Capa de red

Sistemas Informáticos. Redes de área local. Diseño y funciones de nivel. {TCP/IP}. Ordenadores y direcciones

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6.1. Capa de red.

La capa de red se encarga de llevar los bloques de información desde el origen al destino. Para llevar la información al destino puede ser necesario que la información pase por una serie de nodos intermedios. Esta característica diferencia la capa de red de la de enlace que solo se preocupa de la comunicación entre estaciones conectadas al mismo cable. En una Lan con el medio compartido solo existe una ruta posible para comunicar dos estaciones por lo que el nivel de red apenas tiene trabajo en cuanto al nivel de enlace deberá realizar la tarea de comprobar si el mensaje va destinado a esa estación y si procede capturarlo comprobando la dirección MAC del destinatario.

6.1.1. Diseño de la capa de red.

Como la interconexión total de los equipos supone un coste inalcanzable generalmente las Lan se conectan mediante enlaces punto a punto formando una topología irregular por lo tanto es necesario establecer un mecanismo que permita especificar el usuario con el que se desea comunicar y asegurar que la información llegara a su destino. Las estaciones intermedias se encargaran de guiar correctamente la información cuando no sean los destinatarios finales. A esta tarea se le denomina encaminamiento puesto que existe mas de dos estaciones conectadas a la red es preciso que exista un esquema de selección a direccionamiento para que se pueda especificar el origen y es estilo de la información cada estación debe tener una dirección que le identifique de manera única del resto.

6.1.1.1 Servicios proporcionados al nivel del transporte.

Los niveles superiores no deben conocer el tipo de red o redes sobre lo que función y la capa de red debe ocultar todos estos detalles. Los servicios del nivel de red se pueden diseñar orientados o no a la conexión y con control o no de errores.

6.1.2. Funciones del nivel de red.

Funciones principales:

Encaminamiento la subred debe encargarse de recoger los fragmentos que las estaciones transmiten y conducirlos a través de la red. La selección de una ruta se basa generalmente en algún criterio de rendimiento el criterio mas simple es la elección de la ruta mas corta, es decir, la que atraviesa menor numero de nodos con enlaces más cortos. Existen distintos algoritmos de encaminamiento que permiten determinar las rutas más adecuadas. La información que utilizan suele almacenarse en estructuras conocidas como tablas de encaminamiento que se sitúan en uno, varios o todos los nodos de la red. Cada tabla contiene como mínimo una entrada por cada destino posible y asociados a esa entrada el enlace de salida que debe utilizarse para alcanzar el nodo siguiente de la red. Además las tablas pueden contener mas información como el coste asociado a la ruta elegida: rutas alternativas…

  • Ejemplo: encaminamiento estático fijo.

Es uno de los algoritmos más sencillos, selecciona un único camino para cada pareja de nodos (fuente-destino). Las rutas son fijas solo cambiar cuando se producen cambios en la topología de la red. Se crea un directorio central que se puede almacenar en uno de los nodos de la red. En cada nodo solo se necesita saber la identidad del próximo nodo por lo que en cada nodo solo hay que almacenar una fila del directorio.

Nodo destino

Nodo fuente

A

B

C

D

E

F

A

-

C

C

C

C

C

B

C

-

C

C

F

F

C

A

B

-

D

D

D

D

C

F

C

-

R

F

E

D

F

D

D

-

F

F

D

B

D

D

E

-

'Capa de red'

  • Ejemplo: algoritmo de inundación.

No utiliza tablas de encaminamiento al recibir un paquete el nodo retransmite por todos sus enlaces excepto por el aquel por el que le llegó. Se genera un gran número de paquetes que pueden llegar al infinito saturando la red y produciendo retardos.

Soluciones (2):

Mantener en cada nodo una lista de los paquetes ya transmitidos y si se recibe un paquete duplicado se destruye y no se retransmite.

Limitar el tiempo de vida del paquete.

Ventajas:

Permite encontrar todas las rutas posibles entre el origen y el destino. Entre ellas la ruta mínima.

Control de la congestión La congestión es el fenómeno que se produce cuando gran cantidad de trafico en una zona determinada de la red y puede afectar a uno o varios nodos. En una red cada nodo necesita un tiempo para procesar los paquetes que le llegan dirigiéndose a otros nodos o bien quedándose con ellos porque van dirigidos a el. Si el nodo procesa los paquetes con más lentitud que los recibe necesita guardar los paquetes en un almacén temporal. Si el problema persiste, el almacén se desbordara y la relación de proceso ira disminuyendo cada vez mas. Se pueden mejorar la situación de dos formas: rechazando los nuevos paquetes que van llegando y otra controlando a los nodos vecinos para que no envíen mas paquetes al nodo saturado. Esas estrategias finalmente generan la saturación de los nodos vecinos. Habrá que utilizar algoritmos para el control de la congestión de una red para evitar estos problemas.

