Conjunto de protocolos TCP/IP y direccionamiento IP Semestre 1 Capítulo 9

1. Conjunto de protocolos TCP/IP y direccionamiento IP Semestre 1 Capítulo 9 Jorge Vásquez frederichen@yahoo.com

2. Contenidos • Introducción a TCP/IP. • Dirección de Internet. • Obtener una dirección IP.

3. Preguntas. ¿Cuáles son las cuatro capas del modelo TCP/IP? ¿Conoce las funciones de cada capa del modelo TCP/IP? ¿Cuál es la función y la estructura de las direcciones IP? ¿Por qué es necesaria la división en subredes? ¿Conoce los problemas relacionados con el direccionamiento entre redes?

4. Historia y futuro de TCP/IP El Departamento de Defensa de EE.UU. (DoD) creó el modelo de referencia TCP/IP porque necesitaba una red que pudiera sobrevivir ante cualquier circunstancia. En un mundo, cruzado por numerosos tendidos de cables, alambres, microondas, fibras ópticas y enlaces satelitales. El DoD requería una transmisión de datos confiable hacia cualquier destino de la red, en cualquier circunstancia. La creación del modelo TCP/IP ayudó a solucionar este difícil problema de diseño. Desde entonces, TCP/IP se ha convertido en el estándar en el que se basa la Internet. El modelo TCP/IP tiene cuatro capas: la capa de aplicación, la capa de transporte, la capa de Internet y la capa de acceso de red. Es importante observar que algunas de las capas del modelo TCP/IP poseen el mismo nombre que las capas del modelo OSI.

5. La capa de aplicación ANIMACION 1 Protocolo trivial de transferencia de archivos (TFTP): es un servicio no orientado a conexión que utiliza el Protocolo de datagrama de usuario (UDP). Los Routers utilizan el TFTP para transferir los archivos de configuración e imágenes IOS de Cisco y para transferir archivos entre los sistemas que admiten TFTP. Es útil en algunas LAN porque opera más rápidamente que FTP en un entorno estable. Emulación de terminal (Telnet): Telnet tiene la capacidad de acceder de forma remota a otro computador. Permite que el usuario se conecte a un host de Internet y ejecute comandos. El cliente de Telnet recibe el nombre de host local. El servidor de Telnet recibe el nombre de host remoto. La capa de aplicación del modelo TCP/IP maneja protocolos de alto nivel, aspectos de representación, codificación y control de diálogo. El modelo TCP/IP combina todos los aspectos relacionados con las aplicaciones en una sola capa y asegura que estos datos estén correctamente empaquetados antes de que pasen a la capa siguiente. A continuación se presentan ejemplos de Protocolos de la capa de aplicación. Protocolo simple de administración de red (SNMP): es un protocolo que provee una manera de monitorear y controlar los dispositivos de red y de administrar las configuraciones, la recolección de estadísticas, el desempeño y la seguridad. Sistema de archivos de red (NFS): es un conjunto de protocolos para un sistema de archivos distribuido, desarrollado por Sun Microsystems que permite acceso a los archivos de un dispositivo de almacenamiento remoto, por ejemplo, un disco rígido a través de una red. Protocolo de transferencia de archivos (FTP): es un servicio confiable orientado a conexión que utiliza TCP para transferir archivos entre sistemas que admiten la transferencia FTP. Permite las transferencias bidireccionales de archivos binarios y archivos ASCII. Sistema de denominación de dominio (DNS): es un sistema que se utiliza en Internet para convertir los nombres de los dominios y de sus nodos de red publicados abiertamente en direcciones IP. Protocolo simple de transferencia de correo (SMTP): administra la transmisión de correo electrónico a través de las redes informáticas. No admite la transmisión de datos que no sea en forma de texto simple.

