Tema 3 La capa de red. Protocolos asociados

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Departamento de Tecnología Electrónica Algunas de las transparencias tienen copyright: Redes de computadoras: Un enfoque descendente Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, April 2009. Tema 3 La capa de red. Protocolos asociados La capa de red. Protocolos asociados

Tema 3: La capa de red. Protocolos asociados
Objetivos: Entender los principios avanzados tras los servicios de la capa de red: Control de errores en la capa de red Configuración dinámica de direcciones en IPv4 Enrutamiento Traducción de direcciones Seguridad en IP IPv6. La capa de red. Protocolos asociados

3.1 Control de errores en IPv4: ICMP 3.2 Configuración dinámica de direcciones en IPv4: DHCP 3.3 Enrutamiento en internet RIP OSPF BGP Enrutamiento Multiprotocolo 3.4 Traducción de direcciones: NAT 3.5 IP versión 6 3.6 Seguridad en IP: IPsec La capa de red. Protocolos asociados

ICMP: Internet Control Message Protocol
Utilizado por hosts y routers para comunicar información del nivel de red Informe de errores: host, red, puerto o protocol inalcanzable Avisos de los routers o los receptores Funcionamiento sobre IP: Los mensajes ICMP van en datagramas IP Todos los nodos que usen IP deben implementar ICMP Los mensajes ICMP se crean solo para el primer fragmento IP La capa de red. Protocolos asociados

Formato de mensaje Los mensajes ICMP van en datagramas IP Campo Protocolo = 1 en la cabecera IP Dir. IP fuente = host que manda el mensaje ICMP Tipo Código Descripción Respuesta de eco (ping) Red inalcanzable Host inalcanzable Protocolo inalcanzable Puerto inalcanzable Redireccionamiento Petición de eco (ping) TTL excedido La capa de red. Protocolos asociados

Ping envía un paquete de datos y espera la respuesta de un paquete de contestación se basa en mensajes ICMP tipo 8 y 0 Funciones: Comprobar la conectividad de un host Ping envía los paquetes con números únicos de secuencia y notifica el número de secuencia del mensaje de respuesta: Detección de paquetes duplicados, reordenados o eliminados Ping utiliza checksums en cada paquete: Detección de paquetes corruptos Ping permite calcular la RTT (Round Trip Time) Ping permite detectar otros mensajes ICMP. La capa de red. Protocolos asociados

Ping Solicitud de Eco y Respuesta a solicitud de Eco | Tipo | Código | Checksum | | Id | Número de Secuencia | Tipo: 8 (Solicitud de Eco) o 0 (Respuesta a solicitud de Eco) Código: 0 Id: número de identificación (opcional), típicamente se usa como número de sesión Número de secuencia (opcional) La capa de red. Protocolos asociados

Ping Uso: ping [-t] [-a] [-n cuenta] [-l tamaño] [-f] [-i TTL] [-v TOS] [-r cuenta] [-s cuenta] [[-j lista-host] | [-k lista-host]] [-w tiempo de espera] nombre-destino Opciones: -t Ping el host especificado hasta que se pare -a Resolver direcciones en nombres de host -n cuenta Número de peticiones eco para enviar. -l tamaño Enviar tamaño del búfer. -f Establecer No fragmentar el indicador en paquetes. -i TTL Tiempo de vida. -v TOS Tipo de servicio. -r cuenta Ruta del registro para la cuenta de saltos. -s count Sello de hora para la cuenta de saltos. -j lista-host Relaja la ruta de origen a lo largo de la lista- host. -k lista-host Restringir la ruta de origen a lo largo de la lista- host. -w tiempo de espera Tiempo de espera en milisegundos para esperar cada respuesta. La capa de red. Protocolos asociados

Tracert (Trace route) Tracert hace esto 3 veces por router Final del proceso La petición de eco llega finalmente al host destino El destination devuelve una respuesta de eco Cuando el emisor recibe este mensaje ICMP, el proceso termina. El emisor manda peticiones de eco al destino En el primero, TTL =1 En el segundo, TTL=2, etc. Cuando el enésimo datagram llega al enésimo router: El router descarta el datagrama Y manda al emisor un mensaje ICMP (tipo 11, código 0) El mensaje incluye la IP del router La capa de red. Protocolos asociados

Tracert (Trace route) La capa de red. Protocolos asociados

Destino inalcanzable (tipo 3) Valores más comunes del campo código (causas) Código 1: host inalcanzable Código 3: puerto inalcanzable Código 4: fragmentación necesaria La capa de red. Protocolos asociados

