4.II.1 © UPM-ETSISI-RC Tema 4: TCP/IP. Parte II Redes de Computadores Tema 4: TCP/IP Parte II.

4.II.1© UPM-ETSISI-RC Tema 4: TCP/IP. Parte II

Redes de ComputadoresTema 4: TCP/IPParte II


ContenidoPARTE I: 1. Introducción2. Arquitectura TCP/IP3. Interfaz de red4. Direccionamiento IPPARTE II: 5. Nivel IP6. EncaminamientoPARTE II: 7. Nivel de transporte8. Nivel de aplicación


5. Nivel IPFunciones del nivel IPLas capas TCP/IPEl datagrama IPv4El protocolo ICMP


El nivel IPFuncionesEn su funcionamiento, la capa de Internet no es responsable de una transmisión fiable. Se proporciona sólo un servicio “best effort". Esto significa que la red no ofrece ninguna garantía sobre la llegada correcta paquetes.

Las funciones principales del nivel de red son:a) Direccionamiento lógico y enrutamiento: Cada dispositivo que se comunica a través de una red IP tiene asociada una dirección lógica llamada dirección IP. A esta capa le compete mover datos a través de una serie de redes interconectadas (enrutamiento). b) La encapsulación de datagramas: La capa de red normalmente encapsula los mensajes recibidos de las capas superiores colocándolos en datagramas (también llamados paquetes ) con una cabecera de capa de red. c) Fragmentación y reensamblado: La capa de red debe enviar mensajes a la capa de enlace de datos para la transmisión. Algunas tecnologías de capa de enlace de datos tienen límites en la longitud de los mensajes que se pueden enviar. Si el paquete que la capa de red quiere enviar es demasiado grande, la capa de red debe dividir el paquete en fragmentos, y luego tener que reensamblarlos, una vez que llegan a la capa de red en la máquina de destino. d) Manejo de errores y diagnósticos: Finalmente, la capa de red tiene protocolos especiales que se utilizan para permitir que los dispositivos que están lógicamente conectados, o que están tratando de encaminar el tráfico, intercambien información sobre el estado de los host en la red o de los propios dispositivos.

http://www.tcpipguide.com/free/t_DataEncapsulationProtocolDataUnitsPDUsandServiceDa.htm


Aplicación

Transporte

Internet

La arquitectura TCP/IPModelo de 4 capas. EncapsulaciónAplicación

Transporte

Internet

Interfaz de redDRIVER + NIC

Red IP

ApX ApYDatos

Protocolo de aplicación

DatosAH

Protocolo de transporte (TCP,UDP) DatosAH

Protocolo red (IP) DatosAHRH

Protocolo Enlace DatosEH ET

Bits

TH

TH

AHRH THInterfaz de red

DRIVER + NIC


La arquitectura TCP/IPLa red IPApX

Protocolo de aplicación

Protocolo de transporte (TCP,UDP)

Protocolo red (IP)

Protocolo Enlace

Bits

Aplicación

TCP,UDP

IPv4(6)

If1 de red

IPv4(6)

If1 de red If2 de red

Aplicación

TCP,UDP

IPv4(6)

If2 de red

SubRed1 SubRed2

ApY

If1 If2


El datagrama IPv4 TCP/IP llama datagrama IP al paquete Internet El datagrama IP consiste en una cabecera (de tamaño fijo) seguida de un área de datos cuya longitud es variable y que depende de la aplicación que envía los datos Su tamaño puede variar desde 20 hasta 64K octetos

Cabecera Datos (Carga útil o payload)

Hasta 64kB

20B


No. de protocolo

IHL Tipo de servicio

Flags Offset

Versión

Identificación

Tiempo de vida

Dirección destino

Chequeo de la cabecera

RellenoOpciones

Datos(carga útil o payload)

15 317 23

Longitud total

Dirección origen

Formato del datagrama IPv40

Longitud de la cab. en palabras de 32 bits

El valor normal de este campo es de 5 (5 palabras

de 32 bits = 5 * 4 = 20 bytes)

