Familia de Protocolos TCP/IP


PROTOCOLOS

Establecen una descripción formal de los formatos que deberán presentar los mensajes para poder ser
intercambiados por equipos de cómputo; además definen las reglas que ellos deben seguir para lograrlo.

Los protocolos están presentes en todas las etapas necesarias para establecer una comunicación entre equipos de cómputo, desde aquellas de más bajo nivel (e.g. la transmisión de flujos de bits a un medio físico) hasta aquellas de más alto nivel (e.g. el compartir o transferir información desde una computadora a otra en la red).

Tomando al modelo OSI (Open Systems Interconection) como referencia podemos afirmar que para cada capa o nivel que él define existen uno o más protocolos interactuando. Los protocolos son entre pares (peer-to-peer), es decir, un protocolo de algún nivel dialoga con el protocolo del mismo nivel en la computadora remota.


Conjunto de Protocolos TCP/IP
ORIGEN
  • Desarrollados como parte del proyecto
    DARPA a mediados de los 70´s, dando
    lugar a la red ARPANET.
  • Su objetivo fue que computadoras
    cooperativas compartieran recursos
    mediante una red de comunicaciones.
  • ARPANET deja de funcionar
    oficialmente en 1990.

En 1973, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada para la Defensa (DARPA), de los Estados Unidos, inició un programa para la investigación de tecnologías que permitieran la transmisión de paquetes de información entre redes de diferentes tipos y características. El proyecto tenía por objetivo la interconexión de redes, por lo que se le denominó "Internetting", y a la familia de redes de computadoras que surgió de esta investigación se le denominó "Internet". Los protocolos desarrollados se denominaron el Conjunto de Protocolos TCP/IP, que surgieron de dos conjuntos previamente desarrollados; los Protocolos de Control de Transmisión (Transmition Control Protocol) e Internet (Internet Protocol).


Conjunto de Protocolos TCP/IP
Su relación con el Modelo OSI

TCP = TRANSFER CONTROL PROTOCOL
IP = INTERNET PROTOCOL

En la actualidad, las funciones propias de una red de computadoras pueden ser divididas en las siete capas propuestas por ISO para su modelo de sistemas abiertos (OSI). Sin embargo la implantación real de una arquitectura puede diferir de este modelo. Las arquitecturas basadas en TCP/IP proponen cuatro capas en las que las funciones de las capas de Sesión y Presentación son responsabilidad de la capa de Aplicación y las capas de Liga de Datos y Física son vistas como la capa de Interface a la Red. Por tal motivo para TCP/IP sólo existen las capas Interface de Red, la de Intercomunicación en Red, la de Transporte y la de Aplicación. Como puede verse TCP/IP presupone independencia del medio físico de comunicación, sin embargo existen estándares bien definidos a los nivel de Liga de Datos y Físico que proveen mecanismos de acceso a los diferentes medios y que en el modelo TCP/IP deben considerarse la capa de Interface de Red; siendo los más usuales el proyecto IEEE802, Ethernet, Token Ring y FDDI.


Modelo de capas de TCP/IP

 

DESCRIPCION DEL MODELO DE CAPAS DEL  TCP/IP

Capa de
Aplicación
Invoca programas que acceden servicios en la red. Interactuan con uno o más protocolos de transporte para enviar o recibir datos, en forma de mensajes o bien en forma de flujos de bytes.
Capa de
Transporte
Provee comunicación extremo a extremo desde un programa de aplicación a otro. Regula el flujo de información. Puede proveer un transporte confiable asegurándose que los datos lleguen sin errores y en la secuencia correcta. Coordina a múltiples aplicaciones que se encuentren interactuando con la red simultáneamente de tal manera que los datos que envíe una aplicación sean recibidos correctamente por la aplicación remota, esto lo hace añadiendo identificadores de cada una de las aplicaciones. Realiza además una verificación por suma, para asegurar que la información no sufrió alteraciones durante su transmisión.
Capa
Internet
Controla la comunicación entre un equipo y otro, decide qué rutas deben seguir los paquetes de información para alcanzar su destino. Conforma los paquetes IP que será enviados por la capa inferior. Desencapsula los paquetes recibidos pasando a la capa superior la información dirigida a una aplicación.
Capa de
Interface de Red
Emite al medio físico los flujos de bit y recibe los que de él provienen. Consiste en los manejadores de los dispositivos que se conectan al medio de transmisión.

