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Timestamp: 2016-12-11 14:07:47+00:00

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⭐CAPÍTULO VIII Protocolo IPv4
CAPÍTULO VIII Protocolo IPv4
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Ricardo Mendoza Chávez
1 CAPÍTULO VIII Protocolo IPv4 La conexión de redes entre sí exige la presencia de elementos de cooperación denominados dispositivos de encaminamiento, ruteadores, o routers. Se trata de máquinas para el procesamiento de paquetes que permiten la interconexión. Los routers se convierten en piezas fundamentales en las redes WAN pues en ellos se efectúan las decisiones necesarias para llegar a las redes destino. En pos de este objetivo, en los propios elementos de decisión, se almacena información en forma de una Tabla de Ruteo. La existencia de una Tabla de Ruteo, que es consultada por el router al momento de tomar la decisión de encaminamiento, implica la necesidad de un mecanismo de carga la información en la propia Tabla y de la modificación de la misma ante cambios de la situación operativa de la red. Los paquetes, por su parte, deberán transportar algún tipo de información que permita a los routers efectuar la decisión de encaminamiento. La existencia de una gran red exige la especificación de direcciones con significado global, cuyo propósito es la identificación unívoca de los protagonistas de la comunicación. Los extremos transmisor y receptor generalmente se encuentran instalados en sistemas más pequeños o en redes locales, donde también necesitan una identificación, aunque de significado físico y acotado. Una de las primeras inquietudes que surge en este escenario, se refiere a la relación entre las direcciones globales y las direcciones de significado local. Otra inquietud, determinada por la propia tecnología de interconexión, se relaciona con el manejo de la diferencia de velocidades entre distinto tipo de redes. A su vez, en el nivel de las aplicaciones, se deberán solucionar ciertos desafíos para lograr que varias aplicaciones trabajen al mismo tiempo comunicándose con distintos destinos. El objetivo final es proveer la capacidad a dos estaciones diferentes, con distinto hardware y/o SSOO, ubicada en redes de diferente tecnología o filosofía de funcionamiento, para que puedan comunicarse entre sí. Los protagonistas de este tipo de comunicación serán: - La propia red Internet, pensada como conjunto de redes de comunicación interconectadas por dispositivos de enrutamiento. - Los routers, dispositivos capaces de tomar decisiones sobre el encaminamiento de los paquetes, que funcionan en modalidad Store&Forward, para poder acomodar enlaces de diferentes velocidades entre sus puertos de comunicación. - Los sistemas finales, dispositivos donde corren aplicaciones. - Los protocolos, conjuntos de reglas que permiten la comunicación propiamente dicha o transporte de paquetes entre las distintas redes. Entre ellos, existen algunos únicamente especializados en el transporte de información de ruteo.2 Este capítulo introduce los aspectos más importantes del Protocolo de Internet, conocido como IP, con el que se ofreció una respuesta al problema del traslado de paquetes, desde un nodo fuente a un nodo destino. La versión 4 de este protocolo, IPv4, fue capaz de sobrellevar el crecimiento explosivo de Internet y aún se usa en nuestros días, aunque el problema de vaciamiento de direcciones hizo necesario diseñar un reemplazo más acorde a las necesidades actuales de las redes de datos. 8.1 Funcionalidad asociada al Protocolo de Red de Internet Antes de entrar de lleno en la explicación del protocolo IP, se destacará el conjunto de funcionalidades que se debió pensar en asociar al mismo al momento de su diseño. El protocolo de IP fue diseñado para que ofreciera un Servicio de Entrega de Paquetes Sin Conexión, sobre una base de paquete por paquete, de modalidad no confiable. Se denominó a este tipo de entrega best effort, interpretándose como entrega del mejor esfuerzo, sin garantías. Con este mecanismo, cualquier paquete con errores, simplemente se descarta. La recuperación por la pérdida de paquetes en la red quedará en manos de capas superiores. Esta característica no confiable del protocolo IP, llevó posteriormente al desarrollo de mecanismos de alerta y mecanismos de prueba, adicionales al protocolo propiamente dicho. La funcionalidad principal del protocolo es el ruteo de paquetes. Esta característica propia llevó a considerar la necesidad de un esquema de Direccionamiento Global para la identificación de los protagonistas de la comunicación. A medida que la red de Internet fue creciendo, esta elección derivó en un problema de configuración. Al principio, la definición de una dirección de red para un dispositivo se realizaba de forma manual, aunque con el correr de los tiempos se impuso la configuración automática. La configuración de los routers también resultó en diferentes estrategias, teniendo en cuenta que la carga de información de las Tablas de Ruteo sólo puede ser del tipo estático, o carga manual, para redes pequeñas o de tráfico predecible. En general, con el correr de los años, se impuso la carga dinámica, adaptable de manera automática a la situación de una red. Esta derivación, dio lugar a la aparición de nuevos protocolos, denominados de protocolos de ruteo, diseñados para la comunicación de aquella información relevante que permite a los routers acomodar sus Tablas de Ruteo a diferentes estados de congestión de la red. La forma de direccionar los paquetes a destino final impuso una filosofía en la información cargada en las tablas, así como en la manera de consultar dicha información, conocida como ruteo Red Destino-Próximo Salto. Esto significa que la consulta a la tabla de ruteo se realiza tomando como información de entrada sólo la dirección de la red a la que pertenece el destino final del paquete, en tanto que la tabla ofrece como resultado de la consulta, la dirección del siguiente router en el camino a ese destino. Obviamente, para que este esquema de ruteo funcione correctamente, las tablas en los diferentes routers deben cargarse con información coordinada y consistente.3 Esta filosofía de ruteo puede derivar en ciertos problemas de circulación de paquetes, ante errores en las tablas de ruteo. Por ejemplo, un error que generase un lazo de ruteo, con dos routers apuntándose entre sí como dirección de próximo salto, provocaría la circulación infinita de paquetes entre los routers intervinientes en ese lazo. La posibilidad de la existencia de este tipo de situaciones, motivó el agregado de información para que los paquetes tuvieran un Tiempo de Vida (TTL, Time to Live), útil como herramienta de descarte. También se debió considerar que, al atravesar distintas redes, los paquetes encuentran diferentes MTU (Maximum Transfer Units, Unidades Máximas de Transferencia), definiéndose este parámetro como la carga de datos máxima soportable por el nivel inmediatamente por debajo de IP. Si la MTU de la red sobre la que se va a re-enviar un paquete, es menor que la MTU de la red de procedencia, se impone la necesidad de un mecanismo de fragmentación. El protocolo IP permite que un paquete se fragmente en cualquier punto a lo largo de su camino, ya sea en origen o toda vez que un router deba entregarlo sobre un enlace de MTU menor. El procedimiento de re-ensamble, en cambio, sólo se realiza en el destino final. Esta última restricción se debe a una decisión de diseño referida a evitar la carga extra, ya sea de procesamiento o de asignación de recursos, en los dispositivos de ruteo. Por los motivos expuestos, el conjunto de funcionalidades mencionado se repartió entre tres protocolos. El protocolo IP (INTERNET PROTOCOL, Protocolo de Internet), definido en la RFC 791 de 1981, reúne las funcionalidades de ruteo, tiempo de vida, direccionamiento, fragmentación y mecanismos de pruebas. El protocolo ICMP (INTERNET CONTROL MESSAGE PROTOCOL, Protocolo de Mensajes de Control de Internet), definido en la RFC 792 de 1981, provee los mecanismos de alerta mencionados. Por su parte, el protocolo ARP (ADDRESS RESOLUTION PROTOCOL, Protocolo de Resolución de Direcciones), definido en la RFC 826 de 1982, ofrece el mecanismo de relación entre direcciones locales y direcciones globales para redes de tipo difusión. 