Tema 1 - Arquitectura TCP/IP - Universidad de Cantabria · 2020. 10. 5. · Protocol : indica...

Redes y Servicios Telemáticos - Arquitectura TCP/IP

Luis Diez

Redes y Servicios Telemáticos

Tema 1 - Arquitectura TCP/IP

Luis [email protected]


Luis Diez

Índice

1 Introducción

2 Capa de Inter-red

3 Algoritmos de Encaminamiento

4 Ejercicios

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Luis Diez

Índice

1 Introducción

2 Capa de Inter-red


4 Ejercicios

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Luis Diez

Motivaciones

Hoy en día• Interconexión de redes ≈ Internet ≈ TCP/IP

Orígenes• Red de interconexión de redes de comando y control• Debía ser robusta e invulnerable a un ataque nuclear

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Luis Diez

Evolución de Internet

Año 1969

Año 1971

Año 1973

Año 1980

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Luis Diez

Evolución de Internet

enero-93

enero-95

enero-97

enero-99

enero-01

enero-03

enero-05

enero-07

enero-09

enero-11

enero-13

enero-15

enero-17

enero-19

0

200

400

600

800

1 000

1 200

Millones

dedom

inios

Evolución del número dominios de Internet(Fuente de datos https://www.isc.org/survey/)

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https://www.isc.org/survey/


Luis Diez

Arquitectura de Internet

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Luis Diez

Ejemplo ISP - Red Iris

Despliegue de Red Iris.(Fuente: https://www.rediris.es/lared/)

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https://www.rediris.es/lared/


Luis Diez

Organismos de gestión de Internet

Necesarios para evitar el aislamiento de redes en islas homogéneas• Internet Society - ISOC• Internet Assigned Numbers Authority - IANA• World Wide Web Consortium - W3C

Internet Society - ISOC (https://www.internetsociety.org)

• Organización no gubernamental y sin ánimo de lucro dedicada almantenimiento y mejora de Internet

• Desarrolla nuevos estándares y protocolos a través de sus comitésI Internet Research Task Force - IRTF (https://www.irtf.org)I Internet Engineering Task Force - IETF (http://www.ietf.org)I Internet Engineering Steering Group - IESG

(https://www.ietf.org/iesg.html)I Internet Architecture Board - IAB (https://www.iab.org)

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https://www.internetsociety.org

https://www.irtf.org

http://www.ietf.org

https://www.ietf.org/iesg.html

https://www.iab.org


Luis Diez

Organismos de gestión de Internet

Internet Assigned Numbers Authority - IANA (https://www.iana.org)

• Asignación de valores para protocolos InternetI Gestión de direcciones IPI Dominios de primer nivel de DNS (Top Level Domains)I Números de puertos según protocoloI Juegos de caracteres

World Wide Web Consortium - W3C (https://www.w3.org)

• Investiga, propone y de�ne temas y protocolos• Referencia y coordinación en evolución e interoperabilidad de la

web• Este consorcio se encarga de producir

I Especi�cacionesI Códigos de referenciaI Prototipos y demostradores

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https://www.iana.org

https://www.w3.org


Luis Diez

Características del modelo TCP/IP

Diseñado para el encaminamiento• Enfocado a la interconexión de redes más que a la interconexión

de dispositivos

Sistema de direccionamiento integrado• Independiente de la tecnología subyacente• El núcleo de la red ha tenido un crecimiento exponencial:

escalable

Basada en normas aceptadas por fabricantes y usuarios• Generadas en foros de expertos técnicos• Centro de investigación depuran la tecnología• Mercado absorbe con rapidez las innovaciones útiles

El ciclo de innovación es muy corto• Hasta la fecha más de 3000 RFCs: éxitos y �fracasos�

Universal: todos lo usamos porque todos lo usan

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Luis Diez

Modelo TCP/IP e híbrido

Los protocolos TCP/IP nacieron por la necesidad de interconectarredes diversas (internetworking)

El modelo TCP/IP se diseñó después de los protocolos

Dado su origen, a diferencia de OSI, en el modelo TCP/IP hayunos protocolos prede�nidos

A menudo, se sigue un modelo híbrido, siguiendo el de OSI en lascapas bajas (1 y 2) y el de TCP/IP en las altas (3 y 4). Esto dalugar a lo que denominamos el modelo híbrido

