2. Antecedentes
En el presente trabajo monográfico tiene como antecedentes un trabajo de fin de carrera de titulado
“Propuesta de prácticas de laboratorios de switching y routing para la carrera de ingeniería
en telemática de la UNAN-León”
“Elaboración de prácticas de Switching y Routing con IPv6 para la carrera de Ingeniería en
Telemática de la UNAN-León.”
Teniendo como punto de referencia el trabajo antes mencionado, desarrollamos un nuevo
documento en donde se proponen nuevas prácticas de laboratorios enfocado a la carrera de
Ingeniería en Telemática de la UNAN-León, que cumpla con las necesidades educativas para los
estudiantes y las exigencias que las empresas hoy en día demandan en el mercado laboral en el
área de redes.
Es válido mencionar que existen documentos y sitios web con algunos ejercicios prácticos
relacionado con este tema; sin embargo, no existe uno completo por parte de la UNAN-León con
amplios contenidos teóricos-prácticos como los que se desarrollan en el presente.
3. ¿Qué es una dirección IP?
Una dirección IP (protocolo de internet, por sus siglas en inglés) es una representación numérica que
identifica una interfaz concreta de manera única en la red.
Las direcciones IPv4 tienen una longitud de 32 bits, que permite un máximo de 4 294 967 296
(232) direcciones únicas. Las direcciones IPv6 son de 128 bits, lo que permite 3,4 x 1038 (2128)
direcciones únicas.
No obstante, el conjunto total de direcciones utilizables en ambas versiones es menor a causa de
una serie de direcciones reservadas y otros aspectos a considerar.
Las direcciones IP son números binarios, pero, generalmente, se expresan en forma decimal (IPv4)
o hexadecimal (IPv6) para facilitar su lectura y uso por parte de los humanos.
Como ya hemos dicho, IP significa «protocolo de internet» y describe un conjunto de estándares
y requisitos para crear y transmitir paquetes de datos (o datagramas) entre las redes. El protocolo
de internet (IP) es parte de la capa de internet del conjunto de protocolos de internet. En el modelo
OSI, la IP se consideraría parte de la capa de red. Tradicionalmente, IP se usa junto con un
protocolo de nivel superior, de los cuales el más frecuente es TCP. El estándar IP está regido por
la especificación RFC 791.
4. El protocolo de internet (IP)
Se ha diseñado el protocolo IP para funcionar en una red dinámica, lo que significa que IP debe
operar sin un directorio o monitor central y que no puede depender de la existencia de enlaces o
nodos específicos. IP es un protocolo sin conexión orientado a datagramas, por lo tanto, cada
paquete debe contener un encabezado con la dirección IP de origen, la de destino y otros datos
para poder entregarlo con éxito.
Todos estos factores hacen de IP un protocolo no fiable, que consigue entregar los datos con el
mejor esfuerzo. La parte de corrección de errores se realiza en otros protocolos de nivel superior,
como TCP, que es un protocolo orientado a la conexión, y UDP, que es uno sin conexión.
La mayoría del tráfico de internet es TCP/IP.
Versiones de IP
Actualmente hay dos versiones de IP en uso: IPv4 e IPv6. El protocolo IPv4 original todavía se
usa en internet y en muchas redes corporativas. Sin embargo, el protocolo IPv4 solo permite
232 direcciones que, aunque puedan parecer muchas, no lo son si tenemos en cuenta la forma de
asignarlas, así como el gran número de solicitudes de las mismas. A causa de todo ello,
podríamos encontrarnos con que no habría suficientes direcciones únicas para todos los
dispositivos conectados a internet.
El Grupo de Trabajo de Ingeniería de Internet (Internet Engineering Task Force o IETF, por sus
siglas en inglés) desarrolló el protocolo IPv6, que se formalizó en 1998. Esta actualización
incrementó sustancialmente el espacio de direcciones disponible y permite asignar hasta 2128.
Además, se incluyeron cambios para mejorar la eficiencia de los encabezados de paquetes IP, así
como mejoras en el enrutamiento y la seguridad.
