Conceptos Clave de Redes: Modelo TCP/IP, IPv4, Subredes y ARP

Modelo TCP/IP y Modelo OSI

El modelo TCP/IP define cómo se realiza la transmisión de datos entre dos nodos. Abarca los niveles físico y de enlace de datos. Se corresponde con las tecnologías LAN utilizadas, como por ejemplo, Fast Ethernet. Se usa para asignar una dirección IP al nodo. Internet es independiente de otras tecnologías usadas en un nivel inferior. Está formado por protocolos relacionados con la transmisión lógica de paquetes de datos por la red:

• Direccionamiento: Un nodo equivale a una dirección IP.
• Encaminamiento: Proceso que se sigue para que los paquetes lleguen a su destino. Un paquete es la unidad básica de transferencia que incluye la IP de origen, la IP de destino y otros datos.

Transporte: Su función se relaciona con el nivel de transporte del modelo OSI. Crea una conexión entre dos nodos y ordena los paquetes. Tiene dos protocolos: TCP y UDP.

Aplicación: Tiene muchos protocolos, cada uno especializado. Por ejemplo: HTTPS, FTP, P2P, etc.

El modelo OSI fue diseñado para proporcionar un marco sobre el cual desarrollar una red internacional que no sea de propiedad privada. Propone una gran lista de funciones y servicios que se dan en cada capa.

Comparación entre TCP/IP y OSI

• TCP/IP tiene 4 capas, mientras que OSI tiene 7.
• TCP/IP combina las funciones de presentación y de sesión en la capa de aplicación.
• TCP/IP combina el enlace de datos y la capa física del modelo OSI en una sola capa.
• Los protocolos TCP/IP son los estándares en torno a los cuales se desarrolló Internet.

Direccionamiento IPv4

Una dirección IP es una etiqueta numérica de 32 bits que identifica una interfaz de un dispositivo dentro de una red.

Notación Decimal Punteada

Los números binarios de la IP se expresan en decimal, separados cada byte (octeto) por un punto.

Porción de Red y de Host

Los octetos de orden superior representan la dirección de red (grupo de hosts que tienen el mismo número en la porción de red). Para la porción de host, la cantidad de bits varía.

Tipos de Direcciones IPv4

• De red: La dirección que hace referencia a la red.
• De broadcast: Dirección especial utilizada para enviar datos a todos los hosts de la red.
• De host: La IP exclusiva asignada a los dispositivos finales.

Prefijos de Red (Máscara de Subred)

La cantidad de bits que forman la porción de red en la IP. Los últimos bits son los bits del nodo.

Cálculo de Host, Red y Broadcast

Se realiza la conversión a binario.

• Red: (32 - /máscara) bits. Los bits de host se establecen en 0.
• Primer host: El último bit de los bits de host se establece en 1.
• Último host: Los últimos bits se establecen en 0 y los anteriores en 1.
• Broadcast: Todos los bits del host se establecen en 1.

Rangos de Direcciones IP Reservadas

• De host: De 0.0.0.0 a 223.255.255.255.
• Multicast: De 224.0.0.0 a 239.255.255.255. Se dividen en:
  • Reservadas de enlace local (224.0.0.0 a 224.0.0.255) en LAN.
  • Direcciones de alcance global (224.0.1.0 a 238.255.255.255).
• Experimentales: De 240.0.0.0 a 255.255.255.254. Reservadas para uso futuro, investigación o experimentación, pero no en IPv4.

Direcciones Públicas y Privadas

Bloques de IP que se usan en redes que necesitan o no acceso a Internet.

• 10.0.0.0 - 10.255.255.255 (10.0.0.0/8)
• 172.16.0.0 - 172.31.255.255 (172.16.0.0/12)
• 192.168.0.0 - 192.168.255.255 (192.168.0.0/16)

Para la conexión de las redes privadas a Internet se necesita NAT (Traducción de Direcciones de Red), que pide prestada una IP pública.

Públicas: La mayoría usadas en IPv4. Diseñadas para uso en hosts de acceso público desde Internet.

Direcciones IPv4 Especiales

No se asignan o tienen restricciones:

• La IP de red y la de broadcast no se asignan.
• Ruta predeterminada: 0.0.0.0 (comodín).
• Loopback: 127.0.0.1. Es especial y los hosts la usan para dirigir el tráfico hacia sí mismos.
• Dirección de enlace local: 169.254.0.0 - 169.254.255.255 (169.254.0.0/16). Asignadas por el sistema operativo automáticamente al host local cuando no hay una configuración IP.
• Dirección TEST-NET: 192.0.2.0/24. Para fines de enseñanza. Son aceptadas.

Direcciones IPv4 de Legado con Clase

• Clase A: Admiten redes muy grandes, con más de 16 millones de hosts. Usan un prefijo de red /8. Rango: 0.0.0.0/8 - 127.0.0.0/8. Máscara: 255.0.0.0.
• Clase B: Satisfacen redes moderadas a altas, con más de 65,000 hosts. Máscara: 255.255.0.0. Rango: 128.0.0.0/16 - 191.255.0.0/16.
• Clase C: Uso en pequeñas redes, con no más de 254 hosts. Máscara: 255.255.255.0. Rango: 192.0.0.0/16 - 223.255.255.0/16.

