Uno de los aspectos que se observan diariamente como responsable de red es la capa de red. Este es un tema fundamental, ya que nos permite entender el enrutamiento y c贸mo un router toma decisiones para dirigir el tr谩fico entre distintas redes.
Caracter铆sticas de la capa de red
La capa de red
La capa de red, o Capa OSI 3, proporciona servicios para permitir que los dispositivos finales intercambien datos a trav茅s de redes. Como se muestra en la figura, IP versi贸n 4 (IPv4) e IP versi贸n 6 (IPv6) son los principales protocolos de comunicaci贸n de la capa de red. Otros protocolos de capa de red incluyen protocolos de enrutamiento como Open Shortest Path First (OSPF) y protocolos de mensajer铆a como Internet Control Message Protocol (ICMP).
Protocolos de capa de red
- Direccionamiento de dispositivos finales : los dispositivos finales deben configurarse con una direcci贸n IP 煤nica para la identificaci贸n en la red.
- Encapsulaci贸n: La capa de red encapsula la unidad de datos de protocolo (PDU) de la capa de transporte en un paquete. El proceso de encapsulamiento agrega informaci贸n de encabezado IP, como la direcci贸n IP de los hosts de origen (emisores) y de destino (receptores). El proceso de encapsulaci贸n lo realiza el origen del paquete IP.
- Enrutamiento: La capa de red proporciona servicios para dirigir los paquetes a un host de destino en otra red. Para transferir un paquete a otras redes, debe procesarlo un router. La funci贸n del router es seleccionar la mejor ruta y dirigir los paquetes al host de destino en un proceso que se denomina "enrutamiento". Un paquete puede cruzar muchos routers antes de llegar al host de destino. Se denomina "salto" a cada router que cruza un paquete antes de alcanzar el host de destino.
- Desencapsulaci贸n: Cuando el paquete llega a la capa de red del host de destino, el host verifica el encabezado IP del paquete. Si la direcci贸n IP de destino dentro del encabezado coincide con su propia direcci贸n IP, se elimina el encabezado IP del paquete. Una vez que la capa de red desencapsula el paquete, la PDU de capa 4 que se obtiene se transfiere al servicio apropiado en la capa de transporte. El proceso de desencapsulaci贸n lo realiza el host de destino del paquete IP.
- Sin conexi贸n: - no hay conexi贸n con el destino establecido antes de enviar paquetes de datos.
- Mejor esfuerzo: - la IP es inherentemente poco confiable porque no se garantiza la entrega de paquetes.
- Medios independientes: - Medios independientes: la operaci贸n es independiente del medio (es decir, cobre, fibra 贸ptica o inal谩mbrico) que transporta los datos.
Sin conexi贸n
IP no tiene conexi贸n, lo que significa que IP no crea una conexi贸n de extremo a extremo dedicada antes de enviar los datos. La comunicaci贸n sin conexi贸n es conceptualmente similar a enviar una carta a alguien sin notificar al destinatario por adelantado. La figura resume este punto clave.
un paquete, que consiste en un encabezado y un segmento IP, se env铆a desde una red origen con destino a otra red
Sin conexi贸n: red
Mejor esfuerzo
La IP tampoco necesita campos adicionales en el encabezado para mantener una conexi贸n establecida. Este proceso reduce en gran medida la sobrecarga del protocolo IP. Sin embargo, sin una conexi贸n completa preestablecida, los remitentes no saben si los dispositivos de destino est谩n presentes y en funcionamiento cuando env铆an paquetes, ni tampoco si el destinatario recibe el paquete o si puede acceder al paquete y leerlo.
El protocolo IP no garantiza que todos los paquetes que se env铆an, de hecho, se reciban. En la ilustraci贸n, se muestran las caracter铆sticas de entrega de mejor esfuerzo o poco confiable del protocolo IP.
Paquete IPv4
Encabezado de paquetes IPv4
IPv4 es uno de los protocolos de comunicaci贸n de la capa de red principal. El encabezado del paquete IPv4 se utiliza para garantizar que este paquete se entrega en su siguiente parada en el camino a su dispositivo final de destino.
El encabezado de paquetes IPv4 consta de campos que contienen informaci贸n importante sobre el paquete. Estos campos tienen n煤meros binarios que examinan el proceso de capa 3.
Campos de encabezado de paquete IPv4
Los valores binarios de cada campo identifican diversos par谩metros de configuraci贸n del paquete IP. Los diagramas de encabezado del protocolo, que se leen de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo, proporcionan una representaci贸n visual de consulta al analizar los campos de protocolo. El diagrama de encabezado del protocolo IP en la ilustraci贸n identifica los campos de un paquete IPv4.
nombres y longitud de bits de los campos en un encabezado de paquete IPv4
Campos del encabezado de paquetes IPv4
Los campos significativos en el encabezado IPv4 incluyen lo siguiente:
- Versi贸n - Contiene un valor binario de 4 bits establecido en 0100 que identifica esto como un paquete IPv4.