5. El datagrama IP (IPv4). IP Datagrama
El datagrama IP es la unidad básica de transferencia en una red IP. El datagrama consiste de una
cabecera IP y de un campo de datos y esta encapsulado en la trama de nivel de enlace con una
longitud máxima (MTU) de 1500 bytes para ethernet.
IP puede llevar a cabo la fragmentación y reensamblaje de sus datagramas. La longitud máxima
de un datagrama IP es de 65.535 bytes. También se establece que todas las redes o hosts deben ser
capaces de soportar como mínimo datagramas de 576 bytes sin fragmentación.
Cada fragmento de un datagrama debe tener una cabecera, que será una copia de la cabecera del
datagrama original. Un fragmento es tratado como un datagrama IP normal mientras es
transportado a su destino. Sin embargo, si uno de los fragmentos se pierde, se da por perdido el
datagrama completo, al ser descartados el resto de fragmentos por el host destino. Es decir, si se
pierde un fragmento se debe retransmitir el datagrama completo. La retransmisión no es tarea del
protocolo IP, sino de los protocolos de nivel superior.
El datagrama IP se compone de una cabecera y un campo datos. Veamos el formato de la cabecera
IP, con una longitud mínima de 20 bytes:
6. Versión: Especifica la versión del protocolo IP a la que pertenece el datagrama,
actualmente se está utilizando la versión 4 del protocolo.
Longitud de la cabecera: es un campo de 4 bits, que proporciona la longitud del
encabezado del datagrama, medido en palabras de 32 bits, su valor mínimo es de 5 palabras
(5x32 = 160 bits, 20 bytes) para una cabecera correcta, y el máximo de 15 palabras (15x32
= 480 bits, 60 bytes).
Tipo de servicio: especifica prioridad y tipo de transporte.
Longitud Total: proporciona la longitud del datagrama medido en bytes, incluyendo los
bytes del encabezado y los datos.
Identificación: Es un entero de 16 bits que identifica al datagrama y lo distingue de otros
datagramas que hemos enviado. Es una especie de número de secuencia que se incrementa
cada vez que IP envía un datagrama.
Flags + Desplazamiento de fragmento: Estos campos incluyen información útil para el
mecanismo de fragmentación de datagramas. Cuando un datagrama cruza una pasarela y
al otro lado existe una red con un MTU inferior al tamaño del datagrama, la pasarela lo
fragmenta en trozos. Estos fragmentos son datagramas que viajan hacia el destino de forma
independiente, donde son recogidos por el protocolo IP para reconstruir el datagrama
original.
Tiempo de vida: Especifica la duración en segundos del tiempo que el datagrama tiene
permitido permanecer en la red.
Protocolo: Especifica que protocolo de alto nivel se empleó para construir el mensaje
transportado en el campo datos de Datagrama IP. Algunos valores posibles son: 1= ICMP,
6 = TCP, 17 = UDP, 88 = IGRP (Protocolo de Enrutamiento de Pasarela Interior de
CISCO).
Checksum de la cabecera: En este campo se almacena un Checksum de los campos de la
cabecera. Es un mecanismo simple para detectar posibles errores en los campos de la
cabecera del datagrama, los cuales podrían provocar situaciones "incómodas" en la red.
Direcciones IP origen y destino: Direcciones origen y destino del datagrama. Aunque el
datagrama viaje a través de varias pasarelas, estos campos nunca cambian.
Opciones IP: Este campo es opcional y de longitud variable, se incluye en principio para
pruebas de red o depuración.
Relleno: Campo utilizado para completar el tamaño de 32 bits en el área de datos.
7. Direcciones IPv4
Las direcciones IPv4 son básicamente números binarios de 32 bits que consisten en las dos
subdirecciones (identificadores) mencionadas anteriormente que identifican la red y el host a la
red, respectivamente, con un límite imaginario que los separa. Una dirección IP, como tal,
generalmente se muestra como 4 octetos de números, del 0 al 255, representados en forma decimal
en lugar de binaria.
Por ejemplo, la dirección 168.212.226.204 representa el número binario de 32 bits
10101000.11010100.11100010.11001100.
