redes

Capa de Red

La Capa de Red provee principalmente los servicios de envío, enrutamiento(routing) y control de congestionamiento de los datos (paquetes de datos) de un nodo a otro en la red, esta es la capa más inferior en cuanto a manejo de transmisiones punto a punto.

El propósito de esta capa es el de formar una interfase entre los usuarios de una máquina y la red, esto es, la red es controlada por esta capa y las 2 primeras.

Los servicios que se proveen deberán ser independientes de la tecnologia de soporte.

El diseño de la capa no debe evitar el conectar dos redes con diferentes tecnologias.

La capa de Transporte debe de estar protegida del número, tipo y las diferentes topologias que se utilizen en la subred.

Todo lo que a esta capa le interesa es un camino de comunicación y no la forma en que este se construye.

Se necesita presentar un esquema de direccionamiento para direcciones de la red.

IPv4

Para saber acerca de IPv4 primero hablaremos de lo que es el Protocolo de Internet:

Internet Protocol (o Protocolo de Internet), según el MODELO OSI es un protocolo de comunicación de datos perteneciente a la Capa de Red, su funcionalidad radica en el uso bidireccional de comunicación para llevar datos a través de redes físicas enlazadas usando un protocolo no orientado a conexiona.

IPv4 es la cuarta versión de este protocolo, pero la primera que ha sido implementada de forma extensiva. Fue descrito en el RFC 791 elaborado por la Internet Engineering Task Force (IETF) en 1981. Es el protocolo que mayormente se usa en la Capa de Red del Modelo TCP/IP para conexiones a Internet.

Características

Es un protocolo de un servicio de datagramas no fiable.
La garantía en la entrega de datos es nula.
La garantías sobre la corrección de los datos es nula.
Puede resultar en paquetes duplicado o en desorden.

funcion de los campos de encabezado

Encabezado IP: identifica las características del paquete.

Como se muestra en la ilustración, los encabezados de paquetes IPV4 constan de campos que contienen información importante sobre el paquete. Estos campos contienen números binarios que se examinan en el proceso de capa 3. Los valores binarios de cada campo identifican las distintas configuraciones del paquete IP.

Los campos importantes del encabezado de IPv4 incluyen los siguientes:

Versión: contiene un valor binario de 4 bits que identifica la versión del paquete IP. Para los paquetes IPv4, este campo siempre se establece en 0100.

Servicios diferenciados (DS):anteriormente denominado “Tipo de servicio” (ToS), se trata de un campo de 8 bits que se utiliza para determinar la prioridad de cada paquete. Los primeros 6 bits identifican el valor del Punto de código de servicios diferenciados (DSCP), utilizado por un mecanismo de calidad de servicio (QoS). Los últimos 2 bits identifican el valor de Notificación explícita de congestión (ECN), que se puede utilizar para evitar que los paquetes se descarten durante momentos de congestión de la red.

Tiempo de vida (TTL): contiene un valor binario de 8 bits que se utiliza para limitar la vida útil de un paquete. Se especifica en segundos, pero comúnmente se denomina “conteo de saltos”. El emisor del paquete establece el valor inicial de tiempo de vida (TTL), el que disminuye un punto por cada salto, es decir, cada vez que el paquete es procesado por un router. Si el campo TTL disminuye a cero, el router descarta el paquete y envía un mensaje del protocolo de mensajes de control de Internet (ICMP) de Tiempo superado a la dirección IP de origen. El comando traceroute utiliza este campo para identificar los routers utilizados entre el origen y el destino.

Protocolo: este valor binario de 8 bits indica el tipo de contenido de datos que transporta el paquete, lo que permite que la capa de red pase los datos al protocolo de capa superior correspondiente. Los valores comunes incluyen ICMP (1), TCP (6) y UDP (17).

Dirección IP de origen: contiene un valor binario de 32 bits que representa la dirección IP de origen del paquete.

Dirección IP de destino: contiene un valor binario de 32 bits que representa la dirección IP de destino del paquete.

