IPv4

Ipv4

Ipv4. El Internet Protocol version 4 (Ipv4) (en español: Protocolo de Internet versión 4) es la cuarta versión del protocolo Internet (IP), y la primera en ser implementada a gran escala. Definida en el RFC 791.

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Ilustración 1- Versión del Protocolo de Internet.

Introducción

El protocolo TCP/IP es el protocolo utilizado para gestionar el tráfico de datos en la red. Este protocolo en realidad está formado por dos protocolos diferentes y que realizan acciones diferentes.

Por un lado está el protocolo TCP, que es el encargado del control de transferencia de datos y por otro está el protocolo IP, que es el encargado de la identificación de la máquina en la red.

Modelo TCP/IP

El modelo estándar para diseñar una arquitectura de red es el modelo OSI (Open Systems Interconnection), prototipo que consiste en siete capas:

  1. Capa física
  2. Enlace de datos
  3. Red
  4. Transporte
  5. Sesión
  6. Presentación
  7. Aplicación

Por su lado, el modelo TCP/IP es un prototipo híbrido derivado del OSI. El TCP/IP combina las tres capas superiores (Aplicación, Presentación y Sesión) del OSI en una capa (Aplicación), así mismo mantiene la capa cuatro (Transporte), combina las capas tres y dos (Red y Enlace de Datos) en una sola a la que llama Internet y mantiene la capa Física.

Protocolo de Internet (IP)

El Protocolo de Internet es un protocolo de capa de red (Capa 3) diseñado en 1981 para usarse en sistemas interconectados de redes de comunicación computacional de conmutación de paquetes. El Protocolo de Internet y el Protocolo de Control de Transmisión (TCP, Transmission Control Protocol) son la base de los protocolos de Internet. El IP tiene dos funciones principales:

– Entrega de datagramas a través de la interred en la modalidad de mejor esfuerzo

– Fragmentación y reensamblado de datagramas

Se considera al IP un protocolo de “mejor esfuerzo”, ya que no garantiza que un paquete transmitido realmente llegue al destino ni que los datagramas transmitidos sean recibidos en el orden en que fueron enviados.

La función principal de IP es llevar paquetes de datos de un nodo fuente a un nodo destino. Este proceso se logra identificando cada paquete enviado con una dirección numérica llamada dirección IP.

El protocolo IP no tiene mecanismos de confiabilidad (RFC 791) a diferencia de los demás protocolos. En vez de tener dichos medios, este protocolo no hace uso de ellos para que sean implementados por protocolos de capa superior. El único mecanismo de detección de errores es la suma de verificación para el encabezado IP. Si el procedimiento de la suma de verificación falla, el datagrama será descartado y con ello no será entregado a un protocolo de nivel superior.

Direccionamiento IP

El esquema de direccionamiento IP es integral al proceso de enrutamiento de datagramas IP a través de la interred. Cada dirección IP tiene componentes específicos y un definido formato básico.

Existen dos estándares de direccionamiento IP: la versión 4 (IPv4) y la versión 6 (IPv6). Actualmente la mayoría del tráfico IP es realizado con direccionamiento IPv4, y aunque se pretende que IPv6 reemplace a IPv4 en un futuro, ambos protocolos coexistirán durante algún tiempo.

Formato de Dirección IP versión 4

En una red TCP/IP a cada computadora se le asigna una dirección lógica de 32-bits que se divide en dos partes: el número de red y el número de computadora. Los 32 bits son divididos en 4 grupos de 8 bits, separados por puntos, y son representados en formato decimal.

Cada bit en el octeto tiene un peso binario. El valor mínimo para un octeto es 0 y el valor máximo es 255. La siguiente figura muestra el formato básico de una dirección IP con sus 32 bits agrupados en 4 octetos.

