Protocolos de Comunicación: Una Introducción a la Red IP, Diapositivas de Diseño de Redes

¡Descarga Protocolos de Comunicación: Una Introducción a la Red IP y más Diapositivas en PDF de Diseño de Redes solo en Docsity!

PROTOCOLOS

DE COMUNICACIÓN

PROTOCOLOS

COMUNICACIÓN

de

FORMACIÓN EN AMBIENTES VIRTUALES DE APRENDIZAJE SERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

Introducción

Son varias las tecnologías que permiten el desarrollo de las redes. Una de ellas son los protocolos que se usan para transmisión de datos. Estos protocolos han evolucionado desde de la creación de las redes en los años 70.

En esa época se desarrolló la red Arpanet por parte del departamento de justicia de los EE.UU. que pretendía enlazar una serie de instalaciones académicas y civiles a lo largo de todo el país. El legado de ese proyecto fue la familia de protocolos TCP/IP con los cuales se construyó el modelo de referencia del mismo nombre (Tanenbaum, 2011).

Teniendo en cuenta este modelo y el aporte de la academia e industria, el organismo internacional de estandarización ISO propuso otro modelo de referencia llamado OSI que también es abordado en este recurso.

Por otra parte se hace énfasis en el direccionamiento planteado por el protocolo IP que permite la identificación tantos de equipos individuales llamados hosts como la identificación y segmentación de redes a través de direcciones IP.

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

Mapa de contenido

PROTOCOLOS

COMUNICACIÓN

de

Modelos de referencia

Capas Capas Direccionamiento

Tipos Definición

Dirección IP

Protocolos

MODELO OSI

PROTOCOLOS IP MODELO TCP/IP

APLICACIÓN

1 2 3 4 5 6 7

PRESENTACIÓN

RED TRANSPORTE SESIÓN

FÍSICA ENLACE DE DATOS

1 2 3 4

TRANSPORTE APLICACIÓN

ENLACE INTERNET DIRECCIONAMIENTOIP V6 DIRECCIONAMIENTOIP V

DIRECCIONAMIENTOCON CLASES DIRECCIONAMIENTOSIN CLASES

NÚMERO DE 32 BITSESTRUCTURA: DIVIDIDO EN GRUPOSDE 8 BITS U OCTETOS

NOTACIÓN:X.X.X.X

ESTA BASADO EN ELCONCEPTO DE INTERDOMAINCLASSLESS ROUTING PROTOCOLO CIDR

1.0.0.0 HASTACLASE A 127.255.255. 128.0.0.0 HASTACLASE B 191.255.255. 192.0.0.0 HASTACLASE C 223.255.255. 224.0.0.0 HASTACLASE D 239.255.255. 240.0.0.0 HASTACLASE E 255.255.255.

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

El nivel superior utiliza los servicios de los niveles inferiores. Cada nivel se comunica con su similar en otras computadoras, pero debe hacerlo enviando un mensaje a través de los niveles inferiores en la misma computadora.

La comunicación internivel está bien definida. El nivel N utiliza los servicios del nivel N-1 y proporciona servicios al nivel N+1.

Puntos de acceso: entre los diferentes niveles existen interfaces llamadas “puntos de acceso” a los servicios.

Dependencias de Niveles: cada nivel es dependiente del nivel inferior y también del superior.

Encabezados: en cada nivel se incorpora al mensaje un formato de control. Este elemento de control permite que un nivel en la computadora receptora se entere de que su similar en la computadora emisora está enviándole información. Cualquier nivel dado puede incorporar un encabezado al mensaje. Por esta razón se considera que un mensaje está constituido de dos partes: encabezado y cuerpo.

La incorporación de encabezados es necesaria aunque representa un lote extra de información, lo que implica que un mensaje corto pueda ser voluminoso. Sin embargo como la computadora destino retira los encabezados en orden inverso a como fueron incorporados en la computadora origen, finalmente el usuario sólo recibe el mensaje original.