8.2 Protocolo IP Teniendo en cuenta las funcionalidades mencionadas en el apartado previo, es más sencillo entender los distintos campos que integran el encabezado del Protocolo IP que se presenta en la Fig Los campos que componen la cabecera son: Versión (4 ): 4 es la versión actual de IP, con probable migración a IPv6. Longitud de la Cabecera IP, IHL (IP Header Length) (4 ): número que expresa en decimal la cantidad de palabras de 32 que conforman el encabezado. Este campo puede presentar un valor mínimo igual a 5, significando una longitud de cabecera de 5 palabras de 32, o su equivalente de 20. Se trata del tamaño mínimo para la cabecera fija, que es obligatoria. El valor máximo de este campo es 15, interpretable como 15 palabras de 32, es decir 480 ó 60. Este límite establece una cantidad máxima de opciones, que no puede superar los 40.4 Figura 8.1- Encabezado Protocolo IP. Tipo de Servicio, TOS (Type of Service) (8 ): sirve para indicar las necesidades particulares de Calidad de Servicio (QoS, Quality of Service) requeridas a la red por una aplicación particular. En este campo se intentó definir el modo en que los routers debían ordenar los paquetes en sus propias colas de re-envío. Para ello, se definieron tres criterios, cada uno con su propia bandera de señalización, como se observa en la Fig Se podía requerir una ruta para minimizar el retardo representado por el bit D, por Delay, maximizar el ancho de banda levantando el bit T, por Throughput, o maximizar la confiabilidad de los caminos atravesados con el bit R, por Reliability. A su vez, los tres bits al inicio del campo, marcan un nivel de precedencia para el paquete. En la práctica el campo TOS nunca se utilizó para tomar decisiones de ruteo. En la actualidad, la definición de servicios diferenciados ha cambiado esta manera tan precaria de dar prioridad al traslado de paquetes. Con este nombre, Servicio Diferenciado o DiffServ, se conocen actualmente los primero 6 del campo TOS. Los últimos dos bits se denominan ECN (Explicit Congestion Notification), utilizándose para colaborar en situaciones de congestión. El código con que se llena el campo DiffServ indica a un router el tratamiento que debería dar al paquete en el proceso de re-envío. Existen varios patrones definidos, refiriéndose a situaciones que van desde tratamiento de rutina hasta re-envío expeditivo, sobre una base por salto. Por su parte, el par de bits ECN sirve para marcar un paquete que pasa por un router cuyos puertos se encuentren excesivamente cargados de tráfico. La consecuencia de esta marca sobre el datagrama por parte de un router, se genera en destino, al ser apreciada por protocolos de nivel superior, tales como TCP. Se debe iniciar un mecanismo de aviso al extremo origen, para que baje la velocidad y así evitar la pérdida de paquetes en el router congestionado.5 Figura Campo de Tipo de Servicio. Longitud Total, TL (Total Length) (16 ): se trata de un número cuyo significado decimal es la cantidad de bytes total del paquete: encabezado y datos. Al tratarse de un campo de 16, la longitud total máxima resultante es de 2 1= Una de las razones de la presencia de este campo es la existencia de una unidad mínima de transferencia en redes LAN CSMA/CD, que obliga a rellenar a nivel MAC las tramas de tamaño inferior a este valor. Es pertinente aclarar que, en caso de fragmentación, el valor que carga este campo es el correspondiente a la longitud total del fragmento. Identificación, ID (16 ): número de carácter aleatorio que, junto con la dirección fuente, identifica unívocamente el paquete. Generalmente, para evitar confusiones, se incrementa en 1 por cada paquete que se envía por una interfaz. Es un campo fundamental en el proceso de re-ensamblado de los paquetes fragmentados, ya que todos los fragmentos, obligatoriamente, tienen en común el mismo ID. Banderas, Flags (3 ): se trata de una secuencia de 3 bits. El primero no tiene uso y se ajusta en 0. El segundo se utiliza para indicar a los routers si se permite o no fragmentar un paquete determinado. Se trata del bit DF (Don t Fragment) que, cuando se ajusta en 1 significa No Fragmentar. Si un paquete posee este bit en alto y debe ser re-enviado sobre un enlace de menor MTU, se lo descartará, enviando al origen un mensaje de error ICMP para informar esta situación. El tercer bit es particularmente útil en el proceso de re-ensamble de un datagrama fragmentado. Se lo conoce como bit MF (More Fragments) y se usa para indicar si un paquete es el último de una secuencia fragmentada o se trata de un fragmento intermedio. Cuando el bit MF se encuentra en 0 significa que es el último fragmento de un paquete. Corrimiento de Fragmentación, FO (Fragment Offset) (13 ): es un número cuyo significado decimal representa la posición del fragmento actual, medida en unidades de 8, dentro del datagrama original. La razón de esta interpretación tan extraña es más simple de lo que parece. Con 13, como posee este campo, se pueden contar hasta 2 1=8191. Este valor, interpretado como un número de6 8 logra cubrir la longitud mayor posible del datagrama, ya que 2 2 1= 2 1= A modo de ejemplo, en la Fig. 8.3, se presenta el caso en que un paquete debe atravesar un router que conecta una red LAN, cuya MTU es de 1500 (1480 de datos + 20 de encabezado IP), con una red de menor MTU, apenas Al volcar el paquete original sobre la interfaz de re-envío, envío, se debe descontar de la nueva MTU los bytes correspondientes a la cabecera IP.. De este modo se calcula el lugar que resta para los datos, en este caso = Se debe verificar que el número resultante sea múltiplo de 8 para poder usar correctamente el campo de FO. Si no lo es, se debe redondear el valor al número entero más cercano que lo sea, en este caso Esto significa que cada paquete será capaz de cargar 488 bytes de datos, resultando los datos originales repartidos en 4 fragmentos: 1480 = Los campos relevantes de los fragmentos resultantes se presentan en la figura. Fragmento N TL ID MF XXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXX 0 FO Figura 8.3 Ejemplo de Fragmentación. Tiempo de Vida, TTL (Time To Live) (8 ): originalmente, este campo, fue pensado como una cantidad en segundos que representaba el tiempo de vida de un paquete, debiendo ser decrementado en cada router, y considerar el caso que, cuando llegara a 0, el paquete fuera descartado. En la práctica se usa para medir la cantidad de saltos o routers que un paquete puede atravesar. Se inicializa en el origen a un valor default establecido por el SO, 64 el valor actual recomendado por el IANA, y se decrementa en uno en cada router atravesado. Al llegar a 0, se descarta el paquete y se envía un7 mensaje ICMP de error al origen del mismo. Se usa para enfrentar situaciones de error en las tablas de ruteo, cuando existen lazos de ruteo que, de no ser por la presencia de este campo, se asociarían al peligro de que un datagrama se encuentre atrapado en esta situación, sin posibilidad de ser descartado. Protocolo (8 ): indica el tipo de datos que el paquete transporta o encapsula. Por ejemplo, para TCP el valor establecido es 6, en tanto que para UDP es 17 y para ICMP se asocia el valor 1. Sirve para demultiplexado en la recepción. Chequeo de Errores del Encabezado, HC (Header Checksum) (16 ): cubre sólo el encabezado y se usa para proteger el paquete en el procesamiento en los routers. Tomando el encabezado como un conjunto de palabras de 16, el transmisor coloca en este campo el complemento a 1 de la suma módulo 2 (EXOR) de las palabras resultantes en este campo. El receptor de paquete, ya sea el destino final o routers intermedios, calcula el complemento a 1 de la suma de todos los campos. Si no hubo errores, la cuenta debe dar todos 0. Si hay errores se descarta el paquete sin ningún aviso. Es preciso destacar que, al modificarse el campo TTL en el procesamiento de un router, es necesario re-calcular el HC antes del re-envío Direcciones IP La estructura original de direcciones IP fue desarrollada a comienzos de los años 80, siendo utilizada desde entonces por la comunidad de Internet. A pesar de tratarse de un espacio finito, de tipo jerárquico, el esquema ha resistido el crecimiento extraordinario de la propia red global, manteniéndose vigente por varias décadas. Por tratarse de números de 32, representarían un conjunto de unos millones de direcciones, útiles para ser asignadas a dispositivos de acceso a la red Internet. En realidad, de todo este espacio, un conjunto menor fue reservado para comunicación de grupos, posibilidad conocida Multicasting IP, y otro conjunto, de la misma extensión, fue separado para pruebas. Parecen números descomunales pero no han resultado suficientes para la expansión desarrollada por la Internet actual. Las direcciones IP son números asignados a interfaces de computadoras. Los usuarios de Internet utilizan nombres para acceder a los diversos sitios de la gran red, tales como páginas web o correo electrónico. Un servicio especial, transparente a los usuarios traduce esos nombres a direcciones IP. Los mensajes de cualquier comunicación, se encapsulan en paquetes IP que llevan en su encabezado las identificaciones unívocas o direcciones IP de las máquinas fuente y destino que resulten protagonistas de una comunicación. Dichas direcciones también se utilizan para facilitar el ruteo de paquetes IP. Todos los dispositivos conectados a la red tendrán al menos una dirección IP por cada interfaz de acceso, tal como se presenta en la Fig Generalmente, las computadoras personales tendrán una única dirección IP mientras que otros dispositivos, tales como routers, poseerán más de una dirección. Un puente o un switch no poseen direcciones IP por que conectan dispositivos a nivel de enlace y, por lo tanto, se caracterizan por sus direcciones MAC8 