Protocolo IPv4: Estrutura e Funcionamento

O Protocolo de Internet versão 4 (IPv4) é a quarta versão do protocolo IP e ainda hoje é amplamente utilizado para a identificação de dispositivos em redes de computadores. Criado no início dos anos 1980, o IPv4 desempenha um papel fundamental na comunicação pela Internet, fornecendo endereços únicos para dispositivos conectados. Este artigo explora a estrutura detalhada do IPv4 e o seu funcionamento.

Estrutura do Endereço IPv4

O endereço IPv4 é formado por 32 bits, divididos em quatro blocos de 8 bits, chamados octetos. Cada octeto é separado por pontos na notação decimal, com valores variando de 0 a 255. Isso significa que o IPv4 pode endereçar até cerca de 4,3 bilhões de dispositivos únicos.

Exemplo de endereço IPv4: `192.168.0.1`

Esse endereço seria representado em binário como:

`11000000.10101000.00000000.00000001`

Cada octeto pode ser convertido de decimal para binário e vice-versa, sendo que os 32 bits são usados para identificar tanto a rede quanto o dispositivo (host) dentro da rede.

Classes de Endereços IPv4

Os endereços IPv4 são agrupados em diferentes classes com base na finalidade e no tamanho da rede. As três principais classes usadas para identificação de dispositivos em redes são as classes A, B e C. Cada classe tem uma proporção diferente de bits alocados para a parte da rede e a parte do host.

1. Classe A:

Usada para grandes redes.
O primeiro octeto define a parte da rede, e os três octetos restantes identificam hosts.
Intervalo: `1.0.0.0` a `126.255.255.255`
Máscara de sub-rede padrão: `255.0.0.0`
Número de hosts: Até 16 milhões por rede.

2. Classe B:

Usada para redes de médio porte.
Os dois primeiros octetos identificam a rede, enquanto os dois últimos são dedicados aos hosts.
Intervalo: `128.0.0.0` a `191.255.255.255`
Máscara de sub-rede padrão: `255.255.0.0`
Número de hosts: Até 65 mil por rede.

3. Classe C:

Projetada para redes pequenas.
Os três primeiros octetos são destinados à identificação da rede, e o último octeto é usado para os hosts.
Intervalo: `192.0.0.0` a `223.255.255.255`
Máscara de sub-rede padrão: `255.255.255.0`
Número de hosts: Até 254 por rede.

Além dessas classes, existem:

Classe D (reservada para transmissões multicast).
Classe E (reservada para experimentos e uso futuro).

Máscara de Sub-rede

A máscara de sub-rede é um componente crucial que define como os endereços IPv4 são divididos entre rede e host. A máscara de sub-rede consiste em 32 bits, onde uma sequência contínua de bits "1" é usada para identificar a parte de rede, e uma sequência de bits "0" identifica a parte de host. Por exemplo, a máscara de sub-rede **255.255.255.0** é representada em binário como `11111111.11111111.11111111.00000000`, significando que os primeiros 24 bits são reservados para a parte de rede.

CIDR (Classless Inter-Domain Routing)

A notação CIDR é usada para representar de forma eficiente o endereço IPv4 junto com a máscara de sub-rede. A notação CIDR adiciona uma barra ("/") ao final do endereço IP, seguida pelo número de bits que representam a parte da rede. Por exemplo, `192.168.1.0/24` indica que os primeiros 24 bits do endereço IP são usados para a rede, e os restantes 8 bits são para os hosts.

Endereços Especiais

Além dos endereços normais, o IPv4 define endereços especiais para funções específicas:

Endereço de loopback (`127.0.0.1`): Usado para testar a comunicação interna em um dispositivo.
Endereços de broadcast** (`255.255.255.255`): Usado para enviar pacotes para todos os dispositivos em uma rede.

Endereços privados: Faixas reservadas para uso em redes locais, que não são roteadas na Internet. Exemplos:

Classe A: `10.0.0.0` a `10.255.255.255`
Classe B: `172.16.0.0` a `172.31.255.255`
Classe C: `192.168.0.0` a `192.168.255.255`

Fragmentação de Pacotes

O IPv4 suporta a fragmentação de pacotes, que permite que pacotes maiores sejam divididos em pedaços menores quando necessário. Isso ocorre quando um pacote excede o MTU (Maximum Transmission Unit) de uma rede. Cada fragmento de um pacote contém informações que permitem sua remontagem correta no destino.

Cabeçalho IPv4

Cada pacote de dados enviado pela rede contém um cabeçalho IPv4 que fornece informações essenciais sobre o pacote, como o endereço de origem, o endereço de destino e outros detalhes de controle. O cabeçalho IPv4 tem um tamanho mínimo de 20 bytes e contém campos importantes, como:

Versão: Identifica a versão do IP (IPv4 no caso).
Comprimento do cabeçalho: Tamanho do cabeçalho em palavras de 32 bits.
Tamanho total: Tamanho total do pacote (cabeçalho + dados).
TTL (Time to Live): O número máximo de saltos que o pacote pode realizar antes de ser descartado.
Protocolo: Especifica o protocolo de camada superior (TCP, UDP, ICMP, etc.).
Checksum: Usado para verificar a integridade do cabeçalho.

Limitações do IPv4

Embora o IPv4 tenha sido eficaz durante décadas, ele apresenta algumas limitações que levaram ao desenvolvimento do IPv6. Entre as principais limitações estão:

Escassez de endereços: Com apenas 32 bits, o IPv4 oferece cerca de 4,3 bilhões de endereços únicos, o que não é suficiente para a demanda atual de dispositivos conectados.
Segurança limitada: O IPv4 não foi projetado com segurança em mente. Protocolo como o IPsec foram posteriormente incorporados para fornecer criptografia e autenticação.

IPv6: A Solução para a Escassez de Endereços

Para resolver o problema de escassez de endereços, foi desenvolvido o **IPv6**, que utiliza endereços de 128 bits, oferecendo um número praticamente ilimitado de endereços. No entanto, o IPv4 continua a ser amplamente utilizado, em parte devido à compatibilidade e à infraestrutura existente.

O IPv4 continua sendo a espinha dorsal das redes de comunicação global, com sua estrutura de 32 bits, divisão em classes, e uso de máscaras de sub-rede para gerenciar a identificação de redes e hosts. Embora esteja gradualmente sendo substituído pelo IPv6 devido à escassez de endereços, o IPv4 permanece uma tecnologia vital no funcionamento da Internet e das redes locais.