Internetworking IP. Teoría de las Comunicaciones. Departamento de Computación Facultad de Ciencias Exactas y Naturales Universidad de Buenos Aires

Transcripción

1 Internetworking IP Teoría de las Comunicaciones Departamento de Computación Facultad de Ciencias Exactas y Naturales Universidad de Buenos Aires

2 Sumario Dónde estamos? Revisión de conceptos. Internetworking IP. Direcciones IP. Forwarding (o ruteo) de datagramas en IP. Configuraciones típicas. Subredes IP. Bibliografía: Principal: Computer Networks. Peterson & Davie. 5º edición. Complementaria: Computer Networks. Tanenbaum & Wetherall. 5º edición. 2

3 Dónde estamos? 3

4 Capas, encapsulamiento y direccionamiento 4

5 Ejemplo: acceso a un servidor Web 5

6 Algo de terminología Capa 1 (física): Hubs, repetidores, Capa 2 (enlace de datos): LAN switches (o switches L2), bridges, tarjetas de red ethernet, tarjetas de red wireless, access points, Capa 3 (red): Routers, switches L3, Todas las capas: Hosts (computadoras personales, servidores, notebooks, tablets, impresoras, teléfonos, celulares, smart TV, ) Interfaz o interface es el punto de conexión ya sea dos componentes de hardware, dos programas o entre un usuario y un programa. 6

7 La historia de Internet en 8 minutos [Español] "Historia de la Internet" es un documental animado que resume en ocho minutos como se inició una de las herramientas más utilizadas en el mundo, internet. Este corto forma parte del trabajo final de Melih Bilgil en su Diploma en Diseño Gráfico de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Mainz: 7

8 Redes de datagramas Un host puede enviar un paquete a cualquier lugar en cualquier momento. No hay fase de establecimiento de conexión. También llamadas redes sin conexión. Cuando un host envía un paquete, no tiene manera de conocer si la red es capaz de entregar el paquete al host destino. Cada paquete es forwardeado en forma independiente de los paquetes previos que podrían haber sido enviados al mismo destino. Dos paquetes sucesivos del host A al host B pueden seguir diferentes caminos. Una falla de router o enlace no tiene efectos serios sobre la comunicación si es posible encontrar rutas alternativas al destino (robustez a los fallos). Análogo al sistema postal. Cada router mantiene una tabla de forwarding (tabla de routing o ruteo). Host C Host D 0 Router Host A 3 Host E 2 0 Router 2 1 Host G 0 Router Host H Host F Host B 8

9 Internetworking Problemas importantes que deben ser tratados cuando se conectan redes Heterogeneidad Los usuarios de un tipo de red quieren ser capaces de comunicarse con usuarios de otro tipo de redes. Establecer conectividad entre hosts de dos redes diferentes puede requerir atravesar varias otras redes intermedias, cada una de las cuales puede ser a su vez de otro tipo. Escalabilidad Ruteo: Cómo podemos encontrar un camino eficiente a través de una red con millones o quizás billones de nodos? Direccionamiento: Es la tarea de proveer indentificadores adecuados para todos esos nodos. 9

10 El modelo de servicio de IP Sin conexión (basado en datagramas). Best-effort delivery mejor esfuerzo (servicio no confiable): Los paquetes se pierden. Los paquetes pueden ser entregados fuera de orden al destino. Los paquetes se pueden retrasar por un tiempo largo en la red. Similar al envío de mensajes de texto o SMS. Define un esquema de direccionamiento global (las direcciones IP son globalmente únicas en la red). 10

11 Capa 2: Enlaces físicos a) Punto a punto: PPP (ventana deslizante) Ethernet (802.3) full-duplex (switches). b) Acceso múltiple: Ethernet (802.3) halfduplex Wireless (802.11) (redes de medio compartido). 11

12 Capa 2: Enlaces físicos Distintas tecnologías: Wi-Fi, Cablemódem, Ethernet, Metro Ethernet, Gigabit Ethernet, DSL, Frame Relay, ATM, SONET, Internet por satélite, etc. Distintos medios de transmisión: (microondas; satelital; cable coaxial, cable UTP, STP; fibra óptica monomodo, multimodo, etc. Distintas velocidades de transmisión (o ancho de banda en bits/s): 10 Mbit/s, 45 Mbit/s, 100 Mbit/s, 1 Gbit/s, 10 Gbit/s, etc. Distintas distancias máximas: 30m, 100 m, 2 km, 6 km, 70 km, etc. 12