Ethernet. Esta diferencia de niveles con los esquemas específicos de direccionamiento, hace necesaria la existencia de alguna funcionalidad que mapee direcciones entre ambos niveles. Esa es la tarea que realiza el protocolo Protocolo de Resolución de Direcciones ARP (Address Resolution Protocol). Al representar interfaces de red y colaborar con la funcionalidad de ruteo, las dirección IP de cada interfaz se relaciona específicamente con la red sobre la cual está conectada. De este modo, si un dispositivo, configurado con una dirección IP determinada, se mueve a otra red, se deberá reconfigurar con la dirección apropiada. La dirección MAC es necesaria para intercambiar datos entre dispositivos de una misma red, en tanto que la dirección IP sirve para el transporte a través de diferentes redes, ya que involucra el destino final de un paquete. Figura 8.4 Interfaces y Direcciones IP. Algunas de las cuestiones más importantes en cuanto a la conexión de un dispositivo a Internet, se relacionan con la manera en que se asignan estas direcciones. En una red privada es la propia administración quien controla la asignación de todos los dispositivos. En una red pública, accesible desde cualquier dispositivo conectado a Internet, se precisa un mecanismo que asegure que diferentes organizaciones posean distintas direcciones, ya que la asignación debe ser unívoca y no pueden existir solapamientos. Para lograr este último objetivo, debe existir algún organismo de registro y administración de direcciones IP. En la actualidad, han surgido técnicas que permiten que una red privada se administre libremente por detrás de un router con capacidad de Traducción de Direcciones de Red NAT ( Network Address Translation), pero siempre, la conexión a Internet exige un requerimiento a organismos o representantes con autoridad en el reparto de direcciones. Otra cuestión importante se relaciona con la configuración de la dirección IP. Al principio este trabajo se realizaba de forma manual, significando una gran carga sobre los hombros del administrador a medida que las redes crecían de tamaño. Este tipo de asignación era estática, en el sentido de que no variaba, a menos que el administrador manualmente lo9 hiciera. Con el tiempo, surgieron protocolos, tales como el Protocolo de Configuración Dinámica DHCP (Dinamic Host Configuration Protocol), que permiten la configuración dinámica de direcciones, facilitando enormemente la tarea del administrador Formato y Clases de Direcciones IP El formato de las direcciones IPv4 se basa en un número de 32. Dada la magnitud de un número de estas características, dichas direcciones se escriben como un conjunto de 4 números de 8, en formato decimal separados por puntos, para que su lectura sea más fácil. De este modo, una dirección IPv4 es un conjunto de 4 números variables entre 0 y 255. Por ejemplo, una dirección típica es Como se ha explicado anteriormente, un formato de dirección de 32 provee un espacio de 2 direcciones, aunque no todas están disponibles para ser asignadas. En su momento parecía una cantidad más que suficiente, pero la expansión de Internet y la propia estructura interna elegida para las direcciones, generó una serie de dificultades conocidas como problema de vaciamiento de direcciones IP. En respuesta a este problema, surgieron nuevas técnicas de compensación para evitar cambiar el esquema de direcciones original IPv4. La herramienta NAT y el Ruteo Interdominio sin Clases CIDR (Classless Inter-Domain Routing) fueron algunas de las soluciones temporales, pero finalmente se pensó en el diseño de un nuevo protocolo en reemplazo de IPv4, dando nacimiento a IPv6. El formato original elegido por los diseñadores del protocolo IPv4 es del tipo jerárquico de clases, por ello se denomina classful. La idea detrás de este diseño tenía como objetivo de facilitar la tarea de procesamiento en la decisión de ruteo que pesa sobre los routers. Por este motivo, el número de 32 se consideró dividido en dos partes: un Identificador de Red NetID (Network ID) y un Identificador de Host HostID. Este formato tuvo su origen en las direcciones de la red más conocida en aquella época: la red de telefonía. Si se piensa en cualquier número de TE fijo, distinguiremos un primer conjunto de dígitos que identifican un país (+54 en Argentina) y luego otro que representa una localidad (0223 para Mar del Plata). Finalmente, el número de TE en sí se refiere a la localización del aparato dentro de la red local. De la misma manera, el NetID identifica una red en Internet, mientras que el HostID se refiere al dispositivo dentro de esa red. Figura 8.5 NetID y HostID de Direcciones IP.10 En la dirección de ejemplo de la Fig. 8.5, se han asignado los primeros 8 al NetID y los últimos 24 al HostID. Esta separación facilita la decisión de ruteo, ya que los routers sólo utilizan el NetID en el procesamiento de re-envío de los paquetes. Una consecuencia directa de la elección de este formato, es que el movimiento de máquinas entre distintas redes implica un cambio de dirección IP. En este esquema original, la separación entre identificadores no es fija, pero se establece en un número entero de bytes, según el concepto de clases de direcciones IP. Los diseñadores de IPv4, dividieron el espacio en tres clases, diferenciadas por la cantidad de bytes asignados al NetID. Denominaron clase A, a aquellas direcciones cuyo NetID se fijó en un byte. Para la clase B destinaron dos bytes para el NetID. En una tercera clase, la clase C, se tomaron los tres primeros bytes de la dirección IP con ese propósito. Además, idearon un esquema en el que los primeros bits de cada clase sirvieran para que los routers pudiesen distinguir rápidamente a cuál clase pertenece la dirección IP destino del paquete procesado. De este modo, pueden separar la información de NetID que necesitan para el ruteo, sólo por inspección de los primeros bits de la dirección IP. Como consecuencia de esta elección de diseño, más tarde surgió el concepto de máscara de red, un número de 32 desarrollado como un conjunto de bits en 1 en coincidencia con la longitud del NetID, seguido por un conjunto de bits en 0 en correspondencia con la parte de la dirección destinada al HostID. Si se realiza una AND lógica entre la máscara de red y la dirección IP destino, se puede separar el NetID que se precisa para realizar la decisión de ruteo. La idea detrás de la jerarquía de clases surgió también del reconocimiento, por parte de los diseñadores, de la existencia futura de diversos tipos de organizaciones, con diferentes necesidades de conexión. En su concepción original, previeron además la existencia de algún tipo de autoridad central encargada de la distribución de direcciones IP. Para facilitar la tarea de esta autoridad, eligieron dividir el espacio total de direcciones en porciones de diferente tamaño, de tal manera que fuera más fácil adaptar la entrega a las estructura de distintas organizaciones. Con estas premisas se desarrolló un esquema de 5 clases que cubrieron el total del espacio de direcciones IP, tal como se observa en la Fig La Clase A, con un byte reservado para el NetID, tiene una máscara de red que se puede escribir como y también referirla, de manera más moderna, como una /8. Esta clase posee la mitad del espacio de direcciones y reserva un espacio de 24 para poder identificar dispositivos dentro de una misma red. Por este motivo, se la consideró para ser entregada a aquellas pocas organizaciones con una cantidad enorme de estaciones de trabajo. Para la Clase B se reservó un espacio equivalente a un cuarto del total, con una máscara de red de 16, expresada como ó /16, que resulta de la misma11 longitud que el HostID. Esta clase se ideó para su utilización por parte de muchas organizaciones con una cantidad de hosts considerables. Figura 8.6 Clases de Direcciones IP. Por su parte, la Clase C ocupa un octavo del espacio total y fue ideada para organizaciones con pocas estaciones de trabajo. Su máscara de red es de 24, ó /24, quedando escasos 8 para identificación de hosts. Entre las tres clases mencionadas se repartieron las 7/8 partes del espacio total, considerándoselas exclusivamente para direccionamiento unicast. Se definieron dos clases más, una para considerar la comunicación tipo multicast, conocida como Clase D, y otra para efectuar experimentos en la red global, denominada Clase E. La Fig. 8.7 presenta una visión más detallada de la división en las clases mencionadas. La Clase A comienza con el primer bit en 0, reservándose de este modo la mitad del espacio de direcciones. Cuando el primer bit es 1 y el segundo bit es 0, se trata de una dirección Clase B. Si los dos primeros bits son 1 y el tercero es 0, se trata de una dirección Clase C. Por su parte, la Clase D comienza con el patrón 1110 y la clase E con Observar que, con esta asignación, sólo por inspección de los primeros bits de una dirección IP, resulta muy sencillo para un router interpretar la máscara de red propiada a aplicar. En la Tabla 8.1 se presentan las máscaras, rangos, cantidad de redes