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 255.255.255.0: A matemática das máscaras de rede

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MensagemAssunto: 255.255.255.0: A matemática das máscaras de rede   Qua Jan 26 2011, 15:01

Introdução

Mesmo aqueles que não são familiarizados com redes, número IP, já se depararam com este item de configuração: máscara de rede.

Sem dúvida que a mais usada, mais conhecida, é a máscara 255.255.255.0, tanto que muitos nem se quer sabem que ela pode ser outro valor e não apenas este. Poucos também sabem o que este número "mágico" significa, o que ele representa e quão importante ele é para uma rede. E mais, o quão desastroso pode ser se ele estiver errado, não em conformidade com a real configuração de uma rede local.

Neste artigo procuro descrever tecnicamente o princípio existente na composição da máscara de rede, o que ele representa e para que serve. Faço um comparativo com o antigo roteamento baseado em Classes de IP e porque isto ele abandonado.

Se você é do tipo que sente arrepios quando ouve falar de operações bit a bit, como AND, OR ou XOR, prepare-se: as máscaras de rede tem tudo a ver com escovação de bits. Leitura não recomendada para alérgicos binários.

Tudo é uma questão de roteamento

Você sabia que um número IP não serve para realizar a comunicação entre uma máquina e outra?

Esta frase soa estranha, mas vou explicar o seu contexto: sempre uma máquina conversa com outra ela usa o endereço de enlace dela. Sim, enlace (referência ao modelo TCP/IP de quatro camadas, não o OSI)!

Considerando a rede Ethernet, com a atual Fast Ethernet (100Mbps) como sua maior representante, os endereços de hardware das placas de rede são constituídos de 48 bits (sendo que os primeiros 24 dizem qual o fabricante da placa de rede). É o número em HEXA que você vê quando executa um ifconfig, algo como 00:50:56:C0:00:06. Claro que todo mundo que já configurou um servidor DHCP sabe bem o que é este número.

Pois bem, a comunicação é realizada colocando-se o endereço de hardware do destino no pacote, determinando que este pacote deve ser entregue a máquina cujo endereço de placa de rede é o 00:50:56:C0:00:06. O problema é que isto só funciona em rede local, pois a origem precisa antecipadamente conhecer o MAC ADDRESS do destino e para isto que serve o protocolo ARP (que não irei descrever aqui).

Mas e quando o meu destino não está na mesma rede que eu e não posso colocar o MAC de destino no pacote? É aí que entra o que se chama de roteamento IP.

Analisando o número IP do destino minha máquina verifica que precisa repassá-lo ao gateway, pois o destino não é local. O gateway, por sua vez, compara o Ip de destino com sua tabela de rotas para determinar para onde o pacote vai agora, e assim sucessivamente até que o pacote chegue na rede local do destino, onde finalmente o último gateway irá enviar o pacote para o "MAC ADDRESS do destino". Cada etapa do roteamento envolve o MAC address do gateway de saída (este artigo é uma introdução e procura descrever apenas as máscaras e não as tarefas de um roteador).

Costumo aplicar em aula a seguinte analogia: como o CEP dos correios. Ele não serve para determinar a entrega, pois a carta será entregue para a Rua e número de uma determinada cidade. Serve apenas para roteamento, pois analisando o número sabe-se o que fazer com ele. Se estou no RS e o CEP não começa com o dígito 9, então o destino não é RS, pois "9" no início do CEP determina que é algum lugar no RS.

Logo, entendam o contexto quando digo que o número IP não serve para que uma máquina se comunique com outra. Quero dizer que a comunicação é sempre de endereço MAC para endereço MAC e que o número IP serve para determinar o próximo passo de roteamento (esta descrição está incompleta e focada ao objetivo deste artigo. Entender bem a participação dos números IP em uma comunicação envolve compreender a tarefa de cada uma das quatro camadas do modelo TCP/IP. Quem sabe em um próximo artigo?).

Resumindo: IP serve para rotear.

Aí surge, evidentemente, a necessidade de que os números IPS sejam organizados através de uma técnica determinística, que permita a qualquer um saber onde está o destino ou pelo menos, para que lado está. Como na analogia que fiz, o CEP tem esta função, pois se o CEP começa com 9 é Rio Grande do Sul e os demais dígitos dão uma maior precisão sobre a cidade, bairro e até a rua.

Com os números IPs da versão 4 (IPv4) é mais ou menos assim e a primeira organização de IPs foi a organização por classes.

