Introducción al enrutamiento y envió de paquetes
Introducción
Las redes hoy en día tienen mucho impacto en nuestras vidas, ya que cambian nuestra forma de vivir, trabajar y divertirnos. Las redes de computadoras permiten a las personas comunicarse, colaborar e interactuar de maneras totalmente novedosas. Utilizamos la red de distintas formas, entre ellas las aplicaciones Web, la telefonía IP, la videoconferencia, etc., En el centro de la red se encuentra el router, este es responsable de la entrega de paquetes a través de diferentes redes. El destino de un paquete IP puede ser un servidor Web en otro país, es responsabilidad de los routers entregar esos paquetes a su debido tiempo La efectividad de las comunicaciones de internetwork depende, en gran medida, de la capacidad de los routers de enviar paquetes de la manera más eficiente posible.
Además del envío de paquetes, un router también proporciona otros servicios. Para satisfacer las demandas de las redes actuales, los routers también se utilizan para lo siguiente:
- Aseguran la disponibilidad los 365 días del año, Para garantizar la posibilidad de conexión de la red, usan rutas alternativas en caso de que la ruta principal falle.
- Proveen servicios integrados de datos, video y voz en redes conectadas por cable o inalámbricas.
- Disminuye el impacto de gusanos, virus y otros ataques en la red al permitir o denegar el reenvío de paquetes.
Todos estos servicios se construyen en torno del router y de su responsabilidad principal de reenviar paquetes de una red a la siguiente.
Desarrollo
Los routers son computadoras
Un router es una computadora, al igual que cualquier otra computadora, el primer router fue utilizado por ARPANET, fue el Procesador de mensajes de interfaz (IMP).
Los routers tienen muchos de los mismos componentes de hardware y software que se encuentran en otras computadoras, entre ellos:
- CPU
- RAM
- ROM
- Sistema operativo
Los routers se encuentran en el centro de la red
Los usuarios esperan poder acceder a las páginas Web, enviar mensajes de correo electrónico y descargar música, ya sea si el servidor al que están accediendo está en su propia red o en otra red del otro lado del mundo. Un router conecta múltiples redes, esto es que tiene varias interfaces, cada una de las cuales pertenece a una red IP diferente. Cuando un router recibe un paquete IP en una interfaz, determina qué interfaz usar para enviar el paquete hacia su destino. La interfaz que usa el router para enviar el paquete puede ser la red del destino final del paquete, cada red a la que se conecta un router requiere una interfaz separada y estas interfaces se usan para conectar una combinación de Redes LAN y Redes WAN.
Los routers determinan la mejor ruta
La principal responsabilidad de un router es dirigir los paquetes destinados a redes locales y remotas al:
- Determinar la mejor ruta para enviar paquetes
- Enviar paquetes hacia su destino
El router usa su tabla de enrutamiento para determinar la mejor ruta para reenviar el paquete. Cuando el router recibe un paquete, examina su dirección IP de destino y busca la mejor coincidencia con una dirección de red en la tabla de enrutamiento del router, esta tabla de enrutamiento también incluye la interfaz que se utilizará para enviar el paquete. Cuando se encuentra una coincidencia, el router encapsula el paquete IP en la trama de enlace de datos de la interfaz de salida. Luego, el paquete se envía hacia su destino.
Los routers usan protocolos de rutas estáticas y de enrutamiento dinámico para aprender sobre redes remotas y construir sus tablas de enrutamiento.
Memoria y CPU del router
Al igual que una PC, un router también incluye:
- Unidad de procesamiento central (CPU)
- Memoria de acceso aleatorio (RAM)
- Memoria de sólo lectura (ROM)
CPU
La CPU ejecuta las instrucciones del sistema operativo, como el inicio del sistema, y las funciones de enrutamiento y conmutación.
RAM
La RAM almacena las instrucciones y los datos necesarios que la CPU debe ejecutar. La RAM se usa para almacenar estos componentes:
- Sistema operativo
- Archivo de configuración en ejecución
- Tabla de enrutamiento IP
- Caché ARP
- Búfer del paquete
La RAM es una memoria volátil y pierde su contenido cuando el router se apaga o reinicia.