y de hosts que se corresponden con cada clase. La información de la Tabla es fácilmente deducible con lo que hemos visto hasta ahora, aunque en la última columna hay un detalle en la cantidad de hosts/red que parece llamativo. En cada clase unicast, existen dos direcciones no utilizables para la configuración de un dispositivo. Este detalle se entenderá más claramente cuando se presenten los grupo de direcciones especiales.12 Figura 8.7 Clases de Direcciones IP. Por inspección de la Tabla, también se hace apreciable uno de los principales problemas del direccionamiento por clases. Si se supone que una organización precisa direcciones IP para 1500 dispositivos, surge una pregunta clave: Qué tipo de clase le otorgaría la autoridad de distribución? Otorgarle una dirección Clase A o una Clase B, resultaría excesivo. Una clase C no alcanzaría, aunque si se le asignasen al menos 6 numeraciones o redes Clase C, con capacidad para 1524 dispositivos, cubriría la necesidad de la organización y sobrarían 24 direcciones. Esta última asignación parece la más apropiada, pero no se debe olvidar que el ruteo se decide en base a direcciones de red, así es que la Tabla de Ruteo del router que apuntara a dicha organización, precisaría guardar información sobre estos 6 prefijos de red. Cuanto mayor es la cantidad de redes destino que se agregan a una Tabla de Ruteo, mayor es la cantidad de sus líneas y aumenta en esa proporción el tiempo de recorrido de la misma toda vez que haya que realizar un procesamiento de re-envío de paquetes. En contraposición, si la autoridad de distribución asignara a la organización una Clase B, se lograría salvar el problema de extensión de la Tabla de Ruteo, pero la asignación sería ineficiente puesto que sobrarían direcciones. Clase Máscara Rango de Direcciones Clase A /8 ó a Clase B /16 ó a Clase C /24 ó a Clase D a Clase E a Cantidad de Cantidad de Redes hosts/red Tabla 8.1 Clases de Direcciones IP.13 Este ejemplo demuestra uno de los problemas presentados por el esquema de direcciones original de IPv4, que luego devino en el vaciamiento de dichas direcciones. Este inconveniente debió ser enfrentado con el desarrollo de nuevos esquemas que se comentarán más adelante Direcciones IP especiales y reservadas Existen direcciones IP fijas con significado especial: Todos ó... : es la dirección especial con significado este que suele verse como dirección fuente en mensajes de protocolos de configuración automática de direcciones IP. Cuando una máquina en proceso de arranque (booteo) no tiene asignada una dirección de red, si soporta un protocolo de configuración automática tal como DHCP, comenzará a enviar mensajes en búsqueda de un servidor que le permita obtener la dirección. Estos mensajes DHCP van encapsulados en IP, pero como el dispositivo aún no tiene asignada una dirección, tiene permitido colocar la dirección en el campo dirección fuente. Esta dirección de arranque de una máquina con configuración automática, puede tener una variante: el espacio de NetID cargado con todos 0 y un número particular en el espacio HostID, significando un host particular en esta red. Por ejemplo, será el host 120 de determinada red Clase C. Nunca se podrá escribir esta dirección especial como dirección destino. Sólo se podrá utilizar como dirección fuente en los casos mencionados. Todos ó... : es la dirección especial con significado todos que suele verse como dirección destino en mensajes que precisan ser comunicados a todos los dispositivos conectados a una red. Se denomina dirección de broadcast. Cualquier router que procesara un paquete IP con esta dirección destino, interpretará que no debe re-enviarlo, ya que se trata de un broadcast para la red local. Como en el caso previo, puede presentarse una variante. Por ejemplo, puede escribirse el espacio de NetID con un número particular y en el espacio HostID colocar todos 1, significando que se trata de un mensaje destinado a todos los hosts de la red referenciada. Por ejemplo, la dirección se refiere a una comunicación dirigida a todos los hosts de la red 10. A diferencia del caso anterior, un router que procese un paquete con este tipo de dirección destino, lo re-enviará a la red que corresponda. Nunca se verá este tipo de direcciones como dirección fuente, pues sólo pueden usarse como dirección destino. La existencia de estas direcciones especiales es la explicación de la resta de 2 a la cantidad de dispositivos por red de la Tabla 8.1. Supongamos una red Clase C, con 3 de asignados al NetID, por ejemplo Dentro de esta red, la dirección todos 0 en el HostID, , se refiere a la propia red, como una forma de referenciarla. Esta situación se podría observar en una línea de la Tabla de Ruteo o en un mensaje de arranque para cualquier máquina que solicite a un servidor un número dentro de esa red. De este modo, la dirección todos 0 en el HostID no es utilizable para configuración unicast.14 Por otra parte, considerando en el mismo ejemplo la dirección todos 1 en el HostID, , se utiliza como dirección destino, para enviar mensajes a todos los hosts dentro de esa red. Es decir que las numeraciones todos 1 en el HostID poseen un significado especial y no pueden asignarse a ningún host en particular. Además de las direcciones especiales, existen rangos de direcciones apartados para usos particulares: Dirección de Loopback: se trata de cualquier dirección unicast dentro del rango Clase A Generalmente se asigna la dirección Cualquier Sistema Operativo que posea capacidad de comunicación en red por TCP/IP, incluye una interfaz de red virtual que se suele referenciar como lo, por loopback. Esta interfaz permite que aplicaciones para red de tipo Cliente se comuniquen con sus pares tipo Servidor dentro de una misma máquina, sin necesidad de bajar los mensajes a la red física pero recorriendo toda la pila TCP/IP. Los mensajes que se pasan a la interfaz de loopback no se entregan al controlador de red sino que recorren la pila en sentido inverso como si provinieran de la red. Es una herramienta muy útil para prueba durante el proceso de programación de aplicaciones de red. Direcciones Reservadas: se ha comentado previamente sobre la asignación de direcciones en redes privadas vs. redes públicas. Existen bloques separados de direcciones que se destinan a la configuración de redes privadas. Esto significa que se pueden configurar máquinas dentro de un dominio privado con estas direcciones sin necesidad de obtener un permiso de la autoridad de asignación. La ventaja que ofrece esta posibilidad es la libertad otorgada al administrador en la asignación, pero la desventaja se presenta cuando dicha red se debe conectar a Internet. En ese caso se precisa al menos una dirección de dominio público, no reservado, otorgado por la autoridad de asignación, y un router NAT, con capacidad de traducción entre las direcciones de dominio privado y las de dominio público. Por este motivo, a estos bloques reservados se los suele denominar también como direcciones no ruteables. Nunca se podrán observar este tipo de direcciones en Internet, ni como dirección fuente ni como dirección destino. Entre los bloques separados, se encuentran la red Clase A 10 ( ), los bloques Clase B ( ) y ( ) y la red Clase C ( ). Este último se trata de un conjunto consecutivo de 256 redes Clase C Multicast IP Se denomina multicast al tipo de comunicación en la que un dispositivo envía un mensaje a un conjunto de receptores. Se trata de una funcionalidad relativamente fácil de realizar a nivel de enlace, pero que encuentra cierto grado de dificultad cuando se pretende desarrollar de manera global, involucrando protagonistas en diferentes redes. Entonces, es necesario cierto tipo de funcionalidad adicional relacionada con el procesamiento de paquetes15 en los routers, con la administración de grupos de comunicación y con el mapeo de direcciones de hardware a direcciones de red. Para poder realizar la comunicación multicast, se separa un esquema de direccionamiento especial que sirve para identificar al grupo de dispositivos involucrados en la comunicación. En IPv4 se destinó el conjunto de direcciones Clase D del esquema original con este propósito. Las direcciones de la Clase D comienzan con el patrón 1110, correspondiéndose al rango numérico de 224 a 239 en el primer byte, lo que implica el espacio de direcciones IP comprendido entre y Se trata de direcciones que siempre aparecerán en el campo de dirección destino de los paquetes IP, ya que se corresponden a la dirección de un grupo. Cualquier dispositivo posee la habilidad para juntarse o abandonar un grupo. Los mensajes que un dispositivo envía a un grupo llevan como dirección fuente la dirección unicast con que se lo ha configurado, y como dirección destino la del grupo al cual pertenece. Cualquier dispositivo perteneciente al grupo recibirá los mensajes. En general, el dispositivo que envía mensajes a un grupo, no sabe cuántos ni cuáles dispositivos están recibiendo sus datagramas. Los últimos 28 de una dirección multicast identifican al grupo en particular. EL