Direccionamiento de la Red IPV4
El direccionamiento es una función clave de los protocolos de capa de Red que permite la transmisión de datos entre hosts de la misma red o en redes diferentes. El Protocolo de Internet versión 4 (IPv4) ofrece direccionamiento jerárquico para paquetes que transportan datos.
Diseñar, implementar y administrar un plan de direccionamiento IPv4 efectivo asegura que las redes puedan operar de manera eficaz y eficiente.
Estructura de una dirección IPV4
Cada dispositivo de una red debe ser definido en forma exclusiva. En la capa de red es necesario identificar los paquetes de la transmisión con las direcciones de origen y de destino de los dos sistemas finales. Con IPv4, esto significa que cada paquete posee una dirección de origen de 32 bits y una dirección de destino de 32 bits en el encabezado de Capa 3.
Estas direcciones se usan en la red de datos como patrones binarios. Dentro de los dispositivos, la lógica digital es aplicada para su interpretación. Para quienes formamos parte de la red humana, una serie de 32 bits es difícil de interpretar e incluso más difícil de recordar. Por lo tanto, representamos direcciones IPv4 utilizando el formato decimal punteada.
Punto Decimal
Los patrones binarios que representan direcciones IPv4 son expresados con puntos decimales separando cada byte del patrón binario, llamado octeto, con un punto. Se le llama octeto debido a que cada número decimal representa un byte u 8 bits.
Por ejemplo: la dirección
10101100000100000000010000010100
Es expresada en puntos decimales como
172.16.4.20
Porciones de red y de host
En cada dirección IPv4, alguna porción de los bits de orden superior representa la dirección de red. Una red se define como un grupo de hosts con patrones de bits idénticos en la porción de dirección de red de sus direcciones.
Tipos de direccionamiento de una IPV4
Dentro del rango de direcciones de cada red IPv4, existen tres tipos de direcciones:
- Dirección de red: la dirección en la que se hace referencia a la red.
- Dirección de broadcast: una dirección especial utilizada para enviar datos a todos los hosts de la red.
- Direcciones host: las direcciones asignadas a los dispositivos finales de la red.
Dirección de red
La dirección de red es una manera estándar de hacer referencia a una red. Ésta es una manera mucho más conveniente y descriptiva de referirse a la red que utilizando un término como "la primera red". Todos los hosts de la red 10.0.0.0 tendrán los mismos bits de red. Esta dirección tiene un 0 para cada bit de host en la porción de host de la dirección.
Dirección de broadcast
La dirección de broadcast IPv4 es una dirección especial para cada red que permite la comunicación a todos los host en esa red. Para enviar datos a todos los hosts de una red, un host puede enviar un solo paquete dirigido a la dirección de broadcast de la red.
La dirección de broadcast utiliza la dirección más alta en el rango de la red. Ésta es la dirección en la cual los bits de la porción de host son todos 1.
Unicast, Broadcast, multicast: tipos de comunicación
En una red IPv4, los hosts pueden comunicarse de tres maneras diferentes:
- Unicast: el proceso por el cual se envía un paquete de un host a un host individual.
- Broadcast: el proceso por el cual se envía un paquete de un host a todos los hosts de la red.
- Multicast: el proceso por el cual se envía un paquete de un host a un grupo seleccionado de hosts.
Estos tres tipos de comunicación se usan con diferentes objetivos en las redes de datos. En los tres casos, se coloca la dirección IPv4 del host de origen en el encabezado del paquete como la dirección de origen.
Tráfico unicast
La comunicación unicast se usa para una comunicación normal de host a host, tanto en una red de cliente/servidor como en una red punto a punto. Los paquetes unicast utilizan la dirección host del dispositivo de destino como la dirección de destino y pueden enrutarse a través de una internetwork. Sin embargo, los paquetes broadcast y multicast usan direcciones especiales como la dirección de destino. Al utilizar estas direcciones especiales, los broadcasts están generalmente restringidos a la red local.