6. La capa de transporte ANIMACION 2 La capa de transporte proporciona servicios de transporte desde el host origen hacia el host destino. Esta capa forma una conexión lógica entre los puntos finales de la red, el host transmisor y el host receptor. Los protocolos de transporte segmentan y reensamblan los datos mandados por las capas superiores en el mismo flujo de datos, o conexión lógica entre los extremos. Los servicios de transporte incluyen los siguientes protocolos: TCP y UDP Segmentación de los datos de capa superior Envío de los segmentos desde un dispositivo en un extremo a otro dispositivo en otro extremo. TCP solamente Establecimiento de operaciones de punta a punta. Control de flujo proporcionado por ventanas deslizantes. Confiabilidad proporcionada por los números de secuencia y los acuses de recibo

7. La capa de Internet ANIMACION 3 ANIMACION 4 • El Protocolo de resolución de direcciones (ARP) determina la dirección de la capa de enlace de datos, la dirección MAC, para las direcciones IP conocidas. El propósito de la capa de Internet es seleccionar la mejor ruta para enviar paquetes por la red. El protocolo principal que funciona en esta capa es el Protocolo de Internet (IP). La determinación de la mejor ruta y la conmutación de los paquetes ocurre en esta capa. • El Protocolo de resolución inversa de direcciones (RARP) • determina las direcciones IP cuando se conoce la dirección • MAC. Los siguientes protocolos operan en la capa de Internet TCP/IP: • El IP ejecuta las siguientes operaciones: • Define un paquete y un esquema de direccionamiento. • Transfiere los datos entre la capa Internet y las capas de • acceso de red. • Enruta los paquetes hacia los hosts remotos • IP proporciona un enrutamiento de paquetes no orientado a • conexión de máximo esfuerzo. El IP no se ve afectado por el • contenido de los paquetes, sino que busca una ruta de hacia • el destino. A veces, se considera a IP como protocolo poco confiable esto simplemente significa que IP no realiza la verificación y la corrección de los errores. Ya que es tarea de las capas superiores. • El Protocolo de mensajes de control en Internet (ICMP) • suministra capacidades de control y envío de mensajes.

8. La capa de acceso de red ANIMACION 5 La capa de acceso de red también se denomina capa de host a red. La capa de acceso de red es la capa que maneja todos los aspectos que un paquete IP requiere para efectuar un enlace físico real con los medios de la red. Esta capa incluye los detalles de la tecnología LAN y WAN y los detalles de las capas física y de enlace de datos del modelo OSI. Los estándares del protocolo de los módem tales como el Protocolo Internet de enlace serial (SLIP) y el Protocolo de punta a punta (PPP) brindan acceso a la red a través de una conexión por módem. Las funciones de la capa de acceso de red incluyen la asignación de direcciones IP a las direcciones físicas y el encapsulamiento de los paquetes IP en tramas. Basándose en el tipo de hardware y la interfaz de la red, la capa de acceso de red definirá la conexión con los medios físicos de la misma.

9. Modelos OSI y el TCP/IP ANIMACION 6 • Diferencias entre los modelos OSI y TCP/IP: • TCP/IP combina las capas de presentación y de sesión en • una capa de aplicación. • TCP/IP combina la capas de enlace de datos y la capa física • del modelo OSI en una sola capa. • TCP/IP parece ser más simple porque tiene menos capas. • La capa de transporte TCP/IP que utiliza UDP no siempre • garantiza la entrega confiable de los paquetes mientras que • la capa de transporte del modelo OSI sí. Comparación de las similitudes y diferencias de los modelos OSI y TCP/IP: • Similitudes entre los modelos OSI y TCP/IP: • Ambos se dividen en capas. • Ambos tienen capas de aplicación, aunque incluyen servicios muy distintos. • Ambos tienen capas de transporte y de red similares. • La tecnología es de conmutación por paquetes y no de conmutación por circuito. La Internet se desarrolla de acuerdo con los estándares de los protocolos TCP/IP. El modelo TCP/IP gana credibilidad gracias a sus protocolos. El modelo OSI se utiliza como guía para comprender el proceso de comunicación.