ROM
La ROM es una forma de almacenamiento permanente. Los dispositivos Cisco usan la memoria ROM para almacenar:
- Instrucciones de bootstrap
- Software básico de diagnóstico
- Versión más básica del IOS
La ROM usa firmware, un software incorporado dentro del circuito integrado. El firmware incluye el software que normalmente no necesita modificarse ni actualizarse, como las instrucciones de inicio. La ROM no pierde sus contenidos cuando apaga o reinicia el router.
Memoria flash
La memoria flash es una memoria de computadora no volátil que puede borrarse y almacenarse eléctricamente. Usa como almacenamiento permanente para el sistema operativo, IOS de Cisco. En la mayoría de los routers Cisco, el IOS se almacena en forma permanente en la memoria flash y se copia en la RAM durante el proceso de arranque, donde entonces es ejecutado por la CPU. Esta memoria no pierde sus contenidos cuando se apaga o reinicia el router.
NVRAM
La NVRAM (RAM no volátil) no pierde su información cuando se desconecta la alimentación eléctrica. Esto se opone a las formas más comunes de RAM, como la DRAM, que requiere alimentación eléctrica continua para mantener su información. El IOS de Cisco usa la NVRAM como almacenamiento permanente para el archivo de configuración de inicio (startup-config).
Las memorias ROM, RAM, NVRAM y flash se analizan en la siguiente sección que introduce el IOS y el proceso de arranque. También se analizan con más profundidad en otro curso relacionado con la administración del IOS.
Sistema Operativo Internetwork
El software del sistema operativo que se usa en los routers Cisco se conoce como Sistema Operativo Internetwork (IOS) de Cisco. El IOS de Cisco es un sistema operativo multitarea que está integrado con las funciones de enrutamiento, conmutación, internetworking y telecomunicaciones.
Proceso de arranque del router
El proceso de arranque está conformado por cuatro etapas principales:
1. Ejecución de la 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.
2. Carga del programa bootstrap
La tarea principal del programa bootstrap es ubicar al IOS de Cisco y cargarlo en la RAM.
3. Ubicación y carga del software IOS de Cisco
Ubicación: El IOS normalmente se almacena en la memoria flash, pero también puede almacenarse en otros lugares como un servidor TFTP. Si no se puede encontrar una imagen IOS completa, se copia una versión más básica del IOS de la ROM a la RAM.
Carga: se copian el IOS en la RAM para que la CPU lo ejecute.
4. Ubicación y carga del archivo de configuración de inicio o ingreso al modo Setup
Ubicación: Después de cargar el IOS, el programa bootstrap busca en la NVRAM el archivo de configuración de inicio, conocido como startup-config. El archivo contiene los parámetros y comandos de configuración previamente guardados, entre ellos:
- direcciones de interfaz
- información de enrutamiento
- contraseñas
- cualquier otra configuración guardada por el administrador de red
Ejecución del archivo de configuración: Si se encuentra un archivo de configuración de inicio en la NVRAM, el IOS lo carga en la RAM como el running-config y ejecuta los comandos del archivo, de a una línea por vez.
Ingreso al modo Setup (opcional): Si no puede localizarse el archivo de configuración de inicio, el router indica al usuario que ingrese en el modo Setup. Este Setup no tiene como fin utilizarse para ingresar a configuraciones complejas del router y los administradores de red normalmente no lo usan.
Interfaces del router
Puertos de administración
Los routers tienen conectores físicos que se usan para administrar el router. Estos conectores se conocen como puertos de administración. A diferencia de las interfaces seriales y Ethernet, los puertos de administración no se usan para el envío de paquetes. El puerto de administración más común es el puerto de consola. Otro puerto de administración es el puerto auxiliar. No todos los routers cuentan con un puerto auxiliar.
Interfaces del router
Se refiere a un conector físico en el router cuyo principal propósito es recibir y enviar paquetes. Los routers tienen muchas interfaces que se usan para conectarse a múltiples redes. Las interfaces se conectan a distintos tipos de redes, lo cual significa que se necesitan distintos tipos de medios y conectores.
