IPv4

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IPv4

• Un vistazo

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Contenido

• Introducción, algunos conceptos de redes de
  computadores
• Internet Protocol, modelo de servicios
• IPv4

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Introducción

• Algunos conceptos de redes de computadores

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Piezas que componen una red

• NODOS, ENLACES y PROTOCOLOS.
• NODOS dispositivos de cómputo interconectados.
• Nodos que ejecutan aplicaciones de red (correo,
  web, etc.). Por ejemplo PCs, estaciones de
  trabajo, servidores, PDAs. (hosts o end-systems)
• Nodos que reenvían paquetes de datos hasta que
  lleguen al end-system (routers o
  intermedia-systems).
• ENLACES DE COMUNICACIÓN permiten la
  interconexión de los nodos
• Por ejemplo cables de fibra óptica, cables de
  cobre y enlaces inalámbricos (micro-ondas,
  satelitales, infrarojos)
• PROTOCOLOS Controlan el envío y recepción de
  mensajes entre nodos
• Por ejemplo TCP, IP, HTTP, FTP, PPP y SNMP.

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Protocolos en Internet

• Para que los computadores puedan comunicarse
  necesitan establecerse reglas ó protocolos
  (AppleTalk, IPX/SPX, SNA, TCP/IP, etc.)
• Protocolos reglas formales de comportamiento
• Los protocolos definen (1) el formato de los
  mensajes, (2) el orden de transmitisión de los
  mensajes y (3) las acciones que deben realizarse
  al transmitir o recibir mensajes por parte de los
  nodos
• Para Internet se utilizan los protocolos de
  TCP/IP
• No dependen del sistema operativo (windows, unix,
  mac/OS) ni del fabricante computador. Se dice que
  TCP/IP es abierto.
• Los protocolos para Internet se especifican
  mediante documentos denominados RFC Request for
  comments, que son emitidos por la IETF Internet
  Engineering Task Force. Los RFCs son públicos y
  cualquier persona puede accederlos en Internet.

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Borde y centro de la red

• Borde de la red
• Allí están los hosts (end systems)
• Ejecutan programas de aplicaciones en el borde
  de la red. Ejemplo Web, e-mail.

• Centro de la red
• Es una malla de routers (intermedia systems)
  interconectados
• Reenvían paquetes buscando llegar hasta los hosts
  (end systems)

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Estructura de Internet red de redes

• Difusamente jerárquica
• En el centro ISPs de capa 1 (UUNet,
  BBN/Genuity, Sprint, ATT), cubrimiento
  nacional/internacional
• Se tratan como iguales

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Estructura de Internet red de redes

• ISPs Capa 2 ISPs más pequeños (a menudo
  regionales)
• Conectan a uno o más ISPs capa 1, posiblemente a
  otros ISPs capa 2

Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
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Estructura de Internet red de redes

• ISPs de Capa 3 e ISPs locales
• Último salto en la red (de acceso) (más cerca a
  los end systems)

Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
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Estructura de Internet red de redes

• En Internet un paquete atraviesa muchas redes!

Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
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El modelo de referencia OSI
Cada nivel (ó capa) tiene unas funciones precisas
para resolver determinados problemas de la
comunicación (divide y vencerás)
Nivel OSI
Función
Aplicación
Aplicaciones de Red transferencia de archivos
Presentación
Formatos y representación de los datos
Sesión
Establece, mantiene y cierra sesiones
Transporte
Entrega confiable/no confiable de mensajes
Red
Entrega los paquetes y hace enrutamiennto
Enlace
Transfiere frames, chequea errores
Física
Transmite datos binarios sobre un medio
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Servicios, interfaces y protocolos

• El modelo OSI distingue entre
• Servicios (funciones) Qué hace la capa
• Interfaces Cómo las capas vecinas pueden
  solicitar/dar servicios
• Protocolos Reglas para que capas pares se
  comuniquen

Capa A
Capa A
Capa B
Capa B
NODO 1
NODO 2
Universidad Nacional de Colombia - 1999
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Arquitectura de TCP/IP
No hay un acuerdo sobre como representar la
jerarquía de los protocolos de TCP/IP con un
modelo de capas (utilizan de tres a cinco).
Aplicaciones y procesos que usan la red
Servicios de entrega de datos entre nodos
Define el datagrama y maneja el enrutamiento
Rutinas para acceder el medio físico
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Encapsulación de datos

• Cada capa de la pila TCP/IP adiciona información
  de control (un header) para asegurar la entrega
  correcta de los datos.
• Cuando se recibe, la información de control
  (header) se retira.