Arquitectura de Interconexión de Redes en TCP/IP
Metas
  • Independencia de tecnología de conexión
    a bajo nivel y la arquitectura de la computadora.
  • Conectividad Universal a través de la red.
  • Reconocimientos de extramo a extremo.
  • Protocolos de Aplicación Estandarizados.

Arquitectura de Interconexión de Redes en TCP/IP
Características
  • Protocolos de no conexión en el nivel de red.
  • Conmutación de paquetes entre nodos.
  • Protocolos de transporte con funciones de seguridad.
  • Conjunto común de progrmas de aplicación.

Arquitectura de Interconexión de Redes en TCP/IP
Interconexión de Redes
  • Las redes se comunican mediante compuertas.
  • Todas las redes son vistas como iguales.

Para entender el funcionamiento de los protocolos TCP/IP debe tenerse en cuenta la arquitectura que ellos proponen para comunicar redes. Tal arquitectura ve como iguales a todas las redes a conectarse, sin tomar en cuenta el tamaño de ellas, ya sean locales o de cobertura amplia. Define que todas las redes que intercambiarán información deben estar conectadas a una misma computadora o equipo de procesamiento (dotados con dispositivos de comunicación); a tales computadoras se les denomina compuertas, pudiendo recibir otros nombres como enrutadores o puentes.


Direcciones IP
  • Longitud de 32 bits.
  • Identifica a las redes y a los nodos conectados a ellas.
  • Especifica la conexion entre redes.
  • Se representan mediante cuatro octeros,
    escritos en formato decimal, separados por puntos.

Para que en una red dos computadoras puedan comunicarse entre sí ellas deben estar identificadas con precisión Este identificador puede estar definido en niveles bajos (identificador físico) o en niveles altos (identificador lógico) de pendiendo del protocolo utilizado. TCP/IP utiliza un identificador denominado dirección internet o dirección IP, cuya longitud es de 32 bites. La dirección IP identifica tanto a la red a la que pertenece una computadora como a ella misma dentro de dicha red.


Clases de Direcciones IP
Clases Número de Redes Número de Nodos Rango de Direcciones IP
A 127 16,777,215 1.0.0.0 a la 127.0.0.0
B 4095 65,535 128.0.0.0 a la 191.255.0.0
C 2,097,151 255 192.0.0.0 a la 223.255.255.0

Tomando tal cual está definida una dirección IP podría surgir la duda de cómo identificar qué parte de la dirección identifica a la red y qué parte al nodo en dicha red. Lo anterior se resuelve mediante la definición de las "Clases de Direcciones IP". Para clarificar lo anterior veamos que una red con dirección clase A queda precisamente definida con el primer octeto de la dirección, la clase B con los dos primeros y la C con los tres primeros octetos. Los octetos restantes definen los nodos en la red específica.


Subredes en IP
  • Las Subredes son redes físicas distintas que comparten una misma dirección IP.
  • Deben identificarse una de otra usando una máscara de subred.
  • La máscara de subred es de cuatro bytes y para obtener el número de subred se realiza un aperación AND lógica entre ella y la dirección IP de algún equipo.
  • La máscara de subred deberá ser la misma para todos los equipos de la red IP.

Se ha mencionado que el enrutamiento sirve para alcanzar redes distantes. También se señaló que las direcciones IP se agrupan en clases. Ahora bien para cada clase se pueden contar con un número determinados de subredes. Las subredes son redes físicas independientes que comparten la misma dirección IP (es decir aquella que identifica a la red principal). La pregunta entonces es ¿cómo se logra que equipos que comparten el mismo identificador de red pero se sitúan en redes físicas diferentes podrán comunicarse usando compuertas? La solución a este problema es determinando una mascara de dirección.

Subredes en Direcciones IP
Ejemplo
  • Supongase que la dirección IP de
    una equipo es 148.206..257.2
  • La mascara de subred es 255.255.255.0
  • El equipo por tanto está en la subred
    148.206.257.0

Mapeo de Direcciónes IP a Direcciones Físicas
Estrategia de Conversión Observeciones
Estática por Tablas Alto costo en mantenimiento.
Por aplicación de algoritmos Pude no lograrse una homogenea distribución de direcciones.
Remota posibilidad de duplicación de direcciones.
Dificultad de elegir el algoritmo más eficiente.
Dinámica Se consulta, mediante un sólo mensaje, que se emite a todos los equipos en la red, por el poseedor de cierta dirección IP.

