Estudo de redes
Três modos de estudar os seis exercícios: um quiz de cinco rodadas, uma pilha de cartões para revisão rápida e a teoria escrita. Modelo OSI, montagem da LAN com Wi-Fi, ligação entre duas redes, tabelas MAC e ARP e a topologia completa.
O modelo OSI é um modelo de referência. Ele divide a comunicação em rede em sete camadas, cada uma com uma responsabilidade própria. A camada de cima usa os serviços da camada de baixo e não precisa saber como ela faz o trabalho. Essa separação é o que permite trocar o cabo por Wi-Fi sem reescrever o navegador, ou trocar o navegador sem mexer no cabo.
Na origem, os dados descem da camada 7 até a camada 1. Cada camada acrescenta o seu próprio cabeçalho, o que se chama encapsulamento. No destino o caminho é inverso: cada camada retira o seu cabeçalho e entrega o conteúdo para a camada de cima. Por isso o nome de cada unidade muda conforme a camada.
É a camada do protocolo que o programa usa para conversar. Não é o programa em si: o navegador é um programa, o HTTP é o protocolo da camada 7. Exemplos: HTTP e HTTPS para páginas, DNS para resolver nomes, SMTP e IMAP para e-mail, FTP e SSH para arquivos e acesso remoto.
Cuida de como os dados estão representados: codificação de caracteres como UTF-8, formatos como JSON e JPEG, compressão e criptografia. O TLS, que transforma HTTP em HTTPS, atua aqui. É a camada que garante que o que uma ponta escreveu a outra consegue interpretar.
Estabelece, mantém, sincroniza e encerra o diálogo entre as duas pontas. É quem sabe que aquelas várias trocas de mensagens pertencem à mesma conversa, e quem retoma de onde parou quando uma transferência longa é interrompida.
Faz a entrega fim a fim entre processos, não entre máquinas. Quem identifica o processo é o número de porta: 80 para HTTP, 443 para HTTPS, 53 para DNS. A camada 4 também quebra os dados em segmentos, controla o fluxo e, no caso do TCP, garante que tudo chegou e na ordem certa. O UDP não garante nada, e por isso é mais rápido e serve para voz, vídeo e jogos.
Faz o endereçamento lógico, com endereço IP, e o roteamento entre redes diferentes. É a camada onde o roteador trabalha. Também é aqui que vive o ICMP, o protocolo usado pelo ping e pelo tracert, e o campo TTL, que impede um pacote de circular para sempre.
Entrega o quadro dentro do mesmo segmento local, usando endereço físico, o MAC. É a camada do switch, do Ethernet e do Wi-Fi. Também faz detecção de erro no quadro. O ARP fica na fronteira entre a camada 3 e a camada 2, porque é ele que traduz IP em MAC.
Transmite os bits como sinal: elétrico no cabo de par trançado, óptico na fibra, ou de rádio no Wi-Fi. Define conectores, pinagem, tensão e taxa de transmissão. Cabo partido, conector mal crimpado e porta queimada são problemas de camada 1.
| Nº | Camada | Função | Unidade | Exemplos |
|---|---|---|---|---|
| 7 | Aplicação | Protocolo do serviço usado pelo programa | Dados | HTTP, DNS, SMTP |
| 6 | Apresentação | Formato, codificação e criptografia | Dados | TLS, JSON, UTF-8 |
| 5 | Sessão | Abre, mantém e encerra o diálogo | Dados | RPC, NetBIOS |
| 4 | Transporte | Entrega fim a fim entre processos, com portas | Segmento | TCP, UDP |
| 3 | Rede | Endereçamento IP e roteamento entre redes | Pacote | IP, ICMP, roteador |
| 2 | Enlace | Entrega local por endereço MAC | Quadro | Ethernet, Wi-Fi, switch |
| 1 | Física | Transmite os bits pelo meio | Bit | Cabo UTP, fibra, RJ-45 |
O OSI é um modelo de estudo. O que roda de fato nas redes é a pilha TCP/IP, que agrupa as camadas 5, 6 e 7 em uma única camada de aplicação, e as camadas 1 e 2 em uma camada de acesso à rede. O OSI continua sendo útil como linguagem comum: dizer que um problema é de camada 3 significa falta de rota ou IP errado, enquanto camada 7 significa que a rede entregou e quem falhou foi a aplicação.