Seu IP é Classe A, Classe B ou Classe C?
Na verdade isto já não importa mais para efeitos de roteamento, mas até 1993 era a forma usada para realizar roteamento IP.

Nesta técnica os ips foram catalogados em Classes, para determinar o roteamento. O objetivo do roteamento por classes era disponibilizar uma forma muito rápida (matematicamente) dos roteadores calcularem o destino. Basicamente determinou-se que dos 32 bits de um número IP, parte dele (alguns bits iniciais) diriam qual a rede de destino e outra parte dele (bits finais) diriam qual o número do host dentro desta rede. Se apenas 8 bits iniciais disserem qual rede é, um roteador só precisa analisar estes 8 bits para determinar o destino e não todos os 32. Sempre visando o menor custo, ainda mais em uma época onde o hardware não é o que temos hoje!

A pergunta importante é: quantos bits dizem qual rede é e quantos bits dizem qual host? Nesta decisão é que entraram as classes:

Classe A: sempre que um número IP começar com 0, é classe A. Genericamente pode-se dizer que um classe A possui o formato:

0XXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX XXXXXXXX


Observe o quanto isto facilitava (não se usa mais ISTO, lembre-se!) as operações de roteamento: se eu sou um roteador classe A e o primeiro bit do IP que devo rotear NÃO FOR ZERO, pronto, pra que olhar os demais bits se já sei que o destino não é aqui? (novamente o CEP: pra que olhar os demais dígitos do CEP se o 9 me diz que é RS e eu sou uma agência de correios de SP?)

Como o primeiro bit será sempre ZERO, isto obriga o primeiro octeto do IP a ser 0XXXX XXXX, o que restringe as possibilidades deste octeto a ser de 0 a 127. Por isto que popularmente se diz que um IP Classe A é o que vai de 0.0.0.0 até 127.255.255.255. Mas isto no popular, pois os roteadores não fazem if (if octeto UM maior que zero e menor que 127, então é classe A), eles fazem operações bit a bit! Se primeiro bit for ZERO, é um classe A.

Sendo um Classe A (primeiro bit em ZERO), os próximos SETE bits dizem qual é a rede e os demais qual o HOST dentro desta rede:

0RRRRRRR HHHHHHHH HHHHHHHH HHHHHHHH


Veja, a definição da classe determina a quantidade de bits para rede. No caso de um classe A, tem-se sete bits para rede e 24 para host. Quem adquiria uma faixa Classe A para si (grandes empresas) podia suprir até 2^24 hosts, algo próximo de 16 milhões de máquinas. Coisa para poucos, pois existiam apenas 127 redes deste tipo no mundo (novamente, estou simplificando para não fugir do foco, embora os números não sejam exatamente estes por conta de reservas de ips, números de rede e broadcast).

Classe B: sempre que um número IP começar com 10, é classe B e sendo desta classe, os próximos 14 bits é que dizem que rede é, sobrando os últimos 16 para determinar qual a host:

10RRRRRR RRRRRRRR HHHHHHHH HHHHHHHH


Com 16 bits para host, cada rede poderia ter até 65536 hosts (simplificando!!) e um total de 16384 redes classe B existem (2 elevado na 14).

Classe C: sempre que um número IP começar com 110, é classe C e sendo desta classe, os próximos 21 bits é que dizem que rede é, sobrando os últimos 8 para determinar qual a host:

110RRRRR RRRRRRRR RRRRRRR HHHHHHHH


Com isto cada rede pode ter até 256 ips e muitas redes deste tipo existiram (em torno de 2 milhões).

Ainda existe o Classe D (começa com 1110) reservado para tráfego multicast (ainda usado) e o Classe E (1111) reservado para uso futuro. Como para uso normal, unicast, tem-se apenas o classe A, B e C, o último ip válido ainda hoje é o que começa com 223 (224 já é classe D).

Roteamento baseado em Classes de IP

OK, certo. Mas para que servia esta divisão por classes, que REPITO, não se usa mais?

Como o número de bits, que determinam o que é rede, variava, a Classe determinava quantos bits o roteador deve avaliar. Observe que o roteador precisa saber a rede de destino para determinar a quem ele envia, assim como uma agência de correio precisa saber a cidade de destino.

Assim, o roteador testava o primeiro bit, se for zero, Classe A, isola os próximos sete bits e joga em sua tabela de rotas. Mas se os primeiros bits fossem 10, então são os próximos 14 bits que devem ser isolados e comparados com a tabela de rotas. Operações binárias agilizam esta operação em muito.

