Dirección IP Cómo funciona? 15/11/2016

Transcripción

1 Introducción Como es sabido, en los últimos veinte años se ha producido una evolución constante en el mundo de las comunicaciones. Este fenómeno se debe en su mayor parte al protocolo de comunicación conocido como IP (Internet Protocol). En la actualidad los dispositivos IoT (Internet of Things) están cubriendo todos los aspectos imaginables de nuestra vida diaria. Es importante adquirir una cultura mínima de cómo se comunican entre sí y en particular como se configuran. Para ello es imprescindible tener interiorizado cómo funciona el protocolo IP. También son frecuentes en el día a día los conceptos de WAN (Wide Area Network), LAN (local Area Network), red, subred, puerta de enlace (Gate Way) y un sinfín de acrónimos relacionados con las redes que igualmente es preciso conocer. Protocolo IP, protocolos de comunicación Un protocolo de comunicaciones es un conjunto de reglas que permiten que dos o más equipos o dispositivos dentro de una red para el transporte de datos se comuniquen entre ellos para intercambiar información. Se basa en unas reglas estándarizadas que define la sintaxis, semántica y sincronización de la comunicación. Los protocolos pueden ser implantados por hardware, por software, o por una combinación de ambos. Es muy habitual que un mensaje se encuentre formado por un conjunto de protocolos combinados entre sí. En el caso del protocolo IP para el envío de un mensaje dentro de una LAN se combinan; el protocolo MAC (Media Access Control) con los protocolos IP (Internet Protocol), TCP (Transmission Control Protocol) o UDP (User Datagram Protocol). En las comunicaciones y la navegación por internet el protocolo que más se utiliza es el IP, también en la mayoría de redes privadas. Para simplificar el concepto se puede hacer una analogía con un sobre de correo donde el vehículo de reparto es el protocolo MAC, el protocolo IP es el sobre donde se encuentra escrita para la dirección del destinatario (dirección IP), y en la carta el nombre del destinatario (puerto IP) tal como puede apreciarse Figura 1 en la figura 1. Las direcciones IP forman parte de los distintos componentes del protocolo IP, tales como ARP (Address Resolution Protocol) e ICMP (Internet Control Message Protocol), estos dos últimos se utilizan para servicios y no para el transporte de datos, además se encuentran alojados entre las capas de red y transporte. En este ejemplo se asimila un protocolo TCP como un correo certificado y un protocolo UDP a un correo ordinario. Página 1

2 Dirección IP Es la forma en que el protocolo IP identifica el destinatario y remitente de un mensaje. En su diseño inicial se encaminaban los mensajes mediante un rango de direcciones de 32 bits agrupados en cuatro campos de ocho bits expresados en decimal, figura 2. Es lo que se conoce como IPV Este diseño sobrepasó todas las previsiones y en pocos años se habían cubierto la mayoría de direcciones posibles. Se decía que internet estaba muriendo de éxito. Para resolver esta limitación se creó IPV6. En este caso el rango de direcciones es de 128 bits agrupados en ocho campos de dieciséis bits expresados en hexadecimal, figura 3. En fecha de edición de este artículo la mayoría de direcciones IP que se utilizan en internet son IPv4 y en particular, dentro de las redes privadas. Por una cuestión de simplicidad desde ahora todas las referencias a las direcciones IP serán a IPv4, pues a efectos prácticos no existen grandes diferencias a nivel de concepto. Dentro de las direcciones IP posibles algunas están reservadas; por ejemplo para una red de área local LAN, las direcciones reservadas son las que se muestran en la tabla 1. Direcciónes IP Rango direcciónes Numero de Mascara de red reservadas IP direcciones posibles Tabla 1 Figura 3 Figura 2 20c3:db5:85a3:18d3:1319:8a2e:f370:7334 Existen dos parámetros más para definir una dirección IP, la máscara de red y el número de puerto. Por encima del nivel de red se encuentra el nivel de transporte donde cabe destacar los protocolos: TCP y UDP estos dos protocolos identifican el servicio que prestarán mediante un identificador denominado numero de puerto. Las capas superiores no van a ser tratadas; se alejan del propósito de este artículo. Para que un mensaje identificado con una dirección IP pueda circular dentro de una LAN, requiere de un contenedor donde alojarse. Este contenedor se denomina MAC, capa de transporte o direccionamiento físico. Una característica de esta capa es que integra su propio campo de direcciones denominado dirección MAC, figura 4. Figura 4 Página 2