Unidades de información: en cada nivel, la unidad de información tiene diferente nombre y estructura:

La descripción de los siete niveles es la siguiente:

APLICACIÓN

PRESENTACIÓN

SESIÓN

TRANSPORTE

RED

ENLACE DE DATOS

FÍSICO

Figura 1. Capas del modelo OSI.

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

1.1.1. Nivel Físico.

Su función es gestionar las características físicas de la conexión de red.

♦ Definir conexiones físicas entre computadoras.

♦ Describir el aspecto mecánico de la interfaz física.

♦ Describir el aspecto eléctrico de la interfaz física.

♦ Describir el aspecto funcional de la interfaz física.

♦ Definir la técnica de transmisión.

♦ Definir el tipo de transmisión.

♦ Definir la codificación de línea.

♦ Definir la velocidad de transmisión.

♦ Definir el modo de operación de la línea de datos.

1.1.2. Nivel enlace de datos.

Se refiere al direccionamiento físico, arbitraje, detección de errores y estructura de trama.

♦ Detecta errores en el nivel físico.

♦ Establece esquema de detección de errores para las retransmisiones o reconfiguraciones de la red.

♦ Establece el método de acceso que la computadora debe seguir para transmitir y recibir mensajes.

Realiza la transferencia de datos a través del enlace físico.

♦ Envía bloques de datos con el control necesario para la sincronía.

♦ En general controla el nivel y es la interfaces con el nivel de red, al comunicarle a éste una transmisión libre de errores.

1.1.3. Nivel de Red.

Tiene como objetivo el direccionamiento lógico, enrutamiento y el control de congestión.

♦ Es responsabilidad de este nivel establecer, mantener y terminar las conexiones.

♦ Proporciona el enrutamiento de mensajes, determinando si un mensaje en particular deberá enviarse al nivel 4 (Nivel de transporte) o bien al nivel 2 (Enlace de datos).

♦ Conmuta, enruta y controla la congestión de los paquetes de información en una subred.

♦ Define el estado de los mensajes que se envían a nodos de la red.

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

1.1.7. Nivel Aplicación.

Su función es la comunicación directa con la propia aplicación.

♦ Proporciona comunicación entre dos procesos de aplicación, tales como: programas de aplicación, aplicaciones de red, entre otros.

♦ Proporciona aspectos de comunicaciones para aplicaciones específicas entre usuarios de redes: manejo de la red, protocolos de transferencias de archivos (ftp), etc.

2. Protocolos de comunicación en redes.

Los protocolos son los estándares que permiten que los computadores puedan comunicarse en la red. Se pueden asimilar como los lenguajes, si se habla español, se necesita de un receptor que hable español para que entienda el mensaje.

Los protocolos definen básicamente:

♦ Cómo los computadores se identificarán unas con las otros en una red específica.

♦ La forma que deben tomar los datos para ser transmitidos.

♦ Cómo la información debe ser procesada cuando llegue a su destino.

2.1. Protocolos TCP/IP.

Son las siglas de “Transmission Control Protocol/Internet Protocol”, éste es el conjunto establecido de normas de transporte y lenguaje definido para la red Internet e incorporado por otras redes. Es también el protocolo más utilizado en comunicación en redes.

Es importante anotar que TCP/IP es la unión de los dos protocolos más representativos: el protocolo de la capa de transporte TCP y el protocolo de la capa de red IP.

TCP es un protocolo de transmisión de paquetes y orientado a la conexión. Cuando un computador necesita mandar a otro un archivo, lo primero que hace es partirlo en trozos pequeños (alrededor de unos 4 Kb) y posteriormente enviar cada trozo por separado. Cada paquete de información contiene la dirección en la red donde ha de llegar y también la dirección del remitente por si hay que recibir respuesta. Los paquetes viajan por la red de forma independiente.

