TEMA 25: El Protocolo TCP/IP.

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1 Tema 25 Protocolo TCP/IP TEMA 25: El Protocolo TCP/IP. Índice 1 INTRODUCCIÓN Historia 1 2 CAPAS DEL PROTOCOLO La capa de aplicación La capa de transporte El protocolo TCP Protocolo de Control de Transmisión El protocolo UDP User Datagrama Protocol La capa de Internet IP Protocolo de Internet ICMP (Protocolo de mensajes de control de Internet) El ARP. El protocolo de resolución de direcciones Enrutamiento RIP Routing Information Protocol OSPF Open Shortest Path First 7 3 DIRECCIONAMIENTO IP EN IPV Subredes y máscaras 8 4 IPV Direccionamiento IPv6 9 1 Introducción La familia de protocolos TCP/IP es el conjunto de protocolos de comunicación que se utiliza en Internet. El modelo tiene un diseño modular por capas. Cada protocolo de una capa tiene sus funciones y para ejecutarlas utiliza los servicios de protocolos de las capas inferiores. La comunicación se realiza a través de unos interfaces estándares, de forma que los protocolos sean independientes de la implementación del resto de protocolos. Con esta división en capas, se consigue que el desarrollo de aplicaciones que utilicen la red de Internet se tenga que tener en cuenta sólo los protocolos de la capa de aplicación, de forma que sean independientes de los protocolos utilizados en las capas inferiores. A la hora de comunicar dos equipos mediante tcp/ip, no es necesario saber que tecnología de red subyacente se está utilizando. 1.1 Historia El protocolo TCP/IP se desarrolló dentro del proyecto ARPANET en los años 70. El objetivo era crear una red de comunicaciones de defensa para EEUU. A principios de los 80, la red ARPANET era una realidad, y se dividió en una red militar y otra civil. En ambas redes, se utilizaban los protocolos de comunicación TCP/IP. La red civil aumentó de extensión y de usos, dando lugar a Internet. La versión propuesta desde 1992 para el protocolo IP es la versión 6, aunque todavía se siga utilizando mayoritariamente la versión 4 (No existe la versión 5). Página 1 de 9

2 2 Capas del protocolo El protocolo tcp/ip consta de 5 capas: Capa Programas de aplicación Capa de transporte Capa de Internet Capa de enlace Capa física Envío de mensajes Recepción de mensajes Las especificaciones de la capa de enlace y de la física no están incluidas en las especificaciones de los protocolos TCP/IP. 2.1 La capa de aplicación Es el nivel más alto de la pila de protocolos. Establece los servicios estándares de comunicación disponibles en la red TCP/IP, para que los usuarios los utilizan a través de sus aplicaciones. Los protocolos TCP/IP que especifican estos servicios, se denominan protocolos de nivel de aplicación. Los principales son, entre muchos protocolos: Red FTP: Protocolo de transmisión de ficheros HTTP: Protocolo de transmisión de hipertexto SMTP: Protocolo de transmisión de correo electrónico POP3: Protocolo de recepción de correo electrónico SNMP: Protocolo de gestión de los equipos que componen la red. En un mismo equipo puede haber varias aplicaciones comunicándose de forma simultánea a través de los protocolos TCP/IP. Para que la capa de transporte identifique a que aplicación corresponde cada comunicación, se asigna un identificador numérico a cada servicio establecido, es lo que se denomina puerto o socket. El identificador se compone de un número entero entre 0 y El rango de identificadores de puertos se organiza en tres conjuntos: 1. Del 0 al 2 10 son los puertos bien conocidos que están asignados a un servicio determinado. Por ejemplo: El puerto 80 para el servicio http, 21 al FTP. 2. Del 2 10 al son puertos registrados. Son puertos que pueden estar asignados a un determinado servicio. Históricamente su uso como puertos de un determinado servicio es reciente. Su control por parte de los SO es menor. Servicios como : Messenger, Kazza, MySQL del al 2 16, son puertos dinámicos, son puertos, que por definición, no han de ser asignados a ningún servicio en concreto. Página 2 de 9