Recordemos que los protocolos TCP/IP están enfocados a la transmisión de paquetes de información, buscando la independencia de la arquitectura de la red. Arquitecturas como la Ethernet logran la comunicación sólo mediante el conocimiento de la dirección física de las computadoras. Así en cada computadora que opere con el protocolo IP debe contar con algún procedimiento para la translación de la dirección IP a la dirección física de la computadora con la que establezca comunicación.


Protocolo de Resolución de Direcciones ARP (Address Resolution Protocol)
  • Le permite a un equipo obtener la dirección física de un equipo destino, ubicado en la misma red física, proporcionando sólamente la dirección IP destino.
  • Las direcciones IP y física de la computadora que consulta es incluida en cada emisión general ARP, el equipo que contesta toma esta información y actualiza su table de conversión.
  • ARP es un protocolo de bajo nivel que oculta el direccionamiento de la red en las capas inferiores, permitiendo asignar, a nuestra elección, direcciones IP a los equipos en una red física.

Una conversión dinámica de direcciones Internet a direcciones físicas es la más adecuada, debido a que se obtiene la dirección física por respuesta directa del nodo que posee la dirección IP destino. Una vez que la dirección física se obtiene ésta es guardada en una tabla temporal para subsecuentes transmisiones, de no ser así podría haber una sobrecarga de tráfico en la red debido a la conversión de direcciones por cada vez que se transmitiera un paquete.


Implementación del ARP
  • La interface de red recibe un datagrama IP a enviar a un equipo destino, en este nivel se coteja la tabla temporal de conversión, si exite una la referencia adecuada ésta se incorpora al paquete y se envía.
  • Si no existe la referencia un paquete ARP de emisión general, con la dirección IP destino, es generado y enviado.
  • Todos los equipos en la red física reciben el mensage general y comparan la dirección IP que contiene con la suya propia, enviando un paquete de respuesta que conrtiene su dirección IP.
  • La computadora origen actualiza su tabla temporal y envia el paquete IP original, y los subsecuentes, directamente a la computadora destino.

El funcionamiento de ARP no es tan simple como parece. Supóngase que en una tabla de conversión exista un mapeo de una máquina que ha fallado y se le ha reemplazado la interface de red; en este caso los paquetes que se transmitan hacia ella se perderán pues ha cambiado la dirección física, por tal motivo la tabla debe eliminar entradas periódicamente.


Formato de mensaje del ARP
Campo Descripción
HLEN Longitud de la dirección del hardware
PLEN Longitud de la dirección del protocolo
Operación Indica si es mensaje de consulta o de respuesta
HW Emisor Dirección Física del Emisor
IP Emisor Dirección IP del Emisor
HW Destino Dirección Física del Destino
IP Destino Dirección IP del Destino

El formato de mensaje de ARP no es fijo, lo que le permite ser usado por otros protocolos de alto nivel.

El ejemplo muestra el formato para un mensaje ARP utilizando Ethernet, en donde la longitud de la dirección física es de 42 bits.


Protocolo Internet (IP)
Características
  • Protocolo orientado a no conexión.
  • Fragmenta paquetes si es necesario.
  • Direccionamiento mediante direcciones lógicas IP de 32 bits.
  • Si un paquete no es recibido, este permanecerá en la red durante un tiempo finito.
  • Realiza el "mejor esfuerzo" para la distribución de paquetes.
  • Tamaño máximo del paquete de 65635 bytes.
  • Sólo ser realiza verificación por suma al encabezado del paquete, no a los datos éste que contiene.

El Protocolo Internet proporciona un servicio de distribución de paquetes de información orientado a no conexión de manera no fiable. La orientación a no conexión significa que los paquetes de información, que será emitido a la red, son tratados independientemente, pudiendo viajar por diferentes trayectorias para llegar a su destino. El término no fiable significa más que nada que no se garantiza la recepción del paquete.


