Tema 4. El Protocolo Interred IP

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Tema 4. IP
Índice
Tema 4. El Protocolo Interred IP
Enrique Alba Torres
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
IPv6
Bibliografía
Universidad de Málaga (UMA)
18/03/2005
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Tema 4. IP
Resumen de Contexto. TCP/IP
• 1969. DARPA financió ARPANET (I+D, red S&F).
Objetivos: estudio de técnicas robustas, fiables e
independientes del fabricante.
Índice
• 1975. ARPANET es operativa.
Resumen sobre TCP/IP
• INTERNET = [ARPANET + CSNET + MILNET] (1983) +
NSFNET (1986).
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
IPv6
Bibliografía
• La mezcla de usuarios, software y hardware hacen cambiar la
filosofía de trabajo de los protocolos de comunicación:
y IP
que puede ejecutarse con requisitos mínimos.
y TCP
para conexiones duraderas y libres de errores.
para conexiones puntuales (posibles errores).
y UDP
y <encaminamiento, control de la red, aplicaciones, ...>
• 1983. TCP/IP se adopta como estándar militar (MIL STD).
DARPA fundó BBN para incluir TCP/IP en el UNIX Berkeley.
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Características de TCP/IP
Tema 4. IP
• Conjunto de protocolos estándares, de libre disposición e
independientes de la máquina y del S.O.
Índice
• Ideal para interconexión de sistemas distintos:
y internets
y intranets
Resumen sobre TCP/IP
• Direccionamiento estándar a nivel de red y de transporte:
y Direcciones IP
y Direcciones de Puerto
Funcionamiento
• Facilidad para trabajar como red dorsal.
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
ETHERNET
TOKEN RING
ROUTER IP
ROUTER IP
X.25
IPv6
Bibliografía
• Conjunto de estándares para aplicaciones:
y Terminal Virtual
y Gestión de una Red
y Correo Electrónico
y Servicio de Nombres
y Transferencia de Ficheros y Tr. Páginas Hiper-Texto
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Tema 4. IP
Estándares de Protocolo
• La Naturaleza abierta de TCP/IP requiere de mecanismos
flexibles y públicamente consensuados: Request
For Comments (RFC’s).
Índice
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
IPv6
Bibliografía
− RFC-768:
− RFC-791:
− RFC-792:
− RFC-793:
− RFC-821:
− RFC-826:
− RFC-854:
− RFC-959:
− RFC-1035:
− RFC-1058:
− RFC-1094:
− RFC-1360:
User Datagram Protocol
Internet Protocol
Internet Control Message Protocol
Transmission Control Protocol
Simple Mail Transfer Protocol
Ethernet Address Resolution Protocol
Telnet Protocol Specification
File Transfer Protocol
Domain Name Service
Routing Information Protocol
Network File System Protocol
IAB Official Protocol Standards
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Comunicación de Datos
en TCP/IP
Tema 4. IP
• El Modelo de Referencia OSI
Índice
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
IPv6
Bibliografía
t Nivel de Aplicación
s Nivel de Presentación
r Nivel de Sesión
q Nivel de Transporte
p Nivel de Red
o Nivel de Enlace
n Nivel Físico
Protocolos de aplicación que usan la red
Semántica, sintaxis, compresión, seguridad
Maneja sesiones entre las aplicaciones
Comunicación extremo-a-extremo
Encaminamiento, CdC, Interconexión de R.
Tr. de datos confiable por el enlace físico
Características físicas del medio de transm.
• Arquitectura TCP/IP
Aplicación
Transporte
Interred
HTTP FTP telnet finger
DNS SNMP
DNS
RIP
POP3/MAP SMTP BGP
traceroute tftp
time/NTP whois SSL
TCP
UDP
IP
ping
ICMP OSPF
ARP
Ethernet/802.3 Token Ring/802.5 X.25 FDDI ISDN Frame Relay
ATM
Wireless (802.11) SONET/SDH
Acceso a la Red
PPP HDLC SLIP/CSLIP xDSL Cable Modem
.......................................................................................
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Tema 4. IP
Introducción a IP
• El Protocolo Interred (IP, RFC-791) realiza el reparto básico
de datagramas (intra/inter-red).
• IP porporciona un servicio sin conexión no fiable pero best effort.
