Hasta este punto, es posible que haya notado que los módulos de este curso progresan de abajo hacia arriba a través de las capas del modelo OSI. Una red conmutada simple no puede transmitir su mensaje más allá del final de su propia red, por lo que necesita ayuda para que su mensaje llegue al dispositivo final de su amigo. Para lograr esto, debe contar con el uso de routers, y para acceder a ellos, es necesario utilizar protocolos de capa de red.
Características de la capa de red
La capa de red
La capa de red, también conocida como Capa OSI 3 o capa de red TCP/IP, brinda servicios para permitir el intercambio de datos entre dispositivos finales a través de redes. Los principales protocolos de comunicación en esta capa son IPv4 e IPv6, aunque también existen otros como OSPF y ICMP. Para lograr la comunicación end-to-end a través de diferentes redes, los protocolos de capa de red realizan cuatro operaciones básicas:
- Direccionamiento de dispositivos finales: cada dispositivo final en la red debe tener una dirección IP única para ser identificado.
- Encapsulación: la capa de red toma los datos de la capa de transporte y los encapsula en un paquete, añadiendo información de en cabezado IP, como las direcciones IP de origen y destino. Esta operación la 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. Los routers se encargan de procesar los paquetes y de seleccionar la mejor ruta para que lleguen al host de destino. A este proceso se le llama «enrutamiento» y un paquete puede pasar por varios routers antes de llegar a su destino.
- Desencapsulación: cuando el paquete llega al host de destino, se verifica la dirección IP de destino y se elimina el encabezado IP. La PDU de la capa de transporte se transfiere al servicio apropiado en la capa de transporte. Esta operación la realiza el host de destino.
Encapsulación IP
IP encapsula los datos de la capa de transporte o cualquier otro tipo de datos mediante la adición de un encabezado IP, que se utiliza para entregar el paquete al host de destino. El proceso de encapsulamiento de datos capa por capa permite que los servicios se desarrollen y escalen en diferentes capas sin afectar a las demás. Así, IPv4, IPv6 u otros protocolos pueden construir paquetes con segmentos de la capa de transporte sin inconvenientes.
El encabezado IP es examinado por dispositivos de Capa 3 (routers y switches de Capa 3) mientras viaja por la red hasta su destino. Es importante destacar que la información de direccionamiento IP se mantiene igual desde que el paquete sale del host de origen hasta que llega al host de destino, a excepción de cuando es traducida por dispositivos de traducción de direcciones de red (NAT) para IPv4.
Características de IP
IP es un protocolo que se diseñó para enviar paquetes de datos de un lugar a otro de manera rápida y sin mucha información extra. Es decir, solo hace lo necesario para que los datos lleguen a su destino. No se encarga de controlar ni supervisar el flujo de los paquetes, sino que eso lo hacen otros protocolos como TCP.
Algunas de las características de IP son:
- Sin conexión: no se establece una conexión con el destino antes de enviar los datos.
- Mejor esfuerzo: no se garantiza la entrega de los paquetes, por lo que puede haber pérdidas o errores en la transmisión.
- Medios independientes: funciona sin importar el medio que se utilice para transportar los datos, como el cobre, la fibra óptica o las señales inalámbricas.
Sin conexión
IP no establece una conexión antes de enviar los datos, lo que significa que no hay una conexión especial dedicada entre el origen y el destino. Es como si mandaras una carta sin avisarle al destinatario que la estás enviando.
Mejor esfuerzo
IP no necesita campos adicionales en el encabezado para mantener una conexión establecida, lo que hace que el protocolo sea más sencillo y rápido. Pero, como no hay una conexión establecida antes de enviar los datos, los remitentes no saben si los dispositivos de destino están funcionando o si los paquetes están siendo recibidos y leídos.
El protocolo IP no puede garantizar que todos los paquetes que se envían sean recibidos. En la imagen se pueden ver las características de la entrega de mejor esfuerzo o poco confiable del protocolo IP.