ICMP Redirect (type 5) Pasos Se manda el paquete a la puerta de enlace por defecto La puerta de enlace por defecto manda el paquete al router B La puerta de enlace por defecto manda un ICMP redirect al host Útil cuando hay distintas puertas de enlace posibles La capa de red. Protocolos asociados

Configuración dinámica de direcciones
Configuración de direcciones estática dinámica: automática y más eficiente Protocolos para la configuración automática de direcciones: RARP: Reverse Address Resolution Protocol BootP: Bootstrap Protocol DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol La capa de red. Protocolos asociados

Dynamic Address Configuration
RARP RARP: Reverse Address Resolution Protocol Dada una MAC, se asigna una dirección IP Los mensajes tienen la misma estructura que los mensajes ARP RARP es limitado y, por tanto, está obsoleto. La capa de red. Protocolos asociados

BootP BootP Protocol: Bootstrap Protocol Usado para obtener una dirección Ip automáticamente (normalmente en el proceso de arranque) No se suele usar para la configuración dinámica de direcciones, dado que DHCP es una versión mejorada de BootP. Proceso BootP El host determina su propia MAC El host manda su IP al puerto 67 del ( si no conoce su IP and si no conoce la del servidor) El servidor busca la MAC del host en un fichero de configuración El servidor inclute las IPs del host y el servidor en un datagrama UDP El Host guarda su IP y arranca La capa de red. Protocolos asociados

Mensaje BootP Code: BootPRequest & BootPReply Transaction id HW address: ej. MAC Server host name (el servidor no tiene por qué estar en el mismo dominio de broadcast) Boot file name Vendor specific area Magic cookie: indica el tipo de información opcional Es un campo clave para DHCP La capa de red. Protocolos asociados

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) – RFC 2131: capacidad de asignar automáticamente direcciones de red reutilizables (arrendamiento de direcciones IP) se basa en el protocolo BOOTP, mediante la estandarización del campo Vendor Specific Area de PDU de BootP (312 bytes). 3 mecanismos para la asignación de direcciones IP: Asignación automática: DHCP asigna al host una dirección IP permanente. Asignación dinámica: DHCP asigna una dirección IP por un periodo de tiempo limitado -> reutilización automática de direcciones que ya no son necesitadas Asignación manual: dirección del host es asignada por el administrador de red La capa de red. Protocolos asociados

Mensaje DHCP Igual que el mensaje BootP excepto por el campo opciones (312 bytes) en lugar del Vendor Specific Area 4 primeros bytes: magic cookie -> (means DHCP). Diferentes opciones. Algunas de las más importantes son: 50: dirección IP solicitada 51: tiempo de arrendamiento 53: tipo de mensaje DHCP La capa de red. Protocolos asociados

Ciclo DHCP 1. DHCP DISCOVER: intenta encontrar un servidor DHCP. 2. DHCP OFFER: el/los servidor(es) ofrece(n) una dirección IP 3. DHCP REQUEST: el cliente pide ciertos parámetros (Normalmente los que le ha ofrecido el servidor) 4. DHCP ACK: ACK del servidor Además: DHCP RELEASE: libera la dirección IP DHCP DECLINE. La IP ofrecida está en uso DHCP INFORM: pide algunos parámetros de configuración DHCP NAK: si el servidor no acepta la petición La capa de red. Protocolos asociados

Otras características de DHCP Un router puede hacer de servidor DHCP BootP Relay: cuando el servidor no está en el mismo dominio de broadcast ARP gratuito: petición ARP del cliente de su propia IP. Comprueba si la dirección asignada está en uso. Opción 50: el cliente pide una determinada IP Opción 51: tiempo de arrendamiento Tamaño máximo del mensaje DHCP : 576 bytes La capa de red. Protocolos asociados

Enrutamiento en internet
Funciones de la capa de red Direccionamiento Enrutamiento Enrutamiento: búsqueda de la MEJOR ruta La mejor ruta depende de diferentes criterios: número de saltos, velocidad de transferencia, carga del enlace, fiabilidad, coste… Diferentes rutas Rotura de enlaces Enlaces lentos La capa de red. Protocolos asociados

Enrutamiento en internet
Dos aproximaciones Circuito virtual La ruta se establece en el inicio de la conexión Datagrama La dirección del rx está en todos los paquetes La capa de red. Protocolos asociados

