Capa de red

6.1. Capa de red.
La capa de red se encarga de llevar los bloques de información desde el origen al destino. Para llevar la
información al destino puede ser necesario que la información pase por una serie de nodos intermedios. Esta
característica diferencia la capa de red de la de enlace que solo se preocupa de la comunicación entre
estaciones conectadas al mismo cable. En una Lan con el medio compartido solo existe una ruta posible para
comunicar dos estaciones por lo que el nivel de red apenas tiene trabajo en cuanto al nivel de enlace deberá
realizar la tarea de comprobar si el mensaje va destinado a esa estación y si procede capturarlo comprobando
la dirección MAC del destinatario.
6.1.1. Diseño de la capa de red.
Como la interconexión total de los equipos supone un coste inalcanzable generalmente las Lan se conectan
mediante enlaces punto a punto formando una topología irregular por lo tanto es necesario establecer un
mecanismo que permita especificar el usuario con el que se desea comunicar y asegurar que la información
llegara a su destino. Las estaciones intermedias se encargaran de guiar correctamente la información cuando
no sean los destinatarios finales. A esta tarea se le denomina encaminamiento puesto que existe mas de dos
estaciones conectadas a la red es preciso que exista un esquema de selección a direccionamiento para que se
pueda especificar el origen y es estilo de la información cada estación debe tener una dirección que le
identifique de manera única del resto.
6.1.1.1 Servicios proporcionados al nivel del transporte.
Los niveles superiores no deben conocer el tipo de red o redes sobre lo que función y la capa de red debe
ocultar todos estos detalles. Los servicios del nivel de red se pueden diseñar orientados o no a la conexión y
con control o no de errores.
6.1.2. Funciones del nivel de red.
Funciones principales:
Encaminamiento la subred debe encargarse de recoger los fragmentos que las estaciones transmiten y
conducirlos a través de la red. La selección de una ruta se basa generalmente en algún criterio de rendimiento
el criterio mas simple es la elección de la ruta mas corta, es decir, la que atraviesa menor numero de nodos
con enlaces más cortos. Existen distintos algoritmos de encaminamiento que permiten determinar las rutas
más adecuadas. La información que utilizan suele almacenarse en estructuras conocidas como tablas de
encaminamiento que se sitúan en uno, varios o todos los nodos de la red. Cada tabla contiene como mínimo
una entrada por cada destino posible y asociados a esa entrada el enlace de salida que debe utilizarse para
alcanzar el nodo siguiente de la red. Además las tablas pueden contener mas información como el coste
asociado a la ruta elegida: rutas alternativas
• Ejemplo: encaminamiento estático fijo.
Es uno de los algoritmos más sencillos, selecciona un único camino para cada pareja de nodos
(fuente−destino). Las rutas son fijas solo cambiar cuando se producen cambios en la topología de la red. Se
crea un directorio central que se puede almacenar en uno de los nodos de la red. En cada nodo solo se necesita
saber la identidad del próximo nodo por lo que en cada nodo solo hay que almacenar una fila del directorio.
Nodo destino
A
B
C
D
E
F
1
Nodo
fuente
A
B
C
D
E
F
−
C
A
C
D
D
C
−
B
F
F
B
C
C
−
C
D
D
C
C
D
−
D
D
C
F
D
R
−
E
C
F
D
F
F
−
• Ejemplo: algoritmo de inundación.
No utiliza tablas de encaminamiento al recibir un paquete el nodo retransmite por todos sus enlaces excepto
por el aquel por el que le llegó. Se genera un gran número de paquetes que pueden llegar al infinito saturando
la red y produciendo retardos.
Soluciones (2):
Mantener en cada nodo una lista de los paquetes ya transmitidos y si se recibe un paquete duplicado se
destruye y no se retransmite.
Limitar el tiempo de vida del paquete.
Ventajas:
Permite encontrar todas las rutas posibles entre el origen y el destino. Entre ellas la ruta mínima.
Control de la congestión La congestión es el fenómeno que se produce cuando gran cantidad de trafico en una
zona determinada de la red y puede afectar a uno o varios nodos. En una red cada nodo necesita un tiempo
para procesar los paquetes que le llegan dirigiéndose a otros nodos o bien quedándose con ellos porque van
dirigidos a el. Si el nodo procesa los paquetes con más lentitud que los recibe necesita guardar los paquetes en
un almacén temporal. Si el problema persiste, el almacén se desbordara y la relación de proceso ira
disminuyendo cada vez mas. Se pueden mejorar la situación de dos formas: rechazando los nuevos paquetes
que van llegando y otra controlando a los nodos vecinos para que no envíen mas paquetes al nodo saturado.