Independiente de los medios
Que IP sea poco confiable significa que no puede administrar ni recuperar paquetes que no lleguen o estén dañados. Los paquetes IP no tienen información que le permita al remitente saber si la entrega fue exitosa. Por eso, puede que los paquetes lleguen en mal estado, fuera de orden o que no lleguen en absoluto. IP no puede volver a enviar los paquetes si hay errores.
Las aplicaciones que usan los datos de las capas superiores deben solucionar los problemas que surjan, como enviar los paquetes en el orden correcto o recuperar los que se hayan perdido. Esto hace que IP sea muy eficaz. En el conjunto de protocolos TCP/IP, la confiabilidad es responsabilidad del protocolo TCP en la capa de transporte.
IP funciona sin importar el medio que se use para transportar los datos en las capas más bajas. Pueden ser cables de cobre, fibras ópticas o señales inalámbricas, como se ve en la ilustración.
Paquete IPv4
Encabezado de paquetes IPv4
IPv4 es un tipo de forma de enviar información por internet. Para que la información llegue a su destino, se divide en paquetes y se les coloca una «etiqueta» en la que se indica a dónde tienen que ir.
Esta etiqueta es el encabezado de paquete IPv4 y tiene información importante sobre el paquete. Los números binarios se usan para revisar y asegurar que el paquete llegue correctamente a su destino. ¡Es como si cada paquete de información tuviera un mapa que le indica cómo llegar a donde tiene que ir!
Campos de encabezado de paquete IPv4
El encabezado de un paquete IPv4 tiene diferentes campos que contienen información importante sobre el paquete. Estos campos están compuestos por números binarios que permiten examinar y analizar el proceso de capa 3.
Algunos campos significativos del encabezado IPv4 son:
- Versión: tiene un valor binario de 4 bits que identifica el paquete como IPv4.
- Servicios Diferenciados o DiffServ: es un campo de 8 bits que se utiliza para determinar la prioridad de cada paquete.
- Suma de comprobación de encabezado: se usa para detectar daños en el encabezado IPv4.
- Tiempo de Duración (TTL): contiene un valor binario de 8 bits que se utiliza para limitar la vida útil de un paquete.
- Protocolo: este campo se utiliza para identificar el protocolo del siguiente nivel.
- Dirección IPv4 de origen: contiene un valor binario de 32 bits que representa la dirección de origen del paquete.
- Dirección IPv4 de destino: contiene un valor binario de 32 bits que representa la dirección de destino del paquete.
Los campos más importantes son los de dirección IP de origen y de destino. Estos campos identifican de dónde viene el paquete y a dónde va. Por lo general, estas direcciones no cambian mientras se viaja desde el origen hasta el destino.
Paquete IPv6
Limitaciones de IPv4
Aunque todavía se utiliza IPv4, se ha desarrollado IPv6 para reemplazarlo. Esto se debe a que IPv4 tiene algunas limitaciones importantes y problemas que afectan su uso en la actualidad.
Entre las limitaciones de IPv4 se encuentran:
- Agotamiento de direcciones IPv4: hay un número limitado de direcciones IPv4 disponibles, lo que puede generar problemas a medida que aumenta la cantidad de dispositivos que necesitan una dirección IP única.
- Falta de conectividad de extremo a extremo: la traducción de direcciones de red (NAT) se utiliza para permitir que varios dispositivos compartan una única dirección IP pública, pero esto puede ocultar la dirección de un host y afectar la conectividad completa.
- Mayor complejidad de la red: la implementación de NAT ha creado complejidad adicional en la red, lo que puede generar latencia y dificultar la solución de problemas.
IPv6 soluciona estos problemas al proporcionar un número mucho mayor de direcciones únicas, lo que garantiza que haya suficientes direcciones para todos los dispositivos. Además, IPv6 permite una conectividad completa de extremo a extremo y reduce la complejidad de la red al eliminar la necesidad de NAT.