Es el tamaño del datagrama en bytes. Por ser un campo de 16 bits permite una longitud de hasta 65536 octetos

En caso de fragmentación: Identificador único del

datagrama

Máximo número de enrutadores que puede

atravesar un paquete

Indica el protocolo de las capas superiores al que

debe entregarse el paquete: TCP, UDO, IGMP, EGP, etc

Campo no obligatorio. Registro de ruta. Sin este campo la cabecera es de 20 B

En paquetes fragmentados indica la posición, en unidades de 64 bits (8 B), que ocupa el paquete actual dentro del datagrama original

Banderas relativas a la fragmentación de paquetes

Si se incluyen opciones, y el número de bits utilizados para ellos no es un múltiplo de 32, se añaden bits de relleno para que la cabecera sea múltiplo de 32 bits (4 bytes).


El datagrama IPv4Tipo de servicio El Tipo de Servicio, determina una serie de parámetros sobre la calidad de servicio (QoS) deseada durante el tránsito por la red Lo establece la entidad que envía el datagrama

0

Prioridad D T R

7

C

21

Coste:Normal (0)Mínimo (1)

Fiabilidad (Reliability):Normal (0)Máxima (1)

Throughput:Normal (0)Máxima (1)

Delay:Normal (0)Mínimo (1)

000: De rutina.001: Prioritario.010: Inmediato.

011: Relámpago.100: Invalidación relámpago.

101: Procesando llamada crítica y de emergencia.110: Control de trabajo.

111: Control de red.


El datagrama IPv4MTU y la fragmentación MTU (Máximum Transfer Unit)

• El protocolo IP fue diseñado para su uso para una amplia variedad de tecnologías de transmisión (Ethernet, ATM, FR, LL, etc.). Aunque la longitud máxima de un datagrama IP es de 64K, la mayoría las tecnologías de los enlaces de transmisión tienen un límite máximo que es menor que 64kB, llamado MTU. • El diseño de IP, permite a este acomodarse a los diferentes MTUs al habilitar que los routers puedan fragmentar datagramas IP si es necesario. La estación receptora es responsable de volver a ensamblar los fragmentos para rehacer el datagrama IP original.

SubRed1MTU=1500

Subred2MTU=1000

1500 B 1000B500B

Fragmentación

Ensamblado


El datagrama IPv4Ejemplo de fragmentaciónOftsetMF

00

DATOS

11.980 Bytes

OftsetMF

01

DATOS

3.280 Bytes

Fragmento 1. Bytes de datos: 0 - 3.279

OftsetMF

4101

DATOS

3.280 Bytes

Fragmento 2. Bytes de datos: 3.270-6.559

OftsetMF

8201

DATOS

3.280 Bytes

Fragmento 3 Bytes de datos: 6560-9.839

OftsetMF

1.2300

DATOS

2.140 Bytes

Fragmento 4. Bytes de datos: 11.980-9840

MTU=3.300

Paquete de 12.000B(Hay que sumar la

cabecera IP de 20 B)

12

34

1234

3.280B


El direccionamiento IPv6Razones que justifican IPv61. Agotamiento de las direcciones IPv4 (solo 4.294.967.296 direcciones)2. Las nuevas aplicaciones exigen funcionalidades que IPv4 no puede ofrecer (pe. Calidad de servicio, seguridad, movilidad)3. Posibilidad de paquetes superiores a 64 kb (jumbogramas, hasta 4 GB)


El sistema de direccionamiento IPv6 [1] El esquema de direccionamiento IPv6 se define en la RFC 4291. Características principales:

• 128 bits de longitud• permite asignación jerárquica• Usa los principios de enrutamiento sin clases (CIDR)

