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Capa de Red

La Capa de Red provee principalmente los servicios de envío, enrutamiento(routing) y control de congestionamiento de los datos (paquetes de datos) de un nodo a otro en la red, esta es la capa más inferior en cuanto a manejo de transmisiones punto a punto.

El propósito de esta capa es el de formar una interfase entre los usuarios de una máquina y la red, esto es, la red es controlada por esta capa y las 2 primeras.

Los servicios que se proveen deberán ser independientes de la tecnologia de soporte.

El diseño de la capa no debe evitar el conectar dos redes con diferentes tecnologias.

La capa de Transporte debe de estar protegida del número, tipo y las diferentes topologias que se utilizen en la subred.

Todo lo que a esta capa le interesa es un camino de comunicación y no la forma en que este se construye.

Se necesita presentar un esquema de direccionamiento para direcciones de la red.

IPv4

El Protocolo de Internet versión 4, en inglés: Internet Protocol version 4 (IPv4), es la cuarta versión del Internet Protocol (IP). Es uno de los protocolos centrales de los métodos estándares de interconexión de redes basados en Internet, y fue la primera versión implementada para la producción de ARPANET, en 1983. IPv4 usa direcciones de 32 bits, limitándola a ${\displaystyle 2^{32}}$ = 4 294 967 296 direcciones únicas, muchas de las cuales están dedicadas a redes locales (LAN).Por el crecimiento enorme que ha tenido Internet (mucho más de lo que esperaba, cuando se diseñó IPv4), combinado con el hecho de que hay desperdicio de direcciones en muchos casos (ver abajo), ya hace varios años se vio que escaseaban las direcciones IPv4

Esta limitación ayudó a estimular el impulso hacia IPv6, que a 2016 está en las primeras fases de implantación, y se espera que termine reemplazando a IPv4.

Las direcciones disponibles en la reserva global de IANA pertenecientes al protocolo IPv4 se agotaron oficialmente el lunes 31 de enero de 2011.² Los Registros Regionales de Internet deben, desde ahora, manejarse con sus propias reservas, que se estima, alcanzaran hasta el 2020.

Función de los campos de encabezado 

Los encabezados de paquetes IPV4 constan de campos que contienen información importante sobre el paquete. Estos campos contienen números binarios que se examinan en el proceso de capa 3. Los valores binarios de cada campo identifican las distintas configuraciones del paquete IP.

Los campos importantes del encabezado de IPv4 incluyen los siguientes:

• Versión: contiene un valor binario de 4 bits que identifica la versión del paquete IP. Para los paquetes IPv4, este campo siempre se establece en 0100.

• Servicios diferenciados (DS): anteriormente denominado “Tipo de servicio” (ToS), se trata de un campo de 8 bits que se utiliza para determinar la prioridad de cada paquete. Los primeros 6 bits identifican el valor del Punto de código de servicios diferenciados (DSCP), utilizado por un mecanismo de calidad de servicio (QoS). Los últimos 2 bits identifican el valor de Notificación explícita de congestión (ECN), que se puede utilizar para evitar que los paquetes se descarten durante momentos de congestión de la red.

• Tiempo de vida (TTL): contiene un valor binario de 8 bits que se utiliza para limitar la vida útil de un paquete. Se especifica en segundos, pero comúnmente se denomina “conteo de saltos”. El emisor del paquete establece el valor inicial de tiempo de vida (TTL), el que disminuye un punto por cada salto, es decir, cada vez que el paquete es procesado por un router. Si el campo TTL disminuye a cero, el router descarta el paquete y envía un mensaje del protocolo de mensajes de control de Internet (ICMP) de Tiempo superado a la dirección IP de origen. El comando traceroute utiliza este campo para identificar los routers utilizados entre el origen y el destino.

• Protocolo: este valor binario de 8 bits indica el tipo de contenido de datos que transporta el paquete, lo que permite que la capa de red pase los datos al protocolo de capa superior correspondiente. Los valores comunes incluyen ICMP (1), TCP (6) y UDP (17).

• Dirección IP de origen: contiene un valor binario de 32 bits que representa la dirección IP de origen del paquete.

• Dirección IP de destino: contiene un valor binario de 32 bits que representa la dirección IP de destino del paquete.

Los dos campos que más comúnmente se toman como referencia son las direcciones IP de origen y de destino. Estos campos identifican de dónde proviene el paquete y adónde va. Por lo general, estas direcciones no se modifican durante la transferencia desde el origen hasta el destino.

Tabla de Enrutamiento

En este capítulo conoceremos a fondo la tabla de enrutamiento , comprenderemos como es su estructura y formato además el proceso de búsqueda que realiza el router sobre la tabla de enrutamiento.

