Introducción a los conceptos de Redes TCP-IP

Conceptos de Interconexión
de Redes
Introducción a TCP/IP
Carlos Vicente
cvicente@ns.uoregon.edu

Inter-redes
 Un poco de historia
 Mainframes y terminales
 PCs y redes locales
 Redes de área extendida (X.25, ISDN, FR…)
 Problema: Cada vez más, todas diferentes e incompatibles

Inter-redes
 ¿Cómo interconectarlas?

Inter-redes
 Se necesita una red más abstracta, a nivel superior, que esconda
los detalles y diferencias de las diferentes redes físicas
 DARPA ya estaba trabajando en esto desde mediados de los 70!
 ARPANET: Una de las primeras redes de conmutación de paquetes
 ARPANET -> Universidades -> Industria

Se incluye IP en BSD unix
 Primeros ISPs
 +230 Millones de máquinas conectadas (Enero 2004)
 Ver: http://www.isc.org/index.pl?/ops/ds/
 ¿Qué pasó?

Diseño

Muchos problemas que resolver:
 Tecnologías cerradas y dispares
 Pérdida de información
 Control de flujo y congestión
 Múltiples aplicaciones, un solo canal
 Diferentes requerimientos de servicio

Ley básica de ingeniería: Divide y vencerás
 Dividir los problemas en grupos lógicos y jerárquicos
 Esconder la complejidad, desacoplar
 Facilitar la programación, prueba y mantenimiento

Conceptos previos
 Servicios y redes orientados a conexión
 Proveen garantías

Se pueden reservar recursos
 Necesitan interacción entre los nodos
 Implican un inicio y cierre de sesión
 No orientados a conexión
 Sin garantías pero pueden ser más eficientes
 Cuando éstos se aplican a redes físicas, se suele hablar de:
 Conmutación de circuitos (red telefónica)
 Conmutación de paquetes (Internet)

Tipos de envío
 Unicast

Uno a uno
 Broadcast

Uno a todos
 Multicast

Uno a varios
 Anycast

Uno a alguno

Modelo de capas
 Modelo de referencia
OSI
 Sólo un modelo, no una
arquitectura de red
 Cada capa provee un servicio
a la capa superior

Cada capa dialoga con su
homóloga en el dispositivo
remoto

Un protocolo es la
implementación de la lógica
de una capa
 Uno o más protocolos por
capa
Aplicación
Presentación
Sesión
Transporte
Red
Enlace
Física

Modelo de Capas
Aplicación
Presentación
Sesión
Transporte
Red
Enlace
Física
Aplicación
Presentación
Sesión
Transporte
Red
Enlace
Física

Modelo de Capas
 Encapsulación y cabeceras
Aplicación
Presentación
Sesión
Transporte
Red
Enlace
Física
Aplicación
Presentación
Sesión
Transporte
Red
Enlace
Física
Datos
Datos
Cabecera
Datos
Cabecera
Datos
Cabecera
red

OSI vs. TCP/IP
 ARPANET empezó
una década antes
que OSI
 No necesitaban
presentación ni
sesión
 Estándar ‘de facto’
Aplicación
Presentación
Sesión
Transporte
Red
Enlace
Física
Aplicación
Transporte
Red
Enlace
Física
Ej: Ethernet
IP
TCP/UDP
HTTP, SMTP
Telnet, POP

Capa 1: Física
 Implementada en hardware
 Codificación de canal
 Representación de bits, voltajes, frecuencias, sincronización

Códigos Manchester, AMI, B8ZS…
 Define conectores físicos, distancias, cableado

Capa 2: Enlace
 Encapsula los los paquetes en tramas para pasarlos al
medio físico
 Reconstruye las tramas originales a partir de secuencias de
bits y pasa los datos a la capa de red
 Provee
 Direccionamiento (en el segmento de red local)
 Detección de errores
 Control de flujo

Capa 3: Red
 Provee una red virtual global
 Esconde los detalles de las redes físicas

Direccionamiento global:

Una dirección IP es suficiente para enviar hacia cualquier red en el mundo

Implica que hay que mapear las direcciones físicas con las IP
 Ofrece un servicio sin garantías (mejor esfuerzo)