Circuito virtual vs. Datagrama
Control de errores y flujo; orden de los datos Orientado a conexión Tres fases: establecimiento, transferencia y fin Ventajas Eficiencia QoS Datagrama Cada paquete es una unidad independente Dir. dest. en cada paquete Los paquetes pueden llegar al dest. desordenados No hay control de flujo ni de errores Ventajas Más simple Sin conexión-> mejor para tx cortas Más fiable M ejor para redes heterogéneas La capa de red. Protocolos asociados

La capa de red. Protocolos asociados
Flujo de paquetes Unicast Broadcast Multicast La capa de red. Protocolos asociados

Unicast Flujos individuales: un tx, un rx A B C D E F 4 flujos 2 flujos La capa de red. Protocolos asociados

Broadcast un tx, todos rx A 1 flujo 1 flujo B C D E F La capa de red. Protocolos asociados

Multicast Un flujo, solo rx deseados A 1 flujo 1 flujo B C D E F La capa de red. Protocolos asociados

Enrutamiento unicast Objetivo Llevar los paquetes de emisor a receptor Enrutamiento en la capa de red Direccionamiento jerárquico: primero se encuentra la red y luego el host Algoritmo de enrutamiento El router calcula cómo se debe enrutar Características del algoritmo de enrutamiento Correcto Simple Robusto Ecuánime Óptimo La capa de red. Protocolos asociados

Algoritmos de enrutamiento
Router Dispositivo de red que interconecta redes e implementa el algoritmo de enrutamiento El algoritmo de enrutamiento decide la interfaz por la que sale el paquete Router Entradas Salidas Tabla de enrutamiento Motor de La capa de red. Protocolos asociados

Algoritmos de enrutamiento
Clasificación Enrutamiento estático Enrutamiento adaptativo Centralizado Aislado Distribuído: más utilizado en internet (RIP/OSPF) La capa de red. Protocolos asociados

Enrutamiento estático
No considera las condiciones actuales de la red Las rutas se determinan antes de la puesta en servicio de la red Ventajas Simple Buenos resultados para tráfico y topología constantes Inconvenientes Inapropiado para redes con topología cambiante Inapropiado para grandes redes-> no escalable La capa de red. Protocolos asociados

Enrutamiento adaptativo
Decisiones basadas en Topología actual Estado de la red (congestión de enlaces) Mejor que el enrutamiento estático, pero más difícil de implementar Tres subgrupos Enrutamiento adaptativo centralizado Enrutamiento adaptativo aislado Enrutamiento adaptativo distribuído La capa de red. Protocolos asociados

Enrutamiento adaptativo centralizado
Centro de Control de Enrutamiento (RCC) Los nodes (routers) mandan info sobre su estado al RCC Lista de nodos vecinos Long de cola Uso de los enlaces RCC Recibe esta info Calcula la ruta óptima para cada Calcula la tabla de enrutamiento para cada nodo Distribuye las tablas a los nodos Problemas RCC y enlaces a RCC -> cuellos de botella Cálculo inexacto La capa de red. Protocolos asociados

Enrutamiento adaptativo aislado
Sin intercambio de info entre nodos Decisiones basadas solo en info local -> sencillo Ejemplo Flooding La capa de red. Protocolos asociados 37

Enrutamiento adaptativo distribuido
Utilizado en internet Dos subgrupos Algoritmos de vectores de distancias Decisiones basados en la información recibida de los nodos vecinos. Ej: RIP (Routing Information Protocol) Algoritmos de estado de enlaces Todos los nodos conocen el estado de la red Cuando hay un cambio, tarda un tiempo en propagarse Ej: OSPF (Open Short Path First) La capa de red. Protocolos asociados 38

RIP: Routing Information Protocol
Routing Information Protocol (RIP) – RFC 1058 (RIP), RFC 1723 (RIPv2): Routing Protocol (protocolo de aplicación sobre UDP – puerto 520 -) RIPv2 es idéntico a RIP, pero con dos extensiones: Permite CIDR Mecanismo de autenticación Métrica: número de saltos Máximo número de saltos-> 15 Mejor para redes homogéneas Tablas de enrutamiento basadas en vectores de distancias Actualizaciones de la tabla de enrutamiento: Actualizaciones periódicas: via broadcast (en RIPv2: multicast to ) Actualizaciones cuando cambia la topología de la red La capa de red. Protocolos asociados 39

