam esta funcionalidade de autoconfiguração do endereço IP local de link. Na ausência do servidor DHCP, cada máquina host escolhe aleatoriamente um endereço IP do intervalo mencionado acima e, a seguir, verifica para verificar por meio de ARP, se algum outro host também não se configurou com o mesmo endereço IP. Uma vez que todos os hosts estão usando endereços locais de link do mesmo intervalo, eles podem se comunicar uns com os outros.

Esses endereços IP não podem ajudar o sistema a se comunicar quando eles não pertencem ao mesmo segmento físico ou lógico. Esses IPs também não são roteáveis.

Este capítulo descreve como a comunicação real acontece na rede usando o protocolo da Internet versão 4.

Fluxo de pacotes na rede

Todos os hosts no ambiente IPv4 são atribuídos a endereços IP lógicos exclusivos. Quando um host deseja enviar alguns dados para outro host na rede, ele precisa do endereço físico (MAC) do host de destino. Para obter o endereço MAC, o host transmite uma mensagem ARP e pede para fornecer o endereço MAC de quem quer que seja o proprietário do endereço IP de destino. Todos os hosts nesse segmento recebem o pacote ARP, mas apenas o host que tem seu IP correspondente ao da mensagem ARP responde com seu endereço MAC. Depois que o remetente recebe o endereço MAC da estação receptora, os dados são enviados na mídia física.

Caso o IP não pertença à sub-rede local, os dados são enviados ao destino por meio do Gateway da sub-rede. Para entender o fluxo de pacotes, devemos primeiro entender os seguintes componentes -

MAC Address- O endereço de controle de acesso à mídia é o endereço físico codificado de fábrica de 48 bits do dispositivo de rede que pode ser identificado de maneira exclusiva. Este endereço é atribuído pelos fabricantes do dispositivo.
Address Resolution Protocol- O protocolo de resolução de endereço é usado para adquirir o endereço MAC de um host cujo endereço IP é conhecido. ARP é um pacote de transmissão que é recebido por todos os hosts no segmento de rede. Mas apenas o host cujo IP é mencionado no ARP responde a ele fornecendo seu endereço MAC.
Proxy Server- Para acessar a Internet, as redes usam um servidor proxy que possui um IP público atribuído. Todos os PCs solicitam o Servidor Proxy para um Servidor na Internet. O Servidor Proxy em nome do PCS envia a solicitação ao servidor e quando recebe uma resposta do Servidor, o Servidor Proxy a encaminha para o PC cliente. Esta é uma forma de controlar o acesso à Internet em redes de computadores e ajuda a implementar políticas baseadas na web.
Dynamic Host Control Protocol- DHCP é um serviço pelo qual um host recebe um endereço IP de um pool de endereços predefinidos. O servidor DHCP também fornece informações necessárias, como IP do gateway, endereço do servidor DNS, concessão atribuída com o IP, etc. Usando os serviços DHCP, um administrador de rede pode gerenciar a atribuição de endereços IP com facilidade.
Domain Name System- É muito provável que um usuário não saiba o endereço IP de um servidor remoto ao qual deseja se conectar. Mas ele sabe o nome atribuído a ele, por exemplo, tutorialpoints.com. Quando o usuário digita o nome de um servidor remoto ao qual deseja se conectar, o host local atrás das telas envia uma consulta DNS. O Sistema de Nomes de Domínio é um método para adquirir o endereço IP do host cujo Nome de Domínio é conhecido.
Network Address Translation- Quase todos os PCs em uma rede de computadores são atribuídos a endereços IP privados que não são roteáveis na Internet. Assim que um roteador recebe um pacote IP com um endereço IP privado, ele o descarta. Para acessar servidores em endereços público-privados, as redes de computadores usam um serviço de tradução de endereços, que traduz entre endereços públicos e privados, denominado Network Address Translation. Quando um PC envia um pacote IP de uma rede privada, o NAT altera o endereço IP privado pelo endereço IP público e vice-versa.

Agora podemos descrever o fluxo de pacotes. Suponha que um usuário deseja acessar www.TutorialsPoint.com de seu computador pessoal. Ela tem conexão com a Internet de seu ISP. As etapas a seguir serão executadas pelo sistema para ajudá-la a chegar ao site de destino.

