RL - TEMA 5 Nivel de red (Redes Locales) PDF

TEMA 5: NIVEL DE RED GRADO MEDIO SISTEMAS MICROINFORMÁTICOS Y REDES (SMR) REDES LOCALES MODELO OSI MODELO OSI CONTENIDOS Introducción La familia de protocolos TCP/IP: IP, ICMP, TCP, UDP, ARP Direccionamiento IP Clases IP Máscaras de red Subredes Otras familias de protocolos NIVEL...

TEMA 5: NIVEL DE RED GRADO MEDIO SISTEMAS MICROINFORMÁTICOS Y REDES (SMR) REDES LOCALES MODELO OSI MODELO OSI CONTENIDOS Introducción La familia de protocolos TCP/IP: IP, ICMP, TCP, UDP, ARP Direccionamiento IP Clases IP Máscaras de red Subredes Otras familias de protocolos NIVEL DE RED: INTRODUCCIÓN Los protocolos de la capa de Red del modelo OSI especifican el direccionamiento y los procesos que permiten que los datos de la capa de Transporte sean empaquetados y transportados. La encapsulación de la capa de Red permite que su contenido pase al destino dentro de la misma red o en otra red. La comunicación entre redes se denomina enrutamiento. La capa de red realiza 4 procesos básicos: Direccionamiento: direcciones IP Encapsulación: Se recibe la PDU capa 4 y agrega encabezado con dirección destino: paquetes Enrutamiento: routers Desencapsulamiento: desencapsulado en destino y PDU capa 4 pasa al servicio en capa de Transporte. NIVEL DE RED: INTRODUCCIÓN El objetivo de la capa de red es hacer que los datos lleguen desde el origen al destino aunque estén en redes diferentes. La diferencia con el nivel anterior es que el nivel de enlace se limita a la identificación dentro de la red propia, no va más allá, es un direccionamiento físico y en la capa de red se trata de un direccionamiento lógico. El diseño de la capa de red debe ser independiente de la tecnología que use la red, en este nivel separamos lógico de físico, este como hemos comentado es una de los principios para solución el problema de la comunicación, dividirlo en capas independientes, un cambio en una capa no debe afectar a otra. Ejemplos de funciones de la capa de red son encontrar la mejor ruta para enviar los datos de una red a otra, control de la congestión (diferente del control de flujo, el control de congestión evita rutas saturadas, etc. Se sirve entre otros del control de flujo). CONTENIDOS Introducción La familia de protocolos TCP/IP: IP, ICMP, TCP, UDP, ARP Direccionamiento IP Clases IP Máscaras de red Subredes Otras familias de protocolos LA FAMILIA DE PROTOCOLOS TCP/IP Familia de protocolos, entre ellos: Protocolo IP en el nivel de red. Protocolo sin conexión, carece de seguridad en la entrega de paquetes, por lo que es proporcionada por otro protocolo de capa superior. Protocolo TCP en la capa de transporte. Las instalaciones habituales de redes TCP/IP utilizan redes Ethernet en el nivel 2 de OSI. LA FAMILIA DE PROTOCOLOS TCP/IP Protocolo IP IP (Internet Protocol) es el protocolo de nivel de red en ARPANET (diseñado en años 70). IP proporciona un sistema de direcciones para que cada nodo de la red quede identificado por una dirección de cuatro números enteros separados por puntos (o 32 bits) denominada dirección IP. La versión 4 de IP (IPv4, desde 1981) es la versión IP más ampliamente utilizada. ¿Cuántas posibles direcciones IP podemos tener? Características básicas de IPv4: Sin conexión: sin establecimiento de conexión en forma previa al envío de paquetes de datos  Cada paquete puede seguir una ruta distinta. Mejor intento (no confiable): no se usan encabezados para garantizar la entrega de paquetes  Se deja para la capa superior. Independiente de los medios: funciona en forma independiente de los medios que transportan los datos  Cable, fibra óptica, inalámbricos… LA FAMILIA DE PROTOCOLOS TCP/IP Protocolo IP El protocolo IP acepta bloques de datos procedentes de la capa de transporte de hasta 64 Kbytes. Cada bloque de datos (segmentos) debe ser transferido a través de la red en forma de datagramas. Para llevar a cabo este transporte la capa