Índice
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
IPv6
Bibliografía
• Todos los datos fluyen a través de IP. Debe estar implementado en
los hosts y en los encaminadores (routers o gateways).
− RFC 894:
IP over Ethernet Networks
− RFC 1088:
IP over NETBIOS
− RFC 1188:
IP over FDDI
− RFC 1331:
Point to Point Protocol (PPP)
− RFC 1356:
IP over X.25 Networks
• Las principales funciones de IP incluyen:
− Gestionar el envío/recepción de datagramas.
− Gestionar el esquema de direccionamiento.
− Gestionar el tráfico entre la capa de acceso a la red y la
de transporte.
− Encaminar adecuadamente los datagramas a los hosts
destino.
− Gestionar la fragmentación/reensamblado de datagramas.
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Encaminamiento de
Datagramas en IP
Tema 4. IP
• Encaminamiento a través de gateways usando IP:
Host A1
Aplicación
Índice
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Host C1
Aplicación
Transporte
Transporte
Gateway G1
Gateway G2
Interred
Interred
Interred
Interred
Acceso a Red
Acceso a Red
Acceso a Red
Acceso a Red
Red A
Red B
Red C
• Interconexión de redes (conversión frente a tunneling):
Otros Protocolos
G1
Token Ring
IPv6
X.25
A1
Bibliografía
Ethernet
C1
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G2
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Algoritmo de Encaminamiento de
Tema 4. IP
Datagramas en IP
• Algoritmo de Encaminamiento básico de un router IP:
Índice
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
IPv6
Bibliografía
1. Extraer la dirección IP destino del datagrama.
2. Determinar el identificador de red (NET-ID).
3. Si NET-ID es una red alcanzable directamente:
Ö Enviar el datagrama al destino (ARP).
4. Si no, si hay una ruta específica en OPCIONES:
Ö Enviar según la ruta específica.
5. Si no, si NET-ID aparece en la tabla de encaminamiento:
Ö Enviar según la tabla de encaminamiento.
6. Si no, si hay un gateway por defecto:
Ö Enviar al gateway por defecto.
7. En otro caso Ö Error de Encaminamiento (ICMP).
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Fragmentación de
Datagramas en IP
Tema 4. IP
• Cada red tiene asociado un valor de unidad máxima de transmisión
o MTU.
Índice
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
• Si un gateway necesita pasar un datagrama largo por una red de
menor MTU debe fragmentar.
• Un bit controla si la fragmentación es posible o no: DF:
Ö Si DF está inactivo es posible fragmentar.
Ö Si DF está activo ICMP devolverá un error (“destino
inalcanzable”).
IPv6
• El reensamblado se realiza en el host destino.
Bibliografía
• El reensamblado utiliza el campo de IDENTIFICACIÓN y de
OFFSET de cada datagrama fragmento (entre otros
campos).
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Tema 4. IP
Transferencia de Datagramas a la
Capa de Transporte
• Cada datagrama debe ser entregado a un protocolo de transporte.
Índice
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
• El protocolo de transporte receptor viene codificado en el propio
datagrama.
• Los protocolos de transporte típicamente son:
− TCP (#6)
− UDP (#17)
• Otros protocolos usan también a IP, tales como ICMP y OSPF.
Nivel de Aplicación
Otros Protocolos
Nivel de Transporte
IPv6
Nivel Interred
Bibliografía
Nivel de Acceso a Red
CABECERA DE LA
CAPA DE ENLACE
Datos
Cabecera
Datos
Cabecera Cabecera
Datos
Cabecera Cabecera Cabecera
Datos
CABECERA IP CABECERA TCP
INFORMACIÓN DE LA APLICAC.:
FTP, SMTP, TELNET, ...
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COLA DE LA CAPA
DE ENLACE
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Tema 4. IP
El Datagrama IPv4
Índice
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
IPv6
Bibliografía
y VERSIÓN: Versión del protocolo a la que pertenece el datagrama (4).
y IHL: Longitud de la cabecera en palabras de 32 bits. El valor mínimo es 5.
y TIPO DE SERVICIO: Combinación de fiabilidad y velocidad (sugerido).
y LONGITUD TOTAL: Longitud de todo el datagrama. El máximo es 65.535 bytes.
y IDENTIFICACIÓN: Número del datagrama original al que pertenece.
y INDICADORES: Reservado + DF + MF.
y OFFSET DEL FRAGMENTO: Situación en el datagrama original (13 bits).
y TIEMPO DE VIDA: Contador (s) que cuando cae a 0 hace que se destruya el dat.
y PROTOCOLO: Protocolo de transporte receptor del datagrama (TCP, UDP, ...).
y CHECKSUM DE LA CABECERA: Para verificar sólo la cabecera.
y DIRECCIONES FUENTE Y DESTINO: Direcciones IP de los extremos.
y OPCIONES: Seguridad, E.F., informe de errores, depuración, time stamping, etc.
