Diplomado en Redes

UPAEP
2013
Universidad Popular
Autónoma del Estado de
Puebla
UPAEP 2013
[Diplomado en Redes]
Parte III: Ruteo IP
Capítulo 12: Direccionamiento IP y Subneteo
Este capítulo explica el direccionamiento IP y toda la matemática detrás del subneteo.
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Direccionamiento IP
La mayoría de las redes utilizan una versión de protocolo IP, llamada IP Versión 4 (IPv4). Existen
diferentes clases de redes (A, B y C), y puede haber tanto direcciones públicas como privadas. En la tabla
12-1 se muestran las características de cada una de las clases de redes de IPv4.
Clase A
Clase B
Clase C
Rango del Primer Octeto
1 a 126
128 a 191
192 a 223
Números de Red Válidos
1.0.0.0 a
126.0.0.0
128.0.0.0 a
191.255.0.0
192.0.0.0 a
223.255.255.255
Números de Redes en Esta Clase
2 -2
Números de Hosts por Red
7
2
14
2
2 -2
24
Tamaño de la Parte de Red de la Dirección (bytes)
21
2 -2
16
2 -2
1
2
3
Tamaño de la Parte de Host en la Dirección (bytes)
3
2
1
Direcciones IP Privadas
10.0.0.0
(1 Red)
172.16.0.0 a
172.31.0.0
(16 Redes)
192.168.0.0 a
192.168.255.0
(256 Redes)
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Tabla. 12-1 Clases de redes de IPv4
Una versión mejorada del protocolo IP, es IP Versión 6 (IPv6), el objetivo principal de IPv6 es
incrementar el número de direcciones IP disponibles. IPv6 utiliza 128 bits, en lugar de los 32 bits usados
por IPv4. Los 128 bits se escriben en notación hexadecimal, con dos puntos entre cada cuarteto de
símbolos, aún así la dirección puede ser muy larga pero IPv6 permite abreviaciones. En la tabla 12-2 se
muestra la comparación de IPv4 con IPv6.
Característica
IPv4
IPv6
Tamaño de la dirección
(bits o bytes por octetos)
32 bits, 4 octetos
128 bits, 16 octetos
Ejemplo de dirección
10.1.1.1
0000:0000:0000:0000:FFFF:FFFF:0A01:0101
Misma
abreviada
-----
::FFFF:FFFF:0A01:0101
dirección,
Número de direcciones
posibles, ignorando los
valores reservados
32
2 , aproximadamente
billones
4
128
2 , aproximadamente 3.4 X 10
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Tabla. 12-2 IPv4 contra IPv6
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Operaciones Matemáticas Utilizadas en Subneteo
Convirtiendo Direcciones IP y Máscaras de Decimal a Binario y Viceversa
Las direcciones IPv4 son números binarios de 32 bits escritos como series de números decimales
separados por puntos. Para analizar la dirección, se necesita convertir de decimal a binario. Para poner
el número binario de 32 bits en la forma decimal cuando se configura un router, se necesita convertir de
regreso a decimal el número binario.
Una clave para el proceso de conversión de direcciones IP es recordar lo siguiente:
Cuando se convierte de un formato a otro, cada número decimal representa 8 bits.
Cuando se convierte de un decimal a binario, cada número decimal se convierte a un número
de 8 bits.
Cuando se convierte de binario a decimal, cada conjunto de 8 bits consecutivos se convierten a
un número decimal.
Se considera la conversión de la dirección IP 150.150.2.1 a binario. El número 150, cuando es convertido
a binario es equivalente a 10010110. El siguiente byte, otro 150, es convertido a 10010110. El tercer
byte, el decimal 2, es convertido a 00000010. Finalmente, el cuarto byte, el decimal 1, es convertido a
00000001. Las series combinadas de los números de 8 bits es la dirección IP de 32 bits, en este caso,
10010110 10010110 00000010 00000001.
Si se empieza con la versión binaria de la dirección IP, primero se debe separar la dirección en cuatro
conjuntos de 8 dígitos. Después se convierte cada conjunto de 8 números binarios al decimal
equivalente.
Llevando a Cabo la Operación Booleana AND
El AND Booleano es una operación matemática que se realiza en un par de números binarios de un
digito. El resultado es otro número binario de un digito. A continuación se listan las 4 posibles
operaciones y su resultado:
0 AND 0 resulta 0
0 AND 1 resulta 0
1 AND 0 resulta 0
1 AND 1 resulta 1
Para descubrir el número de subred en la cual una dirección en particular reside, se hacen operaciones
AND entre los dígitos de la dirección IP y la máscara de la subred, en la tabla 12-3 se muestra un
ejemplo.