3 En muchos casos, los servicios ofrecidos por los protocolos de la capa aplicación, aparecen integrados en las primitivas del sistema operativo. Es por ello, que los detalles del sistema de comunicaciones aparecen ocultos a los usuarios. 2.2 La capa de transporte Es la responsable de proporcionar el servicio de comunicación entre una aplicación de un equipo, con la aplicación de otro equipo remoto. Es lo que se denomina comunicación puerto a puerto. También es la encargada de adaptar el flujo de información que se envía o recibe. Según el tipo de comunicación, la capa de aplicación envía una serie de paquetes de datos o un flujo continuo de datos a la capa de transporte. Esta se ocupa de dividir la información en paquetes (fragmentos de datos) y les añade una cabecera con la información necesaria para que llegue al destino. En el destino, la capa de transporte recibe los paquetes y los vuelve a unir para reconstruir la información a la aplicación que le indique la cabecera de los paquetes con el número de puerto. La cabecera contiene la dirección del destinatario remoto, el puerto de origen y de destino, la longitud del paquete y un campo de verificación para verificar el paquete en el destino. Los dos protocolos más comunes de esta capa son el TCP y el UDP El protocolo TCP Protocolo de Control de Transmisión - El protocolo TCP, es un protocolo confiable, asegura la comunicación se complete. Sus características son: Establece una sesión entre el equipo emisor y el destinatario. Verifica que todos los paquetes sean transmitidos correctamente y en orden. Si un paquete no es recibido o llega con errores, envía una petición para que vuelva a ser transmitido. El ciclo de transmisión del protocolo es el siguiente: 1. El equipo emisor envía una solicitud de conexión al equipo receptor. Esta solicitud transporta información de sincronismo. Si el receptor acepta la comunicación, responde con un mensaje de confirmación (ACK). 2. El equipo emisor envía paquetes al receptor. Éste cada vez que recibe un paquete correctamente responde con un mensaje de confirmación (ACK). 3. Una vez que finaliza la transmisión, el emisor envía un mensaje de finalización de conexión. El receptor confirma la recepción de la petición y la comunicación finaliza. El control de flujo se realiza por la técnica de la ventana deslizante. El receptor informa al emisor de la cantidad de datos que esta preparado para aceptar (tamaño de la ventana deslizante). Durante la transmisión, los mensajes de confirmación contienen un campo que indica cuantos bytes tiene la ventana del receptor. Así el emisor sabe que puede enviar esa cantidad de datos hasta que reciba otro ACK. Para evitar la congestión del receptor por el reenvío de paquetes perdidos, el tamaño de la ventana deslizante se reduce conforme el receptor no recibe paquetes y crece cuando recibe los paquetes perdidos. Es el protocolo de la capa de transporte más utilizado. Lo utilizan protocolos de la capa de aplicación como http, ftp, snmp Para enviar los paquetes al receptor utiliza los servicios del protocolo ip de la capa de red. Página 3 de 9