IANA define el rango como reservado para direcciones multicast bien conocidas, para protocolos de ruteo, protocolos de descubrimiento de topología de bajo nivel o de mantenimiento, y reporte de membresía de grupos. Los routers con capacidad multicast no re-enviarán paquetes con dirección destino dentro de este rango. Algunos ejemplos de grupos bien conocidos: (reservado, no usado), (todos los dispositivos de una subred), (todos los routers de una subred), (todos los routers que usan el protocolo de ruteo DVMRP), (todos los routers que usan el protocolo de ruteo OSPF), (routers designados que usan el protocolo de ruteo OSPF), (routers designados que usan el protocolo de ruteo RIP-2). En cuanto a la administración de grupos, se requiere un mecanismo que permita a diferentes dispositivos juntarse o abandonar de manera dinámica aquellos grupos con los cuales desean interactuar. Existe un protocolo, denominado Protocolo de Administración de Grupos de Internet IGMP (Internet Group Management Protocol), que sirve a estos fines. IGMP define el formato de ciertos mensajes para intercambio entre dispositivos y routers, que transportan información relativa a los grupos y los miembros de los mismos. El ruteo de datagramas multicast debe tener en cuenta que, en este tipo de comunicación, existirá la necesidad de crear múltiples copias de un mismo paquete. Este caso especial de re-envío genera una funcionalidad extra de hardware en los routers, precisando de protocolos adicionales, con algoritmos diferentes al del ruteo unicast, que deben ser eficientes para evitar la generación de tráfico innecesario que ocuparía mayor ancho de banda, sobrecargando enlaces y dispositivos de ruteo.16 8.2.5 Opciones IP El último campo del encabezado IP es el campo de opciones, que puede estar presente o no. Se trata de un campo incluido por los diseñadores para ofrecer alternativas de flexibilidad en el tratamiento de paquetes en los routers. Existe una cantidad definida de opciones. En un paquete puede incluirse más de una opción, pero la longitud total del campo de opciones debe ser un múltiplo de 32 pues el campo HL mide en palabras de 32 la longitud del encabezado IP. Por su parte, cada opción IP tiene su propio formato, estructurado como se presenta en la Fig Se conoce esta disposición como formato TLV (Tipo, Longitud, Valor). Dentro del sub-campo Tipo existe una bandera de copiado para indicar si la opción debe ser o no copiada en los fragmentos, en el caso de tener que re-enviar el datagrama sobre un enlace con MTU menor. Los sub-campos Clase y Número sirven para identificar la opción. Figura Formato de opciones IP. En la Tabla 8.2 se presentan las opciones definidas más conocidas. La mayoría de las opciones se definieron en la RFC original de IPv4. En aquel tiempo, Internet era una red pequeña y no existían los peligros de seguridad conocidos en nuestros días. Estos motivos, sumados a la limitación en la longitud del encabezado, convirtieron en impráctico al campo de opciones. Observando la especificación de algunas opciones se puede entender porqué prácticamente han quedado obsoletas. Por ejemplo, aquellas opciones que proponen un listado de direcciones IP o sellos de tiempo, ambos conformados por una sucesión de bloques de 4, carecen de lugar para registrar más de 9 valores en el encabezado. En cualquiera de estos casos, teniendo en cuenta la longitud máxima del campo de opciones de 40, a los que se deben restar 2 del sub-campo Tipo y del sub-campo Longitud de la propia opción, y considerando que el campo completo debe ser múltiplo de 32, sólo queda lugar para 36 de datos opcionales.17 Clase Número Longitud (bytes) Nombre Descripción Fin de Opciones Se trata del byte h 00, utilizado para indicar fin de lista de opciones No Operación Utilizada para alinear internamente las opciones a múltiplos de Securidad Obsoleta, se pensó para marcar paquetes pertenecientes a tráfico del tipo confidencial. 0 3 Variable Ruteo de Fuente Irrestricto Listado de direcciones IP, escrito en origen. Se corresponden con direcciones de routers por los que el (Loose Source paquete debe transitar, aunque se Routing) permite el procesamiento en otros intermedios. 0 7 Variable Registro de Ruta 0 9 Variable Ruteo de Fuente Estricto (Strict Source Routing) 2 4 Variable Sello de Tiempo (Timestamp) Esta opción obliga a los routers que procesan el datagrama a registrar en el campo de opciones la dirección IP de la interfaz por donde lo re-envían. Listado de direcciones IP, escrito en origen, que se corresponde a las direcciones de routers por los que el datagrama con esta opción debe transitar obligatoriamente, con prohibición de procesamiento en otro que no se encuentre en el listado. Esta opción obliga a los routers que procesan el datagrama a escribir un sello de tiempo al momento del reenvío Traceroute Para apoyo de la herramienta del mismo nombre. Tabla Opciones IP. 8.3 Protocolo ARP (Address Resolution Protocol) La comunicación entre clientes y servidores en Internet se facilita por el uso de nombres en lugar de direcciones IP. El usuario cliente conoce el nombre del sitio al que desea acceder y genera un mensaje de petición a la aplicación con la que desea comunicarse. Este mensaje debe ser encapsulado en un segmento TCP o un datagrama UDP, y luego en un paquete IP. Es decir que ese nombre debe traducirse de alguna manera a una dirección IP destino. Esta tarea la realiza un servicio denominado Servicio de Nombres de Dominio DNS (Domain Name Server) de modo transparente para el usuario. Una vez obtenida la dirección IP del destino, se puede completar el armado del paquete IP, debiendo éste ser encapsulado en el formato que corresponda del nivel de enlace. Se presenta entonces la necesidad algún mecanismo que ofrezca la dirección destino correspondiente a este nivel, por ejemplo una dirección MAC. Existe una gran diferencia en el18 significado de estas direcciones MAC, que sólo posee un alcance local, con respecto a las direcciones IP, cuyo alcance es global. A modo de ejemplo, supongamos que un alumno, desde su casa, desea consultar material de estudio de Redes de Datos. En el navegador de su PC escribirá el nombre del Servidor Web de la Facultad de Ingeniería: Este servidor se encuentra conectado mediante una placa Ethernet a la red interna de la Facultad de Ingeniería. Aunque la cátedra le informara a cada alumno la dirección MAC del servidor, este dato no aportaría nada a una comunicación realizada desde fuera de la red de la Facultad de Ingeniería. Cuando el alumno, desde su computadora en casa, realice el pedido de consulta, el servicio DNS de su propio proveedor le permitirá obtener la dirección IP del Servidor Web destino pero, al momento de encapsular el mensaje a nivel de enlace, lo que interesa es dirigirlo al servidor de su propio proveedor de Internet, para que este realice el ruteo apropiado del pedido. Se ha mencionado que el ruteo IP es del tipo hop-by-hop o "salto a salto". Esto significa que, si el vínculo con el ISP funciona correctamente, será el router de éste el que conozca mediante la información almacenada en su Tabla de Ruteo, la dirección del siguiente router en el camino sobre la red desde la casa del alumno a la Facultad de Ingeniería. Es decir que el camino entre fuente y destino es una serie de saltos entre routers hasta llegar a destino final. En cada uno de estos saltos, hay una comunicación real nivel de enlace, en la que importa conocer la dirección a nivel de enlace del router del siguiente salto. La dirección MAC del Servidor Web sólo importa en la entrega final del mensaje, desde el router de entrada a la Facultad de Ingeniería a la ubicación del servidor dentro de la red. Dicho esto, presentaremos primero un caso simplificado, en el que el alumno desea realizar la consulta pero ahora sentado frente a una máquina dentro de la Facultad, es decir, en la misma red que el servidor. En cualquiera de los casos mencionados, se precisa un mecanismo que permita la traducción o relación entre direcciones IP y direcciones MAC. Este trabajo lo realiza el Protocolo de Resolución de Direcciones ARP (Address Resolution Protocol), cuya aplicación es posible sólo en el caso de redes de difusión. La Fig. 8.9 plantea la situación a resolver cuando ambos actores de la comunicación se encuentran en una misma red LAN, cuya numeración IP es Supongamos que la máquina 1 desea comunicarse con la máquina 3 de la misma red. Ya se ha explicado cómo se puede obtener una dirección IP a partir de un nombre, ahora nos interesa entender el mecanismo que permite obtener una dirección MAC a partir de esa dirección IP. La máquina 1 puede emitir un mensaje por broadcast a nivel de enlace que contenga la dirección IP destino, en este caso Todos los dispositivos de la LAN pueden ver este mensaje, pero sólo la máquina 3 reconocerá su propia dirección en este mensaje y enviará su su propia dirección MAC al interesado, en este caso Es decir que, a diferencia del requerimiento, la respuesta es por unicast.19 Complementariamente, la máquina 1, al recibir la