CAPITULO 1 Introducción a TCP/IP e Internet Protocol Version 4 (IPv4) Historia Arquitectura TCP Encapsulación Modelo OSI Modelo TCP IPv.

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1 CAPITULO 1 Introducción a TCP/IP e Internet Protocol Version 4 (IPv4) Historia Introducción de cómo se generó y evolucionó el protocolo TCP y como paso a paso se fue creando lo que por ahora conocemos como Internet con sus inicios en ARPA y su proyecto ARPAnet. Arquitectura Propósito del diseño del protocolo TCP/IP, así mismo se realizará una TCP introducción de cómo se encuentra representado su modelo y las capas que lo conforman. Encapsulación Traspaso de información de un computador a otro, como se lo realiza y como es enviada la información. Se realizará una explicación de cómo los datos viajan entre las capas del modelo OSI. Modelo OSI Introducción al modelo de referencia OSI, una explicación de su objetivo primordial, así mismo se explicarán sus capas y las ventajas de usar este modelo. Modelo TCP Explicación de cómo se encuentra formado este modelo y sus capas, se hablará sobre cómo este modelo y/o protocolo de referencia TCP/IP apilan la posible comunicación de datos entre dos computadoras de cualquier parte del mundo. IPv.4 Introducción a Internet Protocol versión 4 (IPv.4), se explicará la principal tarea de este protocolo, como se encuentra categorizado y hacia que se encuentra orientado este protocolo.

2 1. INTRODUCCIÓN A TCP/IP E INTERNET PROTOCOL VERSION 4 (IPV4) 1.1 Reseña Histórica El internet en estos tiempos se lo puede ver representado como una autopista de información que fluye entre cientos miles de ordenadores que en su mayoría son incompatibles entre ellos; por eso es necesario establecer un conjunto de reglas para que estos elementos se puedan comunicar entre sí. Este papel lo tiene el protocolo TCP/IP, este protocolo también puede usarse como protocolo de comunicación en las redes privadas intranet y extranet. El protocolo TCP/IP comenzó sus días como un desarrollo del Departamento de Defensa de los Estados Unidos para crear una red que fuera inmune a un ataque nuclear. El protocolo TCP/IP permite el acceso de un punto a otro y si este no se encuentra disponible se pueda llegar por otra vía. La idea de Internet comenzó cuando ARPA 1 propuso realizar pruebas de viabilidad de las redes de conmutación de paquetes 2, en el desarrollo de estas pruebas se previó de una red de líneas rentadas conectadas por nodos. Esta red se denominó ARPAnet y los nodos de conmutación se conocieron como IMPs 3. ARPAnet se encontraba inicialmente formada por cuatro IMPs, estos se encontraban en la Universidad de California en Los Ángeles, la Universidad de California en Santa Barbara, el Instituto de Investigación de Stanford y la Universidad de Utah. Para la instalación de la red se realizó un concurso en el cual Bolt, Beranek y Newman (BNN) ganó el contrato, esta empresa tuvo gran influencia en el desarrollo de la red durante varios años siguientes. El contrato finalmente se adjudicó a finales de 1968, seguido por pruebas y refinamientos durante los siguientes cinco años. 1 Advanced Research Projects Agency ("Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada"), denominación del organismo del Departamento de Defensa de Estados Unidos creado en 1958 como consecuencia tecnológica de la llamada Guerra Fría. Fuente: 2 Es un método de comunicación exclusivamente digital, en el que los mensajes que se transmiten se dividen en segmentos y que, junto a la información adicional necesaria para su encaminamiento en la red, se convierten en paquetes. Fuente: 3 Internet Messages Processors. Fuente: Procesadores de Mensajes de Internet 2

