Los servicios y aplicaciones de
red en un dispositivo final pueden comunicarse con aplicaciones y servicios que
se ejecutan en otro dispositivo final.
Los protocolos de la capa de Red
del modelo OSI especifican el direccionamiento y los procesos que permiten que
los datos de la capa de Transporte sean empaquetados y transportados. La
encapsulación de la capa de Red permite que su contenido pase al destino dentro
de una red o sobre otra red con una carga mínima.
Este capítulo aborda la función
de la capa de Red, analizando cómo esta capa divide las redes en grupos de
hosts para administrar el flujo de paquetes de datos dentro de una red. Además,
consideraremos cómo se facilita la comunicación entre redes. A esta
comunicación entre redes se la denomina enrutamiento.
Objetivos
Usted podrá:
Identificar la función de la capa
de Red, ya que describe la comunicación desde un dispositivo final a otro
dispositivo final.
Examinar el protocolo de Capa de
red más común, Protocolo de Internet (IP) y sus características de proveer
servicio sin conexión y de máximo esfuerzo.
Comprender los principios
utilizados para guiar la división o agrupamiento de dispositivos en redes.
Comprender el direccionamiento
jerárquico de dispositivos y cómo esto permite la comunicación entre redes.
Comprender los fundamentos de
rutas, direcciones de próximo salto y envío de paquetes a una red destino.
5.1.1 Capa de red comunicación de host a host
La Capa de red o Capa 3 de OSI
provee servicios para intercambiar secciones de datos individuales a través de
la red entre dispositivos finales identificados. Para realizar este transporte
de extremo a extremo la Capa 3 utiliza cuatro procesos básicos:
Direccionamiento,
Encapsulamiento,
Enrutamiento, y
Desencapsulamiento.
Direccionamiento
Primero, la Capa de red debe
proveer un mecanismo para direccionar estos dispositivos finales. Si las
secciones individuales de datos deben dirigirse a un dispositivo final, este
dispositivo debe tener una dirección única. En una red IPv4, cuando se agrega
esta dirección a un dispositivo, al dispositivo se lo denomina host.
Encapsulación
Segundo, la capa de Red debe
proveer encapsulación. Los dispositivos no deben ser identificados sólo con una
dirección; las secciones individuales, las PDU de la capa de Red, deben,
además, contener estas direcciones. Durante el proceso de encapsulación, la
Capa 3 recibe la PDU de la Capa 4 y agrega un encabezado o etiqueta de Capa 3
para crear la PDU de la Capa 3. Cuando nos referimos a la capa de Red,
denominamos paquete a esta PDU. Cuando se crea un paquete, el encabezado debe
contener, entre otra información, la dirección del host hacia el cual se lo
está enviando. A esta dirección se la conoce como dirección de destino. El
encabezado de la Capa 3 también contiene la dirección del host de origen. A
esta dirección se la llama dirección de origen.
Después de que la Capa de red
completa el proceso de encapsulación, el paquete es enviado a la capa de enlace
de datos que ha de prepararse para el transporte a través de los medios.
Enrutamiento
Luego, la capa de red debe
proveer los servicios para dirigir estos paquetes a su host destino. Los host
de origen y destino no siempre están conectados a la misma red.
Durante el enrutamiento a través
de una internetwork, el paquete puede recorrer muchos dispositivos
intermediarios. A cada ruta que toma un paquete para llegar al próximo
dispositivo se la llama salto. A medida que el paquete es enviado, su contenido
(la PDU de la Capa de transporte) permanece intacto hasta que llega al host
destino.
Desencapsulamiento
Finalmente, el paquete llega al
host destino y es procesado en la Capa 3. El host examina la dirección de
destino para verificar que el paquete fue direccionado a ese dispositivo. Si la
dirección es correcta, el paquete es desencapsulado por la capa de Red y la PDU
de la Capa 4 contenida en el paquete pasa hasta el servicio adecuado en la capa
de Transporte.