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Ilustración 2 – Formato de dirección IPv4

Uso de Ipv4

Ipv4 usa direcciones de 32 bits, limitándola a 232 = 4.294.967.296 direcciones únicas, muchas de las cuales están dedicadas a redes locales (LANs). Por el crecimiento enorme que ha tenido Internet (mucho más de lo que esperaba, cuando se diseñó IPv4), combinado con el hecho de que hay desperdicio de direcciones en muchos casos, ya hace varios años se vio que escaseaban las direcciones IPv4.

Esta limitación ayudó a estimular el impulso hacia Ipv6, que está actualmente en las primeras fases de implantación, y se espera que termine reemplazando a IPv4.

Las direcciones disponibles en la reserva global de IANA pertenecientes al protocolo IPv4 se agotaron el jueves 3 de Febrero de 2011 oficialmente1 Los Registros Regionales de Internet deben, desde ahora, manejarse con sus propias reservas, que se estima, alcanzaran hasta Septiembre de 2011

Actualmente no quedan direcciones IPv4 disponibles para compra, por ende, se está en la forzosa y prioritaria obligación de migrar a IPv6, Los sistemas operativos Windows Vista, 7, Unix/like (Gnu/linux, Unix, Mac OSX), BSD entre otros, tienen soporte nato para IPv6, mientras que Windows XP requiere utilizar el prompt y digitar ipv6 install, para instalarlo, y sistemas anteriores no tienen soporte para este.

Clases de direcciones IP

Te preguntaras que tanto de una dirección IP representa la red (ID network) y que tanto representa el host (Id host). La respuesta depende del tipo de dirección que tengas. Existen tres tipos de direcciones: Clase A, Clase B y Clase C.

La principal diferencia entre estos tres tipos principales de dirección deriva en el número de octetos usados para identificar la red.

  • La clase A utiliza sólo el primer octeto para identificar la red, dejando los 3 octetos (24 bits) restantes para identificar el host. La clase A es utilizada para grandes corporaciones internacionales (e.g. carriers como AT&T, IBM, GM…) ya que provee 16,777,214 (224-2) direcciones IP para los hosts, pero está limitada a sólo 127 redes de clase A.
  • La clase B utiliza los primeros dos octetos para identificar la red, dejando los 16 bits restantes (2 octetos) para el host. La clase B es utilizada por grandew compañías que necesitan un gran número de nodos (e.g. universidades, GM, FORD…). Los 2 octetos les dan cabida a 16,384 redes supliendo todas ellas un total de 65,534 (216-2) direcciones IP para los hosts.
  • La clase C usa los primeros 3 octetos para el identificador de red, dejando los 8 bits restantes para el host. La clase C es utilizada por pequeñas redes, que suman un total de 2,097,152 redes con un máximo de 254 (28-2) hosts cada una.

¿Por qué se le resta un 2 a la formula? 2n-2 = número de host/redes donde n es el número de bits? El 2 significa que se está reservando un lugar para la dirección de subred y el restante para la dirección de broadcast. Siempre será la primer dirección IP para la subred y la última dirección IP para efectos de broadcast. La siguiente dirección IP seguida de la dirección de subred generalmente se asigna al enrutador o default gateway.

Dirección IP Clase A

Network Host Host Host
1er. Octeto 2do. Octeto 3er. Octeto 4to. Octeto

Tabla 1 – Dirección IP Clase A

Dirección IP Clase B

Network Network Host Host

Tabla 2 -Dirección IP Clase B

Dirección IP Clase C

Network Network Network Host

Tabla 3 – Dirección IP Clase C

Clases Rango del 1er octeto Número de redes Número de hosts Ejemplo
A 1-126 127 16,777,214 10.15.121.5
B 128-191 16,384 65,534 130.13.44.52
C -223 2,097,152 254 200.15.23.8

Tabla 4 – Clases de direcciones IP

¿Qué pasó con la red 127 de la Clase A? bueno, pues la red 127.x.x.x está reservada para pruebas de diagnóstico conocidas como loopback (ida y regreso), el cual permite a las computadoras enviarse a ellas mismas un paquete sin afectar el ancho de banda de la red. También existen una clase D y una clase E. La clase D es usada para multicast de grupos de datos de una determinada aplicación o servicio de un servidor. La clase E está reservada para usos experimentales.

