3.1 Capa de Red
3.1.1. Introducción
La capa de red, o Capa 3 de OSI, provee servicios para
intercambiar secciones de datos individuales a través de la red entre
dispositivos finales identificados. Para realizar este transporte de extremo a
extremo la Capa 3 utiliza cuatro procesos básicos:
Direccionamiento
Encapsulación
Enrutamiento
Des encapsulación
Direccionamiento
Primero, la capa de red debe proporcionar un mecanismo para
direccionar estos dispositivos finales. Si las secciones individuales de datos
deben dirigirse a un dispositivo final, este dispositivo debe tener una
dirección única. En una red IPv4, cuando se agrega esta dirección a un
dispositivo, al dispositivo se lo denomina host.
Encapsulación
Segundo, la capa de red debe proporcionar encapsulación. Los
dispositivos no deben ser identificados sólo con una dirección; las secciones
individuales, las PDU de la capa de red, deben, además, contener estas
direcciones. Durante el proceso de encapsulación, la Capa 3 recibe la PDU de la
Capa 4 y agrega un encabezado o etiqueta de Capa 3 para crear la PDU de la Capa
3.
Enrutamiento
Luego, la capa de red debe proporcionar los servicios para
dirigir estos paquetes a su host de destino. Los host de origen y destino no
siempre están conectados a la misma red. En realidad, el paquete podría
recorrer muchas redes diferentes. A lo largo de la ruta, cada paquete debe ser
guiado a través de la red para que llegue a su destino final. Los dispositivos
intermediarios que conectan las redes son los routers. La función del router es
seleccionar las rutas y dirigir paquetes hacia su destino.
Des encapsulación
Finalmente, el paquete llega al host de destino y es
procesado en la Capa 3. El host examina la dirección de destino para verificar
que el paquete fue direccionado a este dispositivo. Si la dirección es
correcta, el paquete es des encapsulado por la capa de red y la PDU de la Capa 4
contenida en el paquete pasa hasta el servicio adecuado en la capa de
Transporte.
3.1.2. Protocolos de la capa de red
Los protocolos implementados en la capa de red que llevan
datos del usuario son:
· Protocolo
de Internet versión 4 (IPv4)
· Protocolo
de Internet versión 6 (IPv6)
· Intercambio
Novell de paquetes de internetwork (IPX)
· AppleTalk
· Servicio
de red sin conexión (CLNS/DECNet)
El Protocolo de Internet (IPv4 e IPv6) es el protocolo de
transporte de datos de la Capa 3 más ampliamente utilizado y será el tema de
este curso. Los demás protocolos no se analizarán en profundidad.
IPv4
Es el nombre del protocolo de Internet utilizado actualmente
para las direcciones IP de los dominios. Estas direcciones IP se asignan
automáticamente cuando se registra un dominio. IPv4 utiliza direcciones de
32 bits con hasta 12 caracteres en cuatro bloques de tres caracteres cada uno,
como 212.227.142.131. Combinando todos los dígitos es posible un máximo de
casi 4.300 millones de direcciones IP que pronto se agotarán.
IPv6
Incrementa el tamaño de la dirección IP de 32 bits a 128
bits para así soportar más niveles en la jerarquía de direccionamiento y un
número mucho mayor de nodos direccionables. El diseño del protocolo agrega
múltiples beneficios en seguridad, manejo de calidad de servicio, una mayor
capacidad de transmisión y mejora la facilidad de administración, entre otras
cosas.
IPX
(Intercambio de Paquetes Interred). Es un protocolo de la
capa de red de Netware responsable de transferir datos entre el servidor y los
programas de las estaciones de trabajo mediante datagramas.
3.1.3. Enrutamiento y sus características
El enrutamiento requiere que cada salto o router a lo largo
de las rutas hacia el destino del paquete tenga una ruta para reenviar el
paquete. De otra manera, el paquete es descartado en ese salto. Cada router en
una ruta no necesita una ruta hacia todas las redes. Sólo necesita conocer el
siguiente salto en la ruta hacia la red de destino del paquete.
