Capa de enrutamiento del protocolo TCP-IP

Sistema de direccionamiento IPv4 y estructura de la red Internet

Una de las funciones del protocolo IPv4 es establecer el direccionamiento lógico de una red con el objetivo de que dos o más computadores puedan establecer el proceso de comunicación. Cuando el protocolo IPv4 comenzó a estandarizarse, el esquema de direccionamiento estaba basado en un registro fuente y en un registro destino de 32 bit cada uno tal como se muestra en la figura 1.1.

Cada uno de estos registros está dividido en 3 campos, a saber: clase, red y host. La función del campo clase es clasificar a una dirección IP fuente y/o destino. La función del campo red es determinar a la red que pertenece un host "computador" destino y/o fuente. Y el campo host "computador" tiene como función determinar a la computadora destino o fuente que pertenece a una red. El conjunto de estos tres campos se conoce con el nombre de dirección IP.

En la figura 1.2 podemos observar 5 clases de direcciones IP:

Figura 1.1 Clases de direcciones IP

-. Clase A. Está definida cuando el valor del bit menos significativo es igual a 0. En esta clase se puede representar hasta 2^24 computadoras incluidas en cada una de las 2^7 posibles redes.

-. Clase B. Está definida si el valor de los 2 bit menos significativos es igual a 10. En esta clase se puede representar hasta 2^16 computadoras incluidas en cada una de las 2^14 posibles redes.

-. Clase C. Se define cuando el valor de los 3 bit menos significativos es igual a 110. En esta clase se puede representar hasta 2^8 computadoras incluidas en cada una de las 2^21 posibles redes.

-. Clase D y E. Las direcciones que forman parte de la clase D son utilizadas por los protocolos que hacen uso de la comunicación tipo multicast. Las direcciones que forman parte de la clase E son utilizadas para experimentación.

Para facilitar la lectura de una dirección IP, el registro de 32 bit de la dirección fuente y destino es dividido en 4 campos de 8 bit cada uno y se convierte el número binario de cada campo en su equivalente decimal. Esta representación de un registro IP se conoce con el nombre de notación de punto decimal; esto implica que el rango de redes para cada clase de dirección IP es el que se representa en la siguiente tabla:

Dicho rango de direcciones IP está compuesto por un grupo privado y un grupo público "RFC 1918". El rango de direcciones IP que pertenecen al grupo público es utilizado para interconectar redes que forman parte de la red Internet y el rango de direcciones IP que pertenecen al grupo privado es utilizado para interconectar redes que no forman parte de la red Internet.

El rango de direcciones IP privadas está compuesto por los siguientes bloques: 10.0.0.0 hasta 10.255.255.255, 172.16.0.0 hasta 172.31.255.255 y 192.168.0.0 hasta 192.168.255.255. El rango de direcciones IP públicas está compuesto por todas las direcciones IP que no forman parte del rango de direcciones IP privadas incluyendo el rango de direcciones IP: 127.0.0.0 hasta 127.255.255.255 ya que dicho rango es utilizado como lazo cerrado del computador local - LoopBack LocalHost - . Aunque este rango de direcciones IP no está incluido en el rango de direcciones públicas todos los programas que hacen uso del protocolo TCP-IP están diseñados para reconocer a dicho rango como direcciones - loopback localhost -.

Si aplicamos este esquema de direccionamiento a una organización dividida en n departamentos es importante resaltar que:

-. Para definir la red de un departamento es necesario utilizar una dirección IP clase A, B o C, esto trae como consecuencia que el número de computadoras posibles que pueden ser definidas en una dirección IP clase A, B o C, no necesariamente se adapte a la realidad. Por ejemplo si asignamos una dirección IP clase A por cada departamento el número de computadoras posibles por red es igual a 2^24 y 2^24 es un número irreal para un departamento de cualquier organización.

-. El número de redes es directamente proporcional al número de departamentos que posee cada organización. En la medida en que esta proporción se incremente, el rango de direcciones IP posibles disminuye ineficientemente y a su vez la tabla de rutas del enrutador se incrementa proporcionalmente a medida que una nueva red es definida. Esta relación la podemos observar en el ejemplo que se presenta en la figura 1.2.

Figura 1.2 El número de redes es directamente proporcional al número de departamentos

Sub-Redes y VLSM

Si se hace uso de la técnica de subredes definida inicialmente en el RFC 917 y luego en el RFC 950, el número de departamentos de cada organización no es directamente proporcional al número de redes, y el rango de direcciones IP posibles es administrado con mayor eficiencia.

