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Resumen sobre TCP/IP

Funcionamiento

El Datagrama IPv4

Otros Protocolos

IPv6

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18/03/2005

Tema 4. IP

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Enrique Alba Torres

Universidad de Málaga (UMA)

Tema 4. El Protocolo Interred IP


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Resumen de Contexto. TCP/IP• 1969. DARPA financió ARPANET (I+D, red S&F).

Objetivos: estudio de técnicas robustas, fiables eindependientes del fabricante.

• 1975. ARPANET es operativa.

• INTERNET = [ARPANET + CSNET + MILNET] (1983) + NSFNET (1986).

• La mezcla de usuarios, software y hardware hacen cambiar la filosofía de trabajo de los protocolos de comunicación:

IP que puede ejecutarse con requisitos mínimos.TCP para conexiones duraderas y libres de errores.UDP para conexiones puntuales (posibles errores).<encaminamiento, control de la red, aplicaciones, ...>

• 1983. TCP/IP se adopta como estándar militar (MIL STD). DARPA fundó BBN para incluir TCP/IP en el UNIX Berkeley.


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Características de TCP/IP• Conjunto de protocolos estándares, de libre disposición e

independientes de la máquina y del S.O.

• Ideal para interconexión de sistemas distintos: internets intranets

• Direccionamiento estándar a nivel de red y de transporte:Direcciones IP Direcciones de Puerto

• Facilidad para trabajar como red dorsal.

• Conjunto de estándares para aplicaciones:Terminal Virtual Gestión de una RedCorreo Electrónico Servicio de NombresTransferencia de Ficheros Tr. Páginas Hiper-Texto

ROUTER IPETHERNET TOKEN RING

X.25

ROUTER IP


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Estándares de Protocolo• La Naturaleza abierta de TCP/IP requiere de mecanismos

flexibles y públicamente consensuados: Request For Comments (RFC’s).

− RFC-768: User Datagram Protocol− RFC-791: Internet Protocol− RFC-792: Internet Control Message Protocol− RFC-793: Transmission Control Protocol− RFC-821: Simple Mail Transfer Protocol− RFC-826: Ethernet Address Resolution Protocol− RFC-854: Telnet Protocol Specification− RFC-959: File Transfer Protocol− RFC-1035: Domain Name Service− RFC-1058: Routing Information Protocol− RFC-1094: Network File System Protocol− RFC-1360: IAB Official Protocol Standards


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Comunicación de Datos en TCP/IP

• El Modelo de Referencia OSINivel de Aplicación Protocolos de aplicación que usan la redNivel de Presentación Semántica, sintaxis, compresión, seguridadNivel de Sesión Maneja sesiones entre las aplicacionesNivel de Transporte Comunicación extremo-a-extremoNivel de Red Encaminamiento, CdC, Interconexión de R.Nivel de Enlace Tr. de datos confiable por el enlace físicoNivel Físico Características físicas del medio de transm.

• Arquitectura TCP/IP

Aplicación

HTTP FTP telnet fingerDNS

POP3/MAP SMTP BGPtime/NTP whois SSL

DNS SNMPRIP

traceroute tftpping

Transporte TCP UDP ICMP OSPF

Interred IP ARP

Acceso a la Red

Ethernet/802.3 Token Ring/802.5 X.25 FDDI ISDN Frame RelayATM Wireless (802.11) SONET/SDH

PPP HDLC SLIP/CSLIP xDSL Cable Modem.......................................................................................


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Introducción a IP• El Protocolo Interred (IP, RFC-791) realiza el reparto básico

de datagramas (intra/inter-red).• IP porporciona un servicio sin conexión no fiable pero best effort.• Todos los datos fluyen a través de IP. Debe estar implementado en

los hosts y en los encaminadores (routers o gateways).− RFC 894: IP over Ethernet Networks− RFC 1088: IP over NETBIOS− RFC 1188: IP over FDDI− RFC 1331: Point to Point Protocol (PPP)− RFC 1356: IP over X.25 Networks

• Las principales funciones de IP incluyen:− Gestionar el envío/recepción de datagramas.− Gestionar el esquema de direccionamiento.− Gestionar el tráfico entre la capa de acceso a la red y la

de transporte.− Encaminar adecuadamente los datagramas a los hosts

destino.− Gestionar la fragmentación/reensamblado de datagramas.