10. Arquitectura de Internet Una red de redes recibe el nombre de internet, que se escribe con "i" minúscula. Cuando se hace referencia a las redes desarrolladas por el DoD en las que corre la World Wide Web (www) (Red mundial), se utiliza la letra "I" mayúscula y recibe el nombre de Internet. Internetworking debe ser escalable respecto del número de redes y computadores conectados. Muchas LAN conectadas entre sí permiten que funcione la Internet. Pero las LAN tienen sus limitaciones de tamaño. Aunque se han producido avances tecnológicos que mejoran la velocidad de las comunicaciones, tales como la Ethernet de 10 Gigabits, de 1 Gigabit, la distancia sigue siendo un problema. Internetworking debe ser capaz de manejar el transporte de datos a lo largo de grandes distancias. Tiene que ser flexible para admitir las constantes innovaciones tecnológicas. Además, debe ser capaz de ajustarse a las condiciones dinámicas de la red. Y, sobre todo, las internetworks deben ser económicas. Internet utiliza el principio de la interconexión en la capa de red. Con el modelo OSI a modo de ejemplo, el objetivo consiste en construir la funcionalidad de la red en módulos independientes. Esto permite que una variedad de tecnologías LAN existan en las Capas 1 y 2 y una variedad de aplicaciones funcionen en las Capas 5; 6 y 7. Las internetworks deben estar diseñadas para permitir que en cualquier momento, en cualquier lugar, cualquier persona reciba la comunicación de datos. El modelo OSI proporciona un mecanismo en el cual se separan los detalles de las capas inferior y superior.

11. Direccionamiento IP La combinación de letras (dirección de red) y el número (dirección del host) crean una dirección única para cada dispositivo conectado a la red. Cada computador conectado a una red TCP/IP debe recibir un identificador exclusivo o una dirección IP. Esta dirección, que opera en la Capa 3, permite que un computador localice otro computador en la red.

12. Conversión decimal y binaria ANIMACION 7 Al convertir un número decimal a binario, se debe determinar la mayor potencia de dos que pueda caber en el número decimal. Si se ha diseñado este proceso para trabajar con computadores, el punto de inicio más lógico son los valores más altos que puedan caber en uno o dos bytes. El agrupamiento más común de bits es de ocho, que componen un byte. Sin embargo, a veces el valor más alto que un byte puede contener, no es lo suficiente para los valores requeridos. En lugar de tener dos números de ocho dígitos, se crea un solo número de 16 bits. En lugar de tener tres números de ocho dígitos, se crea un número de 24 bits. Ya que el trabajo con computadores, a menudo, se encuentra referenciado por los bytes, resulta más sencillo comenzar con los límites del byte y comenzar a calcular desde allí.

13. Direccionamiento IPv4 ANIMACION 8

14. Direcciones IP Clase, A, B, C, D y E

15. Direcciones IP reservadas ANIMACION 9 Ciertas direcciones de host son reservadas y no pueden asignarse a dispositivos de la red. Estas direcciones de host reservadas incluyen: Dirección de red: Utilizada para identificar la red en sí. Dirección de broadcast: Utilizada para realizar el broadcast de paquetes hacia todos los dispositivos de una red. La dirección IP que tiene ceros binarios en todas las posiciones de bits de host queda reservada para la dirección de red. En una dirección de red Clase B, los primeros dos octetos se designan como porción de red. Los últimos dos octetos contienen ceros, dado que esos 16 bits corresponden a los números de host e identifican dispositivos conectados.

16. Direcciones IP públicas y privadas El Centro de información de la red Internet (InterNIC) asignaba las direcciones públicas. InterNIC ya no existe y la Agencia de asignación de números de Internet (IANA) la ha sucedido. IANA administra, cuidadosamente, la provisión restante de las direcciones IP para garantizar que no se genere una repetición de direcciones utilizadas de forma pública. Los Routers de Internet descartan inmediatamente las direcciones privadas. Si se produce un direccionamiento hacia una intranet que no es pública, en un laboratorio de prueba o una red doméstica, es posible utilizar las direcciones privadas en lugar de direcciones exclusivas a nivel global. Todas las máquinas que se conectan a la Internet acuerdan adaptarse al sistema. Hay que obtener las direcciones IP públicas de un proveedor de servicios de Internet (ISP) o un registro, a un costo. La conexión de una red que utiliza direcciones privadas a la Internet requiere que las direcciones privadas se conviertan a direcciones públicas. Este proceso de conversión se conoce como Traducción de direcciones de red (NAT). Un Router es el dispositivo que realiza la NAT. Con el crecimiento de Internet, las direcciones IP públicas comenzaron a escasear. Para resolver este problema se desarrollaron esquemas de direccionamiento, tales como el enrutamiento entre dominios sin clase (CIDR) y el IPv6.