3 Máscara de red La máscara de red, (también se conoce como mascara de subred) es el atributo que permite dividir una red en subredes. La codificación se realiza mediante valores decimales que son muy poco o nada intuitivos. Par poder entender cómo funciona una máscara de red es necesario hacer un esquema binario. Tomando como ejemplo la división en cuatro subredes de la dirección de red que lleva asociada la máscara de red (tabla 1); si se expresa en valores binarios queda de la siguiente forma, figura 5: Figura 5 Tal como puede apreciarse en la figura 5, figura 6 y tabla 2, la red con direcciones, se ha dividido en cuatro subredes de direcciones cada una. Otro ejemplo, si se eligiera como máscara de red el valor ( ) de ocho bits en el campo de subred se obtienen 256 subredes que tienen ocho bits de direcciones de subred cada una, con un número de 256 direcciones posibles en cada subred. Figura 6 Dirección IP dirección IP binaria Mascara red Mascara de red binaria Tabla 2 No todas las direcciones de una subred son válidas, en el ejemplo de la tabla 2, la subred con rango ( ) hasta ( ), el valor identifica la subred, y es la dirección broadcast de esta subred. Página 3

4 La máscara de red identifica los bits que tienen que ser necesariamente idénticos con la dirección de una subred. El resto de bits corresponden al direccionamiento particular de los dispositivos dentro de la subred. Puertos IP En las comunicaciones IP, los puertos identifican el servicio que va a prestar, figura 7. En todos los mensajes se especifican el puerto origen y el de destino. Estos dos puertos son independientes y no tienen ningún tipo de relación entre ellos en consecuencia, pueden tener el mismo valor u otro cualquiera. En lo referente al número de puerto, son valores de 16 bits cuyo rango va de 0 a Los valores que se encuentran por debajo de 1024 en su mayoría tienen un servicio predefinido. En valores más altos también existen algunos servicios asignados, es conveniente en el momento de hacer uso de ellos, asegurarse de que se está utilizando uno que se encuentre libre. Figura 7 Un aspecto muy importante es que dentro de un mismo ordenador solamente puede haber un único puerto abierto para cada tipo de servicio por ejemplo: el puerto puede estar abierto simultáneamente para una conexión UDP y también en TCP. En ningún caso podrá repetirse en mismo número de puerto para dos conexiones UDP o dos conexiones TCP. Si se intenta abrir una nueva conexión UDP o TCP con este mismo número de puerto, el sistema generara un error. Todos los sistemas operativos disponen de herramientas y utilidades para poder conocer que puertos se encuentran abiertos; conque servicio (UDP o TCP) y su dirección IP. Es importante señalar que el cortafuego también puede bloquear los puertos. En el caso de no poder obtener una conexión con un puerto determinado además de buscar los puertos en servicio también hay que consultar la configuración del cortafuego. WAN y LAN WAN es lo que coloquialmente se conoce como la nube, y LAN es una red que puede ser unipersonal o pertenecer a una gran compañía u organización. En la figura 8 se muestra un esquema simplificado del significado de estos conceptos. En el funcionamiento normal de un ordenador todos los mensajes cuyas direcciones no puede identificar los envía a su puerta de enlace. La puerta de enlace mediante NAT (Network Address Translation) realiza una traducción de las direcciones del mensaje y lo reenvía hacia la WAN. Figura 8 Página 4

5 Puerta de enlace La puerta de enlace (gateway) es el punto de unión entre una red local LAN y la red WAN. La puerta de enlace separa físicamente las dos redes que en general para el transporte de datos suelen tener tecnologías distintas; direccionamiento por MAC en el lado de la LAN y ADSL, fibra, etc., en el lado de la WAN. Las tecnologías empleadas en la WAN quedan fuera de los objetivos de este artículo. Una característica de las puertas de enlace es que disponen de dos direcciones IP figura 9, la correspondiente a la subred de la LAN y la correspondiente a la WAN. La dirección IP de la LAN es siempre fija, en lo referente a la dirección IP de la WAN en general es volátil. Esto significa que en los tiempos en que no genera tráfico la puede perder y obtener otra cuando la necesite. Figura 9 La puerta de enlace tiene un tratamiento distinto para los mensajes identificados como UDP, de los TCP. En el caso de los mensajes UDP simplemente realiza el NAT los envía y se olvida de ellos. Para los mensajes TCP el NAT es bidireccional y en consecuencia, tiene que recordar y seguir toda la secuencia y mantenimiento de la conexión. Otra tarea que puede realizar la puerta de enlace es la asignación de direcciones IP a equipos que no tienen una preasignada. Esto se conoce como DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol). Estas asignaciones son temporales al caducar se reasignan y cuando el equipo se desconecta, la puerta de enlace la recupera y pude volver a asignarla a otra petición. Capa interfaz de red Corresponde a la parte que enlaza el transporte de los datos a los elementos físicos de la red, se conoce como MAC. Todo lo que circula por la red en una LAN, pasa necesariamente por esta capa. Esta capa tiene un identificador único, la dirección MAC, que se encuentra configurada en el propio dispositivo físico de comunicación, componente que conecta directamente con el conector físico de la red. La dirección MAC es la referencia mediante la cual se realiza el transporte de los mensajes dentro de una LAN. Esta formada por seis octetos expresados en hexadecimal y separados por dos puntos, figura 10. Este valor de dirección es único en todo el mundo para los dispositivos con capacidad de conectarse a una LAN. Al igual que en las direcciones IP, existen valores de e4:8d:8c:64:74:12 Figura 10 dirección reservados: dirección Broadcast, y direcciones Multicast. La dirección broadcast se utiliza principalmente para la resolución de direcciones, tiene como característica principal el poder acceder a todos los dispositivos de red con independencia de su dirección local. Las direcciones Multicast tienen una función especializada para la difusión de flujos de datos compratidos. Se deben incluir expresamente en la configuración del dispositivo de red, su funcionalidad se aleja del objetivo de este documento. Página 5