4 2.2.2 El protocolo UDP User Datagrama Protocol - El protocolo UDP realiza las mismas funciones que el TCP: proporciona un servicio de comunicación a las aplicaciones y para ello utiliza los servicios del protocolo IP. La diferencia es que UDP no es confiable. No guarda ninguna información de sesión ni asegura que todos los paquetes hayan sido recibidos o que no haya duplicados. La verificación de errores en los paquetes es opcional. La responsabilidad del control de flujo recae en el programa que utilice UDP. Al no tener que realizar estas labores, consigue ser más rápido que el TCP. Protocolos como DNS, RPC, NFS... utilizan UPD como protocolo de transporte. 2.3 La capa de Internet Su principal función es transmitir los paquetes al equipo receptor aunque no esté conectado a la misma red que el emisor. Para ello deberá dirigir los paquetes dentro de una red de redes IP Protocolo de Internet- El principal protocolo de la capa es IP, protocolo de Internet. La unidad de transferencia básica o PDU que IP utiliza es el datagrama. La cabecera del datagrama contiene información de la dirección IP de origen y de destino, la versión IP, el tipo de servicio (UDP o TCP) y el número de routers que puede atravesar como máximo. Sus características más destacadas son: 1. Proporciona un servicio homogéneo y estable independiente de la red física subyacente. Libera a las capas superiores de cualquier cambio en las redes inferiores. Las direcciones IP son independientes de las direcciones físicas reales. 2. Es un protocolo no confiable, no comprueba que el mensaje haya sido recibido ni realiza control de errores. Esta tarea, si se realiza, la hace la capa superior, la capa de transporte. Cuando recibe un datagrama, sólo comprueba que la cabecera sea correcta y la elimina, antes de pasar el paquete a la capa superior. 3. Gestiona el encaminamiento de los datagramas entre redes físicas diferentes de forma automática y transparente. Crea la ilusión de que se está compartiendo una red única a pesar de que los equipos estén en redes diferentes, con tecnologías distintas y geográficamente separadas. Página 4 de 9

5 La fragmentación consiste en la división del datagrama en las unidades del tamaño que indique la capa de red. Esta división depende del protocolo de red utilizado, por ejemplo Ethernet permite tramas de hasta 1500 bytes. En el caso de fragmentar un datagrama, se añade información en la cabecera de cada fragmento para poder reconstruirlo. En IPv4 la fragmentación puede darse en cada paso por un router, en IPv6 primero se determina el tamaño de fragmento más pequeño que deberán tener los datagramas al circular, para realizar de un principio la fragmentación a este tamaño. Esto mejora el rendimiento de la transmisión ICMP (Protocolo de mensajes de control de Internet) El ICMP se utiliza principalmente para que los equipos de una red puedan reportar errores o circunstancias anómalas al emisor del paquete causante del problema. También es utilizado por los servicios de ping y traceroute. Por ejemplo: Si a un equipo llega un paquete dirigido a un puerto que no está asociado a ningún programa, el receptor informará de este hecho al emisor del paquete mediante el protocolo ICMP. La información que transmiten los mensajes ICMP no informa del camino recorrido por el mensaje. ICMP es un protocolo de la capa de red que además utiliza los servicios de IP para sus mensajes. Los mensajes van encapsulados dentro de paquetes IP. Un mensaje ICMP consta de dos partes: 1. Una cabecera indicando el tipo de error producido: Equipo inalcanzable, sobrepasado el tiempo máximo de circulación del paquete Un cuerpo con parte del paquete que ha dado el error: la cabecera IP y 64 bits con la cabecera del protocolo TCP o UDP y parte del contenido del paquete. El estándar TCP/IP establece que la implementación del protocolo ICMP es obligatoria. Los otros protocolos de esta capa son: El ARP. El protocolo de resolución de direcciones. Permite mantener la correlación de direcciones ip y direcciones físicas. Su finalidad es obtener la dirección física de un equipo a partir de su dirección de red. Cuando un encaminador tiene un datagrama a enviar a un equipo con una dirección IP de la misma subred que el encaminador y no conoce su dirección física, envía un mensaje broadcast por toda la subred. Si un equipo tiene esa dirección IP contesta con su dirección física. Página 5 de 9