IP es un protocolo de la capa de red que realiza el enrutamiento de los paquetes. Como entre dos puntos de la red puede haber muchos caminos posibles cada paquete es enviado por el camino óptimo en ese momento. Lo anterior depende de factores como saturación de las rutas o atascos.

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

Esto permite que Internet sea una red con alta disponibilidad ya que, por su propia dimensión y complejidad, existen cientos de vías alternativas para un destino concreto, por lo que, aunque fallen servidores o enrutadores intermediarios o no funcionen correctamente algunos canales de información, en la práctica siempre existe comunicación entre dos puntos de la red.

A continuación, las capas que componen el modelo de referencia TCP/IP.

CAPA DE APLICACIÓN

CAPA DE TRANSPORTE

CAPA DE INTERNET

CAPA DE ENLACE

Figura 2. Capas del modelo de referencia TCP/IP

2.1.1. Capa de aplicación.

El modelo TCP/IP combina todos los aspectos relacionados con las aplicaciones en una sola capa y garantiza que estos datos estén correctamente empaquetados para la siguiente capa.

Ejemplos de protocolos que se implementan en esta capa son HTTP, SMTP, RTP, DNS.

2.1.2. Capa de transporte.

Esta capa se refiere a los aspectos de calidad del servicio con respecto a la confiabilidad, el control de flujo y la corrección de errores. Uno de sus protocolos, el protocolo para el control de la transmisión (TCP), ofrece maneras flexibles y de alta calidad para crear comunicaciones de red confiables, sin problemas de flujo y con un nivel de error bajo. TCP es un protocolo orientado a la conexión que mantiene un diálogo entre el origen y el destino mientras empaqueta la información de la capa de aplicación en unidades denominadas segmentos. “Orientado a la conexión” significa que los segmentos de Capa 4 viajan de un lado a otro entre dos hosts para comprobar que la conexión exista lógicamente para un determinado período. Esto se conoce como conmutación de paquetes.

Ejemplos de protocolos que se implementan en esta capa son TCP y UDP.

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

Se puede observar que el modelo TCP/IP no tiene contemplado una capa física. Por otra parte las capas de Sesión, Presentación y Aplicación son aglutinadas en una sola.

2.2. Protocolo IP v4.

Este es el protocolo encargado de realizar el enrutamiento de los trozos de información a lo largo de la red o las redes. Su concepto se asemeja al de un mensajero que debe repartir la correspondencia en una manzana, un barrio o una localidad o aglomeración de barrios. Lo primero que hace este protocolo es identificar los componentes. Estos últimos se pueden ser de dos tipos: hosts o equipos y redes o subredes.

De la misma forma como las casas tienen una dirección para poder ubicarlas así mismo el protocolo IPv4 usa un número de 32 bits, los cuales están divididos en cuatro partes de ocho bits. A cada una de las cuatro partes en que se divide la dirección también se le llama “octeto”. A continuación, se muestra la estructura de las direcciones IP.

8 BITS 8 BITS 8 BITS 8 BITS

Figura 4. Estructura de una dirección IP v

La dirección IP es número basado en el protocolo IPv4 el cual identifica a un equipo de la red. El número total de direcciones IP disponibles es de 232 que equivale a 4.294.967. direcciones.

2.3. Protocolo IP v6.

El número total de direcciones IPv4 disponibles se está agotando y es por eso que se propuso una nueva versión del direccionamiento ya no de 32 bits sino de 128. Una vez se haya implementado este protocolo el número de direcciones IPv6 será de 2128 o 3,4 x 1038.

Esto permite (BONAVENTURE, 2017):

♦ Mayor espacio para las direcciones. El tamaño de las direcciones IP cambia de 32 bits a 128 bits.

♦ Paquetes IP eficientes y extensibles, sin que haya fragmentación en los enrutadores, alineados a 64 bits y con una cabecera de longitud fija, más simple, que agiliza su procesado por parte del enrutador.

♦ Posibilidad de paquetes con carga útil (datos) de más de 65.355 bytes.