Esas estrategias finalmente generan la saturación de los nodos vecinos. Habrá que utilizar algoritmos para el
control de la congestión de una red para evitar estos problemas.
Direccionamiento Para poder encaminar correctamente los paquetes hacia su destino es necesario que exista
un mecanismo que identifique unívocamente de forma única a emisores y receptores. Este direccionamiento a
nivel de red suele coexistir en la arquitectura con el direccionamiento a nivel de enlace que se utiliza para
distinguir entre estaciones conectadas al mismo cable.
6.1.3. La capa de red de TCP/IP.
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Todos los protocolos definidos en la capa de red de Internet dependen de IP y este establece al formato de
paquetes y direcciones utilizados en esta capa y el tipo de servicio ofrecido.
6.1.3.1. Direccionamiento y encaminamiento.
Internet no posee una estructura bien definida. Por lo general existen varias redes troncales principales de gran
ancho de banda conectada mediante nodos encaminadotes rápidos y redes regionales de menor capacidad
donde están conectadas a las Lan y los proveedores de acceso. Para el correcto funcionamiento de esta red se
diseño en los 80 entre otros protocolos el IP, establece el formato de paquetes y dirección utilizado en esta
capa y el tipo de servicio ofrecido que será no orientado a la conexión y no fiable. De forma que es
establecimiento de las conexiones y el control de errores lo debe llevar a cabo algún protocolo de transporte a
niveles superiores. Otros protocolos diseñados para esta capa son RIP y OSPF. Un paquete IP tiene una
estructura formada por una cabecera y bloque de datos la cabecera se divide a su vez en una parte fija de 20
bytes y otra parte de longitud variable.
Versión de protocolo
Longitud de
cabecera
Tipo de
servicio
D
M
F
F
Identificación
Tiempo de vida
DIRECCION FUENTE
DIRECCION DESTINO
OPCIONES
Longitud total máxima 64 kb.
Desplazamiento
Protocolo
CRC de cabecera
Direcciones IP Las direcciones IP que identifican encaminadotes y estaciones de la red tienen un tamaño fijo
de 32 bits. Estas direcciones se pueden expresar en binario pero es más cómodo utilizar una notación decimal
con puntos. Para pasar una dirección de binario a decimal hay que separar los dígitos binarios de 8 en 8,
pasarlos a decimal dando nº del 0 al 255 y separarlos por puntos. Con este método se pueden nombrar 232
direcciones. Algunas no se pueden usar. Debido al crecimiento de Internet esta cantidad se ha quedado
pequeña por lo que se esta trabajando para ampliar la capacidad de direccionamiento del protocolo. Una
dirección IP consta de varios campos:
Identificador (tipo de dirección).
Nº de red (identifica la red).
Nº de estación (identifica la estación).
CLASES DE DIRECCIONES IP:
Clase IP Identificador Nº de red Nº de estación
A 0 7 bits 24 bits
B 10 14 bits 16 bits
C 110 21 bits 8 bits
3
D 1110 28 bits −−−−−−
E 11110 27 bits −−−−−−
0
RED (7)
HOTS (24)
10
RED (14)
HOTS (16)
110
RED (21)
HOST (8)
1110
DIRECCION DE DIFUSION (28)
11110
RESERVADA
CLASE IP
RANGO
•a
A
Nº DE REDES
Nº DE ESTACIONES
127
16.777.216
16.384
65.536
1.097.152
256
−−−
−−−
−−−
−−−
127.255.255.255
128.0.0.0 a
B
191.255.255.255
192.0.0.0
C
223.255.255.255
224.0.0.0
D
239.255.255.255
240.0.0.0
E
255.255.255.255
Las direcciones IP de clase D se utilizan para transmitir un mismo mensaje a un conjunto de estaciones. A
esos mensajes también se les conoce como mensajes de difusión o broad−cast. Las direcciones de clase E se
reservaron para casos futuros y solo se utilizan experimentalmente. Al crear varios tipos de direcciones con
diferentes tamaños, lo que se consiguió es que existiera una gran cantidad de redes por un nº muy grande de
estaciones (A) las direcciones IP se configuran manualmente en las estaciones y es NIC el encargado de
asignar las direcciones de Internet para impedir duplicados. Esta autoridad solo asigna la clase de red y el nº
de red y cada administrador de red deberá asignar los sufijos de identificador de estación.