respuesta, puede guardarla en memoria para futuras comunicaciones con la máquina 3. Esto es lo que se conoce como mecanismo de caching. Los datos que se guardan en la memoria se conocen como Cache ARP o Tabla ARP. Figura Protocolo ARP. El cache ARP tiene la forma de una tabla, con pares de direcciones IP y MAC que se corresponden entre sí. Existe un cache de este tipo por cada interfaz de tipo Ethernet que posea cualquier dispositivo. Si una máquina posee más de una placa Ethernet, mantendrá una tabla por cada placa de red. Los datos no permanecen en la tabla por tiempo indefinido, sino que tienen un tiempo de vida, vencido el cual, se remueve la información. Esta remoción se hace para evitar que las tablas crezcan de manera indefinida y para dar mayor flexibilidad al esquema de resolución en caso de reemplazo de placas o cambios de direcciones IP. En general, las implementaciones ARP fijan un tiempo de vida por línea de entre 10 y 20. El caché se carga no sólo en el dispositivo que se inicia la resolución, sino también en el que es destinatario de la misma. Algunas implementaciones también cargan el caché con el mensaje de broadcast, aunque no sean destinatarios del requerimiento. Así pueden anexar la línea que caracteriza al dispositivo que inicia el requerimiento. Los mensajes ARP poseen un formato como el que se presenta en la Fig El primer campo, el de Tipo de Hardware (16 ) lleva la codificación correspondiente a las redes Ethernet. El campo Tipo de Protocolo (16 ) es complementario del anterior y se refiere al nivel de red, siendo el valor correspondiente a IPv4. El campo Longitud de la Dirección de Hardware (8 ) llevará el valor 6 para Ethernet, en tanto que el campo de Longitud de20 Dirección de Protocolo (8 ) será 4 para IPv4. El campo Código de Operación (16 ) sirve para distinguir entre preguntas (valor en 1) y respuestas (valor en 2). Los dos campos que siguen llevan escrita la Dirección de Hardware (48 ) y la Dirección IP (32 ) del transmisor del mensaje ARP. Los últimos dos campos se refieren al destinatario del mensaje y, en el caso de un requerimiento ARP, la parte de Dirección de Hardware del Target se rellena con 0, ya que se trata de la dirección que se pretende averiguar, en tanto que en el campo Dirección de Protocolo del Target se carga la dirección IP por la que se pregunta. La respuesta también tiene 4 direcciones que se escriben en orden inverso al del requerimiento, ya que se intercambian los roles entre transmisor y receptor del mensaje. En total, el mensaje tiene una longitud de 28 y viaja encapsulado en una trama Ethernet, cuya longitud mínima es de 64. Por este motivo, los mensajes ARP se rellenan con una serie de 0. Figura Mensaje ARP. A continuación se presenta un ejemplo de mensaje ARP encapsulado en Ethernet, levantado desde una red cableada con un sniffer: Ethernet II Src: 00:1f:d0:aa:bb:cc Dst: ff:ff:ff:ff:ff:ff Type: ARP (0x0806) Trailer: Address Resolution Protocol Hardware type: Ethernet (0x0001) - Protocol type: IP (0x0800) - Hardware size: 6 - Protocol size: 4 - Opcode: request (0x0001) - Sender MAC address: 00:1f:d0:aa:bb:cc - Sender IP address: Target MAC address: 00:00:00:00:00:00 - Target IP address:21 Faltaría relacionar lo anteriormente explicado con una situación donde los actores se encontraran en distintas redes, como era el caso inicial de nuestro alumno. Evidentemente, la funcionalidad ARP se desplegará por separado en cada enlace atravesado por el mensaje. De esta manera, en la red donde se encuentra la PC del alumno, su propio ARP generará un mensaje tratando de averiguar la MAC del router de salida. La información sobre la IP de dicho router la tomará desde la propia Tabla de Ruteo, ya que ese router es la puerta de salida a cualquier red diferente de la propia. Una vez obtenida la MAC del router de salida o gateway, la PC del alumno podrá generar un mensaje de requerimiento de la página Web en cuestión que tendrá la particularidad de llevar como Dirección Destino IP la del la página buscada, y como dirección MAC Destino la del router. Al reconocer el router su propia MAC en la trama, la levantará. Al leer la Dirección Destino IP, consultará en su propia Tabla de Ruteo y elegirá la interfaz apropiada de salida para la entrega del mensaje al siguiente router en el camino hacia el destino. De compartir estos dos routers un enlace tipo LAN, se editará el requerimiento ARP para la dirección IP del router del próximo salto. Esta situación se repetirá en cada enlace de difusión que exista en el camino hacia el servidor Web. En cualquiera de estos enlaces, las direcciones fuente y destino IP del mensaje de requerimiento de la página Web se corresponderán con la fuente original del mensaje (la PC del alumno) y el destino final del mismo (la dirección de la página Web). El detalle a nivel de enlace, es que las direcciones irán variando entre fuente y destino, dentro de cada enlace particular. Recién cuando el mensaje llega al último router, en el ejemplo el gateway de la Facultad de Ingeniería, habrá un requerimiento ARP preguntando por la dirección IP del servidor Web. Sólo en la entrega final, la dirección IP y la dirección MAC destino del mensaje serán las del servidor. En este último tramo la dirección IP fuente es la de la PC del alumno, en tanto que la MAC fuente es la del gateway de la Facultad. Como conclusión, cualquier mensaje que viaja a través de Internet, puede ir variando sus direcciones a nivel de enlace, pero nunca se cambian las direcciones IP origen y destino. En la Fig se presenta un ejemplo de los requerimientos ARP necesarios para poder realizar un ping entre dos máquinas A y B, separadas por un router R. El comando ping se utiliza como herramienta para realizar pruebas de conexión. Sus mensajes se generan a partir del protocolo ICMP y se encapsulan en IP. En este ejemplo, no se presentan los detalles de dichos mensajes, sólo se pretende hacer hincapié en los campos correspondientes a las direcciones, tanto a nivel MAC como a nivel IP. Es de destacar que el router de este ejemplo tiene interfaces sobre dos redes, por lo que posee dos direcciones MAC y debe ser configurado con una dirección IP diferente en cada interfaz.22 A IPA MACA IPB MACB B IPR1 MACR1 R IPR2 MACR2 PING DESDE EL HOST A HACIA EL HOST B. 1) ETHERNET HEADER: SRCMAC: MACA. DSTMAC: FF:FF:FF:FF:FF:FF. TYPE: ARP. ARP HEADER: ARP REQUEST. SENDERMAC: MACA. SENDERIP: IPA. TARGETMAC: 00:00:00:00:00:00. TARGETIP: IPR1. 2) ETHERNET HEADER: SRCMAC: MACR1. DSTMAC: MACA. TYPE: ARP. ARP HEADER: ARP REPLY. SENDERMAC: MACR1. SENDERIP: IPR1. TARGETMAC: MACA. TARGETIP: IPA. 3) ETHERNET HEADER: SRCMAC: MACA. DSTMAC: MACR1. TYPE: IP. IP HEADER: SOURCE IP: IPA. DESTIP: IPB. DATA: ECHO REQUEST. 4) ETHERNET HEADER: SRCMAC: MACR2. DSTMAC: FF:FF:FF:FF:FF:FF. TYPE: ARP. ARP HEADER: ARP REQUEST. SENDERMAC: MACR2. SENDERIP: IPR2. TARGETMAC: 00:00:00:00:00:00. TARGETIP: IPB. 5) ETHERNET HEADER: SRCMAC: MACB. DSTMAC: MACR2. TYPE: ARP. ARP HEADER: ARP REPLY. SENDERMAC: MACB. SENDERIP: IPB. TARGETMAC: MACR2. TARGETIP: IPR2. 6) ETHERNET HEADER: SRCMAC: MACR2. DSTMAC: MACB. TYPE: IP. IP HEADER: SOURCE IP: IPA. DESTIP: IPB. DATA: ECHO REQUEST. 7) ETHERNET HEADER: SRCMAC: MACB. DSTMAC: MACR2. TYPE: IP. IP HEADER: SOURCE IP: IPB. DESTIP: IPA. DATA: ECHO REPLY. 8) ETHERNET HEADER: SRCMAC: MACR1. DSTMAC: MACA. TYPE: IP. IP HEADER: SOURCE IP: IPB. DESTIP: IPA. DATA: ECHO REPLY. Figura Ping entre máquinas en distintas redes.23 8.4 Protocolo ICMP (Internet Control Message Protocol) ICMP, el Protocolo de Mensajes de Control de Internet, fue ideado para reportar situaciones de error a los dispositivos de transmisión y proveer mecanismos de testeo de presencia de equipos receptores, funcionalidades de las cuales carece el protocolo original IP. Se trata de un protocolo muy básico, implementado mediante un conjunto de mensajes que comparten un mismo formato. IP es un protocolo de red cuyo mecanismo de entrega es del tipo sin conexión, no confiable y sin mensajes de reconocimiento (ACK). Esto significa que no hay seguridad en la entrega de los paquetes. Prácticamente toda la confiabilidad necesaria para algunos tipos de aplicaciones descansa en TCP. Esta ausencia de confiabilidad a nivel de red se trató de suplir por medio de ICMP, cuyos mensajes se encapsulan en paquetes IP. A pesar de este encapsulado, que nos conduciría a ubicar el protocolo a nivel de transporte, el estándar RFC 792 lo coloca al mismo nivel que IP, pero como una entidad separada. Existen dos versiones del protocolo: ICMPv4 descripto en la RFC 792 para IPv4 y ICMPv6 descripto en la RFC 2463 para IPv6. A su vez, existen otros protocolos que definen sus propios mensajes basados en ICMP, tales como el que define la funcionalidad de Traceroute o el que especifica los mensajes de descubrimiento de routers. En términos generales, ICMP ofrece un mecanismo para la detección de errores, que sólo pueden ser reportados al dispositivo origen del datagrama, debido a que en el paquete IP sólo figuran las direcciones IP fuente y destino. Por su parte, el receptor del