Capa de Red Protocolo IP y Encaminamiento

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1 Curso 2004 Capa de Red Protocolo IP y Encaminamiento Agenda? La capa de red? Internetworking? Protocolo IP? Modelo de Servicio de IP? Direccionamiento (IP v4)? Estructura del Datagrama IP? Protocolo ICMP? Encaminamiento o Ruteo IP? Guía de Lectura Bibliografía William Stallings. Comunicaciones y Redes de Computadores. Sexta Edición. Prentice Hall. Stevens, W. TCP/IP Illustrated Vol I. Adisson Wesley Chuck Semeria. Understanding IP Addressing: Everything You Ever Wanted To Know. 3Com. Disponible en: JTP Mg. Gabriel H. Tolosa tolosoft@unlu.edu.ar Atención: Estos apuntes deben ser usados como referencia de los temas vistos en clase. No son, ni intentan ser un texto de estudio. El contenido de estos apuntes no alcanza para la aprobación, ya que sólo enumeran los temas vistos. Para estudiar la asignatura, por favor referirse a la bibliografía de referencia. 1

2 1. La Capa de Red Universidad Nacional de Luján Motivación Diferentes tipos (tecnologías) de redes, con características diferentes? LAN? WAN Sin embargo, diferentes tecnologías:? Utilizan diferentes medios? Utilizan diferentes métodos de acceso al medio? Poseen esquemas de direccionamiento propios? Cada una define un formato de trama propio (y MTU)? Los protocolos definen temporizadores, utilizan técnicas de detección de errores y control de flujo y diferentes tipos de servicio (c/conexión, s/conexión) Ninguna tecnología puede satisfacer todas las necesidades => la heterogeneidad es inevitable Aunque es altamente deseable un servicio universal, las incompatibilidades entre el hardware de red y el direccionamiento físico impiden a una organización construir una red con vinculada con puentes que incluya tecnologías arbitrarias Douglas Comer Funciones de la capa de red? Proveer una abstracción de la tecnología subyacente, ocultando la heterogeneidad? Crear una red virtual con:? Esquema de direccionamiento propio? Esquema de nombres (si hay) propio? Pasar datos de una red a otra (encaminamiento o ruteo)? Mantener información de estado y contabilidad (accounting)? Gestionar las congestiones Interredes o Internets (Internetworks) Conjunto de redes heterogéneas conectadas mediante sistemas intermedios (ruteadoes/gateways) 2

3 RED 1 Ruteador (GW) RED 2 (Una interface en cada red) Un ruteador puede interconectar redes con diferentes tecnologías de enlace, a través de la capa de red:? Se implementa por software? El sistema resultante aparece (y se comporta) como homogéneo.? Caso paradigmático: Internet (definida por la pila de protocolos TCP/IP) 2. Internetworking Objetivo: Construir un sistema de comunicaciones que:? Oculte la heterogeneidad (a las capas superiores, pero especialmente al usuario)? Aparezca como único (sin costuras )? De propósito general (independiente de las aplicaciones)? De alcance global Solución:? Crear una red virtual que:? Defina un esquema de direccionamiento global? Defina un esquema de nombres? Se implemente mediante software (tanto en hosts como en ruteadores) 3

4 3. Protocolo IP Protocolo de capa red de la pila TCP/IP (RFC 791) Define una única red virtual sobre las diferentes clases de plataformas de comunicaciones subyacentes Especifica Esquema de direccionamiento Formato de mensaje Mecanismo de encaminamiento 3.1 Modelo de Servicio de IP? Basado en datagramas (no orientado a la conexión)? Entrega basada en el mejor esfuerzo (servicio no confiable)? Los datagramas se pueden perder? Los datagramas son entregados fuera de orden? Pueden entregarse duplicados? Los datagramas se pueden demorar en la red? Permite fragmentación (y ensamblado)? Control de errores? Solo Checksum de la cabecera? Mensajes de error => ICMP 4

5 ? End-to-end Argument? Control de flujo => No hay? Encaminamiento? Tablas de rutas en sistemas finales y sistemas intermedios? Source routing y record routing Principio de robustez Sea liberal en los que acepta y conservador en lo que envíe Jon Postel (Creador de TCP), 1981 Encapsulamiento en PDU de enlace Sobre Ethernet Reframing 5