A diferencia de la capa de
Transporte (Capa 4 de OSI), que administra el transporte de datos entre los
procesos que se ejecutan en cada host final, los protocolos especifican la
estructura y el procesamiento del paquete utilizados para llevar los datos
desde un host hasta otro host.
Protocolos de capa de Red
Los protocolos implementados en
la capa de Red que llevan datos del usuario son:
Versión 4 del Protocolo de
Internet (IPv4),
Versión 6 del Protocolo de
Internet (IPv6),
Intercambio Novell de paquetes de
internetwork (IPX),
AppleTalk, y
Servicio de red sin conexión
(CLNS/DECNet).
5.1.2 Protocolo IPv4 Ejemplo de protocolo de la capa de red
Rol del IPv4
Los servicios de capa de Red
implementados por el conjunto de protocolos TCP/IP son el Protocolo de Internet
(IP). La versión 4 de IP (IPv4) es la versión de IP más ampliamente utilizada.
Es el único protocolo de Capa 3 que se utiliza para llevar datos de usuario a
través de Internet y es el tema de CCNA. Por lo tanto, será el ejemplo que
usamos para protocolos de capa de Red en este curso.
La versión 6 de IP (IPv6) está
desarrollada y se implementa en algunas áreas. IPv6 operará junto con el IPv4 y
puede reemplazarlo en el futuro. Los servicios provistos por IP, así como
también la estructura y el contenido del encabezado de los paquetes están
especificados tanto por el protocolo IPv4 como por el IPv6. Estos servicios y
estructura de paquetes se usan para encapsular datagramas UDP o segmentos TCP
para su recorrido a través de una internetwork.
Las características de cada
protocolo son diferentes. Comprender estas características le permitirá
comprender la operación de los servicios descritos por este protocolo.
El Protocolo de Internet fue
diseñado como un protocolo con bajo costo.
Características básicas de IPv4:
Sin conexión: No establece
conexión antes de enviar los paquetes de datos.
Máximo esfuerzo (no confiable):
No se usan encabezados para garantizar la entrega de paquetes.
Medios independientes: Operan
independientemente del medio que lleva los datos.
5.1.3 Protocolo IPv4 sin conexión
Servicio sin conexión
Un ejemplo de comunicación sin
conexión es enviar una carta a alguien sin notificar al receptor con
anticipación. El servicio postal aún lleva la carta y la entrega al receptor.
Las comunicaciones de datos sin conexión funcionan en base al mismo principio.
Los paquetes IP se envían sin notificar al host final que están llegando.
Los protocolos orientados a la
conexión, como TCP, requieren el intercambio del control de datos para
establecer la conexión así como también los campos adicionales en el encabezado
de la PDU. Como IP trabaja sin conexión, no requiere un intercambio inicial de
información de control para establecer una conexión de extremo a extremo antes
de que los paquetes sean enviados, ni requiere campos adicionales en el
encabezado de la PDU para mantener esta conexión. Este proceso reduce en gran
medida la sobrecarga del IP.
Sin embargo, la entrega del paquete
sin conexión puede hacer que los paquetes lleguen a destino fuera de secuencia.
5.1.4 Protocolo IPv4 mejor intento
Servicio de mejor intento (no confiable)
El protocolo IP no sobrecarga el
servicio IP suministrando confiabilidad. Comparado con un protocolo confiable,
el encabezado del IP es más pequeño. Transportar estos encabezados más pequeños
genera una menor sobrecarga. Menor sobrecarga significa menos demora en la
entrega. Esta característica es preferible para un protocolo de Capa 3.
La función de la Capa 3 es
transportar los paquetes entre los hosts tratando de colocar la menor carga
posible en la red. La Capa 3 no se ocupa de ni advierte el tipo de comunicación
contenida dentro de un paquete.
Al IP a menudo se lo considera un
protocolo no confiable. No confiable en este contexto no significa que el IP
funciona adecuadamente algunas veces y no funciona bien en otras oportunidades.
Tampoco significa que no es adecuado como protocolo de comunicaciones de datos.
