Tema 5: Direccionamiento IP y Servicios de Red

• El Tema 5, se centra en el direccionamiento IP y los servicios de red.
• Los temas incluyen la capa de red, el direccionamiento IP, la seguridad, la configuración de routers, la dirección MAC, los protocolos ARP e ICMP, el protocolo IPv6, el enmascaramiento IP con NAT y los servicios de red como DHCP y DNS, entre otros.

La Capa de Red

• La capa de red se encarga de encaminar los paquetes de datos desde el origen hasta el destino, incluso si esto requiere múltiples saltos entre nodos intermedios.
• La transmisión de información se realiza mediante un diálogo entre entidades homólogas en cada nodo intermedio.
• La capa de transporte mantiene una comunicación directa extremo a extremo, sin interactuar con los nodos intermedios.
• Los nodos intermedios, también conocidos como IMP (Procesadores de Intercambio de Mensajes), routers o encaminadores, deben conocer la topología de la subred y seleccionar las rutas adecuadas.
• Se debe evitar la sobrecarga de líneas y resolver problemas cuando la fuente y el destino están en redes distintas.

Funciones de la Capa de Red

• Obtiene paquetes de la fuente y los encamina por la red.
• Gestiona el paso por nodos intermedios.
• Es la capa más baja que se ocupa de la transmisión extremo a extremo.
• Requiere conocer la topología de la subred y seleccionar la trayectoria apropiada.
• Evita la sobrecarga de las líneas.
• Resuelve problemas cuando la fuente y el destino están en redes diferentes.

Problemas Principales de la Capa de Red

• Servicios proporcionados a la capa de transporte (orientados o no a la conexión).
• Organización interna de la capa de red.
• Comparación entre circuitos virtuales y datagramas.
• Encaminamiento.
• Congestión.
• Interconexión de redes.

Capa de Internet y Modelo TCP/IP

• El modelo TCP/IP no permite el uso de circuitos virtuales, pero otras arquitecturas tienen capas equivalentes.
• En redes de circuitos virtuales, todos los paquetes viajan por la misma ruta preestablecida para evitar decisiones de encaminamiento individuales.
• Cuando se libera la conexión, se desecha el circuito virtual.

Capa de Internet en TCP/IP

• La capa de Internet en TCP/IP divide los paquetes en datagramas, cada uno con la dirección de destino.
• Los datagramas pueden seguir rutas diferentes, y el receptor debe ordenarlos.
• Este sistema es más robusto y flexible que los circuitos virtuales.

Protocolo IP

• Es el componente de red de TCP/IP.
• Asegura el envío de datagramas a través de redes intermedias hasta el destino final.
• Ofrece un servicio de envío de datagramas no orientado a la conexión y no fiable.

Características del Protocolo IP

• No garantiza la entrega correcta de los datagramas.
• No hay confirmación de recepción ni corrección de errores.
• La fiabilidad depende de la red subyacente.
• Cada datagrama se maneja independientemente, sin mantener información de estado.
• Los datagramas pueden llegar desordenados, faltar o repetirse.
• La especificación oficial del protocolo IP (RFC 791) define la unidad básica de transferencia, las funciones de encaminamiento y las reglas de envío de datagramas.

Funcionamiento de IP

• IP es una red de datagramas no orientada a la conexión, usando un servicio "best effort" sin garantías de entrega.
• Toda la información viaja en datagramas IP, incluyendo TPDU de TCP y UDP, y la información de routing.

Tamaño de Datagrama IP

• El tamaño máximo de un datagrama IP es de 65535 bytes.
• El nivel de enlace de datos no fragmenta los paquetes, por lo que el nivel de red debe adaptar el tamaño al MTU (Maximum Transfer Unit) de la red utilizada.

Estructura del Datagrama IP

• Cabecera y texto (datos de usuario).
• El campo "versión" permite la coexistencia de datagramas IP de distintas versiones (v4 y v6).
• El campo "longitud de cabecera" especifica la longitud de la cabecera en palabras de 32 bits.
• El campo "Tipo de Servicio" (TOS) originalmente etiquetaba los datagramas para darles un tratamiento distinto.
• El "Longitud Total" especifica la longitud total del datagrama en bytes por que algunos protocolos del nivel de enlace rellenan las tramas pequeñas.
• El campo "Identificación" identifica de forma única cada datagrama enviado por un nodo.
• Los campos de fragmentación dividen los datagramas demasiado grandes en fragmentos.
• Flags DF (Don't Fragment) y MF (More Fragments) indican si un datagrama puede o no fragmentarse y si hay más fragmentos.
• "offset de fragmentación" indica la posición relativa de los bytes de datos en el fragmento.
• El campo "Tiempo de Vida" (TTL) descarta datagramas que han pasado demasiado tiempo en la red.
• El campo "Protocolo" especifica el protocolo del nivel de transporte.
• El campo "checksum" detecta errores en la cabecera.
• Los campos de dirección de origen y destino contienen las direcciones IP.