Montar uma rede local tem duas metades. A física trata dos equipamentos e dos cabos: o que se compra e onde se liga. A lógica trata dos endereços e dos serviços: o que se configura em cada máquina. As duas precisam estar certas. Uma rede fisicamente perfeita com IP errado não funciona, e o contrário também vale.
A placa de rede, ou NIC, é a interface que liga o computador ao meio. Pode ser Ethernet, com conector RJ-45, ou Wi-Fi. Um notebook normalmente tem as duas, e nesse caso ele tem dois endereços MAC, um por interface.
O endereço MAC é o identificador físico da placa. Tem 48 bits, escritos como seis pares hexadecimais separados por dois-pontos ou hífen. Ele vem gravado de fábrica e não é configurado pelo usuário.
Existe um MAC especial: FF:FF:FF:FF:FF:FF é o endereço de broadcast da camada 2. Um quadro enviado para ele é entregue a todos os dispositivos do segmento local. O ARP usa esse endereço para perguntar quem tem um determinado IP.
O switch interliga os dispositivos da mesma rede. Ele trabalha na camada 2: recebe um quadro, lê o endereço MAC de destino e encaminha apenas pela porta onde aquele MAC está. Para saber qual porta é qual, ele mantém a tabela MAC, também chamada tabela CAM.
A tabela não é configurada: o switch aprende sozinho. Sempre que um quadro chega, ele lê o MAC de origem e anota que aquele endereço está naquela porta. Veja o aprendizado acontecendo:
As entradas expiram por inatividade, tipicamente em torno de cinco minutos, para que a tabela acompanhe mudanças de lugar dos equipamentos. Em switches gerenciáveis a tabela é consultada com show mac address-table.
O access point cria a rede sem fio. Ele é uma ponte de camada 2: pega o quadro que chegou pelo rádio e o coloca na rede cabeada, e vice-versa. Não roteia, não cria uma rede nova e não precisa de um IP para funcionar como ponte. Um IP de gerência pode existir, mas serve só para administrar o próprio equipamento.
A consequência prática é importante: quem entra pelo Wi-Fi fica na mesma rede lógica de quem está no cabo. Mesma faixa de IP, mesma máscara, mesmo gateway, mesmo domínio de broadcast.
O roteador liga redes diferentes. Ele trabalha na camada 3: olha o endereço IP de destino, consulta a tabela de rotas e decide por qual interface o pacote sai. Cada interface dele tem um IP dentro da rede a que está conectada, e esse IP é o gateway daquela rede.
Um roteador doméstico junta várias funções em uma caixa só: roteador, switch de poucas portas, access point, servidor DHCP e NAT. Em prova, vale separar os papéis.
| Equipamento | Camada | Como decide o encaminhamento | Separa broadcast |
|---|---|---|---|
| Hub | 1 | Não decide: repete o sinal em todas as portas | Não |
| Switch | 2 | Pela tabela MAC: porta do MAC de destino | Não |
| Roteador | 3 | Pela tabela de rotas: rede do IP de destino | Sim |
Cenário do exercício: cinco computadores por cabo e também acesso Wi-Fi para notebooks e celulares. O hardware necessário é este:
A ligação segue esta ordem:
Com os cabos no lugar, a rede ainda não funciona. Falta dar a cada máquina a informação de onde ela está e por onde sai. São estes os elementos.
Identifica o host na camada 3. Dentro de uma mesma rede ele precisa ser único: dois hosts com o mesmo IP causam conflito e os dois ficam instáveis. O IP pode ser fixo, digitado à mão, ou dinâmico, entregue pelo DHCP.
A máscara divide o endereço em duas partes: qual pedaço identifica a rede e qual identifica o host. É ela que responde à pergunta mais importante que o computador faz antes de enviar qualquer coisa: o destino está na minha rede, ou preciso mandar para o roteador? O capítulo 4 mostra essa conta em detalhe.
É o IP do roteador dentro da rede local. Todo pacote destinado a um endereço que não pertence à rede local é entregue a ele. Sem gateway configurado, o host consegue falar com os vizinhos e mais nada, nem internet nem outra rede interna.