No confiable significa simplemente que IP no tiene la capacidad de administrar
ni recuperar paquetes no entregados o corruptos.
5.1.5 Protocolo IPv4 independiente de los medios
Independiente de los medios
La capa de Red tampoco está
cargada con las características de los medios mediante los cuales se
transportarán los paquetes. IPv4 y IPv6 operan independientemente de los medios
que llevan los datos a capas inferiores del stack del protocolo.
Es responsabilidad de la capa de
Enlace de datos de OSI tomar un paquete IP y prepararlo para transmitirlo por
el medio de comunicación. Esto significa que el transporte de paquetes IP no
está limitado a un medio en particular.
Existe, no obstante, una característica
principal de los medios que la capa de Red considera: el tamaño máximo de la
PDU que cada medio puede transportar. A esta característica se la denomina
Unidad máxima de transmisión (MTU). En algunos casos, un dispositivo
intermediario, generalmente un router, necesitará separar un paquete cuando se
lo envía desde un medio a otro medio con una MTU más pequeña. A este proceso se
lo llama fragmentación de paquetes o fragmentación.
5.1.6 Protocolo IPv4 empaquetado en la PDU de la capa de transporte
IPv4 encapsula o empaqueta el
datagrama o segmento de la capa de Transporte para que la red pueda entregarlo
a su host de destino. Haga clic en los pasos dentro de la figura para ver este
proceso. La encapsulación de IPv4 permanece en su lugar desde el momento en que
el paquete deja la capa de Red del host de origen hasta que llega a la capa de
Red del host de destino.
El proceso de encapsular datos
por capas permite que los servicios en las diferentes capas se desarrollen y
escalen sin afectar otras capas. Esto significa que los segmentos de la capa de
Transporte pueden ser empaquetados fácilmente por los protocolos de la capa de
Red existentes, como IPv4 e IPv6, o por cualquier protocolo nuevo que pueda desarrollarse
en el futuro.
Los routers pueden implementar
estos protocolos de la capa de Red para operar concurrentemente en una red
hacia y desde el mismo host u otro. El enrutamiento realizado por estos
dispositivos intermediarios sólo considera el contenido del encabezado de
paquetes que encapsula el segmento.
5.1.7 Encabezado de paquete IP
Un protocolo IPv4 define muchos campos diferentes en el encabezado
del paquete. Estos campos contienen valores binarios que los servicios IPv4
toman como referencia a medida que envían paquetes a través de la red.
Este curso considerará estos 6
campos clave:
Dirección IP origen,
Dirección IP destino,
Tiempo de existencia (TTL),
Tipo de servicio (ToS),
Protocolo, y
Desplazamiento del fragmento.
Campos IPv4 de encabezados clave
Dirección IP destino
El campo de Dirección IP destino
contiene un valor binario de 32 bits que representa la dirección de host de
capa de red de destino del paquete.
Dirección IP origen
El campo de Dirección IP origen
contiene un valor binario de 32 bits que representa la dirección de host de
capa de red de origen del paquete.
Tiempo de vida
El tiempo de vida (TTL) es un
valor binario de 8 bits que indica el tiempo remanente de "vida" del
paquete. El valor TTL disminuye al menos en uno cada vez que el paquete es
procesado por un router (es decir, en cada salto). Cuando el valor se vuelve
cero, el router descarta o elimina el paquete y es eliminado del flujo de datos
de la red. Este mecanismo evita que los paquetes que no pueden llegar a destino
sean enviados indefinidamente entre los routers en un routing loop. Si se
permitiera que los loops de enrutamiento continúen, la red se congestionaría
con paquetes de datos que nunca llegarían a destino. Disminuyendo el valor TTL
en cada salto se asegura que eventualmente se vuelva cero y que se descartará
el paquete con el campo TTL vencido.
Protocolo
Este valor binario de 8 bits
indica el tipo de relleno de carga que el paquete traslada. El campo de
protocolo permite a la Capa de red pasar los datos al protocolo apropiado de la
capa superior.