6 3.2 Direccionamiento (IP v4)? Direcciones de 32 bits (4 bytes) notadas con decimales separados por puntos, por ej ? Divididas en dos partes Prefijo? identificador (dirección) de red (Información usada para ruteo) Sufijo? identificador (dirección) de host (interface específica dentro de una red) Una autoridad global asigna prefijos únicos a las redes Un administrador local asigna sufijos únicos a los hosts Una dirección IP no identifica un equipo (computadora/router) específico, sino que identifica una interface de un host en una red (conexión/vinculación). Un equipo con acceso a múltiples redes (por ejemplo, un router) debe tener asignada una dirección IP por cada una de éstas. Clases de direcciones 6

7 Direcciones especiales Prefijo Sufijo Significado Uso Todos-0 Todos-0 Este host Bootstrap Alguna-red Todos-0 Dirección de red Identifica la red Alguna-red Todos-1 Broadcast directo Dirección de broadcast de la red especificada Todos-1 Todos-1 Broadcast limitado Dirección de broadcast de la red local 127 Cualquiera Loopback Testeo/Pruebas Ejemplo de direccionamiento Subnetting (RFC950) Problema: Redes con un número muy grande de hosts? Administración? Performance? Espacio de direcciones IP limitado Solución: División en redes menores (vinculadas por un router)? Subnetting Requiere información de división de prefijo y sufijo? Máscara de red Beneficios: Permite una mejor distribución de direcciones ante la creciente demanda Facilita el control del espacio de direcciones Permite ocultar la estructura interna de la red Reduce las tablas de rutas en routers Cómo se asigna una subred? La dirección de host (original) se divide en dos 7

8 Por ejemplo: la dirección clase B puede ser dividida en subredes: Subred #1: x donde x es cada host Subred #2: x de la subred (1-254) Máscara de subred Números de 32 bits (notados en decimal separados por puntos) que indican qué parte de la dirección completa corresponde a red y (subred) y qué parte a host. Regla: Los bits en 1 cubren la porción de la dirección correspondiente a red y subred Entonces: Dirección IP AND Máscara = Dirección de Red Ejemplos de interpretación Dirección IP Máscara ? Host 71 de la subred ? Host 3 de la subred ? Host 4 de la subred ? Host 15.2 de la subred

9 3.3 Estructura del Datagrama IP Vers : Versión (=4) Hlen: Longitud de la cabecera, en palabras de 32 bits (sin opciones, hlen = 5) TOS: Tipo de Servicio Total Length: Longitud total del datagrama (max. 64 kb, incluyendo header) Identification: ID del datagrama (usado en fragmentación/ensambado). OJO!, No es un número de secuencia. Flags: Banderas (usadas en fragmentación/ensambado) Frag.Offset: Desplazamiento del fragmento (usado en fragmentación/ensamblado) Time to Live: Cantidad de saltos que puede atravezar el datagrama (originalmente, # segundos) Protocol: Protocolo: Código de protocolo de nivel superior (TCP=6) Header checksum: Checksum de la cabecera Source Address: Dirección IP origen Destination Address: Dirección IP destino Options: Opciones (Source routing, record route) 9

10 Fragmentación y Ensamblado Cada red define su MTU Ethernet: 1500 bytes FDDI: 4500 bytes Estrategia => Fragmentar cuando sea necesario (Datagrama > MTU) Banderas? Los fragmentos son datagramas completos? Fragmentan los sistemas intermedios? Ensambla el sistema final? Re-fragmentación es posible R DF MF Reservada 0 Puedo fragmentar 0 Último fragmento 1 No puedo fragmentar 1 Hay más fragmentos Offset: Distancia del fragmento desde el comienzo del datagrama original, medida en unidades de octetos. Ejemplo Datagrama de 1600 bytes (20 bytes header bytes data). ID: fragmentos Fragmento #1: 20 bytes header bytes data. ID: 327, Offset =0, MF=1 Fragmento #2: 20 bytes header bytes data. ID: 327, Offset =75 (600/8), MF=1 Fragmento #3: 20 bytes header bytes data. ID: 327, Offset =150 (1200/8), MF=0 Problemas? El reensamblado es un proceso relativamente costoso? El destino no sabe cuántos fragmentos forman el datagrama original (buffer por si es de tamaño máximo)? Si se pierde un fragmento no es posible recuperarse del error (Se genera un mensaje ICMP) 4. Protocolo ICMP (Internet Control Message Protocol) IP es un protocolo de Mejor esfuerzo, por los tanto no se puede recuperar de situaciones de error. Si puede detectar:? Bit corruptos? Direcciones ilegales? Loops en rutas? Pérdida de fragmentos 10