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Luis Diez

Comparación de los modelos OSI y TCP/IP

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Luis Diez

Familia de protocolos TCP/IP

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Luis Diez

Índice

1 Introducción

2 Capa de Inter-redConceptos generalesFormato del datagramaFragmentaciónDireccionamientoReenvío o forwarding


4 Ejercicios

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Luis Diez

Índice1 Introducción2 Capa de Inter-red

Conceptos generalesFormato del datagramaFragmentaciónDireccionamiento

Direccionamiento basado en clasesSubnetting

Supernetting

Network Address Translation

Reenvío o forwarding3 Algoritmos de Encaminamiento4 Ejercicios

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Luis Diez

Evolución de IP

Internet Protocol (IP) es el protocolo inter-red usado en la redInternet (de�nido en RFC-791, IPv4)• IPv0 en marzo de 1977• IPv1 en enero de 1978• IPv2 en febrero de 1978 (versión A)• IPv3 en febrero de 1978 (versión B)• IPv4 en septiembre de 1981, RFC-791• IPv6 en diciembre de 1998, RFC-2460

La versión número 5 se designó al protocolo Streaming Protocol(ST) desarrollado por Apple, NeXT y Sun.• Nunca se desplegó, pero sentó las bases para protocolos

posteriores (p.e. MPLS, VoIP)

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Luis Diez

Características principales de IP

Direccionamiento universal

Independiente de la tecnología subyacente (capas inferiores)

Filosofía best-e�ort. Delega en capas superiores.• Entrega sin reconocimientos• Entrega no �able• Comunicación no orientada a la conexión (datagramas)

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Luis Diez

Funcionalidades

Encapsulación y formato del datagrama

Fragmentación y ensamblado• Tamaño del datagrama depende del Maximum Transfer Unit

(MTU) de la tecnología subyacente

Direccionamiento• Imprescindible para saber a quién entregar los datagramas

Encaminamiento/enrutamiento• Uso de encaminadores (routers)• Puede implicar un gran número de saltos

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Luis Diez

Funcionalidades

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Luis Diez




Supernetting



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Luis Diez

Estructura del datagrama: encapsulado

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Luis Diez

Estructura del datagrama

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Luis Diez


Version: identi�cación de versión IP

IHL: longitud de cabecera IP en bloques de 32 bits (mínimo 5)

TOS: habilita estrategias de diferenciación de servicios y QoS

TL: longitud total del datagrama IP en bytes (mínimo 20)

Identi�cation: identi�ca unívocamente cada datagrama conmismo origen/destino/protocolo

Flags: 2 bits para gestionar fragmentación y otro reservado parauso futuro• DF: si habilitado (valor 1) el datagrama no se puede fragmentar.

Si no se puede enviar, se descarta• MF: si habilitado hay más fragmentos de este datagrama por

llegar

O�set: indica posición de los datos en el datagrama original enunidades de 8 bytes

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Luis Diez


TTL: indica número máximo de saltos (routers) que undatagrama puede soportar. Se decrementa en una unidad en cadasalto

Protocol: indica protocolo de nivel superior (TCP 6, UDP 17)1

Checksum: integridad de la cabecera IP. Se re-calcula en cadasalto

Source y Destination: direcciones IP del dispositivo y destino deldatagrama origen

Options: opciones adicionales (RFC-791)

Padding: relleno de la cabecera para que sea múltiplo de 32 bits

1https://www.iana.org/assignments/protocol-numbers/protocol-numbers.xhtml

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https://www.iana.org/assignments/protocol-numbers/protocol-numbers.xhtml


Luis Diez

Estructura del datagrama: opciones

Copied Flag: indica si la opción tiene que añadirse a todos losfragmentos del datagrama

Option Class: indica una de la 4 clases de opciones. Sólo se usan2 clases:• 0 para opciones de control• 2 para detección de errores

Option Number: identi�cador de la opción

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Luis Diez




Supernetting



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Luis Diez

Fragmentación

Cada tipo de red tiene un límite de trama/paquete MaximumTransfer Unit (MTU)