Direccionamiento IP

• Es necesario que las empresas tengan una red y se conecten a Internet.
• Los pasos para la creación de una red incluyen la creación de una red a nivel físico (cableado y dispositivos) y una red a nivel lógico (redes lógicas y direcciones IP).

Direcciones IP

• Cada interfaz de red necesita una dirección IP única de 32 bits, representada por cuatro números decimales separados por puntos.
• El direccionamiento IP asigna correctamente las direcciones para que los equipos puedan comunicarse.

Estandarización IP

• En 1981 exigió una dirección única de 32 bits, correspondiente a IPv4.
• Cada interfaz física debe tener una dirección IP distinta.
• Se pueden definir varias direcciones IP asociadas a una misma interfaz física.
• Las direcciones IP tienen una estructura jerárquica de dos niveles: identificación de la red y del nodo dentro de esa red.
• Para facilitar la lectura, las direcciones IP se expresan como cuatro números decimales separados por puntos.

Máscara de Subred

• La máscara de subred define la separación entre el identificador de red y el identificador de host.
• Debe acompañar a una dirección IP y tiene un valor de 1 si el bit identifica la red y 0 si identifica al host.
• Para configurar una interfaz, se requiere dirección IP y máscara de subred.

Clases de Direcciones IP

• Es una clasificación obsoleta que diferencia su uso.
• Los identificadores de red tienen una longitud fija.
• Las direcciones se dividen en cinco clases, pero solo las tres primeras (A, B, C) se asignan a máquinas.
• El tamaño de los identificadores de red y de máquina varía en cada clase.
• La clase a la que pertenece una IP se determina por la máscara.

Rangos de Direcciones IP

• Cada clase de red tiene un rango de direcciones IP disponibles:
  • Clase A: 0.0.0.0 - 127.255.255.255
  • Clase B: 128.0.0.0 - 191.255.255.255
  • Clase C: 192.0.0.0 - 223.255.255.255
  • Clase D: 224.0.0.0 - 239.255.255.255
  • Clase E: 240.0.0.0 - 247.255.255.255
• El rango 127.0.0.0 a 127.255.255.255 está reservado como dirección loopback.
• Las máscaras de red para cada clase son:
  • Clase A: 255.0.0.0
  • Clase B: 255.255.0.0
  • Clase C: 255.255.255.0

Resumen de Clases de Direcciones

• Cada clase se identifica por su número después de la barra invertida, indicando cuántos bits de la máscara están en 1.
  • Clase A: 0/8, 7/24
  • Clase B: 10/16, 14/16
  • Clase C: 110/24, 21/8
  • Clase D: 1110
  • Clase E: 1111

Subredes

• En 1985, RFC 950 definió el "Subnetting" para la división en subredes de clases A, B o C para solucionar problemas de crecimiento y administración.

Problemas Solucionados por Subredes

• El crecimiento sustancial de las tablas de encaminamiento de Internet.
• La necesidad de pedir un nuevo identificador de red cada vez que se quería instalar una nueva red.

Jerarquía de Direcciones IP en Subredes

• Se añadió un nivel de jerarquía, soportando tres niveles: red, subred y nodo.
• Permitió que la estructura de subred de una red no sea visible fuera de la red privada.
• Los routers dentro de una organización privada necesitan diferenciar entre subredes, mientras que los routers de Internet solo ven la red principal.

Ventajas de las Subredes

• El tamaño de las tablas de encaminamiento globales de Internet no crece.
• El administrador local tiene la flexibilidad de crear subredes adicionales sin solicitar nuevos prefijos de red.
• El cambio de rutas dentro de una red privada no afecta a las tablas de encaminamiento de Internet.

Prefijo de Red Extendido

• Los routers de Internet utilizan el prefijo de red para encaminar el tráfico.
• Los routers dentro del entorno subdividido utilizan un prefijo de red extendido (red + subred).
• El prefijo de red extendido se identifica con la máscara de subred.

Longitud del Prefijo

• Los protocolos modernos de encaminamiento se refieren a la longitud del prefijo en lugar de la máscara de subred.
• La longitud del prefijo es igual al número de bits a uno contiguos en la máscara de subred tradicional.

Ejemplo de Longitud del Prefijo

• Especificar la dirección de red 130.5.5.25 con máscara 255.255.255.0 es equivalente a 130.5.5.25/24.

