Capa de red

Operaciones en la Capa de Red

La dirección IP se usa para encaminar tráfico y necesita su prefijo para interpretar la red. Las etiquetas de equipos y empresas no sustituyen una tabla de rutas. Primero los bits, luego el mapa.

Funciones en la Capa de Red

Las funciones en la capa de red se centran en organizar la dirección y entrega de paquetes de datos a través de la red e Internet. Esto implica dirigir paquetes de un enrutador a otro mediante la dirección IP de destino y almacenar esta información en tablas de enrutamiento. Los paquetes IP incluyen direcciones IP; no todas las unidades de datos de cualquier protocolo son paquetes IP, y un router utiliza esta dirección para enrutarlos.

Diferencia entre IPv4 e IPv6

Longitud de Direcciones:
- IPv4: 4 bytes, hasta 4.3 mil millones de direcciones.
- IPv6: 16 bytes, 2^128 combinaciones (aproximadamente 3,4 × 10^38).
Encabezado del Paquete IPv6:
- Más simple que el IPv4, con campos como etiqueta de flujo y clase de tráfico.
Seguridad:
- El espacio ampliado facilita asignación de direcciones; IPv6 no elimina por sí solo conflictos, vulnerabilidades o errores de enrutamiento.

IPv4

Una dirección IPv4 tiene 32 bits y se representa habitualmente con cuatro octetos decimales. Los routers comparan el destino con prefijos de su tabla de rutas; el prefijo coincidente más específico determina la ruta. El ejemplo anterior mezclaba 9.0.0.0/8 con 90.0.0.1: no pertenecen al mismo /8.

Las direcciones IP se asignan a interfaces, con un prefijo que permite interpretar la red. Una interfaz puede tener varias direcciones. La MAC tampoco es necesariamente inmutable: puede configurarse o aleatorizarse. Apple: direcciones Wi-Fi privadas.

IP Datagram

Similarmente al Ethernet Frame, el IP Datagram es una serie de campos estructurados estrictamente definidos.

Las dos secciones principales son el encabezado (Header) y la carga útil (payload).

Version
- 4bits, Indica qué protocolo se está usando: IPv4 o IPv6
Header Length
- 4bits, Indica el largo del encabezado. Casi siempre indica ser de 20bytes en IPv4 (el mínimo)
Service Type
- 8bits, Incluye detalles para el quality of service (QoS), básicamente un indicativo para los servicios que permiten a los routers acerca de qué paquetes son más importantes.
Total Length
- 16bits, indica el largo total del paquete en bytes. Mínimo es 20 sin información y el máxima es 65.535bytes (máximo en 16bits)
Identification
- 16bits, cuando fragmentamos los paquetes (por superar la MTU del enlace y si se permite fragmentar) se le asigna un identificador el cual será el mismo en todos los paquetes del mismo grupo
IP Flags
- 3bits, el primero siempre es 0
- El segundo es DF (Don't fragment) que indica que es un paquete que no debe ser fragmentado
- El tercero es MF (More fragment) que está en todos los fragmentos menos en el último
Fragment Offset
- 13bits, especifica la posición del fragmento en el paquete original
Time to Live
- TTL, 8bits, indica cuantas veces un paquete puede pasar por los routers antes de morir. Cada vez que pasa por un router su valor se reduce en 1, cuando llega a 0 el router lo descarta y envia un ICMP time exceeded al emisor. Esto para evitar que un paquete se quede eternamente dando vueltas si tienes una red mal configurada.
- 64 es un valor inicial frecuente, no una recomendación universal
Protocol
- 8bits, indica el protocolo del paquete, por ejemplo TCP tiene valor 6 y UDP valor 17
Header Checksum
- 16bits, guarda la suma de comprobación de la cabecera IPv4 para alertar sobre errores al receptor.
Source Address
- 32bit, dirección del emisor
Destination Address
- 32bit, dirección del receptor
IP Option
- poco común, opcional, largo variable según las opciones usadas. Una opción de ejemplo sería 'source route' donde el emisor exige una cierta ruta de routers.
Padding
- Finalmente, y a veces, encontramos el padding que es un relleno de ceros para completar el tamaño final del paquete.