Transmisión de broadcast
Dado que el tráfico de broadcast se usa para enviar paquetes a todos los hosts de la red, un paquete usa una dirección de broadcast especial. Cuando un host recibe un paquete con la dirección de broadcast como destino, éste procesa el paquete como lo haría con un paquete con dirección unicast.
Algunos ejemplos para utilizar una transmisión de broadcast son:
- Asignar direcciones de capa superior a direcciones de capa inferior
- Solicitar una dirección
- Intercambiar información de enrutamiento por medio de protocolos de enrutamiento.
Broadcast dirigido: Se envía un broadcast dirigido a todos los hosts en una red específica. Este tipo de broadcast es útil para enviar un broadcast a todos los hosts de una red local.
Broadcast limitado: El broadcast limitado se usa para la comunicación que está limitada a los hosts en la red local. Estos paquetes usan una dirección IPv4 de destino 255.255.255.255. Los routers no envían estos broadcasts. Los paquetes dirigidos a la dirección de broadcast limitada sólo aparecerán en la red local.
Transmisión de multicast
La transmisión de multicast está diseñada para conservar el ancho de banda de la red IPv4. Ésta reduce el tráfico al permitir que un host envíe un único paquete a un conjunto seleccionado de hosts.
Algunos ejemplos de transmisión de multicast son:
Distribución de audio y video
Intercambio de información de enrutamiento por medio de protocolos de enrutamiento
Distribución de software
Suministro de noticias
Rangos de Dirección IPV4 reservadas
Expresado en formato decimal punteado, el rango de direcciones IPv4 es de 0.0.0.0 a 255.255.255.255.
Direcciones experimentales
Un importante bloque de direcciones reservado con objetivos específicos es el rango de direcciones IPv4 experimentales de 240.0.0.0 a 255.255.255.254. En la actualidad, no es posible utilizarlas en redes IPv4. Sin embargo, estas direcciones podrían utilizarse con fines de investigación o experimentación.
Direcciones multicast
El rango de direcciones IPv4 multicast de 224.0.0.0 a 239.255.255.255. Además, el rango de direcciones multicast se subdivide en diferentes tipos de direcciones:
Direcciones de enlace locales reservadas
Direcciones agrupadas globalmente.
Las direcciones IPv4 multicast de 224.0.0.0 a 224.0.0.255 son direcciones reservadas de enlace local. Estas direcciones se utilizarán con grupos multicast en una red local.
Las direcciones de alcance global son de 224.0.1.0 a 238.255.255.255. Se las puede usar para transmitir datos en Internet mediante multicast.
Direcciones Públicas y Privadas
Aunque la mayoría de las direcciones IPv4 de host son direcciones públicas designadas para uso en redes a las que se accede desde Internet, existen bloques de direcciones que se utilizan en redes que requieren o no acceso limitado a Internet. A estas direcciones se las denomina direcciones privadas.
Los bloques de direcciones privadas son:
10.0.0.0 a 10.255.255.255 (10.0.0.0 /8)
172.16.0.0 a 172.31.255.255 (172.16.0.0 /12)
192.168.0.0 a 192.168.255.255 (192.168.0.0 /16)
No necesariamente el uso de estas direcciones debe ser exclusivo entre redes externas. Por lo general, los hosts que no requieren acceso a Internet pueden utilizar las direcciones privadas sin restricciones.
Direcciones de red y de broadcast
No es posible asignar la primera ni la última dirección a hosts dentro de cada red. Éstas son la dirección de red y la dirección de broadcast, respectivamente.
Ruta predeterminada
Se representa la ruta predeterminada IPv4 como 0.0.0.0. La ruta predeterminada se usa como ruta "comodín" cuando no se dispone de una ruta más específica.
Los administradores de red no deben seleccionar de forma aleatoria las direcciones utilizadas en sus redes. Tampoco la asignación de direcciones dentro de la red debe ser aleatoria.