Si se pierden o duplican paquetes, no le importa
 Deja esa función a las capas superiores
 Determina si el destino es local o si lo debe enviar a un enrutador
 Provee funciones de control
 ICMP
 Reenvía paquetes de salto en salto, de una red a la otra
 El trayecto completo puede constar de muchos saltos

Capa 4: Transporte
 Servicio con garantías (TCP)
 Resuelve los problemas de:

Pérdida de paquetes

Duplicación

Desbordamiento (control de flujo)
 Sin garantías (UDP)
 Mucho más simple
 A veces no hace falta fiabilidad
 Provee multiplexión de aplicaciones
 Concepto de ‘puertos’

Capa 5: Aplicación
 La más cercana al usuario
 Define las funciones de clientes y servidores
 Utiliza los servicios de transporte
 Ej: HTTP (web), SMTP (mail), Telnet, FTP, DNS…

Terminología
Aplicación
Transporte
Red
Enlace
Física
 Nombres diferentes en
cada capa
 No se sigue muy
estrictamente. Suele
hablarse
indistintamente de
‘paquete’ en todas las
capas.
Trama, Frame
(Ethernet)
Datagrama (IP)
Segmento (TCP)

Tipos de enlaces
 Difusión (broadcast)
 Ej: Ethernet
 Punto a punto
 Ej. PPP, SLIP, HDLC
 NBMA (Non-broadcast Multi-Access)
 Ej: Frame Relay, ATM

Un vistazo a Ethernet
 Una red de difusión (broadcast)
 Topologías

Bus (cable coaxial)

Estrella con repetidor

Estrella con conmutador
 ¿CSMA/CD?
 Razones para su éxito
 Simplicidad
 Costo
 De 10 Mbps a 10 Gbps

Un vistazo a Ethernet
Preámbul
o
(8 bytes)
Destin
o
(6)
Fuente
(6)
Longitu
d
(2)
Tip
o
(2)
Datos
(46-1500)
FCS
(4)
 Direcciónes MAC:

Únicas y grabadas en el hardware de la tarjeta

Por eso también se llaman “direcciones físicas”
 6 bytes x 8 bits/byte = 48 bits
 Suelen escribirse en hexadecimal

FE:D2:89:C4:4F:2E
 Tipo: 0x800 especifica que la parte de datos contiene un
datagrama IP

El datagrama IP
 Versión actual : 4
 El protocolo se refiere al que está siendo encapsulado (tcp, udp…)
 TTL se decrementa con cada salto
 Hay fragmentación al pasar de un MTU mayor a uno menor

La dirección IP
 Un número de 32 bits (4 bytes)
 Decimal:
 Binaria:
 Hexadecimal:
128 223 254 10
80 DF FE 0A
10000000 11011111 11111110 00001010

La dirección IP
 Estructura
 Un sólo número, dos informaciones:

Dirección de la red (prefijo)

Dirección del nodo dentro de esa red
 ¿Dónde está la división?
 Al principio era implícito (clases)
 Luego más flexible (máscaras)
128 223 254 10
red nodo

Esquema de clases
(Classful)
Clase Formato Primeros bits Rango Bits por
nodo
A R.N.N.N 0 1.0.0.0 - 126.0.0.0 24
B R.R.N.N 10 128.1.0.0 - 191.254.0.0 16
C R.R.R.N 110 192.0.1.0 - 223.255.254.0 8
D n/a 1110 224.0.0.0 - 239.255.255.255 n/a
E n/a 1111 240.0.0.0 - 254.255.255.255 n/a
 Los límites red-nodo en la dirección son arbitrarios
 ¿Qué problema podemos prever?

Revisión de base binaria

En base 10 decimos:
 1234 = 1x10^3 + 2x10^2 + 3x10^1 + 4x10^0 = 1000+200+30+4

De la misma forma, en base 2:
 1010 = 1x2^3 + 0x2^2 + 1x2^1 + 0x10^0 = 8+0+2+0 = 10 decimal

Suma lógica (AND):
 1 + 1 = 1
 1 + 0 = 0
 0 + 1 = 0
 0 + 0 = 0

Potencias de 2 en un byte
 Conviene memorizar:
 2^7 = 128 1000 0000
 2^6 = 64 0100 0000
 2^5 = 32 0010 0000
 2^4 = 16 0001 0000
 2^3 = 8 0000 1000
 2^2 = 4 0000 0100
 2^1 = 2 0000 0010
 2^0 = 1 0000 0001