de red debe fraccionar los datagramas en un conjunto de paquetes IP, que deben ser ensamblados en el destino para que el mensaje sea al final reconstruido con fidelidad. Al ser IP un protocolo sin conexión, cada paquete puede seguir una ruta distinta a través de internet, por lo que el protocolo de capa superior (TCP) será el encargado de la gestión de errores. LA FAMILIA DE PROTOCOLOS TCP/IP Protocolo IP IPv4 utiliza 32 bits para identificar cada una de las direcciones. Esto da capacidad para casi 4.300 millones de direcciones (4.294.967.296 direcciones exactamente). Sin embargo, los creadores de IPv4 no imaginaron el gran éxito que iba a tener este protocolo IP en tan poco tiempo. El hecho es que esta capacidad resultó ser muy escasa para las necesidades de la red y para solucionar este problema de escasez de direcciones, se han propuesto varias soluciones: División en subredes (Subnetting o segmentación de redes) Protocolos NAT VLSM y CIDR Utilizar una nueva versión del protocolo IP (IP versión 6, IPv6) que permite extender el rango de direcciones disponibles y solucionar otros problemas. En este caso se utilizan 128 bits de direccionamiento. ¿Cuántas posibles direcciones IP podemos tener? En 1998 se introdujo IPv6, que está desarrollada y se implementa en algunas áreas. IPv6 opera conjuntamente con IPv4 y puede reemplazarlo en el futuro. LA FAMILIA DE PROTOCOLOS TCP/IP Protocolo ICMP ICMP (Internet Control Message Protocol, Protocolo de mensajes de control entre redes) es un protocolo que expresa en un único paquete IP algún evento que se produce en la red. Se utiliza para informar errores y realizar diagnósticos de red. En el proceso de reporte de errores, ICMP envía mensajes desde el receptor al remitente cuando los datos no llegan como deberían. En ICMP son posibles, entre otros, los siguientes mensajes: Destino inalcanzable Tiempo excedido: el campo tiempo de vida (TTL “time to live”) ha llegado a 0. Problemas en parámetros Enfriar fuente: para que transmisor modere la velocidad de transmisión. LA FAMILIA DE PROTOCOLOS TCP/IP Protocolo ICMP Dentro del proceso de diagnóstico, el ICMP se utiliza para enviar mensajes que son utilizados por ping y traceroute para proporcionar información sobre cómo se transmiten los datos. LA FAMILIA DE PROTOCOLOS TCP/IP Protocolo TCP TCP (Transmission Control Protocol o protocolo de control de transmisión), es un protocolo de capa de transporte adecuado para proporcionar seguridad a IP. La seguridad en TCP tiene un precio que se manifiesta en forma de grandes cabeceras de mensajes, y de la necesidad de confirmaciones de mensajes para asegurar las comunicaciones. Los puntos de acceso al servicio se llaman sockets, puertos o conectores TCP/IP. Detrás de cada socket activo se implanta un servicio de red. LA FAMILIA DE PROTOCOLOS TCP/IP Protocolo UDP UDP (User Datagram Protocol o protocolo de datagrama de usuario) es un protocolo de transporte sin conexión y, por tanto, sin garantías de entrega. Actúa simplemente como una interfaz entre los procesos de los usuarios de la red y el protocolo IP. Se utiliza en transmisiones rápidas que no necesitan seguridad en la transmisión. LA FAMILIA DE PROTOCOLOS TCP/IP Protocolos TCP y UDP LA FAMILIA DE PROTOCOLOS TCP/IP Protocolo ARP ARP (Address Resolution Protocol o protocolo de resolución de direcciones) complementa la acción del TCP/IP pasando desapercibido a los ojos de los usuarios y de las aplicaciones de la red. El protocolo ARP se encarga de mapear direcciones IP (capa 3, que pueden cambiar) a direcciones MAC (capa 2) y funciona del siguiente modo: Para transmitir un paquete IP se necesita averiguar la dirección MAC del host destinatario. Para ello se genera un paquete de petición ARP (“ARP Request”) que difunde por toda la red. Todos los nodos de la red detectan este paquete y solo aquel host que tiene la dirección IP encapsulada en el paquete ARP contesta con