13 Capa 2: Red switcheada Switch Host 13

14 Capa 3: Interconexión de redes: la visión de IP Host Router 14

15 Internet es un conjunto de redes interconectadas A nivel físico y de enlace son redes muy diversas. La organización administrativa también cambia mucho de unas a otras. Pero el elemento común a todas ellas es el protocolo IP (Internet Protocol). 15

16 Situación de los protocolos de Internet en el modelo de capas Aplicación Web (HTTP) Transf. arch. (FTP) (SMTP) Resol. nombres (DNS) Vídeo streaming Telefonía Transporte TCP (Transmission Control Prot.) UDP (User Datagram Prot.) Red IP (Internet Protocol) Enlace Ethernet WiFi ADSL CATV Física Cable o Fibra Radio Cable telefónico Cable coaxial El protocolo IP (a nivel de red) es el pegamento que mantiene unida la Internet. Es capaz de funcionar sobre una gran diversidad de protocolos a nivel de enlace y de medios físicos. Un slogan popular en las reuniones de Internet es IP over everything indicando la flexibilidad de IP que se adapta a cualquier medio físico y protocolo del nivel de enlace. 16

17 Porqué Internet? Por su tamaño 17

18 Porqué Internet? Por su tamaño "En los últimos 10 años se ha creado más información que en toda la historia de la humanidad. De acuerdo con un informe elaborado por un instituto europeo, en Internet, cada minuto se envían 204 millones de correos electrónicos, se descargan 47 mil aplicaciones para smartphones y tablets, se abren más de 100 nuevas cuentas en LinkedIn y 320 en Twitter, se realizan 277 mil logins en Facebook, se escriben 100 mil tuits, se suben 30 horas de video a YouTube y se ven 1,3 millones de videos. Este inconmensurable tráfico de datos, además, seguirá creciendo de manera exponencial. Naciones Unidas calcula que en el 2016 habrá cerca de millones de dispositivos conectados a la red a escala mundial, lo que llevaría a que el tráfico global de datos alcance los 130 exabytes (10 18 ) anuales. Este volumen equivale a 33 billones de DVDs. Big Data. Demasiada información el Cable Nº 842. FCEyN. 18

19 Una red IP típica 19

20 Direcciones IP Cada host y router en Internet tiene al menos una dirección IP. En realidad las direcciones se asignan a las interfaces. Por ejemplo, si un host tiene varias interfaces (host multihomed ) cada una tendrá una dirección IP. Las direcciones IP tienen una longitud de 4 bytes (32 bits) y se suelen representar como cuatro números decimales separados por puntos (notación dot), ej.: En principio cada uno de los cuatro bytes puede tener cualquier número entre 0 y 255, aunque algunas direcciones están reservadas. 20

21 Ubicación de las direcciones en el datagrama IP 21

22 Unicidad y estructura jerárquica de los números de teléfono central telefónica teléfono Argentina Rosario Las direcciones IP son globalmente únicas y jerárquicas 22

23 Direcciones IP: (a) clase A; (b) clase B; (c) clase C; (classful, ) 23

24 Direcciones y máscaras Los hosts y routers interpretan las direcciones IP separándolas en dos partes, la de red y la de host: Red (n bits) Host (32-n bits) La longitud de cada parte se indica mediante un parámetro denominado máscara de red. La máscara tiene también una longitud de 32 bits y está formada por un conjunto de unos seguido de ceros. Los unos indican la parte red. Como la dirección IP, la máscara se expresa mediante cuatro números decimales separados por puntos, ej.:

25 Dirección IP y máscara Al configurar la dirección IP de una interfaz hay que especificar la máscara utilizada. Por ejemplo: red host Dirección: Máscara: En binario: Esta interfaz está en una red con 256 direcciones, desde la hasta la dirección de la red Parte host a ceros Parte host a unos 25

26 Operación Lógica AND 26

27 Otro ejemplo 27

28 Uso reservado de la primera y la última direcciones de cada red Cuando tenemos una red, por ejemplo la con máscara : La primera dirección posible ( ) identifica la red. La última dirección posible ( ) es la de broadcast en esa red. El rango asignable en este caso sería desde hasta No se puede asignar a una interfaz ni la primera ni la última direcciones de cada red. 28

29 Asignación de dirección IP a un host La asignación de direcciones y máscaras puede hacerse: Por configuración manual en el propio equipo. Automáticamente, mediante un protocolo de asignación de direcciones desde un servidor: típicamente DHCP. Normalmente le asignamos además al host un router por defecto ( puerta de enlace predeterminada o default gateway ). No es obligatorio. 29