La longitud total del datagrama se debe ajustar al MTU de la red• Ethernet: 1500 bytes (Ethernet II), 1492 bytes (LLC-SNAP)• Token ring: 4440 bytes• IEEE 802.11: 2304 bytes• LTE 4G: ≈ 1428 bytes

El propio origen puede generar datagramas demasiado grandes. ElMTU del propio protocolo IP llega hasta 64 KB

Si el datagrama excede el MTU se tiene que fragmentar

Los nodos intermedios fragmentan y solo el destino ensambla

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Luis Diez

Fragmentación: ejemplo

Envío a través de redes de distinto MTU

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Luis Diez

Fragmentación

Los fragmentos reciben la misma cabecera que el datagramaoriginal salvo por los campos MF y O�set

Los fragmentos de un mismo datagrama tienen un mismo campoIdenti�cation

Todos los fragmentos menos el último tienen el bit MF a 1

La unidad básica de fragmentación es de 8 bytes. Los datos sereparten en tantos fragmentos como haga falta, siendo todosmúltiplos de 8 bytes salvo, quizá, el último

Todas las redes deben aceptar un MTU mínimo de 68 bytes (60de cabecera con opciones y 8 de datos). Se recomienda 576 bytes

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Luis Diez

Evitar Fragmentación

Hay casos en los que no se quiere fragmentar: ahorrar ancho debanda, evitar ataques, servicios de baja latencia, dispositivos sincapacidad de almacenamiento

Para evitar fragmentación se aplica la técnica Path MTUdiscovery (RFC-1191 para IPv4)• Habilitar �ag DF y MTU máxima• Si un nodo intermedio tiene una MTU menor, responde con un

mensaje ICMP Fragmentation Needed indicando su MTU• El nodo origen adapta el tamaño de la MTU para ese path• El proceso se repite hasta que el datagrama puede atravesar todo

el path

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Luis Diez




Supernetting



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Luis Diez

Funcionalidades

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Luis Diez

Direccionamiento IP

Funcionalidad básica de IP es la entrega de datagramas a travésde redes

Para facilitar este entrega es necesario• Identi�car el interfaz entre un dispositivo y la red• Facilitar la elección de la ruta cuando la entrega debe atravesar

múltiples redes

Características fundamentales de las direcciones IP• Únicas en el mismo dominio de colisión• Direcciones públicas y privadas

Notación• 11100011010100101001101110110001 no es manejable• Adopción de notación dotted-decimal: 227.82.157.177

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Luis Diez

Direccionamiento

Espacio de direcciones: 32 bits• 232 direcciones = 4.294.967.296 direcciones

Inicialmente cada dirección tiene 2 partes• Identi�cador de red• Identi�cador de dispositivo (host)

Red de redes interconectadas por gateways/routers• Hosts con mismo identi�cador de red ⇒ misma red• Hosts con distinto identi�cador de red ⇒ gateway/router

intermedio

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Luis Diez

Direccionamiento

¾Cómo elegir los tamaños del identi�cador de red y dispositivo?

Inicialmente se adoptó un esquema basado en clases• Pocas redes con muchos dispositivos• Aproximadamente mismo número de redes que de dispositivos• Muchas redes con pocos dispositivos

Posteriormente se adoptan esquemas más �exibles

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Luis Diez

Direccionamiento basado en clases clasesClase Primer

octetoOctetosred/host

Máx. re-des

Máx.hosts

Rango

Clase A 0xxxxxxx 1/3 27 − 2 =126

224 − 2 =16.777.214

1.0.0.0-126.255.255.255

Clase B 10xxxxxx 2/2 214 =16.384

216 − 2 =65.534

128.0.0.0-191.255.255.255

Clase C 110xxxxx 3/1 221 =2.097.152

28 − 2 =254

192.0.0.0-223.255.255.255

Clase D 1110xxxx Multicasting 224.0.0.0-239.255.255.255

Clase E 1111xxxx Experimental 240.0.0.0-254.255.255.255

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Luis Diez

Direccionamiento: direcciones especialesDirección Signi�cado Ejemplo255.255.255.255 Broadcast en red o sub-red0.0.0.0 Host que envía el datagrama.