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Encaminamiento de Datagramas en IP

• Encaminamiento a través de gateways usando IP:

• Interconexión de redes (conversión frente a tunneling):

AplicaciónTransporte

InterredAcceso a Red

Host A1AplicaciónTransporte


Host C1


Gateway G1Interred

Acceso a Red

Gateway G2

Red A Red CRed B

Token Ring

A1

G1

X.25

G2

C1

Ethernet


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Algoritmo de Encaminamiento de Datagramas en IP

• Algoritmo de Encaminamiento básico de un router IP:

1. Extraer la dirección IP destino del datagrama.

2. Determinar el identificador de red (NET-ID).

3. Si NET-ID es una red alcanzable directamente:Enviar el datagrama al destino (ARP).

4. Si no, si hay una ruta específica en OPCIONES:Enviar según la ruta específica.

5. Si no, si NET-ID aparece en la tabla de encaminamiento:Enviar según la tabla de encaminamiento.

6. Si no, si hay un gateway por defecto:Enviar al gateway por defecto.

7. En otro caso Error de Encaminamiento (ICMP).


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Fragmentación de Datagramas en IP

• Cada red tiene asociado un valor de unidad máxima de transmisióno MTU.

• Si un gateway necesita pasar un datagrama largo por una red de menor MTU debe fragmentar.

• Un bit controla si la fragmentación es posible o no: DF: Si DF está inactivo es posible fragmentar. Si DF está activo ICMP devolverá un error (“destino

inalcanzable”).

• El reensamblado se realiza en el host destino.

• El reensamblado utiliza el campo de IDENTIFICACIÓN y de OFFSET de cada datagrama fragmento (entre otros campos).


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DatosNivel de Aplicación

Transferencia de Datagramas a la Capa de Transporte

• Cada datagrama debe ser entregado a un protocolo de transporte.• El protocolo de transporte receptor viene codificado en el propio

datagrama.• Los protocolos de transporte típicamente son:

− TCP (#6) − UDP (#17)• Otros protocolos usan también a IP, tales como ICMP y OSPF.

CABECERA DE LACAPA DE ENLACE

COLA DE LA CAPADE ENLACECABECERA IP CABECERA TCP INFORMACIÓN DE LA APLICAC.:

FTP, SMTP, TELNET, ...

CabeceraNivel de Transporte Datos

CabeceraNivel Interred Cabecera Datos

CabeceraNivel de Acceso a Red Cabecera Cabecera Datos


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VERSIÓN: Versión del protocolo a la que pertenece el datagrama (4).IHL: Longitud de la cabecera en palabras de 32 bits. El valor mínimo es 5.TIPO DE SERVICIO: Combinación de fiabilidad y velocidad (sugerido).LONGITUD TOTAL: Longitud de todo el datagrama. El máximo es 65.535 bytes.IDENTIFICACIÓN: Número del datagrama original al que pertenece.INDICADORES: Reservado + DF + MF.OFFSET DEL FRAGMENTO: Situación en el datagrama original (13 bits).TIEMPO DE VIDA: Contador (s) que cuando cae a 0 hace que se destruya el dat.PROTOCOLO: Protocolo de transporte receptor del datagrama (TCP, UDP, ...).CHECKSUM DE LA CABECERA: Para verificar sólo la cabecera.DIRECCIONES FUENTE Y DESTINO: Direcciones IP de los extremos.OPCIONES: Seguridad, E.F., informe de errores, depuración, time stamping, etc.

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Formato de Direcciones en IPv4

A (128 REDES CON 16 MILLONES DE HOSTS CADA UNA)1 7 240 RED HOST

B (16.384 REDES CON HASTA 64 K HOSTS)1 1 14 161 0 RED HOST

C (2 MILLONES DE REDES CON 256 HOSTS)1 1 1 21 81 1 0 RED HOST

D (MULTICAST: UN DATAGRAMA PARA UN GRUPO DE HOSTS)1 1 1 1 281 1 1 0 DIRECCIÓN DE MULTICAST

1.0.0.0 a 127.255.255.255

128.0.0.0 a 191.255.255.255

192.0.0.0 a 223.255.255.255

224.0.0.0 a 239.255.255.255

Clase E reservada para uso futuro (1111) 240.0.0.0 a 255.255.255.255


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Direcciones Especiales en IPv4

ESTE ORDENADOR

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 UN ORDENADOR EN ESTA RED

0 0 ... 0 0 HOST DIFUSIÓN EN ESTA RED

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 DIFUSIÓN EN UNA RED REMOTA

NETWORK 1 1 1 1 ... 1 1 1 1 LOOPBACK

127 (ANYTHING)


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IPv4: Direcciones y Nombres• Para facilitar el uso de direcciones IP: notación punto.

DIRECCIÓN IP: 150.214.98.4NOMBRE: tecma1.ctima.uma.es

• Nombres fáciles para las personas. Direcciones adecuadas para el ordenador.Conversión nombre-dirección DNS.