*fotocopias (1)
Como se ha visto en el ejercicio hay algunas direcciones que no se pueden asignar a ninguna estación porque
son direcciones reservadas. La dirección IP 0.0.0.0 y se usa por las estaciones cuando están siendo arrancadas.
La dirección 127.0.0.1 se reserva para identificar la estación actual al igual que la IP asignada. Las direcciones
IP con número de estación todo 1 en binario se utilizan para difusión (broadcast) es decir, para enviar
mensajes a todas las estaciones dentro de la misma subred (para todas las estaciones) que tienen el mismo
identificador de número de red. Las direcciones IP con el número de estación todo a 0 en binario se refiere a la
red actual ya que una red también tiene que tener una dirección IP por cuestiones de encaminamiento.
También se han reservado rangos de direcciones IP para ser asignados a LAN que se conectan a Internet a
través de un PROXY (un proxy es un ordenador que posee un modem RTC, RDSI, ADSL para acceso a
4
Internet y que esta compartido por el resto de estaciones de la red mediante un programa especifico) o
mediante un encaminador que sigue el protocolo NAT (traducciones de direcciones de red). Para clase A se
reserva la dirección 10.0.0.0 para la clase B 172.16.0.0 a la 172.31.0.0 y para la C desde 192.168.00 a
192.168.255.0. Todas esas direcciones se pueden usar a la vez por distintas LAN gracias a la utilización de un
encaminador basado en NAT el encaminador sustituye las direcciones de origen y destino de los equipos de la
red interna por la dirección externa del dispositivo que es dirección valida en el exterior de la red. De forma
que las direcciones internas de la LAN quedan ocultas al exterior. Al mismo tiempo el encaminador recuerda
los paquetes enviados para sustituir las direcciones del destino en caso de que se reciban paquetes de respuesta
desde la red externa. Gracias al uso del protocolo NAT se extiende el espacio de direcciones que puede
asignarse a las estaciones de Internet con lo que se ve paliada en cierta medida la escasez de direcciones
después del crecimiento tan alto que ha sufrido en los últimos años.
6.1.3.1.2 Encaminamiento IP.
La razón principal del uso de este formato consiste en simplificar los algoritmos de encaminamiento en los
nodos de la red, los encaminadotes disponen de una tabla con los posibles destinos en forma de dirección IP
en cada fila de esta tabla se especifica la dirección de las redes a las que se puede llegar (los destinos) la
dirección IP del puerto del encaminador por el que debe salir el mensaje y el numero de encaminadotes
intermedios que es necesario atravesar. En una tabla de encaminamiento puede aparecer más de una entrada
con la misma dirección IP de red de destino, lo que quiere decir que existen varias rutas distintas que alcanzan
el mismo destino.
6.1.3.1.3. Mascara
Cuando un encaminador desea poner a 0 todos los bits del numero de estación para obtener una dirección de
red debe utilizar la mascara de red. Esta consiste en una especie de dirección que tiene todo 1 en la parte
correspondiente al tipo y numero de red y todo 0 al resto. La mascara se aplica utilizando el operador ilógico
al nivel de bits para obtener una dirección de red.
Red
216.89.3.0
198.64.126.0
188.119.0.0
23.0.0.0
Clase
C
C
B
A
Mascara binario
11111111.11111111.11111111.00000000
11111111.11111111.11111111.00000000
11111111.11111111.00000000.00000000.
11111111.00000000.00000000.00000000.
Mascara decimal
255.255.255.0
255.255.255.0
255.255.0.0
255.0.0.0
La estación 216.89.3.3 puede enviar directamente paquetes a las estaciones situadas en su mismo segmento, es
decir, 216.89.3.5 y la 216.89.3.4. Sin embargo, si se desea enviar un paquete a cualquiera de las estaciones de
la red 198.64.116.0 necesita indicar de algún modo que este debe pasar primero por el encaminador que tiene
la dirección 216.89.3.1. Cada estación de la red dispone también de una pequeña tabla de encaminamiento que
especifica que estaciones están en la misma red y cuales son accesibles a través de otros encaminadotes.