17. División en subredes ANIMACION 10 La división en subredes es otro método para administrar las direcciones IP. Este método, que consiste en dividir las clases de direcciones de red completas en partes de menor tamaño y ha evitado el agotamiento de las direcciones IP. Para crear una dirección de subred, un administrador de red pide prestados bits del campo de host y los designa como campo de subred. El número mínimo de bits que se puede pedir es dos. Al crear una subred, donde se solicita un sólo bit, el número de la red suele ser red .0. Dividir una red en subredes significa utilizar una máscara de subred para dividir la red y convertir una gran red en segmentos más pequeños, más eficientes y administrables o subredes. El número de broadcast entonces sería la red .255. El número máximo de bits que se puede pedir prestado puede ser cualquier número que deje por lo menos 2 bits restantes para el número de host. Las direcciones de subredes incluyen la porción de red más el campo de subred y el campo de host. El campo de subred y el campo de host se crean a partir de la porción de host original de la red entera. La capacidad para decidir cómo se divide la porción de host original en los nuevos campos de subred y de host ofrece flexibilidad en el direccionamiento al administrador de red.

18. IPv4 en comparación con IPv6 Hace más de veinte años, la Versión 4 del IP (IPv4) ofrecía una estrategia de direccionamiento que resultó escalable durante algún tiempo pero la asignación de las direcciones fue poco eficiente. En 1992, la Fuerza de tareas de ingeniería de Internet (IETF) identificó las dos siguientes dificultades: Agotamiento de las restantes direcciones de red IPv4 no asignadas. En ese entonces, el espacio de Clase B estaba a punto de agotarse. Las direcciones Clase A y B forman un 75 por ciento del espacio de direccionamiento IPv4, sin embargo, se pueden asignar menos de 17,000 organizaciones a un número de red Clase A o B. Se produjo un gran y rápido aumento en el tamaño de las tablas de enrutamiento de Internet a medida que las redes Clase C se conectaban en línea. La inundación resultante de nueva información en la red amenazaba la capacidad de los Routers de Internet para ejercer una efectiva administración. Las direcciones de red Clase C son más numerosas que las direcciones Clase A y B, ellas representan sólo el 12,5 por ciento de los cuatro mil millones de direcciones IP posibles. Se ha definido y desarrollado una versión más extensible y escalable del IP, la Versión 6 del IP (IPv6). IPv6 utiliza 128 bits en lugar de los 32 bits que en la actualidad utiliza el IPv4. IPv6 utiliza números hexadecimales para representar los bits. Lamentablemente, las direcciones Clase C están limitadas a 254 hosts utilizables. Esto no satisface las necesidades de organizaciones más importantes que no pueden adquirir una dirección Clase A o B.

19. Cómo obtener una dirección IP Un host de red necesita obtener una dirección exclusiva a nivel global para poder funcionar en Internet. La dirección MAC o física que posee el host sólo tiene alcance local, para identificar el host dentro de la red del área local. Como es una dirección de Capa 2, el Router no la utiliza para realizar transmisiones fuera de la LAN. Las direcciones IP son las direcciones que más frecuentemente se utilizan en las comunicaciones en la Internet. Este protocolo es un esquema de direccionamiento jerárquico que permite que las direcciones individuales se asocien en forma conjunta y sean tratadas como grupos. Los administradores de redes utilizan dos métodos para asignar las direcciones IP. Estos métodos son el estático y el dinámico.

20. Asignación estática de dirección IP La asignación estática funciona mejor en las redes pequeñas con poca frecuencia de cambios. De forma manual, el administrador del sistema asigna y rastrea las direcciones IP para cada computador, impresora o servidor de una red interna. Los servidores deben recibir una dirección IP estática de modo que las estaciones de trabajo y otros dispositivos siempre sepan cómo acceder a los servicios requeridos. Considere lo difícil que sería realizar una llamada telefónica a un lugar que cambiara de número todos los días. Otros dispositivos que deben recibir direcciones IP estáticas son las impresoras en red, servidores de aplicaciones y Routers. ANIMACION 11

21. Asignación de direcciones RARP IP El Protocolo de resolución inversa de direcciones (RARP) asocia las direcciones MAC conocidas a direcciones IP. Esta asociación permite que los dispositivos de red encapsulen los datos antes de enviarlos a la red. RARP permite que un dispositivo realice una petición para conocer su dirección IP. Los dispositivos que usan RARP requieren que haya un servidor RARP en la red para responder a las peticiones RARP. Las peticiones RARP se envían en broadcast a la LAN y el servidor RARP que por lo general es un Router responde. ANIMACION 12