Formato del Datagrama de IP
Campo Descripción
VERS Versión del IP del datagrama
HLEN Longitud del Encabezado
Longitud Total Mide, en Bytes la longuitud del datagrama
Identificador Identifica los paquetes fragmentados para su reensamble
Flags Indica si el paquete está fragmentado o no
Offset Indica la ubicación de este paquete en uno fragmentado
Opciones Información usada par administración, longuitud variable
Relleno Ajusta las opciones a 32bits

La unidad de información intercambiada por IP es denominada datagrama. Tomando como analogía los marcos intercambiados por una red física los datagramas contienen un encabezado y una área de datos. IP no especifica el contenido del área de datos, ésta será utilizada arbitrariamente por el protocolo de transporte.


Unidad Máxima de Transferencia MTU
(Maximum Transfer Unit)
  • Indica la logitud de un trama que podrá ser enviada a una red física en particular.
  • Es determinada por la tecnología de la red física.
  • Para el caso de Ethernet es de 1500 bytes.

La Unidad de Transferencia Máxima determina la longitud máxima, en bytes, que podrá tener un datagrama para ser transmitida por una red física. Obsérvese que este parámetro está determinado por la arquitectura de la red: para una red Ethernet el valor de la MTU es de 1500 bytes. Dependiendo de la tecnología de la red los valores de la MTU pueden ir desde 128 hasta unos cuantos miles de bytes.


Fragmentación

La arquitectura de interconexión de redes propuesta por TCP/IP indica que éstas deben ser conectadas mediante una compuerta. Sin obligar a que la tecnología de las redes físicas que se conecten sea homogénea. Por tal motivo si para interconectar dos redes se utilizan medios con diferente MTU, los datagramas deberán ser fragmentados para que puedan ser transmitidos. Una vez que los paquetes han alcanzado la red extrema los datagramas deberán ser reensamblados.


Protocolo de Mensajes de Control de Internet ICMP
(Internet Control Message Protocol)
  • Reporta sobre destinos inalcanzables.
  • Control de flujo de datagramas y congestión.
  • Controla los requerimiento de cambio de rutas entre compuertas.
  • Detecta rutas circulares o excesivamente largas.
  • Verifica la existencia de trayectorias hacia alguna red y el estatus de la misma.

Su función es la de notificar de eventos en los que los paquetes enviados no alcanzaron su destino. Proporciona un medio de transporte para que los equipos compuerta se envíen mensajes de control y error. ICMP no está orientado a la corrección de errores, sólo a su notificación.


Formato del mensaje ICMP
Tipo Mensaje ICMP
0 Respusta al eco
3 Destino Inalcanzable
4 Fuente saturada
5 Redirección de ruta
8 Solicitud de Eco
11 Tiempo del datagrama excedido
12 Parámetro problema en datagrama
13 Requerimiento de hora y fecha
14 Respuesta de host y fecha
17 Requerimiento de mascara de dirección
18 Respuesta de mascara de dirección

El formato de ICMP cambia dependiendo de la función que realice, exceptuando los campos de Tipo, Código y de Checksum. Un 1 en el campo de Protocolo del mensaje de IP indicará que se trata de un datagrama ICMP. La función de un mensaje determinado ICMP estará definida por el campo de Tipo; el campo de Código proporciona información adicional para realizar la función; el campo de Checksum sirve para efectuar una verificación por suma que sólo corresponde al mensaje ICMP.


Enrutamiento de datagramas IP

El enrutamiento se refiere al proceso de determinar la trayectoria que un datagrama debe seguir para alcanzar su destino. A los dispositivos que pueden elegir las trayectorias se les denomina enrutadores. En el proceso de entutamiento intervienen tanto los equipos como las compuertas que conectan redes (recordar que el termino compuerta es impuesto por la arquitectura TCP/IP de conexión de redes, sin embargo una compuerta puede realizar diferentes funciones a diferentes niveles, una de esas funciones puede ser la de enrutamiento y por tanto recibir el nombre de enrutador).


Tipos de Enrutamiento
  • Enrutamiento Directo
    Transmisión de datagramas IP entre dos equipos de la misma red física sin la intervención de compuertas. El emisor encapsula el datagrama en la trama de la red, efectuando la vinculación entre la dirección física y la dirección IP, y envía la trama resultante en forma directa al destinatario.
  • Enrutamiento Indirecto
    La compuertas forman una estructura cooperativa, interconectada. Las compuertas se envían los datagramas hasta que se alcanza a la compuerta que puede distrubuirla en forma directa a la red destino.