Direccionamiento Para poder encaminar correctamente los paquetes hacia su destino es necesario que exista un mecanismo que identifique unívocamente de forma única a emisores y receptores. Este direccionamiento a nivel de red suele coexistir en la arquitectura con el direccionamiento a nivel de enlace que se utiliza para distinguir entre estaciones conectadas al mismo cable.

6.1.3. La capa de red de TCP/IP.

Todos los protocolos definidos en la capa de red de Internet dependen de IP y este establece al formato de paquetes y direcciones utilizados en esta capa y el tipo de servicio ofrecido.

6.1.3.1. Direccionamiento y encaminamiento.

Internet no posee una estructura bien definida. Por lo general existen varias redes troncales principales de gran ancho de banda conectada mediante nodos encaminadotes rápidos y redes regionales de menor capacidad donde están conectadas a las Lan y los proveedores de acceso. Para el correcto funcionamiento de esta red se diseño en los 80 entre otros protocolos el IP, establece el formato de paquetes y dirección utilizado en esta capa y el tipo de servicio ofrecido que será no orientado a la conexión y no fiable. De forma que es establecimiento de las conexiones y el control de errores lo debe llevar a cabo algún protocolo de transporte a niveles superiores. Otros protocolos diseñados para esta capa son RIP y OSPF. Un paquete IP tiene una estructura formada por una cabecera y bloque de datos la cabecera se divide a su vez en una parte fija de 20 bytes y otra parte de longitud variable.

Versión de protocolo

Longitud de cabecera

Tipo de servicio

Longitud total máxima 64 kb.

Identificación

D

F

M

F

Desplazamiento

Tiempo de vida

Protocolo

CRC de cabecera

DIRECCION FUENTE

DIRECCION DESTINO

OPCIONES

Direcciones IP Las direcciones IP que identifican encaminadotes y estaciones de la red tienen un tamaño fijo de 32 bits. Estas direcciones se pueden expresar en binario pero es más cómodo utilizar una notación decimal con puntos. Para pasar una dirección de binario a decimal hay que separar los dígitos binarios de 8 en 8, pasarlos a decimal dando nº del 0 al 255 y separarlos por puntos. Con este método se pueden nombrar 232 direcciones. Algunas no se pueden usar. Debido al crecimiento de Internet esta cantidad se ha quedado pequeña por lo que se esta trabajando para ampliar la capacidad de direccionamiento del protocolo. Una dirección IP consta de varios campos:

Identificador (tipo de dirección).

Nº de red (identifica la red).

Nº de estación (identifica la estación).

CLASES DE DIRECCIONES IP:

Clase IP Identificador Nº de red Nº de estación

A 0 7 bits 24 bits

B 10 14 bits 16 bits

C 110 21 bits 8 bits

D 1110 28 bits ------

E 11110 27 bits ------

0

RED (7)

HOTS (24)

10

RED (14)

HOTS (16)

110

RED (21)

HOST (8)

1110

DIRECCION DE DIFUSION (28)

11110

RESERVADA

CLASE IP

RANGO

Nº DE REDES

Nº DE ESTACIONES

A

  • a

  • 127.255.255.255

    127

    16.777.216

    B

    128.0.0.0 a

    191.255.255.255

    16.384

    65.536

    C

    192.0.0.0

    223.255.255.255

    1.097.152

    256

    D

    224.0.0.0

    239.255.255.255

    ---

    ---

    E

    240.0.0.0

    255.255.255.255

    ---

    ---

    Las direcciones IP de clase D se utilizan para transmitir un mismo mensaje a un conjunto de estaciones. A esos mensajes también se les conoce como mensajes de difusión o broad-cast. Las direcciones de clase E se reservaron para casos futuros y solo se utilizan experimentalmente. Al crear varios tipos de direcciones con diferentes tamaños, lo que se consiguió es que existiera una gran cantidad de redes por un nº muy grande de estaciones (A) las direcciones IP se configuran manualmente en las estaciones y es NIC el encargado de asignar las direcciones de Internet para impedir duplicados. Esta autoridad solo asigna la clase de red y el nº de red y cada administrador de red deberá asignar los sufijos de identificador de estación.