Dirección por defectoHost a ceros Identi�ca red o sub-red 126.0.0.0Host a unos Broadcast en la red o sub-red 126.255.255.255Red a ceros Host en la red o sub-red 0.1.1.1127.0.0.1 Loopback224.0.0.1 Todos los host multicast

La dirección de loopback permite comunicar procesos en un mismo host. La mayoríade dispositivos la asocian el nombre localhost

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Luis Diez

Direccionamiento: direcciones públicas, privadasy reservadas

En cada red, todas las direcciones IP deben ser únicas

¾Cómo decidir qué direcciones se asignan?• En las redes privadas depende del administrador de la red• En redes públicas las direcciones las asignan organismos

autorizados

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Luis Diez

Direccionamiento: direcciones especialesRed o rango Uso0.0.0.0 - 0.255.255.255 Reservado (principio Clase A)127.0.0.0 - 127.255.255.255 Reservado (�n Clase A)128.0.0.0 - 128.0.255.255 Reservado (principio Clase B)191.255.0.0 - 191.255.255.255 Reservado (�n Clase B)192.0.0.0 - 192.0.0.255 Reservado (principio Clase C)223.255.255.0 - 223.255.255.255 Reservado (�n Clase C)

10.0.0.0 - 10.255.255.255 Privado (Clase A)172.16.0.0 - 172.31.0.0 Privado (Clase B)192.168.0.0 - 192.168.255.0 Privado (Clase C)

Todas las direcciones que empiezan con 127 (�n Clase A) están reservadas paraloopbak y diagnosis

Dirección con todos los bit de host a 1 se reserva para broadcast

Dirección con todos los bit de red a 0 se reserva para identi�car a un host en la redlocal

Las direcciones privadas no son accesibles desde sistemas externos

• Uso de protocolo Network Address Translation (NAT) paraconversión pública/privada

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Luis Diez

Limitaciones del direccionamiento basado enclases

Falta de �exibilidad para el direccionamiento interno• Los bloques de direcciones que se asignaban no se ajustaban a las

estructuras de las redes• No era posible crear jerarquías

Uso ine�ciente del espacio de direccionamiento• Con solo 3 clases se desperdiciaba demasiado el limitado espacio

de direcciones

Incremento de las entradas en las tablas de rutas• Si se trata de evitar el uso ine�ciente, los routers se cargan de

manera excesiva

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Luis Diez

Direccionamiento: sub-redes

Ante las ine�ciencias del direccionamiento basado en clases, sede�ne el sub-direccionamiento (subnetting) en el RFC-950

Ventajas frente al sistema de clases• Mejor ajuste a la estructura física de la red• Flexibilidad para gestionar las subredes• Invisible hacia la Internet• No hacían falta nuevos bloques de direcciones• No se incrementaban las tablas de rutas

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Luis Diez


Sin subnetting la dirección IP está compuesta de dirección de redy dirección de host

Con subnetting se incluye la dirección de sub-red

Para conocer la separación entre red y sub-red hace falta indicarlomediante una máscara de sub-red

Sigue basado en clases por lo que la dirección de red se conoce(mirando los primeros bits)

La máscara marca el límite entre el identi�cador de sub-red y eldel host

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Luis Diez


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Luis Diez

Direccionamiento IP: notación en sub-redes

La dirección IP no proporciona su�ciente información. Esnecesario incluir información de la máscara. Por ejemplo ladirección 154.71.150.42 pertenece a:• 154.71.144.0 con máscara 255.255.248.0• 154.71.148.0 con máscara 255.255.252.0

Arrastrar un número de 32 bits no es práctico, la notacióndotted-decimal es más práctica

La potencia de cómputo actual ha permitido que se hayaextendido la slash-notation o notación cluster inter-domainrouting• 154.71.144.0 con máscara 255.255.248.0 ⇒154.71.144.0/21

• 154.71.144.0 con máscara 255.255.252.0 ⇒154.71.144.0 /22

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Luis Diez


CuestiónEstablecer el esquema de sub-direccionamiento correspondiente a lared 195.100.205.0 con máscara 255.255.255.224195.100.205.0 ⇒ (11000011 01100100 11001101 00000000)

255.255.255.224 ⇒ (11111111 11111111 11111111 11100000)

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Luis Diez


Existen problemas para limitar red y sub-red en los casos extremos

156.134.0.0 con máscara 255.255.255.0 tiene 256sub-redes (156.134.0.0-156.134.255.0)• ¾La dirección 156.134.0.0 identi�ca red o sub-red?• ¾La dirección 156.134.255.255 identi�ca broadcast en red o

sub-red?