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Formato de Direcciones en IPv4
Tema 4. IP
Índice
Resumen sobre TCP/IP
A
1
0
(128 REDES CON 16 MILLONES DE HOSTS CADA UNA)
7
24
RED
HOST
1.0.0.0 a 127.255.255.255
B
1
1
(16.384 REDES CON HASTA 64 K HOSTS)
1
14
RED
0
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
128.0.0.0 a 191.255.255.255
C
1
1
(2 MILLONES DE REDES CON 256 HOSTS)
1 1
21
RED
1 0
Otros Protocolos
IPv6
16
HOST
8
HOST
192.0.0.0 a 223.255.255.255
D
1
1
(MULTICAST: UN DATAGRAMA PARA UN GRUPO DE HOSTS)
1 1 1
28
DIRECCIÓN DE MULTICAST
1 1 0
Bibliografía
224.0.0.0 a 239.255.255.255
Clase E reservada para uso futuro (1111)
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240.0.0.0 a 255.255.255.255
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Direcciones Especiales en IPv4
Tema 4. IP
ESTE ORDENADOR
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Índice
UN ORDENADOR EN ESTA RED
Resumen sobre TCP/IP
0 0
...
0 0
HOST
Funcionamiento
DIFUSIÓN EN ESTA RED
El Datagrama IPv4
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Otros Protocolos
DIFUSIÓN EN UNA RED REMOTA
IPv6
NETWORK
1 1 1 1
...
Bibliografía
LOOPBACK
127
(ANYTHING)
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1 1 1 1
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Tema 4. IP
IPv4: Direcciones y Nombres
• Para facilitar el uso de direcciones IP: notación punto.
‰ DIRECCIÓN IP:
150.214.98.4
NOMBRE:
tecma1.ctima.uma.es
Índice
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
IPv6
Bibliografía
• Nombres
Direcciones
Conversión nombre-dirección
Ö fáciles para las personas.
Ö adecuadas para el ordenador.
Ö DNS.
• Nombrado jerárquico basado en dominios (dominios USA) :
Ö COM
- Compañías, con o sin ánimo de lucro.
Ö EDU
- Instituciones educativas.
Ö GOV
- Agencias no militares.
Ö MIL
- Organizaciones Militares.
Ö ORG
- Cualquier otra organización.
• Posteriormente se crearon nuevos dominios: DE (Alemania), ES
(España), NET, ...
‰ uma.es
Õ Subdominio (nivel 1)
‰ lcc.uma.es
Õ Subdominio (nivel 2)
‰ [email protected] Õ Usuario
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Protocolo de Mensajes de Control
Tema 4. IP
de la Interred (ICMP)
• Hosts y gateways controlan la red. ICMP: tests y anomalías.
• Los mensajes ICMP viajan en datagramas IP:
Índice
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
IPv6
Bibliografía
9 DESTINATION UNREACHABLE: Destino no localizable
o fragmentación imposible.
9 TIME EXCEEDED: Bucles, congestión o temporizadores
demasiado breves.
9 PARAMETER PROBLEM: Se ha detectado un valor ilegal
en un campo de la cabecera.
9 SOURCE QUENCH: El host que lo recibe debería calmar su
tráfico.
9 REDIRECT: Usado cuando un gateway detecta que un
paquete está mal encaminado.
9 ECHO REQUEST/REPLY: Usado para ver si el destino es
alcanzable y está operativo (“vivo”).
9 TIMESTAMP REQUEST/REPLY: Idem, pero se almacena
el tiempo de recepción y el de partida.
9 OTROS: direccionamiento entre subredes, ...
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Protocolo de Resolución de
Direcciones (ARP)
Tema 4. IP
• ARP traduce una dirección IP a una dirección física (RFC 826).
Inicialmente funcionaba sólo sobre Ethernet (48 bits físicos).
