Fundamentos del direccionamiento y el enrutamiento IP

Fundamentos del direccionamiento y el enrutamiento IP

Los protocolos de la capa 3 de OSI definen la entrega de los paquetes desde la computadora que crea el paquete hasta llegar a la computadora que debe recibir el paquete. Para esto, el protocolo define las siguientes características:

• Enrutamiento: Proceso de enviar paquetes (PDUs).

• Direccionamiento lógico: Proporciona a cada dispositivo al menos una dirección, así se identifica el origen y destino del paquete.

• Protocolo de enrutamiento: Ayuda a los routers a aprender dinámicamente sobre los grupos de direcciones de la red.

• Otras utilidades: Para TCP/IP, estas utilidades incluyen el DNS, el DHCP, el Protocolo de resolución de direcciones (ARP), y el ping.

Panorámica de las funciones de la capa de red

Actualmente, el único protocolo de la capa 3 que se utiliza ampliamente es el protocolo de capa de red TCP/IP; concretamente, IP.

La tarea principal de IP es enrutar los datos (paquetes) desde el host de origen hasta el host de destino. IP no requiere la sobrecarga de ningún tipo de acuerdo o mensaje antes de enviar un paquete, lo que hace de IP un protocolo sin conexión. IP intenta entregar cada paquete pero si el proceso IP del router o del host no puede entregarlo, es descartado, sin ningún tipo de recuperación ante errores. El objetivo con IP es entregar paquetes con el menor trabajo por paquete posible, lo que permite grandes volúmenes de paquetes.

Enrutamiento

El enrutamiento se centra en la lógica de extremo a extremo del envío de datos. La figura 1.1 muestra un ejemplo sencillo de cómo funciona el enrutamiento.

Lógica de PC1: enviando datos a un router cercano

En este ejemplo, ilustrado en la Figura 1.1, PC1 tiene que enviar algunos datos a PC2. Como PC2 no se encuentra en la misma Ethernet que PC1, PC1 tiene que enviar el paquete a un router que esté conectado a la misma Ethernet que él. El emisor envía una trama de enlace de datos a través del medio al router cercano; esta trama incluye el paquete en su porción de datos y utiliza el direccionamiento de capa de enlace de datos (capa 2) en la cabecera de enlace de datos para garantizar que el router cercano recibe la trama.

Lógica de R1 y R2: enrutamiento de datos a través de la red.

R1 y R2 utilizan el mismo proceso general para enrutar el paquete. La tabla de enrutamiento de cualquier protocolo de capa de red particular contiene una lista de agrupamientos de direcciones de capa de red. En lugar de una sola entrada en la tabla de enrutamiento por cada dirección de capa de red de destino individual, hay una entrada de tabla de enrutamiento por grupo. El router compara la dirección de capa de red de destino del paquete con las entradas de la tabla de enrutamiento y busca una coincidencia. Esta entrada coincidente de la tabla de enrutamiento le indica a este router dónde debe enviar el paquete a continuación.

Figura 1.1 Lógica de enrutamiento: PC1 enviando a PC2

En la figura 1.1 todos los de la red cuya dirección IP empieza con 168.1 se encuentran en la Ethernet en la que la PC2 reside, por lo que los routers pueden tener una sola entrada en la tabla de enrutamiento que signifique “todas las direcciones que empiecen con 168.1”.

Interacción de la capa de red con la capa de enlace de datos

Cuando el protocolo de capa de red está procesando el paquete, decide mandarlo a la interfaz de red apropiada. Antes de que los bits reales puedan colocarse en esa interfaz física, la capa de red debe pasar el paquete a los protocolos de capa de enlace de datos que a su vez, solicitan a la capa física que envíe realmente los datos. El proceso de enrutamiento envía el paquete de extremo a extremo a través de la red, descartando por el camino las cabeceras y las informaciones finales de enlace de datos. Cada capa de enlace de datos sucesiva lleva el paquete de un dispositivo al siguiente. La figura 1.2 apunta la lógica de encapsulación clave en cada dispositivo.

Figura 1.2. Capa de red y encapsulación de capa de enlace de datos

Como los routers generan cabeceras e informaciones finales de enlace de datos nuevas, y como las cabeceras nuevas contienen las direcciones de enlace de datos, los PCs y los routers deben tener alguna forma de decidir qué direcciones de enlace de datos usar. El protocolo IP ARP (Protocolo de resolución de direcciones, Address Resolution Protocol). ARP se utiliza para aprender dinámicamente la dirección de enlace de datos de un host IP conectado a una LAN.

