Protocolo IP

1. Introducción

• En Internet, el protocolo IP corresponde con el nivel de red de ISO/OSI
• No tiene todas sus características:
  • IP no tiene control de la congestión
  • No es orientado a conexión ni confiable
• Existen dos versiones
  • IPv6: Reemplazará a IPv4 a medio plazo
  • IPv4: La más usada actualmente, es la estudiada aquí

2. Protocolo IP

2.1. Protocolo IP

• Internet Protocol (RFC 791)
• Es un protocolo de la capa 3 (red) del modelo OSI
• Entre sus funciones se encuentran:
  • Dividir paquetes grandes en paquetes más pequeños
  • Encontrar la ruta necesaria para enviar un paquete individual
  • Determinar si un paquete recibido es correcto

2.2. Estructura paquete IP

Estructura en la wikipedia

2.3. Longitud de la cabecera

• IP no tiene un tamaño de cabecera fijo
• Algunas opciones del protocolo añaden palabras de 32 bits
• Por eso se necesita saber dónde empiezan los datos en cada paquete

2.4. Código de redundancia

• El checksum se calcula como la suma (sin acarreo) de todas las palabras de 16 bits de la cabecera
  • Excepto el propio checksum
• Sirve para detectar errores de transmisión
• Es adicional al que pueda tener la capa de transporte

2.5. Identificación del paquete y fragment offset

• Todos los paquetes IP tienen un identificador único: identification y fragment offset
• Originalmente, un paquete se manda en un solo fragmento
  • Con fragment offset a 0
• Si se necesita dividir (MTU del nivel de enlace insuficiente)
  • Se parte en varios fragmentos
  • Cada uno de ellos indica el lugar de su primer byte de datos
• Cada fragmento puede volverse a dividir
• En el destino, se espera a que lleguen todos los fragmentos antes de enviarlo al protocolo de nivel superior

2.6. Flags

• El primero es para usos futuros.
• El segundo indica si este datagrama se puede fragmentar.
• El tercero dice si hay más fragmentos o es el último.
• El flag DF (dont fragment) indica a los routers que no fragmenten el paquete si sobrepasa la MTU (descarta el paquete)

2.7. TTL (tiempo de vida)

• El enrutamiento IP puede tener problemas
  • Es posible que haya bucles en las rutas que hagan que un paquete de vueltas por siempre
• Para evitarlo, el paquete se descarta pasado un tiempo en segundos (originalmente)
  • Actualmente, el tiempo de vida se mide en saltos
• Generalmente, los paquetes se envían con TTL suficiente para atravesar Internet (64 o 255)

— Intenta hacer ping a Google con un TTL de 10. ¿es suficiente? ¿y con 20?

2.8. Protocolo de nivel superior

• Indica qué protocolo está encapsulado en los datos
  • Lista de protocolos en la wikipedia

2.9. Dirección de origen y destino

• Son números de 32 bits
• Indican la dirección de origen y destino de IP
• Pueden no coincidir con la dirección de origen real
  • Por ejemplo, en los saltos intermedios
  • En esos casos, el origen y destino en ese momento no son los indicados en la cabecera

3. Direcciones IP

• Una dirección IP consta de 32 bits
• Por convenio, se representa como 4 números decimales, uno por cada byte

3.1. Direcciones IP ¿qué identifican?

• Las direcciones no se asignan por host.
• Se asignan a interfaces del host
  • Un equipo con dos enlaces a la red tendrá dos direcciones IP
  • Los enlaces a la red pueden ser a la misma red o a redes distintas
• También un mismo interfaz puede tener más de una IP

3.2. Red y Host

• Las direcciones IP se asignan al montar la red, no como las MAC
  • Las direcciones MAC se asignan por el fabricante de la tarjeta, quedando distribuidas casi aleatoriamente
  • Las direcciones IP se estructuran de una forma jerárquica
• La dirección IP contiene dos partes
  • Una parte identifica a la red
  • Otra parte identifica al host/enlace dentro de la red