mensaje ICMP no tiene obligación de responder o de tomar alguna precaución. Sólo se lo notifica. La Tabla 8.3 presenta un listado de los mensajes ICMP definidos para la versión 4. Todos ellos son reconocidos por el número 1 presente en el campo Protocolo del encabezado IP que los encapsula. Los mensajes se pueden generar en routers o dispositivos finales, según el caso. Se dividen en dos grandes grupos: mensajes de reporte y mensajes del tipo requerimiento/repuesta. Es de destacar que, como los mensajes ICMP generan una carga extra sobre la red, existen una serie de reglas para el intercambio de los mismos. Por ejemplo, si cada dispositivo que recibiera un reporte de error lo contestase, se podría generar un efecto cascada. Por este motivo, existen reglas que establecen que no se deben generar mensajes de error ICMP en respuesta a alguno de los siguientes mensajes: Mensaje de Error ICMP: para prevenir un intercambio infinito. Sin embargo, se puede generar un mensaje de error en respuesta a un mensaje de información ICMP. Datagrama destinado a broadcast o multicast: si uno de estos datagramas generase un error en cada destinatario, se podría generar un enorme volumen de tráfico. Fragmentos IP: excepto el primero. De no existir esta regla, se generaría un tráfico innecesario.24 Datagrama con dirección de fuente tipo No-Unicast: esto previene que los mensajes ICMP sean enviados por broadcast o a algún tipo de dirección especial no-ruteable. Tipo Código Descripción Requerimiento Error 0 0 Respuesta de Eco (ping) x 3 0 Red inalcanzable x 1 Host inalcanzable x 2 Protocolo inalcanzable x 3 Puerto inalcanzable x 4 Paquete muy grande x 5 Fallo de ruteo de origen x 6 Red destino desconocida x 7 Host destino desconocido x 8 Obsoleto x 9 Red destino administrativamente x prohibida 10 Host destino x administrativamente prohibido 11 Red inalcanzable por TOS x 12 Host inalcanzable por TOS x 13 Comunicación prohibida x administrativamente por filtrado 14 Violación de precedencia de host x 15 Corte de precedencia en efecto x 4 0 Control de Flujo x 5 0 Redirección para red x 1 Redirección para host x 2 Redirección para TOS y red x 3 Redirección para TOS y host x 8 0 Requerimiento de eco (ping) x 9 0 Aviso de ROUTER x 10 0 Solicitud de ROUTER x 11 0 TTL = 0 en tránsito x 1 Tiempo de vida en cero en reensamble. x 12 0 Problema de parámetros, Header x IP con errores 1 Problema de parámetros, Opción x requerida no hallada Requerimiento de sello de x tiempo 14 0 Respuesta de sello de tiempo x 15 0 Requerimiento de información x 16 0 Respuesta de información x 17 0 Requerimiento de máscara x 18 0 Respuesta de máscara x Tabla Mensajes ICMP.25 Como se observó anteriormente, todos los mensajes comparten un formato que se presenta en la Fig ICMP. El checksum se calcula como en el caso del encabezado IP, pero cubre todo el mensaje Figura Formato de mensaje ICMP. El cuerpo del mensaje transporta información relevante a cada mensaje específico. Para los mensajes de error se incluye una parte del paquete que produjo el error: el encabezado IP completo y los primeros 8 de los datos, ya que allí se pueden leer los números de puertos TCP o UDP fuente y destino que se escriben al principio de los respectivos encabezados. De este modo, se puede realizar un mejor diagnóstico y comunicar a niveles superiores lo sucedido Mensajes de Error ICMP En la Tabla 8.3 podemos observar un gran número de mensajes de error de Tipo 3, generalmente conocidos como de Destino Inalcanzable. Estos mensajes se incluyen para complementar la funcionalidad best effort de IP. En los casos generales de pérdida de paquetes por fallas de entrega, TCP suplirá la falla con algún mecanismo de retransmisión, pero en otros casos, tales como errores en las Tablas de Ruteo o inexistencia de la dirección IP destino, la retransmisión no servirá. Los mensajes ICMP de este tipo permiten informar al extremo transmisor el problema en cuestión. El mensaje Destino Inalcanzable es generado en el caso que un dispositivo intente transmitir un datagrama por entrega directa pero, por alguna razón, no pueda alcanzar el destino. Un ejemplo puede darse en el caso de un router del último salto tratando de enviar requerimientos ARP a un dispositivo que está ausente. El mensaje de Red inalcanzable se generará cuando existan problemas en la Tabla de Ruteo y el paquete no pueda ser entregado a la red destino, en tanto que el de Host inalcanzable implica que se ha ruteado la red destino pero no se encuentra el host, probablemente también por problemas de ruteo.26 También existen mensajes de error ICMP que indican la prohibición de entrega por problemas administrativos, típicamente por presencia de un firewall que descarte tráfico que no respete su propia política de seguridad. En realidad, lo más correcto desde el punto de vista de la seguridad, sería no informar estas situaciones porque enviando estos mensajes se descubren políticas de seguridad. Lo mejor sería descartar silenciosamente aquellos paquetes que generarían este tipo de mensajes. Los mensajes de Puerto Inalcanzable se generan ante situaciones de entrega de paquetes a una aplicación no disponible. Generalmente se trata de mensajes de aplicaciones encapsuladas en UDP, cuando el mensaje se dirige a un número de puerto no usado por un proceso servidor. El mensaje Protocolo inalcanzable se refiere a un error en el número que figura en el campo Protocolo del paquete IP, de la misma manera que Puerto inalcanzable se refiere a una falla en los números de puerto de los encabezados encapsulados por un paquete IP. El mensaje de Paquete muy grande se refiere a la imposibilidad de re-enviar el paquete IP sobre una red de MTU menor debido al bit DF en el encabezado IP. Existe un mecanismo de aplicación actual, denominado "descubrimiento de la MTU de un camino" (path MTU discovery), que intencionalmente genera paquetes IP con el bit DF en alto, para generar este tipo de mensajes ICMP y encontrar la MTU menor en una ruta determinada entre fuente y destino. El mensaje de Fallo de ruteo de origen se refiere a fallas en la entrega de un paquete con opción de ruteo de origen. El resto de los mensajes de este tipo son obsoletos, ya sea por cuestiones de seguridad o por la adopción práctica de un ruteo que no tiene en cuenta el campo TOS del encabezado IP. Lo mismo sucede con el mensaje de Control de Flujo, cuyo mecanismo primitivo ha sido ampliamente superado por el método utilizado en TCP. Los mensajes de Redirección se pensaron como un mecanismo de instalación de rutas de manera automática para evitar la configuración manual de la Tabla de Ruteo, pero dejaron de usarse porque, en principio, instalaban rutas a dispositivos, no a redes, resultando de este modo ineficientes. En la versión IPv6 se los retoma con nuevo significado. En cuanto al mensaje informativo referido a que la cuenta del campo TTL ha llegado a 0 en el encabezado IP, este mensaje se genera para evitar sobrecargar la red con paquetes en el caso de errores en las Tablas de Ruteo que puedan generar loops o lazos de ruteo, donde los paquetes circulen entre routers sin poder entregarse al destino final. El receptor del mensaje podría optar por reaccionar aumentando el valor del TTL de los nuevos paquetes generados e intentar su re-envío para chequear si el error pudo haber sido este o es que el valor del TTL utilizado por default es muy pequeño. El otro mensaje referido al tiempo, Tiempo de vida en cero en re-ensamble, se refiere a alguna situación de error en el destino final debido al re-ensamble de algún paquete. Recordemos que, en IPv4, la fragmentación se puede generar en cualquier punto de la red,27 pero el re-ensamble es un proceso que sólo se realiza en destino. Este proceso lleva asociado un tiempo límite para evitar la asignación de recursos infinita a una situación donde, por ejemplo, existan fragmentos perdidos. Los mensajes referidos a Problemas de parámetros se generan al procesar algún paquete IP cuyo encabezado posea algún campo con valores inesperados. El mensaje incluye un puntero que indica el campo del encabezado causante del problema Mensajes de Requerimiento/Respuesta ICMP Como se puede apreciar en la Tabla 8.3, ICMP además incluye una serie de mensajes de tipo requerimiento-respuesta, aparte de los mensajes de error. Se incluyen un par de mensajes para chequeo de la conexión, de tal manera que si dos dispositivos se quieren comunicar, uno le enviará al otro un mensaje tipo Requerimiento de eco y, si el segundo está presente, le responderá con un mensaje Respuesta de eco. De este modo, el primer dispositivo reconoce que la comunicación es posible o que el destino es alcanzable. Estos mensajes, además de los campos Tipo, Código y Checksum, llevan un campo de Identificador y otro de Número de Secuencia, ambos de 16. El campo Identificador se utiliza para correlacionar el requerimiento con la respuesta y su valor depende de la implementación particular. El campo Número de Secuencia sirve al mismo propósito y su presencia se debe a que el comando ping con el que se generan