Índice
• Es necesario porque el nivel IP usa direcciones de red, mientras
que las tramas de enlace deben incluir la dirección física.
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
A
Z?
Z!
Z
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
IPv6
Bibliografía
111...1-A’-ARPrequest(Z)
A’-Z’-ARPreply(Z)
• Mensaje ARP directam. en trama LAN: ARP independiente de IP.
• Existen protocolos asociados de funcionamiento complementario:
− RARP: para que una estación sin disco traduzca su dirección
MAC a dirección IP
− ATMARP y ATMInARP: para traducir direcciones IP
en/desde identificadores de caminos/canales virtuales.
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Protocolo de Encaminamiento para
Tema 4. IP
Redes: RIP, OSPF y BGP
• IP extrae de la dirección destino NET-ID para encaminar.
Índice
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
IPv6
Bibliografía
• Las tablas de encaminamiento las manejan protocolos específicos,
no IP.
• Existen tres protocolos específicos relacionados con IP:
− RIP-2 (RFC 2453) usa UDP para ejecutar Bellman-Ford distribuido.
Se utiliza el número de saltos como métrica. Es ineficiente en Internet,
pero se usa en redes locales (NetWare, AppleTalk,...).
− OSPF-2 (RFC 1247) usa directamente a IP para encaminar usando el
estado de los enlaces sólo cuando hay cambios (no tablas completas
como hace siempre RIP): robusto, rápido, converge y escala bien.
− BGP-4 (RFC 1771) es un protocolo entre pasarelas exteriores que usa
TCP para intercambiar información de encaminamiento entre dominios
de Internet. Usa un algoritmo vector-distancias y almacena la ruta
completa hasta el destino. Permite también usar políticas de
administración para decisiones de encaminamiento.
• Se puede acceder a las tablas (podrían ser estáticas también):
Windows: route print
UNIX: netstat -r
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Tema 4. IP
Necesidad de IPv6
• IPv4 ha sido implementado con éxito en muchos SO’s.
• IPv4 (RFC 791) fue publicado en 1981 y además de tener puntos débiles es
incapaz de soportar el ritmo de crecimiento de Internet.
Índice
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
IPv6
Bibliografía
• Algunos de sus problemas son:
− Campo de direcciones de 32 bits (se está agotando).
− Pocas prestaciones en relación a la seguridad.
− Ausencia de soporte para flujos de tráfico en tiempo real y voz.
• La solución es adoptar un nuevo estándar: IPv6 (o IPng), RFC 1726.
• IPv5 fue asignado a Internet Stream Protocol v2 (ST2), RFC 1819. ST2 fue
desarrollado como una extensión adicional de IP para soportar el
transporte de datos multimedia en tiempo real.
• Los criterios de diseño para IPv6 han sido:
− Escalabilidad: identificar 1012 estaciones y 109 redes.
− Flexibilidad topológica: nueva arquitectura y encaminamiento.
− Transición: debe contemplarse el paso de IPv4 a IPv6.
− Independencia del medio: LAN/MAN/WAN y AdB variados.
− Configuración automática de routers y hots.
− Operación segura: el nivel de red debe proveer seguridad.
− Movilidad: capacidad para evolucionar ante nuevos servicios.
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Datagrama de IPv6
Tema 4. IP
32 bits
1-32
Índice
Resumen sobre TCP/IP
33-64
Versión
Prioridad
Etiqueta de Flujo
Longitud de la
Carga Útil
Siguiente
Cabecera
65-193
Dirección Origen
194-322
Dirección Destino
Límite de
Saltos
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
IPv6
Bibliografía
• VERSIÓN. (4 bits) Identifica al protocolo. Tiene valor 6.
• PRIORIDAD. (4 bits) La fuente asigna prioridad a sus datagramas. El tráfico más
importante puede así ser entregado rápido (si congestión).
• ETIQUETA DE FLUJO. (24 bits) Flujos que necesitan tratamiento especial.
• LONGITUD DE LA CARGA ÚTIL. (16 bits) Tamaño neto: de 576 a 65.535
octetos. Pueden existir datagramas de más de 64 Kb (Jumbo Payload Option).
• SIGUIENTE CABECERA. (8 bits) Cabecera que sigue a la de IPv6. Puede tratarse
de la cabecera de TCP, UDP, o una Cabecera de Extensión de IPv6.