4. Clases IP

• En las primeras versiones de IP había unas normas fijas para definir qué parte de la dirección era host y qué parte red
• Los primeros bits de la dirección definen la clase a la que pertenece

4.1. Ejercicio de clases IP

• Ejemplo:
  • 192.168.1.1
  • En binario: 11000000101010000000000100000001
  • Clase C
• ¿De qué clases son las siguientes direcciones IP?
  • 192.168.20.1
  • 127.0.0.1
  • 169.254.12.9
  • 241.82.9.9
  • 216.239.59.147
  • 85.112.7.243
  • 199.16.156.198

4.2. Parte de red y host

• La clase define qué bits de la dirección son parte de la red y qué parte es del host
• Ejemplo: La clase C tiene 24 bits para la red y 8 para el host

4.3. Ejercicio de parte de red y host

• ¿Cuáles son las direcciones de red y de host de las siguientes direcciones IP?
  • 192.168.20.1
  • 127.0.0.1
  • 169.254.12.9
  • 241.82.9.9
  • 216.239.59.147
  • 85.112.7.243
  • 199.16.156.198

4.4. Dirección de red

• La red IP tiene una dirección propia
  • No puede ser utilizada por un host dentro de la red
  • La dirección de la red tiene la parte del host a ceros.

4.5. Dirección de host

• El host tiene una dirección propia dentro de la red
  • Con ceros en la parte de la red
  • No puede haber una red con todos sus bits a cero

4.6. Resumen de direcciones de red y host

* En desuso

4.7. Ejercicio de clases IP

4.8. ¿Para qué sirve la red y el host?

• Cuando un host va a enviar un paquete
  • Decide si el destino está en su misma red
  • Si está en su misma red, se encarga la capa de enlace (posiblemente con ARP)
  • Si no está en su red, envía el paquete al router
  • Y el router está en su misma red

4.9. Problemas de las clases IP

• En un principio, IP tenía suficientes direcciones y redes para todo el mundo
• La creciente demanda de direcciones IP supuso problemas
  • Ejemplo: Una empresa con 3000 hosts debe reservar una red de clase B, con más de 65000 direcciones (muchas direcciones desperdiciadas)
  • Si reserva más de una red de clase C (unas 12), hay que configurar muchas redes en los routers intermedios.
• Últimamente (desde 1985) las direcciones IP ya no se dividen en clases, utilizándose CIDR (Classless Internet Domain Routing)

5. CIDR

• Classles Internet Domain Routing
• La dirección IP ya no da información acerca de los bits reservados para red y para host
• Las redes se identifican por la dirección de la red y el número de bits destinado a la misma
  • 172.16.0.0/12
  • 198.18.0.0/15

5.1. Máscara de red

• Con CIDR las parte de la dirección red y host se calcula mediante las máscaras de red
• La máscara de red es un número binario:
  • Tantos 1’s como el tamaño de la red CIDR
  • Los 0’s necesarios para completar hasta los 32 bits
• Las máscaras de red también se expresan como 4 números decimales separados por puntos.

5.2. Ejercicio

• ¿Qué máscaras de red tienen las siguientes redes?
  • 172.16.0.0/12
  • 198.18.0.0/15
  • 198.18.0.0/30
  • 192.168.255.0/24
  • 172.31.0.0/16

5.3. Dirección de red

• Con CIDR, la dirección de red sigue siendo la que tiene todos los bits del host a 0, y la de broadcast a 1.
• Sin embargo, ya no es tan fácil como con clases
  • Los bits de la red no son múltiplos de 8
• Se utiliza una máscara de red, realizando la operación AND con la dirección IP para encontrar la dirección de red

• Ejemplo

  • La dirección IP es 192.168.20.100/26
  • La máscara de red son 26 1’s → 255.255.255.192
  • La dirección pertenece a la red

         255.255.255.192
     AND 192.168.020.100
     -------------------
         192.168.020.064
  

  • La red a la que pertenece es 192.168.20.64/26

5.4. Ejercicio

• ¿A qué red pertenecen las siguientes direcciones IP?
  • 172.46.25.1/12
  • 198.30.18.18/15
  • 198.30.18.18/30
  • 192.168.255.253/24
  • 172.37.10.255/16