Máscaras
 Solución: Otro número que especifique los
límites
10000000 11011111 11111110 00001010
11111111 11111111 11111111 00000000
AND
10000000 11011111 11111110 00000000
=
128.223.254.10
255.255.255.0
128.223.254.0
Con esto se podían subdividir las redes A, B y C en subredes más
pequeñas

Notación de prefijo
 La máscara también se puede especificar como la
cantidad de bits a 1:
 255.255.255.0 tiene 24 bits a 1
 Se agrega a la dirección IP con “/”
 128.223.254.10/24
 Hoy día se utilizan indistintamente las dos
notaciones

Direcciones especiales
 Todos los bits de nodo a 0: Representa la red
 128.223.254.0/24
 Todos los bits a 1: Broadcast local o limitado
 255.255.255.255
 Todos los bits de nodo a 1: Broadcast dirigido
 128.223.254.255
 Direcciones Loopback:
 127.0.0.0/8

Casi siempre se usa 127.0.0.1

Más direcciones Especiales
 Direcciones privadas (RFC 1918)
 10.0.0.0 - 10.255.255.255 (10/8)
 172.16.0.0 - 172.31.255.255 (172.16/12)
 192.168.0.0 - 192.168.255.255 (192.168/16)
 ¿Cuál es la necesidad?

Problemas con el esquema de
clases
 No muy flexible
 Se perdían dos subredes en cada división
 En los 90’s cambió el esquema (Classless):
 ¡Las viejas clases A, B, C no tienen significado ninguno
en el Internet de hoy!

CIDR (Classless Interdomain Routing):
 Los routers ya no consideran A,B,C como /8, /16, /24

VLSM (Variable Length Subnet Masks)

Los routers no asumen que todas las subredes son del
mismo tamaño
 ¿Es 128.223.254.0/24 una clase C?

Subdividiendo una red
 Nos debemos preguntar:
 Cuántas subredes queremos
 Cuántos nodos tendrá cada subred
 Calculando en la cabeza
 Cada bit más de máscara es el doble de subredes y la mitad
de nodos (o viceversa)
 Cada subred se puede sub-dividir a su vez
 Ejercicio:
 Nos asignan 192.168.1.0/24
 Tenemos:

1 edificio con 121 nodos

1 edificio con 50 nodos

2 edificios con 25 nodos

Algunos Trucos
 255.255.255.192
 A qué prefijo corresponde?

256 – 192 = 64 (hosts/subred)

64 = 26

Si tengo 6 bits de nodo, quedan 2 de red
11111111 11111111 11111111 11000000

3 x 8 = 24, +2 = 26

Prefijo es /26

Datagrama IP
 Algunos campos interesantes
 Type of Service (TOS)

retardo, fiabilidad, velocidad (voz vs. datos)
 Identification, Flags, Fragment Offset
 TTL

Routers
 Dispositivos con interfaces en varias
redes físicas
 Una dirección IP (y subred) por cada
interfaz
 Deciden el trayecto de los paquetes
basados en tablas de
encaminamiento

Envío
 En IP, distinguimos entre:
 Envío directo:

La máquina envía a otra que está en su
propia red física (Ej: mismo segmento
Ethernet)
 Envío indirecto:

El destino del paquete IP está fuera de la red
física
 Requiere la presencia de un router

Envío y Re-envío
 Algoritmo de routing
 Extraer la dirección IP de destino (D)

Si D encaja en alguna de las redes (Ri)
físicamente conectadas

Enviar directamente a D por la interfaz conectada a
esa red
 (Implica traducir la dirección IP a la física)
 Sino, si la tabla contiene una ruta específica a
D

Enviar el paquete al próximo salto especificado en
la tabla

Envío y Re-envío
 Algoritmo de Routing (Cont.)
 Sino, si la tabla contiene una ruta a la red
R que contiene a D

Enviar el paquete al próximo salto
especificado en la tabla
 Sino, si la tabla contiene una ruta por
defecto