Asignación de Direcciones de Subred

• Al crear subredes, dos direcciones quedan reservadas: identificador de nodo todo a 0s y todo a 1s.
• Se usan para designar la subred y para la dirección broadcast, respectivamente.
• Si la red 156.134.0.0/24 se subdivide con la máscara 255.255.255.0, se crean subredes tipo 156.134.subred.nodo, con 156.134.subred.0 identificando la subred y 156.134.subred.255 siendo el broadcast.
• No tiene sentido crear subredes con máscara 255.255.255.254, ya que no quedarían direcciones útiles.

Ejemplo de Definición de Subredes

• Consideremos una organización a la que se asignó el identificador de red 193.1.1.0/24 y que necesita definir seis subredes.
• Calcular la máscara de subred requiere determinar el número de bits necesarios para definir las 6 subredes, resultando en 3 bits, ya que se eligen 8 subredes.
• El prefijo de red extendido tendrá 27 bits, resultando en una máscara de subred 255.255.255.224.

Direcciones Reservadas

• La dirección broadcast (255.255.255.255) se usa para enviar un mensaje a la propia red.
• La dirección 0.0.0.0 identifica al host actual.
• La dirección con el campo host todo a ceros indica la red misma.
• La dirección con el campo host todo a unos es la dirección broadcast de la red.
• La dirección con el campo red todo a ceros identifica a un host en la propia red.
• La dirección 127.0.0.1 se utiliza para pruebas loopback.

Direcciones No Asignables

• Siempre hay dos direcciones no asignables en una red.
• Por ejemplo, en la red 200.200.200.0, se reservan 200.200.200.0 y 200.200.200.255, dejando 254 direcciones para hosts.

Direcciones Públicas y Privadas

• La dirección pública identifica la red desde el exterior, mientras que la privada identifica cada dispositivo dentro de la red.
• Todos los dispositivos conectados a un mismo router tienen direcciones IP privadas distintas, pero la misma IP pública.
• Tres bloques de direcciones se pueden usar para subdividir en redes locales:
  • 10.0.0.0/8
  • 172.16.0.0/12
  • 192.168.0.0/16

Seguridad en Redes

• La arquitectura de red es importante para asegurar la red.
• Una arquitectura define cómo se canaliza y se permite o deniega el tráfico.
• Incluye un router, la red interna y la zona neutra (red perimetral).

Elementos Básicos en Arquitecturas de Red

• Router: Permite o deniega la comunicación entre redes y debe estar protegido.
• Red interna: Contiene los equipos y servidores internos.
• Zona neutra (red perimetral): Proporciona mayor protección, ubicando allí los servidores de la empresa.

Esquema de Red Básico

• Se emplea un router para comunicar la red interna con Internet.
• Es una configuración simple, pero la seguridad reside en un único punto.

Esquema de Red con Zona Neutra

• Utiliza dos routers para crear un perímetro de seguridad.
• Los servidores accesibles desde el exterior se ubican en la zona neutra.
• El router exterior especifica los puertos permitidos desde Internet a la zona neutra, y el router interior permite tráfico saliente de la red interna.

Esquema de Red con una Zona Neutra y un Único Router

• Se usa un único router con tres interfaces: red interna, zona neutra e Internet.
• No es tan fiable como usar dos routers, pero es mejor que no tener zona neutra.

Esquema de Red con Zona Neutra y Varias Redes Internas

• Se crean varias redes internas para mejorar la seguridad, dificultando el acceso a todos los equipos desde una única red.
• Es posible tener dos zonas neutras o dos salidas diferentes a Internet para servicios diferenciados.

Routers

• Permiten regular el tráfico entre redes y defenderse de intrusiones.
• Un router bien configurado es útil, pero uno mal configurado no protege o impide la comunicación.

Tablas de Enrutado

• Para configurar un router, se crea una tabla de enrutado o directivas de firewall.
• Existen dos tipos de encaminamiento: clásico y regulado.

Encaminamiento Clásico

• Las reglas se basan en la dirección de destino del paquete.
• Reglas comunes:
  • Permitir un equipo de nuestra red.
  • Permitir cualquier equipo de nuestra red.
  • Permitir un equipo de otra red.
    • Permitir cualquier equipo de otra red.
• La última regla se aplica si ninguna anterior se cumple, enviando los mensajes a la puerta de enlace de la red.

Encaminamiento Regulado

• Se utiliza con la calidad de servicio (QoS) y la seguridad.
• Elementos utilizados:
  • Interfaz: interfaz de red por donde se recibe la información.
  • Origen / Destino: origen y destino del mensaje.
  • Protocolo: permitir o denegar el acceso a los puertos.
  • Seguimiento: indica si el router debe de realizar un seguimiento de los lugares por los que pasa un mensaje.
  • Tiempo: espacio temporal en el que es válida la regla.
  • Autentificación de usuarios: indica si el usuario debe de estar autentificado para utilizar la regla.

Acciones que Puede Realizar un Router

• Aceptar: dejar pasar la información.
• Denegar: no deja pasar la información.
• Reenviar: envía el paquete a una determinada dirección IP.