30 Configuración de red C:\>ipconfig /all Configuración IP de Windows Dirección/Máscara Nombre del host : uveg e1 Sufijo DNS principal : Tipo de nodo : híbrido Enrutamiento habilitado......: No Proxy WINS habilitado..... : No Lista de búsqueda de sufijo DNS: uv.ar Adaptador Ethernet Conexión de área local 3 : Sufijo de conexión específica DNS : Descripción : Broadcom NetXtreme Gigabit Ethernet Dirección física : 00-0F-B0-FA DHCP habilitado : No Dirección IP : Máscara de subred : Puerta de enlace predeterminada : Servidores DNS : Router por defecto 30

31 La LAN y el resto de la Internet Enrutamiento en un host Desde el punto de vista de un host el mundo se divide en dos partes: sus vecinos (los que tienen la misma dirección de red) y el resto del mundo. Con sus vecinos habla directamente, con los demás lo hace a través del router. Default gateway o puerta de enlace predeterminada Dir. IP: Máscara: Def. gw: Router Internet Dir. IP: Máscara: Def. gw: Dir. IP: Máscara: Def. gw: Servidor DNS Servidor DNS

32 paquete IP Enrutamiento en un host El paquete se enruta de acuerdo con su dirección de destino número de red del destino = mi número de red No enviar el paquete al router por defecto Sí A Dir. IP: Máscara: Def. gw: Default gateway o puerta de enlace predeterminada Router enviar el paquete directamente al destino Internet B Dir. IP: Máscara: Def. gw: C Dir. IP: Máscara: Def. gw: Servidor DNS Servidor DNS

33 Enrutamiento en la red Objetivo: Transportar los paquetes IP desde el origen al destino. Cada paquete viaja de router en router. El paquete se enruta de acuerdo con su dirección de destino. Las direcciones origen y destino no se modifican en el proceso. Para transportar el paquete al destino, cada router mantiene una tabla de la forma general: Red destino Próximo salto Las tablas pueden ser cargadas de manera manual por el administrador de la red (enrutamiento estático) o de manera automática mediante algoritmos de ruteo (enrutamiento dinámico). 33

34 Enrutamiento en la red Tabla de ruteo de R2 paquete IP número de red del destino = número de red de una de mis interfaces No número de red del destino se encuentra en mi tabla de ruteo No enviar el paquete al router por defecto (opcional) Sí Sí enviar el paquete al destino sobre esa interfaz enviar el paquete al router del próximo salto 34

35 Ejemplo enrutamiento en la red H1 H2 (Net 2) H5 H8 (Net 4) 35

36 Orden de forwarding o enrutamiento Es posible que haya varias rutas válidas para un mismo paquete. Por ejemplo la ruta por defecto es aplicable en principio a cualquier paquete. Se revisan primero las rutas de máscara más larga. Este criterio garantiza que se aplicarán primero las rutas más específicas y luego las más generales. Así por ejemplo las rutas host (/32) se aplican en primer lugar y la ruta por defecto (/0) se aplican en último lugar. Ejemplo: Un router recibe un datagrama con destino La búsqueda en la tabla encuentra dos entradas: / /16 La ruta que se usará es la /24 36

37 Una tabla de ruteo IP 37

38 Ejemplo: el comando show ip route 38

39 Notación para los ejercicios 39

40 Conclusiones IP es un protocolo de capa de red, sin conexión, basado en el modelo de datagramas y best-effort delivery mejor esfuerzo (servicio no confiable). Se define un esquema de direccionamiento global (las direcciones IP son únicas en la red). Cada interfaz de un dispositivo en Internet tiene asociada dirección IP y una máscara de red. Los hosts y routers interpretan las direcciones IP separándolas en dos partes, la de red y la de host. La parte de red se identifica mediante la máscara de red: Red (n bits) Host (32-n bits) Cada datagrama se rutea en forma independiente tomando en cuenta su dirección destino. En cada salto a partir de la dirección destino se infiere la red destino usando la máscara de red. Para transportar el paquete al destino, cada router mantiene una tabla de ruteo con entradas de la forma: Destino/Máscara Próximo salto 40

41 Ejemplo Un usuario en la PC Web Browser ( ) intenta ingresar desde su navegador a la página de inicio del Servidor Web ( ) y obtiene como resultado que éste no responde debido a que la configuración de ruteo de la red está incompleta. a) En qué lugar de la red se pierde el primer paquete? Explicar. b) Completar las tablas de ruteo para que el servidor responda e indicar el recorrido de los primeros paquetes involucrados. Servidor Web Destino/Máscara Próximo salto /24 IF 0 gateway R1 Destino/Máscara /24 Próximo salto IF 0/1 R2 Destino/Máscara /24 Próximo salto IF 0/0 PC WB Destino/Máscara Próximo salto /16 IF 0 gateway /24 IF 0/ /16 IF 0/ / / /24 41