Enviar el paquete al router por defecto
 Sino, notificar un error de routing

Routers
 Mecanismo de un router:
 Recibe un paquete en una interfaz
 Determina si el paquete está dirigido a él
 Decrementa el TTL
 Compara la dirección destino con la
tabla de encaminamiento
 Envía el paquete al router del próximo
salto (o a la máquina destino)

Encaminamiento
 Cada decisión es un salto en la
dirección de destino
 El router no puede enviar a otro router
que no esté en una de sus propias redes
físicas
 Cada router tiene sus propias tablas
 Protocolos de routing: mantener
estas tablas al día

Tablas de Encaminamiento
 Se compara la dirección IP destino del paquete con
las entradas en la tabla
 Determinar el próximo salto
 Se asume que está físicamente conectado
 ¿Qué es la regla del longest match?
IP Máscara Gateway
192.168.5.0 255.255.255.0 192.168.1.1
192.168.5.0 255.255.255.192 192.168.1.2
0.0.0.0 0.0.0.0 192.168.0.1

Tablas de Encaminamiento
# netstat -nr
Kernel IP routing table
Destination Gateway Genmask Flags MSS Window irtt Iface
128.223.60.0 0.0.0.0 255.255.254.0 U 0 0 0 eth0
127.0.0.0 0.0.0.0 255.0.0.0 U 0 0 0 lo
0.0.0.0 128.223.60.1 0.0.0.0 UG 0 0 0 eth0

Routers y Encapsulación
1. Recibe una trama de capa 2
2. Saca el paquete IP de ella
3. Revisa el contenido del paquete IP
4. Determina la interfaz siguiente
5. Encapsula el paquete dentro de una trama del
tipo correspondiente
 Las redes de entrada y salida pueden ser
completamente diferentes:

Ejemplos:
 De Ethernet a PPP
 De Frame Relay a Ethernet

Fragmentación
 Diferentes MTU en cada salto

Traducción de direcciones
 Problema: Diferentes direcciones en
capas de enlace y de red
 Caso Ethernet:

Tengo este paquete IP para reenviar. ¿Qué
dirección Ethernet tengo que poner en mi nueva
trama?
 Tres tipos de soluciones:

Derivar una de otra con cierta operación
matemática

Incluir una dentro de la otra

Mantener una tabla dinámica

ARP
 Mantiene tablas dinámicas
Microsoft Windows XP [Version 5.1.2600]
(C) Copyright 1985-2001 Microsoft Corp.
C:>arp -a
Interface: 128.223.219.14 --- 0x2
Internet Address Physical Address Type
128.223.216.1 00-04-75-71-e5-64 dynamic
128.223.216.24 00-04-23-62-14-4f dynamic
 Las entradas tienen un tiempo de vida limitado (¿Por qué?)
 Mecanismo:

A quiere enviar a B

Primero busca la IP de B en su tabla

Si no la tiene, pregunta

A: ¿Quién tiene 192.168.0.1?

Envía una trama a toda la red:

Utiliza FF:FF:FF:FF:FF:FF (todos los bits a 1)

Todos reciben la trama. Sólo el B responde

ARP
 Algunas mejoras de eficiencia:
 A quiere saber la MAC de B
 B recibe la trama. Toma las direcciones MAC e
IP de A y las incluye en su tabla
 Luego B responde a A
 Como la petición es broadcast, en principio
todos los demás pueden incluir a A en su tabla.
 Pregunta: El paquete ARP viaja dentro de
una trama Ethernet o un paquete IP?

Dominios de Tráfico
 Dominio de colisión
 Dominio de broadcast
 Diferencias
 Switches vs. Hubs
 Routers vs. switches

Dominios de tráfico
Router
Switch
Hub Hub
Switch
Hub Hub
Dominio de
broadcast
Dominio de
colisión

Ventajas de las subredes
 Escalabilidad, eficiencia
 Reducir los dominios de broadcast

Menos uso de CPU

Más espacio para tráfico legítimo -> más velocidad
 Facilitar la gestión

Ingeniería de tráfico
 Implementación de políticas

Seguridad
 Filtros de paquetes

UDP
 User Datagram Protocol
 Multiplexión de aplicaciones

Una dirección IP identifica una máquina

Los sistemas operativos son multitarea

Un puerto para cada servicio
 Servicio no orientado a conexión
 No ofrece ninguna garantía