16 bits

XX XX XX XX IPv4 (32 bits) 4.294.967.296 direcciones

IPv6 (128 bits) 3,40x1038 direcciones

8 bits

XXXX XXXX XXXXXXXX XXXX XXXX XXXXXXXX

Numeración de red (público) Numeración de dispositivos

Subred ID(privado)

Ejemplo:Formato Global FE80:0000:0000:0000:0202:B3FF:FE1E:8329Formato colapsado FE80::0202:B3FF:FE1E:8329


El sistema de direccionamiento IPv6 [2] Unicast:

• Identifican a una sola interfaz. El paquete se envía a una interfaz. Anycast:

• Identifica a un conjunto de interfaces. Una dirección anycast es asignada a un grupo de interfaces, normalmente de nodos diferentes. Un paquete enviado a una dirección anycast se entrega únicamente a uno de los miembros, típicamente el host con menos coste (pe. el mas cercano), según la definición de métrica del protocolo de encaminamiento. Multicast:

• Identifica un grupo de interfaces. Cuando un paquete es enviado a una dirección multicast es entregado a todos las interfaces del grupo identificados con esa dirección. Broadcast:

• No se implementa

Grupo anycast

Grupo Multicast


Dirección origen

No. de protocolo

IHL Tipo de servicio

Flags Offset

Versión

Identificación

Tiempo de vida

Dirección destino

Chequeo de la cabecera

15 317 23

Longitud total

Dirección origen

Formato del datagrama IPv6CabeceraSiguiente Cab. Límite saltos

Versión

Long. paquete

15 317 23

Etiqueta de flujoClase tráfico

44

Dirección destino

IPv4 IPv6

40 B

20 B


Protocolo de mensajes de control de Internet (ICMP)

ICMP tiene como misión suministrar información de sobre problemas del entorno de la comunicación IP• Esta información procede de los routers y los host que monitorizan constantemente la red

ICMP e IP son mutuamente dependientes, por ello en toda implementación de IP, también encontramos a ICMP Los mensajes ICMP son encapsulados por IP, por tanto es un usuario de IP

El protocolo IP, que se usa para la transferencia de datos, está acompañado por otros protocolos que se usan a nivel de red, como son ARP, DHCP e ICMP.


Protocolo de mensajes de control de Internet (ICMP)CapasAplicación

TCP,UDP

IPv4

If1 de red

ARP

IGMPICMP

Internet Group Management Protocol (IGMP)


Tipos de mensajes ICMPEncapsulado Existen una veintena de mensajes ICMP que se pueden agrupar en dos clases:1.Mensajes de error (ICMP reporting). Proporcionan información a un dispositivo emisor sobre un error que se ha producido, por lo general, en la transmisión de un datagrama,2.Mensajes informativos de consulta (ICMP query). No indican errores y son, en general, respuesta de otro mensaje ICMP

Cab. IP Datos (Carga útil o payload)

Cab.ICMP Datos ICMP


Formato de los mensajes ICMP Todos los mensajes ICMP empiezan con una cabecera de 64 bits que consta de los siguientes campos:

• Tipo (8 bits): especifica el tipo de mensaje ICMP.• Código (8 bits): se usa para especificar parámetros del mensaje que se pueden codificar en• uno o unos pocos bits.• Suma de comprobación (16 bits): suma de comprobación del mensaje ICMP entero. Se utiliza el mismo algoritmo de suma de comprobación que en IP.• Parámetros (32 bits): se usa para especificar parámetros más largos.A estos campos les siguen generalmente campos de información adicional que especifican aún más el contenido del mensaje.

Tipo Código Checksum

0 8 16 31

Parámetros (opcional)

8B

Datos


Tipos de mensajes ICMPMensajes de error Mensajes de error

• Destino inalcanzable (tipo 3) El mensaje destino inalcanzable lo envía un router si no sabe cómo alcanzar la red destino. También lo puede enviar el host de destino si el acceso a una capa superior no es posible.