otro paquete ARP de respuesta (“ARP Reply”) con su dirección MAC. De este modo el host emisor relaciona dirección IP y dirección MAC, guardando estos datos en una tabla ARP residente en memoria para su uso en transmisiones posteriores. LA FAMILIA DE PROTOCOLOS TCP/IP Protocolo ARP LA FAMILIA DE PROTOCOLOS TCP/IP Protocolo ARP La caché del ARP mantiene un registro de cada dirección IP y su dirección MAC coincidente. La caché del ARP es dinámica, pero los usuarios de una red también pueden configurar una tabla ARP estática que contenga direcciones IP y direcciones MAC. Las cachés del ARP se mantienen en todos los sistemas operativos en una red Ethernet IPv4. Cada vez que un dispositivo solicita una dirección MAC para enviar datos a otro dispositivo conectado a la LAN, el dispositivo verifica su caché de ARP para ver si la conexión de dirección IP a MAC ya quedó completa. Si existe, no hará falta una nueva solicitud. Sin embargo, si la traducción aún no se realizó, se envía la solicitud de direcciones de red y se realiza el ARP. LA FAMILIA DE PROTOCOLOS TCP/IP Protocolo ARP CONTENIDOS Introducción La familia de protocolos TCP/IP: IP, ICMP, TCP, UDP, ARP Direccionamiento IP Clases IP Máscaras de red Subredes Otras familias de protocolos DIRECCIONAMIENTO IP Una dirección IP son dígitos decimales separados por puntos, que se configura en un ordenador/host, router o dispositivo de red para ser encontrado en la red. Mientras que la dirección MAC es dirección física, la dirección IP es dirección lógica. Cada dirección IP consta de 32 bits agrupados en grupos de 8 bits. Una dirección IP se expresa con cuatro números decimales separados por puntos. Cada uno de estos números varía entre 0 y 255. DIRECCIONAMIENTO IP $ ifconfig Aunque todavía se usa ampliamente, este comando está en desuso: $ ip address en su lugar. C:\> ipconfig /all DIRECCIONAMIENTO IP CONTENIDOS Introducción La familia de protocolos TCP/IP: IP, ICMP, TCP, UDP, ARP Direccionamiento IP Clases IP Máscaras de red Subredes Otras familias de protocolos CLASES IP Una dirección IP está conformada por una porción de red y una de host. La parte de red identifica la red LAN o WAN a la cual pertenecen las direcciones de host. La parte de host identifica los dispositivos finales que deberá tener una dirección diferente cada uno. De los primeros bits de cada dirección IP se puede extraer el tipo de subred de que se trata y de su dirección concreta. Los bits restantes codifican el host de que se trata dentro de esa subred. De las cinco clases de subredes, solo tres sirven para el direccionamiento particular de los nodos de la red: CLASES IP En 1981, las direcciones IPv4 se asignaron utilizando direccionamiento con clase como se define en RFC 790. A los clientes se les asignaba una dirección de red basada en una de tres clases: Redes de clase A. Se codifican la subred y los 24 restantes la identificación del host dentro de esa subred. Las redes 0.0.0.0 y 127.0.0.0 están reservadas con los cual solo se pueden asignar 126 redes de clase A. Redes de clase B. Se caracterizan porque los dos primeros bits de la dirección son 10. Los 14 bits siguientes codifican la subred Redes de clase C. Se caracterizan por tener sus tres primeros bits con el valor 110. Los 21 bits siguientes codifican la subred y los 8 restantes el host dentro de la subred Cuando el campo de dirección comienza por la secuencia 1110, se entiende que los 28 bits restantes codifican una dirección de multidifusión, es decir, una dirección especial en donde el destinatario no es único (direcciones de clase D): multicast. CLASES IP Problemática: La mitad de las direcciones IP destinadas a redes clase A: 126 redes de tamaño considerable: 224 direcciones. 