La asignación de estas direcciones dentro de las redes debería ser planificada y documentada a fin de:
Evitar duplicación de direcciones: Cada host en una interwork debe tener una dirección única Sin la planificación y documentación adecuada de estas asignaciones de red, se podría fácilmente asignar una dirección a más de un host.
Proveer y controlar el acceso: Algunos hosts ofrecen recursos tanto para la red interna como para la red externa. El acceso a estos recursos puede ser controlado por la dirección de la Capa 3. Si las direcciones para estos recursos no son planificadas y documentadas, no es posible controlar fácilmente la seguridad y accesibilidad de los dispositivos.
Monitorear seguridad y rendimiento: Como parte del proceso de monitoreo, se examina el tráfico de la red mediante la búsqueda de direcciones que generan o reciben demasiados paquetes. Con una planificación y documentación correctas del direccionamiento de red.
Direccionamiento estático o dinámico para dispositivos finales
En las redes de datos, la mayor población de host incluyendo dispositivos finales como PC, teléfonos, etc. Debido a que esta población representa la mayor cantidad de dispositivos en una red, debe asignarse la mayor cantidad de direcciones a estos hosts.
Las direcciones IP pueden asignarse de manera estática o dinámica.
Asignación estática de direcciones
Con una asignación estática, el administrador de red debe configurar manualmente la información de red para un host. Como mínimo, esto implica ingresar la dirección IP del host, la máscara de subred y el gateway por defecto.
Las direcciones estáticas tienen ventajas contra las direcciones dinámicas ya que estas resultan útiles para impresoras, servidores y otros dispositivos que son accesibles para los clientes de la red.
Asignación dinámica de direcciones
Los dispositivos de usuarios finales a menudo poseen direcciones dinámicamente asignadas, utilizando el Protocolo de configuración dinámica de host (DHCP).
El DHCP permite la asignación automática de información de direccionamiento como la dirección IP, la máscara de subred, el gateway por defecto y otra información de configuración. Las direcciones asignadas a este pool deben ser planificadas de manera que se excluyan las direcciones utilizadas para otros tipos de dispositivos.
DHCP es generalmente el método preferido para asignar direcciones IP a los hosts de grandes redes, dado que reduce la carga para al personal de soporte de la red y prácticamente elimina los errores de entrada. Otro beneficio de DHCP es que no se asigna de manera permanente una dirección a un host, sino que sólo se la "alquila" durante un tiempo.
Direcciones para servidores y periféricos
Los servidores y periféricos son un punto de concentración para el tráfico de red. Se envían muchos paquetes desde las direcciones IPv4 de estos dispositivos y hacia éstas. Al monitorear el tráfico de red con una herramienta como Wireshark, un administrador de red debe poder identificar rápidamente estos dispositivos.
Autoridad de números asignados a Internet (IANA) es un soporte maestro de direcciones IP. Las direcciones IP multicast y las direcciones IPv6 se obtienen directamente de la IANA. Hasta mediados de los años noventa, todo el espacio de direcciones IPv4 era directamente administrado por la IANA. En ese entonces, se asignó el resto del espacio de direcciones IPv4 a otros diversos registros para que realicen la administración de áreas regionales o con propósitos particulares. Estas compañías de registro se llaman Registros regionales de Internet (RIR).
Los principales registros son:
- AfriNIC (African Network Information Centre) - Región de África
- APNIC (Asia Pacific Network Information Centre) - Región de Asia/Pacífico
- ARIN (American Registry for Internet Numbers) - Región de Norte América
- LACNIC (Registro de dirección IP de la Regional Latinoamericana y del Caribe) - América Latina y algunas islas del Caribe
- RIPE NCC (Reseaux IP Europeans) - Europa, Medio Oriente y Asia Central
A principios de los años noventa, el Grupo de trabajo de ingeniería de Internet (IETF) centró su interés en el agotamiento de direcciones de red IPv4 y comenzó a buscar un reemplazo para este protocolo. Esta actividad produjo el desarrollo de lo que hoy se conoce como IPv6. El direccionamiento DIPv6 ha sido diseñado con escalabilidad para permitir años de crecimiento de la internetwork.