Se decide no utilizar la primera y última sub-red (all-ones-subnety subnet-zero)

Se puede habilitar su uso con la declaración all-ones-subnet ysubnet-zero

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Luis Diez

Direccionamiento IP

Cuestión¾A qué sub-red pertenece el host 138.8.149.32/17?

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Luis Diez

Direccionamiento IP

Cuestión¾Cuál es la dirección de broadcast de la subred 138.8.16.0/21?

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Luis Diez

Direccionamiento: diseño de sub-redes en clase BBits desub-red

# sub-redes # sub-redes(sub-red 0)

bits host # hosts máscara

0 0 0 16 65534 255.255.0.01 0 2 15 32766 255.255.128.02 2 4 14 16382 255.255.192.03 6 8 13 8190 255.255.224.04 14 16 12 4094 255.255.240.05 30 32 11 2046 255.255.248.06 62 64 10 1022 255.255.252.07 126 128 9 510 255.255.254.08 254 256 8 254 255.255.255.09 510 512 7 126 255.255.255.12810 1022 1024 6 62 255.255.255.19211 2046 2048 5 30 255.255.255.22412 4094 4096 4 14 255.255.255.24013 8190 8192 3 6 255.255.255.24814 16382 16384 2 2 255.255.255.25215 32766 32768 1 0 255.255.255.25416 65532 65536 0 0 255.255.255.255

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Luis Diez

Direccionamiento: notación en sub-redes

¾Cuántos bits usar para sub-redes y cuántos para los hosts?

Depende de las características de la red que se esté desplegando• Parta maximizar el número de hosts disponibles trataremos de

reservar mas bits para el host ID• Para maximizar el número de sub-redes posibles trataremos de

reservar más bits para el subnet ID

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Luis Diez

Direccionamiento: ejemplo

Ejemplo

Red 172.16.0.0/19 a dividir en 8 sub-redes

@ sub-red Máscara sub-red @ broadcast Rango hosts172.16.0.0 255.255.224.0 172.16.31.255 172.16.0.1-

172.16.31.254172.16.32.0 255.255.224.0 172.16.63.255 172.16.32.1-

172.16.63.254172.16.64.0 255.255.224.0 172.16.95.255 172.16.64.1-

172.16.95.254172.16.96.0 255.255.224.0 172.16.127.255 172.16.96.1-

172.16.127.254172.16.128.0 255.255.224.0 172.16.159.255 172.16.128.1-

172.16.159.254172.16.160.0 255.255.224.0 172.16.191.255 172.16.160.1-

172.16.191.254172.16.192.0 255.255.224.0 172.16.223.255 172.16.192.1-

172.16.223.254172.16.224.0 255.255.224.0 172.16.255.255 172.16.224.1-

172.16.255.254

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Luis Diez

Direccionamiento: diseño de sub-redes

En ocasiones esto no es su�ciente

En redes heterogéneas se necesita una solución más �exible

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Luis Diez


Supuesto: tenemos sub-redes con distinto número de equipos• Problema: se desaprovechan direcciones en las sub-redes con

menos equipos• Solución: asignar rangos de tamaño variable, variable lengthsubnet mask (VLSM)

O�cina Sub-red Máscara Rango #Madrid 194.100.100.0 255.255.255.128 194.100.100.0-127 126Barcelona 194.100.100.128 255.255.255.192 194.100.100.128-191 62Bilbao 194.100.100.192 255.255.255.224 194.100.100.192-223 30Sevilla 194.100.100.224 255.255.255.224 194.100.100.224-255 30

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Luis Diez


Uso más adaptado del espacio de direccionamiento que nos dauna red clase C

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Luis Diez


Red 201.45.222.0/24 asignada a una empresa con 6 redes de100, 50, 10, 10, 5 y 2 dispositivos respectivamente. ¾Cómocon�gurar la red?