♦ Seguridad en el núcleo del protocolo (IPsec). El soporte de IPsec es un requerimiento del protocolo IPv6.

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

♦ Capacidad de etiquetas de flujo. Puede ser usada por un nodo origen para etiquetar paquetes pertenecientes a un flujo de tráfico particular, que requieren manejo especial por los enrutadores IPv6, tal como calidad de servicio no por defecto o servicios de tiempo real. Por ejemplo, videoconferencia.

♦ Características de movilidad. La posibilidad de que un nodo mantenga la misma dirección IP, a pesar de su movilidad.

2.4. Estructuración de las direcciones IP.

El protocolo IP se encarga de enrutar los paquetes a través de una o varias redes que pueden estar formadas por unos pocos hosts, como es el caso de una red en el hogar hasta miles de millones de hosts como es el caso de Internet.

Para lograr mayor eficiencia en el envío de datos el protocolo IP divide las redes en un modelo jerárquico llamado direccionamiento de clase o “classful”. Este direccionamiento crea el concepto de red y lo incorpora dentro del direccionamiento.

Las direcciones IP de clase pueden ser: clase A, clase B, clase C, clase D y clase E.

Cada clase se caracteriza por tener una parte de la dirección para identificar la red (Network ID) y otra parte para identificar los dispositivos (hosts). Dependiendo de cuántos bits se destinen para cada uno de esos elementos surgen diferentes configuraciones de redes.

La fórmula para calcular el número de redes disponibles en cada clase es:

Número de redes = 2

n donde n es el número de bits disponibles para la red.

La fórmula para calcular el número de hosts disponibles es:

Número de host = 2

n

• 2 donde n es el número de bits disponibles para los hosts.

Las dos direcciones que se restan de los hosts son las siguientes:

a. La dirección de la red: es una forma de identificar una red. En las direcciones de clase comienza por cero. Ejemplo la red 192.168.1.0. b. La dirección de broadcast: es una dirección especial que usan los protocolos para realizar una comunicación grupal con la red. En las direcciones de clase terminan en 255. Ejemplo 192.168.1.255.

Otro concepto que acompaña el direccionamiento es la máscara de red y se representa a través de un número que se escribe en la notación de direcciones IP. Este número se calcula

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

2.4.2. Direcciones clase B.

Clase B: (^) Red Red

16 Bits

Host Host

Figura 7. Estructura de las direcciones clase B

La máscara de red de la clase B es 255.255.0.0, las direcciones de red van desde 128.0.0. hasta 191.255.0.0.

Dirección IP (^190 50 )

Ejemplo de dirección clase B

Mascara

RED EQUIPOS

(^255 255 )

Figura 8. Ejemplo de una dirección clase B

2.4.3. Direcciones clase C.

Clase C: (^) Red Red

8 Bits

Red Host

Figura 9. Estructura de las direcciones clase C

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

La máscara de red de esta clase es 255.255.255.0, las direcciones de red van desde 192.0.0. hasta 223.255.255.0.

Dirección IP 190 100 20

Ejemplo de dirección clase C

Mascara

100

RED EQUIPOS

255 255 255^0

Figura 10. Ejemplo de una dirección clase C

2.4.4. Direcciones clase D.

Octeto: 1 110 2 3 4

Porción de red Porción de Host

Figura 11. Estructura de una dirección clase D

La dirección Clase D se creó para permitir multicast en una dirección IP. Una dirección multicast es una dirección exclusiva de red que dirige los paquetes con esa dirección destino hacia grupos predefinidos de direcciones IP.

Por lo tanto, una sola estación puede transmitir de forma simultánea una sola corriente de datos a múltiples receptores. Los primeros bits de estas direcciones para esta clase son “1110” y van desde 224 hasta 239 (en el primer octeto).