Existen dos tipos de enrutamiento; el directo y el indirecto. Debido a que en el enrutamiento directo los datagramas se transmite de un equipo a otro, en la misma red física, el proceso es muy eficiente. La vinculación entre la dirección física y la IP se realiza mediante el ARP. En el indirecto la transmisión del datagrama se efectúa mediante la intercesión de las compuertas. Aquí la compuerta que actúa como enrutador debe de estar provista de mecanismos para conocer, y por tanto decidir, la trayectoria de la red que se desea alcanzar.


Enrutamiento Indirecto

En este direccionamiento un equipo debe enviar a una compuerta el datagrama con destino a una red física distante. La compuerta de la red física envía el datagrama a otras compuertas hasta alcanzar a aquel que puede emitirlo en forma directa a la red destino. La compuerta debe conocer las rutas hacia las diferentes redes externas, ellas pueden utilizar a su ves un enrutamiento indirecto en el caso de no conocer la ruta a una red específica. Las compuertas conocen las trayectorias a otra red mediante Tablas de Enrutamiento.


Tablas de Ruteo IP

Este es el algoritmo comúnmente utilizado para el enrutamiento de IP. Las tablas de enrutamiento está presentes en todo equipo que almacene información de cómo alcanzar posibles destinos. En las tablas no se almacena la ruta específica a un equipo, sino aquella a la red donde se encuentre. Cada puerto de comunicación de la compuerta debe poseer una dirección IP.


Rutas por Default
  • Si cada tabla de ruteo conservara información sobre todos los destinos posibles, el espacio sería insuficiente.
  • Es necesario que con un mínimo de información, el equipo pueda tomar decisiones de ruteo.
  • Una técnica para mantener tablas de ruteo pequeñas consiste en enviar los datagramas a destinos predeterminados (redes predeterminadas).

Para que en los equipos no exista una tabla excesivamente grande, que contenga todas las rutas a las redes que se interconeta el equipo, es de gran utilidad definir una ruta por default. A través de esta ruta se deverán alcanzar todas las redes destino.

La ruta por default apunta a un dispositivo que actua como compuerta de la red donde se encuentre ubicado el equipo que la posee.


Enrutamiento entre Compuertas
Arquitectura de Compuerta Núcleo
  • Primer esquema de enrutamiento que existió.
  • Compuertas de diferentes redes se conectan a una compuerta núcleo.
  • La compuerta núclo es la compuerta por default de las compuertas de las redes locales.
  • Las compuertas núcleo no pueden contar con compuertas por default.
Desventajas
  • Conveniente sólo para redes administradas centralizadamente.
  • Las compuertas núclo deben almacenar toda la información de las rutas hacia las redes que conectan.
  • Complejidad de administración de acuerdo a la complejidad o cambios en la red.

Como se vio en la arquitectura de interconexión de redes de TCP/IP cada par de redes se conectan mediante compuertas. Para que los paquetes alcancen sus redes destino las compuertas deben contar con mecanismos mediante los cuales ntercambien la información de las redes que conecta cada uno.

En la Arquitectura de Enrutamiento por Compuerta Núcleo existe una compuerta que centraliza las funciones de enrutamiento entre redes, a esta compuerta se le denomina núcleo.

Cada compuerta en las redes a conectar tiene como compuerta por default a la compuerta núcleo. Varias compuertas núcleo pueden conetarse para formar una gran red; entre las compuertas núcleo se intercambiará información concerniente a las redes que cada una de ellas alcanzan.

La arquitectura centralizada de enrutamiento fue la primera que existió. Sus principales problemas radican no tanto en la arquitectura en sí, si no en la forma en que se propagaban las rutas entre las compuertas núcleo.


ENRUTAMIENTO ENTRE COMPUERTAS
Propagación automática de rutas
  • Establece algoritmos para el intercambio de información entre compuertas.
  • Contempla el hecho de que las redes son dinámicas.
  • No obliga a un esquema centralizado de ruteo.
  • Algoritmos principales: Vector de Distancia y Protocolo de conpueta a compuerta (GGP).