Esta técnica consiste en la inclusión del campo Sub-Red en el registro de una dirección IP. Su función es definir la sub-red de una red. El método más utilizado para determinar la sub-red de una red es haciendo uso de un registro conocido con el nombre de "máscara de una sub-red" y al efectuar la operación booleana AND entre una dirección IP y la "máscara de la sub-red" se determina la sub-red de una red.

Figura 1.3 Máscara de una dirección IP

En el ejemplo que se muestra en la figura 1.3 se define:

-. Una dirección IP clase B, cuya red está definida por el número: 140.120.x.x y máscara 255.255.0.0.

-. 255 sub-redes.

-. 255 computadoras por sub-red.

-. La máscara de las sub-redes es 255.255.255.0

Es importante mencionar que en el RFC 950 se establece que él número de bit del campo sub-red puede variar dependiendo del número necesario de computadoras por sub-red. Por ejemplo, dada la red clase B: 130.130.0.0, dicha red podría ser dividida por uno de los siguientes arreglos de sub-redes:

Esta técnica se conoce con el nombre de longitud variable de la máscara de una sub-red "VLSM" y su función es definir sub-redes que se adapten con mayor facilidad al número de computadoras por sub-red. Para hacer aún más explícita esta técnica analizamos el siguiente ejemplo:

A una organización se le ha asignado la red Clase C número 194.120.14.x/255.255.255.0. Dicha organización está compuesta por los departamentos: A, B, C; cada departamento requiere el siguiente número de computadoras: 98, 48 y 50 respectivamente. El crecimiento en 2 años de cada departamento está previsto que sea del 20% para el departamento A, del 18% para el departamento B y del 10% para el departamento C. Sobre la base de esta información la máscara de cada sub-red y el número de direcciones IP de cada computador es la siguiente:

Es importante mencionar que el RFC 950 establece las siguientes reglas:

-. Cada uno de los bit que definen al campo sub-red de una dirección IP no puede tener el valor 0 y tampoco el valor de los bit del campo computador puede ser igual a 0, ya que se estaría definiendo a la red de la sub-red.

-. Cada uno de los bit que conforman al campo computador de una dirección IP no puede tener el valor 0 ó 1. Ya que si todos los bit son iguales a 0 se estaría definiendo a la sub-red. Y si todos los bit del campo computador son iguales a 1 se estaría definiendo a la dirección broadcast de la sub-red.

Si aplicamos este esquema de direccionamiento a una organización que está dividida en n departamentos es importante resaltar que:

-. El campo sub-red incluido en el registro de una dirección IP es el que define a la red de un departamento y por ende, el número de redes no es directamente proporcional al número de departamentos.

-. El número de computadoras que pueden ser definidas en una sub-red se adapta con mayor facilidad al número de computadoras por departamento, y el rango de direcciones IP posibles es administrado con mayor eficiencia.

-. Un nuevo nivel jerárquico es incluido de manera implícita en el sistema de direccionamiento IPv4.

Prefijo de una dirección IP "CIDR"

A medida que el número de redes "sub-redes y/o redes" se incrementa, la tabla de rutas administradas por el enrutador aumenta proporcionalmente hasta llegar al punto de colapsar la capacidad de procesamiento del enrutador. Para solucionar este problema se creó la técnica CIDR "Classless InterDomain Routing" cuya función principal es incluir a un grupo de redes en una dirección IP. Con la técnica CIDR cada red definida está asociada a un prefijo, el cual determina el bloque de direcciones IP y su nivel jerárquico. Por ejemplo la dirección IP 192.40.0.0 con prefijo 16 "192.40.0.0/16" define al bloque de direcciones IP que va desde 192.40.0.0 hasta 192.40.255.255. En dicho bloque de direcciones IP se definen las sub-redes y cada sub-red tiene asociado un prefijo, el cual tiene que ser mayor que el prefijo que define al bloque. Ejemplo : 192.40.1.0/24, 192.40.2.0/24, 192.40.3.0/24 y 192.40.4.0/24.

Para poder hacer uso de la técnica CIDR el enrutador debe elegir de la tabla de rutas la red que posea el mayor número de bits contínuos iguales a la dirección IP destino "Longest Match Prefix" para ello debe definirse en el enrutador el bloque de direcciones IP "Agregación".