42 Ejemplo Un usuario en la PC Web Browser ( ) intenta ingresar desde su navegador a la página de inicio del Servidor Web ( ) y obtiene como resultado que éste no responde debido a que la configuración de ruteo de la red está incompleta. a) En qué lugar de la red se pierde el primer paquete? Explicar. b) Completar las tablas de ruteo para que el servidor responda e indicar el recorrido de los primeros paquetes involucrados. Servidor Web Destino/Máscara Próximo salto /24 IF 0 gateway R1 Destino/Máscara /24 Próximo salto IF 0/1 R2 Destino/Máscara /24 Próximo salto IF 0/0 PC WB Destino/Máscara Próximo salto /16 IF 0 gateway /24 IF 0/ /16 IF 0/ / / / /24 42

43 Ejemplo Un usuario en la PC Web Browser ( ) intenta ingresar desde su navegador a la página de inicio del Servidor Web ( ) y obtiene como resultado que éste no responde debido a que la configuración de ruteo de la red está incompleta. a) En qué lugar de la red se pierde el primer paquete? Explicar. b) Completar las tablas de ruteo para que el servidor responda e indicar el recorrido de los primeros paquetes involucrados. Servidor Web Destino/Máscara Próximo salto /24 IF 0 gateway R1 Destino/Máscara /24 Próximo salto IF 0/1 R2 Destino/Máscara /24 Próximo salto IF 0/0 PC WB Destino/Máscara Próximo salto /16 IF 0 gateway /24 IF 0/ /16 IF 0/ / / / / /24 43

44 Un router conectando tres LANs IP: Másc Gw: IP: Másc Gw: La dirección IP de este host Su máscara Su router por defecto LAN A /8 LAN B /16 El router encamina los paquetes según su dirección de destino. No es preciso definir ninguna ruta, las tres redes están directamente conectadas al router LAN C /24 IP: Másc IP: Másc W E0 E2 E1 IP: Másc IP: Másc Gw: IP: Másc Gw: IP: Másc Gw: IP: Másc Gw:

45 Dos routers conectando tres LANs LAN A LAN B H3 LAN C H1 IP: M: Gw: IP: M: X IP: M: A por IP: M: IP: M: Gw: A por A por Y IP: M: H5 IP: M: Gw: H2 IP M: Gw: Las rutas son necesarias para que X e Y sepan como llegar a la LAN remota (C para X, A para Y) A por H4 IP: M: Gw: A por A por H6 IP: M: Gw:

46 Enlace WAN: conexión mediante una línea serie o punto a punto LAN A LAN B H1 A por WAN H Gw: E X S Gw: H S0 Y E H Gw: A por Gw:

47 Algunas direcciones IP especiales Dirección Parte Host a ceros Parte Host a unos Significado Broadcast en la LAN propia Identifica una red Broadcast en una red remota Dirección Loopback (para pruebas) Ejemplo La primera y la última direcciones de una red están siempre reservadas y no deben asignarse nunca a un host. 47

48 Direcciones IP privadas Existen tres rangos de direcciones IP que han sido declarados como privados. Las organizaciones pueden utilizarlos internamente como deseen. La única regla es que los paquetes que contienen estas direcciones no pueden aparecer en Internet. Los tres rangos reservados son: /8 ( ) /12 ( ) /16 (65.536) RFC 1918: Address Allocation for Private Internets. 48

49 Direcciones privadas? Para qué? Dispositivos que no requieren conexión a Internet (impresoras, switches, etc.). Si queremos interconectar en un laboratorio aparatos de medición con las PCs que los controlan. Redes de usuarios o servidores que no queremos que accedan a Internet. Redes que acceden a Internet a través de otros mecanismos (NAT-PAT, Proxy, etc.). Por la escasez de direcciones IP públicas que pueden ser registradas. Otros: Seguridad?, túneles, VPN, etc. Etc. Etc. Etc. 49

50 Quién asigna las direcciones IP públicas? Inicialmente la asignación de direcciones IP la realizaba el DDN NIC (Department of Defense Network Information Center) de forma centralizada. A principios de los 90 se decidió descentralizar esta función creando los llamados RIR (Regional Internet Registry). El primero se constituyó en Europa y se llamó RIPE. Los RIR dependen del IANA (Internet Assignment Number Authority). Los RIR dan direcciones a los proveedores grandes. Los proveedores pequeños obtienen sus direcciones e los proveedores grandes. Las organizaciones obtienen direcciones del proveedor que les da conectividad. Cada RIR dispone de una base de datos (whois) para búsqueda de direcciones IP. Ej.: 50

