Operaciones lógicas en Redes
En este apartado, estaremos viendo en detalle las operaciones lógicas en redes. Esto es, el funcionamiento y las formas en las que se componen y modifican las redes.
Dirección IP
El protocolo de internet IP pertenece a la tercera capa del modelo OSI, cuyo funcionamiento es el de proporcionar entrega de paquetes desde una fuente de origen hacia una fuente de destino. A través de un sistema interconectado de operaciones lógicas en redes.
En otras palabras, este producto no fue diseñado para rastrear y administrar el flujo de paquetes. Dichas funciones pueden ser administradas por otros protocolos (como TCP en capa 4).
Características básicas del protocolo IP:
No hay conexión con el destino establecido antes de enviar paquetes de datos.
La IP es inherentemente poco confiable debido a que la entrega de paquetes no está garantizada.
La operación es independiente del medio, es decir cables de cobre, fibra óptica o inalámbrico que transportan los datos.
Hoy en día podemos dividir las direcciones IP en IPV4(versión 4) e IPV6(versión 6). Hablaremos de cada una de ellas a continuación.
IPv4
La dirección IP se establece de forma numérica, por ejemplo “142.168.0.101”. La función es identificar de forma lógica y jerárquica a una interfaz en la red (NIC) de un dispositivo que utilice dicho protocolo. Este funcionamiento es crucial para llevar a cabo operaciones lógicas en redes.
Estructura
Antes de entrar en detalle, entendamos cómo funciona un sistema binario:
La numeración binaria se basa sólo en 2 dígitos el 0 y el 1. En los sistemas informáticos se usa este sistema para luego representar la información. Recordemos que las computadoras sólo “entienden” en bits.
Entonces entendamos una dirección IPV4 como un conjunto de cuatro octetos separados por un punto:
Los denominamos octetos porque se utilizan 8 bits (por cada uno) bajo el sistema binario, con los que se pueden formar números que van del 0 al 255 (por cada octeto) visto bajo el sistema numérico decimal. Entonces en una IPV4 tenemos un total de 32 bits formados por cuatro octetos.
Conversión de binario a decimal
En el sistema binario la raíz es 2. Entonces cada posición representa potencias incrementadas de 2. En números binarios de 8 bits, las posiciones representan estas cantidades:
Recordemos que este sistema sólo tiene 2 dígitos: 0 y 1. Cuando queremos interpretar en bits a un número decimal, obtenemos la cantidad que esa posición representa si el dígito es 1, en caso contrario, no se obtiene la cantidad si el dígito es 0.
Un 1 en cada posición significa que el valor para esa posición se suma al total. Por tanto, ésta es la suma cuando hay un 1 en cada posición de un octeto. El total es 255.
Teniendo esto en cuenta, un 0 en cada posición indica que el valor para esa posición no se suma al total. Entonces, un 0 en cada posición produce un total de 0.
A modo de ejemplo, veamos en la siguiente imagen cómo pasar de binario a decimal:
Y si queremos hacer lo contrario, es decir, pasar de decimal a binario:
Conclusión
Las direcciones IPV4 se pueden expresar en sistema decimal: se dividen los 32 bits totales de la dirección en cuatro octetos de 8 bits.
El valor decimal de cada octeto se encuentra dentro del intervalo de 0 a 255 (recordemos que el número de 8 bits más alto es 11111111 y estos bits se leen de derecha e izquierda teniendo valores de 128,64,32,16,8,4,2,1 lo que suma 255).
Máscara de Red
Las direcciones IP, además de identificar un dispositivo en la red, poseen cierta información adicional: La red o subred de pertenencia. Recordemos anteriormente, que las redes se dividen a nivel físico (disposición de host, elemento de una red y conexión física entre ellos) y en nivel lógico (cómo se identifican los hosts dentro de la red a partir de su dirección y red lógica de pertenencia).
Teniendo esto en cuenta veremos que una parte de la dirección IP representa a la red lógica mientras que la otra parte representa una identificación (ID) de red para cada host dentro de la misma, y es aquí donde entra el concepto de “máscara de red”.
Red y ID de Hosts
Hay 2 hosts con direcciones IP 192.168.1.5 y 192.168.1.66, ambas tienen algo en común, sus primeros 3 octetos son iguales y lo mismo con los otros 2 hosts. Entonces podemos decir que estos se agrupan en redes lógicas, una red es 192.168.1.xxx la otra es 10.0.0.xxx. Una cantidad de estos bits representan la red, mientras que el resto representan las ID para asignar a los hosts, y en este punto es donde entra el concepto de Máscara de red.