Las interfaces de router pueden dividirse en dos grupos principales:
- Interfaces LAN, como Ethernet y FastEthernet
- Interfaces WAN, como serial, ISDN y Frame Relay
Routers y capa de Red
El objetivo principal de un router es conectar múltiples redes y enviar paquetes destinados ya sea a sus propias redes o a otras redes. Se considera al router como un dispositivo de Capa 3 porque su decisión principal de envío se basa en la información del paquete IP de Capa 3, específicamente la dirección IP de destino. Este proceso se conoce como enrutamiento.
Los routers operan en las Capas 1, 2 y 3
El router puede enviar un paquete desde la interfaz adecuada hacia su destino después de examinar la dirección IP de destino del paquete y consultar su tabla de enrutamiento para tomar su decisión de envío. El router encapsula el paquete IP de Capa 3 en la porción de datos de una trama de enlace de datos de Capa 2 adecuada para la interfaz de salida. El tipo de trama puede ser una Ethernet, HDLC u otro tipo de encapsulación de Capa 2, cualquiera sea la encapsulación que se usa en esa interfaz específica. La trama de Capa 2 se codifica en señales físicas de Capa 1 que se usan para representar bits a través del enlace físico.
Implementación de esquemas de direccionamiento básicos
Cuando se diseña una nueva red o se hacen asignaciones en una red existente, es necesario documentar la red. Como mínimo, la documentación debe incluir un diagrama de topología que indique la conectividad física y una tabla de direccionamiento que mencione la siguiente información:
- Nombres de dispositivos,
- Interfaces usadas en el diseño,
- Direcciones IP y máscaras de subred, y
- Direcciones de gateway por defecto para dispositivos finales, como las PC.
Configuración básica del router
Cuando se configura un router, se realizan ciertas tareas básicas, tales como:
- Asignar un nombre al router,
- Configurar contraseñas,
- Configurar interfaces,
- Configurar un mensaje,
- Guardar cambios en un router y
- Verificar la configuración básica y las operaciones del router.
Introducción de la tabla de enrutamiento
La función principal de un router es enviar un paquete hacia su red de destino, que es la dirección IP de destino del paquete. Para hacerlo, el router necesita buscar la información de enrutamiento almacenada en su tabla de enrutamiento.
Enrutamiento estático
Las redes remotas se agregan a la tabla de enrutamiento mediante la configuración de rutas estáticas o la habilitación de un protocolo de enrutamiento dinámico. Cuando el IOS aprende sobre una red remota y la interfaz que usará para llegar a esa red, agrega la ruta a la tabla de enrutamiento siempre que la interfaz de salida esté habilitada.
Una ruta estática incluye la dirección de red y la máscara de subred de la red remota, junto con la dirección IP del router del siguiente salto o la interfaz de salida.
Enrutamiento dinámico
Las redes remotas también pueden agregarse a la tabla de enrutamiento utilizando un protocolo de enrutamiento dinámico.
Los routers usan protocolos de enrutamiento dinámico para compartir información sobre el estado y la posibilidad de conexión de redes remotas. Los protocolos de enrutamiento dinámico ejecutan varias actividades, entre ellas:
- Descubrimiento de redes
- Actualización y mantenimiento de las tablas de enrutamiento
Principios de la tabla de enrutamiento
1. Cada router toma su decisión en forma independiente, según la información de su propia tabla de enrutamiento.
2. El hecho de que un router tenga cierta información en su tabla de enrutamiento no significa que los otros routers tengan la misma información.
3. La información de enrutamiento sobre una ruta desde una red a otra no suministra información de enrutamiento sobre la ruta inversa o de regreso.
Campo de trama y paquete.
Los routers toman su principal decisión de envío al examinar la dirección IP de destino de un paquete. Antes de enviar un paquete desde la interfaz de salida correspondiente, el paquete IP debe ser encapsulado en una trama de enlace de datos de Capa 2.