224 – 2 = 16.777.214 host direccionables. Para cada una de las redes la primera de las direcciones se denomina “dirección de red” y la última se denomina “dirección de broadcast”. Ambas direcciones no son asignables a un host. Una cuarta parte destinada a redes clase B: 16384 redes de 65536 direcciones (demasiado grande para la mayoría de las organizaciones) Una octava parte destinada a redes clase C: 2.097.152 redes de 256 direcciones (redes demasiado pequeñas, en realidad 254 hosts: primero y último son red y broadcast) CLASES IP Problemática: En ese momento (década 1980), con un número limitado de computadoras que utilizan Internet, el direccionamiento con clase era un medio eficaz para asignar direcciones. Las redes de clase A representaron el 50% de las redes IPv4. Esto hizo que la mayoría de las direcciones IPv4 disponibles no se utilizaran. A mediados de la década de 1990, con la introducción de la World Wide Web (WWW), el direccionamiento de clase fue obsoleto para asignar de manera más eficiente el limitado espacio de direcciones IPv4. IPv4 tiene capacidad para casi 4.300 millones de direcciones. Soluciones: La asignación de direcciones con clase se reemplazó con direcciones sin clase, que se usa hoy en día. El direccionamiento sin clases ignora las reglas de las clases (A, B, C). Las direcciones de red IPv4 públicas (direcciones de red y máscaras de subred) se asignan en función del número de direcciones que se pueden justificar. CLASES IP: DIRECCIONES PRIVADAS Direcciones reservadas para uso en redes locales privadas. Los routers no transmiten paquetes cuyo destino sea una dirección privada hacia afuera de la red (los routers separan dominios de difusión o broadcast). Clase A (rango privado): 1 red Clase B (rango privado): 16 redes Clase C (rango privado): 256 redes Las direcciones que no son privadas se conocen como públicas. Para que una máquina esté presente en Internet debe tener una dirección pública. DIRECCIONES PÚBLICAS Las direcciones IPv4 públicas son direcciones en las que se realiza routing globalmente entre los routers ISP. Las direcciones IPv4 públicas deben ser únicas. Las direcciones IP son administradas IANA (Internet Assigned Numbers Authority). IANA administra y asigna bloques de direcciones IP a los Registros Regionales de Internet (RIR). Los cinco RIR se muestran en la figura. Los RIR se encargan de asignar direcciones IP a los ISP, quienes a su vez proporcionan bloques de direcciones IPv4 a las organizaciones y a los ISP más pequeños. Las organizaciones pueden obtener sus direcciones directamente de un RIR, según las políticas de ese RIR. DIRECCIONES DE USO ESPECIAL Existen ciertas direcciones, como la dirección de red y la dirección de difusión, que no se pueden asignar a los hosts. También hay direcciones especiales que pueden asignarse a los hosts, pero con restricciones respecto de la forma en que dichos hosts pueden interactuar dentro de la red. Direcciones de loopback Las direcciones de bucle invertido (loopback) (127.0.0.0/8 o 127.0.0.1 a 127.255.255.254) se identifican más comúnmente como solo 127.0.0.1. Estas son direcciones especiales utilizadas por un host para dirigir el tráfico hacia sí mismo. Es la dirección interna de cualquier ordenador o “localhost”. Por ejemplo, el comando ping se usa comúnmente para probar conexiones a otros hosts. Pero también puede usar el comando ping para probar la configuración IP en su propio dispositivo. Direcciones de enlace local DIRECCIÓN IP ESTÁTICA Con una asignación estática (o permanente), el administrador de red debe configurar manualmente la información de red para un host. Como mínimo, esto incluyeIPlo- siguiente: Dirección Identifica al host en la red. Máscara de subred - Se utiliza para identificar la red a la que está conectado el host. Puerta de enlace predeterminada - Identifica el dispositivo de red que utiliza el host para acceder a Internet o a otra red remota. Las direcciones estáticas tienen algunas ventajas. Por ejemplo, son útiles para impresoras, servidores y otros dispositivos de red que deben estar accesibles para los clientes de la red. Si