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Decimal
Binario
Dirección
150.150.2.1
1001 0110. 1001 0110. 0000 0010. 0000 0001
Máscara
255.255.255.0
1111 1111. 1111 1111. 1111 1111. 0000 0000
Resultado de AND
150.150.2.0
1001 0110. 1001 0110. 0000 0010. 0000 0000
Tabla. 12-3 Ejemplo de AND
El resultado de AND será el número de la subred a la que pertenece la dirección IP.
Notación de Prefijo/Notación CIDR
Las máscaras de las subredes se pueden escribir en notación de prefijo, también llamada notación CIDR.
Para entender la notación de prefijo, es importante saber que todas las máscaras de las subredes tienen
1’s binarios consecutivos seguidos de puros 0’s binarios.
La notación de prefijo simplemente indica el número de 1’s binarios en una máscara, precedido por una
/. Por ejemplo, para la máscara 255.255.255.0, que su número binario equivalente es 11111111
11111111 11111111 000000, el equivale en notación de prefijo es /24, porque hay 24 1’s binarios
consecutivos en la máscara.
Proceso Binario Para Convertir Entre Decimal Punteado y Notación de Prefijo
Para convertir de decimal punteado a notación de prefijo, se puede seguir el siguiente proceso binario:
Paso 1 Convertir la máscara de decimal punteado a binario.
Paso 2 Contar el número de 1’s binarios; este valor es la notación prefijo de la máscara.
Para convertir de notación prefijo a decimal punteado, se utiliza al revés el proceso:
Paso 1 Se escriben x 1’s binarios, donde x es el valor listado en la notación prefijo de la máscara.
Paso 2 Se escriben 0’s binarios después de los 1’s hasta que se completen los 32 bits.
Paso 3 Se convierte este número binario, 8 bits a la vez, a decimal, para crear el número decimal
punteado.
Por ejemplo, con un prefijo /20, se debe escribir primero:
11111111 11111111 1111
Después se escriben 0’s binarios, hasta completar los 32 bits:
1111111 11111111 11110000 00000000
Por último el número se convierte a decimal:
255.255.240.0
Proceso Decimal Para Convertir Entre Decimal Punteado y Notación de Prefijo
En la tabla 12-4 se listan los 9 números posibles que pueden ser usados como máscara de subred, junto
con su número binario equivalente.
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Octeto Decimal de la
Máscara de la Subred
Equivalente en Binario
Número de 1s Binarios
Número de 0’s binarios
0
00000000
0
8
128
10000000
1
7
192
11000000
2
6
224
11100000
3
5
240
11110000
4
4
248
11111000
5
3
252
11111100
6
2
254
11111110
7
1
255
11111111
8
0
Tabla. 12-4 Máscaras de Subred
Para convertir una máscara de decimal punteado a notación prefijo, se sigue el proceso a continuación:
Paso 1 Empezar con el valor del prefijo de 0.
Paso 2 Para cada octeto decimal punteado, agregar el número de 1’s binarios indicado por ese valor
decimal en la tabla 12-4.
Paso 3 La longitud del prefijo es /x, donde x es la suma calculada en el Paso 2.
Por ejemplo, con una máscara 255.255.240.0, en el Paso 1 se comienza con un valor de 0 de prefijo.
Posteriormente en el Paso 2, se suma lo siguiente:
Se agrega 8, porque el valor del primer octeto es 255.
Se agrega 8, porque el valor del segundo octeto es 255.
Se agrega 4, porque el valor del tercer octeto es 240.
Se agrega 0, porque el valor del cuarto octeto es 0.
El resultado final es 20, y la longitud del prefijo es escrita como /20.
Para convertir de notación prefijo a decimal punteado, se sigue el proceso a continuación, donde x es el
valor del prefijo:
Paso 1 Dividir x entre 8 (x/8), el cociente entero de la división se representará como d, y el residuo de
la división se representará como r.
Paso 2 Se deben escribir d octetos con valor decimal de 255.
Paso 3 Para el próximo octeto, se buscará en la tabla 12-4 el decimal que tenga r 1’s binarios
Paso 4 Para los octetos restantes, se escriben 0’s decimales.
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Por ejemplo, si la longitud de prefijo es /20, se divide 20/8, el cociente es 2, y el residuo es 4.
Posteriormente se escriben 2 octetos decimales con valor 255:
255.255
Después, se busca en la tabla 12-4 el decimal que tenga 4 1’s binarios, y se escribe como el siguiente
octeto:
255.255.240
Finalmente, se completa la máscara con 0’s decimales:
255.255.240.0
Analizando y Escogiendo Máscaras de Subred
Analizando la Máscara de Subred en un Diseño de Red Existente
Las Tres Partes: Red, Subred y Host
La siguiente lista indica cómo encontrar los tamaños de la parte de red, subred y host:
La parte de la red de una dirección siempre es definida por las reglas de clases.