Por lo tanto, es importante conocer IPv6 ya que se está convirtiendo en el nuevo estándar de comunicación en internet y ofrece importantes ventajas sobre IPv4.
Información general sobre IPv6
En los años 90, el Grupo de trabajo de ingeniería de Internet (IETF) comenzó a buscar una solución a los problemas de IPv4, lo que llevó al desarrollo de IPv6. IPv6 es una versión mejorada de IPv4 que ofrece características que se adaptan mejor a las demandas de red actuales y previsibles.
Las mejoras que ofrece IPv6 incluyen:
- Manejo de paquetes mejorado: las direcciones IPv6 se basan en el direccionamiento jerárquico de 128 bits en lugar de 32 bits como en IPv4. Esto proporciona un mayor número de direcciones únicas disponibles.
- Encabezado simplificado: el encabezado IPv6 es más simple que el de IPv4, lo que mejora el manejo de paquetes.
- Eliminación de NAT: con una cantidad tan grande de direcciones IPv6 públicas, no se necesita NAT, lo que evita algunos de los problemas que experimentan las aplicaciones que requieren conectividad de extremo a extremo.
El espacio de direcciones IPv4 de 32 bits tiene aproximadamente 4.294.967.296 direcciones únicas. Por otro lado, el espacio de direcciones IPv6 proporciona 340 undecillones de direcciones, lo que es equivalente a cada grano de arena en la Tierra.
Campos de encabezado de paquete IPv4 en el encabezado de paquete IPv6
Una de las mejoras más importantes de IPv6 con respecto a IPv4 es el encabezado simplificado de IPv6. En comparación con el encabezado de IPv4, el encabezado IPv6 es más corto y más fácil de procesar.
El encabezado IPv4 tiene una longitud variable de hasta 60 bytes si se utiliza el campo Opciones, y consta de 12 campos de encabezado básicos, sin incluir el campo Opciones y el campo Relleno. Por otro lado, el encabezado IPv6 simplificado tiene una longitud fija de 40 bytes debido a la longitud de las direcciones IPv6 de origen y destino.
El encabezado simplificado de IPv6 hace que el procesamiento de los encabezados sea más eficiente en comparación con IPv4. Algunos campos se han mantenido igual, algunos campos han cambiado de nombre y posición, y algunos campos de IPv4 se han eliminado en IPv6. Esto permite un procesamiento más rápido y sencillo de los paquetes IPv6.
Encabezado de paquetes IPv6
El encabezado del paquete IPv6 consta de varios campos importantes, que incluyen:
- Versión: este campo contiene un valor binario de 4 bits establecido en 0110 que identifica esto como un paquete IP versión 6.
- Clase de tráfico: este campo de 8 bits es equivalente al campo de Servicios diferenciados (DS) IPv4.
- Etiqueta de flujo: este campo de 20 bits sugiere que todos los paquetes con la misma etiqueta de flujo reciben el mismo tipo de manejo por routers.
- Longitud de carga útil: este campo de 16 bits indica la longitud de la porción de datos o carga útil del paquete IPv6. Esto no incluye la longitud del encabezado IPv6, que es un encabezado fijo de 40 bytes.
- Encabezado siguiente: este campo de 8 bits es equivalente al campo de Protocolo IPv4. Indica el tipo de contenido de datos que lleva el paquete, lo que permite que la capa de red transmita la información al protocolo de capa superior apropiado.
- Límite de salto: este campo de 8 bits reemplaza al campo TTL de IPv4. Cada router que reenvía el paquete reduce este valor en 1. Cuando el contador llega a 0, el paquete se descarta y se reenvía un mensaje ICMPv6 Tiempo excedido al host emisor.
- Dirección IPv6 de origen: este campo de 128 bits identifica la dirección IPv6 del host emisor.
- Dirección IPv6 de destino: este campo de 128 bits identifica la dirección IPv6 del host receptor.