Sin acuses de recibo

Sin re-transmisión

Sin control de flujo

UDP
 Formato de UDP
Puerto Origen Puerto Destino
Longitud Checksum
Datos
…

TCP
 Transmission Control Protocol
 Orientado a conexión

Hay un acuerdo previo entre origen y destino

Hay un diálogo que va ajustando parámetros
constantemente
 Servicios:

Fiabilidad
 Paquetes perdidos, duplicados, desordenados

Control de flujo

Multiplexión de aplicaciones

TCP: Conceptos
 PAR: Positive Acknowledgment with
Retransmission
 Envío un segmento e inicio un timer
 Espero una confirmación antes de enviar el
siguiente
 Envío el mismo segmento de nuevo si el tiempo
expira sin recibir confirmación
 ¿Segmentos duplicados? ¿Cómo?
 Un retraso en la red produce una retransmisión
y el mismo segmento llega dos veces

TCP: Ventana deslizante
 Esperar confirmación por cada paquete no es muy
eficiente
 Tamaño de ventana = 1
 Provee control de la congestión y control de flujo
(¿cuál es la diferencia?)
 El tamaño de la ventana se ajusta dinámicamente
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 …

TCP: Inicio de Sesión
 Three-way handshake (saludo en tres
pasos)

¿TCP o UDP?
 Cuándo tiene sentido uno u otro
 FTP
 DNS
 SNMP
 Voz sobre IP (H.323, SIP)
 Multicast

ICMP
 Internet Control Message Protocol
 Viaja sobre IP, pero no pertenece a la
capa de transporte
 Funciones:

Notificar errores

Control de Flujo

Redirección

ICMP
 Algunos tipos y códigos más usados
Tipo Código Descripción
0 0 Echo Reply
3 0 Destination Network unreachable
3 1 Destination Host Unreachable
3 2 Destination Protocol Unreachable
3 3 Destination Port Unreachable
8 0 Echo Request
11 0 TTL expired

ICMP: Aplicaciones
 Ping
# ping www.uoregon.edu
PING darkwing.uoregon.edu (128.223.142.13) from 128.223.60.27 : 56(84) bytes of
data.
64 bytes from darkwing.uoregon.edu (128.223.142.13): icmp_seq=1 ttl=254 time=0.229
ms
ms
ms
ms
ms

ICMP: Aplicaciones
 Traceroute
# traceroute www.google.com
traceroute: Warning: www.google.com has multiple addresses; using 66.102.9.99
traceroute to www.google.akadns.net (66.102.9.99), 30 hops max, 38 byte packets
1 ge-4-6.uonet2-gw.uoregon.edu (128.223.60.3) 0.310 ms 0.236 ms 0.193 ms
2 0.ge-0-0-0.uonet8-gw.uoregon.edu (128.223.2.8) 0.324 ms 0.331 ms 0.294 ms
3 eugn-car1-gw.nero.net (207.98.66.11) 0.363 ms 0.296 ms 0.416 ms
4 eugn-core2-gw.nero.net (207.98.64.169) 0.672 ms 1.029 ms 0.601 ms
5 ptck-core2-gw.nero.net (207.98.64.2) 2.911 ms 2.994 ms 2.930 ms
6 ptck-core1-gw.nero.net (207.98.64.137) 3.255 ms 2.874 ms 2.923 ms
7 so-6-1.hsa2.Seattle1.Level3.net (63.211.200.245) 6.521 ms 6.153 ms 6.322 ms
8 ge-6-1-1.mp2.Seattle1.Level3.net (209.247.9.85) 6.619 ms 6.565 ms 6.335 ms
9 so-0-0-0.bbr2.NewYork1.Level3.net (64.159.0.238) 86.194 ms 86.239 ms 86.580 ms
10 so-2-0-0.mp2.London1.Level3.net (212.187.128.154) 147.899 ms 147.968 ms
149.461 ms
11 so-3-0-0.mp2.Amsterdam1.Level3.net (212.187.128.13) 155.019 ms 155.738 ms
155.406 ms
12 ge-11-2.ipcolo2.Amsterdam1.Level3.net (213.244.165.116) 157.499 ms 155.627 ms
155.857 ms
13 212.72.44.66 (212.72.44.66) 156.319 ms 156.168 ms 156.142 ms