• LÍMITE DE SALTOS. (8 bits) Tiempo de vida limitado en número de saltos.
• DIRECCIONES. (128 bits cada una). Identifican a la fuente y al destino.
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Tema 4. IP
Cabeceras Opcionales en IPv6
• Aunque la dirección es 4 veces más larga que en IPv4 la cabecera de IPv6
es sólo dos veces mayor: 40 octetos frente a los 20 de IPv4.
Índice
Resumen sobre TCP/IP
• Muchas funciones se llevan a la parte opcional de próxima cabecera,
permitiendo que los routers manejen datagramas más rápido; p. ej. la
fragmentación causa sobrecarga sólo cuando se utiliza, no siempre.
Funcionamiento
• Un datagrama IPv6 tiene 0 o más cabeceras opcionales encadenadas:
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
− Opciones Salto-a-Salto: Contiene información que debe examinar
cada nodo hasta el destino, incluido éste.
− Opciones del Destino: Sólo el destino debe inspeccionar esta parte.
− Encaminamiento: Especifica el camino completo hasta el destino.
IPv6
− Fragmentación: La fuente divide mensajes grandes en fragmentos
que puedan manejar los nodos intermedios hasta el destino.
Bibliografía
− Autentificación: Verifica el origen y proporciona integridad de datos
mediante esquemas como el Message Digest 5 (MD5).
− Carga Segura: Información confidencial usando DES por ejemplo.
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Direcciones en IPv6
Tema 4. IP
Índice
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
IPv6
Bibliografía
• Direcciones de 128 bits (RFC 1884). Existen 3 tipos:
− Unicast: Comunicación punto a punto (tradicional).
− Anycast: Miembro más cercano de un grupo. Por ejemplo, un router
(el más cercano) podría recibir un dato y encargarse él de repartirlo.
− Multicast: Comunicación uno a muchos del mismo grupo. Las
transmisiones están limitadas por un campo interno (alcance).
• El tipo de dirección lo define un prefijo que tiene toda dirección.
• IPv4 usa la notación dotted decimal, mientras que IPv6 no (RFC 1884):
X:X:X:X:X:X:X:X
donde X son cuatro dígitos hexadecimales (16 bits)
IPv4: 11000000 00011000 00000000 00000000 ∼ 192.24.0.0
IPv6: FEDC:BA98:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210
• Todavía queda mucho espacio vacío en IPv6 Ö direcciones con muchos
ceros:
1080:0000:0000:0000:0008:0800:200C:417A puede simplificarse:
1080:0:0:0:8:800:200C:417A
1080::8:800:200C:417A
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o bien a
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Tema 4. IP
Migración Hacia IPv6
• Para migrar de IPv4 a IPv6 se usarán túneles: el datagrama IPv6 viaja
DENTRO del datagrama IPv4 como si fuese cualquier otro protocolo
que está usando a IPv4 para transmitir sus datos. ¡No hay traducción!
Índice
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
IPv6
Bibliografía
• Los protocolos RIP, OSPF y DNS deben ser modificados para utilizar
direcciones de 128 bits.
• Los estándares de programación como BSD socket deben modificarse para
trabajar con las nuevas direcciones y campos como prioridad y
etiqueta de flujo.
• Los sistemas operativos deben también modificarse para aprovechar las
ventajas de IPv6: AIX, Netware, Solaris, Digital UNIX, Linux, NT, ...
• Existen nuevos protocolos asociados a nuevas aplicaciones sobre todo de
tipo plug-and-play.
• Hay una red mundial de pruebas denominada 6bone para experimentar con
IPv6 antes de comercializar aplicaciones finales.
• Más información sobre IPv6 en http://www.ipv6.nas.nasa.gov
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Bibliografía
Tema 4. IP
• Redes de Computadoras (3ª edición)
Índice
Resumen sobre TCP/IP
Funcionamiento
El Datagrama IPv4
Otros Protocolos
IPv6
Bibliografía
Tanenbaum, A.S. Prentice-Hall. 1997.
• Computer Networks and Internets (2nd edition)
Comer, D.G. Prentice-Hall. 1999
• Internetworking with TCP/IP (Vol. 1)
Comer, D.E. Prentice-Hall. 1991.
• A Guide to the TCP/IP Protocol Suite
Wilder, F. Artech House. 1993.
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