• Tiempo excedido (tipo 11) Se produce si el tiempo de vida del datagrama ha expirado (código=0), o si un host no puede completar el reensamblado dentro del margen de tiempo disponible (código=1)

• Fuente saciable (tipo 4) Es un mensaje de un host a otro para que para reduzca el ritmo al que se está enviando paquetes a ese host


0 8 16 31

No usado

8B

Cab.IP+64 bits datagrama original

Tipo 3 y 11


Tipos de mensajes ICMPMensajes de diagnóstico y/o consulta Mensajes de diagnóstico y/o consulta (ICMP query).

• A estos mensajes, dirigidos a un host o router, se les asocia un identificador y un número de secuencia que coinciden con los de paquete de respuesta . • Ping (Tipo 8)

Los mensajes eco y respuesta a eco proporcionan un mecanismo para comprobar que la comunicación entre dos entidades es posible• Traceroute (Tipo 30)

Nos dice la ruta seguida por los datagramas en una conexión. Para hacer esto, envía echos sucesivos con diferentes TTLs. Primero con TTL a 1. Esto ocasiona que el primer router envíe un ICMP de descarte por TTL=0, pero además incluirá su dirección IP. Luego se envía otro con TTL=1,2.... hasta que se reciba una respuesta de que el mensaje llegó al destino


0 8 16 31

Identificador

8B

Datos opcionales

Secuencia


Tipos de mensajes ICMPPing (ejemplo)

No hay respuestaCuatro

intentos


Tipos de mensajes ICMPTraceroute Traceroute (Tipo 30)

Nos dice la ruta seguida por los datagramas en una conexión. Para hacer esto, envía echos sucesivos con diferentes TTLs. Primero con TTL a 1. Esto ocasiona que el primer router envíe un ICMP de descarte por TTL=0, pero además incluirá su dirección IP. Luego se envía otro con TTL=1,2.... hasta que se reciba una respuesta de que el mensaje llegó al destino

ICMP tipo 11 mensaje espontáneo de error: tiempo excedido


Tipos de mensajes ICMPTraceroute (ejemplo)

Gateway local

IP destino

Nodo destino

Tiempo de espera

agotado


6. Encaminamiento


El encaminamiento IPIntroducciónEl encaminamiento es la función principal de una red de conmutación de paquetes y consiste determinar la mejor ruta a través de la red para que paquetes los paquetes procedentes de una estación emisora lleguen su estación destino. Existen dos métodos de encaminamiento: Estático o no adaptativo

• No tienen en cuenta el estado de la red al tomar las decisiones de encaminamiento. Solo existe una ruta permanente por cada par origen-destino. Dinámico o adaptativo

• Las decisiones de encaminamiento cambian en la medida que lo hacen las condiciones de la red.


El encaminamiento IPEstático vs. dinámicoEstático

• Fijo• Adecuado para casos

simples• Utiliza algoritmos de

mínimo coste• No influye el tráfico

Dinámico

• Variable en función de los valores aportados por los protocolos de enrutamiento

• Necesario en redes grandes

• Elementos de cambio: fallos y congestión


El encaminamiento IPLa tabla de enrutamientoLa tabla de encaminamiento estático se implementa mediante una matriz en la que se especifica, para cada par de nodos origen-destino, la identidad del siguiente nodo en la ruta. no es necesario almacenar la ruta completa para cada par de nodos; es suficiente conocer, para cada pareja, cuál es el primer nodo en la ruta

D NS

2 2

4 4

3 4

D NS

1 1

2 2

3 3

D NS

1 1

3 3

4 4

D NS

1 2

2 2

4 4

Nota: D es el destino y NS el nodo siguiente


El encaminamiento IPLa transmisión directa Cuando los datagramas se envían entre dos host en la misma red física, (subred) se entregarán directamente desde el origen al destino.