Traceroute: Funcionamiento
# traceroute 128.223.142.13
traceroute to 128.223.142.13 (128.223.142.13), 30 hops max, 38 byte packets
1 ge-4-6.uonet2-gw.uoregon.edu (128.223.60.3) 0.282 ms 0.206 ms 0.186 ms
2 darkwing (128.223.142.13) 0.266 ms 0.197 ms 0.209 ms
(simultáneamente)
# tcpdump -lnv host 128.223.142.13 or icmp
tcpdump: listening on eth0
128.223.60.27.33962 > 128.223.142.13.33435: udp 10 [ttl 1] (id 12001, len 38)
128.223.60.3 > 128.223.60.27: icmp: time exceeded in-transit [tos 0xc0] (ttl 255, id 64235, len
56)
128.223.60.27.33962 > 128.223.142.13.33436: udp 10 [ttl 1] (id 12002, len 38)
56)
128.223.60.27.33962 > 128.223.142.13.33437: udp 10 [ttl 1] (id 12003, len 38)
56)
128.223.60.27.33962 > 128.223.142.13.33438: udp 10 (ttl 2, id 12004, len 38)
128.223.142.13 > 128.223.60.27: icmp: 128.223.142.13 udp port 33438 unreachable (DF) (ttl 254, id
14809, len 66)
128.223.60.27.33962 > 128.223.142.13.33439: udp 10 (ttl 2, id 12005, len 38)
14810, len 66)
128.223.60.27.33962 > 128.223.142.13.33440: udp 10 (ttl 2, id 12006, len 38)
14811, len 66)

Telnet a puertos conocidos
# telnet www.uoregon.edu 80
Trying 128.223.142.13...
Connected to www.uoregon.edu.
Escape character is '^]'.
GET /
<html>
<head>
<title>University of Oregon Home Page</title><link rel="SHORTCUT ICON"
href="/favicon.ico">
# telnet darkwing.uoregon.edu 25
Trying 128.223.142.13...
Connected to darkwing.uoregon.edu.
Escape character is '^]'.
220 darkwing.uoregon.edu ESMTP Sendmail 8.12.11/8.12.11; Mon, 23 Feb 2004 15:52:28 -
0800 (PST)
vrfy cvicente
250 2.1.5 Carlos Vicente <cvicente@darkwing.uoregon.edu>
quit
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Ejercicios en clase
 ¿A qué subred pertenece 172.17.21.10/22? Cuál es la
dirección de broadcast correspondiente?

Ejercicios en Clase
 Solución:

/22 significa que en el tercer octeto tenemos 6 bits de
subred

26
= 64

Si tenemos 256 posibles números para subredes, y sólo 64
válidas
 256/64 = 4
 Las subredes irán de 4 en 4, no?
 172.17.0.0 (172.17.0.1 – 172.17.3.255)
 172.17.4.0 (172.17.4.1 – 172.17.7.255)
 172.17.8.0 (172.17.8.1 – 172.17.11.255)

Nuestra dirección cae dentro de 172.17.0.20

La dirección broadcast es la última en ese rango
 172.17.23.255

Ejercicios en Clase
 ¿Qué pasaría si configuramos un nodo con una máscara
incorrecta? Por ejemplo, 255.255.254.0 cuando el router y
los demás en la subred tienen 255.255.255.0?

Ejercicios en Clase
 Solución:
 No podrá enviar al rango IP contiguo
 Por ejemplo:

La red es 192.168.0.0/24

El nodo está configurado con 192.168.0.10/23

El nodo piensa que su rango local es:
 192.168.0.1 – 192.168.1.254

Cuando envíe a nodos entre
 192.168.1.1 – 192.168.1.254
 Enviará peticiones ARP que nunca serán respondidas

Más información
 TCP/IP Illustrated. Richard Stevens. Addison-
Wesley
 Internetworking with TCP/IP. Douglas Comer.
Prentice-Hall
 Cisco Internetworking Basics
http://www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/cisintwk/ito_doc/introint.htm
 TCP/IP Network Administration. Craig Hunt O’reilly
& Associates.
 Requests for Comments (RFCs)
www.ietf.org

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