Crear mayores capacidades de direccionamiento fue la motivación inicial para el desarrollo de este nuevo protocolo. También se consideraron otros temas durante el desarrollo de IPv6, como:
- Manejo mejorado de paquetes
- Escalabilidad y longevidad mejoradas
- Mecanismos QoS (Calidad del Servicio)
- Seguridad integrada
Para proveer estas características, IPv6 ofrece:
- Direccionamiento jerárquico de 128 bits: para expandir las capacidades de direccionamiento
- Simplificación del formato de encabezado: para mejorar el manejo de paquetes
- Soporte mejorado para extensiones y opciones: para escabilidad/longevidad mejoradas y manejo mejorado de paquetes
- Capacidad de rotulado de flujo: como mecanismos QoS
- Capacidades de autenticación y privacidad: para integrar la seguridad
Se hizo referencia a la duración del prefijo como la cantidad de bits en la dirección que conforma la porción de red. El prefijo es una forma de definir la porción de red para que los humanos la puedan leer. La red de datos también debe tener esta porción de red de las direcciones definidas.
Para definir las porciones de red y de host de una dirección, los dispositivos usan un patrón separado de 32 bits llamado máscara de subred. La máscara de subred se expresa con el mismo formato decimal punteado que la dirección IPv4. La máscara de subred se crea al colocar un 1 binario en cada posición de bit que representa la porción de red y un 0 binario en cada posición de bit que representa la porción de host.
El prefijo y la máscara de subred son diferentes formas de representar lo mismo, la porción de red de una dirección. La máscara de subred se configura en un host junto con la dirección IPv4 para definir la porción de red de esa dirección. Si la máscara de subred de un octeto está representada por 255, entonces todos los bits equivalentes de ese octeto de la dirección son bits de red.
Dentro de los dispositivos de redes de datos, se aplica la lógica digital para interpretar las direcciones. Cuando se crea o envía un paquete IPv4, la dirección de red de destino debe obtenerse de la dirección de destino. Esto se hace por medio de una lógica llamada AND.
Se aplica la lógica AND a la dirección host IPv4 y a su máscara de subred para determinar la dirección de red a la cual se asocia el host. Cuando se aplica esta lógica AND a la dirección y a la máscara de subred, el resultado que se produce es la dirección de red.
Operación AND
AND es una de las tres operaciones binarias básicas utilizadas en la lógica digital. Las otras dos son OR y NOT. Mientras que las tres se usan en redes de datos, AND se usa para determinar la dirección de red. Por lo tanto, sólo se tratará aquí la lógica AND.
Los routers usan AND para determinar una ruta aceptable para un paquete entrante. El router verifica la dirección de destino e intenta asociarla con un salto siguiente. Cuando llega un paquete a un router, éste realiza el procedimiento de aplicación de AND en la dirección IP de destino en el paquete entrante y con la máscara de subred de las rutas posibles.
La división en subredes permite crear múltiples redes lógicas de un solo bloque de direcciones. Como usamos un router para conectar estas redes, cada interfaz en un router debe tener un ID único de red. Cada nodo en ese enlace está en la misma red.
Esto se hace ampliando la máscara para tomar prestado algunos de los bits de la porción de host de la dirección, 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.
Fórmula para calcular subredes
Use esta fórmula para calcular la cantidad de subredes:
2^n donde n = la cantidad de bits que se tomaron prestados
En este ejemplo, el cálculo es así:
2^1 = 2 subredes
La cantidad de hosts
Para calcular la cantidad de hosts por red, se usa la fórmula 2^n - 2 donde n = la cantidad de bits para hosts.
Conclusión:
Este direccionamiento es lo primordial para la comunicación de computadoras en la red que asigna las direcciones de todas la PC y los host ya que detecta las direcciones de origen y destino para la trasmisión de los paquetes que se trasmitirán de una red a otra y la creación del direccionamiento IPV6 fue creado para que las redes crecieran y que tuviera un mejor manejo de paquetes y con seguridad.