La tabla de enrutamiento consta consta de entradas de ruta de los siguientes origenes:

• Redes conectadas directamente.
• Rutas estáticas.
• Protocolos de enrutamiento dinámico.

Podemos visualizar el contenido de la tabla mediante el comando show ip route.

La tabla de enrutamiento, en realidad, es una estructura jerárquica que se usa para acelerar el proceso de búsqueda cuando se ubican rutas y se reenvían paquetes. Dentro de esta estructura, la jerarquía incluye varios niveles (nivel 1 y nivel 2).

Ruta de nivel 1

Una ruta de nivel 1 es aquella ruta con una máscara de subred igual o inferior a la máscara con clase de la dirección de red.

EJ 192.168.1.0 /24 es una ruta de red de nivel 1 por que la máscara de subred es igual a la máscara con clase de la red.

También la ruta 192.168.1.0 /24 es una ruta final ya que incluye una dirección IP del siguiente salto y/o una interfaz de salida Serial0/0/1.

Ruta Principal de nivel 1

Es una ruta de red que no contiene ninguna direccion IP del siguiente salto ni ninguna interfaz de salida para ninguna red. Una ruta principal es, en realidad, un encabezado que indica la presencia de rutas de nivel 2, también conocidas como rutas secundarias.

EJ: 172.16.0.0/24 is subnetted, 1 subnets.

Ruta de nivel 2

Es una ruta que es una subred de una dirección con clase. El origen de una ruta nivel 2 puede ser una red conectada directamente, una ruta estática o un protocolo de enrutamiento dinámico. En este caso, la ruta de nivel 2 es la ruta de subred real que se agregó a la red cuando se configuro la interfaz.

EJ C 172.16.3.0 is directuly connected, FastEthernet0/0

Componentes de un router

Los componentes básicos de la arquitectura interna de un router comprenden: CPU: La unidad central de procesamiento. (CPU) ejecuta las instrucciones del sistema operativo. Estas funciones incluyen la inicialización del sistema, las funciones de enrutamiento y el control de la interfaz de red. La CPU es un microprocesador. Los grandes routers pueden tener varias CPU.
RAM: La memoria de acceso aleatorio (RAM) se usa para la información de las tablas de enrutamiento, el caché de conmutación rápida, la configuración actual y las colas de paquetes. En la mayoría de los routers, la RAM proporciona espacio de tiempo de ejecución para el software IOS de Cisco y sus subsistemas. El contenido de la RAM se pierde cuando se apaga la unidad. En general, la RAM es una memoria de acceso aleatorio dinámica (DRAM) y puede actualizarse agregando más Módulos de memoria en línea doble (DIMM).
Memoria flash: La memoria flash se utiliza para almacenar una imagen completa del software IOS de Cisco. Normalmente el router adquiere el IOS por defecto de la memoria flash. Estas imágenes pueden actualizarse cargando una nueva imagen en la memoria flash. El IOS puede estar comprimido o no. En la mayoría de los routers, una copia ejecutable del IOS se transfiere a la RAM durante el proceso de arranque. En otros routers, el IOS puede ejecutarse directamente desde la memoria flash. Agregando o reemplazando los Módulos de memoria en línea simples flash (SIMMs) o las tarjetas PCMCIA se puede actualizar la cantidad de memoria flash.
NVRAM: La memoria de acceso aleatorio no volátil (NVRAM) se utiliza para guardar la configuración de inicio. En algunos dispositivos, la NVRAM se implementa utilizando distintas memorias de solo lectura programables, que se pueden borrar electrónicamente (EEPROM). En otros dispositivos, se implementa en el mismo dispositivo de memoria flash desde donde se cargó el código de arranque. En cualquiera de los casos, estos dispositivos retienen sus contenidos cuando se apaga la unidad.
Buses: La mayoría de los routers contienen un bus de sistema y un bus de CPU. El bus de sistema se usa para la comunicación entre la CPU y las interfaces y/o ranuras de expansión. Este bus transfiere los paquetes hacia y desde las interfaces.
La CPU usa el bus para tener acceso a los componentes desde el almacenamiento del router. Este bus transfiere las instrucciones y los datos hacia o desde las direcciones de memoria especificadas.
ROM: La memoria de solo lectura (ROM) se utiliza para almacenar de forma permanente el código de diagnóstico de inicio (Monitor de ROM). Las tareas principales de la ROM son el diagnóstico del hardware durante el arranque del router y la carga del software IOS de Cisco desde la memoria flash a la RAM. Algunos routers también tienen una versión más básica del IOS que puede usarse como fuente alternativa de arranque. Las memorias ROM no se pueden borrar. Sólo pueden actualizarse reemplazando los chips de ROM en los tomas.
Interfaces: Las interfaces son las conexiones de los routers con el exterior. Los tres tipos de interfaces son la red de área local (LAN), la red de área amplia (WAN) y la Consola/AUX. Las interfaces LAN generalmente constan de uno de los distintos tipos de Ethernet o Token Ring. Estas interfaces tienen chips controladores que proporcionan la lógica necesaria para conectar el sistema a los medios. Las interfaces LAN pueden ser configuraciones fijas o modulares.
Las interfaces WAN incluyen la Unidad de servicio de canal (CSU) integrada, la RDSI y la serial. Al igual que las interfaces LAN, las interfaces WAN también cuentan con chips controladores para las interfaces. Las interfaces WAN pueden ser de configuraciones fijas o modulares.
Los puertos de Consola/AUX son puertos seriales que se utilizan principalmente para la configuración inicial del router. Estos puertos no son puertos de networking. Se usan para realizar sesiones terminales desde los puertos de comunicación del computador o a través de un módem.
Fuente de alimentación: La fuente de alimentación brinda la energía necesaria para operar los componentes internos. Los routers de mayor tamaño pueden contar con varias fuentes de alimentación o fuentes modulares. En algunos de los routers de menor tamaño, la fuente de alimentación puede ser externa al router.