3 En 1971 ARPAnet comenzó su servicio normal, durante sus primeros años el objetivo y funcionalidad fueron discutidos varias veces, lo que llevaba a refinamientos y modificaciones conforme los usuarios solicitaban más funcionalidad en el sistema. Una necesidad principal era la de transferencia de archivos de una maquina a otra, otra necesidad importante era la capacidad de aceptar registros de entrada remotos, es decir, que los usuarios de la Universidad de California de Los Ángeles deseaban acceder a archivos de la Universidad de California de Santa Barbara como si estuvieran sentados frente a esa máquina. El protocolo que se usaba en la red no era capaz de soportar aquellos requerimientos por lo que continuamente se desarrollaban, refinaban y probaban nuevos protocolos. La transferencia de archivos y el registro de entrada remoto se implementaron finalmente en un protocolo conocido como NCP 4, más adelante a través de FTP se añadió el correo electrónico y junto con el registro y transferencia de NCP se establecieron los servicios básicos de ARPAnet. En 1973 resultaba claro que NCP no soportaba y era incapaz de manejar el volumen de tráfico y la funcionalidad nueva propuesta. Se inició un proyecto con el objetivo de desarrollar un nuevo protocolo. Así en 1974 se hablo por primera vez de TCP/IP y arquitecturas de compuertas; el artículo publicado por Cerf y Kahn describía un sistema que incluía un protocolo de aplicación estandarizado, que también utilizaba confirmaciones de extremo a extremo. Los conceptos que se hablaban en este artículo no eran muy novedosos en esas épocas, pero lo que sí era importante y novedoso era que Cerf y Kahn sugerían que el nuevo protocolo fuera independiente de la red y de hardware de computación usado, también se proponía conectividad universal a través de la red. Estas ideas eran radicales en un mundo de hardware y software propietario, porque permitían que cualquier tipo de plataforma participara en la red. El protocolo fue creado y conocido como TCP/IP. En 1981 se estandarizó en la versión 4 de TCP/IP para ARPAnet. En 1982, TCP/IP sustituyó a NCP como protocolo dominante en la creciente red, que para entonces 4 Network Control Program (Programa de control de red). Fuente: es.wikipedia.org/wiki/ncp 3

4 empezaba a conectar maquinas por todo el continente. De acuerdo con unas estimaciones, durante esta primera década se conectaba 1 computadora nueva a ARPAnet cada 20 días. El crecimiento y desaparición subsecuente de ARPAnet vino cuando la Oficina de Cómputo Científico Avanzado aprobó el desarrollo de un amplio acceso para supercomputadoras. Se creó NSFNET 5 para conectar seis supercomputadoras dispersas por el país a través de líneas T-1 (que operaban a Mbps). Por último, en 1990 el Departamento de Defensa declaró que ARPAnet era obsoleta y oficialmente fue desmantelada. 1.2 Arquitectura TCP El propósito del diseño del protocolo TCP/IP fue el de conectar varios equipos de distintos fabricantes, debía ser capaz de ejecutarse en diferentes tipos de medios y enlaces de datos. Debía unir a un conjunto de redes en un solo internet, de forma que todos sus usuarios puedan acceder a un conjunto de servicios genéricos. Todos estos requisitos conformaron la arquitectura del protocolo. La necesidad de la independencia de la tecnología del medio y la conexión automática de una red, condujo a la decisión de transmitir dividiendo la información, es decir, un dato se lo dividía y enviaba por partes a través de la red. Las funciones que garantizaban que esta información llegara intacta fueron instaladas en el host de origen como en el de destino Estructura de Capas Para conseguir que la información se transmita correctamente entre computadoras se deben realizar varios procesos por separado: 5 National Science Foundation's Network, desmantelada en 1995, fue una red de alta velocidad que constituía la espina dorsal de Internet en EE.UU Fuente: es.wikipedia.org/wiki/nsfnet 4

5 Empaquetar datos. Determinar el camino que se debe seguir. Transmitirlos por el medio físico. Regular la tasa de transferencia de acuerdo con el ancho de banda disponible y la capacidad del receptor para absorber los datos. Ensamblar los datos entrantes para que se mantengan en la secuencia correcta y no haya pérdida de partes de los datos. Comprobar los datos entrantes para ver si hay trozos repetidos. Notificar al emisor los datos que se han recibido correctamente. Entregar los datos a la aplicación correcta. Manejar eventos de errores y problemas. El resultado de seguir todos estos pasos hace que el software se vuelva muy complejo, por esta razón se aplico un modelo en capas con el cual resulta más sencillo agrupar funciones e implementar el software de comunicaciones de forma modular. La estructura concreta seleccionada para los protocolos de TCP/IP proviene de requisitos que evolucionaron en establecimientos académicos y militares. IP hace lo necesario para agrupar distintos tipos de redes en un solo internet. TCP proporciona transferencia fiable de los datos. El modelo de comunicación de datos OSI 6 se vio influido fuertemente por el diseño de la TCP/IP. Las capas de OSI y la terminología de OSI se han convertido en una parte estándar de la cultura de las comunicaciones de datos. A continuación se presenta un grafico de las diferencias entre los modelos de capa TCP/IP y OSI, para los cuales se explicará superficialmente que sucede en cada capa. 6 Modelo para la interconexión de sistemas abiertos (Open Systems Interconnection). Es un modelo teórico de conexión de sistemas, propuesto por ISO. Fuente: europcs.info/ftp/cursos/diccionario/diccionario.htm 5