Los dos campos que más comúnmente se toman como referencia son las direcciones IP de origen y de destino. Estos campos identifican de dónde proviene el paquete y adónde va. Por lo general, estas direcciones no se modifican durante la transferencia desde el origen hasta el destino.

tablas de enrutamiento

La Tabla de enrutamiento generalmente se almacena en un router o en una red en forma de una base de datos o archivo. Cuando los datos deben ser enviados desde un nodo a otro de la red, se hace referencia a la tabla de enrutamiento con el fin de encontrar la mejor ruta para la transferencia de datos.

Tanto los enrutadores como los hosts guardan una tabla de enrutamiento. El daemon de enrutamiento de cada sistema actualiza la tabla con todas las rutas conocidas. El núcleo del sistema lee la tabla de enrutamiento antes de reenviar paquetes a la red local. La tabla de enrutamiento enumera las direcciones IP de las redes que conoce el sistema, incluida la red local predeterminada del sistema. La tabla también enumera la dirección IP de un sistema de portal para cada red conocida. El portal es un sistema que puede recibir paquetes de salida y reenviarlos un salto más allá de la red local. A continuación se incluye una tabla de enrutamiento simple en una red sólo de IPv4:

Routing Table: IPv4
  Destination           Gateway           Flags  Ref   Use   Interface
-------------------- -------------------- ----- ----- ------ ---------
default              172.20.1.10          UG       1    532   ce0
224.0.0.0            10.0.5.100           U        1      0   bge0
10.0.0.0             10.0.5.100           U        1      0   bge0
127.0.0.1            127.0.0.1            UH       1     57   lo0

componentes e interfaces de un router

Procesador o CPU: Es un microprocesador que ejecuta las instrucciones del sistema operativo: inicialización del sistema, funciones de enrutamiento y control de la interfaz de red. Los grandes routers pueden tener varios procesadores.
RAM (memoria de acceso aleatorio): En esta memoria se almacena la información de las tablas de encaminamiento, se guarda la caché ARP y de conmutación rápiday se mantienen las colas de espera de los paquetes. Mientras está encendido el router, el archivo de configuración y sus modificaciones (archivo llamado running-config) se guardan en esta zona de memoria. Esta memoria pierde el contenido cuando se apaga o reinicia el router. Por lo que antes de apagar o reiniciar el router habrá que salvar los cambios en el fichero de configuración de arranque (archivo startup-config). Normalmente, la RAM es una memoria de acceso aleatorio dinámica (DRAM) y puede actualizarse agregando más módulos de memoria en línea doble (DIMM).
NVRAM (memoria de acceso aleatorio no volátil): Almacena el archivo de configuración arranque (archivo startup-config) y retiene el contenido cuando se apaga o reinicia el router.
Memoria FLASH: Es un tipo de ROM programable, que se puede borrar electrónicamente (EEPROM). Mantiene el contenido cuando se apaga o reinicia el router. Guarda la imagen del sistema operativo (IOS). Puede almacenar varias versiones del software IOS. La utilización de esta memoria permite que el software se actualice cargando una nueva imagen en la memoria flash, sin necesidad de retirar ni reemplazar chips en el procesador.
ROM (memoria de sólo lectura): Guarda de forma permanente el código de diagnóstico de la prueba al inicio (POST), el programa bootstrap y el software básico del sistema operativo. Al ser una memoria de sólo lectura es necesario el cambio de la tarjeta de memoria para actualizaciones del software.
Interfaces. Las interfaces son las conexiones de los routers con el exterior. Hay tres tipos diferentes de interfaces:

Interfaces LAN para la conexión con las redes de área local. Pueden tener varios tipos de puertos para poder así unir redes con diferentes tecnologías como Ethernet, Token Ring, FDDI, etc.
Interfaces serial para la conexión con la red de área extensa (WAN).
Puertos de Consola/AUX que se utilizan principalmente para la configuración inicial del router. Se usan para realizar sesiones terminales desde los puertos de comunicación de un ordenador o a través de un módem.

Fuente de alimentación: La fuente de alimentación proporciona a los componentes internos la energía necesaria para operar. Los routers de mayor tamaño pueden tener varias fuentes de alimentación o fuentes modulares. En algunos de los routers de menor tamaño, la fuente de alimentación puede ser externa al router.

Las Interfaces de un Router

Una interfaz de router suministra la conexión física entre el router y un tipo de medio físico de la red. Las interfaces Cisco a menudo se denominan puertos. Los puertos incorporados se designan por su tipo de conexión seguido de un número. Por ejemplo, E0 para el primer puerto Ethernet, E1 para el segundo, S0 para el primero puerto Serial, etc.