Por lo tanto, para que haya una comunicación entre hosts, deben estar dentro del mismo segmento de red a nivel lógico.
Cuando configuramos un host debemos indicarle ciertos datos, su parte lógica (IP) y máscara:
IP -> 192.168.1.2
La máscara de red hace referencia a la cantidad de bits que podemos utilizar de los 32 bits de una dirección IP.
Máscara en decimal -> 255.255.255.0
Máscara en binario -> 11111111.11111111.11111111.00000000
Todos los bits que están en 1 son reservados para formar redes, mientras que los bits en 0 para reservar ID de hosts. Es decir, que si la máscara es 255.255.255.0 puedo ocupar 3 octetos de 8 bits (24 en total) con un rango de 0 a 255 (256 bits en total) cada uno. Entonces podemos crear: 256x256x256 = 253^3 = 16.777.216 redes.
Tener en cuenta
El internet y su infraestructura está regulada, es decir, hay organizaciones como la ICANN (corporación de internet para la asignación de números y nombres) que determina los rangos de direcciones IP que los ISP (proveedores de internet) pueden disponer para sus clientes.
En base a esto, fue en el año 1981 qué se diseñó la arquitectura de clases (CNA) que consistía en 3 tipos:
Clase A 255.0.0.0:
Cuyo rango utilizable era desde el 1.0.0.0 al 127.0.0.0. Pudiéndose crear 126 redes. Las que comienzan con ceros son reservadas.
Clase B 255.255.0.0:
Cuyo rango utilizable era 128.0.0.0 al 191.255.0.0. Para esta clase se reserva un bit para determinar dónde comienza el rango.
Clase C 255.255.255.0:
cuyo rango utilizable era desde 192.0.0.0 al 223.255.255.0. Esta clase toma 3 octetos para determinar las redes y 2 bits del primer octeto de la máscara para definir el rango.
Sin embargo, este sistema con el paso del tiempo resultó ser poco eficiente ante la expansión de las redes en los años 90. No fue entonces que en el año 1993 nace CIDR (classless inter-domain routing). Una arquitectura de redes sin clases.
Redes sin clase
Las redes sin clase o CIDR, en lugar de representar una máscara a partir del valor decimal de cada uno de sus 2 octetos, lo hacemos indicando la cantidad de bits que se usan para la máscara.
Por ejemplo:
Para la máscara 255.255.255.0:
Vemos que usa 8 bits de los primeros 3 octetos, por lo tanto 24 bits.
Para la máscara 255.255.0.0:
Usa 8 bits de los primeros 2 octetos, por lo tanto 16 bits.
Para la máscara 255.0.0.0:
Usa 8 bits del primer octeto, por lo tanto 8 bits.
Teniendo en cuenta lo anterior:
El “/24” Hace referencia a la cantidad de bits que se tomaron de izquierda a derecha para la máscara.
Por lo tanto, la forma CIDR (sin clases) son mucho más eficientes para llevar a cabo operaciones lógicas en redes, ya que, en lugar de limitarnos por la clasificación, agrandamos o reducimos la máscara en función de los bits que utilice ajustando la cantidad de hosts que cada red permite.
En conclusión, podemos decir que las máscaras, sea cual sea su diseño o clase, nos permiten organizar las redes en segmentos más pequeños denominados subredes. Esto nos permite una mejor organización de la red y una forma más eficiente para entregar la información porque evita problemas como “Cuello de botellas” o saturación de la misma.
Tipos de Direcciones
Dentro del rango de direcciones de cada red IPV4 existen 3 tipos de direcciones:
- Red.
- Host.
- broadcast.
Recordemos que la máscara de red nos indica qué porción de la dirección pertenece a la red y qué porción para asignar al host. Sin embargo, no todas las direcciones que permite la máscara se pueden asignar a hosts. Hay 2 direcciones que están reservadas: La primera (para la red) y la última (para el broadcast).
Dirección de Broadcast
La dirección de broadcast es la última de la red que comparten todos los hosts. Este tipo de comunicación hace referencia a la tipología lógica que se usa actualmente (y no la de tokens).
Recordemos su función. La dirección de broadcast permite la difusión de paquetes de datos, es decir, que los mensajes en lugar de ser dirigidos a un host en particular pueden enviarse a todos los hosts que estén bajo una red. Para que esto ocurra, todos los hosts deben estar bajo la misma red lógica, compartir la misma máscara y dirección de broadcast. Entonces, podemos decir que el objetivo principal de la dirección de broadcast es conectar todos los dispositivos de una misma red.