• Nombrado jerárquico basado en dominios (dominios USA) :COM - Compañías, con o sin ánimo de lucro.EDU - Instituciones educativas.GOV - Agencias no militares.MIL - Organizaciones Militares.ORG - Cualquier otra organización.

• Posteriormente se crearon nuevos dominios: DE (Alemania), ES (España), NET, ...

uma.es Subdominio (nivel 1)lcc.uma.es Subdominio (nivel 2)[email protected] Usuario


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Protocolo de Mensajes de Control de la Interred (ICMP)

• Hosts y gateways controlan la red. ICMP: tests y anomalías.

• Los mensajes ICMP viajan en datagramas IP:DESTINATION UNREACHABLE: Destino no localizable

o fragmentación imposible.TIME EXCEEDED: Bucles, congestión o temporizadores

demasiado breves.PARAMETER PROBLEM: Se ha detectado un valor ilegal

en un campo de la cabecera.SOURCE QUENCH: El host que lo recibe debería calmar su

tráfico.REDIRECT: Usado cuando un gateway detecta que un

paquete está mal encaminado.ECHO REQUEST/REPLY: Usado para ver si el destino es

alcanzable y está operativo (“vivo”).TIMESTAMP REQUEST/REPLY: Idem, pero se almacena

el tiempo de recepción y el de partida.OTROS: direccionamiento entre subredes, ...


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Protocolo de Resolución de Direcciones (ARP)

• ARP traduce una dirección IP a una dirección física (RFC 826). Inicialmente funcionaba sólo sobre Ethernet (48 bits físicos).

• Es necesario porque el nivel IP usa direcciones de red, mientras que las tramas de enlace deben incluir la dirección física.

• Mensaje ARP directam. en trama LAN: ARP independiente de IP.• Existen protocolos asociados de funcionamiento complementario:

− RARP: para que una estación sin disco traduzca su dirección MAC a dirección IP

− ATMARP y ATMInARP: para traducir direcciones IP en/desde identificadores de caminos/canales virtuales.

Z? Z!

111...1-A’-ARPrequest(Z)

A Z

A’-Z’-ARPreply(Z)


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Protocolo de Encaminamiento para Redes: RIP, OSPF y BGP

• IP extrae de la dirección destino NET-ID para encaminar.

• Las tablas de encaminamiento las manejan protocolos específicos, no IP.

• Existen tres protocolos específicos relacionados con IP:− RIP-2 (RFC 2453) usa UDP para ejecutar Bellman-Ford distribuido. Se utiliza el número de saltos como métrica. Es ineficiente en Internet, pero se usa en redes locales (NetWare, AppleTalk,...).− OSPF-2 (RFC 1247) usa directamente a IP para encaminar usando el

estado de los enlaces sólo cuando hay cambios (no tablas completas como hace siempre RIP): robusto, rápido, converge y escala bien.− BGP-4 (RFC 1771) es un protocolo entre pasarelas exteriores que usa

TCP para intercambiar información de encaminamiento entre dominios de Internet. Usa un algoritmo vector-distancias y almacena la ruta completa hasta el destino. Permite también usar políticas de administración para decisiones de encaminamiento.

• Se puede acceder a las tablas (podrían ser estáticas también):Windows: route print UNIX: netstat -r


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Necesidad de IPv6• IPv4 ha sido implementado con éxito en muchos SO’s.

• IPv4 (RFC 791) fue publicado en 1981 y además de tener puntos débiles es incapaz de soportar el ritmo de crecimiento de Internet.

• Algunos de sus problemas son:− Campo de direcciones de 32 bits (se está agotando).− Pocas prestaciones en relación a la seguridad.− Ausencia de soporte para flujos de tráfico en tiempo real y voz.

• La solución es adoptar un nuevo estándar: IPv6 (o IPng), RFC 1726.

• IPv5 fue asignado a Internet Stream Protocol v2 (ST2), RFC 1819. ST2 fue desarrollado como una extensión adicional de IP para soportar el transporte de datos multimedia en tiempo real.

• Los criterios de diseño para IPv6 han sido:− Escalabilidad: identificar 1012 estaciones y 109 redes.− Flexibilidad topológica: nueva arquitectura y encaminamiento.− Transición: debe contemplarse el paso de IPv4 a IPv6.− Independencia del medio: LAN/MAN/WAN y AdB variados.− Configuración automática de routers y hots.− Operación segura: el nivel de red debe proveer seguridad.− Movilidad: capacidad para evolucionar ante nuevos servicios.