• Consultará su tabla ARP y si no conoce la dirección física se desatará un proceso ARP

YXZ

X Y Datos

R

Dest Por

N1 α

N2 β

Dest Por

N2 α

N1 N2

α β X

Dest Por

N1 β

Tabla ARPTabla ARP


Y

El encaminamiento IPLa transmisión indirecta Cuando dos host no están en la misma red física, la entrega de datagramas de uno al otro es indirecta . Dado que el host fuente no puede ver al destino en su red local, se debe enviar el datagrama a través de uno o más routers para entregarlo. .

XZ

X Z Datos

R

Dest Por

N1 α

N2 β

Dest Por

N2 α

N1 N2

α β X

Dest Por

N1 β

Tabla ARPTabla ARP


Y

Tabla de rutas del HostUna sola interfazEnrutamiento directo Tanto los host como los routers tienen tabla de routing ya que han tomar decisiones de enrutamiento. En el caso de los host serían:1) Si el host de destino está en la red local, los datos se entregan directamente al host de destino (Enrutamiento directo).2) Si el host de destino está en una red remota, los datos se reenvían a una puerta de enlace local (gateway).

XR

Destino Máscara Gateway Interface

138.100.56.0 255.255.252.0 * eth0

Default * 138.100.56.1 eth0

138.100.56.0/22eth0

X

Internet138.100.58.10 138.

100.

56.1


Y

Tabla de rutas del HostDos interfaces

XR

138.100.56.0/22eth0

X

Internet

138.100.58.12

Z ppp0

138.100.58.10


138.100.58.10 255.255.255.255 * ppp0

138.100.56.0 255.255.252.0 * eth0

Default * 138.100.56.1 Eth0

127.0.0.0 255.0.0.0 127.0.0.1 lo


Tabla de rutasLa entrada por defecto La entrada por defecto evita que las tablas de los routers tengan que almacenar todas las redes destino de Internet.

• Un router normalmente especifica las rutas más cercanas. El resto de rutas se indican mediante una ruta o gateway por defecto .• Al gateway por defecto se le envían aquellos datagramas que no se saben como encaminar.• Una ruta por defecto es una entrada del tipo:

Destino Máscara Gateway Interfaz

0.0.0.0 0.0.0.0 192.8.16.1 eth0


Tabla de rutas del HostComando del sistema: netstat -r Una tabla de enrutamiento, también conocida como una tabla de encaminamiento, es un documento electrónico que almacena las rutas a los diferentes nodos en una red informática.

X

Gw

X

Internet

192.

168.

1.2

192.

168.

1.25

4

https://es.wikipedia.org/wiki/Inform%C3%A1tica


Y

Tabla de rutas del router

XR


138.100.56.0 255.255.252.0 * eth0

Default * 192.8.16.1 eth1

138.100.56.0/22

eth0

X

Internet138.100.58.10 eth1


Enrutamiento indirecto internoLANs directamente conectadas El enrutamiento indirecto interno se produce cuando un router coge los datagramas de la red origen y los pone directamente (internamente) en la red de destino

• El enrutador crea automáticamente rutas hacia las redes directamente conectadas una vez que se configuran y levantan las interfacesLAN A

147.156.0.0 /16


147.156.0.0 255.255.0.0 147.156.0.1 α

213.15.1.0 255.255.255.0 213.15.1.1 β

193.146.62.0 255.255.255.0 193.146.62.1 γ

α 147.156.0.1

LAN B

213.15.1.0/8

IP: 213.15.1.2Gw: 213.15.1.1

β147.156.0.1

LAN C193.146.62.0/8

γ193.146.62.1

IP: 193.146.62.7Gw: 193.146.62.1

Ruta

s in

dire

ctas

in

tern

as


Enrutamiento indirecto Externo El enrutamiento indirecto externo se produce cuando un host quiere enviar datos a un host externo a las subredes que une su router por defecto