Los routers de gama baja como la serie 2500, son básicamente routers de estándar que vienen con un número predeterminado de puertos LAN, WAN y serie. Los routers de gama media o alta, como las series 4500 y 7500, son modulares y contienen ranuras abiertas en las que pueden instalarse varias tarjetas de interfaz.

En los routers modulares, no sólo pueden conectarse distintos tipos de interfaz, sino que además puede seleccionarse el número de puertos deseados en cada tarjeta. Por ejemplo, en una de las tres ranuras de un un router 4505 se puede instalar una tarjeta Ethernet que contenga seis puertos Ethernet, y en otra ranura una tarjeta con dos puertos Serial. Los routers modulares designan sus puertos por el tipo de conexión que utilizan, seguido del número de ranura y del número de puerto. Para saber qué interfaces están instaladas en un router, se utiliza el comando show interfaces.

Algunos routers tienen tarjetas Versatile Interface Processor (VIP), cada una de las cuales cuenta con una o dos ranuras para los adaptadores de puerto. Cada adaptador de puerto puede tener varias interfaces. En este tipo de dispositivos (únicamente las series 7000, 7500 y 12000), se usa la sintaxis Slot/Adaptador/Puerto para especificar un interfaz. Por ejemplo, si se quisiera hacer referencia a la segunda tarjeta VIP, primer adaptador, primera interfaz Token Ring, se usaría la sintaxis token ring 2/0/1.

Una interfaz, puede encontrarse en cualquiera de los siguientes estados, que podemos conocer en cualquier momento mediante el comando show interface.

Activa (Up). Funciona con normalidad desde el punto de vista eléctrico, y recibe la señal adecuada de los cables que tiene conectados.
Inactiva (Down). Se encuentra activa, pero no se comunica correctamente con el medio al que está conectada.
Administrativamente inactiva (administratively down). Está configurada para estar apagada y no está operativa. Utilizaremos el comando shutdown para desactivar administrativamente una interfaz.

Interfaces LAN

Las interfaces de router más comunes para redes LAN son Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, FDDI y Gigabit Ethernet. Todos estos protocolos LAN utilizan el mismo sistema de direccionamiento físico de la capa de enlace, es decir, direcciones MAC hexadecimales de 6 bytes que se almacenan en la memoria ROM de la propia interfaz.