Conforme las complejidades de las redes aumentaron se debió buscar un mecanismo que propagace la información de rutas entre las compuertas. Este mecanismo debía ser automático esto obligado por el cambio dinámico de las redes. De no ser ásí las transiciones entre las compuertas podian ser muy lentas y no reflejar el estado de la red en un momento dado.


Vector de Distancia
  • Se asume que cada compuerta comienza su operación con un conjuto de reglas básicas de cómo alcanzar las redes que conecta.
  • Las rutas son almacenadas en tablas que indican la red y los saltos para alcanzar esa red.
  • Perdiodicamente cada compuerta envia una copia de las tablas que alcanza directamente.
  • Cuando una compuerta recibe el comunicado de la otra actualiza su tabla incrementando en uno el número de saltos.

Este concepto ayudó a definir que tantas compuertas debería viajar un paquete para alcanzar su red destino. Mediante el vector una compuerta podía saber a que otra compuerta enviar el paquete de información, sabiendo que ésta podria no ser la última compuerta por la que el paquete tendría que viajar. Este esquema permite tener varios caminos a una misma red, eligiendo el camino más corto, es decir aquella compuerta que con menos saltos conduzca a la red destino.


Protocolo de Control de Transferencia
  • Proporciona comunicación bidireccional completa mediante circuitos virtuales.
  • Desde el punto de vista del usuario la información es transmitida por flujos de datos.
  • Confiabilidad en la transmisión de datos por medio de:
    • Asignación de números de secuencia a la información segmentada.
    • Validaciones por suma.
    • Reconocimiento de paquetes recibidos.
    • Utiliza el principio de ventana deslizable para esperar reconocimientos y reenviar información.

Proporciona un mecanismo fiable para la transferencia de flujos de información. Aunque está íntimamente relacionado con IP TCP es un protocolo independiente de propósito general. Al ser un protocolo de alto nivel su función es que grandes volúmenes de información lleguen a su destino correctamente, pudiendo recobrar la pérdida esporádica de paquetes.


Fiabilidad en la transferencia de TCP
  • Cada vez que un paquete es enviado se inicializa un contador de tiempo, al alcanzar el tiempo de expiración, sin haber recibido el reconocimiento, el paquete se reenvía.
  • Al llegar el reconocimiento el tiempo de expiración se cancela.

A cada paquete que es enviado se le asigna un número de identificador, el equipo que lo recibe deberá enviar un reconocimiento de dicho paquete, lo que indicará que fue recibido. Si después de un tiempo dado el reconocimiento no ha sido recibido el paquete se volverá a enviar. Obsérvese que puede darse el caso en el que el reconocimiento sea el que se pierda, en este caso se reenviará un paquete repetido.


El concepto de la Ventana Deslizante
  • Se define un tamaño de la ventana, que serían el número de paquetes a enviar sin esperar reconocimiento de ellos.
  • Conforme se recibe el reconocimiento de los primeros paquetes transmitidos la ventana avanza de posición enviando los paquetes siguientes.
  • Los reconocimientos pueden recibirse en forma desordenada.

Si el protocolo sólo contara con reconocimientos positivos gran parte de la capacidad de la red estaría desperdiciada, pues no se enviarían más paquetes hasta recibir el reconocimiento del último paquete enviado. El concepto de ventana deslizante hace que exista una continua transmisión de información, mejorando el desempeño de la red.


Protocolo de Datagramas de Usuario
  • Proporciona de mecanismos primordiales para que programas de aplicación de se comuniquen con otros en computadoras remotas.
  • Utiliza el concepto de puerto para permitir que multiples conexiones accedan a un programa de aplicación.
  • Provee un servicio no confiable orientado a no conexión.
  • El programa de aplicación tiene la total responsabilidad del control de confiabilidad, mensajes duplicados o perdidos, retardos y paquetes fuera de orden.

Este protocolo deja al programa de aplicación a ser explotado la resposabilidad de una transmisión fiable. Con él puede darse el caso de que los paquetes se pierdan o bien no sean reconstruidos en forma adecuada. Permte un intercambio de datagramas más directo entre aplicaciones y puede elegirse para aquellas que no demanden una gran cantidad de datagramas para operar optimamente.