Además, un paquete IPv6 puede contener encabezados de extensión (EH), que proveen información opcional de la capa de red. Los EH se usan para fragmentar, dar seguridad, admitir la movilidad y otras acciones.
A diferencia de IPv4, los routers no fragmentan paquetes IPv6 enrutados, lo que mejora el rendimiento de la red. En resumen, IPv6 ofrece una mejor eficiencia y funcionalidad en comparación con IPv4, lo que permite un mejor manejo de los paquetes y una conectividad mejorada en la red.
¿Cómo arma las rutas el host?
La decisión de reenvío de host
Tanto con IPv4 como con IPv6, los paquetes siempre se crean en el host de origen. El host de origen debe ser capaz de direccionar el paquete al host de destino. Para lograr esto, los dispositivos finales de host crean sus propias tablas de enrutamiento.
Otra función importante de la capa de red es dirigir los paquetes entre hosts. Un host puede enviar un paquete a lo siguiente:
- A sí mismo: un host puede hacer ping a sí mismo enviando un paquete a una dirección IPv4 especial de 127.0.0.1 o una dirección IPv6 de ::1, conocida como la interfaz de bucle invertido. Hacer ping a la interfaz de bucle invertido es una forma de probar la pila de 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 dirección de red.
- Host remoto: este es un host de destino en una red remota. Los hosts de origen y destino no comparten la misma dirección de red.
Puerta de Enlace Predeterminada (Gateway)
La puerta de enlace predeterminada es el dispositivo de red (como un router o un switch de capa 3) que puede enrutar el tráfico hacia otras redes. Si pensamos en una red como si fuera una habitación, la puerta de enlace predeterminada es como la puerta. Si deseamos acceder a otra habitación o red, debemos encontrar la puerta.
En una red, la puerta de enlace predeterminada suele ser un router con las siguientes características:
- Tiene una dirección 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 tráfico hacia otras redes.
Se requiere una puerta de enlace predeterminada para enviar tráfico fuera de la red local. El tráfico no puede ser reenviado fuera de la red local si no hay una puerta de enlace predeterminada, si la dirección de la puerta de enlace predeterminada no está configurada o si la puerta de enlace predeterminada está desactivada.
Un host enruta a la puerta de enlace predeterminada
Una tabla de enrutamiento de host suele incluir una puerta de enlace predeterminada. En IPv4, el host recibe la dirección IPv4 de la puerta de enlace predeterminada, ya sea a través del Protocolo de configuración dinámica de host (DHCP) o configurado manualmente. En IPv6, el router anuncia la dirección de la puerta de enlace predeterminada o el host puede configurarse manualmente.
Tablas de enrutamiento de host
En un host de Windows, se puede utilizar el comando «route print» o «netstat -r» para mostrar la tabla de enrutamiento del host. Ambos comandos generan el mismo resultado. Al principio, los resultados pueden parecer abrumadores, pero son bastante fáciles de entender. Al ingresar el comando «netstat -r» o el comando equivalente «route print», se muestran tres secciones relacionadas con las conexiones de red TCP / IP actuales:
- Lista de interfaces: esta sección enumera la dirección de control de acceso a medios (MAC) y el número 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: esta sección enumera todas las rutas IPv4 conocidas, incluidas las conexiones directas, la red local y las rutas locales predeterminadas.
- Tabla de rutas IPv6: esta sección enumera todas las rutas IPv6 conocidas, incluidas las conexiones directas, la red local y las rutas locales predeterminadas.
Introducción al enrutamiento
Decisión de envío de paquetes del router
Cuando llega un paquete a la interfaz de un router, el router examina la dirección IP de destino del paquete y busca en su tabla de enrutamiento para determinar dónde reenviar el paquete. La tabla de enrutamiento contiene una lista de todas las direcciones de red conocidas (prefijos) y a dónde reenviar el paquete. Estas entradas se conocen como entradas de ruta o rutas. El router reenviará el paquete utilizando la mejor entrada de ruta que coincida (más larga).