Máscaras de subred (subnet mask)

Otro aspecto del direccionamiento IP que es muy importante para saber cómo el direccionamiento IP opera es el uso de las máscaras de subred (subnet masks).

La subnet mask para una dirección IP en particular es utilizada por los enrutadores para resolver que parte de la dirección IP provee la dirección de red y que parte provee la dirección del host.

Clase Máscara de subred
A 255.0.0.0
B 255.255.0.0
C 255.255.255.0

Tabla 5 – Máscaras según la clase

La gran pregunta es como el enrutador utiliza la máscara de subred para determinar que parte de una dirección IP se refiere a la dirección de red. Las direcciones IP y la máscara de red son vistas por el enrutador en formato binario. Los bits de la subred y los bits correspondientes de la dirección IP se les aplica un AND lógico. Cuando los dos bits correspondientes son 1s el resultado es 1, en caso contrario es 0 [ver tabla 3].

A B AND B
0 0 0
1 0 0
0 1 0
1 1 1

Tabla 6 – Tabla de verdad del AND

128 64 32 16 8 4 2 1 Valor decimal
1 0 0 0 0 0 0 0 128
1 1 0 0 0 0 0 0 192
1 1 1 0 0 0 0 0 224
1 1 1 1 0 0 0 0 240
1 1 1 1 1 0 0 0 248
1 1 1 1 1 1 0 0 252
1 1 1 1 1 1 1 0 254
1 1 1 1 1 1 1 1 255

Tabla 7 – Valor decimal de las posiciones de bits

 

Calculando una subred

En el siguiente ejemplo vamos a calcular la dirección de subred con una máscara 255.255.255 .192 y una dirección IP de un host 172.16.2.160. El .192 de la máscara es el número binario 11 000000. Esto nos permite 6 bits (los 6 0s) para alojar la cantidad de hosts. Es decir, podemos tener como máximo 26-2 hosts= 64-2= 62 hosts posibles. Haciendo un AND a la dirección 172.16.2.160 con las mascara 255.255.255.192 nos da como resultado la dirección de la subred, es decir 172.16.2 .128. El cuarto octeto .128 es equivalente a 10 000000 en binario.

Esto significa que el primer host será el 10 000001 o sea 172.16.2 .129, el último host será el 10 111110 o sea el 172.16.2 .190. Por último, la dirección para el broadcast siempre es la última de ese rango, es decir (del cuarto octeto) la 10 111111 que es equivalente en decimal a la 172.16.2 .191.

1er octeto 2do. Octeto 3er. octeto 4to. octeto
172.16.2.160 10101100 00010000 00000010 10100000 host
255.255.255.192 11111111 11111111 11111111 11 000000 máscara
172.16.2.128 10101100 00010000 00000010 10 000000 subred
172.16.2.191 10101100 00010000 00000010 10 111111 broadcast
172.16.2.129 10101100 00010000 00000010 10 000001 1er. Host
172.16.2.190 10101100 00010000 00000010 10 111110 Último host

Tabla 8 – Ejemplo de direccionamiento IP

O sea que el rango de direcciones tomando como base o ejemplo la dirección 172.16.2.160 es del 172.16.2 .128 a la 172.16.2 .191, pero la primer dirección IP está reservada para la dirección de subred (.128) y la última para la dirección de broadcast (.191), el resto entre ellas la pueden utilizar los hosts restantes (de la .129 a la .190), es decir 26-2 = 61 hosts posibles.

En resumen, la máscara nos ayuda para saber el número de hosts posibles en una red, determinando la dirección de la subred, la dirección broadcast y las direcciones disponibles de los hosts restantes.

Otra forma para representar las máscaras es con el número de 1s, por ejemplo, la máscara 255.255.255.0 (11111111.11111111.11111111.00000000), tiene 24 unos (1s).