11 Se auxilia del protocolo ICMP para reportar errores (Por ejemplo: ttl excedido, destino no alcanzable) e información de la red (ping, traceroute) al origen de un mensaje IP (sin embargo, NUNCA se generan mensajes ICMP por errores producidos por otro mensajes ICMP) Un mensaje ICMP se encapsula dentro de un datagrama IP. Estructura de los mensajes ICMP type: Tipo de mensaje code: código de mensaje (información con más detalle) checksum content: contenido específico Ejemplos: type = 8 echo request type = 0 echo reply Utilizados en el programa de diagnóstico ping type = 3 type = 5 type = 11 destination unreachable Especifica si una red o un host (port) no se puede alcanzar route change request (ICMP Redirect) Usado por ruteadores para sugerir una ruta más adecuada a un host Time Exceeded Enviado por un router cuando el TTL en un datagrama llegó a cero. Ojo, no es una solicitud de retransmisión. Enviado por un host cuando en timer de reensamblado expiró (se perdieron fragmentos) 11

12 4.1 PING Herramienta de depuración? Información de RTT (Variación de la latencia entre origen y destino)? Destino alcanzable (ruteable)? La pila de protocolos es funcional? Pérdida de paquetes Salida tolosoft@s10:~$ ping PING ( ): 56 data bytes 64 bytes from : icmp_seq=0 ttl=236 time=205.0 ms 64 bytes from : icmp_seq=1 ttl=237 time=174.8 ms 64 bytes from : icmp_seq=2 ttl=238 time=201.7 ms 64 bytes from : icmp_seq=3 ttl=237 time=203.7 ms 64 bytes from : icmp_seq=4 ttl=239 time=196.7 ms ping statistics packets transmitted, 5 packets received, 0% packet loss round-trip min/avg/max = 174.8/196.3/205.0 ms 4.2 Traceroute Determina la ruta activa a un destino. Cómo? Utilizando mensajes ICMP. 1) Se envía un mensaje a un puerto UDP no utilizado en destino con TTL = 1 2) El primer router en la ruta decrementa el TTL, descarta el mensaje y retorna un mensaje ICMP Time Exceeded (con la info del router que lo descartó) 3) Luego, se incrementa el TTL y se retransmite (un salto más) 4) TTL++ hasta que el mensaje llega a destino 5) El destino retorna un mensaje ICMP Service Unavailable 6) Fin de la traza (para mejor comprensión, realice y analice una captura) Salida traceroute Traza a la dirección [ ] sobre un máximo de 30 saltos: 1 <10 ms <10 ms <10 ms s10.ch.unlu.edu.ar [ ] 2 * 10 ms 10 ms ms 10 ms 10 ms int bellsouth.net.ar [ ] ms 60 ms * ms 30 ms 10 ms ms 171 ms 170 ms at ipa1.atlanta1.level3.net[ ] ms 170 ms 161 ms ge hsa2.atlanta1.level3.net [ ] ms 160 ms 160 ms ge bbr1.atlanta1.level3.net [ ] ms * * as-2-0.bbr1.washington1.level3.net [ ] ms 231 ms 190 ms ge-7-2.ipcolo2.washington1.level3.net [ ] 12

