IPv4 Un vistazo

Contenido Introducción, algunos conceptos de redes de computadores Internet Protocol, modelo de servicios IPv4

Algunos conceptos de redes de computadores Introducción Algunos conceptos de redes de computadores

“Piezas” que componen una red NODOS, ENLACES y PROTOCOLOS. NODOS: dispositivos de cómputo interconectados. Nodos que ejecutan aplicaciones de red (correo, web, etc.). Por ejemplo PCs, estaciones de trabajo, servidores, PDAs. (hosts o end-systems) Nodos que reenvían paquetes de datos hasta que lleguen al “end-system” (routers o intermedia-systems). ENLACES DE COMUNICACIÓN: permiten la interconexión de los nodos Por ejemplo cables de fibra óptica, cables de cobre y enlaces inalámbricos (micro-ondas, satelitales, infrarojos) PROTOCOLOS: Controlan el envío y recepción de mensajes entre nodos Por ejemplo TCP, IP, HTTP, FTP, PPP y SNMP.

Protocolos en Internet Para que los computadores puedan comunicarse necesitan establecerse reglas ó protocolos (AppleTalk, IPX/SPX, SNA, TCP/IP, etc.) Protocolos: reglas formales de comportamiento Los protocolos definen (1) el formato de los mensajes, (2) el orden de transmitisión de los mensajes y (3) las acciones que deben realizarse al transmitir o recibir mensajes por parte de los nodos Para Internet se utilizan los protocolos de TCP/IP No dependen del sistema operativo (windows, unix, mac/OS) ni del fabricante computador. Se dice que TCP/IP es “abierto”. Los protocolos para Internet se especifican mediante documentos denominados RFC: Request for comments, que son emitidos por la IETF: Internet Engineering Task Force. Los RFCs son públicos y cualquier persona puede accederlos en Internet.

Borde y centro de la red Borde de la red Centro de la red Allí están los hosts (end systems): Ejecutan programas de aplicaciones en el “borde” de la red. Ejemplo: Web, e-mail. Centro de la red Es una malla de routers (intermedia systems) interconectados Reenvían paquetes buscando llegar hasta los hosts (end systems)

Estructura de Internet: red de redes Difusamente jerárquica En el centro: ISPs de “capa 1” (UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T), cubrimiento nacional/internacional Se tratan como iguales NAP Los proveedores de capa 1 también se interconectan en Puntos de Acceso de Red (NAPs) públicos Tier 1 ISP Los proveedores de capa 1 se interconectan con sus iguales de manera privada

Estructura de Internet: red de redes ISPs “Capa 2”: ISPs más pequeños (a menudo regionales) Conectan a uno o más ISPs capa 1, posiblemente a otros ISPs capa 2 ISP capa 2 también se asocia de manera privada con sus iguales, se interconectan en un NAP Tier-2 ISP Un ISP capa 2 paga al ISP capa 1 para conectarse a Internet El ISP capa 2 es cliente del ISP capa 1 Tier 1 ISP NAP Tier 1 ISP Tier 1 ISP

Estructura de Internet: red de redes ISPs de “Capa 3” e ISPs locales Último salto en la red (“de acceso”) (más cerca a los end systems) local ISP Tier 3 ISPs Locales y capa 3 son los clientes de De los ISPs de las capas más altas que los conectan al resto de Internet Tier-2 ISP Tier 1 ISP NAP Tier 1 ISP Tier 1 ISP

Estructura de Internet: red de redes ¡En Internet un paquete atraviesa muchas redes! local ISP Tier 3 ISP local ISP local ISP local ISP Tier-2 ISP Tier 1 ISP NAP Tier 1 ISP Tier 1 ISP local ISP local ISP local ISP local ISP