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

El direccionamiento privado fue un esfuerzo para reducir la velocidad con que se estaban agotando el direccionamiento IP de la red Internet. De esta forma las organizaciones no tenían que tener una IP pública por cada equipo sino por servidor. Como los equipos con direccionamiento privado no podían ver por sí solos la red Internet se creó el concepto de NAT o Network Address Translation.

Con este concepto los servidores se encargan de tomar las solicitudes de acceso a Internet de sus hosts y hacen el puente con esa red pública. El equipo o servidor que realiza esta función se denomina proxy.

3. Subredes.

Hasta 1993 cada dirección IP tenía una estructura definida para la cantidad de hosts y redes. Este concepto se llama direccionamiento entero de redes o “Classful IP Addressing” (TANENBAUM, 2011). Bajo este concepto solo se podían asignar direcciones de red ya fueran clase A, B o C de manera completa.

Lo anterior estaba llevando a un agotamiento prematuro del direccionamiento IPv4 lo que llevó al organismo regulador llamado “Internet Engineering Task Force” o IETF a tomar acciones al respecto. Es así como se introdujo el concepto de enrutamiento entre dominios sin clase (en inglés “Classless Interdomain Routing”) o CIDR que creó el concepto de subredes con máscara variable.

En términos prácticos lo que hizo la IETF fue introducir la posibilidad de asignar el direccionamiento IP fraccionado. Antes de 1993 se manejaban direcciones IP (tipo A, B o C) completas. A partir de la introducción del CIDR fue posible asignar porciones de un direccionamiento IP y de esta forma frenar el agotamiento prematuro de las direcciones IP bajo la concepción inicial de clases.

Además, con las subredes se pretende mejorar el manejo y desempeño de las redes.

3.1. Estructura de las subredes.

Es importante recalcar que las subredes son un mecanismo que se usa para una mejor administración y desempeño de las redes.

Un ejemplo común se da con los proveedores de servicios de Internet o ISP. Estos últimos tienen asignadas direcciones IP que permiten conectar gran número de hosts como son las direcciones clase A (16 millones de hosts), clase B (65.534 hosts) o incluso clase C ( hosts). Es probable que en realidad tengan asignado una subred clase A o varias redes clase B, entre otros.

Si un ISP no utiliza subredes tendrá una red con direcciones IP repartidas geográficamente sin ningún orden. Por ejemplo, la dirección x1 puede estar en el norte de la ciudad mientras que la dirección x2 puede estar en el sur de la ciudad o incluso en otro municipio.

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

El tema más crítico es el broadcasting. Si no hay subredes quiere decir que solo hay una dirección de broadcast o difusión. Esta dirección es usada por los host para determinar los servidores y dispositivos de comunicaciones a los cuales solicitan servicios.

Usando subredes los ISP’s, empresas y organizaciones pueden segmentar el territorio y usar subredes para atender segmentos específicos.

El concepto bajo el cual se crean las subredes se basa en el hecho de tomar bits destinados a los hosts para identificar las redes como se muestra a continuación:

Figura 14. Concepto general de subredes. Tomado de: Wikimedia Commons.

Hay que tener en cuenta que las direcciones tipo D y E no aplica el concepto de subredes.

3.1.1. Subredes clase A.

En las direcciones clase A el primer octeto se usa para identificar la red y los demás para identificar los hosts. Para crear subredes se prestan bits del segundo, tercero y cuarto octeto. Dependiendo de cuántos bits destinados a los hosts se tomen para identificar redes se podrán crear las siguientes subredes:

Network Bits

8 255.0.0.0 0 1 16777214

9 255.128.0.0 1 2 8388606

10 255.192.0.0 2 4 4194302

11 255.224.0.0 3 8 2097150

12 255.240.0.0 4 16 1048574

13 255.248.0.0 5 32 524286

14 255.252.0.0 6 64 252142 15 255.254.0.0 7 128 131070

16 255.255.0.0 8 256 65534

17 255.255.128.0 9 512 32766

18 255.255.192.0 10 1024 16382

Subnet Mask Bits Borrowed Subnets Hosts/Subnet