Sem dúvida uma forma de roteamento muito otimizada, tanto que foi ressuscitada no Ipv6 (a idéia, não o modelo de classes). Só que esta técnica amenizou o trabalho dos roteadores que sem muito esforço determinavam o que fazer com o pacote, mas trouxe um gravíssimo problema: a falta de números IPs.

O fato é que uma faixa Classe C possibilita apenas 256 ips, o que é pouco para a maioria das instituições que desejam entrar na Internet. Já um classe A com seus 16 milhões de ips é muito. Logo a preferida da torcida foi a classe B, que rapidamente esgotou-se.

Aliado a este fato, imagine uma instituição que tinha 300 máquinas para por na Internet. Um Classe C não lhe serve. Logo, ele adquire um classe B (se ainda houver). Só que com suas míseras 300 máquinas e um classe B que pode ter 65536 máquinas, ele estaria desperdiçando pouco mais de 65 mil endereços ips!!! Imagine uma empresa que adquiriu um Classe A que permite 16 milhões de ips!

Não precisa ser muito esperto para perceber que isto rapidamente gerou um caos, pois rapidamente esgotou-se os números de ips disponíveis ao passo que se tinha um imenso e lastimável desperdício dos mesmos, mas era o efeito colateral da classificação por classes.

Algo precisou ser feito e a classificação CIDR reorganizou os ips e é nela que existem as tais máscaras de rede.

Classe CIDR

CIDR: Classless Inter-Domain Routing

Como o nome sugere, roteamento livre de classe. Adeus, bye bye classes. Foi uma furada, um tiro no pé. Em 1993 este padrão substitui as classes.

Lembre-se que o número IP versão 4 é dividido em duas partes:

* alguns bits iniciais dizem qual rede é;
* outros bits finais dizem qual a máquina dentro desta rede.

Antes a própria definição de Classe dizia quantos bits era rede e quantos eram host. O que o CIDR fez foi libertar-se desta restrição: não importa de qual classe o IP é, o número de bits de rede não é fixo. Posso ter agora um IP "CLASSE A", mas usando não sete, mas 24 bits para rede e os demais 8 para host, como seria um classe C.

Uma sutil mudança, mas com impactos profundos: o roteador já não sabe, através da análise do IP, quantos bits deve analisar para determinar a rede de destino. Adeus otimização dos cálculos. Roteador vai sofrer um pouco mais com cálculos mais onerosos. Ganha-se em um lado, perde-se em outro.

A pergunta é: se agora o número de bits que determinam qual rede sou não é fixo, como era no modelo por classes, como sei quantos bits devo usar?

Resposta: não sei, preciso sempre ter esta informação. Neste modelo cada máquina precisa saber que ip eu sou e deste meu IP quantos bits são usados para rede e quantos para host.

Cada roteador igualmente tem em sua nova tabela de rotas a informação de rede de destino, quantos bits devem ser usados para rede, e para onde vai. Mais oneroso, como disse (e, claro, suscetível a falhas).

No modelo CIDR a informação de quantos bits são usados para rede é simplesmente representada colocando-se este número ao lado do IP:

Meu IP: 10.1.0.5/24

O /24 determina que são usados os primeiros 24 bits para rede, e que os últimos 8 (o que sobrou) são para host. Cada definição de uma rede IP possui ainda dois números especiais, que não podem ser usados:

* a definição do número da rede;
* e a definição do número de broadcast.

Isto já era assim mesmo no modelo de classes, mas naquela época estes números eram fixos, pois o número de bits para rede era amarrado a qual classe ele pertencia. Agora não, agora estes dois números precisam ser calculados!

Cálculo do número de rede e de broadcast

Define-se como número de rede o primeiro endereço da faixa e como número de broadcast o último. Se tivermos, por exemplo, o IP 10.1.0.5/24 (24 bits para rede):

(10) (1) (0) (5)
0000 1010 0000 0001 0000 0000 0000 0101
<------ 24 bits para rede -----> <- HOST->

O número de rede seria 00001010 00000001 00000000 00000000, ou 10.1.0.0, primeiro IP que seria para host da seqüência.

O número de broadcast seria 0001010 00000001 00000000 11111111, ou 10.1.0.255, último número de host permitido.

Mas como uma máquina calcula este número?