Ethernet e IEEE 802.3. Ethernet lo desarrollaron a mediado de los años setenta varios investigadores del centro PARC de Xerox. Más tarde, el IEEE estandarizó un protocolo similar llamado IEEE 802.3, con algunas variaciones en los campos de las tramas. Tanto Ethernet como IEEE 802.3 proporcionan un rendimiento de red de hasta 10 Mbps y utilizan una arquitectura pasiva de red que utiliza CSMA/CD como estrategia de acceso al medio. Normalmente, el router se conecta a la red Ethernet por medio de un cable de par trenzado (UTP) y un conector RJ-45. Algunos router, como el 2505 de Cisco, proporcionan conexiones directas de hub que pueden utilizarse para conectar directamente estaciones de trabajo. Los dispositivos Ethernet o IEEE 802.3 pueden comunicarse en modo Half Dúplex(envíar o recibir) o Full Duplex (envía y recibir a la vez). El modo Full Dúplex sólo está disponible en una topología en la que están conectados directamente sólo dos dispositivos.
Fast Ethernet. Opera a velocidades que pueden alcanzar los 100Mbps. Utiliza también CSMA/CD como estrategia de acceso al medio. Para sacarle partido, es imprescindible disponer de ordenadores con tarjetas de red Fast Ethernet, así como que el resto de dispositivos (hubs, switches, etc) soporten también Fast Ethernet. Su éxito se ha debido a que usa el mismo medio físico (sobre, par trenzado y fibra) que el Ethernet estándar. Puede funcionar en Half Dúplex y Full Dúplex. Una topología apropiada sería un switch que conecta 10 segmentos Ethernet a un segmento Fast Ethernet que se conecta a un router para poder acceder a la WAN. La mayoría de los dispositivos Fast Ethernet son capaces de detectar apropiadamente la velocidad y modo Dúplex del segmento.
Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z). Basado también en el estándar IEEE 802.3, se comunica hasta velocidades de 1Gbps, utilizando CSMA/CD como estrategia de acceso al medio, y soportando los modos Half Duplex y Full Duplex. Gigabit Ethernet combina la capa física de Fiber Channel y el formato de trama de Ethernet, funcionando exactamente igual en la capa de enlace y superiores. Los routers de la serie 7500 y los switches de la serie Catalyst 5500 admiten interfaces Gigabit Ethernet.
Token Ring (IEEE 802.5). Es una arquitectura de red propietaria de IBM, estandarizada como el protocolo IEEE 802.5, que opera en una topología de anillos en vez de una topología de bus como Ethernet. Token Ring se ha implementado a velocidades de 4Mbps y 16Mbps, y usa el protocolo token capture para el acceso al medio, que a diferencia de CSMA/CD, evita totalmente las colisiones. Los routers que se utilizan en las redes Token Ring deben contener una interfaz especial Token Ring configurada en función del resto de dispositivos Token Ring. Podemos especificar la velocidad del anillo mediante el comando de configuración de interfaz ring-speed, como sería ring-speed 16. En un anillo de 16Mbps, también se puede habilitar la característica de early token release, mediante el comando de configuración de interfaz early-token-release. Para comprobar la configuración de una interfaz de este tipo, utilizaríamos por ejemplo el comando sh int tokenring0.
FDDI. FDDI es una red de pasada de señal que utiliza dos anillos redundates como método de tolerancia a fallo, de modo que la red siga funcionando aunque uno de los anillos se interrumpa. Durante el funcionamiento normal, FDI usa sólo un anillo denominado anillo primario, de manera que utilizaría el segundo anillo o anillo de respaldo, sólo cuando se produzca un fallo en el anillo primario. FDDI a menudo se emplea como un segmento principal de fibra óptica para grandes redes, pudiendo proporcionar un rendimiento efectivo de hasta 100Mbps.

Se puede definir el modo dúplex de forma manual mediante el comando de configuración de interfaz full-duplex. Si se elimina este comando con el comando no full-duplex, la interfaz vuelve a su modo Half Duplex.

Tal vez necesite definir el tipo de medio de una interfaz Ethernet que disponga de varios tipos diferentes de conexiones físicas, como ocurre en un Cisco 2520 cuya interfaz ethernet0 dispone de un conector AUI y otro 10BaseT para la misma interfaz. Algunos routers son capaces de detectar automáticamente la conexión, pero otros requieren que se especifique expresamente es tipo de medio mediante el comando de configuración de interfaz media-type, como podría ser media-type 10baseT o media-type AUI.

Interfaces en Serie

Las interfaces en serie de router permiten conectar varias redes LAN utilizando tecnologías WAN. Los protocolos WAN transmiten datos a través de interfaces asíncronos y síncronos en serie (dentro del router), que están conectadas entre sí mediante líneas contratadas y otras tecnologías de conectividad suministradas por terceros. Las tecnologías WAN en la capa de enlace que más se utilizan en la actualidad son HDLC, X.25, Frame Relay, RDSI y PPP. Todos estos protocolos WAN se configuran en ciertas interfaces del router, como en una interfaz serie o una interfaz RDSI. La conexión física en serie de los routers Cisco es un puerto hembra de 60 pines, y soportan varios estándares de señalización como el V.35, X.21bis, y el EIA-530. Las interfaces en serie instaladas en routers no tienen direcciones MAC.

Las comunicaciones síncronas en serie utilizan un dispositivo de sincronización que proporciona una sincronización exacta de los datos cuando éstos se transmiten del emisor al receptor a través de una conexión serie. Las comunicaciones asíncronas se sirven de los bits de inicio y de parada para garantizar que la interfaz de destino ha recibido todos los datos.