La tabla de enrutamiento contiene información que un router
usa en sus decisiones al reenviar paquetes. Para las decisiones de
enrutamiento, la tabla de enrutamiento necesita representar el estado más
preciso de rutas de red a las que el router puede acceder.
3.1.3.1. ENRUTAMIENTO ESTÁTICO
Las rutas a redes remotas con los siguientes saltos
asociados se pueden configurar manualmente en el router. Esto se conoce como
enrutamiento estático. Una ruta default también puede ser configurada
estáticamente.
Si el router está conectado a otros routers, se requiere
conocimiento de la estructura de internetworking. Para asegurarse de que los
paquetes están enrutados para utilizar los mejores posibles siguientes saltos,
cada red de destino necesita tener una ruta o una ruta default configurada.
Como los paquetes son reenviados en cada salto, cada router debe estar
configurado con rutas estáticas hacia los siguientes saltos que reflejan su
ubicación en la internetwork.
3.1.3.2. ENRUTAMIENTO DINÁMICO
Aunque es esencial que todos los routers en una internetwork
posean conocimiento actualizado, no siempre es factible mantener la tabla de
enrutamiento por configuración estática manual. Por eso, se utilizan los
protocolos de enrutamiento dinámico. Los protocolos de enrutamiento son un
conjunto de reglas por las que los routers comparten dinámicamente su
información de enrutamiento. Como los routers advierten los cambios en las
redes para las que actúan como gateway, o los cambios en enlaces entre routers,
esta información pasa a otros routers. Entre los protocolos de
enrutamiento comunes se incluyen:
Protocolo de información de enrutamiento (RIP),
Protocolo de enrutamiento de gateway interior mejorado
(EIGRP), y
Open Shortest Path First (OSPF)
3.1.4. DIRECCIONAMIENTO IP
3.1.4.1. INTRODUCCIÓN
El direccionamiento IP proporciona un mecanismo para la
asignación de identificadores a cada dispositivo conectado a una red. Antes de
dar información más técnica, exponemos los principales conceptos:
Todos los dispositivos conectados a una red que utilice los
protocolos TCP/IP (en la práctica todas las redes lo hacen) DEBEN tener una
dirección IP asignada.
Una dirección IP es un NÚMERO, que sirve para identificar de
forma única a un dispositivo dentro de la red.
La ASIGNACIÓN de la dirección IP a un dispositivo se puede
hacer de dos formas:
Estática. En este caso, alguien (yo, mi amigo informático,
el administrador de la red, etc) debe configurar manualmente todos los
parámetros de red, incluyendo la dirección IP.
Dinámica. En este caso, en la red donde se conecta el
dispositivo debe haber un equipo que se encargue de asignar de forma automática
(sin nuestra intervención) una dirección IP válida.
En cuanto a su alcance podemos distinguir dos tipos de
direcciones:
Direcciones públicas. Son las direcciones asignadas a
dispositivos conectados a Internet y cuya dirección IP debe ser única para toda
la Red. Hay organismos que se encargan de gestionar dichas asignaciones.
Direcciones privadas. Son direcciones asignadas a dispositivos
dentro de una red que no tiene “visibilidad” con Internet. Los dispositivos que
tienen asignada una dirección privada no pueden acceder a Internet con su
dirección y necesitan un dispositivo que les “preste” una dirección pública.
3.1.4.2. MANEJO DE SUBREDES
Una dirección IPv4 tiene una porción de red y una porción de
host. Se hizo referencia a la duración del prefijo como la cantidad de bits en
la dirección que conforma la porción de red. El prefijo es una forma de definir
la porción de red para que los humanos la pueden leer. La red de datos también
debe tener esta porción de red de las direcciones definidas.
El prefijo y la máscara de subred son diferentes formas de
representar lo mismo, la porción de red de una dirección.
Como se muestra en la figura, un prefijo /24 se expresa como
máscara de subred de esta forma 255.255.255.0
(11111111.11111111.11111111.00000000). Los bits restantes (orden inferior) de
la máscara de subred son números cero, que indican la dirección host dentro de
la red.