La parte del host de la dirección es siempre definida por la máscara de subred. El número de 0’s
binarios en la máscara (siempre encontrados al final de la máscara) definen el número de bits
del host en la parte del host de la dirección.
La parte de la subred de la dirección es lo que sobra en los 32 bits de la dirección.
En la tabla 12-5 se muestra un ejemplo.
Paso
Ejemplo
Reglas que Recordar
Dirección
8.1.4.5
Máscara
255.255.0.0
Número de Bits en la parte de Red
8
Siempre definido por las Clases A, B o C
Número de Bits en la parte de Host
16
Siempre definido por el número de 0’s binarios en
la máscara.
Número de Bits en la parte de
Subred
8
32 – (tamaño de red + tamaño de host)
Tabla. 12-5 Ejemplo del tamaño de las partes de una dirección
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Determinando el Número de Subredes y el Número de Hosts por Subred
Para encontrar el número de subredes que pueden existir en la red classful y el número de hosts que
puede haber en cada subred se utilizan las dos fórmulas siguientes, donde s es el número de bits en la
parte de subred y h es el número de bits en la parte de host:
Número de subredes = 2
s
h
Número de hosts por subred = 2 - 2
La convenciones de direcciones IP reservan dos direcciones IP por subred: la primera/el número más
pequeño (donde todos los números binarios son 0’s en la parte de host), y la última/el número más
grande (donde todos los número binarios son 1’s en la parte de host). La primera es usada como el
número de la subred, y la última es usada como la dirección broadcast de la subred. Es por eso que en la
fórmula para calcular los hosts por subred, se resta 2.
Número de Subredes: ¿Restar 2, o No?
En algunos casos, dos subredes de una red classful son reservadas, y no pueden ser usadas.
La primera de las dos posibles subredes reservadas es llamada subred cero. De todas las subredes de la
red, ésta es la de menor valor numérico. A veces la subred cero resulta ser el mismo número que el
número de la red classful a la que pertenece. Por ejemplo, en la red Clase B 150.150.0.0, la subred cero
debería ser 150.150.0.0, la cual crea ambigüedad. Esta ambigüedad es una de las razones que la subred
cero es reservada.
La segunda posible subred reservada es llamada subred broadcast. Es la subred que tiene el mayor valor
numérico en toda la red. Al usar esta subred también puede existir una ambigüedad, por ejemplo, un
paquete enviado a la dirección 150.150.255.255 puede significar enviar ese paquete a todos los hosts en
la red Clase B 150.150.0.0, pero en otros casos puede significar enviar ese paquete solo a los hosts en
una sola subred. Esta ambigüedad en el significado de la dirección broadcast, es la razón por la que esta
subred no debe usarse.
La tabla 12-6 ayudará a decidir si usar o no estas subredes.
Usar la fórmula 2s-2, y evitar la subred cero y la
subred broadcast, si…
Usar la fórmula 2s, y utilizar la subred cero y la
subred broadcast, si…
Se utiliza un protocolo de ruteo classful
Se utiliza un protocolo de ruteo classless
RIP Versión 1 o IGRP son usados como los
protocolos de ruteo
RIP Versión 2, EIGRP, o OSPF son usados como los
protocolos de ruteo
El comando no ip subnet zero está configurado
El comando ip subnet zero está configurado o es
omitido (de forma predeterminada)
Se utiliza VLSM
No se provee otra pista
Tabla. 12-6 Cuando usar o no las dos subredes especiales
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Escogiendo la Máscara de la Subred que se Ajusta a los Requerimientos del Diseño
En algunos casos, los requerimientos del diseño permiten el uso de una sola máscara de subred, pero en
otros casos, muchas máscaras pueden adaptarse a los requerimientos del diseño. A continuación se
muestran ejemplos para cada caso:
Para el primer ejemplo, supóngase que los requerimientos son los siguientes:
Se debe usar una red Clase B 130.1.0.0. ¿Qué máscaras de subredes pueden utilizarse si se requieren
por lo menos 200 subredes y al menos 200 hosts por subred?
Primero se debe definir el número de bits en la parte de subred que se necesitan para permitir 200
s
subredes. Se puede usar la fórmula 2 y encontrar un valor para s para obtener un resultado de por lo
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8
menos de 200. En este caso, s debe ser 8, porque 2 = 128, y no son suficientes subredes, pero 2 = 256
que provee suficientes subredes. Por lo tanto, se necesitan por lo menos 8 bits en la parte de subred
para permitir 200 subredes.
De forma similar, para encontrar el número de bits requeridos en la parte de host, se busca un valor
h
para h en la formula 2 -2 hasta que se encuentre el valor más pequeño para h que de cómo resultado
200 o más. En este caso, h debe ser igual a 8.