los hosts normalmente acceden al servidor en una dirección IPv4 en particular, no es DIRECCIÓN IP DINÁMICA En las redes locales, es habitual que los usuarios cambie frecuentemente. En lugar de que el administrador de red deba asignar las direcciones IPv4 para cada estación de trabajo, es más fácil que las direcciones IPv4 se asignen automáticamente. Esto se logra a través de un protocolo denominado Protocolo DHCP asigna automáticamente de Configuración la información Dinámica de Host (DHCP). de direccionamiento (IPv4, máscara y gateway), y otra información de configuración. DHCP es generalmente el método preferido para asignar direcciones IPv4 en grandes y medianas empresas, ya que reduce la carga de trabajo del personal IT y reduce los errores. Otro de los beneficios del DHCP es que las direcciones no se asignan permanentemente, sino que son “prestadas” durante un período. Si el host se apaga o CONTENIDOS Introducción La familia de protocolos TCP/IP: IP, ICMP, TCP, UDP, ARP Direccionamiento IP Clases IP Máscaras de red Subredes Otras familias de protocolos MÁSCARAS DE RED Una máscara de subred es una secuencia de 32 bits que sirve para distinguir con facilidad qué parte de una dirección codifica la subred (una subdivisión o grupo de la red total) y qué parte el host. Una máscara se construye poniendo a 1 los bits que pertenecen a la subred y a 0 los bits que pertenecen a la identificación del host. Este modo de asignación permite multiplicar extraordinariamente los distintos tipos de subredes. Redes de clase A. vendría determinada por la máscara 11111111 00000000 00000000 00000000, es decir, 255.0.0.0 Redes de clase B. tendría la máscara 255.255.0.0 (11111111 11111111 00000000 00000000) Redes de clase C. tendría la máscara 255.255.255.0 MÁSCARAS DE RED Frecuentemente suele expresarse la dirección IP en formato CIDR (Classless Inter-Domain Routing, Encaminamiento Inter-Dominios sin Clases), que consiste en escribir la dirección IP en su forma habitual seguida de otro entero cuyo valor es el número de 1 seguidos de la máscara. Estos dos elementos deben ir separados por el símbolo «/». Un ejemplo de notación CIDR sería 128.100.3.67/24, que significaría que el interfaz de red que posee la dirección IP 128.100.3.67 tiene una máscara 255.255.255.0 (24 unos seguidos de otros 8 ceros) y, que por tanto, pertenece a la red 128.100.3.0 o simplemente 128.100.3. CÁLCULO DE LA DIRECCIÓN DE RED A la hora de conocer que direcciones IP se pueden asignar a un host, es importante conocer que rango (desde que dirección a que dirección a que dirección se puede asignar). Cálculo del rango de direcciones de una red. En la dirección IP de red, se identifican los bit correspondientes a la parte de red y de host. Los bits de host, se sustituyen por x. Esto indica que pueden tener el valor cero o uno. Según esto, tendremos las siguientes direcciones: Dirección de red. Todos los bit x a cero. Primera dirección asignable. Todos los bit x a cero menos el último bit que tendrá como valor uno. Última dirección asignable. Todos los bit x a uno menos el último bit que CÁLCULO DE LA DIRECCIÓN DE RED Cálculo de la dirección de red → se realiza la operación AND bit a bit entre la dirección IP y la máscara de red. CONTENIDOS Introducción La familia de protocolos TCP/IP: IP, ICMP, TCP, UDP, ARP Direccionamiento IP Clases IP Máscaras de red Subredes Otras familias de protocolos SUBREDES Un dominio de difusión grande es una red que conecta muchos hosts. Un problema con un dominio de difusión grande es que estos hosts pueden generar difusiones excesivas y afectar la red de manera negativa. En la figura, LAN 1 conecta a 400 usuarios que podrían generar una cantidad excesiva de tráfico de difusión. Esto da como resultado operaciones de red lentas debido a la cantidad significativa de tráfico que puede causar, y operaciones de dispositivo lentas porque un dispositivo debe aceptar y