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Luis Diez

Direccionamiento: super-redes

El número de dispositivos en Internet crece exponencialmente ⇒agotamiento de direcciones• Clase A agotadas• Clase B difíciles de conseguir• Clase C insu�cientes

La solución pasa por asignar clase C donde antes había clase B• Las tablas de encaminamiento crecen conforme aumenta la

agregación: una misma red utilizaría varias clase C ⇒ másentradas en la tabla

Introducción de Classless InterDomain Routing (CIDR)(RFC-1519→ 4632, 1993→ 2006)

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Luis Diez

Direccionamiento: super-redes

Asignación jerárquica y geográ�ca de direcciones gestionada porlos Regional Internet Registries (RIRs)(RFC-1466→ 2050→ 7020, 1993→ 1996→ 2013)• África ⇒ AfriNIC• Asia y zonas del Pací�co ⇒ APNIC• Norte América y parte del Caribe ⇒ ARIN• América Latina y parte del Caribe ⇒ LACNIC• Europa, parte de Asia y Oriente Medio ⇒ RIPE NCC (Réseaux IPEuropéens Network Coordination Centre)

Provisión de IPs a 1200 ordenadores en el rango195.100.0.0-195.100.255.255 estando ocupado hasta el195.100.12.0• 11 bits necesarios ⇒ 21 primeros bits (máscara) iguales• Primer rango libre desde 195.100.16.0 hasta195.100.23.255

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Luis Diez

Direccionamiento: ejemplo super-redes

Red 71.94.0.0/15 fragmentada sobre un total de 131.070dispositivos posibles

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Luis Diez

Direccionamiento: ejemplo super-redes

Red 71.94.0.0/15 fragmentada sobre un total de 131.070dispositivos posibles

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Luis Diez

Network Address Translation (NAT)

El espacio de direcciones públicas del IPv4 no es su�ciente para elnúmero de equipos que existen en la actualidad

IPv4 de�nió el direccionamiento público y privado para solventareste problema

Es necesario un mecanismo que permita que equipos condirecciones privadas puedan comunicarse con el exterior

El diseño se basó en una serie de características del uso deInternet• Modelo cliente-servidor: sólo los servidores tienen que ser

conocidos públicamente• �Complementariedad� de acceso: no todos los equipos de una red

acceden a la vez al exterior• Comunicaciones encaminadas: todos los accesos se hacen a través

de un router

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Luis Diez

NAT: modo unidireccional

Modo original de�nido en el RFC-1631

Se diseñó para el caso de un cliente en una red privadaaccediendo a un servidor en una red pública

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Luis Diez

NAT: modo bidireccional

Soporte del caso en el que un cliente, desde Internet, quieraacceder a un servidor en una red privada

Combinado con DNS_ALG (RFC-2694) o con IP/Port forwarding

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Luis Diez

NAT: modo basado en puertos (NAPT)

El mapeo interno que se hace en el router se extiende para usarinformación a nivel de transporte

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Luis Diez




Supernetting



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Luis Diez

Entrega de datagramas IP

Entrega directa• Entre nodos en la misma red física

Entrega indirecta (encaminamiento/enrutamiento)• Entre nodos en distintas redes físicas• Es necesario que los nodos intermedios re-envíen los datagramas

(forwarding)

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Luis Diez

Entrega indirecta

Concepto de próximo salto• Evita tener que conocer la ruta completa entre origen y destino

Solo los �enrutadores� hacen encaminamiento• Los nodos solo tienen dos pociones: (1) entrega directa, (2)

entregar el datagrama al router de su red

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Luis Diez

Reenvío de datagramas

Búsqueda de la dirección destino en la tabla de enrutamiento• La tabla tiene destino, máscara, siguiente salto, interfaz y métrica• Si existe se reenvía al puerto correspondiente• Sino, se descarta el paquete

Se decrementa el contador TTL, se actualiza la cabecera y sere-calcula el checksum

Se envía el paquete al interfaz de salida

Se transmite el paquete al enlace

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Enrutamiento: determinación de ruta

Algoritmos de encaminamiento estático• Tabla de encaminamiento de�nida por el administrador de red• Carece de capacidad para aprender la topología• No se contemplan modi�caciones de la red

Algoritmos de encaminamiento adaptativo• Aprenden por sí mismos la topología de la red• Presentan una mayor �exibilidad y adaptabilidad a cambios de

topología• Menor rendimiento debido a la sobrecarga de gestión

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Tablas de enrutamiento

Los enrutadores mantienen una tabla de rutas donde existe unaentrada por cada sub-red de la que se sabe cuál es su siguientesalto