En la figura 1.4 podemos observar a la dirección IP 192.24.0.0/16 la cual tiene un prefijo igual a 16, dicho prefijo determina la máscara: 255.255.0.0 y el bloque de direcciones IP que pueden ser definidas desde 192.24.0.0 hasta 192.24.255.255. En este ejemplo se definen 4 sub-redes: 192.24.1.0/24, 192.24.2.0/24, 192.24.3.0/24 y 192.24.4.0/24 de 255 computadoras cada una. El enrutador R2 puede dar a conocer a las sub-redes: 192.24.1.0/24, 192.24.2.0/24, 192.24.3.0/24 y 192.24.4.0/24 al enrutador R0 con el bloque que las define 192.24.0.0/16 reduciendo de esta manera la tabla de rutas del enrutador R0 a una proporción de cuatro a uno.

Figura 1.4 Prefijo de una dirección IP

Es importante mencionar que el uso del prefijo de una red "RFC1812, RFC1517, RFC1518, RFC1519, RFC1520" elimina las siguientes reglas definidas en el RFC 950:

-. Cada uno de los bit que definen al campo sub-red de una dirección IP no puede tener el valor 0 y tampoco el valor de los bit del campo computador puede ser igual a 0, ya que se estaría definiendo a la red de la sub-red.

-. Cada uno de los bit que conforman al campo computador de una dirección IP no puede tener el valor 0 ó 1. Ya que si todos los bit son iguales a 0 se estaría definiendo a la sub-red. Y si todos los bit del campo computador son iguales a 1 se estaría definiendo a la dirección broadcast de la sub-red.

Si aplicamos este esquema de direccionamiento a una organización que está dividida por n departamentos es importante resaltar que:

-. Se elimina el campo clase A, B o C del registro de una dirección IP ya que el mismo es reemplazado por el prefijo de una red.

-. EL prefijo de una dirección IP determina a un bloque de direcciones IP.

-. El número de computadoras que pueden ser definidas en una sub-red se adapta con mayor facilidad al número de computadoras por departamento.

-. El rango de direcciones IP posibles y la tabla de rutas de los enrutadores es administrado con mayor eficiencia.

-. Los niveles jerárquicos pueden ser incluidos de manera implícita en el sistema de direccionamiento IPv4.

-. Haciendo uso de la notación CIDR las siguientes redes clase A, B o C se pueden incluir en el bloque:

Estructura de la red Internet

Una red es el enlace entre dos o más nodos. Dicho enlace tiene como función permitir el envío y recepción de información entre los nodos que están realizando el proceso de comunicación. Una red está compuesta por elementos de hardware y software. La manera como se agrupan e intregran estos elementos genera las diferentes tecnologías de redes de comunicación.

Los elementos de hardware son los elementos físicos que permiten el enlace entre dos o más nodos o grupo de nodos. Los elementos de Software son los pasos "Protocolos" a seguir entre nodos o grupos de nodos a fin de satisfacer el proceso de comunicación.

La distancia que existe entre dos o más nodos o grupos de nodos nos sirve para determinar la escala de una red. En una red de escala local "LAN", todos los nodos que conforman la red se encuentran en un mismo cuarto, edificio o campo. En una red de escala metropolitana "MAN" la interconexión de redes locales localizadas en un área determinada por ejemplo una ciudad. Una red de escala amplia "WAN" se caracteriza por la interconexión de redes locales y metropolitanas que pueden estar localizadas en diferentes ciudades o países. Y una red de escala mundial "Internet" se caracteriza por la interconexión de redes WAN, MAN y LAN.

En la figura 1.5 podemos observar la estructura de la red Internet la cual está caracterizada por múltiples sistemas autónomos "Autonomous System AS" interconectados. Un sistema autónomo puede estar compuesto por redes LAN, MAN y WAN. Un sistema autónomo "AS" goza de un o más prefijos de direcciones IP. Cada prefijo define al bloque direcciones IP asignadas a un sistema autónomo. Cada prefijo que pertenece a un sistema autónomo está relacionado a una política de enrutamiento que define la interconexión lógica entre sistemas autónomos y define de manera implícita los diferentes tipos de sistemas autónomos: Sistema autónomo de tránsito, sistema autónomo multi-homed y sistema autónomo rama "stub".

Figura 1.5 Estructura genérica de la red Internet

Un sistema autónomo de tránsito se caracteriza por interconectar y direccionar el tránsito de datos entre dos o más sistemas autónomos. El sistema autónomo ISP 2 "AS 60" que se muestra en la figura 1.5 es un sistema autónomo del tipo tránsito ya que si algún computador que pertenece al sistema autónomo Empresa 3 "AS 120" establece comunicación con otro computador que pertenece al sistema autónomo Empresa 1 "AS 100" la única vía de tránsito de los datos es a través de los sistemas autónomos ISP 1 e ISP 2 "AS 50 y AS 60". Los sistemas autónomos AS 50 y AS 60 que se presentan en la figura 1.5 son sistemas autónomos del tipo tránsito.