Las interfaces del router se pueden agrupar en dos categorías:

• Interfaces LAN Ethernet: se utilizan para conectar cables que terminan en dispositivos LAN, como PC y switches. La interfaz también puede utilizarse para conectar routers entre sí. Existen varias convenciones de nomenclatura de uso frecuente para las interfaces Ethernet: Ethernet antigua, FastEthernet y Gigabit Ethernet. El nombre utilizado depende del tipo y el modelo de dispositivo.

• Interfaces WAN seriales: se utilizan para conectar routers a redes externas, generalmente a una distancia geográfica más extensa. Al igual que las interfaces LAN, cada interfaz WAN serial tiene su propia dirección IP y su máscara de subred, que la identifican como miembro de una red específica.

En la ilustración, se muestran las interfaces LAN y seriales del router.

El proceso de arranque consta de tres fases principales:
1. Llevar a cabo el POST y cargar el programa bootstrap.
2. Localizar y cargar el software Cisco IOS.
3. Localizar y cargar el archivo de configuración de inicio o ingresar al modo Setup.

1. Llevar a cabo el POST y cargar el programa bootstrap

La prueba de Autodiagnóstico al encender (POST, Power-On Self Test) es un proceso común que ocurre en casi todas las computadoras durante el arranque. El proceso de 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. Durante este autodiagnóstico, el router ejecuta desde la ROM diagnósticos de varios componentes de hardware, incluidos la CPU, la RAM y la NVRAM. Una vez finalizado el POST, el router ejecuta el programa bootstrap.

Después del POST, el programa bootstrap se copia de la ROM a la RAM. Una vez en la RAM, la CPU ejecuta las instrucciones del programa bootstrap. La tarea principal del programa bootstrap es ubicar al Cisco IOS y cargarlo en la RAM.

Nota: en este momento, si existe una conexión de consola al router, comienzan a aparecer resultados en pantalla.

2. Localizar y cargar Cisco IOS

Por lo general, el IOS se almacena en la memoria flash y se copia en la RAM para que lo ejecute la CPU. Durante la autodescompresión del archivo de imagen de IOS, se muestra una cadena de símbolos de almohadilla (#).

Si la imagen de IOS no se encuentra en la memoria flash, el router puede buscarla con un servidor TFTP. Si no se puede localizar una imagen de IOS completa, se copia una versión reducida del IOS de la ROM a la RAM. Esta versión del IOS se usa para ayudar a diagnosticar cualquier problema y puede usarse para cargar una versión completa del IOS en la RAM.

3. Localizar y cargar el archivo de configuración

A continuación, el programa bootstrap busca el archivo de configuración de inicio (también conocido como “startup-config”) en la NVRAM. El archivo contiene los parámetros y comandos de configuración guardados anteriormente. Si existe, se copia en la RAM como archivo de configuración en ejecución o “running-config”. El archivo running-config contiene direcciones de interfaz, inicia los procesos de enrutamiento, configura las contraseñas del router y define otras características del dispositivo.

Si el archivo startup-config no existe en la NVRAM, el router puede buscar un servidor de protocolo trivial de transferencia de archivos (TFTP). Si el router detecta que tiene un enlace activo a otro router configurado, envía un broadcast en busca de un archivo de configuración a través del enlace activo.

Si no se encuentra un servidor TFTP, el router muestra la petición de entrada del modo Setup. El modo Setup consiste en una serie de preguntas que solicitan al usuario información de configuración básica. El modo Setup no tiene como fin utilizarse para ingresar a configuraciones complejas del router y los administradores de red normalmente no lo usan.