Encaminamiento/Enrutamiento

• El encaminamiento encuentra la ruta al destinatario mediante reglas de encaminamiento.
• Este proceso es desarrollado cooperativamente por el nodo emisor y los routers.

Tipos de Reglas de Encamiamiento

• Reglas de host: Específicas para una IP
• Reglas de red: Específicas para un bloque
• Encaminamiento por defecto: puerta de enlace o Gateway
• Prioridad en la tabla de encaminamiento: host, bloque, por defecto

Objetivo del Encamiamiento IP

• Analizar el mecanismo de encaminamiento, el modo en que IP toma decisiones para hacer llegar un datagrama hasta su destino a través de Internet.

Tabla de Enrutamiento

• Constituye el elemento central del mecanismo de encaminamiento.
• Para elegir el mejor camino, el protocolo de encaminamiento debería examinar: - La carga de la red - La longitud de los datagramas - El tipo de servicio especificado en la cabecera del datagrama.

Tipos de Encamiamiento

• Encaminamiento directo: Transmisión de un sistema directamente a otro que estén en el mismo sistema de transmisión físico.
• Encaminamiento indirecto: El destino no está conectado a la misma red y se envía a un router para su reenvío.

Ejemplo de Tabla de Encamiamiento

• Se deben crear las reglas para permitir la conexión a Internet y el acceso a los servidores web (195.20.74.5) y correo (195.20.74.7).

Dirección MAC

• Es un identificador único de 48 bits para una tarjeta o dispositivo de red, conocida como dirección física.

IEEE

• Determina y configura el IEEE (últimos 24 bits) y el fabricante (primeros 24 bits) utilizando el organizationally unique identifier.

Numeraciones Utilizadas por el IEEE en la Capa 2

• MAC-48: 48 bits
• EUI-64: 64 bits
• MAC de difusión: FF:FF:FF:FF:FF:FF (48 bits a 1)

Protocolo ARP

• Permite asignar una dirección de enlace de datos a una dirección IP para la comunicación en redes físicas.
• Se necesita el nodo conectado a una red IP para que se lleve la resolución de direcciones IP.
• La configuración automática de correspondencias entre direcciones MAC y dirección IP se realiza mediante el protocolo ARP (Address Resolution Protocol).
• ARP gratuito: Permite a un nodo determinar si otro está ya configurado con la misma dirección IP y, por otro lado, cuando un nodo cambia su dirección de enlace de datos, el envío de un paquete ARP gratuito hace que cualquier nodo que tenga una entrada en su caché para la vieja dirección de enlace actualice su entrada de la caché ARP.

Protocolo RARP

• En lugar de RARP, sirve para hallar la dirección IP de una determinada dirección.
• Protocolo ICMP: Permite a los routers comunicar situaciones en la red, aunque no hace a IP fiable.

Mensajes del Protocolo ICMP

Los mensajes ICMP empleados por el nivel IP, por el nivel de transporte (TCP 0 UDP) o incluso por el nivel de aplicación.

• Los mensajes CIMP se trasmiten encapsulados dentro de datagrama IP y se envían haciendo uso del encaminamiento IP

Protocolo IPv6

• El Protocolo IPv6 es para resolver la escasez de direcciones IP en su formato IPv4.

Objetivos Planteados en el Protcolo Ipv6

• Direcciones: Establecer un espacio de direcciones que no se agote en el futuro previsible.
• Eficiencia: Reducir el tamaño de las tablas de routing.
• Seguridad: Ofrecer mecanismos que permitan incorporar fácilmente en el protocolo medidas de seguridad (privacidad y validación) mediante técnicas criptográficas.
• Tipo de servicio: Manejar mejor los diferentes tipos de servicio, en especial para poder ofrecer garantías de calidad de servicio y para el transporte de datos en tiempo real.
• Multicasting: Facilitar el uso de multicasting.
• Movilidad: Permitir la movilidad de un host sin necesidad de cambiar su dirección.
• Enmascaramiento IP (IP Masquerading): permite que las máquinas utilicen una dirección IP enrutable

Elementos Clave en la Traducción de Direcciones NAT

• NAT estática: hace coincidir una dirección IP pública con una dirección IP de red privada interna
• NAT dinámica: permite compartir una dirección IP enrutable (o una cantidad reducida de direcciones IP enrutables) entre varias máquinas con direcciones privadas

Servicios de Internet

• Encaminamiento: permite a un servidor actuar como router para permitir la comunicación entre dos o más redes
• Servidor DHCP: Permite asignar automáticamente la configuración IP de los equipos clientes de la red. Este servicio es muy importante ya que facilita la conexión de los equipos a la red.
• Servidor DNS: Permite mantener una equivalencia entre un nombre y su dirección IP.