    *fotocopias (1)

    Como se ha visto en el ejercicio hay algunas direcciones que no se pueden asignar a ninguna estación porque son direcciones reservadas. La dirección IP 0.0.0.0 y se usa por las estaciones cuando están siendo arrancadas. La dirección 127.0.0.1 se reserva para identificar la estación actual al igual que la IP asignada. Las direcciones IP con número de estación todo 1 en binario se utilizan para difusión (broadcast) es decir, para enviar mensajes a todas las estaciones dentro de la misma subred (para todas las estaciones) que tienen el mismo identificador de número de red. Las direcciones IP con el número de estación todo a 0 en binario se refiere a la red actual ya que una red también tiene que tener una dirección IP por cuestiones de encaminamiento. También se han reservado rangos de direcciones IP para ser asignados a LAN que se conectan a Internet a través de un PROXY (un proxy es un ordenador que posee un modem RTC, RDSI, ADSL… para acceso a Internet y que esta compartido por el resto de estaciones de la red mediante un programa especifico) o mediante un encaminador que sigue el protocolo NAT (traducciones de direcciones de red). Para clase A se reserva la dirección 10.0.0.0 para la clase B 172.16.0.0 a la 172.31.0.0 y para la C desde 192.168.00 a 192.168.255.0. Todas esas direcciones se pueden usar a la vez por distintas LAN gracias a la utilización de un encaminador basado en NAT el encaminador sustituye las direcciones de origen y destino de los equipos de la red interna por la dirección externa del dispositivo que es dirección valida en el exterior de la red. De forma que las direcciones internas de la LAN quedan ocultas al exterior. Al mismo tiempo el encaminador recuerda los paquetes enviados para sustituir las direcciones del destino en caso de que se reciban paquetes de respuesta desde la red externa. Gracias al uso del protocolo NAT se extiende el espacio de direcciones que puede asignarse a las estaciones de Internet con lo que se ve paliada en cierta medida la escasez de direcciones después del crecimiento tan alto que ha sufrido en los últimos años.

    6.1.3.1.2 Encaminamiento IP.

    La razón principal del uso de este formato consiste en simplificar los algoritmos de encaminamiento en los nodos de la red, los encaminadotes disponen de una tabla con los posibles destinos en forma de dirección IP en cada fila de esta tabla se especifica la dirección de las redes a las que se puede llegar (los destinos) la dirección IP del puerto del encaminador por el que debe salir el mensaje y el numero de encaminadotes intermedios que es necesario atravesar. En una tabla de encaminamiento puede aparecer más de una entrada con la misma dirección IP de red de destino, lo que quiere decir que existen varias rutas distintas que alcanzan el mismo destino.

    6.1.3.1.3. Mascara

    Cuando un encaminador desea poner a 0 todos los bits del numero de estación para obtener una dirección de red debe utilizar la mascara de red. Esta consiste en una especie de dirección que tiene todo 1 en la parte correspondiente al tipo y numero de red y todo 0 al resto. La mascara se aplica utilizando el operador ilógico al nivel de bits para obtener una dirección de red.

    Red

    Clase

    Mascara binario

    Mascara decimal

    216.89.3.0

    C

    11111111.11111111.11111111.00000000

    255.255.255.0

    198.64.126.0

    C

    11111111.11111111.11111111.00000000

    255.255.255.0

    188.119.0.0

    B

    11111111.11111111.00000000.00000000.

    255.255.0.0

    23.0.0.0

    A

    11111111.00000000.00000000.00000000.

    255.0.0.0

    La estación 216.89.3.3 puede enviar directamente paquetes a las estaciones situadas en su mismo segmento, es decir, 216.89.3.5 y la 216.89.3.4. Sin embargo, si se desea enviar un paquete a cualquiera de las estaciones de la red 198.64.116.0 necesita indicar de algún modo que este debe pasar primero por el encaminador que tiene la dirección 216.89.3.1. Cada estación de la red dispone también de una pequeña tabla de encaminamiento que especifica que estaciones están en la misma red y cuales son accesibles a través de otros encaminadotes.