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Datagrama de IPv6

• VERSIÓN. (4 bits) Identifica al protocolo. Tiene valor 6.• PRIORIDAD. (4 bits) La fuente asigna prioridad a sus datagramas. El tráfico más

importante puede así ser entregado rápido (si congestión).• ETIQUETA DE FLUJO. (24 bits) Flujos que necesitan tratamiento especial.• LONGITUD DE LA CARGA ÚTIL. (16 bits) Tamaño neto: de 576 a 65.535

octetos. Pueden existir datagramas de más de 64 Kb (Jumbo Payload Option).• SIGUIENTE CABECERA. (8 bits) Cabecera que sigue a la de IPv6. Puede tratarse

de la cabecera de TCP, UDP, o una Cabecera de Extensión de IPv6.• LÍMITE DE SALTOS. (8 bits) Tiempo de vida limitado en número de saltos.• DIRECCIONES. (128 bits cada una). Identifican a la fuente y al destino.

Versión Prioridad Etiqueta de Flujo

Longitud de la Carga Útil

Siguiente Cabecera

Límite de Saltos

Dirección Origen

Dirección Destino

1-32

33-64

65-193

194-322

32 bits


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Cabeceras Opcionales en IPv6• Aunque la dirección es 4 veces más larga que en IPv4 la cabecera de IPv6

es sólo dos veces mayor: 40 octetos frente a los 20 de IPv4.

• Muchas funciones se llevan a la parte opcional de próxima cabecera, permitiendo que los routers manejen datagramas más rápido; p. ej. la fragmentación causa sobrecarga sólo cuando se utiliza, no siempre.

• Un datagrama IPv6 tiene 0 o más cabeceras opcionales encadenadas:− Opciones Salto-a-Salto: Contiene información que debe examinar

cada nodo hasta el destino, incluido éste.− Opciones del Destino: Sólo el destino debe inspeccionar esta parte.− Encaminamiento: Especifica el camino completo hasta el destino.− Fragmentación: La fuente divide mensajes grandes en fragmentos

que puedan manejar los nodos intermedios hasta el destino.− Autentificación: Verifica el origen y proporciona integridad de datos

mediante esquemas como el Message Digest 5 (MD5).− Carga Segura: Información confidencial usando DES por ejemplo.


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Direcciones en IPv6• Direcciones de 128 bits (RFC 1884). Existen 3 tipos:

− Unicast: Comunicación punto a punto (tradicional).− Anycast: Miembro más cercano de un grupo. Por ejemplo, un router

(el más cercano) podría recibir un dato y encargarse él de repartirlo.− Multicast: Comunicación uno a muchos del mismo grupo. Las

transmisiones están limitadas por un campo interno (alcance).

• El tipo de dirección lo define un prefijo que tiene toda dirección.

• IPv4 usa la notación dotted decimal, mientras que IPv6 no (RFC 1884):X:X:X:X:X:X:X:X

donde X son cuatro dígitos hexadecimales (16 bits)IPv4: 11000000 00011000 00000000 00000000 ∼ 192.24.0.0IPv6: FEDC:BA98:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210

• Todavía queda mucho espacio vacío en IPv6 direcciones con muchos ceros:1080:0000:0000:0000:0008:0800:200C:417A puede simplificarse:1080:0:0:0:8:800:200C:417A o bien a 1080::8:800:200C:417A


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Migración Hacia IPv6• Para migrar de IPv4 a IPv6 se usarán túneles: el datagrama IPv6 viaja

DENTRO del datagrama IPv4 como si fuese cualquier otro protocolo que está usando a IPv4 para transmitir sus datos. ¡No hay traducción!

• Los protocolos RIP, OSPF y DNS deben ser modificados para utilizar direcciones de 128 bits.

• Los estándares de programación como BSD socket deben modificarse para trabajar con las nuevas direcciones y campos como prioridad y etiqueta de flujo.

• Los sistemas operativos deben también modificarse para aprovechar las ventajas de IPv6: AIX, Netware, Solaris, Digital UNIX, Linux, NT, ...

• Existen nuevos protocolos asociados a nuevas aplicaciones sobre todo de tipo plug-and-play.

• Hay una red mundial de pruebas denominada 6bone para experimentar conIPv6 antes de comercializar aplicaciones finales.

• Más información sobre IPv6 en http://www.ipv6.nas.nasa.gov


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Bibliografía

• Redes de Computadoras (3ª edición)Tanenbaum, A.S. Prentice-Hall. 1997.

• Computer Networks and Internets (2nd edition)Comer, D.G. Prentice-Hall. 1999

• Internetworking with TCP/IP (Vol. 1)Comer, D.E. Prentice-Hall. 1991.

• A Guide to the TCP/IP Protocol SuiteWilder, F. Artech House. 1993.

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