Etapa 1 - Adquirir um endereço IP (DHCP)

Quando o PC do usuário é inicializado, ele procura um servidor DHCP para adquirir um endereço IP. Para o mesmo, o PC envia uma transmissão DHCPDISCOVER que é recebida por um ou mais servidores DHCP na sub-rede e todos respondem com DHCPOFFER que inclui todos os detalhes necessários, como IP, sub-rede, Gateway, DNS, etc. O PC envia DHCPREQUEST pacote para solicitar o endereço IP oferecido. Finalmente, o DHCP envia um pacote DHCPACK para informar ao PC que ele pode manter o IP por um determinado período de tempo conhecido como concessão de IP.

Como alternativa, um PC pode ser atribuído a um endereço IP manualmente sem a ajuda do servidor DHCP. Quando um PC está bem configurado com detalhes de endereço IP, ele pode se comunicar com outros computadores em toda a rede habilitada para IP.

Etapa 2 - Consulta DNS

Quando um usuário abre um navegador da web e digita www.tutorialpoints.com que é um nome de domínio e um PC não entende como se comunicar com o servidor usando nomes de domínio, então o PC envia uma consulta DNS na rede para obter o endereço IP pertencente ao nome de domínio. O servidor DNS pré-configurado responde à consulta com o endereço IP do nome de domínio especificado.

Etapa 3 - Solicitação ARP

O PC descobre que o endereço IP de destino não pertence ao seu próprio intervalo de endereços IP e deve encaminhar a solicitação ao Gateway. O Gateway neste cenário pode ser um roteador ou um servidor proxy. Embora o endereço IP do Gateway seja conhecido pela máquina cliente, os computadores não trocam dados em endereços IP, em vez disso, eles precisam do endereço de hardware da máquina, que é o endereço MAC codificado de fábrica da Camada-2. Para obter o endereço MAC do Gateway, o PC cliente transmite uma solicitação ARP dizendo "Quem possui este endereço IP?" O Gateway em resposta à consulta ARP envia seu endereço MAC. Ao receber o endereço MAC, o PC envia os pacotes para o Gateway.

Um pacote IP tem endereços de origem e destino e conecta o host com um host remoto de forma lógica, enquanto os endereços MAC ajudam os sistemas em um único segmento de rede a transferir dados reais. É importante que os endereços MAC de origem e destino mudem à medida que viajam pela Internet (segmento por segmento), mas os endereços IP de origem e destino nunca mudam.

O protocolo da Internet versão 4 foi projetado para ser alocado para aprox. quase 4,3 bilhões de endereços. No início da Internet, esse era considerado um espaço de endereço muito mais amplo, com o qual não havia nada com que se preocupar.

O súbito crescimento de usuários da Internet e seu uso generalizado aumentaram exponencialmente o número de dispositivos que precisam de um IP real e exclusivo para se comunicar. Gradualmente, um IPS é exigido por quase todos os equipamentos digitais que foram feitos para facilitar a vida humana, como telefones celulares, carros e outros dispositivos eletrônicos. O número de dispositivos (além de computadores / roteadores) expandiu a demanda por endereços IP extras, que não foram considerados anteriormente.

A alocação de IPv4 é gerenciada globalmente pela Autoridade para Atribuição de Números da Internet (IANA), em coordenação com a Corporação da Internet para Nomes e Números Atribuídos (ICANN). A IANA trabalha em estreita colaboração com os Registros Regionais da Internet, que por sua vez são responsáveis pela distribuição eficiente dos endereços IP em seus territórios. Existem cinco RIRS. De acordo com os relatórios da IANA, todos os blocos de endereços IPv4 foram alocados. Para lidar com a situação, as seguintes práticas estavam sendo feitas -

Private IPs − Poucos blocos de IPs foram declarados para uso privado dentro de uma LAN para que a necessidade de endereços IP públicos possa ser reduzida.
NAT − A tradução de endereços de rede é um mecanismo pelo qual vários PCs / hosts com endereços IP privados podem acessar usando um ou alguns endereços IP públicos.
IPs públicos não utilizados foram reclamados por RIRs.

Protocolo de Internet v6 (IPv6)

IETF (Internet Engineering Task Force) redesenhou os endereços IP para mitigar as desvantagens do IPv4. O novo endereço IP é a versão 6, que é um endereço de 128 bits, pelo qual cada centímetro da Terra pode receber milhões de endereços IP.

Hoje, a maioria dos dispositivos rodando na Internet está usando IPv4 e não é possível transferi-los para IPv6 nos próximos dias. Existem mecanismos fornecidos pelo IPv6, pelos quais IPv4 e IPv6 podem coexistir, a menos que a Internet mude totalmente para IPv6 -

Dual IP Stack
Tunelamento (6to4 e 4to6)
Tradução do protocolo NAT