- Servicios diferenciados o DiffServ (DS) - Este campo, formalmente conocido como Tipo de servicio (ToS), es un campo de 8 bits que se utiliza para determinar la prioridad de cada paquete. Los seis bits m谩s significativos del campo DiffServ son los bits de un c贸digo de servicios diferenciados (DSCP) y los dos bits menos significativos son los del mecanismo de congesti贸n expl铆cita (ECN).
- Suma de comprobaci贸n de encabezado - Se utiliza para detectar da帽os en el encabezado IPv4.
- Tiempo de duraci贸n (Time to Live o TTL) - TTL contiene un valor binario de 8 bits que se utiliza para limitar la vida 煤til de un paquete. El dispositivo de origen del paquete IPv4 establece el valor TTL inicial. Se reduce en una unidad en cada router por el que pasa el paquete. Si el campo TTL llega a cero, el router descartar谩 el paquete y enviar谩 la direcci贸n de IP de origen un mensaje de tiempo superado del protocolo de mensajes de control de Internet (ICMP). Debido a que el router disminuye el TTL de cada paquete, el router tambi茅n debe volver a calcular su suma de comprobaci贸n de encabezado.
- Protocolo - Este campo se utiliza para identificar al protocolo del siguiente nivel. Este valor binario de 8 bits indica el tipo de encabezado que sigue despu茅s del encabezado del paquete, lo que permite que la capa de red transmita los datos al protocolo de la capa superior apropiado. ICMP (1), TCP (6) y UDP (17) son algunos valores comunes.
- Direcci贸n IPv4 de origen - Contiene un valor binario de 32 bits que representa la direcci贸n IPv4 de origen del paquete. La direcci贸n IPv4 de origen es siempre una direcci贸n unicast.
- Direcci贸n IPv4 de destino - Contiene un valor binario de 32 bits que representa la direcci贸n IPv4 de destino del paquete. La direcci贸n IPv4 de destino es una direcci贸n unicast, multicast o de difusi贸n.
Los dos campos a los que se hace m谩s referencia son los de direcci贸n IP de origen y de destino En estos campos, se identifica de d贸nde viene el paquete y a d贸nde va. Por lo general, estas direcciones no cambian mientras se viaja desde el origen hasta el destino.
Para identificar y validar el paquete, se usan los campos de longitud del encabezado de Internet (IHL), longitud total y el encabezado checksum.
Para reordenar un paquete fragmentado, se usan otros campos. Espec铆ficamente, el paquete IPv4 utiliza los campos de identificaci贸n, se帽aladores y desplazamiento de fragmentos para llevar un control de los fragmentos. Un router puede tener que fragmentar un paquete IPv4 cuando lo reenv铆a de un medio a otro con una MTU m谩s peque帽a.
Los campos Opciones y Relleno rara vez se usan.
Paquete IPv6
Limitaciones de IPv4
IPv4 todav铆a est谩 en uso hoy en d铆a. Este tema trata sobre IPv6, que eventualmente reemplazar谩 a IPv4. Para comprender mejor por qu茅 necesita conocer el protocolo IPv6, ayuda a conocer las limitaciones de IPv4 y las ventajas de IPv6.
A lo largo de los a帽os, se han elaborado protocolos y procesos adicionales para hacer frente a los nuevos desaf铆os. Sin embargo, incluso con los cambios, IPv4 a煤n tiene tres grandes problemas:
- Agotamiento de la direcci贸n IPv4: IPv4 tiene un n煤mero limitado de direcciones p煤blicas 煤nicas disponibles. Si bien hay aproximadamente 4000 millones de direcciones IPv4, el incremento en la cantidad de dispositivos nuevos con IP habilitado, las conexiones constantes y el crecimiento potencial de regiones menos desarrolladas aumentaron la necesidad de direcciones.
- Falta de conectividad de extremo a extremo: La traducci贸n de direcciones de red (NAT) es una tecnolog铆a com煤nmente implementada dentro de las redes IPv4. NAT proporciona una manera para que varios dispositivos compartan una 煤nica direcci贸n IPv4 p煤blica. Sin embargo, dado que la direcci贸n IPv4 p煤blica se comparte, se oculta la direcci贸n IPv4 de un host de la red interna. Esto puede ser un problema para las tecnolog铆as que necesitan conectividad completa.
- Mayor complejidad de la red : mientras que NAT ha ampliado la vida 煤til de IPv4, solo se trataba de un mecanismo de transici贸n a IPv6. NAT en sus diversas implementaciones crea una complejidad adicional en la red, creando latencia y haciendo m谩s dif铆cil la soluci贸n de problemas.