Por ejemplo: veamos el host 172.16.4.35/27:
dirección
172.16.20.35
10101100.00010000.00010100.00100011
máscara de subred
255.255.255.224
3.1.4.3. DIVISIÓN DE SUBREDES
La división en subredes permite crear múltiples redes
lógicas de un solo bloque de direcciones. Como usamos un router para conectar
estas redes, cada interfaz en un router debe tener un ID único de red. Cada
nodo en ese enlace está en la misma red.
Creamos las subredes utilizando uno o más de los bits del
host como bits de la red. Esto se hace ampliando la máscara para tomar prestado
algunos de los bits de la porción de host de la dirección, a fin de crear bits
de red adicionales. Cuanto más bits de host se usen, mayor será la cantidad de
subredes que puedan definirse. Para cada bit que se tomó prestado, se duplica
la cantidad de subredes disponibles. Por ejemplo: si se toma prestado 1 bit, es
posible definir 2 subredes. Si se toman prestados 2 bits, es posible tener 4
subredes.
Fórmula para calcular subredes
Use esta fórmula para calcular la cantidad de subredes:
2^n donde n = la cantidad de bits que se tomaron prestados
En este ejemplo, el cálculo es así:
2^1 = 2 subredes
La cantidad de hosts
Para calcular la cantidad de hosts por red, se usa la
fórmula 2^n - 2 donde n = la cantidad de bits para hosts.
La aplicación de esta fórmula, (2^7 - 2 = 126) muestra que
cada una de estas subredes puede tener 126 hosts.
En cada subred, examine el último octeto binario. Los
valores de estos octetos para las dos redes son:
Subred 1: 00000000 = 0
Subred 2: 10000000 = 128
3.1.4.4. VLSM Y CIDR
VLSM
Las máscaras de subred de tamaño variable o VLSM (del inglés Variable Length Subnet Mask) representan otra de las tantas soluciones que se implementaron para evitar el agotamiento de direcciones IP (1987), como la división en subredes (1985), el enrutamiento sin clases CIDR (1993), NAT y las direcciones IP privadas.
Si se utiliza una máscara de subred de tamaño fijo (la misma
máscara de subred en todas las subredes), todas las subredes van a tener el
mismo tamaño. Por ejemplo, si la subred más grande necesita 200 hosts, todas
las subredes van a tener el mismo tamaño de 256 direcciones IP (nota: se ha
redondeado hacia arriba, hacia la siguiente potencia, de 2). Si una subred que
necesita 10 equipos, se asigna la misma subred de 256 direcciones, aunque las restantes
246 direcciones no se utilicen. Incluso los enlaces seriales (WAN), que sólo
necesitan dos direcciones IP, requieren una subred de 256 direcciones.
CIDR
Classless Inter-Domain Routing o CIDR (en español
«enrutamiento entre dominios sin clases») se introdujo en 1993 por IETF y
representa la última mejora en el modo de interpretar las direcciones IP. Su
introducción permitió una mayor flexibilidad al dividir rangos de direcciones
IP en redes separadas. De esta manera permitió:
Un uso más eficiente de las cada vez más escasas direcciones
IPv4.
Un mayor uso de la jerarquía de direcciones (agregación de
prefijos de red), disminuyendo la sobrecarga de los enrutadores principales de
Internet para realizar el encaminamiento.
CIDR reemplaza la sintaxis previa para nombrar direcciones
IP, las clases de redes. En vez de asignar bloques de direcciones en los
límites de los octetos, que implicaban prefijos «naturales» de 8, 16 y 24 bits,
CIDR usa la técnica VLSM (variable length subnet mask, en español «máscara de
subred de longitud variable»), para hacer posible la asignación de prefijos de
longitud arbitraria.
3.1.5. MANEJO DE GATEWAY
El gateway, también conocido como gateway por defecto, es
necesario para enviar un paquete fuera de la red local. Si la porción de red de
la dirección de destino del paquete es diferente de la red del host de origen,
el paquete tiene que hallar la salida fuera de la red original. Para esto, el
paquete es enviado al gateway. Este gateway es una interfaz del router
conectada a la red local. La interfaz del gateway tiene una dirección de capa
de Red que concuerda con la dirección de red de los hosts. Los hosts están
configurados para reconocer que la dirección es un gateway.
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