DATOS
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Otro modelo de arquitectura de TCP/IP

• Diseño en forma de reloj de arena permite ver la
  importancia de IP es el corazón de la
  arquitectura

Muchas aplicaciones se mueven sobre IP Correo,
navegación, gestión, transferencia de datos,
video, voz, multimedia ...
Muchos tipos de redes envían y reciben paquetes
IP Token Ring, Ethernet, WiFi, WiMax, ATM, FDDI,
PPP, Frame Relay, ...
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Breve Historia

• A finales de los sesenta la ARPA del DoD hizo
  acuerdos con Universidades de los EUA y la
  comunidad de investigación para diseñar
  estándares y protocolos abiertos para su red
  conocida como ARPANET.
• La inicial ARPANET, la primera red de conmutación
  de paquetes, empezó su operación en 1969
  conectando 4 universidades, 3 en el estado de
  California y la otra en el estado de Utah. Estos
  primeros 4 nodos se enlazaron vía circuitos de 56
  kbps utilizando el protocolo NCP (el predecesor
  de TCP/IP).
• En 1974, el diseño para un nuevo conjunto de
  protocolos, para la ARPANET, fue propuesto por
  Vinton G. Cerf como Robert E. Kahn. El nombre
  oficial para ese conjunto de protocolos fue
  TCP/IP, el cual fue tomado de los nombres del
  protocolo de capa de red (Internet Protocol IP)
  y de unos de los protocolos de la capa de
  transporte (Transmisión Control Protocol TCP).
• La inicial especificación se fue desarrollando
  hasta llegar a varias versiones, culminando en la
  versión 4 en 1979, la cual fue finalmente
  estandarizada en 1981.

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Breve Historia

• El éxito del protocolo TCP/IP en el mundo UNIX
  fue gracias al hecho de que la Universidad de
  California en Berkeley emprendió la
  implementación de TCP/IP en la versión 4.2 de su
  sistema operativo UNIX BSD en 1983 y de la
  publicación del código fuente como un software de
  dominio público.
• Los diseñadores de Internet jamás se imaginaron
  el crecimiento explosivo del número de nodos
  conectados a la supercarretera de la información
  así que decidieron que las direcciones IP
  contendrían 32 bits, permitiendo 4 mil millones
  de direcciones. Parecen muchas pero...
• A principios de los noventa, con la apertura
  comercial del Internet, la revolución de las
  computadoras personales, las redes de área local
  (LANs), el World Wide Web (www) y aunado a la
  pésima repartición de las IPs demostraron
  claramente que los 4 mil millones de direcciones
  no serian suficientes. Este crecimiento explosivo
  de dispositivos que requieren estar conectados a
  la red requerirá de un nuevo esquema de
  direccionamiento para mantenerlos en operación.

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Internet Protocol

• Modelo de servicios

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Dos grandes problemas que debe resolver IP
1. Escalabilidad de Internet
A. Direccionamiento (identificación) para
millones de nodos B. Enrutamiento para encontrar
eficientemente un camino para llegar a millones
de nodos
2. Heterogeneidad de redes
A. Usuarios de un tipo de red deben comunicarse
con usuarios de otro tipo de red B. Establecer
conectividad entre dos redes implica pasar por
otras (que pueden ser de diversa índole)
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Qué es una internet(work)?

• Colección de redes interconectadas para proveer
  algún tipo de servicio de entrega de paquetes
  entre hosts. Los nodos que interconectan redes
  son los routers.
• El protocolo IP es la herramienta clave que
  actualmente permite construir internet(work)s
  heterogéneas y escalables.
• Una forma de visualizar IP es como un protocolo
  que corre sobre todos los nodos (hosts y routers)
  que pertenecen a diferentes redes (físicas) y
  define la infraestructura que permite a estos
  nodos y redes funcionar como una única intenet
  (lógica).

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Modelo de servicios

• El modelo de servicios de IP tiene dos partes
• Modelo de entrega de datos no orientado a
  conexión. Este modelo de servicio también se
  denomina de mejor esfuerzo (best effort), pues no
  garantiza la entrega del datagrama IP.
• Un esquema de direccionamiento la forma para
  identificar todos los hosts en la internet(work).
  Es decir, la dirección IP.

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Entrega de datos

• Para entregar datos entre dos hosts en internet
  es necesario moverlos a través de la red al host
  correcto, y dentro del host, llevarlo al proceso
  o usuario correcto.
• TCP/IP utiliza tres esquemas para lograr la
  entrega de datos
• Addressing La dirección IP, que identifica de
  manera única cualquier host en la red, permite
  entregar los datos al nodo correcto.
• Routing El router entrega los datos a la red
  correcta.
• Multiplexing los números de protocolo y los
  números de puerto permiten entregar los datos,
  dentro del host, al módulo de software correcto.