- Manejo de paquetes mejorado: - las direcciones IPv6 se basan en el direccionamiento jer谩rquico de 128 bits en lugar de IPv4 con 32 bits.
- Mejor manejo de paquetes - Manejo de paquetes mejorado: el encabezado IPv6 se ha simplificado con menos campos.
- Elimina la necesidad de NAT: - Elimina la necesidad de NAT: con una cantidad tan grande de direcciones IPv6 p煤blicas, no se necesita NAT entre una direcci贸n IPv4 privada y una IPv4 p煤blica. Esto evita algunos de los problemas inducidos por NAT que experimentan las aplicaciones que requieren conectividad de extremo a extremo.
Hay 340 sextillones de direcciones IPv6.
- El encabezado IPv6 se simplifica, pero no es m谩s peque帽o.
- El encabezado se fija en 40 Bytes u octetos de longitud.
- Se eliminaron varios campos IPv4 para mejorar el rendimiento.
- Algunos campos IPv4 se eliminaron para mejorar el rendimiento:
- Se帽alador
- Desplazamiento de fragmentos
- Suma de comprobaci贸n del encabezado.
C贸mo arma las rutas un host
La decisi贸n de reenv铆o de host
Con IPv4 e IPv6, los paquetes siempre se crean en el host de origen. El host de origen debe poder dirigir el paquete al host de destino. Para ello, los dispositivos finales de host crean su propia tabla de enrutamiento. En este tema se explica c贸mo los dispositivos finales utilizan las tablas de enrutamiento.
Otra funci贸n de la capa de red es dirigir los paquetes entre hosts. Un host puede enviar un paquete a lo siguiente:
Itself - A host can ping itself by sending a packet to a special IPv4 address of 127.0.0.1 or an IPv6 address ::1, que se conoce como la interfaz de bucle invertido. El hacer ping a la interfaz de bucle invertido, pone a prueba la pila del protocolo TCP/IP en el host.
Host local - este es un host de destino que se encuentra en la misma red local que el host emisor. Los hosts de origen y destino comparten la misma direcci贸n de red.
Host remoto - este es un host de destino en una red remota. Los hosts de origen y destino no comparten la misma direcci贸n de red.
La imagen ilustra la conexi贸n de PC1 a un host local en la misma red y a un host remoto ubicado en otra red.
El dispositivo final de origen determina si un paquete est谩 destinado a un host local o a un host remoto. El dispositivo final de origen determina si la direcci贸n IP de destino est谩 en la misma red en la que est谩 el propio dispositivo de origen. El m茅todo de determinaci贸n var铆a seg煤n la versi贸n IP:
- En IPv4 : el dispositivo de origen utiliza su propia m谩scara de subred junto con su propia direcci贸n IPv4 y la direcci贸n IPv4 de destino para realizar esta determinaci贸n.
- En IPv6 : el router local anuncia la direcci贸n de red local (prefijo) a todos los dispositivos de la red.
En una red dom茅stica o comercial, puede tener varios dispositivos cableados e inal谩mbricos interconectados mediante un dispositivo intermediario, como un switch LAN o un punto de acceso inal谩mbrico (WAP). Este dispositivo intermediario proporciona interconexiones entre hosts locales en la red local. Los hosts locales pueden conectarse y compartir informaci贸n sin la necesidad de dispositivos adicionales. Si un host est谩 enviando un paquete a un dispositivo que est谩 configurado con la misma red IP que el dispositivo host, el paquete simplemente se reenv铆a desde la interfaz del host, a trav茅s del dispositivo intermediario, y directamente al dispositivo de destino.
Por supuesto, en la mayor铆a de las situaciones queremos que nuestros dispositivos puedan conectarse m谩s all谩 del segmento de red local, como a otros hogares, negocios e Internet. Los dispositivos que no est谩n en el segmento de red local se denominan "m贸dulo remoto de E/S". Cuando un dispositivo de origen env铆a un paquete a un dispositivo de destino remoto, se necesita la ayuda de los routers y del enrutamiento. El enrutamiento es el proceso de identificaci贸n de la mejor ruta para llegar a un destino. El router conectado al segmento de red local se denomina gateway predeterminado.
Puerta de Enlace Predeterminada (Gateway)
La puerta de enlace predeterminada es el dispositivo de red (es decir, el router o el switch de capa 3) que puede enrutar el tr谩fico a otras redes. Si se piensa en una red como si fuera una habitaci贸n, el gateway predeterminado es como la puerta. Si desea ingresar a otra habitaci贸n o red, debe encontrar la puerta.