Veamos un ejemplo:
Máscara | ID de red | Primer IP de host | Ultimo IP de host | Broadcast |
255.255.255.0 | 192.168.1.0 | 192.168.1.1 | 192.168.1.254 | 192.168.1.255 |
Con la máscara queda claro que los primeros 3 octetos corresponden a la red, el último puede ser cualquier valor para asignar a los hosts pertenecientes a dicha red, pero hay 2 que no se pueden utilizar, la primera que es 192.168.1.0 (red) y la última que es la dirección 192.168.1.255 (broadcast) quedando el rango (192.168.1.1 – 192.168.1.254) para repartir entre los hosts.
Recordar
Para llevar a cabo un correcto uso de operaciones lógicas en redes y saber el cálculo de los hosts posible, debemos operar el valor de los bits asignados de la siguiente forma:
La red 192.168.2.0/24:
8 bits asignados a ID de hosts
2^8 -2 = 254 hosts
La red 10.10.0.0/16:
16 bits asignados para hosts
(2^8 * 2^8) -2 = 2^16 -2 = 65534 hosts
Subnetting
Como vimos anteriormente, en una simple red podemos crear varias direcciones. Sin embargo, hay que tener en cuenta que existen organizaciones como empresas, fábricas y/o universidades donde hay muchas áreas (marketing, administración, sistemas, etc.) que consumen un gran volumen de red. Entonces si dependiéramos de pocas redes tendríamos problemas como cuello de botella o congestiones en el tráfico de la red.
Por lo tanto, para que las redes funcionen de forma eficiente y se puedan llevar a cabo correctas operaciones lógicas en redes, estas se organizan en segmentos pequeños que se comunican con otros segmentos.
¿Qué quiere decir «segmento»?
Con organizar en pequeños segmentos hacemos referencia en distribuir, u organizar, una red en X cantidad de subredes ya que, haciendo esto, logramos tener un menor volumen de datos reduciendo las congestiones.
Por otra parte, cabe aclarar que mejora el manejo de la seguridad y un problema en un segmento no afecta al resto de la red.
Debemos saber que hay ciertos factores a tener en cuenta a la hora de diseñar una red en estos casos:
- Áreas de la organización.
- Cantidad de hosts.
- Saber qué redes y subredes se van a usar en cada área.
¿Cómo generamos una subred?
Generamos las subredes “robando” uno o más bits del host a fin de crear bits de red adicionales. Cuantos más bits de host se usen, mayor será la cantidad de subredes que puedan definirse. Para cada bit que se tomó prestado, se duplica la cantidad de subredes disponibles. Por ejemplo: si se toman prestados 2 bits es posible tener cuatro subredes. Sin embargo, con cada bit que se toma prestado se dispone de menos direcciones de host por subred.
Veamos el siguiente ejemplo:
Tenemos la red “192.168.10.0/24”, Que posee 24 bits para red y 8 bits para hosts. Teniendo en cuenta lo recién asignado, vamos a aumentar la máscara a 28 bits. Entonces si la red es “192.168.10.0/24” la primera subred es: 192.168.10.0/28.
Teniendo estos datos:
ID de red: 192.168.10.0
Primer IP de host: 192.168.10.1
Última IP de host: 192.168.10.14
Broadcast: 192.168.10.15
Esto quiere decir que hemos tomado cuatro bits de host para la subred, siendo la máscara 255.255.255.240 = 28 bits. Por tanto, para cuatro bits tomados podemos crear 16 direcciones en cada uno.
Repaso y Prácticas
A continuación, mostraremos a modo de ejemplos las formas llevadas a cabo para dividir una red dependiendo sus direcciones y cantidad. De esta manera, nos aseguramos llevar adelante un correcto uso de operaciones lógicas en redes. Primero, recordemos las fórmulas:
Para calcular la cantidad de subredes:
2^n donde n = La cantidad de bits que se tomaron prestados.
Para calcular la cantidad de hosts:
2^n – 2 donde n = cantidad de bits para hosts (se restan la dirección de red y de broadcast)
Si todos los bits están en cero representa el número 0 y si todos están en 1 representan el número 15, allí está nuestra ID de red y el broadcast. Los valores intermedios son ID asignables a hosts.
Calcular 4 subredes
Entonces, habiendo visto la primera subred, veamos las siguientes:
Segunda subred: 192.168.10.16/28
ID de red: 192.168.10.16
Primer IP de host: 192.168.10.17
Ultima IP de host: 192.168.10.30
Broadcast: 192.168.10.31
Cuando llegamos al broadcast significa que la subred finaliza en ese punto, por lo tanto, los 16 números siguientes por encima del 15 representan la siguiente subred, y así sucesivamente.