Traduz nome em endereço IP. Sem DNS a rede continua funcionando por IP, mas nada resolve por nome. É um sintoma clássico: o ping para 8.8.8.8 responde e o ping para um site falha. Isso aponta DNS, não conectividade.
Distribui automaticamente IP, máscara, gateway e DNS. Evita erro de digitação e IP repetido. O capítulo 7 detalha o funcionamento.
O SSID é o nome da rede sem fio. A segurança, WPA2 ou WPA3, autentica quem entra e cifra o tráfego de rádio. Rede aberta significa que qualquer pessoa no alcance entra e enxerga o tráfego.
Traduz os endereços privados da rede local para o endereço público na saída para a internet. É o que permite dezenas de máquinas usarem um único IP público. O NAT serve para a saída externa, e não deve ser usado entre duas redes internas que precisam se enxergar.
| Parâmetro | Valor | Por quê |
|---|---|---|
| Rede | 192.168.0.0/24 | Faixa privada, 254 hosts, suficiente |
| Gateway | 192.168.0.1 | Primeiro endereço útil, convenção comum |
| Máscara | 255.255.255.0 | Equivale ao prefixo /24 |
| Faixa DHCP | 192.168.0.100 a .200 | Deixa .2 a .99 livres para IP fixo |
| DNS | 192.168.0.1 ou 1.1.1.1 | O próprio roteador ou um DNS público |
| SSID | casa-lan, com WPA3 | Wi-Fi na mesma rede dos cabeados |
Um endereço IPv4 tem 32 bits, escritos como quatro números de 0 a 255 separados por ponto. Cada número ocupa 8 bits e se chama octeto. O endereço sozinho não diz nada: é a máscara que define onde termina a parte de rede e onde começa a parte de host.
A máscara também tem 32 bits. Os bits 1, sempre à esquerda e sem buracos, marcam a parte de rede. Os bits 0, à direita, marcam a parte de host. O prefixo, escrito com barra, é apenas a quantidade de bits 1.
Dado um IP e uma máscara, três valores interessam. O método é sempre o mesmo.
Com /24, os 24 primeiros bits são rede e os 8 últimos são host. Como o corte cai exatamente no fim de um octeto, a conta é direta: o último octeto inteiro é a parte de host.
Aqui o corte cai no meio do último octeto. Com /26 sobram 6 bits de host, e o bloco tem 2 elevado a 6, ou seja, 64 endereços. As redes /26 começam de 64 em 64: 0, 64, 128 e 192.
Com /25 sobram 7 bits de host, e o bloco tem 128 endereços. As redes /25 começam em 0 e em 128.
Quando o prefixo é menor que 24, o corte acontece no terceiro octeto. Com /20, os 4 primeiros bits do terceiro octeto são rede, e os outros 4, mais o quarto octeto inteiro, são host.
| Prefixo | Máscara | Bloco | Hosts válidos |
|---|---|---|---|
| /24 | 255.255.255.0 | 256 | 254 |
| /25 | 255.255.255.128 | 128 | 126 |
| /26 | 255.255.255.192 | 64 | 62 |
| /27 | 255.255.255.224 | 32 | 30 |
| /28 | 255.255.255.240 | 16 | 14 |
| /29 | 255.255.255.248 | 8 | 6 |
| /30 | 255.255.255.252 | 4 | 2 |
10.0.0.0/8, de 10.0.0.0 a 10.255.255.255. Faixa privada grande, comum em empresas.172.16.0.0/12, de 172.16.0.0 a 172.31.255.255. Faixa privada média.192.168.0.0/16, de 192.168.0.0 a 192.168.255.255. Faixa privada típica de casa e escritório.127.0.0.1, o loopback. É a própria máquina, não passa pela rede.169.254.x.x, o APIPA. Se aparecer, o host não recebeu resposta do DHCP e se atribuiu um endereço sozinho. É um sintoma, não uma configuração.Gateway é a porta de saída da rede. Na prática, é o endereço IP de uma interface do roteador dentro daquela rede local. Quando o host precisa falar com alguém que não está na sua rede, ele entrega o pacote ao gateway, e o roteador continua o trabalho dali para a frente.
Antes de enviar qualquer pacote, o host faz uma comparação. Ele aplica a própria máscara ao endereço de destino e compara o resultado com a própria rede.