6 Dentro de la LAN, la dirección IP únicamente se utiliza para la obtención de la dirección MAC del dispositivo destinatario. Esta tarea la realiza el protocolo ARP que aporta el servicio de resolución de direcciones a la LAN. Existen otros protocolos orientados al servicio de la red que no se mencionan porque se alejan del objetivo de este documento. En la figura 11, puede Figura 11 observarse la forma en que se encapsulan los distintos protocolos en sus correspondientes contenedores de datos haciendo una analogía que recuerda como se construye una muñeca matrioska rusa. En la anterior figura 1 se presenta otro ejemplo de este mismo concepto. En la base de la figura 11, se encuentra la capa interfaz de red MAC (contorno azul), este contenedor puede transportar cualquier protocolo además del protocolo IP, en la figura 11 parte superior, está la capa de transporte IP; esta capa es la encargada de alojar un protocolo tipo UDP o TCP de datos, estos protocolos llevan asociado el puerto del servicio que van a prestar. Esto permite que el transporte de los datos IP de sea independiente al medio físico que lo transporta. En la figura 11 parte inferior, se encuentran dos protocolos que dan servicio a la red. Al igual que el protocolo IP, también son independientes del contenedor que ha de transportarlos. Sus misiones son: el control y notificación de errores del protocolo IP, y la resolución de direcciones. Resolución de direcciones La resolución de direcciones en la capa interfaz de red se basa en la dirección MAC broadcast FF:FF:FF:FF:FF:FF. Esto permite preguntar a todos los dispositivos y equipos conectados a la LAN sobre una dirección IP determinada. La consulta se realiza mediante el protocolo ARP. Únicamente el dispositivo que identifica la dirección IP como propia contesta a la consulta y aporta su dirección MAC, figura 12. Figura 12 La relación de las direcciones IP con las direcciones MAC que se han obtenido se anotan en una tabla que se conoce como tabla de enrutamiento o encaminamiento. Las referencias de esta tabla pueden ser fijas (introducidas de forma manual), o temporales (obtenidas por el Página 6

7 protocolo ARP). Todos los sistemas operativos disponen de utilidades para poder leer, borrar y editar estas tablas. La puerta de enlace al igual que cualquier otro dispositivo de la LAN también tiene su dirección MAC, esta dirección MAC es compartida con la dirección IP de la puerta de enlace y todas las direcciones IP que no pertenecen a la subred. Cualquier dirección IP correspondiente a un portal WEB fuera de la LAN se envía con la dirección MAC destino de la puerta de enlace. Resumen Existe un número indeterminado de dispositivos IoT y equipos conectados entre sí o mediante redes LAN que forman una extensa red que coloquialmente se conoce como nube. El elemento común que los relaciona es el modo de identificarlos para acceder a ellos. Cada equipo tiene un identificador único que lo distingue sea dentro de una LAN o directamente desde la WAN (nube); la dirección IP. El modo más común en que se transportan los datos es mediante el protocolo IP que contiene las direcciones de origen y destino e incluye además los protocolos TCP y UDP, que forman contenedores de datos. Estos protocolos son los que viajan dentro del contenedor de datos del protocolo IP. Finalmente, el protocolo IP dentro de una LAN es transportado en el interior de otro contenedor MAC en la capa interfaz de red. El contenedor MAC del interfaz de red tiene la particularidad de comunicarse mediante un identificador único de 48-bits denominado dirección MAC que es independiente de la dirección IP. Para obtener este identificador utiliza un mecanismo que se conoce como resolución de direcciones ARP (servicio auxiliar del protocolo IP). Visite JMSS-electronics.com! Página 7