estos mensajes, emite más de un mensaje por vez, generalmente tres o cuatro, por default. A continuación, sigue un campo de datos opcionales, cuyo valor depende del Sistema Operativo que genere los mensajes. Su longitud es configurable mediante parámetros del propio comando ping. Para comprender mejor el funcionamiento de este comando, se presentan algunas pruebas realizadas desde la línea de comandos de una máquina con dirección IP Primero, se realizó un ping a la máquina con el comando ping Esta máquina no se encontraba disponible, así que, si observamos el tráfico de red, veremos el pasaje de tres tramas consecutivas de requerimiento ARP con dirección destino MAC de broadcast, preguntando por la dirección IP Al no obtenerse una respuesta ARP, el propio comando nos devuelve un mensaje de Host de destino inaccesible, a pesar de no haberse generado ningún mensaje ICMP. Esta situación se presenta en la captura de pantalla de la Fig28 Figura Captura de pantalla, comando ping. A continuación se editó otro comando ping, ahora dirigido a una máquina que estaba presente, con dirección En este caso, existe una respuesta ARP, así que se puede editar el mensaje de Requerimiento de Eco y recibir la Respuesta de Eco, mensajes que presentamos a continuación, según fueron levantados por un sniffer: Requerimiento Ethernet II, Src: 90:2b:34:aa:bb:cc Dst: 1c:6f:65:dd:ee:fe Type: IP (0x0800) Internet Protocol, Versión: 4 Longitud de Encabezado: 20 bytes Servicio Diferenciado: 0x00 Longitud Total: 60 Identification: 0x19b6 (6582) Flags: 0x00 Fragment offset: 0 TTL: 128 Protocol: ICMP (0x01) Header checksum: 0x0c8b Source: Destination: Internet Control Message Protocol, Type: 8 (Echo (ping) request) Code: 0 Checksum: 0x4d52 Identifier: 0x000129 Sequence number: 0x0009 Data (32 bytes): 0x A 6B 6C 6D 6E 6F 70 (abcdefghijklmnopqrstuvwabcdefghi) Respuesta Ethernet II, Src: 1c:6f:65:dd:ee:fe Dst: 90:2b:34:aa:bb:cc Type: IP (0x0800) Internet Protocol, Version: 4 Longitud de Encabezado: 20 bytes Servicio Diferenciado: 0x00 Longitud Total: 60 Identification: 0x5831 Flags: 0x00 Fragment offset: 0 TTL : 64 Protocol: ICMP (0x01) Header checksum: 0x0e10 Source: Destination: Internet Control Message Protocol, Type: 0 (Echo (ping) reply) Code: 0 Checksum: 0x5552 Identifier: 0x0001 Sequence number: 0x0009 Data (32 bytes): 0x A 6B 6C 6D 6E 6F 70 (abcdefghijklmnopqrstuvwabcdefghi) Se observa que el dispositivo crea un ICMP eco con dirección fuente propia y dirección destino El mensaje de eco se rutea hasta destino (en este caso ambos están en la misma red). El sistema destino copia la información de eco en un mensaje nuevo de respuesta, destruye el mensaje original ICMP eco, convierte su propia dirección en la dirección fuente del mensaje de respuesta, llenando la de destino con la dirección IP del dispositivo originador. El mensaje es ruteado por la red de vuelta al origen, donde el comando presenta al usuario cuatro respuestas. porque genera cuatro mensajes por default. Esta información se muestra al final junto a una estadística de tiempos de ida y vuelta, paquetes enviados y paquetes recibidos, involucrados en la comunicación. En cuanto a los mensajes de Sello de Tiempo, se idearon para sincronizar aplicaciones en diferentes máquinas. En Internet, máquinas de usuario y routers operan de manera independiente, cada uno con su propio sistema de reloj. Es decir que pueden existir diferencias entre ellos en cuanto a la exactitud de la medición del tiempo, o el tiempo de inicialización.30 Este par de mensajes ICMP permite el intercambio de información de tiempo entre dos dispositivos. Al igual que los mensajes de eco, llevan un Identificador y un Número de Secuencia. A estos campos se agregan los siguientes: Sello de Tiempo de origen, Sello de Tiempo del receptor (llenado por el destino al momento de la recepción) y Sello de Tiempo de transmisión (llenado por el destino al momento de bajar el paquete a la red). Estos dos últimos sirven para obtener información sobre el tiempo de procesamiento en el receptor. Los tres Sellos de Tiempo se representan en el formato de Tiempo Universal o del Meridiano de Greenwich UT (Universal Time,). Se trata del número de milisegundos transcurridos desde la medianoche. Por apoyarse en un intercambio de paquetes IP, esta medición de diferencias de tiempo no es confiable, por lo que han aparecido métodos más sofisticados para sincronismo de máquinas, por ejemplo el Protocolo de Tiempo de Red NTP (Network Time Protocol). Respecto de los mensajes de Aviso y Solicitud de ROUTER, se idearon para colaborar en la configuración de dispositivos conectados a Internet. Tratando de evitar la ineficiencia que significa la configuración manual del router de salida de una red en cada una de las máquinas de la misma, se ideó un proceso de Mensajes de Descubrimiento de Router, definido en la RFC 1256, que utiliza los mensajes ICMP mencionados. Si poseen esta capacidad, los routers transmiten mensajes periódicos, cada 10 por ejemplo, del tipo Aviso de router, proveyendo información importante, tal como su propia dirección IP. Los hosts escuchan estos mensajes y agregan la información a su propia Tabla de Ruteo. Cualquier dispositivo que no haya sido configurado manualmente, al momento del arranque desconocerá su propio router de salida hasta no recibir el mensaje de Aviso. En lugar de esperar la llegada de un mensaje, también puede transmitir un mensaje de Solicitud, obligando al router a contestar mediante un mensaje extra de respuesta del tipo Aviso unicast. Excepto en el último caso, los mensajes de Aviso se transmiten con dirección destino multicast , para que todos los dispositivos asociados a esa dirección puedan escucharlos. Por su parte, los mensajes de Solicitud se transmiten sobre la dirección multicast a la que se asocian todos los routers, En la actualidad, la alternativa de configuración automática más utilizada en IPv4 es el protocolo DHCP, que es capaz de ofrecer mayor cantidad de información que este mecanismo ICMP. Los mensajes de Requerimiento de máscara se idearon para soporte de una técnica más moderna denominada subnetting. Esta técnica permite expandir el esquema de direcciones tradicional tipo "classful" de dos identificadores, NetID y HostID, a tres identificadores. A los identificadores originales, se agrega un Identificador de Subred, generándose una modificación respecto de las máscaras tradicionales de 8, 16 y 24. Los mensajes ICMP Tipo 17 y 18 sirven para conseguir la máscara de subred de la red local, por requerimiento a los routers.31 8.4.3 Herramienta Traceroute Se ha mencionado la utilización de los mensajes de Requerimiento de Eco y Respuesta de Eco por parte del comando ping para chequeo de la conexión entre dos dispositivos. Ahora se presentará otra herramienta de diagnóstico que sirve para descubrir la secuencia de routers presentes a lo largo de todo el camino entre fuente y destino. Se trata del comando traceroute que se invoca acompañado de la dirección destino. Este comando genera un primer mensaje al destino con el campo TTL del datagrama IP ajustado a 1. Entonces, al transmitirlo sobre la red, recibe de su propio router de salida un mensaje ICMP de Tiempo excedido. Luego, se genera un mensaje con el campo TTL en 2, que logra pasar el primer router pero que es descartado en el segundo, aunque allí se genera nuevamente un mensaje de Tiempo excedido que permite obtener la dirección de este segundo router. A medida que se van conociendo los routers en el camino, se aumenta paulatinamente el valor del campo TTL, en cada mensaje, hasta alcanzar el destino final. La llegada a destino final se certifica con la generación de un mensaje ICMP de Puerto Inalcanzable, pues traceroute genera mensajes dirigidos a un puerto destino probablemente no usado. Esta forma original de traceroute fue modificada en la RFC 1393 para que el mecanismo fuera más eficiente y tuviera en cuenta posibles cambios de ruta en el medio de la prueba. El nuevo mecanismo usa un mensaje ICMP que únicamente sirve para este propósito. Para ello, se define una nueva opción IP Traceroute, cuya presencia en un paquete de Eco ICMP (u otro), llamado paquete saliente, hará que cada router en el camino a destino envíe el nuevo mensaje ICMP Traceroute al originador del paquete saliente. De esta forma, se generarán menos paquetes que con el esquema anterior. Figura Formato de mensaje ICMP Traceroute. En la Fig se presenta el formato del nuevo mensaje ICMP. El campo Tipo define el nuevo mensaje, en tanto que el campo de Código puede tener dos valores posibles, según que el paquete saliente haya sido ruteado correctamente ( 0 ) o haya sido descartado ( 1 ). El campo de Número ID se copia de la opción IP Traceroute del paquete que genera el mensaje Traceroute. Los campos de Cuenta de Saltos de Salida y de Cuenta de Saltos de Retorno también se copian de la mencionada opción y en iguales circunstancias. El primero se refiere al número de routers por los que ha pasado el mensaje original. 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