El modelo de referencia OSI Cada nivel (ó capa) tiene unas funciones precisas para resolver determinados problemas de la comunicación (“divide y vencerás”) Nivel OSI Función Aplicación Aplicaciones de Red: transferencia de archivos Presentación Formatos y representación de los datos Sesión Establece, mantiene y cierra sesiones Transporte Entrega confiable/no confiable de “mensajes” Red Entrega los “paquetes” y hace enrutamiennto Enlace Transfiere “frames”, chequea errores Física Transmite datos binarios sobre un medio

Servicios, interfaces y protocolos El modelo OSI distingue entre: Servicios (funciones): Qué hace la capa Interfaces: Cómo las capas vecinas pueden solicitar/dar servicios Protocolos: Reglas para que capas “pares” se comuniquen Capa A Capa A Capa B Capa B NODO 1 NODO 2 Universidad Nacional de Colombia - 1999

Arquitectura de TCP/IP No hay un acuerdo sobre como representar la jerarquía de los protocolos de TCP/IP con un modelo de capas (utilizan de tres a cinco). Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace Física Aplicación Transporte Internet Acceso de Red Aplicaciones y procesos que usan la red Servicios de entrega de datos entre nodos Define el datagrama y maneja el enrutamiento Rutinas para acceder el medio físico

Encapsulación de datos Capa de Acceso de Red Capa Internet Capa de transporte Capa de aplicación Cada capa de la pila TCP/IP adiciona información de control (un “header”) para asegurar la entrega correcta de los datos. Cuando se recibe, la información de control (header) se retira. DATOS DATOS Header DATOS Header Header DATOS

Otro modelo de arquitectura de TCP/IP Diseño en forma de reloj de arena permite ver la importancia de IP: es el corazón de la arquitectura Muchas aplicaciones se mueven sobre IP Correo, navegación, gestión, transferencia de datos, video, voz, multimedia ... … FTP HTTP SNMP TFTP TCP UDP IP RED 1 2 n SMTP RTP Hacia arriba o hacia abajo ¡Todo pasa por IP! Muchos tipos de redes envían y reciben paquetes IP Token Ring, Ethernet, WiFi, WiMax, ATM, FDDI, PPP, Frame Relay, ...

Breve Historia A finales de los sesenta la ARPA del DoD hizo acuerdos con Universidades de los EUA y la comunidad de investigación para diseñar estándares y protocolos abiertos para su red conocida como ARPANET. La inicial ARPANET, la primera red de conmutación de paquetes, empezó su operación en 1969 conectando 4 universidades, 3 en el estado de California y la otra en el estado de Utah. Estos primeros 4 nodos se enlazaron vía circuitos de 56 kbps utilizando el protocolo NCP (el predecesor de TCP/IP). En 1974, el diseño para un nuevo conjunto de protocolos, para la ARPANET, fue propuesto por Vinton G. Cerf como Robert E. Kahn. El nombre oficial para ese conjunto de protocolos fue TCP/IP, el cual fue tomado de los nombres del protocolo de capa de red (Internet Protocol [IP]) y de unos de los protocolos de la capa de transporte (Transmisión Control Protocol [TCP]). La inicial especificación se fue desarrollando hasta llegar a varias versiones, culminando en la versión 4 en 1979, la cual fue finalmente estandarizada en 1981.

Breve Historia El éxito del protocolo TCP/IP en el mundo UNIX fue gracias al hecho de que la Universidad de California en Berkeley emprendió la implementación de TCP/IP en la versión 4.2 de su sistema operativo UNIX BSD en 1983 y de la publicación del código fuente como un software de dominio público. Los diseñadores de Internet jamás se imaginaron el crecimiento explosivo del número de nodos conectados a la supercarretera de la información; así que decidieron que las direcciones IP contendrían 32 bits, permitiendo 4 mil millones de direcciones. Parecen muchas pero... A principios de los noventa, con la apertura comercial del Internet, la revolución de las computadoras personales, las redes de área local (LANs), el World Wide Web (www) y aunado a la pésima repartición de las IPs demostraron claramente que los 4 mil millones de direcciones no serian suficientes. Este crecimiento explosivo de dispositivos que requieren estar conectados a la red requerirá de un nuevo esquema de direccionamiento para mantenerlos en operación.