Na entrega direta o host resolve o MAC do próprio destino por ARP e envia o quadro pelo switch. Na entrega indireta ele resolve o MAC do gateway e envia o quadro para o roteador, mantendo o IP do destino final dentro do pacote.
Na tabela de rotas do host, o gateway aparece como rota padrão, escrita como 0.0.0.0/0. Ela significa qualquer destino que não casou com nenhuma rota mais específica. É sempre a última opção consultada, porque o roteamento escolhe sempre a rota de prefixo mais longo.
Uma rede pode ter mais de um roteador. Três situações aparecem com frequência:
Existem dois endereços em jogo o tempo todo. O endereço IP, da camada 3, é lógico, configurado, e identifica o host na rede. O endereço MAC, da camada 2, é físico, de fábrica, e identifica a placa dentro do segmento local.
A aplicação trabalha com IP: o navegador quer falar com 192.168.1.50. Mas quem entrega de fato é a camada 2, e o quadro Ethernet exige um endereço MAC de destino para ser montado. Falta alguém que ligue uma coisa na outra. Esse alguém é o ARP, o Address Resolution Protocol.
FF:FF:FF:FF:FF:FF, perguntando quem tem o endereço 192.168.1.50.Quando o destino está em outra rede, o host não faz ARP do IP remoto. O ARP usa broadcast, e broadcast não atravessa roteador. O que o host faz é resolver o MAC do gateway.
Cada dispositivo tem a sua própria tabela ARP, guardada na memória do sistema operacional. O roteador também tem, uma por interface. As entradas expiram em minutos, o que faz a rede se recuperar sozinha quando uma placa de rede é trocada.
O DHCP, Dynamic Host Configuration Protocol, entrega automaticamente a configuração de rede para os hosts. Sem ele, cada máquina precisaria de IP, máscara, gateway e DNS digitados à mão, com risco de erro e de endereço repetido.
O processo tem quatro etapas, lembradas pela sigla DORA. Repare que as primeiras acontecem em broadcast, porque o cliente ainda não tem endereço nenhum.
| Etapa | Quem envia | Tipo | O que diz |
|---|---|---|---|
| 1. Discover | Cliente | Broadcast | Existe algum servidor DHCP nesta rede? |
| 2. Offer | Servidor | Broadcast | Tenho este IP disponível, com máscara, gateway e DNS |
| 3. Request | Cliente | Broadcast | Aceito essa oferta e nenhuma outra |
| 4. Ack | Servidor | Unicast | Confirmado, o endereço é seu pelo tempo do lease |
O Request vai em broadcast de propósito: se houver mais de um servidor DHCP na rede, os outros ficam sabendo que a oferta deles foi recusada e liberam o endereço que tinham reservado.
Se nenhum servidor responder, o sistema se atribui um endereço 169.254.x.x, o APIPA. Com ele a máquina fala apenas com outras que também estejam em APIPA, e não tem gateway. Ver um endereço 169.254 no ipconfig é diagnóstico direto: o DHCP não respondeu.
As duas tabelas são confundidas o tempo todo porque as duas guardam endereços MAC. A diferença está em o que cada uma associa e em quem é o dono dela.
| Tabela MAC | Tabela ARP | |
|---|---|---|
| Associa | Endereço MAC a porta física | Endereço IP a endereço MAC |
| Onde fica | Na memória do switch | Na memória de cada host e do roteador |
| Camada | 2 | Entre a 3 e a 2 |
| Como é preenchida | O switch lê o MAC de origem dos quadros que recebe | O host pergunta em broadcast quem tem aquele IP |
| Para que serve | Encaminhar o quadro só pela porta certa | Descobrir qual MAC colocar no quadro |
| Se não existisse | O switch inundaria todas as portas, como um hub | O host não conseguiria montar o quadro |
| Como consultar | show mac address-table | arp -a ou ip neigh |
Cenário: duas redes isoladas, R1 com a faixa 192.168.1.0/24 e R2 com a faixa 192.168.2.0/24. O objetivo é fazer um computador de R1 conversar com um de R2.
Um roteador, ou um switch de camada 3. Switch comum não resolve, porque ele só encaminha dentro do mesmo domínio de broadcast e não toma decisões com base em IP. Como as duas redes têm endereçamento diferente, é obrigatória uma decisão de camada 3.