Los nodos también tienen tablas de enrutamiento pero contienenla información de su sub-red y de su(s) enrutador(es)

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Tablas de enrutamiento

En las tablas se busca minimizar el número de entradas y evitarbucles

Se empieza a enrutar por la entrada más restrictiva

Una entrada con el mismo siguiente salto que otra más genéricaes redundante

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Límites del protocolo IP

Propiedad Protocolo que lo implementaFiabilidad extremos a extremo &control de �ujo

TCP o protocolos de aplicación

Ordenación TCPDetección de errores TCP, UDP otras capas superioresReporte de errores ICMPCreación de tablas de rutas RIP, OSPF, BGPEscasez de direcciones Direccionamiento privado (NAT,

NATP)Resolución de direccio-nes/nombres

ARP, RARP, DNS

Con�guración BOOTP, DHCPMulticast IGMP, MBONE

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Aplicaciones asociadas a IP: Ping y Traceroute

PING utiliza mensajes ICMP Echo y Echo Reply

Traceroute permite determinar la ruta que siguen los datagramasIP de extremos a extremo• Se basa en mensajes ICMP• Envía un datagrama IP con un tiempo de vida (TTL) de 1 hacia

el destino• El primer router que recibe el datagrama decrementa el TTL

(TTL= 0), devuelve un mensaje ICMP Time Exceeded y eliminael datagrama

• Este proceso se repite sucesivamente incrementando el TTL encada iteración para identi�car todos los routers intermedios en elcamino hasta el destino. Ejemplo

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https://geotraceroute.com


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Evolución de IP

El objetivo es guiar la información entre los nodos origen y destino

Funciones básicas• Forwarding o re-envío: determinar el interfaz por el que enviar un

paquete del cual no se es origen ni destino• Routing o encaminamiento: establecimiento de la ruta más

�apropiada� entre origen y destino, actualizando las de rutas

Retos y características• Necesidad de mensajes de señalización• Coordinación entre los nodos de la red• Tolerancia/reacción a fallos ⇒ robustez, resiliencia• Adaptación a posibles cambios en los enlaces y topología

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Índice

1 Introducción

2 Capa de Inter-red


4 Ejercicios

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Arquitecturas de protocolos de encaminamiento

Core architecture• Enfoque inicial centralizado en torno a pocos routers• Gateway-to-gateway protocol (GGP) en el core y Exterior gatewayprotocol (EGP) entre el core y routers periféricos

• No escala a medida que Internet crece

Autonomous system architecrure• Enfoque distribuido funcionando cada sistema de forma

independiente• Un AS es un conjunto de routers gestionados por una misma

entidad u organización• Internal routers usan Interior Routing Protocols• Border routers usan Exterior Routing Protocols como BorderGateway Protocol (BGP)

• El o los Interior Routing Protocols de cada SA son independientesy la gestión oculta al exterior

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Tipos de encaminamiento

Broadcasting• Envío de información a todos los nodos• Procedimiento de inundación o �ooding: mucha sobrecarga

Hot potato• Procedimiento de encaminamiento aleatorio• Se manda el paquete por el interfaz menos cargado

Shortest path (camino corto)• Una de las estrategias más empleadas• Se asume que todos los enlaces son iguales• Se minimiza el número de saltos entre el origen y destino

Camino óptimo (general)• El camino corto no siempre tiene que ser el mejor: enlaces y carga

heterogéneos• Se establecen costes/métricas (retardo, pérdidas, saltos, etc.)• Optimización matemática potencialmente compleja

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Algoritmos y métricas de encaminamiento

Algoritmo vector-distancia (Bellmand-Ford)• Uso de métrica genérica (típicamente saltos)• Cada router tiene información de distancia a todas las redes

conocidas• Información compartida periódicamente con vecinos• Simplicidad pero limitaciones