RIP: Funcionamiento La actualización de un vecino V llega a un router R: Las redes conocidas por V, y no por R, se incluyen en la tabla de enrutamiento de R. Si V conoce una ruta mejor para una red conocida por ambos, la tabla de enrutamiento de R se actualiza Métrica (nº saltos): incrementada en uno Mensajes de actualización tx a los vecinos. Dos formas: Sin usar la técnica del horizonte dividido: las actualizaciones se envían a todos los vecinos. Usando la técnica del horizonte dividido: las actualizaciones se envían a todos los vecinos, excepto a aquellos que han informado acerca de la mejor ruta La capa de red. Protocolos asociados 40

RIP: temporizadores (timers) Routing-update timer: 30 segundos – tiempo aleatorio Route-timeout timer: tras el timeout -> ruta inválida Route-flush timer: tras el timeout -> borra la ruta de la tabla de enrutamiento La capa de red. Protocolos asociados 41

Mensajes RIP Comandos Petición (1) Respesta (2): más habitual (actualizaciones) Versión: v1 or v2 RIP versión 2: campo más importante -> subnet mask -> permite CIDR (subnetting) La capa de red. Protocolos asociados 42

OSPF: Open Short Path First
Sistema Autónomo (AS) AS: Redes IP con una política de enrutamiento común Open Short Path First (OSPF) Para el enrutamiento interno de AS Para redes más grandes que con RIP (normalmente) Protocolo abierto (RFC 2328) La capa de red. Protocolos asociados 43

OSPF: Características básicas
Open Short Path First (OSPF) Protocol de enrutamiento de estado de enlaces Algoritmo de Dijkstra para encontrar la MEJOR ruta El router construye un grafo Los pesos del grafo los configura el administrador de la red. Ej: Todos iguales a 1 (similar a RIP) Inversamente proporcional al BW (criterio habitual) Se puede fijar cualquier criterio Open Short Path First (OSPF) Las actualizaciones se difunden a todo el AS (via flooding) Cambios en la topología Periodicamente (una vez cada 30 min, al menos) Van en mensajes OSPF directamente sobre IP (en vez de TCP ó UDP) -> campo protocolo: 89 La conectividad del enlace se comprueba con mensajes HELLO a los vecinos La capa de red. Protocolos asociados 44

OSPF: características avanzadas (no en RIP) seguridad: todos los mensajes OSPF están autenticados Para cada enlace, puede haber diferentes métricas para diferentes TOS Posible soporte multicast: Multicast OSPF (MOSPF) OSPF jerárquico en dominios grandes. La capa de red. Protocolos asociados 45

Cabecera OSPF Checksum: control de errores Autenticación Valor Tipo 1
HELLO 2 Descripción de la base de datos 3 Petición de estado de enlace 4 Actualización de estado de enlace 5 ACK de estado de enlace La capa de red. Protocolos asociados 46

BGP: Border Gateway Protocol Problema: Redes IP diferentes no tienen por qué usar el mismo protocolo de enrutamiento Dos clases de protocolos IGP (Interior Gateway Protocols): definen el enrutamiento dentro de un AS. (RIP, OSPF…) EGP (Exterior Gateway Protocols): definen el enrutamiento entre diferentes AS. BGP (Border Gateway Protocol): EGP más común (RFC 4271) La capa de red. Protocolos asociados 47

BGP: Características principales BGP proprciona a cada AS medios para: Obtener info acerca de como alcanzar una subred por parte de otros AS vecinos. Propagar la info sobre el alcance a todos los routers internos del AS. Permite a una subred anunciar su existencia al resto de Internet La capa de red. Protocolos asociados 48

BGP: Características principales Cada AS: ASN = Autonomous System Number) Dentro de cada AS -> Protocolo de enrutamiento del AS Fuera del AS -> “router frontera”: los routers frontera de diferentes AS intercambian sus tables de enrutamiento BGP funciona sobre TCP (puerto 179) La capa de red. Protocolos asociados 49

BGP: Ejemplo La capa de red. Protocolos asociados 50

Enrutamiento multiprotocolo IP no es el único protocolo de red (IPX, DecNET, Apple Talk…) Solo los hosts que usan el mismo protocolo de red pueden comunicarse entre ellos Los routers multiprotocolo evitan que haya que usar routers diferentes routers para cada protocolo La capa de red. Protocolos asociados 51

Tema 3: La capa de red. Protocolos asociados 3.1 Control de errores en IPv4: ICMP 3.2 Configuración dinámica de direcciones en IPv4: DHCP 3.3 Enrutamiento en internet RIP OSPF BGP Enrutamiento Multiprotocolo 3.4 Traducción de direcciones: NAT 3.5 IP versión 6 3.6 Seguridad en IP: IPsec La capa de red. Protocolos asociados 52