Tabla de enrutamiento IP del router
La tabla de enrutamiento de un router contiene entradas de ruta de red que enumeran todos los posibles destinos de red conocidos.
La tabla de enrutamiento almacena tres tipos de entradas de ruta:
- 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 dirección IP y se activa. Cada interfaz de router está conectada a un segmento de red diferente.
- Redes remotas: estas entradas de ruta de red están conectadas a otros routers. Los routers aprenden acerca de las redes remotas ya sea mediante la configuración explícita de un administrador o mediante el intercambio de información de ruta mediante un protocolo de enrutamiento dinámico.
- Ruta predeterminada: al igual que un host, la mayoría de los routers también incluyen una entrada de ruta predeterminada, una puerta de enlace de último recurso. La ruta predeterminada se utiliza cuando no hay una mejor coincidencia (más larga) en la tabla de enrutamiento IP.
Un router puede descubrir redes remotas de dos maneras:
- Manualmente: las redes remotas se ingresan manualmente en la tabla de rutas mediante rutas estáticas.
- Dinámicamente: las rutas remotas se aprenden automáticamente mediante un protocolo de enrutamiento dinámico.
Enrutamiento estático
Las rutas estáticas son entradas de ruta que se configuran manualmente. El enrutamiento estático tiene las siguientes características:
- Una ruta estática debe configurarse manualmente.
- El administrador necesita volver a configurar una ruta estática si hay un cambio en la topología y la ruta estática ya no es viable.
- Una ruta estática es apropiada para una red pequeña y cuando hay pocos o ninguno de los enlaces redundantes.
- Una ruta estática se usa comúnmente con un protocolo de enrutamiento dinámico para configurar una ruta predeterminada.
Enrutamiento dinámico
Un protocolo de enrutamiento dinámico permite a los routers aprender automáticamente sobre redes remotas, incluyendo una ruta predeterminada, de otros routers. Los routers que utilizan protocolos de enrutamiento dinámico comparten automáticamente información de enrutamiento con otros routers y se ajustan a cualquier cambio en la topología sin necesidad de intervención del administrador de red. Si se produce un cambio en la topología de la red, los routers comparten esta información mediante el protocolo de enrutamiento dinámico y actualizan automáticamente sus tablas de enrutamiento.
Algunos protocolos de enrutamiento dinámico incluyen OSPF y Enhanced Interior Gateway Routing Protocol (EIGRP).
Introducción a una tabla de enrutamiento IPv4
El comando show ip route en modo EXEC privilegiado se utiliza para mostrar la tabla de enrutamiento IPv4 en un router Cisco IOS. La tabla de enrutamiento muestra todas las rutas de destino IPv4 conocidas para el router.
Los códigos que se utilizan al principio de cada entrada en la tabla de enrutamiento identifican el tipo de ruta o cómo se aprendió la ruta. Algunos de los códigos comunes son:
L – Dirección IP de interfaz local conectada directamente
C – Red conectada directamente
S – Ruta estática configurada manualmente por un administrador
O – OSPF
D – EIGRP
Las entradas de ruta también identifican la interfaz de salida que se utilizará para llegar a la red. Una ruta conectada directamente se crea automáticamente cuando se configura una interfaz de router con información de dirección IP y se activa. En la tabla de enrutamiento, se muestran dos entradas de ruta conectadas directamente, identificadas con los códigos C y L.
Además, los routers pueden utilizar protocolos de enrutamiento dinámico como OSPF para intercambiar información de enrutamiento automáticamente. En la tabla de enrutamiento, se muestra una entrada de ruta aprendida dinámicamente del router R2 a través del protocolo OSPF.
Una ruta predeterminada tiene una dirección de red de todos los ceros y se identifica con un código de S* en la tabla de enrutamiento.