Algoritmo de estado de enlace (shortest-path-�rst)• Cada router almacena toda la topología de la red en una

estructura• La estructura se actualiza comprobando disponibilidad y

compartiendo estado de enlaces (p.e. enlaces caídos)• Uso de métrica genérica basada en medidas empíricas de coste de

envío• Más adaptables que los vector-distancia, pero más complicados de

gestionar

Algoritmos híbridos: ambos enfoques se pueden combinar, comoocurre en BGP

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Algoritmo vector-distancia

Cada entrada de la tabla de un indica el siguiente salto a un red ysu coste• d(v): distancia/coste de transmitir a la red v• c(u, v): coste del enlace desde u a v

Inicialmente las tablas de rutas contienen a los routers vecinoscon coste 0

Cuando un router se enciende comienza a mandar información

Actualización de entradas cuando llega información de redconocida o la distancia por otro camino es menor

1: if d(v) > d(u) + c(u, v) then2: d(v) := d(u) + c(u, v)3: next(v) := u4: Enviar mensaje a vecinos[v , d(v)]5: end if

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Ejemplo

Actualizar las tablas siendo el coste el número de saltos

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Algoritmo basado en estado de enlace

Se observa el estado de los enlaces con vecinos y se publica esainformación (p.e. periódicamente)

El conocimiento total de la red permite generar un grafoequivalente y calcular el camino más corto

Estructura de almacenamiento paralela a la tabla de rutas (p.e.mapa, árbol)

El algoritmo se divide en 5 fases• Fase 0: detección del entorno• Fase 1: publicación del estado de los enlaces• Fase 2: Creación de topología de la red (Link State Databse- LSD)• Fase 3: aplicación del algoritmo de optimización (p.e. Dijkstra)• Fase 4: generación/actualización de tabla de rutas

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Implementación de algoritmos

RIPv2 es el protocolo de encaminamiento basado envector-distancia más utilizado en Internet• Se sigue utilizando, aunque cada vez menos

OSPF es el protocolo de encaminamiento basado en estado deenlace más extendido• Hoy en día es considerado el protocolo de-facto

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Índice

1 Introducción

2 Capa de Inter-red


4 Ejercicios

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Ejercicio de fragmentación

CuestiónUn datagrama IP con payload de 452 bytes y sin opciones va a sertransmitido desde un PC a través de su bus Ethernet (MTU=1500 B)para salir a través de una línea serie (MTU=280 B).

¾Cuántos fragmentos recibe el receptor? Indicar los valores de loscampos TL, DF, MF y O�set de la cabecera de cada uno de losfragmentos.

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Ejercicio direccionamiento IP

Ejercicio

Una empresa con 5 departamentos de 1500, 800, 400, 100 y 50ordenadores cada uno recibe de su proveedor de servicios de Internet elbloque de direcciones 170.35.80.0/20. Se pide organizar la red

interna en las sub-redes correspondientes y especi�car de cada una deellas: dirección de red, máscara, dirección broadcast, número máximode direcciones y rango de direcciones.

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Ejercicio de NAT

Ejercicio

Dada la red de la �gura y las tablas de los NAT, completar el siguientediagrama

IP interna Puerto interno IP externa Puerto externo

NAT 1192.168.0.10 35213 69.18.3.21 32101192.168.0.20 80 69.18.3.21 80192.168.0.30 7000 69.18.3.21 6532

NAT 2192.168.0.10 4673 16.8.4.33 5122

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NAT: Ejercicio 1

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Ejercicio de reenvío (forwarding)Dada la �gura y la información de la tabla, completar las tablas de

enrutamiento de los routers

@ red @ broadcast Rango138.8.128.0/17 138.8.255.255 138.8.128.1-138.8.255.254138.8.16.0/21 138.8.23.255 138.8.116.1-138.8.23.254138.8.24.0/22 138.8.27.255 138.8.24.1-138.8.27.254138.8.28.0/23 138.8.29.255 138.8.28.1-138.8.29.254138.8.30.0/23 138.8.31.255 138.8.30.1-138.8.31.254

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Ejercicio de protocolos de encaminamiento

Ejercicio

Sea la red de la �gura en la que todos los routers implementan OSPFcomo protocolo de enrutamiento

Obtener la tabla de rutas de R2 en el estado estacionario

El valor del estado del enlace se calcula por el número total deequipos conectados en la Ethernet correspondiente

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Tema 1 - Arquitectura TCP/IP - Universidad de Cantabria · 2020. 10. 5. · Protocol : indica...

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