Internet Protocol Modelo de servicios

Dos grandes problemas que debe resolver IP 1. Escalabilidad de Internet A. Direccionamiento (identificación) para millones de nodos B. Enrutamiento para encontrar eficientemente un camino para llegar a millones de nodos Nodo 1 local ISP Tier 3 … FTP HTTP SNMP TFTP TCP UDP IP RED 1 2 n SMTP RTP Tier-2 ISP NAP Tier 1 ISP 2. Heterogeneidad de redes A. Usuarios de un tipo de red deben comunicarse con usuarios de otro tipo de red B. Establecer conectividad entre dos redes implica pasar por otras (que pueden ser de diversa índole) Nodo 2

¿Qué es una internet(work)? Colección de redes interconectadas para proveer algún tipo de servicio de entrega de paquetes entre hosts. Los nodos que interconectan redes son los routers. El protocolo IP es la herramienta clave que actualmente permite construir internet(work)s heterogéneas y escalables. Una forma de visualizar IP es como un protocolo que corre sobre todos los nodos (hosts y routers) que pertenecen a diferentes redes (físicas) y define la infraestructura que permite a estos nodos y redes funcionar como una única intenet (lógica).

Modelo de servicios El modelo de servicios de IP tiene dos partes Modelo de entrega de datos no orientado a conexión. Este modelo de servicio también se denomina de mejor esfuerzo (best effort), pues no garantiza la entrega del datagrama IP. Un esquema de direccionamiento: la forma para identificar todos los hosts en la internet(work). Es decir, la dirección IP.

Entrega de datos Para entregar datos entre dos hosts en internet es necesario moverlos a través de la red al host correcto, y dentro del host, llevarlo al proceso o usuario correcto. TCP/IP utiliza tres esquemas para lograr la entrega de datos: Addressing: La dirección IP, que identifica de manera única cualquier host en la red, permite entregar los datos al nodo correcto. Routing: El router entrega los datos a la red correcta. Multiplexing: los números de protocolo y los números de puerto permiten entregar los datos, dentro del host, al módulo de software correcto.

Entrega del datagrama IP El datagrama IP lleva la información suficiente para que la red envíe el paquete al destino correcto. Cuando el datagrama es enviado, la red hace el mejor esfuerzo para entregarlo al destino deseado. Mejor esfuerzo significa que si algo va mal y el paquete se pierde, se corrompe, se entrega en el destino equivocado o ocurre cualquier otro problema con los datos, la red no hará nada: no hace ningún intento para recuperar los datos la falla, sólo hace su “mejor esfuerzo”. Este comportamiento en ocasiones es denominado servicio no confiable (unreliable service)

Entrega del datagrama IP El servicio no orientado a conexión, o de mejor esfuerzo, es el servicio más simple para una internet(work) y es su gran fortaleza. Mejor esfuerzo (en un router) sobre una red (física) confiable aprovecha la confiabilidad del capa inferior y eso está bien. Un servicio confiable (en un router) sobre una red (física) no confiable, es colocar demasiada funcionalidad extra que no se reflejará debido a la no confiabilidad de la capa inferior y eso no está bien. Mantener los routers lo más simples posibles es una de las metas de diseño de IP.

Entrega del datagrama IP La habilidad de IP para “correr sobre cualquier cosa” es una de sus características más importantes (algunos exageran diciendo que IP puede transportar mensajes utilizando palomas mensajeras). La entrega de mejor esfuerzo no solo significa que los paquetes se pueden perder, en otras ocasiones pueden entregarse de manera desordenada o se puede entregar el mismo paquete más de una vez. Los protocolos ubicados en las capas superiores deben estar atentos a todos estos tipos de fallas.