6 Figura 1.1. Capas OSI y TCP/IP Fuente: Capa Física. La capa trata con el medio físico, los conectores y las señales que representan los 0 o 1. Por ejemplo, las tarjetas de interfaz de red de Ethernet y Token-Ring y los cables implementan las funciones de la capa física Capa de Enlace de Datos. En la capa de enlace, los datos se organizan en unidades llamadas tramas. Cada trama posee una cabecera que incluye una dirección e información de control y una cola que se usa para la detección de errores. 6

7 La cabecera de una trama de una red de área local (LAN) contiene las direcciones físicas del origen y destino, identificando las tarjetas de interfaz de red del origen y del destino. La cabecera de una trama que se trasmite por una red de área extensa (WAN) contiene un identificador de circuito en su campo de dirección. Figura 1.2. Formato de una Trama Control y Dirección de la Cabecera de la Trama INFORMACIÓN Cola de Detección de Errores de la Trama Autor: Capa de Red. El protocolo de Internet realiza funciones de la capa de red. IP encamina datos entre sistemas, los datos pueden atravesar un enlace único o pueden reenviarse por varios enlaces de un internet. Los datos se transportan en unidades llamadas datagramas. Un datagrama tiene una cabecera de IP que contiene información de la capa 3. Los routers examinan la dirección de destino de la cabecera de IP, para dirigir los datagramas al destino. La capa de IP de denomina no orientada a la conexión ya que cada datagrama se encamina de forma independiente e IP no garantiza una entrega fiable, ni en secuencia, de los mismos. IP encamina su tráfico sin tener en cuenta la relación entre aplicaciones a la que pertenece un determinado datagrama. 7

8 Figura 1.3. Datagrama de IP Cabecera de IP: Dirección de IP de destino Dirección de IP de origen INFORMACIÓN Autor: Capa de Transporte: TCP. El protocolo TCP realiza funciones de la capa de transporte, este proporciona a las aplicaciones servicios de conexión fiable de los datos. TCP dispone de los mecanismos que garantizan que los datos se entreguen sin errores, sin perdida y en secuencia. Una aplicación, como la de la transferencia de archivos, transmite datos a TCP y esta añade una cabecera creando una unidad denominada segmento. TCP envía segmentos a IP, quien los encamina hacia su destino. TCP acepta segmentos entrantes por IP, determina la aplicación de destino y traslada los datos a la aplicación en el orden que fueron enviados Capa de Transporte: UDP. Una aplicación envía un mensaje independiente a otra aplicación mediante el protocolo de datagramas de usuario (UDP). UDP añade una cabecera creando una unidad determinada datagrama de UDP o mensaje de UDP. UDP traslada los mensajes de UDP salientes a IP. UDP acepta mensajes de UDP entrantes de IP y determina la aplicación de destino. UDP es un servicio de comunicaciones no orientado a conexión que suele usarse en aplicaciones de búsquedas simples en bases de datos. 8

9 Capa de Sesión. Como su nombre lo implica, la capa de sesión establece, administra y finaliza las sesiones entre dos host. La capa de sesión proporciona su servicio a la capa de presentación. También sincroniza el dialogo entre las capas de presentación de los dos host y administra el intercambio de datos. Además de regular la sesión, esta capa ofrece prevención para una eficiente transferencia de datos, clase de servicio y, excepcionalmente, informa de problemas en las capas de sesión, presentación y aplicación Capa de Presentación. La capa de presentación asegura que la información que se envía a la capa de aplicación de un sistema se va a poder leer por la capa de aplicación de otro sistema. Si fuese necesario, la capa de aplicación traduce múltiples formatos de datos empleando un formato común. Esta capa también es la responsable de la compresión y el cifrado Servicios de Aplicación. El protocolo TCP/IP incluye un conjunto de servicios de aplicación estándares como la transferencia de archivos, el acceso al servidor de archivos del Sistema de archivos de red (NFS), correo electrónico, la world wide web (WWW) y la búsqueda de direcciones del Sistema de nombres de dominio. 9