51 Organización de los registros regionales Registro Regional ARIN (American Registry for Internet Numbers) APNIC (Asia Pacific Network Information Centre) RIPE (Réseaux IP Européenes) LACNIC ( Latin American and Caribbean Network Information Center) AFRINIC (African Network Information Center) (en proceso de creación) Área geográfica EEUU y Canadá África Subsahariana Resto del mundo Asia oriental Pacífico Europa Medio Oriente Asia Central África Sahariana América y el Caribe (excepto EEUU y Canadá) África 51

52 ICMP (Internet Control Message Protocol) ICMP permite reportar diversas incidencias o situaciones excepcionales que pueden producirse en el envío de un datagrama. Todos los mensajes ICMP se envían en datagramas IP (valor 1 en el campo protocolo). ICMP permite implementar dos herramientas fundamentales para diagnosticar problemas en la red: ping traceroute 52

53 Mensajes ICMP utilizados por las herramientas ping y traceroute Mensaje Significado Echo request y Echo reply Time exceeded (Tiempo excedido) Sirve para comprobar la accesibilidad de la IP remota (usado en comando ping). Datagrama descartado por agotamiento del TTL (usado en comando traceroute) 53

54 ICMP Echo Request/Reply (ping) $ ping s PING video.ci.uv.edu: 64 bytes packets 64 bytes from : icmp_seq=0. time=1. ms 64 bytes from : icmp_seq=1. time=1. ms 64 bytes from : icmp_seq=2. time=1. ms 64 bytes from : icmp_seq=3. time=1. ms ---video.ci.uv.edu PING Statistics packets transmitted, 4 packets receivded, 0% packet loss Round-trip (ms) min/avg/max = 1/1/1 $ ping s PING server.andrew.cmu.edu: 64 bytes packets 64 bytes from : icmp_seq=0. time=287. ms 64 bytes from : icmp_seq=1. time=290. ms 64 bytes from : icmp_seq=2. time=285. ms 64 bytes from : icmp_seq=3. time=277. ms ---server.andrew.cmu.edu PING Statistics packets transmitted, 4 packets receivded, 0% packet loss Round-trip (ms) min/avg/max = 277/285/290 Por cada paquete enviado se recibe una respuesta. El tiempo indicado es el de ida y vuelta 54

55 ICMP Time Exceeded (traceroute) $ traceroute traceroute to dana.vicest.uniovi.edu ( ), 30 hops max, 40 byte packets 1 cisco.ci.uv.edu ( ) 3 ms 3 ms 2 ms 2 A1-0-2.EB-V1.red.rdi.edu ( ) 2 ms 2 ms 2 ms 3 A1-0-2.EB-M1.red.rdi.edu ( ) 8 ms 7 ms 7 ms 4 A3-0-1.EB-O1.red.rdi.edu ( ) 22 ms 17 ms 17 ms 5 rcpd02.net.uniovi.edu ( ) 16 ms 17 ms 16 ms ( ) 20 ms 19 ms 19 ms 7 rest34.cpd.uniovi.edu ( ) 24 ms 26 ms 26 ms 8 dana.vicest.uniovi.edu ( ) 28 ms 28 ms 28 ms $ Valor del TTL utilizado en los paquetes Enviados 24 paquetes en total 55

56 Traceroute inverso Es posible que necesitemos realizar un traceroute desde fuera de nuestra red hacia nuestra computadora. Existen herramientas de uso público que permiten hacer esto. Página donde se encuentran los servidores públicos de traceroute clasificados por países: También existen herramientas que combinadas con geolocalizadores de direcciones IP nos permiten ver los saltos en la red de manera visual en un mapa:

57 Conclusiones ICMP es un protocolo auxiliar de control que permite reportar incidencias que pueden producirse en el envío de un datagrama. ping es una herramienta de diagnóstico basada en ICMP que nos permite verificar la conectividad IP entre dos puntos de la red. traceroute es una herramienta de diagnóstico basada en ICMP que nos permite determinar la ruta efectuada por un paquete hacia un destino determinado en la red. 57

58 ARP - Address Resolution Protocol 58

59 ARP - Address Resolution Protocol 59

60 ARP - Address Resolution Protocol 60

61 Ejercicio Un usuario en la PC realiza un ping al servidor. El ping no responde. Explicar a qué puede deberse esta situación. Qué cambia si se reemplaza el router por un servidor con dos tarjetas de red? 61

62 Dudas, consultas? 62