Fundamentos y Clasificación del Direccionamiento IP: TCP/IP, Datagramas y Protocolos Clave

Introducción al Entorno TCP/IP y Direccionamiento IP

El entorno TCP/IP se basa en la tecnología de conmutación de paquetes en modo datagrama.

Direcciones IP (Nivel 3)

Las direcciones IP son las direcciones lógicas que operan en el Nivel 3 (Red) del modelo OSI.

• IP Interna (Privada): Una misma dirección puede ser utilizada por múltiples ordenadores dentro de redes locales.
• IP Externa (Pública): No existen duplicidades. Son direcciones únicas que salen al exterior y deben ser solicitadas al NIC (Network Information Center).

Clasificación de las Direcciones IP (IPv4)

Una dirección IP consta de 32 bits. Se representa en formato decimal, mientras que las direcciones MAC se representan en hexadecimal.

Todas las clases de direcciones IP tienen dos partes fundamentales dentro de la dirección:

1. Dirección de Red: Identifica el conjunto de máquinas (la subred).
2. Host: Identifica una máquina concreta dentro de esa red.

Clases de Direcciones IP

Clase A

• Estructura: El primer bit es 0 (discriminador). Los 7 bits siguientes identifican la red y los 24 restantes identifican el host.
• Rango: Las direcciones se encuentran entre 0 y 127.
• Uso: Pocas redes con una gran cantidad de máquinas. Usada en grandes empresas.
• Dirección Privada: 10.X.X.X

Clase B

• Estructura: Los primeros 2 bits son 1 y 0 (discriminadores). 14 bits se dedican a la red ($2^{14}$ número de redes) y 16 bits se dedican al host ($2^{16}$ número de máquinas).
• Uso: Más redes con menos máquinas que la Clase A.
• Direcciones Privadas: Desde 172.16.X.Y hasta 172.31.X.Y (un total de 16 redes privadas).

Clase C

• Estructura: Los primeros 3 bits son 1-1-0 (discriminador). 21 bits se dedican a la red y 8 bits se dedican al host.
• Direcciones Privadas: Desde 192.168.0.X hasta 192.168.255.X.

Clase D (Multidifusión)

• Estructura: Los primeros 4 bits son 1-1-1-0. El resto se utiliza para multidifusión (multicast).
• Uso: No se puede usar como dirección normal de host. Se utiliza para servicios como video streaming o emisión de TV por internet.

Direcciones Reservadas en Clases A, B y C

Existen dos direcciones reservadas dentro de cada red:

1. Broadcast: Cuando la dirección de Host es todo unos (1111...). Por ejemplo: 10.255.255.255 es la dirección de broadcast para la red Clase A 10.0.0.0.
2. Dirección de Red: Cuando la dirección de Host es todo ceros (0000...). Se refiere a la propia red en sí. Por ejemplo: 10.0.0.0.

Estructura del Datagrama IP

El Datagrama IP consta únicamente de una cabecera y los datos, a diferencia de la trama MAC. Las palabras de la cabecera son de 32 bits. (Nota: IPv6 utiliza 128 bits).

Campos de la Cabecera IP

• Longitud del Paquete (16b): Número máximo $2^{16}$.
• ID (16b): Permite la reorganización en destino, ya que se incrementa en 1 por cada fragmento enviado.
• Clase de Servicio (8b): Indica la Calidad de Servicio (QoS).
• Flags (3b): Banderas. El primer bit indica si se permite la fragmentación. El segundo bit indica si es el último de una serie de fragmentos.
• Offset (13b): Es el orden que tiene un fragmento dentro del datagrama original. Se expresa en unidades de 64 bytes, excepto el último fragmento.
• TTL (8b) - Tiempo de Vida: Relacionado con la vida del paquete. Cuando un datagrama atraviesa un router, el campo TTL se decrementa en 1. Cuando llega a 0, el paquete se destruye para evitar bucles infinitos.
• Protocolo de Nivel Superior (8b): Indica el tipo de datos que transporta este datagrama IP (normalmente TCP 6 o UDP 17).
• Checksum (16b): Comprobación de errores. Se aplica únicamente a la cabecera. Si es incorrecto, el datagrama se descarta.

Protocolos Auxiliares de Red

Protocolo RARP (Reverse Address Resolution Protocol)

Este protocolo apenas se usa actualmente. Se emplea cuando se conoce la dirección MAC, pero se necesita obtener la dirección IP. Cuando el terminal entra en servicio, realiza una petición RARP con su dirección MAC, y debe haber un servidor que responda a dicha petición asignando la IP.

ICMP (Internet Control Message Protocol)

ICMP se considera un protocolo de Nivel 3 y va encapsulado dentro de la parte de datos de un datagrama IP. El mensaje ICMP consta de una cabecera ICMP y datos.

Estructura de la Cabecera ICMP

La cabecera ICMP está formada por tres campos:

• TIPO (8b)
• CÓDIGO (8b)
• CHECKSUM (16b)

Los datos que pueden existir o no dependen del tipo y del código del mensaje.

Usos Comunes de ICMP

ICMP se utiliza en las siguientes situaciones (en una situación normal de transferencia de datos no se usa):

• Para notificar errores en un datagrama IP.
• Para diagnóstico de red (ej. ping).
• Para el enrutamiento.

Optimización del Direccionamiento

Subnetting (Subredes)

Las clases A y B presentan el problema de ser redes diseñadas para un número excesivamente grande de hosts. El Subnetting consiste en alargar la parte de la red de una o varias direcciones IP mediante la prolongación de la máscara de subred.

Como resultado, se obtiene una mejor organización y un mejor aprovechamiento de las direcciones IP. Se puede usar por igual en redes públicas y privadas y en cualquier clase.

NAT (Network Address Translation)

NAT es un protocolo que se ejecuta en un dispositivo (normalmente un router) y permite el cambio de una dirección IP por otra.

Tipos de NAT

• NAT Estático (Full Cone NAT): Cambia una IP privada por una IP pública fija. Se utiliza principalmente en servidores.
• NAT Dinámico: El dispositivo dispone de una serie de IP públicas y al primer host que llega al NAT se le asigna la primera IP disponible, y así sucesivamente.
• NAT + PAT (NAT Sobrecargado): Es el más común. Funciona con una sola IP pública, utilizando puertos para diferenciar las conexiones internas.
• DMZ (Zona Desmilitarizada): Configuración que expone un host interno a la red pública, a menudo utilizado para servidores que requieren acceso externo sin comprometer la red interna.