Este roteiro amarra tudo o que foi visto até aqui. O PC1, 192.168.1.10, quer falar com o PC2, 192.168.2.10.
Teste sempre do mais perto para o mais longe. Assim o primeiro comando que falhar aponta onde está o problema.
Test-NetConnection 192.168.2.10 -Port 8080 no PowerShell.Dentro de R1. Todos os hosts precisam estar na mesma sub-rede e usar a mesma máscara: aplicando a máscara ao IP de cada um, o endereço de rede resultante tem que ser igual para todos. Além disso, nenhum IP pode se repetir, os endereços precisam estar na faixa válida de hosts, que em 192.168.1.0/24 vai de .1 a .254, e o endereço de rede 192.168.1.0 e o de broadcast 192.168.1.255 não podem ser atribuídos.
Entre R1 e R2. As duas precisam ser sub-redes distintas e sem sobreposição de faixas. As faixas 192.168.1.0/24 e 192.168.2.0/24 funcionam. Já 192.168.1.0/24 e 192.168.1.128/25 se sobrepõem, porque a segunda está dentro da primeira, e isso quebra o roteamento: o host conclui que o destino é local, tenta resolver por ARP e nunca entrega o pacote ao roteador. Nenhum IP pode se repetir entre as duas redes, cada host usa o gateway da sua própria rede, e o roteador precisa conhecer uma rota para ambas.
Duas redes locais, ambas com acesso sem fio, dois nós em cada uma, ligadas por um roteador. Ao lado de cada equipamento está a configuração essencial para a rede funcionar.
Rede R1 — 192.168.1.0/24 · gateway 192.168.1.1
Switch SW1
sem IP, camada 2
guarda a tabela MAC
Access point AP1
SSID rede-r1, WPA3
ponte para a LAN, sem IP
PC1, cabo
192.168.1.10/24
GW 192.168.1.1
MAC 00:1A:2B:00:00:11
Note1, Wi-Fi
192.168.1.20/24
GW 192.168.1.1
MAC 00:1A:2B:00:00:12
Rede R2 — 192.168.2.0/24 · gateway 192.168.2.1
Switch SW2
sem IP, camada 2
guarda a tabela MAC
Access point AP2
SSID rede-r2, WPA3
ponte para a LAN, sem IP
PC2, cabo
192.168.2.10/24
GW 192.168.2.1
MAC 00:1A:2B:00:00:21
Smartphone, Wi-Fi
192.168.2.20/24
GW 192.168.2.1
MAC 00:1A:2B:00:00:22
Aprendida sozinha, a partir do MAC de origem dos quadros recebidos.
| Porta | Endereço MAC | Dispositivo |
|---|---|---|
| Fa0/1 | 00:1A:2B:00:00:11 | PC1 |
| Fa0/2 | 00:1A:2B:00:00:12 | Note1, através do AP1 |
| Fa0/24 | 00:1A:2B:00:00:01 | Roteador |
Cada dispositivo tem a sua. O SW2, o roteador e os demais hosts mantêm tabelas próprias.
| Endereço IP | Endereço MAC | Dispositivo |
|---|---|---|
| 192.168.1.1 | 00:1A:2B:00:00:01 | Roteador, o gateway |
| 192.168.1.20 | 00:1A:2B:00:00:12 | Note1 |
Para falar com o PC2, em 192.168.2.10, o PC1 não cria entrada ARP para esse IP. Ele usa o MAC do gateway, porque o ARP não atravessa o roteador.
| Objetivo | Windows | Linux |
|---|---|---|
| Ver IP, máscara e gateway | ipconfig /all | ip addr e ip route |
| Testar alcance de um host | ping destino | ping destino |
| Ver o caminho até o destino | tracert destino | traceroute destino |
| Ver o cache ARP | arp -a | ip neigh |
| Limpar o cache ARP | arp -d * | ip neigh flush all |
| Ver a tabela de rotas | route print | ip route |
| Renovar o IP do DHCP | ipconfig /release e /renew | dhclient -r e dhclient |
| Testar uma porta | Test-NetConnection host -Port n | nc -zv host n |
| Limpar o cache de DNS | ipconfig /flushdns | resolvectl flush-caches |
arp -d.