procesar cada paquete de difusión. SUBREDES Los 400 usuarios en LAN 1 con la dirección de red 172.16.0.0/16 se han dividido en dos subredes de 200 usuarios cada una: 172.16.0.0/24 y 172.16.1.0/24. Las broadcasts solo se propagan dentro de los dominios de difusión más pequeños. Por lo tanto, una broadcast en LAN 1 no se propagaría a LAN 2. Observa cómo la longitud del prefijo ha cambiado de una sola red /16 a dos /24 redes. Esta es la base de la división en subredes: el uso de bits de host para SUBREDES Mediante el uso de dispositivos físicos de interconexión podemos dividir una red (tipo A, B o C) en segmentos más pequeños para incrementar su eficacia: subnetting. Los segmentos de red separados por routers reciben el nombre de subredes. Motivos por los que crear subredes: Controlar el tráfico mediante la contención del tráfico de broadcast (difusión) dentro de la subred. SUBREDES - EJERCICIO Dada la dirección de red: 192.168.30.0 /24, defina 4 subredes. ¿Qué máscara hay que aplicarle para dividirla en 4 subredes? ¿Cuántos host/nodos podrán contener cada una de esas 4 subredes? ¿Cuáles serían los “nombres” de las subredes? (las direcciones de las subredes) ¿Cuál sería el rango de direcciones IP usable en cada una de estas subredes? ¿Cuál sería la dirección de broadcast de cada una de estas subredes? SUBREDES - EJERCICIO Tenemos la dirección de red tipo C: 194.168.100.0 ¿Qué máscara hay que aplicarle para dividirla en 16 subredes? ¿Cuántos host/nodos podrán contener cada una de esas 16 subredes? ¿Cuáles serían los “nombres” de las subredes? (las direcciones de las subredes) ¿Cuál sería la dirección IP del nodo con identificador 4 de cada una de estas subredes? (el cuarto host de cada subred) ¿A qué subred pertenece el nodo cuya dirección IP es la 194.168.100.107? SUBREDES - PROBLEMA Para saber cuantos segmentos de red hay en un esquema de red eliminamos mentalmente los routers, puesto que estos dispositivos interconectan a las redes. Todas las partes que queden aisladas, aunque sólo sean un cable, son una red. SUBREDES - PROBLEMA Cada segmento de red físico dará lugar a una subred dentro de la red principal. Se reservan suficientes bits en la parte de subred para que se puedan alojar las subredes necesarias. En este ejemplo concreto, al tener cinco subredes, se necesitarán 3 bits que permiten hasta 8 subredes. Supongamos dirección de red 8.0.0.0/8. Entonces se reservan tres bits adicionales detrás del prefijo inicial y se identifican cada una de las subredes, dando lugar a las siguientes direcciones de red: 8.0.0.0, 8.32.0.0, 8.64.0.0, 8.128.0.0, 8.160.0.0. La máscara de subred es 255.224.0.0. Este procedimiento es extremadamente ineficiente en cuanto al uso de direcciones, ya que todas las subredes tienen que ajustarse al tamaño de la mayor. Así, por ejemplo, para los dos enlaces punto a punto, que sólo necesitan 4 direcciones, se reservarían 221 direcciones para cada uno. SOLUCIÓN: Las máscaras de subred de longitud variable (VLSM, Variable Length Subnet Masks) permiten ajustar el tamaño en bits de la parte host al CONTENIDOS Introducción La familia de protocolos TCP/IP: IP, ICMP, TCP, UDP, ARP Direccionamiento IP Clases IP Máscaras de red Subredes Otras familias de protocolos OTRAS FAMILIAS DE PROTOCOLOS Appletalk: es un conjunto de protocolos desarrollados por Apple para la conexión de redes. Fue incluido en un Macintosh en 1984 y actualmente está en desuso, en favor de las redes TCP/IP. NetBeui (NetBIOS Extended User Interface), es un sencillo protocolo de nivel de red sin encaminamiento, utilizado como una de las capas en las primeras redes de Microsoft. A la interfaz que proporciona dicho protocolo se le denomina NetBIOS. NetWare : Es un sistema operativo de red desarrollado por Novell. Utiliza un protocolo denominado IPX/SPX, derivado del que empleaba la empresa Xerox. Sistemas operativos como Windows lo incorporan, denominándolo NWLink.