HDLC. Es un protocolo de la capa de enlace que se encarga de encapsular los datos transferidos a través de enlaces síncronos. En un router, los puertos serie están conectados a un modem u otro tipo de dispositivo CSU/DSU a través de cables especiales. La implementación HDLC de Cisco es propietaria, por lo que no puede comunicarse con implementaciones HDLC de otros fabricantes.
Protocolo Punto a Punto (PPP). Es otro protocolo de la capa de enlace que soporta los routers Cisco. No es propietario, por lo que puede utilizarse con dispositivos de otros fabricantes. PPP opera tanto en modo asíncrono como síncrono, y puede utilizarse para conectar redes IP, AppleTalk e IPX a través de conexiones WAN. PPP se configura en el puerto serie del router que proporciona la conexión a una línea dedicada u otro tipo de conexión WAN.
X.25. Es un protocolo de conmutación de paquetes que se utiliza en las redes telefónicas públicas conmutadas, utilizando circuitos virtuales. Es muy lento, ya que efectua muchas comprobaciones de error, al estar desarrollado para funcionar sobre líneas antiguas. X.25 normalmente se implementa entre un dispositivo DTE y un dispositivo DCE. El DTE suele ser un router y el DCE el conmutador X.25 perteneciente a la red pública conmutada.
Frame Relay. Es un protocolo de la capa de enlace de datos para la conmutación de paquetes que reemplaza X.25, y que también utiliza circuitos virtuales. En una conexión frame relay, un DTE como un router, está conectado a un DCE del tipo CSU/DSU (la mayoría de dispositivos CSU/DSU pueden conectarse a un router utilizando un cable serial V.35). Otra posibilidad es que el router esté conectado directamente al equipo de conmutación de la compañía telefónica.
Red Digital de Servicios Integrados (RDSI). Se trata de un protocolo WAN asíncrono que requiere que la red esté conectada a la línea telefónica a través de un equipo terminal comúnmente denominado modem RDSI. Sin embargo, también puede utilizarse routers de Cisco que integren una interfaz BRI, o conectar un puerto Serial del router a un modem RDSI.

Interfaces Lógicas

Una interfaz lógica es una interfaz únicamente de software que se crea mediante el IOS de un router. Las interfaces lógicas no existen como tales, pudiendo considerarse como una interfaz virtual creada por medio de una serie de comandos del software del router. Los dispositivos reconocen estan interfaces virtuales como interfaces reales, lo mismo que una interfaz de hardware, como un puerto serie. Se pueden configurar distintos tipos de interfaces lógicas en un router, como interfaces de retrobucle, interfaces nulas e interfaces de túnel.

Interfaces de Retrobucle. Los retrobucles suelen configurarse en los routers de gama alta utilizados como routers fronterizos con un protocolo externo de pasarela como BPG. La interfaz virtual de retrobucle se crea y configura como la dirección de finalización para las sesiones del protocolo BGP. De esta forma, el tráfico se procesa localmente en el router, lo que garantiza la recepción íntegra de los paquetes en su destino final.
Interfaces Nulas. Sirven como un muro de contención para impedir el paso de un determinado tráfico de la red. Por ejemplo, si no desea que el tráfico de una determinada red pase por un determinado router, y que lo haga por otros routers incluidos en la interconexión, se puede configurar la interfaz nula de forma que reciba y vuelque todos los paquetes que la red envíe a dicho router.
Interfaces de Túnel. Puede utilizarse para conducir un determinado tipo de paquetes a través de una conexión que normalmente no soporta dicho tipo de paquetes. Por ejemplo, se puede configurar una interfaz túnel en dos routers para que se encarguen de enrutar paquetes AppleTalk desde sus respectivas redes LAN. Ambos routers estaría conectados por medio de una conexión serie. Los routers Cisco ofrecen el Protocolo Genérico de Encapsulación de Router (GRE) que se encarga de gestionar la encapsulación de paquetes transmitidos a través de una interfaz de túnel.

La Consola

Puede conectarse un PC al router para que actúe como consola del mismo, siempre y cuando disponga de un puerto serie y puede ejecutar algún tipo de software de emulación de terminal. El PC y el router deben conectarse por medio del cable enrollado que se incluye junto al router. Dicho cable viene cerrado en ambos extremos con un conector RJ-45, y viene acompañado de varios adaptadores serie para conectar al PC.

Una vez conectado el cable al PC y al router, debe configurarse el software de emulación de terminal en el PC (como el Hyper-Terminal, ProComm Plus o Tera Term Pro) con los siguientes parámetros de configuración.