Formato de paquete de Internet Protocol (IP)
El Internet Protocol especificado en RFC 791 define el formato de paquete IP. El encabezado del paquete IP tiene campos específicos que contienen información sobre el paquete y sobre los host emisores y receptores. La siguiente es una lista de los campos en el encabezado IP. Versión: número de versión (4 bits); la versión predominante es la IP versión 4 (IPv4)
Longitud del encabezado IP: longitud del encabezado en palabras de 32 bits (4 bits)
Prioridad y tipo de servicio: cómo debe administrarse el datagrama (8 bits); los primeros 3 bits son bits de prioridad (este uso ha sido reemplazado por el Punto de código de servicios diferenciados [Differentiated Services Code Point, DSCP], que usa los primeros 6 bits [se reservan los últimos 2])
Longitud del paquete: longitud total (encabezado + datos) (16 bits)
Identificación: valor único del datagrama IP (16 bits)
Señalizadores: controlan la fragmentación (3 bits)
Desplazamiento de fragmentos: admite la fragmentación de datagramas para permitir diferentes unidades máximas de transmisión (MTU) en Internet (13 bits)
Período de vida (TTL): identifica cuántos routers puede atravesar el datagrama antes de ser descartado (8 bits)
Protocolo: protocolo de capa superior que envía el datagrama (8 bits)
Checksum del encabezado: verificación de integridad del encabezado (16 bits)
Dirección IP de origen: dirección IP de origen de 32 bits (32 bits)
Dirección IP de destino: dirección IP de destino de 32 bits (32 bits)
Opciones de IP: pruebas de red, depuración, seguridad y otras (0 ó 32 bits, si corresponde)
La trama de enlace de datos de Capa 2 normalmente contiene información del encabezado con una dirección de origen y de destino del enlace de datos, información del tráiler y los datos reales transmitidos. Tanto la interfaz del enlace de datos de origen como la de destino se encuentran en la misma red. Cuando un paquete se envía de un router a otro, las direcciones IP de origen y destino de Capa 3 no cambiarán; sin embargo, sí lo harán las direcciones de enlace de datos de origen y destino de Capa 2.
Nota: Cuando se usa NAT (Traducción de direcciones de red), la dirección IP de destino cambia, pero este proceso no tiene importancia para IP y es un proceso que se realiza dentro de la red de una empresa.
El paquete IP de Capa 3 está encapsulado en la trama de enlace de datos de Capa 2 asociada con esa interfaz.
- Preámbulo: siete bytes que alternan 1 y 0, utilizados para sincronizar señales
- Delimitador de inicio de trama (SOF): 1 byte que señala el comienzo de la trama
- Dirección de destino: dirección MAC de 6 bytes del dispositivo emisor en el segmento local
- Dirección de origen: dirección MAC de 6 bytes del dispositivo receptor en el segmento local
- Tipo/longitud: 2 bytes que especifican ya sea el tipo de protocolo de capa superior (formato de trama de EthernetII) o la longitud del campo de datos (formato de trama IEEE 802.3)
- Datos y Pad: de 46 a 1500 bytes de datos; ceros utilizados para completar cualquier paquete de datos de menos de 46 bytes
La métrica y la mejor ruta
La mejor ruta
La identificación de la mejor ruta de un router implica la evaluación de múltiples rutas hacia la misma red de destino y la selección de la ruta óptima o "la más corta" para llegar a esa red. La mejor ruta es elegida por un protocolo de enrutamiento en función del valor o la métrica que usa para determinar la distancia para llegar a esa red. Algunos protocolos de enrutamiento, como RIP, usan un conteo de saltos simple, que consiste en el número de routers entre un router y la red de destino. Otros protocolos de enrutamiento, como OSPF, determinan la ruta más corta al analizar el ancho de banda de los enlaces y al utilizar dichos enlaces con el ancho de banda más rápido desde un router hacia la red de destino.
El objetivo principal del protocolo de enrutamiento es determinar las mejores trayectorias para cada ruta a fin de incluirlas en la tabla de enrutamiento.
Dos de las métricas que usan algunos protocolos de enrutamiento dinámicos son:
- Conteo de saltos: cantidad de routers que debe atravesar un paquete antes de llegar a su destino. Cada router es igual a un salto. Un conteo de saltos de cuatro indica que un paquete debe atravesar cuatro routers para llegar a su destino.