IPv4

El estándar IP IPv4 se definió en el RFC 791. Este RFC contenía algunos puntos ambiguos que fueron clarificados en el RFC 1122 (Host Network Requirements) Datagrama IP: unidad de datos (PDU) manejada por IP. Incluye los datos transportados y el header IP asociado a dichos datos. Paquete IP: otro término para Datagrama IP, aunque el término es utilizado para hacer referencia a la porción de datagrama colocada en un frame, antes que al datagrama mismo. Por ejemplo, el sistema que envía o recibe (host) verá el datagrama como una única entidad, pero el datagrama puede haber sido dividido en varios paquetes IP para ser transmitido por redes intermedias Los hosts trabajan con datagramas IP, los routers trabajan con paquetes IP.

Formato del datagrama IPv4 32 bits Versión IHL Tipo de servicio Longitud total Identificación Flags Offset de fragmentación Tiempo de vida No. de protocolo Chequeo del header Header IPv4 Dirección origen Dirección destino Opciones Relleno Los datos comienzan aquí... Más datos... Más datos...

Dos ejemplos de datagrama 0: 0800 20a8 4aeb 0003 ba08 3a8d 0800 4500 16: 0030 41d5 4000 4006 a0b0 a8b0 03c8 a8b0 32: 031a 8026 0050 03c6 9eec 0000 0000 7002 48: c1e8 5865 0000 0204 05b4 0101 0402 0: 0003 ba08 3a8d 0800 20a8 4aeb 0800 4500 16: 0030 7b1b 4000 ff06 a869 a8b0 031a a8b0 32: 03c8 0050 8026 a5f3 b322 03c6 9eed 7012 48: 2238 8c54 0000 0101 0402 0204 05b4

Fragmentación y Reemsamblaje en IP Cada red de la capa de enlace tiene definido una MTU (por ejemplo, ethernet tiene una MTU de 1500 bytes) Cómo funciona la fragmentación en IP Se fragmenta cuando sea necesario (MTU < Datagrama) Se evita fragmentar en el nodo que origina la comunicación La refragmentación es posible (fragmentar un datagrama fragmentado) Los fragmentso son datagramas autocontenidos El reensamblaje ocurre al llegar al nodo destino No se pueden recuperar los fragmentos perdidos

Ejemplo de fragmentación Ident = x Offset = 0 Inicio del header Resto del header 1400 bytes de datos Ident = x Offset = 0 Inicio del header 1 Resto del header 512 bytes de datos = 512 = 1024 376 bytes de datos Nodo 1 Router 1 Router 2 Router 3 Nodo 2 ETH IP (1400) FDDI IP (1400) PPP IP (512) ETH IP (512) PPP IP (512) ETH IP (512) PPP IP (376) ETH IP (376)

Opciones en IP Extienden la funcionalidad de IP Pude utilizarse hasta 40 bytes para opciones (es decir la cabecera puede tener un tamaño máximo de 60 bytes) Utilizan un identificador con tres campos: TIPO: Identifica la opción específica LONGITUD: indica el tamaños de la opción, incluyendo los campos tipo, longitud y los datos DATOS: Campo variable que lleva la información de la opción 1 byte 1 byte variable TIPO LONGITUD DATOS Copy: dice si la opción debe ser copiada a todos los framentos del datagrama Clase: la clase 0 es para opciones de control de red y la 2 para depuración, la 1 y 3 están reservadas Tipo: identifica la opción específica Copy (1 bit) Tipo (5 bits) Clase (2 bits)

Opciones en IP

Direccionamiento IPv4 Cada interface de red (tarjeta de red) se le asigna una dirección lógica única de 32 bits. La dirección consta de una parte que identifica la red y otra que identifica el nodo: La parte de nodo se asigna localmente La parte de red la asigna Internic, su ISP ó su administrador de red Existen básicamente dos esquemas de direccionamiento en IPv4 Direccionamiento global (Classful): utiliza “clases” de direcciones para decir qué parte de la dirección IPv4 representa la red y que parte representa el nodo CIDR (Classless): utiliza un prefijo de red para decir cuántos bits de la dirección IPv4 representan la red. No utiliza clases.