    TABLA ESTACION 216.89.3.3

    Destino

    Siguiente

    Saltos

    216.89.3.0

    ---

    0

    198.64.126.0

    216.89.3.1

    1

    Utilizando la tabla anterior el equipo 216.89.3.3 sabe que se encuentra en la red 216.89.3.0 y que necesita el encaminador 216.89.3.1 para enviar dos paquetes destinados a los equipos de la red 198.64.126.0 dependiendo del s.o utilizado en la configuración de estas tablas locales puede ser mas o menos flexibles. En 1985 se realizaron modificaciones para que el protocolo soportara las subredes. Esta modificación se introdujo debido a la aparición de dos problemas grabes conforme Internet crecía. Las tablas de encaminamiento de los nodos estaban empezando a crecer con lo cual su manejo se estaba complicando y el segundo problema cada vez que a un administrador de red se le quedaba pequeña la IP debía solicitar otra nueva al nic antes de conectar la LAN con las nuevas estaciones. La solución a estos problemas consiste en crear otro nivel en la jerarquía de direcciones IP de forma que se pueden utilizar 4 niveles para nombrar una estación. Si esta división se realiza partiendo el campo de número de estación en dos partes de forma que desde el exterior los encaminadotes creen que se trata de una única red sin subredes. Cuando se utilizan subredes al conjunto formado por el prefijo de red y al número de subred se le llama prefijo de red extendido.

    JERARQUIA DE 2 NIVELES

    Prefijo (tipo + numero de red)

    Numero de estación

    JERARQUIA DE 3 NIVELES

    Prefijo (tipo + numero de red)

    Numero de subred

    Numero de estación

    6.1.3.1.4 Mascaras de subred

    La división en subredes permite que las LAN puedan disponer por ejemplo de una sola dirección IP de clase B en lugar de varias de clase C o una sola de clase A en lugar de varias de clase B manteniendo las subredes internas. Fuera de la red la estructura no es visible por lo que una nueva subred no requiere comunicación con el nic ni la modificación de tablas externas desde es exterior todas las subredes de la organización se ven como una única red con una sola dirección IP asignada de forma que a los encaminadotes de exterior reducen sus tablas. Cuando tienen que enviar un paquete a una estación que esta en una subred se limitan a enviarlo al encaminador que comunica la LAN que es el que realmente debe conocer la estructura interna de subredes.

    En el 1º caso el administrador de la red deberá solicitar una nueva dirección IP de clase C si necesita una nueva subred. En ese caso, en el encaminador I habrá que añadir una nueva línea con la nueva dirección IP y como siguiente la 23.210.86.19. En el 2º caso, si el administrador de esa red desea instalar una nueva subred solamente tendrá que utilizar un nuevo número de subred. Además los nodos encaminadores externos, solamente se referirán a toda esa red con un único número, es decir, una única entrada en su tabla de encaminamiento. Por lo tanto, todas las entradas anteriores del encaminador externo conectado a A aplica la mascara 255.255.255.0 a todas las direcciones que se refieren a las subredes de la figura 1. En el 2º caso se aplicara la mascara 255.255.255.0 para saber a que encaminador interno (A ó B) debe enviarlo o si la estación destino esta en la propia subred (183.67.2.0) Como se ha visto en el ejemplo, la utilización de subredes hace que las mascaras deban tomarse a partir del prefijo de red extendido y no a partir del prefijo de red correspondiente a la clase, por esta razón, el uso de subredes, hace que la mascara aplicable no se corresponda con la clase de dirección IP. A las mascaras tomadas a partir del prefijo de red extendido se les llama mascara de subred, el ejemplo anterior la mascara de red es 255.255.0.0 y la mascara de subred es la 255.255.255.0. Solamente los encaminadores de la red interna utilizan la mascara de subred mientras que es resto de encaminadores externos a la red no conocen esa división y por tanto aplica la mascara de red correspondiente a la clase. Cuando se utiliza el algoritmo de encaminamiento RIP-1 no es posible utilizar los números de subred todo a 0 y todo a 1, sin embargo, si se utilizan algoritmos de encaminamiento mas avanzados RIP-2 u OSPF entonces se pueden definir sin problemas las subredes con valor todo a 0 y todo a 1. El ejemplo anterior se ha tomado de 8 en 8 los dígitos para especificar el número de subred y el número de equipo pero esto no es lo habitual, lo que se hace es ajustar el número de subredes y el número de equipos a las necesidades reales de la red.

    EJERCICIO: Calcula las mascaras de subred para las siguientes direcciones IP.

    IP 126.243.86.15 / 16

    IP 189.34.12.230 / 24

    IP 10.248.63.11 / 10

    IP 192.168.12.144 / 27

    11111111.11111111.00000000.00000000 255.255.0.0

    11111111.11111111.11111111.00000000 255.255.255.0

    11111111.11000000.00000000.00000000 255.192.0.0

    11111111.11111111.11111111.11100000 255.255.255.224