El número binario es importante, porque es lo que determinará a qué clase de red pertenece una
dirección IP.
Una dirección IPv4 se expresa típicamente en notación decimal con puntos, representando cada
ocho bits (octetos) mediante un número del 1 al 255, separando cada octeto por un punto. Un
ejemplo de dirección IPv4 sería así:
192.168.17.43
Las direcciones IPv4 están compuestas de dos partes. Los primeros números de la dirección
indican la red, mientras que los últimos especifican el host concreto. La máscara de subred es lo
que indica qué parte de una dirección es la de la red y qué parte se refiere al host específico.
Un paquete con una dirección de destino que no se encuentre en la misma red que la dirección de
origen se reenviará o enrutará a la red apropiada. Una vez que se encuentre en la red correcta, la
parte del host de la dirección determinará a qué interfaz se entrega el paquete.
Máscaras de subred
Cada dirección IP identifica una red y una interfaz única en la misma. También se puede escribir
la máscara de subred en notación decimal, con puntos, y determina dónde termina la parte de la
red y dónde comienza la parte del host de la dirección IP.
Cuando se expresa en binario, cualquier bit puesto a uno significa que el correspondiente bit en la
dirección IP es parte de la dirección de red. Los bits puestos a cero indican los bits correspondientes
a parte de la dirección del host en la dirección IP.
Los bits que marcan la máscara de subred deben ser unos consecutivos. La mayoría de las máscaras
de subred comienzan con 255. y continúan hasta que finaliza la máscara de red. Por ejemplo, una
máscara de subred de clase C sería 255.255.255.0.
8. Clases de direcciones IP
Antes de que las máscaras de subred de longitud variable permitieran definir redes de cualquier
tamaño, el espacio de direcciones IPv4 se dividía en cinco clases.
Clase A
En una red de clase A, los primeros ocho bits de la dirección, o el primer punto decimal, son la
parte de la red, y la parte restante es la del host. Hay 128 redes de clase A posibles.
0.0.0.0 a 127.0.0.0
Sin embargo, cualquier dirección que comience con «127.» se denomina dirección de loopback,
es decir, que apunta al propio host.
Ejemplo para una dirección IP de clase A:
2.134.213.2
Clase B
En una red de clase B, los primeros 16 bits de la dirección son la parte de la red. Todas las redes
de clase B tienen el primer bit a 1 y el segundo bit a 0. Si dividimos la dirección en octetos, nos
queda que las direcciones 128.0.0.0 a 191.255.0.0 corresponden a redes de clase B. Hay 16 384
redes de clase B posibles.
Ejemplo para una dirección IP de clase B:
135.58.24.17
Clase C
En una red de clase C, los dos primeros bits están puestos a 1 y el tercero a 0. Eso hace que los
primeros 24 bits de la dirección sean la parte de la red, y el resto, la del host. Las direcciones de
red de clase C van desde 192.0.0.0 a 223.255.255.0. Hay más de 2 millones de redes de clase C
posibles.
Ejemplo para una dirección IP de clase C:
192.168.178.1
9. Clase D
Las direcciones de clase D se utilizan para aplicaciones de multidifusión. A diferencia de las clases
anteriores, la Clase D no se utiliza para operaciones de red “comunes”. Las direcciones de clase D
tienen los primeros tres bits a “1” y el cuarto bit establecido a “0”. Las direcciones de clase D son
direcciones de red de 32 bits, lo que significa que todos los valores que podemos encontrar en el
rango 224.0.0.0 - 239.255.255.255 se utilizan para identificar grupos de multidifusión de forma
única. No hay direcciones de host dentro del espacio de direcciones de clase D, puesto que todos
los hosts dentro de un grupo comparten la dirección IP del grupo a la hora de recibir datagramas.
