Nov 5, 20238 min read

Redes Ethernet - Parte 02

Updated: Mar 1

Fundamentos de IPV4

A camada 3 do modelo OSI, rede (network), define como os pacotes do protocolo IP (Internet Protocol) serão entregues, sendo que os pacotes criados em um dispositivo, deve ser entregue corretamente ao dispositivo de destino, esse processo demanda uma cooperação entre uma série de conceitos e por muitas vezes diversos dispositivos (dependendo da localização do host de envio e recebimento).

Apesar de durante vários de anos, vários protocolos de endereçamento roteáveis tenham sido desenvolvidos, o protocolo mais antigo e que predominou foi o protocolo IP, sempre trabalhando com o auxílio do protocolo TCP (que atua na camada de transporte), o protocolo IP possui 2 versões atualmente IPv4 e IPv6, como o protocolo IPv4 é o mais utilizado, principalmente quando tratamos de redes industriais, o foco desse material será ele.

Então, basicamente como falamos de entrega de pacotes, estamos falando de comutação de pacotes sem ligação, ou seja, que atuam sendo enviados de forma independente, trabalhando de forma entregar os pacotes com menor esforço possível, sem a garantia de entrega, sequencia correta ou duplicação, como veremos mais a frente, isso será um trabalho para os protocolos da camada de transporte, com destaque para o TCP.

Sendo o endereçamento IP, o responsável pelo endereço lógico de cada a host da rede (lembre-se que o endereço chamado de físico é o MAC Address, que está na camada 2 no modelo e que já abordamos anteriormente), é dito que cada host de rede recebe um endereço IP, sendo que esse endereço deve ser único, a sua duplicação (um ou mais hosts com o mesmo endereço), irá causar um conflito dentro da rede, esse conflito torna a comunicação entre os hosts com endereços duplicados nula, em redes de computadores, os sistemas operacionais contornam muitas vezes essa falha e a rede, continua funcional para os outros hosts (logicamente equipamentos como switches gerenciáveis ou roteadores podem entender como uma falha grave e parar o tráfego da rede por segurança), nas redes industriais uma duplicação de endereço de IP, ocasiona uma anomalia que impede o fluxo normal de dados na rede.

Uma analogia, muito utilizada para o endereço de IP é o CEP (Zip Code em inglês), ou seja, assim como quando se envia uma carta o CEP direciona o seu caminho e garante a entrega ao destinatário correto, o endereço de IP tem a mesma funcionalidade entregando seu pacote ao endereço pré-determinado.

Por ser um protocolo roteável, isso é pode ser transportado por protocolos de roteamento, isso garante que pacotes IP possam ser entregues a redes diferentes, através de gateways ou roteadores, que são equipamentos ou computadores que roteiam as informações entre uma ou mais redes diferentes.

Endereçamento IPV4

O endereço IP é o endereço lógico do seu host (dispositivo conectado à rede) e único (como já foi mencionado acima) dentro de uma rede.

O endereço IP nada mais é que um número de 32bits, descrito por 4 (quatro) octetos de bits, que são representados em sua forma decimal, exemplo: 192.168.0.1, esse endereço é divido em 2 partes, uma parte identifica a rede e outra identifica o host, dentro dessa mesma rede.

O que difere qual parte do endereço identifica a rede e qual parte identifica o host é a máscara de rede, que iremos tratar mais adiante, nesse momento podemos dizer que o endereço do host tem em seu campo identificador (máscara de rede) todos os bits iguais a zero, para identificar a rede os campos identificadores tem os bits iguais a 1.

Endereços especiais e Classes de endereços

Alguns endereços IP são considerados especiais ou reservados, é uma lista de endereços que possuem algum tipo de funcionalidade, abaixo alguns:

127.0.0.1 – Endereço de Loopback – reservado para testes, esse endereço faz testes na própria interface do host.

255.255.255.255 – Endereço de Broadcast – enviados a todos os equipamentos da rede.