Tercera subred: 192.168.10.32/28
ID de red: 192.168.10.32
Primer IP de host: 192.168.10.33
Ultima IP de host: 192.168.10.46
Broadcast: 192.168.10.47
Cuarta y última subred: 192.168.10.240/28
ID de red: 192.168.10.240
Primer IP de host: 192.168.10.241
Ultima IP de host: 192.168.10.254
Broadcast: 192.168.10.255
Bajo la red 192.168.0.0/24 dividida en subredes de 28 bits, podemos crear varias subredes de 14 hosts asignables cada una hasta la subred 192.168.0.240/28, el broadcast para la última subred será 192.168.0.255. Bajo esta red ya no se pueden obtener más subredes, por lo tanto, debemos dar un salto de red. Por ejemplo, para la red 192.168.1.0/24 podemos generar la subred 192.168.1.0/28 y desde allí, otras 3 subredes más.
Calcular 8 subredes
En el caso de tener la red 192.168.20.0/24 y quisiéramos tener 8 subredes ¿Qué deberíamos tener en cuenta?
Como mencionamos anteriormente, primero y principal debemos tener en cuenta el lugar, costos, cantidad de hosts, áreas, etc. Por lo tanto, a modo de ejemplo, recordemos la fórmula 2^n. Entonces con 3 bits = 2^3 = 8 subredes. Teniendo esto en cuenta, nos sobran 5 bits. Entonces 5 bits = 2^5 – 2 = 32 -2 = 30 hosts. Por cada subred, siendo la primera pertenece al ID de red y la última para el Broadcast.
Número de Subred | Dirección de subred |
1 | 192.168.20.0/27 |
2 | 192.168.20.32/27 |
3 | 192.168.20.64/27 |
4 | 192.168.20.96/27 |
5 | 192.168.20.128/27 |
6 | 192.168.20.160/27 |
7 | 192.168.20.192/27 |
8 | 192.168.20.224/27 |
Por lo tanto, una subred no es más que otra red, en ejemplos anteriores no existen los hosts bajo la red 192.168.10.0/28 como marco para crear y asignar subredes, y entendemos ese marco según las clases (clase C). Por lo tanto, las redes tienen mascaras 8, 16 y 24 mientras que las que no sean así son consideradas subredes.
Conclusión
Podemos decir que las máscaras no sólo nos permiten saber el ID de red y el ID de host, sino que sea cual sea su diseño o clase, incluyendo la dirección de broadcast, podemos organizar las redes en segmentos más pequeños denominados “subredes” con el fin de establecer una mejor organización de la red y una forma más eficiente para entregar la información, evitando así, “cuellos de botella” o saturación de la misma, teniendo como resultado un mayor rendimiento.
Introducción a IPv6
A principios de los años 90, el grupo de trabajo de ingeniería de internet (IETF) se interesaron sobre el agotamiento de direcciones de red IPV4 y comenzaron a buscar un reemplazo para este protocolo. Fue así que se produjo lo que hoy se conoce como IPV6.
¿Qué ofrece IPV6?
Direccionamiento jerárquico de 128 bits: Cuyo fin es expandir la capacidad de direccionamiento.
Simplificar el formato de encabezado: Con el fin de mejorar el manejo de paquetes
Mejorar el soporte para extensiones: Para lograr mayor rendimiento en cuanto a la escalabilidad.
Mejoras a nivel seguridad: Mayor capacidad de autenticación y privacidad para lograr así, mejoras en la integridad de la información.
Mejor calidad del servicio: Mecanismos QoS
Podemos observar que las posiciones son de 128 bits. Las direcciones se expresan en 8 valores Hexadecimales separados por puntos y, cada campo contiene 16 bits = 8 x 16 = 128. Aún así, IPv6 parece ser una buena opción para operaciones lógicas en redes. Pero se está implementando lentamente y en redes selectas. Debido a las mejores herramientas, tecnologías y administración de direcciones en los últimos años, IPv4 todavía se utiliza ampliamente y probablemente permanezca durante algún tiempo en el futuro.
El 6 de junio de 2012 a las 00:00 GMT, se llevó a cabo el lLanzamiento Mundial de IPv6, cuando los principales proveedores de servicios de Internet y Compañías web habilitaron permanentemente IPv6 en sus productos y servicios.