6 2.4 Enrutamiento La principal función del protocolo IP es el enrutamiento o encaminamiento es dirigir los datagramas dentro de una red de redes para que alcancen su destino. Los datagramas viajan por la red saltando de router en router. En cada router se decide cual será el siguiente router de destino. Si el destino del paquete está en la misma red que el router, se lo envía directamente al equipo de destino. En esta capa, un equipo mantiene dos tablas. La tabla ARP que relaciona las direcciones IP con las direcciones Físicas (direcciones MAC) de los equipos conectados en la misma red o redes y una tabla de enrutamiento que le indica a que equipo enviar los paquetes destinados a equipos remotos de otras redes. La tabla de enrutamiento de un router puede ser muy extensa, en cambio la de un equipo conectado a la red, puede limitarse a una sola dirección IP (Puerta de enlace). Hay dos tipos de enrutamiento: 4. El directo: El equipo de origen y el equipo de destino están conectados en la misma red. El equipo de origen lo sabe por el identificador de red de la dirección IP. Busca en la tabla ARP la dirección de red de destino. Si no la tiene, utiliza el protocolo ARP para obtenerla. Luego le envía directamente el datagrama. 5. El indirecto: El equipo destino está conectado a otra red. El equipo de origen envía al router que considere conveniente el datagrama para que este lo reenvíe. El enrutamiento indirecto puede darse entre subredes de una misma red lógica, o tener que saltar a una red WAN para alcanzar la red Lan remota. Las tablas de enrutamiento utilizadas pueden ser de dos tipos: Estáticas: Se modifican de forma manual por el administrador de la red. Su inconveniente es que no tienen capacidad de respuesta ante cambios en la red, como por ejemplo la caida de un router. Dinámicas: Las tablas pueden modificarse de forma automática para reflejar los cambios en la red. Son utilizadas en los routers, los cuales colaboran entre ellos para mantener actualizadas sus tablas de enrutamiento. Utilizan protocolos como RIP y OSPF. El enrutamiento se realiza dentro de la capa de Internet, por lo que no se realiza ni control de errores ni de flujo. Estas tareas se hacen, si se hacen, en la capa superior. Es por ello, que el datagrama no es verificado hasta llegar a su destino. Esta decisión de diseño, reduce el trabajo que deben realizar los routers. Página 6 de 9

7 2.4.1 RIP Routing Information Protocol- Es uno de los primeros protocolos de enrutamiento de Internet. El enrutamiento de los paquetes se realiza de forma que recorran el camino más corto hasta su destino. Se entiendo como el camino más corto el camino con menos saltos para llegar al destino. Para ello, el router mantiene un Vector de distancia con la menor distancia para cada destino. El vector de distancia suele incluirse dentro de la tabla de enrutamiento. Es un protocolo que no detecta las rutas circulares y limitado a enviar paquetes a una distancia máxima de 15 saltos. Es utilizado en redes de tamaño pequeño o mediano. Es fácil de gestionar y es un estándar abierto soportado por la mayoría de fabricantes OSPF Open Shortest Path First Es el protocolo de enrutamiento más utilizado en redes grandes. Es un protocolo de enrutamiento jerárquico, es decir, capaz de organizar jerárquicamente las subredes, y utiliza el algoritmo de Dijkstra para calcular las rutas más cortas posibles. Es capaz de proporcionar servicios de autentificación de los nodos de la red y evitar rutas circulares. Es el sucesor natural de RIP. En sus comunicaciones utiliza directamente los servicios de IP, aunque es considerado un protocolo de la capa de Internet. Página 7 de 9