Reservan espacio para la clase D (multicast, 224-239) y para la clase E (experimental, 240-255).

Limitaciones: Desperdicio de direcciones. Fue abandonado en los años 90, pero aún se ve en la actualidad.

Direcciones sin Clase

Asigna las direcciones adecuadas sin tener en cuenta la clase.

Asignación de Direcciones

Planificación del Direccionamiento

Debe ser planificada y documentada para:

• Evitar la duplicación de direcciones IP.
• Proveer y controlar el acceso (los hosts que proporcionan recursos requieren mayor seguridad).
• Monitorear la seguridad y el rendimiento (examinar el tráfico y ver las direcciones IP que generan o reciben más tráfico).
• Asignar direcciones dentro de una red según el tipo de host.

También hay que decidir cuántas y dónde aplicar direcciones IP privadas, si se necesita conexión a dispositivos fuera de la red, si se tiene NAT y si se expandirá la red.

Direccionamiento Estático y Dinámico para Dispositivos Finales

• Estática: Se ingresa manualmente la IP, la máscara de subred y la puerta de enlace del host. Útil para servidores e impresoras, pero lleva mucho tiempo.
• Dinámica: El DHCP asigna temporalmente la IP y los demás parámetros.

Asignación de IP a Otros Dispositivos

Los servidores y periféricos deben tener una IP estática. Los dispositivos intermediarios no necesitan una IP para funcionar, pero sí para su configuración. Por ellos pasa casi todo el tráfico.

Definición de las Porciones de Red y Host

Para esto se usa un patrón separado de 32 bits llamado máscara de subred. El prefijo y la máscara determinan la porción de red.

Lógica AND

Se aplica a la IP del host y a la máscara de subred para obtener la dirección de red. 1 AND 1 = 1, 0 AND 1 = 0.

Motivos para su uso: Los routers la usan para determinar una ruta aceptable.

Cálculo de Direcciones

La división en subredes permite crear múltiples redes lógicas. Creamos las subredes usando los bits de host (ampliando la máscara).

Cálculo de subredes:

• 2ⁿ = cantidad de subredes (n = bits prestados).
• 2ⁿ - 2 = cantidad de hosts por subred (n = bits de host).

Dirección de subred: Creación de nuevas redes más pequeñas a partir de un bloque de direcciones lo suficientemente amplio para incluir todos los dispositivos. 1 bit prestado = 2 subredes.

División en Subredes de Tamaño Adecuado

1. Determinar la cantidad total de hosts.
2. Determinar la cantidad y el tamaño de las redes (tener en cuenta la ubicación geográfica y los propósitos).

Una herramienta útil para esto es un diagrama de red (permite ver y hacer cuentas precisas).

Asignación de direcciones: Se empieza con la subred de mayor número de nodos. No se usa la primera ni la última subred.

VLSM (Variable Length Subnet Masking)

Proporciona subredes ajustadas al tamaño necesario, evitando el desperdicio de direcciones y maximizando la eficiencia del direccionamiento.

Protocolos de enrutamiento que lo soportan:

• OSPF
• IS-IS integrado
• RIPv2
• Enrutamiento estático

Lo usaremos al diseñar un esquema de direccionamiento que permita el crecimiento y no desperdicie direcciones. Las redes pueden dividirse en:

• Subredes más grandes para LAN (máscara corta).
• Subredes muy pequeñas para WAN y casos especiales (máscaras largas).

Si los routers usan los protocolos RIPv1, IGRP o EGP, no admiten VLSM.

Comparación entre IPv4 y VLSM

Un esquema de división de subredes estándar es característico del direccionamiento con clases. No es muy eficiente y puede causar desperdicio. Mientras que el uso de una máscara de subred de longitud variable (VLSM) fue diseñado para maximizar la eficiencia del direccionamiento y evitar el desperdicio de direcciones, ya que crea subredes más pequeñas a partir de la subred anterior.

Protocolo ARP

Tiene dos funciones principales:

• Resolución de direcciones IPv4 a direcciones MAC.
• Mantenimiento de una caché de las asignaciones.

Para que una trama esté en los medios de la LAN, debe contar con la MAC de destino. Cada entrada de la tabla ARP tiene un par de valores: una dirección IP y una dirección MAC. La relación entre ambos se llama mapa.

Mantenimiento: Se mantiene dinámicamente. Hay dos maneras de reunir direcciones MAC:

• Monitorizando el tráfico.
• Emitiendo una solicitud ARP.

Eliminación de mapeos de direcciones: Un temporizador de caché elimina las entradas ARP que llevan tiempo sin usar (según el sistema operativo) o se puede hacer manualmente con comandos.

Problemas del broadcast de ARP:

• Sobrecarga en los medios: Todos los hosts reciben y procesan una solicitud ARP porque es una broadcast (trama).
• Seguridad: La suplantación de ARP es una técnica que usa un atacante para introducir una asociación de MAC incorrecta en una red enviando solicitudes ARP falsas.