169.254.0.0/16 – APIPA – Automatic Private IP Address, é uma característica do sistema operacional Microsoft Windows, descrito pela RFC3330, no qual quando um servidor DHCP (que fornece endereços de forma automática) não está ativo ou a interface de rede não tem endereço configurado, o sistema operacional designa um endereço de IP dentro da rede APIPA que não esteja sendo usado para garantir uma conexão na rede, essa característica do MS Windows, em virtude da grande força comercial dos sistema operacional desde os anos 90 foi incorporada por outros sistemas (poucos casos de equipamentos industriais conhecidos).

Classes de endereços IP

As classes de endereço IP basicamente se dividem em endereços públicos e privados, um endereço IP público, permite que computadores possam encontrar uns aos outros na Internet, eles são controlados por uma organização sem fins lucrativos chamada ICANN – Internet Corporation for Assigned Names and Numbers.

Os endereços privados não permitem acesso direto à internet, no entanto esse acesso é possível através de mecanismos próprios como o NAT (Network Address Translation), que podem traduzir um endereço privado em um público.

Existem atualmente 5 possíveis classes de endereço IP: A,B,C,D,E.

Classe A: 0.0.0.0 a 127.255.255.255

Classe B: 128.0.0.0 a 191.255.255.255

Classe C: 192.0.0.0 a 223.255.255.255

Classe D: endereços suportar multicast e variam de 224.0.0.0 a 239.255.255.255

Classe E: reservados para uso experimental, e são numerados de 240.0.0.0 a 247.255.255.255

A RFC-1918 define as classes de IP que são consideradas para as redes privadas, ou seja:

Nunca serão utilizadas por uma organização como uma rede pública IP.
Podem ser usadas por organizações que usam NAT quando enviam pacotes através da internet.
Podem ser usadas por organizações que nunca irão enviar pacotes através da internet.

Tabela com os as redes privadas, segundo a RFC1918

Quando falamos das redes ethernet industriais estamos sempre falando de redes privadas, isso é importante salientar.

Uma analogia para entender melhor é que os endereços públicos são os números de celular, público único e acessado por qualquer um e os endereços privados são como os ramais de um PABX de uma empresa, que podem acessar a rede pública através de um equipamento específico que conecta esse endereço privado ao público

Introdução a sub-redes

A sub-rede nada mais é que uma divisão dentro de uma rede lógica baseada no endereço IP, essa subdivisão tem o objetivo de diminuir uma rede grande em várias redes menores, melhorando assim a performance e o gerenciamento da rede afinal, pacotes irão circular em segmentos reduzidos (porém não confundir com os collision domains da camada 2 na rede Ethernet, esses só podem ser dividido com ajuda de switches).

A identificação de uma rede e sua divisão é feita através da máscara de rede ou máscara de sub-rede (subnet mask), essa máscara é geralmente formada por um conjunto da seguinte forma, <rede><host>, com a adição de uma sub-rede a máscara será formada da seguinte forma, <rede><sub-brede><host>.

Para ficar mais fácil de entender, a Classe C de endereços de redes privadas, tem a seguinte notação:

Range: 192.168.0.0 a 192.168.255.255 – Máscara de Rede: 255.255.255.0

Nesse caso digamos que uma rede com endereçamento muito comum de se encontrar, 192.168.0.0 / 255.255.255.0

Podemos identificar a rede e os hosts:

Rede:

255.255.255

192.168.0

Hosts:

0 – Neste caso possui a possibilidade de 256 endereços para host.

Na prática são 254 úteis, pois os endereços 0 e 255 são reservados, o primeiro endereço de cada rede sempre é para identificar a própria rede nesse caso – 0 – e último endereço é sempre o endereço de Broadcast, nesse caso é 255.

Essa pode ser uma rede grande ou pequena, isso irá depender da necessidade em relação ao número de equipamentos a serem conectados.