En una red, una puerta de enlace predeterminada suele ser un router con estas caracter铆sticas:
- Tiene una direcci贸n IP local en el mismo rango de direcciones que otros hosts en la red local.
- Puede aceptar datos en la red local y reenviar datos fuera de la red local.
- Enruta el tr谩fico a otras redes.
Se requiere una puerta de enlace predeterminada para enviar tr谩fico fuera de la red local. El tr谩fico no se puede reenviar fuera de la red local si no hay una puerta de enlace predeterminada, la direcci贸n de la puerta de enlace predeterminada no est谩 configurada o la puerta de enlace predeterminada est谩 desactivada.
Un host enruta a la puerta de enlace predeterminada
Una tabla de enrutamiento de host generalmente incluir谩 una puerta de enlace predeterminada. En IPv4, el host recibe la direcci贸n IPv4 de la puerta de enlace predeterminada, ya sea din谩micamente desde el Protocolo de configuraci贸n din谩mica de host (DHCP) o configurado manualmente. En IPv6, el router anuncia la direcci贸n de la puerta de enlace predeterminada o el host se puede configurar manualmente.
En la imagen, PC1 y PC2 est谩n configuradas con la direcci贸n IPv4 de 192.168.10.1 como la puerta de enlace predeterminada.
Nota: La salida
s贸lo muestra la tabla de rutas IPv4.
- Lista de interfaces: - enumera la direcci贸n de control de acceso a medios (MAC) y el n煤mero de interfaz asignado de cada interfaz con capacidad de red en el host, incluidos los adaptadores Ethernet, Wi-Fi y Bluetooth.
- Tabla de rutas IPv4: - enumera todas las rutas IPv4 conocidas, incluidas las conexiones directas, la red local y las rutas locales predeterminadas.
- Tabla de rutas IPv6: - Tabla de rutas IPv6: enumera todas las rutas IPv6 conocidas, incluidas las conexiones directas, la red local y las rutas locales predeterminadas.
Introducci贸n al enrutamiento
Tabla de enrutamiento de R1
| Route | Next Hop or Exit Interface |
|---|---|
| 192.168.10.0 /24 | G0/0/0 |
| 209.165.200.224/30 | G0/0/1 |
| 10.1.1.0/24 | via R2 |
| Default Route 0.0.0.0/0 | via R2 |
- Redes conectadas directamente - estas entradas de ruta de red son interfaces de router activas. Los routers agregan una ruta conectada directamente cuando una interfaz se configura con una direcci贸n IP y se activa. Cada interfaz de router est谩 conectada a un segmento de red diferente. En la figura, las redes conectadas directamente en la tabla de enrutamiento IPv4 R1 ser铆an 192.168.10.0/24 y 209.165.200.224/30.
- Redes remotas - estas entradas de ruta de red est谩n conectadas a otros routers. Los routers aprenden acerca de las redes remotas ya sea mediante la configuraci贸n expl铆cita de un administrador o mediante el intercambio de informaci贸n de ruta mediante un protocolo de enrutamiento din谩mico. En la figura, la red remota en la tabla de enrutamiento IPv4 R1 ser铆a 10.1.1.0/24.
- Ruta predeterminada - al igual que un host, la mayor铆a de los routers tambi茅n incluyen una entrada de ruta predeterminada, una puerta de enlace de 煤ltimo recurso. La ruta predeterminada se utiliza cuando no hay una mejor coincidencia (m谩s larga) en la tabla de enrutamiento IP. En la figura, la tabla de enrutamiento IPv4 R1 probablemente incluir铆a una ruta predeterminada para reenviar todos los paquetes al router R2.
- Manualmente - las redes remotas se ingresan manualmente en la tabla de rutas mediante rutas est谩ticas.
- Din谩micamente - las rutas remotas se aprenden autom谩ticamente mediante un protocolo de enrutamiento din谩mico.
- Una ruta est谩tica debe configurarse manualmente.
- El administrador necesita volver a configurar una ruta est谩tica si hay un cambio en la topolog铆a y la ruta est谩tica ya no es viable.
- Una ruta est谩tica es apropiada para una red peque帽a y cuando hay pocos o ninguno de los enlaces redundantes.
- Una ruta est谩tica se usa com煤nmente con un protocolo de enrutamiento din谩mico para configurar una ruta predeterminada.
- Detectar redes remotas.
- Mantener informaci贸n de enrutamiento actualizada.
- Elija el mejor camino hacia las redes de destino
- Intente encontrar una nueva mejor ruta si la ruta actual ya no est谩 disponible
- L - Direcci贸n IP de interfaz local conectada directamente
- C – Red conectada directamente
- S — La ruta est谩tica fue configurada manualmente por un administrador
- O - OSPF
- D - EIGRP
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