Destino Por202.1.1.0 202.1.1.1

203.1.1.0 203.1.1.1

204.1.1.0 203.1.1.2

LAN A202.1.1.0 /24

202.1.1.2Gw: 202.1.1.1

202.1.1.1

LAN B 203.1.1.0/24

LAN C 204.1.1.0/24

204.1.1.2Gw: 204.1.1.1203.1.1.2

203.1.1.1204.1.1.1

Destino Por

203.1.1.0 203.1.1.2

204.1.1.0 204.1.1.1

202.1.1.0 203.1.1.1

XY

Apunta al router externo Y

Los host de esta LAN deben definir

2 gateways

Nota: En la tablas de los routers solo se ha expresados las rutas indirectas externas


Enrutamiento a través de una línea serie Direccionamiento privado para la línea serie

• Dado que las interfaces serie no serán accedidas directamente por los usuarios normales es bastante frecuente utilizar en estos casos direcciones del rango privado según se especifica en el RFC 1918, para no desperdiciar direcciones públicas.

Destino Por 213.1.1.0 192.168.2.2

165.12.0.0 165.12.0.1

192.168.2.0 192.168.2.1

Destino Por165.12.0.0 192.168.2.1

213.1.1.0 213.1.1.1

192.168.2.0 192.168.2.2

XY

192.168.2.1

192.168.2.2

Red privada192.168.2.0/24

LAN B213.1.1.0

LAN A165.12.0.0/16 LAN B

213.1.1.0/24

165.12.0.1 213.1.1.1

165.12.0.2Gw:165.12.0.1

213.1.1.3Gw: 213.1.1.1



ruta por defecto

Enrutamiento en una topología en estrellaRutas por defecto

XZ

.1

.2

LAN C213.1.1.0/24

165.12.0.1 213.1.1.1

W

Y

LAN B207.1.1.0/24207.1.1.1

LAN A165.12.0.0/16

LAN D215.1.1.0/24

215.1.1.1

.2

.1

192.168.1.0/24

.2

.1

192.168.3.0/24

192.168.2.0/24

Destino Por

207.1.1.0 192.168.1.2

213.1.1.0 192.168.2.2

215.1.1.0 192.168.3.2

Destino Por

0.0.0.0 192.168.3.1

Destino Por

0.0.0.0 192.168.2.1

Enrutamiento por defecto

Destino Por

165.12.0.0 192.168.1.1

213.1.1.0 192.168.1.1

215.1.1.0 192.168.1.1



Conexión de un host a múltiples redes (multihomed)

Destino Por 204.1.1.0 203.1.1.2

LAN A202.1.1.0 /24

202.1.1.1

LAN B 203.1.1.0/24

LAN C 204.1.1.0/24

203.1.1.2203.1.1.1

204.1.1.1

Destino Por

202.1.1.0 203.1.1.1

XY

202.1.1.4 204.1.1.4

Destino Por

202.1.1.0 203.1.1.1

204.1.1.0 203.1.1.2

203.1.1.3

W

Host multihomed



ruta explícita INTERNET

Enrutamiento hacia InternetX

Y

.2

.1

LAN B213.1.1.0

Sucursal193.146.62.0 /24

Oficina principal147.156.0.0 /16

.1

192.168.1.0/24

193.146.62.7Gw: 193.146.62.1

147.156.13.5Gw:147.156.0.1

ZY

192.168.0.0/24

.1

.2

.1

Destino Por

0.0.0.0 192.168.0.2

Destino Por

0.0.0.0 192.168.1.1

193.146.62.0 192.168.0.1

PROVEEDOR DE INTERNET (ISP)

Destino Por

147.156.0.0 192.168.1.2

193.146.62.0 192.168.1.2

****** *******


Referencias[1] William Stallings: Comunicaciones y Redes de Computadores. Prentice Hall[2] J Kurose & K Ross: Computer networking (2009)[3] Andrew S. Tanenbaum: Computer Networks (4ª ed 2003). Prentice Hall[4] R.J. Cypser: Communications for cooperating systems . Addison-Wesley[5] D.Comer. Computer Networks and Internets[6] W.R. Stevens. TCP/IP Illustrated

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