Entonces el ejemplo anterior se representaría como

172.16.2.160/24.

El /24 es el número de 1s de la máscara 255.255.255.192 1111111.11111111.11111111.11 000000.

Direcciones IP reservadas y especiales

No todas las direcciones comprendidas entre la 0.0.0.0 y la 223.255.255.255 son válidas para un host: algunas de ellas tienen significados especiales. Las principales direcciones especiales se resumen en la siguiente tabla. Su interpretación depende del host desde el que se utilicen.

Bits de red Bits de host Significado Ejemplo
todos 0 Mi propio host 0.0.0.0
todos 0 host Host indicado dentro de mi red 0.0.0.10
Red todos 0 Red indicada 192.168.1.0
todos 1 Difusión a mi red 255.255.255.255
Red todos 1 Difusión a la red indicada 192.168.1.255
127 cualquier valor válido de host Loopback (mi propio host) 127.0.0.1

Tabla 9 – Principales direcciones especiales

Difusión o broadcasting es el envío de un mensaje a todos los ordenadores que se encuentran en una red. La dirección de loopback (normalmente 127.0.0.1) se utiliza para comprobar que los protocolos TCP/IP están correctamente instalados en nuestro propio ordenador. Lo veremos más adelante, al estudiar el comando PING.

0.0.0.0 Se usa por las estaciones cuando están siendo arrancadas.

127.0.0.1 se reserva para especificar la estación actual.

Relación entre IPv4 y el modelo OSI

La International Standard Organization tiene un bien definido para el modelo para los Sistemas de Comunicación conocido como Interconexión de Sistemas Abiertos, o el modelo OSI. Este modelo de capas es una conceptualización de cómo un sistema debe comunicarse con los demás, utilizando distintos protocolos definidos en cada capa. Además, cada una de las capas es designado para una parte bien delimitada de sistema de comunicación. Por ejemplo, la capa física define todos los componentes de naturaleza física, es decir los cables, las frecuencias, los códigos de pulso, tensión, etc. transmisión de un sistema de comunicación.

El modelo OSI tiene siete capas:

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Ilustración 3 – Capas modelo OSI

  • Capa de aplicación (Capa 7): En este caso la aplicación del usuario se sienta que debe transferir datos entre hosts. Por ejemplo: HTTP, aplicación de transferencia de archivos (FTP) y correo electrónico, etc.
  • Capa de presentación (Capa 6): Esta capa ayuda a entender representación de datos en un formulario en un host a otro host en su representación nativa. Los datos del remitente se convierten en el cable de datos (formato estándar) y en el receptor se convierte en la representación nativa del receptor.
  • Capa de Sesión (Capa 5): Esta capa proporciona capacidades de gestión sesiones entre hosts. Por ejemplo, si algún host necesita una verificación de la contraseña de acceso y si se proporcionan las credenciales para ese período de sesiones verificación de la contraseña no vuelva a ocurrir. Esta capa puede ayudar en la sincronización, control de diálogo crítico y gestión de la operación (p. ej., una transacción bancaria en línea).
  • Capa de transporte (Capa 4): Esta capa proporciona datos de extremo a extremo entrega entre los hosts. Esta capa toma los datos de la capa y se lo rompe en unidades más pequeñas llamadas segmentos y, a continuación, le da a la capa de red para la transmisión.
  • Capa de red (Capa 3): Esta capa ayuda a identificar de manera exclusiva los hosts más allá de las subredes y define la ruta que los paquetes se siga o se dirige al llegar al destino.
  • Capa de enlace de datos (Capa 2): Esta capa tiene la materia prima datos de la transmisión (señal, legumbres, etc.) de la capa física y tramas de datos, y la envía a la capa superior y viceversa. Esta capa también comprueba los errores de transmisión y ordena.
  • Capa física (Capa 1): Esta capa se ocupa de tecnología de hardware real y mecanismo de comunicación tales como la señalización, la tensión, el tipo de cable y la longitud, etc.