- Ancho de banda: es la capacidad de datos de un enlace, a la cual se hace referencia a veces como la velocidad del enlace.
Balanceo de carga del mismo costo
Cuando un router tiene múltiples rutas hacia una red de destino y el valor de esa métrica (conteo de saltos, ancho de banda, etc.) es el mismo, esto se conoce como métrica de mismo costo, y el router realizará un balanceo de carga de mismo costo. La tabla de enrutamiento tendrá la única red de destino pero mostrará múltiples interfaces de salida, una para cada ruta del mismo costo. El router enviará los paquetes utilizando las múltiples interfaces de salida en la tabla de enrutamiento.
El envío de paquetes supone dos funciones:
Función de determinación de ruta
Función de conmutación
La función de determinación de ruta es el proceso según el cual el router determina qué ruta usar cuando envía un paquete. Para determinar la mejor ruta, el router busca en su tabla de enrutamiento una dirección de red que coincida con la dirección IP de destino del paquete.
Red conectada directamente: si la dirección IP de destino del paquete pertenece a un dispositivo en una red que está directamente conectado a una de las interfaces del router, ese paquete se envía directamente a ese dispositivo. Esto significa que la dirección IP de destino del paquete es una dirección host en la misma red que la interfaz de este router.
Red remota: si la dirección IP de destino del paquete pertenece a una red remota, entonces el paquete se envía a otro router. Las redes remotas sólo se pueden alcanzar mediante el envío de paquetes a otro router.
Sin determinación de ruta: si la dirección IP de destino del paquete no pertenece ya sea a una red conectada o remota, y si el router no tiene una ruta por defecto, entonces el paquete se descarta. El router envía un mensaje ICMP de destino inalcanzable a la dirección IP de origen del paquete.
Función de conmutación
¿Qué hace un router cuando recibe un paquete desde una red y está destinado a otra red? El router ejecuta los tres siguientes pasos principales:
1. Des encapsula el paquete de Capa 3 al quitar el tráiler y el encabezado de trama de Capa 2.
2. Examina la dirección IP de destino del paquete IP para encontrar la mejor ruta en la tabla de enrutamiento.
3. Encapsula el paquete de Capa 3 en una nueva trama de Capa 2 y envía la trama desde la interfaz de salida.
Paso 1: La PC1 debe enviar un paquete a la PC2
La PC1 encapsula el paquete IP en una trama de Ethernet con la dirección MAC de destino de la interfaz FastEthernet 0/0 de R1.
Paso 2: El router R1 recibe la trama Ethernet
1. El router R1 examina la dirección MAC de destino, que coincide con la dirección MAC de la interfaz receptora, FastEthernet 0/0. Por lo tanto, R1 copiará la trama en su búfer.
2. R1 observa que el campo Tipo de Ethernet es 0x800, lo cual significa que la trama de Ethernet contiene un paquete IP en la porción de datos de la trama.
3. R1 desencapsula la trama de Ethernet.
4. Dado que la dirección IP de destino del paquete no coincide con ninguna de las redes de R1 conectadas directamente, el router consulta su tabla de enrutamiento para enrutar este paquete. R1 busca una dirección de red y una máscara de subred en la tabla de enrutamiento que incluya la dirección IP de destino de este paquete como una dirección host en esa red. En este ejemplo, la tabla de enrutamiento tiene una ruta para la red 192.168.4.0/24. La dirección IP de destino del paquete es 192.168.4.10, que es una dirección IP host en esa red.
La ruta de R1 hacia la red 192.168.4.0/24 tiene una dirección IP del siguiente salto de 192.168.2.2 y una interfaz de salida de FastEthernet 0/1. Esto significa que el paquete IP se encapsulará en una nueva trama de Ethernet con la dirección MAC de destino de la dirección IP del router del siguiente salto. Debido a que la interfaz de salida se encuentra en una red Ethernet, R1 debe resolver la dirección IP del siguiente salto con una dirección MAC de destino.