Un sistema autónomo multi-homed se caracteriza por estar interconectado con dos o más sistemas autónomos pero el mismo no es utilizado como tránsito. El sistema autónomo empresa 2 "AS 110" que se muestra en la figura 1.5es un sistema autónomo del tipo multi-homed ya que está conectado a los sistemas autónomos AS 50 y AS 60 y el mismo no es utilizado como tránsito para que los computadores que forman parte del sistema autónomo AS 60 y AS 50 puedan comunicarse. El sistema autónomo AS 110 que se presenta en la figura 1.5 es un sistema autónomo del tipo multi-homed.

Un sistema autónomo stub se caracteriza por estar conectado con un solo sistema autónomo. Los sistemas autónomos AS 100 , AS 120 y AS 140 que se presentan en la figura 1.5 son sistemas autónomos del tipo stub.

Los protocolos de enrutamiento utilizados para interconectar los sistemas autónomos forman parte del grupo de protocolos EGP "Exterior Gateway Protocol". El protocolo BGP4 (RFC-1771) es el protocolo de enrutamiento utilizado para interconectar los sistemas autónomos que forman parte de la red Internet. Los protocolos de enrutamiento para interconectar a las redes que forman parte de un sistema autónomo forman parte del grupo de protocolos IGP "Interior Gateway Protocol". Los protocolos RIP (RFC-1923 y RFC-1723) y OSPF (RFC-1247) son los protocolos de enrutamiento más comunes para interconectar a las redes que forman parte de un sistema autónomo.

La interconexión de los puntos de acceso a la red "Network Access Point NAP" es la columna vertebral de la red Internet. Los puntos de acceso a la red "NAP" por lo general son utilizados (y muchos de ellos administrados) por los proveedores de servicio para interconectar sus sistemas autónomos a la red Internet formando de esta manera una red de escala mundial "Internet". En la figura 1.6 se presenta una configuración típica de un NAP la cual está compuesta por un grupo de swicthes ATM "Asyncronous Transfer Mode" full interconectados que permiten la interconexión de los enrutadores que pueden formar parte de los diferentes sistemas autónomos. Para centralizar la transferencia de rutas entre los enrutadores interconectados por los switches ATM e incrementar el rendimiento y estabilidad de la red se hace uso de un servidor de rutas. Cada uno de los enrutadores además de estar interconectados a la red ATM están conectados a un o unos switches con el fin de formar los puntos de conexión "Points of Presence POP" que permiten la conexión de redes. Estos puntos de conexión por lo general son de las siguientes tecnologías: Ethernet, ATM o Frame Relay. En el siguiente URL http://www.ep.net/ se pueden conocer como están distribuidos los puntos de acceso de la red Internet.

Figura 1.6 Puntos de acceso

Politicas de enrutamiento entre sistemas autónomos

En la figura 1.7 se presentan 4 sistemas autónomos AS1, AS2, AS3 y AS4 y cada uno de ellos están relacionados a través de una política de enrutamiento la cual permite la comunicación entre los sistemas autónomos. La relación entre cada sistema autónomo presentado en la figura está basado por la siguiente política de enrutamiento: el sistema autónomo AS1 origina el prefijo 24.12.0.0/16 y dicho prefijo define al bloque de direcciones IP que pertenecen al sistema autónomo AS1.

Figura 1.7 Politicas de enrutamiento

Cada uno de los sistemas autónomos AS2, AS3 y AS4 conocen de la ruta "24.12.0.0/16" a través de la siguiente política de enrutamiento la cual es definida por los protocolos EGP y para el caso de la red Internet es el protocolo Border Gateway Protocol versión 4 "BGP4".

-. El sistema autónomo AS1 exporta el prefijo "24.12.0.0/16" al sistema autónomo AS2 y el sistema autónomo AS2 lo importa.

-. El sistema autónomo AS2 exporta el prefijo "24.12.0.0/16" al sistema autónomo AS3 y el sistema autónomo AS3 lo importa.

-. El sistema autónomo AS3 exporta el prefijo "24.12.0.0/16" al sistema autónomo AS4 y el sistema autónomo AS4 lo importa.

De esta manera cada uno de los sistemas autónomos AS2, AS3 y AS4 pueden tener acceso al bloque de direcciones IP definidas por el prefijo 24.12.0.0/16. El standard para definir las políticas de enrutamiento entre sistemas autónomos en la red Internet es el RFC 2622 "Routing Policy Specification Language RPSL". RPSL es un lenguaje orientado a objetos cuya función es describir las políticas de enrutamiento de cada sistema autónomo.

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