10 1.2.2 Empaquetado de Datos para su Transmisión. El término genérico para la información junto con una cabecera apropiada se llama Unidad de datos de protocolo (PDU). A continuación se muestra un gráfico donde se puede observar cómo se empaquetan los datos para su transmisión. Figura 1.4. Empaquetamiento de datos para transferencia Fuente: Aprendiendo TCP/IP en 14 días 1.3 Encapsulación. Como ya se sabe, el traspaso de información de un computador a otro se lo hace mediante el envío de datos o paquetes de datos, para que esta información sea enviada en existe un proceso de empaquetamiento de datos, o como también se lo conoce Encapsulación. Este proceso encierra los datos con la información del protocolo necesaria antes de que puedan ser transmitidos por la red. 10

11 Mientras los datos viajan a través de las capas del modelo OSI, recibe las cabeceras, la información final y el resto de información necesaria para su transmisión efectiva. A continuación se hará un recuento de cómo los datos viajan a través de las capas. Cuando los datos son enviados desde el origen se lo hace a través de la aplicación y de otras capas, el empaquetamiento y el flujo de datos se intercambian mientras la red realiza su servicio para los usuarios finales. Los diseñadores de hardware, software y protocolos al ver que los datos son señales eléctricas que viajan desde un origen y tienen q ser representadas en el destino tal y como fueron enviadas, han reconocido que la manera más eficiente de implementar las comunicaciones de red sería un proceso de creación de capas. Los pasos para la conversión para la encapsulación los datos son: 1. Construir los datos: Como cuando un usuario envía un ; los caracteres se convierten en datos para ser enviados a través de la red. 2. Empaquetar los datos para el transporte de origen a destino: Los datos son empaquetados para ser trasportados por la red, al segmentar los datos, la función de trasporte se asegura que tanto en el origen como en el destino la información llegue de forma confiable y entendible. 3. Añadir la dirección de red a la cabecera: Los datos se colocan en paquetes o datagramas que contienen un encabezado con las direcciones lógicas de origen y destino. 4. Añadir la dirección local a la cabecera de enlace de datos: Cada dispositivo de la red debe poner el paquete dentro de una trama. Cada dispositivo en la ruta de red seleccionada requiere el entramado para poder conectarse al siguiente dispositivo. 5. Convertir los bits para la transmisión: La trama trasportada debe convertirse en un grupo de 0 s y 1 s (bits) para la transmision a traves del medio. Una función de temporizacion permiten que los dispositivos entiendan estos bits a medida que se transladan por el medio. 11

12 Figura 1.5. Conversión para la encapsulación Fuente: Curso CCNA 1 Cisco Systems 1.4 Modelo OSI y Protocolos Asociados. En las últimas dos décadas, ha existido un considerable aumento en el tamaño y numero de las redes. Muchas de estas redes, se encuentran configuradas usando hardware y software diferente. Como resultado de esto, muchas de estas son incompatibles entre sí. Para resolver este problema, la Organización Internacional de Normalización (ISO), investigó muchos esquemas de red como DECnet 7, SNA 8 y TCP/IP, reconociendo de esta forma la necesidad de crear un modelo de red que pueda ayudar a los constructores de redes a implementarlas y facilitar la comunicación y el trabajo entre ellas. 7 Conjunto de protocolos de red usados en los sistemas operativos Digital Equipment Corporation. No compatibles con el protocolo TCP/IP. Fuente: 8 Systems Network Architecture. Un conjunto de protocolos de comunicaciones para manejo de redes entre computadoras IBM. Fuente: 12

13 El modelo de referencia OSI es el modelo principal para las comunicaciones de red. Un objetivo primordial de este modelo es el del acelerar el desarrollo de productos de red. Aunque existen otros modelos, la mayoría de fabricantes actuales relacionan sus productos con el modelo de referencia OSI. Este modelo permite ver las funciones de red que suceden en cada capa. Y lo más importante es que este modelo nos guía en la comprensión de cómo viaja la información o paquetes de datos de una aplicación (hojas de cálculo, documentos, etc.) a través de la red hasta otras aplicaciones que estén ubicadas en otro lado de la red, aunque el emisor y el receptor tengan diferentes tipos de medios de red. En referencia a la Figura 1.1 se muestra el modelo OSI con sus respectivas 7 capas. Cada capa muestra una función particular en la red. Dividir a la red en capas distintas proporciona las siguientes ventajas: Divide la comunicación de la red en partes pequeñas, sencillas y fáciles de desarrollar. Facilita la normalización de los componentes de la red, al permitir el desarrollo y el soporte de múltiples fabricantes. Permite que diferentes tipos de hardware y software de red se comuniquen entre sí. Impide que los cambios en una capa afecten a las otras, por lo que se pueden desarrollar más rápidamente. Divide la comunicación de la red en partes más pequeñas para hacer más fácil su comprensión y entendimiento. 1.5 Modelo TCP/IP y Protocolos Asociados. Aunque el modelo de referencia OSI es el reconocido mundialmente, el estándar más usado abierta y técnicamente de Internet es el protocolo para el control de la transmisión de datos (TCP/IP). Este modelo y/o protocolo de referencia TCP/IP apilan la posible comunicación de datos entre dos computadoras de cualquier parte del mundo, a casi la velocidad de la luz. Este modelo tiene una importancia 13