Direccionamiento global IPv4 RED NODO A 7 bits 24 bits 10 RED NODO B 14 bits 16 bits 110 NODO RED C 21 bits 8 bits 1110 RESERVADA PARA MULTICAST D También es llamado direccionamiento “Classful”

Notación decimal con puntos En lugar de utilizar binarios para representar la dirección IPv4: 10101000101100000000000100110010 Podemos separarlos en bytes (8 bits): y representarlos en forma decimal 168.176.1.50 La dirección mínima bajo este formato es 0.0.0.0 y la máxima dirección es 255.255.255.255.

Máscara de subred en IPv4 Una dirección de red la podemos subdividir en subredes pidiendo prestados bits de la parte de identificación de host para identificar la subred: 10 RED NODO 14 bits 16 bits SUBRED

¿Cómo funciona la máscara de subred? A la siguiente dirección IP (168.176.1.50): 10101000.10110000.00000001.00110010 RED NODO Le coloco la máscara 255.255.255.0: 11111111.11111111.11111111.00000000 Y obtengo la parte de la dirección que identifica una subred: 10101000.10110000.00000001.00110010 Se hace un “AND” lógico entre la dirección IP y la máscara para obtener la subred

CIDR: Classless InterDomain Routing Atiende dos problemas de escalamiento de IPv4 El crecimiento de las tablas de enrutamiento en el backbone de Internet Y el agotamiento de las direcciones IPv4 antes de ser asignadas (4 billones). “classful” es ineficiente Agrega (suma) rutas El nombre original era supernetting (por asociación con subnetting) Ya no se utilizan los primeros bits de la dirección IPv4 para saber la clase si no un prefijo de red. Este prefijo es un número que indica la cantidad de bits que representan la red. 200.24.8.0/23 (en este ejemplo los primeros 23 bits de la dirección IPv4 representan la red, los demás pueden utilizarse para representar el nodo. Desde el punto de vista del direccionamiento global -classful- es “sumar” dos redes tipo C)

Algunos “compañeros” de IPv4 Asociación de la dirección física con la lógica: ARP (Address Resolution Protocol) Configuración automática: DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) Mensajes de error cuando un datagrama no puede procesarse bien: ICMP (internet Control Message Protocol)

Address Translation Mapea direcciones IP a direcciones físicas nodo destino next hop (siguiente) router Técnicas codificar la dirección física en la parte de la dirección IP que identifica el nodo utilizando una tabla ARP (Address Resolution Protocol) tabla de direcciones IP asociadas a direcciones física solicitud broadcast si la dirección IP no está en la tabla la máquina buscada responde con la dirección física Las entradas en la tabla son decartadas si no se resfresca en cierto tiempo

Algunos detalles de ARP Formato de solicitud HardwareType: tipo de red física (por ejemplo, Ethernet) ProtocolType: tipo de protocolo de la capa superior (por ejemplo, IP) HLEN & PLEN: longitud de las direcciones física y lógica Operation: request (solicitud) o response (respuesta) Direcciones origen/destino-física/lógica Nota: El tiempo de permanencia de los datos en la tabla antes de ser borrados es de unos 10 minutos update table with source when you are the target update table if already have an entry do not refresh table entries upon reference

Formato del paquete ARP argetHardwareAddr (bytes 2 – 5) argetProtocolAddr (bytes 0 3) SourceProtocolAddr (bytes 2 Hardware type = 1 ProtocolT ype = 0x0800 SourceHardwareAddr (bytes 4 argetHardwareAddr (bytes 0 1) SourceProtocolAddr (bytes 0 HLen = 48 PLen = 32 Operation SourceHardwareAddr (bytes 0 8 16 31

Internet Control Message Protocol (ICMP) Utilizado para el comando ping (echo) Redirect (from router to source host) Destination unreachable (protocol, port, or host) TTL exceeded (so datagrams don’t cycle forever) Checksum failed Reassembly failed Cannot fragment