Los valores de ejemplo son:
01 ICMP,
06 TCP, y
17 UDP.
Tipo de servicio
El campo de tipo de servicio
contiene un valor binario de 8 bits que se usa para determinar la prioridad de
cada paquete. Este valor permite aplicar un mecanismo de Calidad del Servicio
(QoS) a paquetes de alta prioridad, como aquellos que llevan datos de voz en
telefonía. El router que procesa los paquetes puede ser configurado para
decidir qué paquete es enviado primero basado en el valor del Tipo de servicio.
Desplazamiento de fragmentos
Como se mencionó antes, un router
puede tener que fragmentar un paquete cuando lo envía desde un medio a otro
medio que tiene una MTU más pequeña. Cuando se produce una fragmentación, el
paquete IPv4 utiliza el campo Desplazamiento de fragmento y el señalizador MF
en el encabezado IP para reconstruir el paquete cuando llega al host destino.
Señalizador de Más fragmentos
El señalizador de Más fragmentos
(MF) es un único bit en el campo del señalizador usado con el Desplazamiento de
fragmentos para la fragmentación y reconstrucción de paquetes. Cuando está
configurado el señalizador Más fragmentos, significa que no es el último
fragmento de un paquete. Cuando un host receptor ve un paquete que llega con MF
= 1, analiza el Desplazamiento de fragmentos para ver dónde ha de colocar este
fragmento en el paquete reconstruido. Cuando un host receptor recibe una trama
con el MF = 0 y un valor diferente a cero en el desplazamiento de fragmentos,
coloca ese fragmento como la última parte del paquete reconstruido. Un paquete
no fragmentado tiene toda la información de fragmentación cero (MF = 0,
desplazamiento de fragmentos = 0).
Señalizador de No Fragmentar
El señalizador de No Fragmentar
(DF) es un solo bit en el campo del señalizador que indica que no se permite la
fragmentación del paquete. Si se establece el bit del señalizador No
Fragmentar, entonces la fragmentación de este paquete NO está permitida. Si un
router necesita fragmentar un paquete para permitir el paso hacia abajo hasta
la capa de Enlace de datos pero pero el bit DF se establece en 1, entonces el
router descartará este paquete.
Para obtener una lista completa
de valores del campo IP de número de protocolo.
Otros Campos IPv4 del encabezado
Versión: Contiene el número IP de
la versión (4).
Longitud del encabezado (IHL).
Especifica el tamaño del encabezado del paquete.
Longitud del Paquete: Este campo
muestra el tamaño completo del paquete, incluyendo el encabezado y los datos,
en bytes.
Identificación: Este campo es
principalmente utilizad para identificar úncamente fragmentos de un paquete IP
original.
Checksum del encabezado: El campo
de checksum se utiliza para controlar errores del encabezado del paquete.
Opciones: Existen medidas para
campos adicionales en el encabezdo IPv4 para proveer otros servicios pero éstos
son rara vez utilizados.
Paquete IP típico
Representa un paquete IP completo
con valores típicos de campo del encabezado.
Ver = 4; versión IP.
IHL = 5; tamaño del encabezado en
palabras de 32 bits (4 bytes). Este encabezado tiene 5*4 = 20 bytes, el tamaño
mínimo válido.
Longitud total = 472; tamaño del
paquete (encabezado y datos) de 472 bytes.
Identificación = 111;
identificador original del paquete (requerido si se fragmenta posteriormente).
Señalizador = 0; significa que el
paquete puede ser fragmentado si se requiere.
Desplazamiento de fragmentos = 0;
significa que este paquete no está actualmente fragmentado (no existe
desplazamiento).
Período de vida = 123; es el
tiempo de procesamiento en segundos de la Capa 3 antes de descartar el paquete
(disminuye en al menos 1, cada vez que el dispositivo procesa el encabezado del
paquete).
Protocolo = 6; significa que los
datos llevados por este paquete son un segmento TCP.
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