Ejemplo para una dirección IP de clase D:
227.21.6.173
Clase E
Las redes de clase E se definen marcando los primeros cuatro bits de la dirección de red a 1, lo que
genera las direcciones que van desde 240.0.0.0 a 255.255.255.255. A pesar de que esta clase está
reservada, nunca se definió su uso, por lo que la mayoría de las implementaciones de red descartan
estas direcciones como ilegales o indefinidas, a excepción, claro está, de 255.255.255.255, que se
utiliza como una dirección de difusión (broadcast).
Ejemplo para una dirección IP de clase D:
243.164.89.28
Resumen: clases de direcciones IP y representaciones de bits
Clase A
0. 0. 0. 0 = 00000000.00000000.00000000.00000000
127.255.255.255 = 01111111.11111111.11111111.11111111
0nnnnnnn.HHHHHHHH.HHHHHHHH.HHHHHHHH
Clase B
128. 0. 0. 0 = 10000000.00000000.00000000.00000000
191.255.255.255 = 10111111.11111111.11111111.11111111
10nnnnnn.nnnnnnnn.HHHHHHHH.HHHHHHHH
Clase C
192. 0. 0. 0 = 11000000.00000000.00000000.00000000
223.255.255.255 = 11011111.11111111.11111111.11111111
110nnnnn.nnnnnnnn.nnnnnnnn.HHHHHHHH
Clase D
224. 0. 0. 0 = 11100000.00000000.00000000.00000000
239.255.255.255 = 11101111.11111111.11111111.11111111
1110XXXX.XXXXXXXX.XXXXXXXX.XXXXXXXX
Clase E
240. 0. 0. 0 = 11110000.00000000.00000000.00000000
255.255.255.255 = 11111111.11111111.11111111.11111111
1111XXXX.XXXXXXXX.XXXXXXXX.XXXXXXXX
10. Direcciones privadas
Dentro del espacio de direcciones hay ciertas redes reservadas para redes privadas. Eso significa
que los paquetes de dichas redes no se enrutan a través de la internet pública; de este modo,
tenemos una forma perfecta para que las redes privadas usen direcciones IP internas que no
interfieran con otras redes. Las redes privadas son:
10.0.0.1 - 10.255.255.255
172.16.0.0 - 172.32.255.255
192.168.0.0 - 192.168.255.255
Direcciones especiales
Ciertas direcciones IPv4 se reservan para usos específicos:
127.0.0.0
Dirección de loopback (la propia
interfaz del host)
224.0.0.0 IP multicast
255.255.255.255
Difusión (broadcast; se envía a
todas las interfaces en la red)
Classless Inter-DomainRouting
Classless Inter-Domain Routing o CIDR (en español «enrutamiento entre dominios sin clases»)
se introdujo en 1993 por IETF y representa la última mejora en el modo de interpretar
las direcciones IP.1 Su introducción permitió una mayor flexibilidad al dividir rangos de
direcciones IP en redes separadas. De esta manera permitió:
Un uso más eficiente de las cada vez más escasas direcciones IPv4.
Un mayor uso de la jerarquía de direcciones (agregación de prefijos de red),
disminuyendo la sobrecarga de los enrutadores principales de Internet para realizar
el encaminamiento.
11. CIDR reemplaza la sintaxis previa para nombrar direcciones IP, las clases de redes. En vez de
asignar bloques de direcciones en los límites de los octetos, que implicaban prefijos «naturales»
de 8, 16 y 24 bits, CIDR usa la técnica VLSM (variable length subnet mask, en español
«máscara de subred de longitud variable»), para hacer posible la asignación de prefijos de
longitud arbitraria.
CIDR engloba:
La técnica VLSM para especificar prefijos de red de longitud variable. Una dirección
CIDR se escribe con un sufijo que indica el número de bits de longitud de prefijo, p.ej.
192.168.0.0/16 que indica que la máscara de red tiene 16 bits (es decir, los primeros 16
bits de la máscara son 1 y el resto 0). Esto permite un uso más eficiente del cada vez más
escaso espacio de direcciones IPv4
La agregación de múltiples prefijos contiguos en superredes, reduciendo el número de
entradas en las tablas de ruta globales.
