Conceptos básicos

Modelo OSI modelo de referencia para protocolos de red. No es la definición de una topología ni un modelo de red en sí mismo. Tampoco especifica ni define los protocolos que se utilizan en la comunicación, ya que estos se implementa de forma independiente a este modelo. El modelo OSI simplemente define la funcionalidad esperada para conseguir un estándar.

Modelo TCP/IP: conjunto de protocolos de red (pila de protocolos TCP/IP) que se ha convertido en un estándar de facto aunque no coincide exactamente con el modelo OSI.

Capas: la base de estos modelos es su división en diferentes capas o niveles de abstracción. Cada uno de estas capas concentra funciones específicas en cada nivel de operación, lo que hace posible la intercomunicación de protocolos distintos.

Equivalencia modelo OSI - modelo TCP/IP

Protocolos

TCP

TCP es usado por aplicaciones como HTTP(s), POP3, SMTP, FTP, FTPES, SFTP, SSH etc. Sus características son:

• garantiza que los datos serán entregados en su destino sin errores y en el mismo orden en que se transmitieron (reordena los paquetes antes pasar los datos a la capa de aplicación)
• proporciona acuse de recibo (ACK)
• los dos puntos anteriores posibilitan que los routers (capa de red) solo tienen que enviar los datos en forma de segmentos, sin preocuparse del monitoreo de datos
• permite el monitoreo del flujo de los datos y así evita la saturación de la red
• permite que los datos se formen en segmentos de longitud variada para entregarlos al protocolo IP
• permite multiplexar los datos, es decir, que la información que viene de diferentes fuentes (ej: aplicaciones) en la misma línea pueda circular simultáneamente
• la unidad de datos es el segmento TCP, el cual tiene una sobrecarga mínima de 20 bytes
• es un protocolo orientado a la conexión ya que:
  • el cliente y el servidor deben anunciarse y aceptar la conexión antes de comenzar a transmitir los datos
  • permite comenzar y finalizar la comunicación amablemente
  • se compone de las siguientes etapas:
    1. Establecimiento de conexión (3-way handshake)
    2. Transferencia de datos
    3. Fin de la conexión.

Cabecera Segmento TCP

• Número de secuencia: dentifica el primer byte del campo de datos que enviá el segmento, al primero se le llama ISN (Initial Sequence Number) y lo elige el servidor
• Número ACK: indica el próximo numero de secuencia que se esta dispuesto a recibir, por lo tanto significa que el número ACK - 1 es el número de secuencia del último segmento recibido
• Longitud de Cabecera: necesario ya que el tamaño puede variar de 20 a 60 bytes en función de cuanta información se añada en el campo opciones. El valor viene en número de palabras de 32-bit, es decir, 5 equivale a 160 bit o 20 bytes.
• Resevado: viene a 000 y se guarda para usos futuros
• Campos de control: son cada uno de 1 bit y se consideran marcados cuando están a 1:
  • URG: hay datos urgentes y el campo urgent pointer indica la cantidad de datos urgentes que se encuentran en el segmento
  • ACK: solo viene a 0 en el primer mensaje para indicar que el campo ACK ha de ser ignorado
  • PSH: invoca la función push en el protocolo, la cual consiste en entregar a la aplicación todos los datos que están en la memoria intermedia de recepción sin esperar a completarla con datos adicionales
  • RST: hace un reset de la conexión (usado cuando hay algún problema, ej: paquetes perdidos)
  • SYN: resincroniza los números de secuencia
  • FIN: el transmisor ha acabado la conexión
• Tamaño de ventana: informa sobre cuantos bytes se esta dispuesto a recibir en el paquete de respuesta
• Puntero urgente: indica (si URG=1) que los datos comprendidos desde el primer byte hasta el indicado por este campo son urgentes y debería procesarse lo antes posible
• Opciones: permite añadir campos a la cabecera para:
  • marcar con un timestamp el momento de la transmisión para monitorar los retrasos que experimentan los segmentos desde el origen hasta el destino
  • aumentar el tamaño de la ventana
  • indicar el MSS que el origen está preparado para recibir (se especifica durante el establecimiento de la conexión)

Nota: Que el número de secuencia identifique el primer byte del campo de datos significa que si por ejemplo el número de secuencia de un paquete es el 12 y contiene 3 bytes de datos, ese 12 identifica el 1º byte del los 3 y por lo tanto el 2º byte sería el 13, el 3º byte el 14, y si todo va bien el paquete sería respondido con otro paquete donde el ACK sería 15 ya que el último número de secuencia del último byte recibido ha sido el 14.