Uma outra forma de conotação de uma máscara de rede é através da CIDR, que é a Class Interdomain Route, onde ela simplifica indicando a quantidade de bits que são reservados para a rede, lembrando que a divisão são 4 octetos, neste caso uma rede 192.168.0.0/255.255.255.0 é o mesmo que uma rede 192.168.0.0/24

Então o que é a máscara de rede?

Até agora já falamos várias vezes na máscara de rede e que ela define a rede e host, e que é formada por 32 bits na forma decimal, através dela que são feitas as subnets.

A partir desse princípio para um host (dispositivo) comunicar com outro, ambos devem estar na mesma rede (notação decimal nos campos de rede eu máscara de rede iguais).

Escolhendo uma Máscara de Rede

Classful IP Network – Classe complete (cheia) na rede IP, antes de passar por um processo de subnetting (divisão de sub-redes), é um simples grupo de endereços, em outras palavras é a rede em sua classe sem sofrer nenhuma divisão. Neste caso na máscara de rede só existem os campos de rede e host, como já comentado anteriormente. Neste caso:

Os endereços possuem o mesmo valor na denominação de rede
Os endereços têm diferentes valores na denominação de host.

Assim, o tamanho atual da rede é facilmente identificado como mostrado abaixo.

Bom sabendo dessa informação podemos verificar quais são as redes válidas quando estamos falando de full-class

Subnetting

Nada mais é que o processo de criar uma ou mais sub-redes dentro de uma rede class-full, resumindo dividir uma class-full em várias redes, isso é feito através da máscara de rede que como vimos identifica quem é a rede e quem são os hosts, esse tipo de divisão, maximiza o uso dos endereços IPs, criando uma divisão lógica entre hosts/dispositivos, bom vamos entender melhor através de um exemplo.

Digamos que eu tenho 2 células produtivas que dividem a mesma classe de IP e estão interconectadas nos seus meios-físicos (não estou falando de boas práticas para projetar ou planejar a sua rede apenas dando um examplo a grosso modo, boas práticas para projetar e planejar, inclusive a topologia veremos em outros artigos), porém cada uma usa penas 10 endereços de IP, bom para evitar qualquer comunicaçã entre os dispositivos das duas células produtivas.

Uma forma fácil de fazer isso seria dividr a classe de rede em 2 redes, em nesse exemplo teórico iremos dividir a seguinte rede 192.168.0.0 / 255.255.255.0, ficando da seguinte forma:

Para isso vou alterar a minha máscara de rede para 255.255.255.128

E de onde saiu esse valor?

Vamos lá existe um cálculo para isso, vamos lá a rede original suportava 254 endereços úteis, conforme a tabela que vimos anteriormente -

Que nada mais é uma conversão binária e descartando o endereço de rede e o de broadcast, essa conotação tem 24 bits para a rede.

255.255.255.0

11111111.11111111.11111111.00000000

Para a metade: 254/2 = 127 endereços

Convertendo para binário = 01111111, isso significa que eu tenho 7 bits para os hosts, deixando um bit para uma sub-rede

assim a minha mascare de rede seria:

255 255 255 128

11111111.11111111.11111111.10000000

Uma máscara de rede de 25 bits. (CIDR /25)

Agora se eu adiciono um bit a mais para a rede 25 bits

Célula 1:

Endereço de Rede: 192.168.0.0

Endereço de Broadcast: 192.168.0.127

Endereços disponíveis - 192.168.0.1 a 192.168.0.126

Máscara de Rede: 255.255.255.128

Célula 2:

Endereço de Rede: 192.168.0.128

Endereço de Broadcast: 192.168.0.255

Endereços disponíveis - 192.168.0.129 a 192.168.0.254

Máscara de Rede: 255.255.255.128

Como o princípio, básico para a comunicação entre 2 hosts e ambos pertencerem a mesma rede, não haverá comunicação entre as 2 células (pacotes trafegando é outra conversa sobre topologia, etc., para outra oportunidade).

Com a adição de uma sub-rede o formato da máscara fica da seguinte forma: