11 - Datagrama IPv4

O Datagrama IPv4 é a unidade de dados básica da camada de rede. Ele é composto por um Cabeçalho (mínimo de 20 bytes) seguido pelos dados propriamente ditos. Definido pela RFC 791 (1981), o datagrama IPv4 é a PDU (Protocol Data Unit) que transporta informações através da Internet, sendo encapsulado em quadros de Camada de Enlace a cada salto entre roteadores.

1. Estrutura do Cabeçalho IPv4 (RFC 791)

O cabeçalho totaliza 20 bytes fixos (sem opções) e pode chegar a 60 bytes (com IHL=15) quando opções são usadas.

2. Diagrama Visual do Datagrama IPv4

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|Version|  IHL  |    ToS/DSCP   |         Total Length          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|         Identification        |Flags|    Fragment Offset      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  TTL  |    Protocol           |       Header Checksum          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       Source Address                          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Destination Address                       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Options (variable, 0-40 bytes)             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       Payload (Dados L4)                      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Cada linha do diagrama representa 32 bits (4 bytes). O cabeçalho mínimo (IHL=5) ocupa 5 linhas, totalizando 20 bytes. Após o cabeçalho, o payload (segmento TCP/UDP, mensagem ICMP ou dados IGMP) é transportado transparentemente.

3. O Papel do TTL (Time to Live)

O campo TTL é vital para a sobrevivência da rede:

• A cada roteador que o pacote atravessa, o valor do TTL é subtraído em 1.
• Se o TTL chegar a zero, o roteador descarta o pacote e envia uma mensagem de erro ICMP Type 11 (Time Exceeded) para o remetente.
• Isso impede que pacotes fiquem girando para sempre em caso de erro de roteamento.
• Valor típico inicial em Linux: 64; em Windows: 128; em equipamentos Cisco: 255.
• O TTL também é usado propositalmente pela ferramenta traceroute, que envia pacotes com TTL crescente (1, 2, 3...) para mapear a rota.

4. Fragmentação e Montagem

Quando um pacote IP precisa atravessar um link com uma MTU (Maximum Transmission Unit) menor que o tamanho do pacote, ele é fragmentado.

• Os roteadores dividem o pacote original em pedaços menores.
• O host de destino usa o campo Identification e Fragment Offset para remontar o pacote original antes de entregá-lo para a camada de transporte.
• A flag DF (Don't Fragment), quando setada, instrui os roteadores a não fragmentarem; caso o pacote seja maior que a MTU, o roteador descarta e envia ICMP Type 3 Code 4 (Fragmentation Needed), mecanismo usado pelo PMTUD (Path MTU Discovery).
• A flag MF (More Fragments) indica se há mais fragmentos a caminho (MF=1) ou se aquele é o último (MF=0).

Exemplo de Fragmentação

Um datagrama IP de 4000 bytes atravessando uma Ethernet com MTU 1500:

O destino aguarda receber todos os fragmentos (com mesmo Identification) para recompô-los em ordem usando o Fragment Offset.

5. Identificação do Protocolo de Camada Superior

O campo Protocol (8 bits) indica qual protocolo de camada superior está encapsulado no payload:

A lista completa é mantida pela IANA em https://www.iana.org/assignments/protocol-numbers.

6. Campo Options (Opcional)

Embora raramente utilizado na Internet pública, o campo Options permite funcionalidades avançadas:

• Strict Source Route (SSRR, type 137): O emissor define a rota exata que o pacote deve seguir.
• Loose Source Route (LSRR, type 131): O emissor define alguns roteadores pelos quais o pacote deve passar (mas não a rota completa).
• Record Route (type 7): Cada roteador no caminho adiciona seu IP ao campo, permitindo rastrear a rota inversa.
• Timestamp (type 68): Cada roteador adiciona seu IP e o timestamp, útil para medição de delay.

Essas opções são frequentemente bloqueadas em roteadores de borda por motivos de segurança, pois podem ser usadas para mapeamento de rede e ataques de IP spoofing.

7. Tamanho Máximo e MTU

• Limite teórico: 65.535 bytes (campo Total Length de 16 bits).
• MTU Ethernet padrão: 1500 bytes.
• MTU PPPoE: 1492 bytes (devido ao overhead de 8 bytes do PPPoE).
• MTU IPv6 mínimo: 1280 bytes (RFC 8200).
• Jumbo frames (datacenter): 9000 bytes, usado para reduzir overhead.

8. Diferenças em Relação ao Datagrama IPv6

O IPv6 simplifica o cabeçalho, removendo campos como Header Checksum, IHL (cabeçalho fixo de 40 bytes) e Options (substituído por extensões encadeadas). A fragmentação só é feita pela origem, e a identificação de protocolo passa a se chamar Next Header.