UDP

UDP es usado por aplicaciones como DHCP, BOOTP, DNS, NFS, RCP y de transmisión de audio y vídeo en tiempo real. Sus caracteristicas son:

• no emplea ninguna sincronización entre el origen y el destino (no es fiable):
  • permite el envío de datagramas sin que se haya establecido previamente una conexión
  • no tiene confirmación ni control de flujo, por lo que los paquetes pueden adelantarse unos a otros
  • no hay confirmación de llegada, por lo tanto no se sabe si se han perdido datagramas
• trabaja con paquetes o datagramas enteros (no con bytes individuales como TCP) a los cuales solo se les añade una sobrecarga de 8 bytes
• solo añade multiplexado de aplicación y suma de verificación de la cabecera y la carga útil

Ya que tanto TCP como UDP circulan por la misma red, puede ocurrir que el aumento del tráfico UDP dañe el correcto funcionamiento de las aplicaciones TCP. Por defecto, TCP pasa a un segundo lugar para dejar a los datos en tiempo real usar la mayor parte del ancho de banda. El problema es que ambos son importantes para la mayor parte de las aplicaciones, por lo que encontrar el equilibrio entre ambos es crucial.

Cabecera Datagrama UDP

• Puerto origen: es opcional siendo 0 el valor nulo
• Checksum:
  • es opcional en IPv4 y obligatorio en IPv6
  • se calcula con el datagrama completo más una pseudo-cabecera IP (IP origen y destino, protocolo y longitud del paquete UDP) rellenando con ceros hasta llegar a un multiplico de 16
• Longitud del Mensaje: longitud en bytes del datagrama UDP, incluyendo la cabecera UDP

Puertos de red

Tanto TCP como UDP usan el concepto de número de puerto para identificar a las aplicaciones emisoras y receptoras.

Hay 65536 puertos (16 bits) divididos en tres tipos de puertos:

1. ____0 - _1023 bien conocidos: asignados por la IANA y usados por el sistema o por procesos con privilegios. Las aplicaciones que usan este tipo de puertos son ejecutadas como servidores y se quedan a la escucha de conexiones. Ej: FTP (21), SSH (22), Telnet (23), SMTP (25) y HTTP (80)
2. _1024 - 49151 registrados: para aplicaciones de usuario de forma temporal cuando conectan con los servidores, pero también pueden representar servicios que hayan sido registrados por un tercero
3. 49152 - 65535 dinámicos/privados: utilizados como puertos temporales, sobre todo por los clientes al comunicarse con los servidores.

Nota: una aplicación puede estar usando simultáneamente el mismo puerto para TCP y UDP ya que técnicamente son dos puertos separados aunque tengan el mismo numero.

IP

IP es un protocolo de uso bidireccional y no orientado a conexión que transfiere paquetes conmutados.

IP no puede garantizar la entrega de los paquetes pero siempre intentará usar la mejor ruta conocida para el envió (best-effort delivery).

Cabecera Datagrama IPv4

• Versión: indica si es IPv4 (0100) o IPv6 (0110)
• Longitud de Cabecera: necesario ya que el tamaño puede variar de 20 a 60 bytes en función de cuanta información se añada en el campo opciones. El valor viene en número de palabras de 32-bit, es decir, 5 equivale a 160 bit o 20 bytes.
• Tipo de Servicio (ToS o DSCP): indica una serie de parámetros sobre la calidad de servicio deseada
  • Existe la posibilidad de que los últimos dos bits sean ocupados por el campo opcional ECN (ver IPv4 Header)
• Longitud Total (Total Length): longitud en bytes del datagrama IP, incluyendo la cabecera IP. El tamaño mínimo normalmente es de 576 octetos (64 de cabeceras y 512 de datos)
• Identificador (Identification): único por datagrama-origen-destino-tipo_de_protocolo y se utiliza para en caso de fragmentación poder distinguir los fragmentos de un datagrama de otro
• Flags: usados para especificar valores relativos a la fragmentación de paquetes:
  • bit 0 = 0 (reservado)
  • bit 1 (DF): 0 = divisible, 1 = no divisible
  • bit 2 (MF): 0 = último fragmento, 1 = fragmento intermedio
• Posición del Fragmento (Fragment Offset): marca la posición dentro del datagrama original, empezando por 0
• Tiempo de vida: (TTL) indica el número máximo de enrutadores que el paquete puede atravesar
• Protocolo (Protocol): un número que indica el protocolo de la capa superior
• Relleno: se usa para garantizar que el tamaño de la cabecera es múltiplo de 32