Parámetro	Configuración
Emulación de terminal	VT100
Velocidad en baudios	9600
Paridad	Ninguna
Bits de datos	8
Bits de parada	1 (2 bits de parada para la serie 2500)

arranque de un router

El proceso de arranque que se muestra en la figura 1 consta de tres fases principales:

1. Llevar a cabo el POST y cargar el programa bootstrap.

2. Localizar y cargar el software Cisco IOS.

3. Localizar y cargar el archivo de configuración de inicio o ingresar al modo Setup.

1. Llevar a cabo el POST y cargar el programa bootstrap

La prueba de Autodiagnóstico al encender (POST, Power-On Self Test) es un proceso común que ocurre en casi todas las computadoras durante el arranque. El proceso de POST se utiliza para probar el hardware del router. Cuando se enciende el router, el software en el chip de la ROM ejecuta el POST. Durante este autodiagnóstico, el router ejecuta desde la ROM diagnósticos de varios componentes de hardware, incluidos la CPU, la RAM y la NVRAM. Una vez finalizado el POST, el router ejecuta el programa bootstrap.

Después del POST, el programa bootstrap se copia de la ROM a la RAM. Una vez en la RAM, la CPU ejecuta las instrucciones del programa bootstrap. La tarea principal del programa bootstrap es ubicar al Cisco IOS y cargarlo en la RAM.

Nota: en este momento, si existe una conexión de consola al router, comienzan a aparecer resultados en pantalla.

2. Localizar y cargar Cisco IOS

Por lo general, el IOS se almacena en la memoria flash y se copia en la RAM para que lo ejecute la CPU. Durante la autodescompresión del archivo de imagen de IOS, se muestra una cadena de símbolos de almohadilla (#).

Si la imagen de IOS no se encuentra en la memoria flash, el router puede buscarla con un servidor TFTP. Si no se puede localizar una imagen de IOS completa, se copia una versión reducida del IOS de la ROM a la RAM. Esta versión del IOS se usa para ayudar a diagnosticar cualquier problema y puede usarse para cargar una versión completa del IOS en la RAM.

3. Localizar y cargar el archivo de configuración (figura 4)

A continuación, el programa bootstrap busca el archivo de configuración de inicio (también conocido como “startup-config”) en la NVRAM. El archivo contiene los parámetros y comandos de configuración guardados anteriormente. Si existe, se copia en la RAM como archivo de configuración en ejecución o “running-config”. El archivo running-config contiene direcciones de interfaz, inicia los procesos de enrutamiento, configura las contraseñas del router y define otras características del dispositivo.

Si el archivo startup-config no existe en la NVRAM, el router puede buscar un servidor de protocolo trivial de transferencia de archivos (TFTP). Si el router detecta que tiene un enlace activo a otro router configurado, envía un broadcast en busca de un archivo de configuración a través del enlace activo.

Si no se encuentra un servidor TFTP, el router muestra la petición de entrada del modo Setup. El modo Setup consiste en una serie de preguntas que solicitan al usuario información de configuración básica. El modo Setup no tiene como fin utilizarse para ingresar a configuraciones complejas del router y los administradores de red normalmente no lo usan.

enrutamiento

El enrutamiento es el proceso usado por el router para enviar paquetes a la red de destino. Un router toma decisiones en función de la dirección IP de destino de los paquetes de datos. Todos los dispositivos intermedios usan la dirección IP de destino para guiar el paquete hacia la dirección correcta, de modo que llegue finalmente a su destino.

Un protocolo de enrutamiento es el que define el esquema de comunicación entre routers. Un protocolo de enrutamiento permite que un router comparta información con otros routers, acerca de las redes que conoce así como de su proximidad a otros routers. La información que un router obtiene de otro, mediante el protocolo de enrutamiento, es usada para crear y mantener las tablas de enrutamiento.

desencapsulacion

Este proceso se invierte en el host receptor, y se conoce como “desencapsulación”. La desencapsulación es el proceso que utilizan los dispositivos receptores para eliminar uno o más de los encabezados de protocolo. Los datos se desencapsulan mientras suben por el stack hacia la aplicación del usuario final. Haga clic en el botón Reproducir de la ilustración para ver el proceso de desencapsulación.