Usando operações binárias, pois elas são rápidas e eficientes. Para calcular o número da rede, faz-se um AND bit a bit do número IP com os números destinados a rede em 1. Se um IP é /24, quer dizer que devem ser usados 24 bits para rede, restando oito para host. Para calcular a rede faz-se um AND com os primeiros 24 bits em 1 e os demais em zero:

(10) (1) (0) (5)
0000 1010 0000 0001 0000 0000 0000 0101
1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000 (24 bits em 1)
0000 1010 0000 0001 0000 0000 0000 0000 (resposta do AND)


Ao realizar este AND bit a bit, chega-se ao número 10.1.0.0 (número da rede).

Agora observe esta fato: se eu fosse ler de forma decimal estes bits que usei para o AND, que número eu tenho?

1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000
(255) (255) (255) (0)


255.255.255.0 lhe soa mais familiar? Por isto o nome “máscara de bits” pois é uma máscara que será usada em uma operação AND para determinar qual a rede.

Para determinar qual é o meu endereço de broadcast, se faz um OR bit a bit com a máscara complementada (invertida, números destinados a rede em ZERO):

(10) (1) (0) (5)
0000 1010 0000 0001 0000 0000 0000 0101
0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 (24 bits em 0)
0000 1010 0000 0001 0000 0000 1111 1111 (resposta do OR)


Sendo agora um OR, o resultado matemático disto será 10.1.0.255.

É isto que acontece nos bastidores, envolvendo a máscara para determinar que rede sou e qual o meu endereço de broadcast. Uma máscara equívoca pode significar o isolamento de uma máquina do resto do mundo, pois ela pode não rotear pacotes corretamente, não usando o gateway quando deveria, por exemplo.

Roteamento baseado em máscara de rede

Cada máquina sabe seu IP, sua máscara e o IP do gateway. A máquina não sabe as máscaras e os ips de outras máquinas, apenas a sua. Logo, ao necessitar comunicar-se com uma máquina cujo o IP é X.Y.K.Z a máquina não tem como saber qual rede este IP é, mas tem como saber se é a mesma rede sua. Isto é suficiente para ela saber se pode enviar diretamente (mesma rede) ou se precisa acionar o gateway para jogar para fora (eu, estando no RS, posso não saber onde é um CEP que começa com "4", mas sei que não é RS, pois estou no RS e aqui ele começa com "9". Basta para eu enviar para outra agência de correio).

Alguns exemplos:

Caso A: origem e destino estão na mesma rede. Maquina A com IP 10.1.0.5/25 deseja conversar com 10.1.0.120 (ela não sabe a máscara do destino!!!).

Máquina A primeiro determina a sua rede aplicando um AND do seu IP com sua máscara, sendo que ela agora é 255.255.255.128, pois um /25 significa 25 bits em 1:

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000
(255) (255) (255) (12


Ela chega a conclusão que pertence a rede 10.1.0.0. Ela faz o mesmo com o IP de destino, aplicando um AND do IP de destino COM A SUA MÁSCARA (única que ela tem):

(10) (1) (0) (120)
0000 1010 0000 0001 0000 0000 0111 1000
1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000 (25 bits em 1)


Como resultado deste AND, chega-se ao cálculo de 10.1.0.0. Como o número calculado para rede é o mesmo, a conclusão é que o destino está aqui, local, basta realizar um ARP e endereçar diretamente o MAC do destino. Nada de gateway.

Caso B: origem e destino não estão na mesma rede. Maquina A com IP 10.1.0.5/25 deseja conversar com 10.1.0.129. Já sabemos que a rede que a máquina A pertence é 10.1.0.0 (veja, pode não ser se a máquina A estiver com a máscara errada!!!)

Ela faz o mesmo com o IP de destino, aplicando um AND do IP de destino COM A SUA MÁSCARA (única que ela tem):

(10) (1) (0) (129)
0000 1010 0000 0001 0000 0000 1000 0001
1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000 (25 bits em 1)
0000 1010 0000 0001 0000 0000 1000 0000 (RESULTADO AND)


Como resultado deste AND, chega-se ao cálculo de 10.1.0.128, que não é mesma rede da máquina A. A conclusão é que o destino não está aqui e preciso repassar o pacote para o gateway (o que o gateway faz deixamos para um próximo artigo).

Se a máquina A estiver com a máscara errada (um /24 quando deveria ser um /25) ela pode ficar isolada de parte da rede, por achar que o destino é rede local quando não é (deveria ter usado o gateway). Da mesma forma se ela é um /25 quando deveria ser um /24 poderá usar o gateway quando não era necessário. A correta configuração de máscara é extremamente importante.

Fonte: vivaolinux

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