El enrutamiento tiene dos conceptos principales:

• El proceso de enrutamiento envía paquetes de capa 3, también denominados unidades de datos del protocolo de capa 3 (L3 PDU), basándose en la dirección de capa 3 de destino que hay en el paquete.

• El proceso de enrutamiento utiliza la capa de enlace de datos para encapsular los paquetes de capa 3 en tramas de capa 2 para su transmisión a través de cada enlace de datos sucesivo.

Paquetes IP y la cabecera IP

Los paquetes IP encapsulados en las tramas de enlace de datos mostradas en la figura 1.2 tienen una cabecera IP, seguida por cabeceras y datos adicionales. La figura 1.3 muestra los campos de la cabecera IPv4 de 20 bytes estándar, sin campos de cabecera IP opcionales.

Tabla 1.1 Campos de la cabecera IPv4

Campo Significado

Versión Versión del protocolo IP. La mayoría de las redes utilizan actualmente la versión 4.

IHL Longitud de la cabecera IP. Define la longitud de la cabecera IP, incluyendo los campos opcionales.

Campo DS Campo de servicios diferenciados. Se utiliza para marcar paquetes con el propósito de aplicar diferentes niveles de calidad de servicio (QoS, quality-of-service) a paquetes distintos.

Longitud del paquete Identifica la longitud total del paquete IP, incluyendo los datos.

Identificación La utiliza el proceso de fragmentación de paquetes IP; todos los fragmentos del paquete original contienen el mismo identificador.

Indicadores 3 bits que son utilizados por el proceso de fragmentación de paquetes IP.

Desplazamiento de fragmento Es un número que se utiliza para ayudar a los hosts a re ensamblar los paquetes fragmentados en el paquete original, que es más grande.

TTL Tiempo de existencia. Es un valor que se utiliza para evitar los bucles de enrutamiento.

Protocolo Es un campo que identifica el contenido de la porción de datos del paquete IP. Por ejemplo, protocolo 6 implica que una cabecera TCP es la primera cosa del campo de datos del paquete IP.

Suma de comprobación de la cabecera Es un valor que se utiliza para almacenar un valor FCS, cuyo propósito es determinar si se han producido errores en los bits de la cabecera IP.

Dirección IP de origen Dirección IP de 32 bits del emisor del paquete.

Dirección IP de destino Dirección IP de 32 bits del receptor pretendido del paquete.

Figura 1.3 Cabecera IPv4.

Direccionamiento de capa de red (capa 3)

Los protocolos de capa de red definen el formato y el significado de las direcciones lógicas. Toda computadora que necesita comunicarse tendrá (al menos) una dirección de capa de red. Una característica clave de las direcciones de capa de red es que fueron diseñadas para permitir el agrupamiento lógico de las direcciones. Es decir, algo sobre el valor numérico de una dirección implica un grupo o conjunto de direcciones, este grupo se denomina red o subred. Las direcciones de capa de red se agrupan en base a la ubicación física en una red con el direccionamiento IP, la primera parte de la dirección IP es la misma para todas las direcciones de un grupo. El enrutamiento se apoya en el hecho de que las direcciones de capa 3 están agrupadas. Las tablas de enrutamiento para cada protocolo de capa de red pueden tener una entrada para el grupo, no una entrada para cada una de las direcciones.

Protocolos de enrutamiento

En la mayoría de los casos, los routers utilizan un protocolo de enrutamiento para generar dinámicamente sus entradas de tabla de enrutamiento. Los protocolos de enrutamiento aprenden sobre todas las ubicaciones de los “grupos” de capa de red de una red publican dichas ubicaciones. Un protocolo de enrutamiento aprende rutas y las coloca en una tabla de enrutamiento. Un protocolo enrutado define el tipo de paquete enviado, o enrutado, a través de una red. En las figuras 1.1 y 1.2, las figuras representan cómo se enrutan los paquetes IP, por lo que IP sería el protocolo enrutado.

Definiciones de direccionamiento IP

Cuando el dispositivo tiene una dirección IP y el software y el hardware apropiados puede enviar y recibir paquetes IP. Cualquier dispositivo que puede enviar y recibir paquetes IP es un host IP. Las direcciones IP consisten en un número de 32 bits, y normalmente se escriben en notación decimal con puntos. Los routers, que normalmente tienen muchas interfaces de red que envía paquetes IP, tienen una dirección IP para cada interfaz.

Cómo se agrupan las direcciones IP

Las especificaciones originales para las direcciones IP agrupadas de TCP/IP en conjuntos de direcciones consecutivas se denominan redes IP. Las direcciones de una red tienen el mismo valor numérico en el primer octeto de todas las direcciones de red. Siguiendo esta convención, los routers crean una tabla de enrutamiento con 3 entradas, una

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