12. Bloque CIDR
CIDR facilita el encaminamiento al permitir agrupar bloques de direcciones en una sola entrada
de la tabla de rutas. Estos grupos, llamados comúnmente Bloques CIDR, comparten una misma
secuencia inicial de bits en la representación binaria de sus direcciones IP. Los bloques CIDR IPv4
se identifican usando una sintaxis similar a la de las direcciones IPv4: cuatro números decimales
separados por puntos, seguidos de una barra de división y un número de 0 a 32; A.B.C.D/N.
Los primeros cuatro números decimales se interpretan como una dirección IPv4, y el número tras
la barra es la longitud de prefijo, contando desde la izquierda, y representa el número de bits
comunes a todas las direcciones incluidas en el bloque CIDR. Dado que la longitud de una
dirección IPv4 es fija, de 32 bits, un prefijo CIDR de N-bits deja bits sin encajar, y hay
combinaciones posibles con los bits restantes. Esto quiere decir que direcciones IPv4 encajan en
un prefijo CIDR de N-bits. Los prefijos CIDR cortos (números cercanos a 0) permiten encajar un
mayor número de direcciones IP, mientras que prefijos CIDR largos (números cercanos a 32)
permiten encajar menos direcciones IP. Una dirección IP puede encajar en varios prefijos CIDR
de longitudes diferentes.
CIDR también se usa con direcciones IPv6, en las que la longitud del prefijo varía desde 0 a 128,
debido a la mayor longitud de bit en las direcciones, con respecto a IPv4.
CIDR y máscara de subred.
Una máscara de subred es una máscara que codifica la longitud del prefijo de una forma similar a
una dirección IP - 32 bits, comenzando desde la izquierda, ponemos a 1 tantos bits como marque
la longitud del prefijo, y el resto de bits a cero, separando los 32 bits en cuatro grupos de ocho bits.
CIDR usa máscaras de subred de longitud variable (VLSM) para asignar direcciones IP a subredes
de acuerdo a las necesidades de cada subred. De esta forma, la división red/host puede ocurrir en
cualquier bit de los 32 que componen la dirección IP. Este proceso puede ser recursivo, dividiendo
una parte del espacio de direcciones en porciones cada vez menores, usando máscaras que cubren
un mayor número de bits. Las direcciones de red CIDR/VLSM se usan a lo largo y ancho de la
Internet pública, y en muchas grandes redes privadas.
Agregaciónde prefijos.
Otro beneficio de CIDR es la posibilidad de agregar prefijos de encaminamiento, un proceso
conocido como "supernetting". Por ejemplo, dieciséis redes /24 contiguas pueden ser agregadas y
publicadas en los enrutadores de Internet como una sola ruta /20 (si los primeros 20 bits de sus
respectivas redes coinciden). Dos redes /20 contiguas pueden ser agregadas en una /19, etc.
Esto permite una reducción significativa en el número de rutas que los enrutadores en Internet
tienen que conocer (y una reducción de memoria, recursos, etc.) y previene una explosión de tablas
de encaminamiento, la dirección menor (más baja - todos los bits de host a 0) del bloque se usa
para identificar a la propia red (toda la red), y la dirección mayor (la más alta - todos los bits de
host a 1) se usa como dirección de Broadcast. Por tanto, en un bloque CIDR /24 podríamos
disponer de direcciones IP para asignar a dispositivos.
13. Problemas con IPv4
La necesidad de un espacio de direcciones extenso está forzando a un cambio inmediato en el
Protocolo de Internet, debido a las limitaciones que presenta el protocolo actual.
Problemática de IPv4
Independencia de Protocolo: El sistema de direccionamiento no asegura que las
direcciones de emisor y receptor sean auténticas.
Transporte de datos: Cada paquete recibe tratamiento independiente.
Servicio no fiable:
IP ofrece un servicio no fiable en dos sentidos:
No se garantiza la entrega de un datagrama.
No se comprueba la integridad de los datos del datagrama (sí, en parte, de la cabecera).
TCP: Se encarga de asegurar la entrega, mediante asentimientos (ACK) y retransmisiones, pero lo
hace extremo a extremo.