5. R1 busca la dirección IP del siguiente salto de 192.168.2.2 en su caché ARP para su interfaz FastEthernet 0/1. Si la entrada no se encuentra en el caché ARP, R1 envía una solicitud de ARP desde su interfaz FastEthernet 0/1. R2 envía a cambio una respuesta ARP. Luego, R1 actualiza su caché ARP con una entrada para 192.168.2.2 y la dirección MAC asociada.
6. El paquete IP ahora se encapsula en una nueva trama de Ethernet y se envía desde la interfaz FastEthernet 0/1 de R1.
Paso 3: El paquete llega al router R2
1. El router R2 examina la dirección MAC de destino, que coincide con la dirección MAC de la interfaz receptora,
Fast Ethernet 0/0. Por lo tanto, R1 copiará la trama en su búfer.
2. R2 observa que el campo Tipo de Ethernet es 0x800, lo cual significa que la trama de Ethernet contiene un paquete IP en la porción de datos de la trama.
3. R2 des encapsula la trama de Ethernet.
4. Dado que la dirección IP de destino del paquete no coincide con ninguna de las direcciones de interfaz de R2, el router consulta su tabla de enrutamiento para enrutar este paquete. R2 busca la dirección IP de destino del paquete en la tabla de enrutamiento utilizando el mismo proceso que siguió R1.
5. El paquete IP se encapsula ahora en una nueva trama de enlace de datos, PPP, y se envía desde la interfaz de salida serial 0/0/0.
Paso 4: El paquete llega a R3.
1. R3 recibe y copia la trama PPP de enlace de datos en su búfer.
2. R3 desencapsula la trama PPP de enlace de datos.
3. R3 busca la dirección IP de destino del paquete en la tabla de enrutamiento. El resultado de búsqueda en la tabla de enrutamiento es una de las redes de R3 conectadas directamente. Esto significa que el paquete puede enviarse directamente al dispositivo de destino y no es necesario enviarlo a otro router. Dado que la interfaz de salida es una red Ethernet conectada directamente, R3 debe resolver la dirección IP de destino del paquete con una dirección MAC de destino.
4. R3 busca la dirección IP de destino del paquete de 192.168.4.10 en su caché ARP. Si la entrada no se encuentra en el caché ARP, R3 envía una solicitud de ARP desde su interfaz FastEthernet 0/0. La PC2 envía a cambio una respuesta ARP con su dirección MAC. R3 actualiza su caché ARP con una entrada para 192.168.4.10 y la dirección MAC recibida en la respuesta ARP.
5. El paquete IP se encapsula en una nueva trama de enlace de datos Ethernet y se envía desde la interfaz FastEthernet 0/0 de R3.
Paso 5: La trama de Ethernet llega a la PC2 con el paquete IP encapsulado.
2. La PC2 observa que el campo Tipo de Ethernet es 0x800, lo cual significa que la trama de Ethernet contiene un paquete IP en la porción de datos de la trama.
3. La PC2 desencapsula la trama de Ethernet y envía el paquete IP al proceso IP de su sistema operativo.
Conclusiones
Los routers son computadoras e incluyen muchos de los componentes de hardware y software que se encuentran en una PC típica, como por ejemplo CPU, RAM, ROM y un sistema operativo.
El objetivo principal de un router es conectar múltiples redes y enviar paquetes desde una red a la siguiente. El router tiene una tabla de enrutamiento, que es una lista de redes conocidas por el router. La tabla de enrutamiento incluye direcciones de red para sus propias interfaces que son las redes conectadas directamente, además de direcciones de red para redes remotas.
Los routers toman su decisión principal de envío en la Capa 3, la capa de Red. Sin embargo, las interfaces del router participan en las Capas 1, 2 y 3. Los paquetes IP de Capa 3 se encapsulan en una trama de enlace de datos de Capa 2 y se codifican en bits en la Capa 1. Las interfaces del router participan en procesos de Capa 2 asociados con la encapsulación. Por ejemplo, una interfaz Ethernet en un router participa en el proceso ARP como otros hosts en esa LAN.
