Protocolo IP y Subnetting: Conceptos Clave y Funcionamiento

Protocolo IP

El Protocolo de Internet (IP) es un protocolo de capa 3 no orientado a conexión que utiliza datagramas. Cada paquete se encamina independientemente y no es fiable, ya que no garantiza la entrega de los datos. Es posible que un paquete se pierda, se duplique, se retrase o se entregue fuera de orden sin que se notifique al emisor.

Su función principal es encaminar datos desde el origen hasta el destino. La unidad básica de información es el datagrama IP. Otras funciones básicas son:

• El direccionamiento: El origen y el destino se identifican mediante direcciones lógicas de 4 bytes en IPv4 y de 16 bytes en IPv6.
• La fragmentación y reensamblado de datagramas largos, si es necesario.

Problemas del Direccionamiento Basado en Clases en Redes IP

• Falta de flexibilidad en el direccionamiento interno.
• Uso ineficiente del espacio de direcciones (se agotan).
• Explosión de entradas en la tabla de rutas.

Máscara de Red en Redes Basadas en TCP/IP

La máscara de red permite a los routers determinar la dirección de la red o subred a la que pertenece un host.

• Realizando una operación AND lógica entre la máscara de subred y la dirección de un host se obtiene la dirección de red.
• Realizando una operación AND lógica entre la dirección IP y el complemento a 1 de la máscara de subred se obtiene el identificador de host.

VLSM (Máscara de Subred de Longitud Variable)

La VLSM es una técnica que permite dividir una red en una jerarquía de subredes de tamaño variable. Inicialmente se hace una división en subredes grandes y, sucesivamente, se van dividiendo en otras más pequeñas (sub-subredes) según las necesidades.

Su objetivo es ajustar el tamaño de las subredes a los requisitos de las redes físicas.

Los routers deben almacenar para cada ruta la dirección de red y la máscara correspondiente, porque cada subred tiene una máscara distinta. Se tiene cuidado en la construcción de las tablas de encaminamiento, ya que no debe existir ambigüedad al interpretar una dirección de red. En los mensajes de actualización, los protocolos de encaminamiento deben transmitir las máscaras y la dirección de red.

CIDR (Classless Interdomain Routing)

CIDR es una adaptación de la división de subredes con VLSM a Internet. Las redes se agrupan para formar superredes, ya que una máscara más corta que la natural de la dirección IP permite agrupar varias redes.

Ventajas de CIDR

• Asignación eficiente del espacio de direcciones: En vez de bloques de tamaño fijo, las direcciones CIDR se asignan en tamaños de cualquier múltiplo binario.
• Desaparición de las clases de direcciones.
• Reducción del número de entradas en la tabla de rutas: Las redes contiguas se pueden agrupar en una sola entrada en la tabla de rutas, ahorrando espacio en los routers.
• No utiliza un método diferente para la división de subredes: CIDR permite que la división en subredes se realice de igual forma en Internet que de forma interna a una organización.

Notación CIDR para Representar Direcciones IP

CIDR cambia la forma de interpretar las direcciones IP. Un bloque de direcciones se expresa con el formato a.b.c.d/n, siendo:

• a.b.c.d la dirección IP más baja del bloque.
• n un número entero denominado prefijo o longitud de prefijo, cuyo valor oscila entre 0 y 32, que indica el número de bits que identifican a la red y el número de bits de la dirección base que permanecen invariables en todas las direcciones IP del bloque CIDR.

El número de direcciones IP del bloque es 2^(32-n), así que cuanto menor sea el prefijo, mayor número de direcciones tendrá. Una dirección IP puede encajar en varios bloques CIDR con distintos prefijos.

Campo de Vida (TTL) de un Datagrama IP

Cada datagrama se marca con un tiempo de vida (TTL) que indica su tiempo (en segundos) de existencia en la red. Es un valor establecido por quien genera el datagrama (generalmente las capas superiores) y su valor máximo es 255.

Su funcionamiento es similar a una cuenta de saltos:

• Cuando un router recibe un datagrama, decrementa su TTL en una unidad antes de retransmitirlo.
• Cuando el TTL llega a 0, el datagrama se descarta y se devuelve al origen el mensaje de tiempo excedido del protocolo ICMP.

El TTL evita que algún datagrama pueda circular indefinidamente por la red, lo que consumiría recursos.

Ruta Predeterminada de la Tabla de Rutas

La ruta (o puerta de enlace) predeterminada es la entrada de la tabla de rutas que se elegirá cuando la dirección de destino de un paquete no encaje con ninguna de las demás entradas de la tabla. Si la tabla de rutas no contiene una ruta predeterminada, la comunicación solo será posible entre nodos situados dentro de la misma subred.

Funcionamiento del Protocolo ARP

El Protocolo de Resolución de Direcciones (ARP) encuentra la dirección MAC (dirección física) que corresponda a una dirección IP (dirección lógica). Las máquinas conectadas a una red física solo pueden comunicarse si conocen sus respectivas direcciones MAC.

Casos de Funcionamiento de ARP

• Origen y destino pertenecen a la misma red física (entrega directa):
  • El origen busca la dirección MAC del destino en su caché ARP. Si la encuentra, construirá la trama en la que viajará el datagrama.
  • Si no la encuentra, el origen enviará una petición ARP a la dirección IP de la cual solicita su dirección MAC. Solo responderá la máquina que tiene esa dirección IP enviando su dirección MAC (respuesta ARP).
• Origen y destino están en distintas redes físicas (entrega indirecta):
  • El origen busca la dirección MAC del destino en su caché ARP. Si la encuentra, construirá la trama en la que viajará el datagrama.
  • Si no la encuentra, el origen enviará una petición ARP a la puerta de enlace predeterminada de la cual solicita su dirección MAC. Las direcciones MAC cambian en cada salto que hace el datagrama IP.

ARP actúa en cada salto que efectúa un datagrama en su camino hacia el destino.