14 histórica al igual que las normas que permitieron florecer a las industrias de telefonía, electricidad, ferrocarril. Televisión y video. Como se habló anteriormente en esta tesis, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD), creó el modelo TCP/IP porque quería un red que pudiese sobrevivir en cualquier condición, incluso a una guerra nuclear. El DoD quería que sus paquetes llegaran en todo momento y bajo cualquier condición, desde cualquier punto hasta otro punto. Éste fue el difícil problema de diseño que provocó la creación del modelo de referencia TCP/IP, que es la norma por la que ha crecido el Internet. A continuación se presenta un gráfico que explicará el modelo en sí. Figura 1.6. Protocolos especificados por el modelo TCP/IP Fuente: Cisco System: Guía del primer año 14

15 En el gráfico se nota que en la capa de aplicación se pueden ver diferentes tareas que a lo mejor un usuario normal no las reconoce, pero, como usuario de Internet, es posible que las use todos los días. Estas aplicaciones son: FTP. Protocolo de transferencia de archivos. HTTP. Protocolo de transferencia de hipertexto. SMTP. Protocolo simple de transferencia de correo. DNS. Sistema de denominación de dominio. TFTP. Protocolo trivial de transferencia de archivos. El modelo TCP/IP proporciona la máxima flexibilidad, en la capa de aplicación, a los diseñadores de software. La capa de transporte soporta dos protocolos: El protocolo para el control de la transmisión (TCP) y el protocolo de datagrama de usuario (UDP). La ultima capa, la capa de acceso a la red, se refiere a la tecnología LAN o WAN que se va a emplear. En el modelo TCP/IP, sin importar la aplicación que solicite los servicios de red, y sin importar el protocolo de transporte que se use, solo existe un protocolo de red: el protocolo Internet (IP). Es una decisión de diseño deliberada, IP sirve como un protocolo universal que permite a cualquier computadora, donde quiera que esté, comunicarse en cualquier momento. 1.6 IPv.4. Internet Protocol versión 4 (IPv.4) fue la primera versión del protocolo que se distribuyó extensamente sobre el globo. La principal tarea de este protocolo es la transmitir la información de un usuario a otro a través de la red, esto lo hace con la ayuda de otros protocolos. IPv.4 está categorizado como el principal protocolo utilizado en la capa de red del modelo TCP/IP. Este protocolo fue descrito inicialmente en el RFC 7919 elaborado por el Grupo de Trabajo en Ingeniería de 9 Documento que especifica el Protocolo Internet Estándar del DoD. Fuente: es.wikipedia.org/wiki/rfc

16 Internet (IETF) en Septiembre de 1981, documento que dejó obsoleto al RFC 760 de Enero de IPv4 es un protocolo orientado hacia datos que se utiliza para comunicación entre redes a través de interrupciones (switches) de paquetes (por ejemplo a través de Ethernet). Tiene las siguientes características: - Es un protocolo de un servicio de datagramas no fiable. - No proporciona garantías en la entrega de datos. - No proporciona garantías sobre la corrección de datos. - Puede existir la posibilidad que existan paquetes duplicados o en desorden. La solución de todos los problemas que IPv.4 genera se la encuentra en la capa siguiente del modelo TCP/IP, por ejemplo, a través de TCP o UDP. El propósito principal de IP es proveer una dirección única a cada sistema para asegurar que una computadora en Internet pueda identificar a otra. IPv.4 usa direcciones de 32 bits, limitándola a 2 32 = direcciones únicas, muchas de las cuales están dedicadas a redes LAN. Debido al incremento extenso de Internet, se ha llegado a la conclusión que las direcciones IP tendrán que enfrentar el hecho que se están agotando, por esa razón se están buscando soluciones e innovaciones como la implantación de la versión 6 de IP. 16

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