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Entrega del datagrama IP

• El datagrama IP lleva la información suficiente
  para que la red envíe el paquete al destino
  correcto.
• Cuando el datagrama es enviado, la red hace el
  mejor esfuerzo para entregarlo al destino
  deseado.
• Mejor esfuerzo significa que si algo va mal y el
  paquete se pierde, se corrompe, se entrega en el
  destino equivocado o ocurre cualquier otro
  problema con los datos, la red no hará nada no
  hace ningún intento para recuperar los datos la
  falla, sólo hace su mejor esfuerzo.
• Este comportamiento en ocasiones es denominado
  servicio no confiable (unreliable service)

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Entrega del datagrama IP

• El servicio no orientado a conexión, o de mejor
  esfuerzo, es el servicio más simple para una
  internet(work) y es su gran fortaleza.
• Mejor esfuerzo (en un router) sobre una red
  (física) confiable aprovecha la confiabilidad del
  capa inferior y eso está bien.
• Un servicio confiable (en un router) sobre una
  red (física) no confiable, es colocar demasiada
  funcionalidad extra que no se reflejará debido a
  la no confiabilidad de la capa inferior y eso no
  está bien.
• Mantener los routers lo más simples posibles es
  una de las metas de diseño de IP.

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Entrega del datagrama IP

• La habilidad de IP para correr sobre cualquier
  cosa es una de sus características más
  importantes (algunos exageran diciendo que IP
  puede transportar mensajes utilizando palomas
  mensajeras).
• La entrega de mejor esfuerzo no solo significa
  que los paquetes se pueden perder, en otras
  ocasiones pueden entregarse de manera desordenada
  o se puede entregar el mismo paquete más de una
  vez. Los protocolos ubicados en las capas
  superiores deben estar atentos a todos estos
  tipos de fallas.

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IPv4
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El estándar IP

• IPv4 se definió en el RFC 791. Este RFC contenía
  algunos puntos ambiguos que fueron clarificados
  en el RFC 1122 (Host Network Requirements)
• Datagrama IP unidad de datos (PDU) manejada por
  IP. Incluye los datos transportados y el header
  IP asociado a dichos datos.
• Paquete IP otro término para Datagrama IP,
  aunque el término es utilizado para hacer
  referencia a la porción de datagrama colocada en
  un frame, antes que al datagrama mismo. Por
  ejemplo, el sistema que envía o recibe (host)
  verá el datagrama como una única entidad, pero el
  datagrama puede haber sido dividido en varios
  paquetes IP para ser transmitido por redes
  intermedias
• Los hosts trabajan con datagramas IP, los routers
  trabajan con paquetes IP.

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Formato del datagrama IPv4
32 bits
IHL
Tipo de servicio
Longitud total
Versión
Flags
Offset de fragmentación
Identificación
Tiempo de vida
No. de protocolo
Chequeo del header
Header IPv4
Dirección origen
Dirección destino
Relleno
Opciones
Los datos comienzan aquí...
Más datos...
Más datos...
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Dos ejemplos de datagrama
0 0800 20a8 4aeb 0003 ba08 3a8d 0800 4500 16
0030 41d5 4000 4006 a0b0 a8b0 03c8 a8b0 32 031a
8026 0050 03c6 9eec 0000 0000 7002 48 c1e8 5865
0000 0204 05b4 0101 0402 0 0003 ba08 3a8d
0800 20a8 4aeb 0800 4500 16 0030 7b1b 4000 ff06
a869 a8b0 031a a8b0 32 03c8 0050 8026 a5f3 b322
03c6 9eed 7012 48 2238 8c54 0000 0101 0402 0204
05b4
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Fragmentación y Reemsamblaje en IP

• Cada red de la capa de enlace tiene definido una
  MTU (por ejemplo, ethernet tiene una MTU de 1500
  bytes)
• Cómo funciona la fragmentación en IP
• Se fragmenta cuando sea necesario (MTU lt
  Datagrama)
• Se evita fragmentar en el nodo que origina la
  comunicación
• La refragmentación es posible (fragmentar un
  datagrama fragmentado)
• Los fragmentso son datagramas autocontenidos
• El reensamblaje ocurre al llegar al nodo destino
• No se pueden recuperar los fragmentos perdidos

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Ejemplo de fragmentación
Nodo 1
Router 1
Router 2
Router 3
Nodo 2
ETH
IP
(1400)
FDDI
IP
(1400)
PPP
IP
(512)
ETH
IP
(512)
PPP
IP
(512)
ETH
IP
(512)
PPP
IP
(376)
ETH
IP
(376)
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Opciones en IP

• Extienden la funcionalidad de IP
• Pude utilizarse hasta 40 bytes para opciones (es
  decir la cabecera puede tener un tamaño máximo de
  60 bytes)
• Utilizan un identificador con tres campos