13 ms 370 ms 171 ms unknown.level3.net [ ] ms 201 ms 170 ms ms 180 ms 271 ms ms 180 ms 180 ms Encaminamiento o Ruteo IP Qué es el encaminamiento o ruteo? El ruteo es un proceso de elección de un camino por el cual enviar un datagrama a partir de información contenida en una tabla (tabla de rutas) y de verificar el prefijo de red de la dirección IP del destinatario. El ruteo ocurre en capa 3 y lo realiza el protocolo IP. Todos los dispositivos IP realizan ruteo pero: Un host (o multihomed host) solo puede rutear datagramas propios Un ruteador puede rutear datagramas propios y de terceros (históricamente llamados gateways) Concepto fundamental La dirección IP destino en un datagrama simpre se refiere al último destino (final). Cuando un dispositivo entrega un datagrama a otro (próximo salto), esta dirección no forma parte del destinatario en el datagrama Tablas de rutas Contienen información acerca de próximos saltos en una ruta (es decir, a dónde enviar un datagrama) s10:~# route Kernel IP routing table Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface * U eth * U eth * U eth * U eth0 default UG eth0 Las tablas de rutas se completan:? A mano rutas estáticas route add net netmask gw eth2? Protocolos de ruteo rutas dinámicas (RIP, OSPF)? Por mensajes ICMP redirect 13

14 IP busca tabla de rutas por:? la dirección del host destino? la dirección de la red destino? una entrada por defecto (default gateway) (si existe más de una ruta para el mismo destino, se evalúa la métrica para comparar las rutas. Pueden expresar distancia, throughput, retardo, error rate, costo) Entrega directa El destinatario del mensaje se encuentra dentro de la misma red que el emisor, entonces se debe enviar el datagrama (en una PDU de enlace) directamente al destinatario. En el ejemplo anterior, si el equipo A ( ) quiere enviar un mensaje al equipo B ( ), realiza Entrega Directa, ya que ambos se encuentran en la misma red. Entrega indirecta El destinatario del mensaje no se encuentra dentro de la misma red que el emisor, entonces se debe enviar el datagrama (en una PDU de enlace) al gateway. En el ejemplo anterior, si el equipo A ( ) quiere enviar un mensaje al equipo E ( ), realiza Entrega Indirecta, ya que debe hacerlo a través del ruteador C ( ). 14

15 Guia de Lectura : Capa de Red Protocolo IP y Encaminamiento 1. Qué servicios brinda la capa de red? Por qué es necesaria su implementación? 2. Defina el concepto de Internetworking. 3. Cuáles son las características fundamentales del protocolo IP? 4. Qué significa que el protocolo IP hace el mejor esfuerzo? Qué sucede si falla en la entrega? 5. Por qué pueden llegar datagramas duplicados? 6. IP se basa en un modelo confiable de red orientado a la conexión? justifique 7. En internet, para funcionar, es fundamental tener direcciones MACs únicas entre distintas redes? Justifique. 8. Normalmente, Un datagrama IP incluye la ruta que debe seguir para llegar a destino?. Justifique. 9. Explique la utilización de los campos protocol y options en el datagrama IP. Se podrían omitir? 10. Un ruteador o GW que posea una MTU mayor a la de un fragmento entrante puede reensamblarlo y reenviarlo a destino? Justifique 11. Cúal es la utilidad de la dirección de loopback? Y la dummy en Linux? 12. Cúal es la finalidad del protocolo ICMP y cómo se implementa? 13. Por qué los mensajes ICMP transportan parte del header del datagrama por el cual se generó el mensaje? 14. Cúal es la utilidad de los mensajes redirect de ICMP? 15. Con el comado ping se obtiene: a) el retardo de ida ó b) el retardo de ida y vuelta. Para qué se utilizan dicho comando. Cómo está implementado? 16. Explique cómo opera el comando traceroute y para qué se utiliza. Siempre se obtiene el mismo resultados. Justifique. 17. La capa de red en Internet implementa control de congestión? Justifique. 18. Qué partes de un datagrama IP son controladas por el campo checksum? 19. En qué consiste el ruteo de datagramas? En qué información se basa? 20. Cúal/es campos cambian necesariamente cuando un ruteador reenvia un datagrama? 21. Qué es la fragmentación? Por qué ocurre? Se puede evitar y de qué manera? 15

16 22. La fragmentación se realiza solo en los ruteadores? Justifique. 23. Un fragmento de un datagrama no puede ser fragmentado? Justifique. 24. Explique los conceptos de entrega directa y entrega indirecta asociados a la actividad de ruteo. 25. Cúal es la función de la ruta por default en una tabla de host? Puede ser opcional su seteo? Justifique. 26. Cúal es la función del atributo métrica en una entrada de una tabla de ruteo? 27. Qué se entiende por ruteo dinámico? Cómo se implementa? 16