Posteriormente se debe decidir qué máscara o máscaras pueden usarse. En este caso porque la red es
Clase B, se sabe que se tienen 16 bits en la parte de red. Utilizando la letra R para representar la parte
de la red, la letras S para representar la parte de la subred, y la letra H para representar la parte del
host, a continuación se representa el tamaño de los distintos campos:
RRRRRRRR RRRRRRRR SSSSSSSS HHHHHHHH
En este ejemplo, ya se han formado los 32 bits de la dirección con los requisitos mínimos encontrados,
por lo tanto solo una máscara puede ser usada. Para conocer la máscara simplemente se deben escribir
como 1’s binarios los bits de la parte de red y de la parte de subred, y los bits de la parte del host deben
escribirse como 0’s binarios:
1111111 1111111 11111111 00000000
Cuando se convierte a decimal la máscara es 255.255.255.0 o en notación prefijo /24.
Para el segundo ejemplo, supóngase que los requerimientos son los siguientes:
En el diseño de la red se usará una Clase B, se requieren 50 subredes, y 200 hosts por subred. ¿Qué
máscara o máscaras se ajustan a los requerimientos?
Se utilizarán 16 bits en la parte de red, porque la red es una Clase B. Se necesitan al menos 8 bits en la
7
8
parte de host, porque 2 – 2 = 126 y no es suficiente, pero 2 -2 = 254 lo cual provee suficientes hosts por
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5
subred. Se necesitan solo 6 bits en la parte de subred, porque 2 = 64, y 2 solo provee 32 subredes.
Si se utiliza el mismo proceso de notación de los bits de la red, la subred y el host con las letras R, S, y H,
se obtiene el siguiente formato:
RRRRRRRR RRRRRRRR SSSSSS_ _ HHHHHHHH
Se puede apreciar que hay 2 bits disponibles al final del tercer octeto, los bits pueden ser parte de la
subred o parte del host, por lo tanto puede haber 3 posibles respuestas que son las siguientes:
11111111 11111111 11111111 00000000 (8 bits en subred, 8 bits en host)
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11111111 11111111 11111110 00000000 (7 bits en subred, 9 bits en host)
11111111 11111111 11111100 00000000 (6 bits en subred, 10 bits en host)
Las máscaras en decimal y en notación prefijo son las siguientes:
255.255.255.0
/24
255.255.254.0
/23
255.255.252.0
/22
Para utilizar la máscara que maximice el número de subredes, se elige la máscara que tenga el mayor
número de 1’s binarios, en este caso la máscara es 255.255.255.0.
Para utilizar la máscara que maximice el número de hosts, se elige la máscara que tenga el mayor
número de 0’s binarios, en este caso la máscara es 255.255.252.0.
Analizando Subredes Existentes
Anteriormente, en este capítulo se explicó el uso de AND para obtener el número de subred a la que
pertenece una dirección IP con la ayuda de su máscara correspondiente. A partir de este procedimiento,
se puede obtener la dirección broadcast de la subred.
Para obtener la dirección broadcast, todos los bits que pertenecen a la parte de host deben ser puros 1’s
binarios en el resultado de la operación booleana con AND (que es el número de subred), a continuación
se muestra un ejemplo:
Dirección
130.4.102.1
10000010 00000100 01100110 00000001
Máscara
255.255.252.0
11111111 11111111 11111100 00000000
Resultado de AND
130.4.100.0
10000010 00000100 01100100 00000000
Broadcast
130.4.103.255
10000010 00000100 01100111 11111111
Tabla. 12-7 Ejemplo para obtener dirección broadcast
Encontrando el Rango de Direcciones IP Válidas en una Subred
El rango de direcciones válidas empieza con la dirección IP que es 1 más que el número de subred, y
termina con la dirección IP que es 1 menos que la dirección broadcast. Por lo tanto el proceso para
encontrar la primera y la última dirección cuando se conoce el número de subred y la dirección
broadcast es el siguiente:
Paso 1 Para encontrar la primera dirección IP, se copia la dirección de la subred, y se le agrega 1 al
cuarto octeto.
Paso 2 Para encontrar la última dirección IP, se copia la dirección broadcast, y se le resta 1 al cuarto
octeto.
En la siguiente tabla se muestra un ejemplo, para encontrar el rango de direcciones válidas de la subred
8.1.4.25/255.255.0.0:
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Octeto
1
2
3
4
Dirección
8
1
4
5
Máscara
255
255
0
0
Número de Subred
8
1
0
0
Primera Dirección
8
1
0
1
Broadcast
8
1
255
255
Última Dirección
8
1
255
254
Tabla. 12-8 Ejemplo para obtener rango de direcciones
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