Camada de rede e encaminhamento

A camada de rede responde à pergunta grande: como levar um pacote de qualquer origem a qualquer destino, atravessando redes que ninguém desenhou em conjunto. As respostas são o endereçamento IP, a divisão em sub-redes e os algoritmos que preenchem as tabelas dos routers.

Endereços IP e máscaras

Um endereço IPv4 tem 32 bits, escritos como quatro números decimais, por exemplo 192.168.1.20. A máscara diz que parte identifica a rede e que parte identifica a máquina dentro dela: em 192.168.1.0/24, os primeiros 24 bits são a rede e os últimos 8 bits são as máquinas. O /24 é o comprimento do prefixo, e a máscara em decimal é 255.255.255.0.

Cada sub-rede reserva dois endereços: o primeiro identifica a própria rede e o último é o endereço de difusão (broadcast), que fala com todas as máquinas da sub-rede. Numa /24 há $2^8 = 256$ endereços menos estes dois, ou seja 254 máquinas utilizáveis.

Dividir uma rede em sub-redes

Pegar na rede 192.168.1.0/24 e parti-la em 4 sub-redes iguais pede 2 bits emprestados à parte das máquinas: o prefixo passa a /26 e a máscara a 255.255.255.192. Cada sub-rede fica com $2^6 = 64$ endereços, 62 utilizáveis. A tabela fica assim:

Sub-rede	Rede	Utilizáveis	Difusão
1	192.168.1.0/26	192.168.1.1 a 192.168.1.62	192.168.1.63
2	192.168.1.64/26	192.168.1.65 a 192.168.1.126	192.168.1.127
3	192.168.1.128/26	192.168.1.129 a 192.168.1.190	192.168.1.191
4	192.168.1.192/26	192.168.1.193 a 192.168.1.254	192.168.1.255

Confere a segunda: começa em 64 porque cada bloco tem 64 endereços ($0$, $64$, $128$, $192$); o último utilizável é $64 + 62 = 126$ e a difusão é $127$. O método geral é sempre este: $n$ bits emprestados dão $2^n$ sub-redes, e cada bloco começa em múltiplo do seu tamanho.

Na prática, quase ninguém configura isto à mão em cada máquina: o DHCP entrega endereço, máscara, gateway e DNS automaticamente quando te ligas, e o ICMP leva as mensagens de erro e de diagnóstico (o ping e o traceroute falam ICMP).

Como os routers escolhem

Cada router tem uma tabela de encaminhamento com entradas do tipo “para este prefixo, envia pela interface X ao vizinho Y”. Perante um pacote, escolhe a entrada com o prefixo mais longo que contenha o destino: entre 192.168.0.0/16 e 192.168.1.128/26, um pacote para 192.168.1.130 segue a segunda, porque é a mais específica.

As tabelas podem ser escritas à mão (encaminhamento estático, bom para redes pequenas) ou aprendidas por protocolos: vetor de distâncias, onde cada router conta aos vizinhos o que sabe e todos convergem por aproximações sucessivas, e estado de ligação, onde cada router inunda o mapa da rede e todos calculam os caminhos mais curtos localmente. O primeiro é simples e por vezes lento a reagir a falhas; o segundo é rápido e gasta mais memória e processamento. A Internet usa as duas ideias em escalas diferentes.

Ver a regra de ouro da divisão

Para partir uma rede em $k$ sub-redes, escolhe o menor $n$ com $2^n \geq k$ e empresta $n$ bits. Cada sub-rede tem $2^{32 - \text{prefixo}}$ endereços e blocos alinhados a múltiplos desse tamanho. O erro típico é esquecer os dois endereços reservados por sub-rede e contar $64$ máquinas onde só cabem $62$.