El Protocolo de Internet es un protocolo de capa 3 (OSI) tiene segmentos de datos de la capa 4 (Transporte) y la divide en paquetes. Paquete IP encapsula datos unidad recibió de capa superior y agregar a su propia información de encabezado.

4

Ilustración 4 – Capa Protocolo de Internet

Los datos encapsulados se conocen como carga IP. Cabecera IP contiene toda la información necesaria para entregar el paquete al otro extremo.

5

Ilustración 5

Encabezado IP incluye mucha información pertinente incluido el número de versión, la cual, en este contexto, es de 4. Otros detalles son los siguientes:

  • Versión: número de versión del Protocolo de Internet utilizado (p.ej. IPv4).
  • IHL: InternetLongitud de cabecera; Longitud del encabezado IP de todo.
  • DSCP: Punto de código de servicios diferenciados; este es el tipo de servicio.
  • ECN: Notificación de congestión explícita; lleva información sobre la congestión en la ruta.
  • Longitud total: Longitud de paquete IP(incluyendo encabezado IP y IP Payload).
  • Identificación: Si paquete IPestá fragmentada durante la transmisión, todos los fragmentos contienen igual número de identificación original. para identificar paquetes IP a la que pertenecen.
  • Banderas: De conformidad conlo que dispone de los recursos de la red, si paquete IP es demasiado grande para manejar, estas “banderas” indica si se pueden fragmentarse o no. En este 3-bit bandera, el MSB es siempre en ‘0’.
  • Desplazamiento del fragmento: este desplazamiento indica la posición exacta del fragmento en el paquete IP
  • Tiempo de vida: Para evitar bucles en la red, cada paquete es enviado con un valor de TTL, que indica a la red el número de routers (saltos) este paquete puede cruzar. En cada salto, su valor se decrementa en uno y cuando el valor llega a cero, el paquete se descarta.
  • Protocolo: Indica la capa de red en el host de destino, para que el Protocolo este paquete pertenece a, es decir, el siguiente nivel. Por ejemplo, número de protocolo de ICMP es 1, TCP es 6 y UDP es 17
  • Checksum del encabezado: Este campo se usa para mantener valor de la suma de todo el cabezal que se utiliza a continuación para comprobar si el paquete es recibido sin error.
  • Dirección de Origen: dirección de 32 bits del remitente (o fuente) del paquete.
  • Dirección de destino: dirección de 32 bits del receptor (o destino) del paquete.
  • Opciones: Este campo es opcional, y se emplea cuando el valor del derecho internacional humanitario es mayor que 5. Estas opciones pueden contener valores para opciones tales como la seguridad, Ruta de registro, la marca de tiempo, etc.

 

Referencias:

Fundamentos IPv4. (s.f.). Recuperado 5 septiembre, 2018, de http://www.ipv6.mx/index.php/informacion/fundamentos/ipv4

Estructura de direcciones IPv4 – a_ampuero_practica7. (s.f.). Recuperado 5 septiembre, 2018, de https://sites.google.com/site/aampueropractica7/pagina1/estructura-de-direcciones-ipv4-1

Direccionamiento IPv4. (s.f.). Recuperado 5 septiembre, 2018, de http://www.eveliux.com/mx/Direccionamiento-IPv4.html

Direcciones IPreservadas y especiales – Redes locales y globales. (s.f.). Recuperado 5 septiembre, 2018, de https://sites.google.com/site/redeslocalesyglobales/6-arquitecturas-de-redes/6-arquitectura-tcp-ip/7-nivel-de-red/8-direccionamiento-ip-basico/4-direcciones-ip-reservadas-y-especiales

Tutorialspoint.com. (s.f.-b). IPv4 Modelo OSI. Recuperado 5 septiembre, 2018, de https://www.tutorialspoint.com/es/ipv4/ipv4_osi_model.htm

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