5.5. Subnetting y supernetting

• Utilizando máscaras de red pueden saltarse los límites de las clases IP
  • Una red grande puede dividirse en varias redes pequeñas (subnetting)
  • Varias redes pequeñas pueden reunirse en una red más grande (supernetting)

5.6. Subnetting

• Consiste en crear subredes pequeñas dentro de una red de clase A, B o C
• Ejemplo
  • Conseguir 4 redes a partir de una red clase C
  • Hay que aumentar la máscara de red 2 bits (4 posibilidades)

http://www.aprendaredes.com/cgi-bin/ipcalc/ipcalc_cgi https://arcadio.gq/calculadora-subredes-vlsm.html

5.7. Supernetting

• A partir de varias redes pequeñas (generalmente clase C), conseguir una más grande
• Ejemplo
  • Conseguir una red con más de 1000 hosts a partir de redes clase C
• Tenemos las 32 redes 192.168.0.0 a la 192.168.31.0
• Reducimos la máscara en 5 bits → 192.168.0.0/19

6. Ejercicios

6.1. Tabla de redes IP

6.2. Tabla de redes IP

6.3. Subnetting

Una organización tiene 5 departamentos independientes. En cada uno de ellos se van a instalar 3000 hosts. Si todas las máquinas disponen de una direccion IP única en internet:

• ¿Qué clase deberá solicitar el administrador de la empresa?.
• Establece la máscara necesaria para que la organización subdivida la red en redes a razón de una subred por cada departamento.
• Indica las direcciones de subred, broadcast y rangos de direcciones IP de los host para cada departamento.
• Se debe desaprovechar el mínimo número de direcciones IP (ajustar el tamaño de red al tamaño del departamento)
• Las redes libres, si las hay, deben quedar lo más compactas posible

6.4. Subnetting

Una organización tiene asignada la red 192.168.2.0/24 y desea agrupar a su personal en grupos de trabajo de 140 empleados. El conjunto de trabajadores de cada grupo, comparte una subred diferente a la de los otros grupos.

• ¿Cuántos grupos de trabajo se pueden hacer?.
• Establece la máscara necesaria para que la organización subdivida la red en redes a razón de una subred por cada grupo.
• Indica las direcciones de subred, broadcast y rangos de direcciones IP de los host para cada departamento.
• Las redes libres, si las hay, deben quedar lo más compactas posible

El ejercicio se puede repetir con

• Grupos de 60 empleados
• Un grupo de 60 empleados y 3 de 22 empleados

6.5. Subnetting

Una empresa recibe la dirección 132.33.0.0/17 para su red. Asigna a cada uno de los siete departamentos una subred, teniendo en cuenta el número de ordenadores de cada uno:

• A: 8000 ordenadores
• B: 2047 ordenadores
• C,D: 1020 ordenadores
• E,F: 4000 ordenadores
• G: 500 ordenadores

Las redes libres, si las hay, deben quedar lo más compactas posible

7. Redes reservadas

• IANA, por medio de RFC’s, ha reservado varias redes para usos concretos. Algunos ejemplos son:

• Más ejemplos en la Wikipedia

7.1. ¿Qué es una red privada?

• Una red privada (RFC 1918) son direciones inválidas en Internet
  • Un router de Internet descarta todos los paquetes con origen o destino en redes privadas
• Sirven para crear redes con IP que no forman parte de Internet
  • Internas a organizaciones: Empresas, universidades, institutos…
• Objetivos:
  • No es posible ocultar direcciones de Internet: Ningún ordenador interno tendrá la dirección 8.8.8.8
  • Ahorro de direcciones IP
  • Siguen teniendo acceso limitado a Internet: NAT (se verá en otro tema)

8. Referencias

• Formatos:
  • Transparencias
  • PDF
  • Página web
  • EPUB
• Creado con:
  • Emacs
  • org-re-reveal
  • Latex
• Alojado en Github