El protocolo de Internet no tiene un control exacto del tráfico, lo que permite eliminar, redirigir o
inyectar datagramas.
Flexibilidad en la asignación de rangos de direcciones:
Agotamiento de direcciones clase B (corto plazo).
Agotamiento del espacio total de direcciones IP (medio plazo).
14. Solucióna problemática conIpv4
Trabajarcon el protocolo Ipv6 ¿Porqué?
Expansión de las capacidadesde direccionamiento:
IPv6 incrementa el tamaño de las direcciones de 32 bits (IPv4) a 128 bits, para soportar
más niveles en la jerarquía de direccionamiento, un número mayor de nodos
direccionales, y un sistema de autoconfiguración de direcciones.
Se añade un nuevo tipo de dirección, la llamada “anycast”, de forma que es posible
enviar un paquete a cualquier nodo entre un grupo de ellos.
Simplificación de la cabecera:
Algunos campos de la cabecera del IPv4 son eliminados o pasan a ser opcionales.
Capacidades de controlde flujo:
Se añaden capacidades que permiten marcar los paquetes que pertenezcan a un
determinado tipo de tráfico, para el cual el remitente demanda una calidad mayor a la
especificada por defecto o servicios en tiempo real.
Capacidades de autenticacióny privacidad de datos:
IPv6 provee extensiones para soportar autenticación, e integridad y confidencialidad de
datos.
Mayor flexibilidad para extensiones y nuevas opciones:
En IPv6 no existe un campo “opciones”, como tal. La gestión de opciones se realiza por
un campo “siguiente cabecera”. Eliminando así las limitaciones de tamaño en la cabecera,
e introduciendo una gran flexibilidad en el desarrollo de nuevas opciones.
15. ¿Porqué cambiar a IPv6?
La versión 4 del protocolo de Internet IP proporciona los mecanismos de comunicación básicos
del conjunto TCP/IP y de la red global del Internet; ha probado ser un diseño flexible y
poderoso. Desde el momento en que se diseñó el protocolo IPv4, las tecnologías LAN, WLAN y
WAN han emergido y el número de anfitriones en Internet ha crecido gradualmente. La
tecnología básica TCP/IP ha funcionado bien por mucho tiempo. ¿Por qué debería cambiarse?
Se han agotado las direcciones IPv4.
IPv6 ha sido diseñado para serfácil: Una de las características de IPv6 es que
sea transparente para los usuarios y especialmente en cuanto a la configuración de sus
redes y dispositivos, es lo que denominamos “autoconfiguración”.
Hay que recuperarla conectividad extremo a extremo:una de las medidas
adoptadas ha sido el uso de traductores de direcciones (NAT). Estos traductores de
direcciones implican que no es posible la conexión directa extremo a extremo y como
consecuencia, solo funcionan correctamente en las aplicaciones cliente-servidor, y por
tanto Internet se ha convertido en una red mucho más compleja, cara y difícil de
gestionar.
Es necesario incrementarla seguridad en Internet: A menudo se asocia NAT
a seguridad, lo cual es incorrecto. La mejor seguridad la suministran los cortafuegos y
otros dispositivos especializados. IPv6 no es más seguro que IPv4, sin embargo, el
estándar obliga a incorporar el protocolo IPsec (seguridad IP), y al no requerir NAT, se
puede utilizar IPsec extremo-a-extremo, lo cual puede utilizarse para incrementar la
seguridad en la Red.
Porque disponemos de un número casiilimitado de direcciones:Con IPv4
cada usuario recibe una única dirección, que sólo la puede utilizar el encaminador
(routers) o NAT. En cambio, con IPv6, cada usuario, reciben un conjunto de direcciones,
con un prefijo /48, es decir, de 48 bits.
Se pueden utilizar sistemas de multidifusión: Los sistemas de multidifusión
(Multicast) también son posibles con IPv4, pero son mucho más costosos y complicados
de manejar. Con multidifusión IPv6 aprovecharemos mejor la capacidad de las redes para
servicios de valor añadido de vídeo y audio sobre redes de banda ancha.
El protocolo IPv6 no tiene límites.