22. Asignación de direcciones BOOTP IP Un dispositivo utiliza el BOOTP para obtener una dirección IP cuando se inicializa. El BOOTP utiliza UDP para transportar los mensajes. El mensaje UDP se encapsula en un paquete IP. El protocolo bootstrap (BOOTP) opera en un entorno cliente servidor y sólo requiere el intercambio de un solo paquete para obtener la información IP. A diferencia del RARP, los paquetes de BOOTP pueden incluir la dirección IP, así como la dirección de un Router, la dirección de un servidor y la información específica del fabricante. Un computador utiliza el BOOTP para enviar un paquete IP de broadcast a la dirección IP destino de todos unos, o sea, 255.255.255.255 en anotación decimal punteada. El servidor del BOOTP recibe el broadcast y responde en forma de broadcast. Un problema del BOOTP es que no se diseñó para proporcionar la asignación dinámica de las direcciones. Con el BOOTP, un administrador de redes crea un archivo de configuración que especifica los parámetros de cada dispositivo. El administrador debe agregar hosts y mantener la base de datos del BOOTP. El cliente recibe una trama y verifica la dirección MAC. Si el cliente encuentra su propia dirección MAC en el campo de dirección destino y un broadcast en el campo IP destino, toma la dirección IP y la guarda junto con la otra información proporcionada por el mensaje BOOTP de respuesta. ANIMACION 13

23. Administración de direcciones DHCP IP El Protocolo de configuración dinámica del host (DHCP) es el sucesor del BOOTP. A diferencia de BOOTP, el DHCP permite que el host obtenga la dirección IP de forma dinámica sin que el administrador de red tenga que configurar un perfil individual para cada dispositivo. Lo único que se requiere para utilizar el DHCP es un rango definido de direcciones IP en un servidor DHCP. A medida que los hosts entran en línea, se comunican con el servidor DHCP y solicitan una dirección. El servidor DHCP elige una dirección y se la arrienda a dicho host. La principal ventaja que el DHCP tiene sobre el BOOTP es que permite que los usuarios sean móviles. Esta movilidad permite que los usuarios cambien libremente las conexiones de red de un lugar a otro. Ya no es necesario mantener un perfil fijo de cada dispositivo conectado a la red. ANIMACION 14

24. Problemas en la resolución de direcciones Uno de los principales problemas del networking es cómo comunicarse con los otros dispositivos de la red. En la comunicación TCP/IP, el datagrama de una red de área local debe contener tanto una dirección MAC destino como una dirección IP destino. Estas direcciones deben ser correctas y concordar con las direcciones IP y MAC destino del dispositivo host. Si no concuerdan, el host destino descartará el datagrama. Tanto las direcciones IP como las MAC son necesarias para el dispositivo de enrutamiento intermedio y el host destino. TCP/IP tiene una variante en ARP llamada ARP proxy que proporciona la dirección MAC de un dispositivo intermedio para realizar la transmisión a otro segmento de red fuera de la LAN. ANIMACION 15

25. Protocolo de resolución de direcciones En la red TCP/IP, el paquete de datos debe contener tanto la dirección MAC destino como la dirección IP destino. Si el paquete pierde alguna de las dos, los datos no pasarán de la Capa 3 a las capas superiores. Una vez que los dispositivos determinan las direcciones IP de los dispositivos destino, pueden agregar las direcciones MAC de destino a los paquetes de datos. Las tablas ARP se guardan en la memoria RAM, donde la información en caché se guarda automáticamente en cada uno de los dispositivos. Cuando un dispositivo desea enviar datos a través de la red, utiliza la información que proporciona la tabla ARP. ANIMACION 16 ANIMACION 17

26. Cuestionario final. ANIMACION 18 ¿Cuáles son los protocolos que operan en la capa de transporte del modelo TCP/IP? Mencione las operaciones que ejecuta IP. Mencione los servicios que provee TCP. ¿Cuál es la capa del modelo TCP/IP, que se conoce como host a red? ¿Qué organización desarrolló el modelo de referencia TCP/IP?