TABLA ESTACION 216.89.3.3
Destino
216.89.3.0
198.64.126.0
Siguiente
−−−
216.89.3.1
Saltos
0
1
Utilizando la tabla anterior el equipo 216.89.3.3 sabe que se encuentra en la red 216.89.3.0 y que necesita el
encaminador 216.89.3.1 para enviar dos paquetes destinados a los equipos de la red 198.64.126.0 dependiendo
del s.o utilizado en la configuración de estas tablas locales puede ser mas o menos flexibles. En 1985 se
realizaron modificaciones para que el protocolo soportara las subredes. Esta modificación se introdujo debido
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a la aparición de dos problemas grabes conforme Internet crecía. Las tablas de encaminamiento de los nodos
estaban empezando a crecer con lo cual su manejo se estaba complicando y el segundo problema cada vez que
a un administrador de red se le quedaba pequeña la IP debía solicitar otra nueva al nic antes de conectar la
LAN con las nuevas estaciones. La solución a estos problemas consiste en crear otro nivel en la jerarquía de
direcciones IP de forma que se pueden utilizar 4 niveles para nombrar una estación. Si esta división se realiza
partiendo el campo de número de estación en dos partes de forma que desde el exterior los encaminadotes
creen que se trata de una única red sin subredes. Cuando se utilizan subredes al conjunto formado por el
prefijo de red y al número de subred se le llama prefijo de red extendido.
JERARQUIA DE 2 NIVELES
Prefijo (tipo + numero de red)
Numero de estación
JERARQUIA DE 3 NIVELES
Prefijo (tipo + numero de red)
Numero de subred
Numero de estación
6.1.3.1.4 Mascaras de subred
La división en subredes permite que las LAN puedan disponer por ejemplo de una sola dirección IP de clase B
en lugar de varias de clase C o una sola de clase A en lugar de varias de clase B manteniendo las subredes
internas. Fuera de la red la estructura no es visible por lo que una nueva subred no requiere comunicación con
el nic ni la modificación de tablas externas desde es exterior todas las subredes de la organización se ven
como una única red con una sola dirección IP asignada de forma que a los encaminadotes de exterior reducen
sus tablas. Cuando tienen que enviar un paquete a una estación que esta en una subred se limitan a enviarlo al
encaminador que comunica la LAN que es el que realmente debe conocer la estructura interna de subredes.
En el 1º caso el administrador de la red deberá solicitar una nueva dirección IP de clase C si necesita una
nueva subred. En ese caso, en el encaminador I habrá que añadir una nueva línea con la nueva dirección IP y
como siguiente la 23.210.86.19. En el 2º caso, si el administrador de esa red desea instalar una nueva subred
solamente tendrá que utilizar un nuevo número de subred. Además los nodos encaminadores externos,
solamente se referirán a toda esa red con un único número, es decir, una única entrada en su tabla de
encaminamiento. Por lo tanto, todas las entradas anteriores del encaminador externo conectado a A aplica la
mascara 255.255.255.0 a todas las direcciones que se refieren a las subredes de la figura 1. En el 2º caso se
aplicara la mascara 255.255.255.0 para saber a que encaminador interno (A ó B) debe enviarlo o si la estación
destino esta en la propia subred (183.67.2.0) Como se ha visto en el ejemplo, la utilización de subredes hace
que las mascaras deban tomarse a partir del prefijo de red extendido y no a partir del prefijo de red
correspondiente a la clase, por esta razón, el uso de subredes, hace que la mascara aplicable no se corresponda
con la clase de dirección IP. A las mascaras tomadas a partir del prefijo de red extendido se les llama mascara
de subred, el ejemplo anterior la mascara de red es 255.255.0.0 y la mascara de subred es la 255.255.255.0.
Solamente los encaminadores de la red interna utilizan la mascara de subred mientras que es resto de
encaminadores externos a la red no conocen esa división y por tanto aplica la mascara de red correspondiente
a la clase. Cuando se utiliza el algoritmo de encaminamiento RIP−1 no es posible utilizar los números de
subred todo a 0 y todo a 1, sin embargo, si se utilizan algoritmos de encaminamiento mas avanzados RIP−2 u
OSPF entonces se pueden definir sin problemas las subredes con valor todo a 0 y todo a 1. El ejemplo anterior
se ha tomado de 8 en 8 los dígitos para especificar el número de subred y el número de equipo pero esto no es
lo habitual, lo que se hace es ajustar el número de subredes y el número de equipos a las necesidades reales de
la red.
EJERCICIO: Calcula las mascaras de subred para las siguientes direcciones IP.
IP 126.243.86.15 / 16
6
IP 189.34.12.230 / 24
IP 10.248.63.11 / 10
IP 192.168.12.144 / 27
11111111.11111111.00000000.00000000 255.255.0.0
11111111.11111111.11111111.00000000 255.255.255.0
11111111.11000000.00000000.00000000 255.192.0.0
11111111.11111111.11111111.11100000 255.255.255.224
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