TIPO Identifica la opción específica LONGITUD
indica el tamaños de la opción, incluyendo los
campos tipo, longitud y los datos DATOS Campo
variable que lleva la información de la opción
1 byte
1 byte
variable
TIPO
LONGITUD
DATOS
Copy dice si la opción debe ser copiada a todos
los framentos del datagrama Clase la clase 0 es
para opciones de control de red y la 2 para
depuración, la 1 y 3 están reservadas Tipo
identifica la opción específica
Copy (1 bit)
Tipo (5 bits)
Clase (2 bits)
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Opciones en IP
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Direccionamiento IPv4

• Cada interface de red (tarjeta de red) se le
  asigna una dirección lógica única de 32 bits.
• La dirección consta de una parte que identifica
  la red y otra que identifica el nodo
• La parte de nodo se asigna localmente
• La parte de red la asigna Internic, su ISP ó su
  administrador de red
• Existen básicamente dos esquemas de
  direccionamiento en IPv4
• Direccionamiento global (Classful) utiliza
  clases de direcciones para decir qué parte de
  la dirección IPv4 representa la red y que parte
  representa el nodo
• CIDR (Classless) utiliza un prefijo de red para
  decir cuántos bits de la dirección IPv4
  representan la red. No utiliza clases.

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Direccionamiento global IPv4
También es llamado direccionamiento Classful
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Notación decimal con puntos

• En lugar de utilizar binarios para representar la
  dirección IPv4
• 10101000101100000000000100110010
• Podemos separarlos en bytes (8 bits)
• 10101000101100000000000100110010
• y representarlos en forma decimal
• 168.176.1.50
• La dirección mínima bajo este formato es 0.0.0.0
  y la máxima dirección es 255.255.255.255.

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Máscara de subred en IPv4
Una dirección de red la podemos subdividir en
subredes pidiendo prestados bits de la parte de
identificación de host para identificar la subred
SUBRED
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Cómo funciona la máscara de subred?
A la siguiente dirección IP (168.176.1.50)
10101000.10110000.00000001.00110010
RED
NODO
Le coloco la máscara 255.255.255.0
11111111.11111111.11111111.00000000
Y obtengo la parte de la dirección que identifica
una subred
10101000.10110000.00000001.00110010
Se hace un AND lógico entre la dirección IP y
la máscara para obtener la subred
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CIDR Classless InterDomain Routing

• Atiende dos problemas de escalamiento de IPv4
• El crecimiento de las tablas de enrutamiento en
  el backbone de Internet
• Y el agotamiento de las direcciones IPv4 antes de
  ser asignadas (4 billones).
• classful es ineficiente
• Agrega (suma) rutas
• El nombre original era supernetting (por
  asociación con subnetting)
• Ya no se utilizan los primeros bits de la
  dirección IPv4 para saber la clase si no un
  prefijo de red. Este prefijo es un número que
  indica la cantidad de bits que representan la
  red.
• 200.24.8.0/23 (en este ejemplo los primeros 23
  bits de la dirección IPv4 representan la red, los
  demás pueden utilizarse para representar el nodo.
  Desde el punto de vista del direccionamiento
  global -classful- es sumar dos redes tipo C)

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Algunos compañeros de IPv4

• Asociación de la dirección física con la lógica
  ARP (Address Resolution Protocol)
• Configuración automática DHCP (Dynamic Host
  Configuration Protocol)
• Mensajes de error cuando un datagrama no puede
  procesarse bien ICMP (internet Control Message
  Protocol)

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Address Translation

• Mapea direcciones IP a direcciones físicas
• nodo destino
• next hop (siguiente) router
• Técnicas
• codificar la dirección física en la parte de la
  dirección IP que identifica el nodo
• utilizando una tabla
• ARP (Address Resolution Protocol)
• tabla de direcciones IP asociadas a direcciones
  física
• solicitud broadcast si la dirección IP no está en
  la tabla
• la máquina buscada responde con la dirección
  física
• Las entradas en la tabla son decartadas si no se
  resfresca en cierto tiempo

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Algunos detalles de ARP

• Formato de solicitud
• HardwareType tipo de red física (por ejemplo,
  Ethernet)
• ProtocolType tipo de protocolo de la capa
  superior (por ejemplo, IP)
• HLEN PLEN longitud de las direcciones física y
  lógica
• Operation request (solicitud) o response
  (respuesta)
• Direcciones origen/destino-física/lógica
• Nota
• El tiempo de permanencia de los datos en la tabla
  antes de ser borrados es de unos 10 minutos
• update table with source when you are the target
• update table if already have an entry
• do not refresh table entries upon reference

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Formato del paquete ARP
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Internet Control Message Protocol (ICMP)

• Utilizado para el comando ping (echo)
• Redirect (from router to source host)
• Destination unreachable (protocol, port, or host)
• TTL exceeded (so datagrams dont cycle forever)
• Checksum failed
• Reassembly failed
• Cannot fragment