Cabecera Datagrama IPv6

• Versión: indica si es IPv4 (0100) o IPv6 (0110)
• Clase de Tráfico (Traffic Class): también denominado Prioridad o simplemente Clase, indica una serie de parámetros sobre la calidad de servicio deseada (equivalente a ToS en IPv4)
• Etiqueta de Flujo (Flow Label): manejo de la Calidad de Servicio, por ejemplo para permitir tráficos con requisitos de tiempo real
• Longitud total de carga útil (Payload Length): es la longitud de los propios datos (incluyendo cabeceras de extensión), y puede ser de hasta 65.536 bytes.
• Siguiente cabecera (Next Header): ya no se usan cabeceras de longitud variable, si no que se encadenan sucesivas cabeceras
  • por ello desaparece el campo opciones
  • en muchos casos no es procesado por los encaminadores, sino tan sólo extremo a extremo
• Límite de saltos (Hop Limit): indica el número máximo de enrutadores que el paquete puede atravesar (equivalente a TTL en IPv4)
• Campos de IPv4 que ya no son necesarios:
  • Fragment Offset y Identification desaparecen porque ya que la fragmentación (si es necesaria) solo se hace de extremo a extremo y no por encaminadores intermedios
  • Options desaparece porque Next Header permite añadir encadenar cabeceras de extensión

Direcciones IPv4

Son direcciones de 32 bits (2³² direcciones posibles) organizadas en cinco clases (A, B, C, D y E).

1. la dirección con los bit de host a 0 identifica la red
2. la dirección con los bit de host a 1 es la dirección broadcast y sirve para enviar paquetes a todas los hots de esa red
3. de la clase A hay que descartar:
   • la dirección 0.0.0.0 que esta reservada por la IANA para identificación local
   • las direcciones 127.*.*.* porque se usan para loopback
4. por lo tanto en cada clase hay 2^n redes (siendo n el número de bits dedicados a la red que no están fijos) y (2^h)-2 host (siendo h el número de bits dedicados al host):
   • A: 128 redes (2⁽⁸⁻¹⁾) y 16.777.214 hosts (2²⁴-2) (a los que hay que descartar las IPs 0.0.0.0 y 127.*.*.*)
   • B: 16.384 redes (2⁽¹⁶⁻²⁾) y 65.534 hosts (2¹⁶-2)
   • C: 2.097.152 redes (2⁽²⁴⁻³⁾) y 254 hosts (2⁸-2)

Table 9: Algunas direcciones IPv4 especiales

Direcciones IPv6

Son direcciones de 128 bits (2¹²⁸ direcciones posibles) que se representan en ocho bloques de 16 bits en números hexadecimales separados por el caracter :.

Para abreviar se pueden eliminar los ceros a la izquierda, o incluso comprimir todos los conjuntos de ceros consecutivos con ::, de manera que las siguientes IPs son la misma:

• 2a01:0048:0000:0000:0000:0000:0000:0000
• 2a01:48:0:0:0:0:0:0
• 2a01:48::

Hay tres tipos de IPs según su direccionamiento y encaminamiento:

• unicast: identifica una única interfaz de red
• anycast: identifica un grupo de interfaces (normalmente de nodos diferentes):
  • los paquetes enviados a una dirección anycast solo llega a uno de los miembros (típicamente el más cercano)
  • las direcciones anycast tienen el mismo formato que las unicast, simplemente son direcciones que están en varios puntos de la red
• multicast: identifica un grupo de interfaces (normalmente de nodos diferentes):
  • un paquete enviado a una dirección multicast es entregado a todos los miembros

Nótese que el tipo broadcast no existe. Se puede conseguir el mismo efecto enviando un paquete al dirección multicast del grupo all-nodes del enlace-local ff02::1. Sin embargo no se recomienda usar el grupo all-nodes.

También se pude usar una notación equivalente a la CIDR en IPv4 para denotar grupos de IPs, de manera que 2a01:48::/32 son todas las IPs entre 2a01:0048:0000:0000:0000:0000:0000:0000 y 2a01:0048:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff.

Bibliografía

• PreparaTic27 - Pack1/110
• PreparaTic27 - Pack1/114
• redeszone.net - ¿Qué protocolo es mejor?: TCP vs UDP, descubre cuándo utilizar cada uno
• youtube.com - Curso de Redes. 10.7. Protocolo TCP: números de secuencia
• cv.uoc.edu - Protocolos del nivel de transporte
• cv.uoc.edu - El protocolo UDP
• cv.uoc.edu - Formato del segmento TCP
• ipv6go.net - Cabecera IPv6
• ramonmillan.com - El protocolo IPv6 (II)
• docs.oracle.com - Descripción general de las direcciones IPv6
• ipv6.mx - Fundamentos de IPv6
• docs.oracle.com - Using IPv4-Compatible Address Formats