Paquete de ejemplo en wireshark, Fuente

Host ID & Network ID

NetID es un tramo fijo de la dirección IP que representa la red entera de un host conectado a un red. Osea, nos indica la red del host a la cual el host está conectada. El HostID es el fragmento que identifica un host dentro de una red Dado que la IP son 32 bits dividido en 4 octetos de 8bits, lo podemos dividir en 5 clases:

Clase A: El primer octeto representa el NID. 8bits para el NID y 24bits para el HID, el primer bit del octeto siempre es 0
- Usadas por grandes redes como las ISP
Clase B: Los primeros dos octetos son el NID, 16bit para NID y 16 para HID. Los primeros dos bit son fijos.
- Organizaciones grandes
Clase C: Los primeros tres son el NID, 24bit para NID y 8 para HID. Los primeros tres bits del primer octeto son fijos.
- Organizaciones pequeñas
Clase D: Prefijo histórico 1110 (224.0.0.0/4); el resto identifica grupos multicast, sin división unicast NetID/HostID
Clase E: Prefijo histórico 1111 (240.0.0.0/4), reservado con usos especiales; no una división normal NetID/HostID ni «futuras compras».

Hoy en día, este sistema se ha desplazó por CIDR (Classless Inter-Domain Routing)

CIDR

Classless Inter-Domain Routing, adoptado a mediados de los 90, es un método más flexible para dividir las direcciones en subredes de cualquier tamaño. En lugar de clases fijas, se usa un prefijo de red que indica cuántos bits de la dirección son usados para el NID y cuántos para el HID, esto usa un slash que indica el número de bits. Por ejemplo: 192.168.1.0/24 nos indica que los primeros 24 bits son para el NID y los últimos 8 son para el host. En comparativa esto sería una clase C, pero CIDR permite cualquier tamaño de red. Osea tenemos una red con 256 direcciones (192.168.1.0 al 192.168.1.255) donde 0 es la red y 255 es la broadcast.

ARP - Address Resolution Protocol

Protocolo usado para descubrir la dirección del hardware en un nodo con una cierta dirección IP. Cuando el paquete IP se forma, debe ser encapsulado dentro de un Ethernet Frame. Es decir, necesita la dirección MAC de destino para completar el encabezado. Casi todas las redes conectadas retienen una tabla ARP local, la cual es una lista de direcciones IP y sus direcciones MAC asociadas.

Para resolver el siguiente salto IPv4 en Ethernet, se emite una solicitud ARP a FF:FF:FF:FF:FF:FF preguntando por una IP. Normalmente responde el equipo propietario (o un proxy ARP), no todos. Si el destino está en otra red, se resuelve la MAC del gateway, no la del host remoto. IPv6 usa Neighbor Discovery, no ARP. Estas tablas se almacenan a nivel local y generalmente expiran en un tiempo determinado para contabilizar cambios en la red.

Subnets

Básicamente es la subdivisión de las redes. Cada subnet tiene su propio gateway que maneja las entradas y salidas.

Subnet ID

Una subred IPv4 se identifica mediante prefijo y máscara. En subnetting histórico se toman bits del campo de host para ampliar el prefijo; no se enruta primero por HID y después por SID.

Con 9.100.100.100/24 y máscara 255.255.255.0, la operación AND da 9.100.100.0, no 192.168.1.0. En binario: 00001001 01100100 01100100 00000000.

Un /24 contiene 256 direcciones; normalmente 254 asignables a hosts. Un /27 usa máscara 255.255.255.224 y contiene 32 direcciones, normalmente 30 de host. /31 punto a punto y /32 son casos especiales: no aplicar siempre la resta de dos. Se escribe una red como 192.168.1.0/27, no una máscara como si fuera dirección de red.

Routing

Un router es básicamente un dispositivo de red que envía el tráfico a su destino según los parámetros entregados. Los pasos básicos son:

Recepción del paquete
Examinación del destino del paquete
Buscar el destino en la tabla de enrutamiento
Enviar el paquete a través de la interfaz que esté más cerca a la red remota según se determine por la información de la tabla. Repetir según sea necesario. El funcionamiento interno es más complejo, lógicamente. O de otra forma:
Inicio de comunicación
Fragmentación y etiquetado de paquetes
Cálculo de ruta
Enrutamiento
Recepción/Entrega

Tipos de enrutamiento

Estático:

O no adaptativo. Configuración se realiza manualmente, esto nos otorga total control sobre la red, direccionando los paquetes a donde nosotros queramos. El problema la escalabilidad que se vuelve un caos en redes con miles de equipos.