Traducción de direcciones: NAT Problema: Número limitado de direcciones IP Soluciones Subnetting Dir IP privadas /8 /12 /16 /16 La capa de red. Protocolos asociados 53

Traducción de direcciones: NAT Dir IP privadas: como puede el destino encontrar una dir IP privada? Solución: NAT (Network Address Translation) Mecanismo para modificar la dir IP de los paquetes Permite que la comunicación de las dir IP privadas (inside networks) con las dir IP públicas (outside networks) Los routers NAT deben tener una tabla NAT con la traducción en ambos sentidos La capa de red. Protocolos asociados 54

NAT: funcionamiento básico Un router NAT reserva una o más dir IP addr para NAT -> para traducir IP privadas en IP públicas El router NAT modifica el campo “Source IP addr” de la cabecera IP y almacena la equivalencia entre las dir privada y pública en la tabla NAT El destino responde a la dir modificada El router NAT busca en su tabla NAT la equivalencia entre las dir pública y privada, enviando el paquete a la dir IP privada La capa de red. Protocolos asociados 55

Tipos de NAT NAT dinámico NAT estático NAPT (Network Address Port Translation) La capa de red. Protocolos asociados 56

NAT dinámico La traducción es unidireccional El tráfico proviene de la inside network La traducción es temporal Una vez que la dir IP no está en uso, se borra de la tabla NAT La capa de red. Protocolos asociados 57

NAT dinámico Ventaja Ahorra dir IP públicas Inconveniente El tráfico siempre es iniciado desde la inside network -> no permite servidores La capa de red. Protocolos asociados 58

NAT estático Las traducciones están en la tabla NAT desde que se configuran los routers La comunicación puede ser iniciada por las inside & outside networks La dir IP pública debe ser conocida (via DNS) por los hosts de la outside network La capa de red. Protocolos asociados 59

NAT estático Ventaja Permite servidores Inconveniente Una dir IP pública por cada dir IP privada… pero los NAT dinámico y estático pueden combinarse La capa de red. Protocolos asociados 60

NAPT Se usan los identificadores de puerto de la capa de transporte Varias dir IP privadas pueden ser convertidas en una única dir IP privada La capa de red. Protocolos asociados 61

Consideraciones sobre NAT No todas las aplicaciones funcionan correctamente cuando atraviesan un router NAT (ej: BOOTP) Es difícil seguir el tráfico que atraviesa varios routers NAT NAT incrementa el tiempo de procesado en el router NAPT es un tipo de NAT -> también hay NAPT estático y NAPT dinámico. También se pueden combinar ambos La capa de red. Protocolos asociados 62

IPv6 Motivación inicial: El espacio de direcciones de 32-bits está completo Cambios básicos: Espacio de direcciones de 128-bits Ej: 2002:96d6:8ddc::96dc:6301 (los bits que faltan son ceros) El formato de cabecera mejora el tiempo de procesado Cabecera de 40-bytes (tamaño fijo) Otros cambios basados en la experiencia previa con IPv4 La capa de red. Protocolos asociados 64

Cabecera IPv6 Versión: 6 Priority (clase de tráfico): identifica la prioridad de los datagramas Flow Label (etiqueta de flujo): identifica los datagramas del mismo “flujo” (concepto de “flujo” sin definir exactamente) Payload length: longitud de carga útil Next header (siguiente cabecera): identifica el protocolo de capa superior Hop limit (límite de saltos): análogo al campo TTL de IPv4 Src & Dest addr: 128 bytes La capa de red. Protocolos asociados 65

Cambios respecto a IPv4 Checksum: eliminado para reducir el tiempo de procesado en cada router Fragmentación: eliminada en IPv6, también para reducir el tiempo de procesado Opciones: permitidas, pero fuera de la cabecera, indicadas en el campo “Next Header” ICMPv6: nueva versión de ICMP Tipos de mensajes adicionales, ej: “Paquete demasiado grande” La capa de red. Protocolos asociados 66

Transición de IPv4 a IPv6 No todos los routers pueden pasar a IPv6 simultáneamente Sin Día D ¿Cómo hará la red para funcionar con routers IPv4 y IPv6 al mismo tiempo? Tunelización: IPv6 va en el campo de datos del datagrama IPv4 entre routers IPv4 La capa de red. Protocolos asociados 67

IPsec Seguridad en la capa de red Lo veremos en el próximo capítulo: seguridad La capa de red. Protocolos asociados 69 69 69

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