8 3 Direccionamiento IP en IPv4 Cada conexión de un equipo a la red Internet tiene asignado una dirección única (Identificador Universal). En la versión 4 de IP, se compone de un número de 32 bits que se utiliza en todas las comunicaciones a través de esta conexión. Generalmente se representa los 4 octetos que la componen en formato decimal separados por puntos: Conceptualmente cada dirección IP consta de dos campos: (netid, hostid) (dirección de red, dirección del equipo dentro de la red) El tamaño de ambos campos no es fijo. Cuanto más bits tenga el netid, mayor número de redes se pueden tener, aunque cada red con un menor número máximo de equipos. El número de equipos en una red es de 2 (nºde bits hostid) -2. Se le resta 2 porque la hostio todo 0 identifica la red, y todo 1s indica dirección multiemisión: Paquete para todos los equipos de la red. Según su uso hay 5 tipos de direcciones IP, que se distinguen por la posición del primer bit con valor 0. Tipo dir. IP Comienza NetId HostId Uso Clase A: 0 7 bits 24 bits Para grandes organismos, como países. Clase B: bits 16 bits Para grandes corporaciones. Clase C: bits 8 bits Para uso común Clase D: bits - Multicast: Clase E: Sin uso actual Con el uso de mascaras, se pueden reservar partes de los bits del hostid para dividir la red en subredes y facilitar la administración interna de una red. 3.1 Subredes y máscaras El componente de dirección de red de una dirección IP pocas veces identifica una red física individual. Por que si no, en una dirección de tipo B habría que tener conectados 2 16 equipos diferentes a una misma red física. Generalmente bajo este identicador se agrupan un conjunto de redes diferentes. Para identificar las redes físicas agrupadas bajo una misma dirección de red se crean las subredes. Para direccionar la subred se utilizan parte de los bits del campo HostId de la dirección IP. Por ejemplo: En una dirección IP de tipo C, de los 8 bits se podrían dedicar 4 para crear subredes. De esta forma, la red podría tener hasta subredes de equipos cada una. Se le tienen que restar 2 equipos por subred pues hay que reservar una dirección para identificar la subred (todos los bits de la dirección de host a 0) y otra dirección para envíos broadcast (todos los bits de la dirección de host a 1). 21 bits 4 bits 4 bits 110 NetId SubnetId HostId Página 8 de 9

9 Para poder saber que parte de la dirección IP representa la red y cual los equipos, se utilizan máscaras. Una máscara se estructura igual que una dirección IP, los bits que representan la parte de red valen 1, los otros valen 0. De esta forma realizando una operación de AND se obtiene la dirección de red. Ejemplo: Una dirección de clase B: tendrá una máscara y al hacer el AND obtendremos la dirección de la red: Para las subredes, se utiliza una técnica análoga. Existe una máscara de subred, donde la parte de dirección de subred vale 1 y el resto 0. Ejemplo: Si establecemos en una dirección clase B, 4 bits para la subred, y se aplica a la dirección IP anterior, nos devuelve la dirección de subred: IPv6 La versión actual recomendada para el protocolo IP es la versión 6, aunque todavía no es usado de forma mayoritaria. Esta versión incluye muchas características de la versión 4 y además da soporte a las nuevas tecnologías. Sus características son: Mayor capacidad de direccionamiento. La dirección pasan de 32 bits a ser de 128 bits, aunque se mantiene la compatibilidad con las antiguas versiones. Formatos de cabecera flexibles. El conjunto de campos de la cabecera y su longitud pueden variar. El formato es incompatible con la versión 4 de IP, por ello, si un router conecta una red IPv4 con una IPv6 debe realizar el cambio de cabeceras a los datagramas. IPv6 posee mecanismos de preasignación de recursos de la red. Lo que le permite dar soporte a nuevas tecnologías como la transmisión de vídeo en tiempo real. A diferencia de IPv4, IPv6 es un protocolo que no especifica completamente todos los detalles, sino que permite añadir nuevas características. Esto permite poder adaptar el protocolo a nuevas tecnologías que puedan surgir. 4.1 Direccionamiento IPv6 IPv6 utiliza tres tipos de direccionamiento básico: Unicast: Una dirección identifica a un equipo conectado a la red. Multicast: Una dirección identifica a un conjunto de equipos conectados a una red. Anycast: Una dirección identifica a un conjunto de equipos conectados a la red. La diferencia con Multicast, es que el paquete sólo será recibido por el equipo más cercano. La representación de las direcciones IPv6 se realiza utilizando notación hexadecimal para conseguir representaciones manejables. Existe un conjunto de direcciones reservada para codificar direcciones IPv4. En estas podemos distinguir dos tipos: Compatibles con IPv4. Máquinas de uso dual, que tienen posibilidad de trabajar en los dos entornos. Por eso utilizan direcciones con los 96 primeros bits a 0. IPv6 con proyección a IPv4. Utilizados en dispositivos IPv6 interconectados mediante redes IPv4. Los primeros 80 bits están a 0, los siguientes 16 a 1 y los 32 bits últimos indican la dirección. Página 9 de 9