Dinámico:

O adaptativo. Proceso autónomo sin intervención humana. Se calcula el trayecto más corto con algoritmos y métricas predeterminadas. Es el más moderno y popular al ser más flexible y versátil. El router agrega nuevas rutas a la table de enrutamiento basado en cambios en la topología de red.

Por Defecto:

Técnica en la que un router se configura para transmitir paquetes a una ruta por defecto, un gateway o el próximo dispositivo en linea si ninguna ruta es definida. Usado comúnmente cuando la red tiene una sola salida, usando la ruta 0.0.0.0/0

Protocolos

RIP (Routing Information Protocol)
- protocolo de distancia-vector que usa la cantidad de saltos necesarios como métrica
OSPF (Open Shortest Path First)
- protocolo conexión-estado que encuentra el camino más corto según el Algoritmo de Dijkstra
EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol)
- protocolo de vector de distancia avanzado basado en DUAL; no mezcla de RIP y OSPF
BGP (Border Gateway Protocol)
- Protocolo ruta-vector que se usa para enrutamiento entre diferentes sistemas autónomos en internet
IS-IS (Intermediate System to Intermediate System)
- Usado principalmente en redes grandes (como ISP), del tipo conexión-estado

Métricas de enrutamiento

Enrutamiento Distance-Vector. Todos los nodos que son parte de la red dan aviso de su tabla de enrutamiento a sus nodos adyacentes según intervalos regulares. Con cada router siendo actualizado a intervalos regulares, toma tiempo que todos los nodos tengan la misma vista de la red. El soporte de prefijos variables depende del protocolo/versiones; distance-vector no implica direccionamiento classful. Utiliza el algoritmo de Bellman-Ford para encontrar el camino más corto.
Enrutamiento Link-State. Los routers link-state difunden estado de enlaces, no su tabla completa de rutas; hay actualizaciones por cambios y refrescos periódicos según protocolo. Se intercambia información de forma dinámica, incluyendo conexiones, costo y cantidad de saltos para encontrar la ruta más rápida.

Algunos recursos extraidos de aquí, información más detallada.

Tablas de enrutamiento

Una tabla de enrutamiento es una tabla donde aparecen al menos 4 campos escenciales:

Red de destino: Identifica cada red que el router conoce
Next Hop: dirección ip del siguiente router al que se deben enviar los datos para llegar al destino. Si es la próxima, indicará 0
Métrica: depende del protocolo; no todas las rutas almacenan un conteo de saltos.
Interface: Identifica la interfaz específica del router a utilizar para reenviar el tráfico destinado a la red de destino.

Protocolos de enrutamiento

Los protocolos internos usados para comunicarse entre routers. Tenemos dos categorías principales:

Interior Gateway Protocols
Exterior Gateway Protocols

Los protocolos internos los mencioné en este punto Los protocolos externos se usan para comunicarse con los routers que representan el exterior de un sistema autónomo. Osea, nuestro objetivo es comunicarnos con esos routers que luego usarán protocolos más internos para ir acotando nuestro destino.

Básicamente: Internos se usan en redes internas de organizaciones. Externos se usan para compartir información entre organizaciones.

IANA coordina los espacios globales de direcciones y ASN y asigna bloques a los registros regionales (RIR), que gestionan asignaciones regionales. No asigna directamente cada IP/ASN de cada empresa. La titularidad de un ASN puede cambiar: consultar los registros vigentes al investigar una organización.

Contraste de cabecera y fragmentación: RFC 791.

Fuentes: ARP, CIDR, EIGRP. Fragment Offset usa unidades de 8 bytes; IHL mide palabras de 32 bits y el padding alinea la cabecera, no todo el paquete. El servicio diferenciado actual divide el octeto en DSCP/ECN. Las clases son historia; no tamaños de empresa recomendados.

+----------------------------------------+
| Floure &                               |
| Tachibana's guild                      |
| [Hikari · Nozomi · Rin]                |
| SEAL: sha256/12: 31a2f38f780d          |
| STATUS: LITURGY_IN_PROGRESS            |
+----------------------------------------+