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Redes, protocolos e Internet {#redes_protocolos_e_internet}

Las redes de computadores constan de medios de transmisión (e.g cables), dispositivos (e.g tarjetas de red) y programas (e.g pila TCP/IP del kernel) que permiten transmitir información entre computadores. Pueden clasificarse de acuerdo al tamaño (WAN de cobertura amplia como un país, MAN de cobertura metropolitana o LAN para edificios o salones) o de acuerdo a la estructura de sus protocolos (e.g el modelo OSI que consta de 7 capas de protocolos: física, enlace, red, transporte, sesión, presentación y aplicación), o de acuerdo a la distribución física de los medios de transmisión y dispositivos (e.g estrella, bus).

LAN es acrónimo de Local Area Network, con este término se hace referencia a redes pequeñas (comúnmente menos de 100 computadores) cuyos computadores están generalmente en un mismo espacio físico. Los principales usos de una red LAN son:

  • Compartir información distribuida en los discos duros o medios de almacenamiento de cada computador.

  • Emplear recursos de un computador desde otro, o recursos conectados en red (por ejemplo una impresora).

  • Compartir una conexión a Internet.

  • Conformar una Intranet con servicios como correo, web, ftp, news.

Un protocolo 1 es una serie de reglas que indican cómo debe ocurrir una comunicación entre dos computadores de una red; las reglas de un protocolo son seguidas por programas que se ejecutan en los computadores interconectados. Su computador puede tener procesos activos que esperan conexiones de otros computadores o procesos para iniciar protocolos (por ejemplo con ps -ax es posible que vea: sshd, inetd, httpd, postgres). A estos programas, que esperan conexiones, se les llama servicios2. Usted puede iniciar un protocolo con otro computador empleando el programa cliente adecuado, por ejemplo el cliente ping con:

    ping 127.0.0.1

iniciará el protocolo de ping (ICMP, ECHO_REQUEST) con el computador con dirección IP 127.0.0.1 (su propio computador), un programa de su computador estará pendiente de conexiones de este tipo y seguirá el protocolo3.

Dado que estamos en paso de IPv4 a IPv6 también mencionamos que el mismo ejemplo con IPv6 (y protocolo ICMP6) es:

    ping6 ::1

Y que como en IPv6 es común que una misma interfaz de red tenga muchas direcciones IPv6 también se puede usar la dirección de enlace local (link-local address) `fe80::1%lo0%.

    ping6  fe80::1%lo0

Las direcciones de enlace local siempre comienzan con fe80 sólo se usan en redes de área local y son útiles en el proceso de auto-configuración IPv6.

Internet es una red mundial de redes que están interconectadas vía satélite, por cables submarinos, fibra óptica y muchos otros medios de transmisión financiados por estados y organizaciones. Las heterogeneidad de las redes que interconecta (e.g una LAN de un colegio con Linux, una LAN de una ONG con OpenBSD, una WAN de un banco con X.25) es superada con los protocolos TCP/IP. Para facilitar la conexión de una LAN a Internet, en esta sección se presenta una introducción a los aspectos de redes de Internet; los temas introducidos serán tratados en detalle en otras secciones aplicándolos especialmente al caso de redes Ethernet (ver xref, xref y xref).

Internet {#Internet}

Hay muchas personas que aportan su trabajo (muchos de forma voluntaria) para mantener Internet en funcionamiento, para solucionar problemas que ocurren y para planear su futuro. Quienes dirigen el rumbo de Internet están organizados en comités encargados de diversas actividades:

IETF Internet Engineering Task Force

: Compuesta enteramente de voluntarios autoorganizados que colaboran en la ingeniería requerida para la evolución de Internet, es decir identifican problemas y proponen soluciones. Quien lo desee puede participar, asistir a las reuniones, ayudar a dar forma o proponer estándares. La IETF recibe borradores (Internet Draft) de autores que renuncian al control del protocolo que proponen. Tras refinamiento estos borradores pueden llegar a ser RFC (Request for Comment) de uno de estos tipos: estándar propuesto, protocolo experimental, documento informativo o estándar histórico. Un estándar propuesto puede después convertirse en borrador de estándar y en casos muy contados en estándar de Internet.

ISOC Internet Society

: Organización sin ánimo de lucro, da soporte legal y financiero a otros grupos.

IESG Internet Engineering Steering Group

: Ratifica o corrige estándares propuestos por la IETF.

IAB Internet Architecture Board

: Planeación a largo plazo y coordinación entre las diversas áreas.

IANA Internet Assigned Numbers Authority

: Mantienen registros de diversos nombres y números asignados a organizaciones. Es financiado por ICANN (Internet Corporation for Assigned Names and Numbers).

LACNIC Registro de Direcciones de Internet para América Latina y Caribe

: Es responsable de la asignación y administración de los recursos de numeración de Internet (IPv4, IPv6), Números Autónomos y Resolución Inversa, entre otros recursos para la región de América Latina y el Caribe. Es uno de los 5 Registros Regionales de Internet en el mundo.

La interconexión de las redes conectadas a Internet y su mantenimiento se basa en el protocolo IP, que asigna a cada red y a cada computador un número único (dirección IP) que permite identificarlo y enviarle información.

La asignación de direcciones IP4 es manejada por IANA, que a su vez la ha delegado a registros en diversas regiones. La región de América Latina es manejada por el registro LACNIC, que recibe solicitudes para asignar bloques a proveedores de servicio a Internet (ISP) o usuarios, estos proveedores deben contar con la infraestructura para conectar sus computadores a Internet (e.g con cables submarinos, vía satélite) y a su vez ofrecen bloques de direcciones y conexión a otros proveedores o a usuarios.

Dada que la comunicación de dos computadores es un proceso complejo (aún más dada la variedad de redes conectadas a Internet), además de una basta infraestructura física, Internet se basa en varios protocolos que siguen todos los computadores y enrutadores conectados. Algunos de estos protocolos dependen de otros, dando lugar a varias capas de protocolos: aplicación, transporte, Internet, enlace5. El siguiente diagrama presenta algunos protocolos en las diversas capas de una red TCP/IP sobre una red física Ethernet o sobre una conexión con módem:

Capa de aplicación:
     Protocolos de usuario                FTP Telnet  ssh   http   SMTP ...
                                           |     |     |      |    |
     Protocolos de soporte      DNS  BGP   |     |     |      |    |
                               |   \  |    |     |     |      |    |
Capa de transporte             UDP   TCP --------------------------
                                \  /
Capa de Internet (red):        IP -  ICMP
                               ___|___
                              /       \
Capa de enlace:             ARP        PPP         OSPF
                             |          |
Capa física:           Ethernet     Modem
                        |              |
                     Par trenzado    Línea telef.

Capas de una red TCP/IP sobre algunos medios físicos

Capa física

Se refiere a las conexiones eléctricas y mecánicas de la red. Ejemplos de protocolos a este nivel son: Ethernet, Inalámbrico IEEE 802.11, Modem y fibra óptica. La información por transmitir se codifica en últimas como una señal eléctrica que debe transmitirse por cables o como una señal electromagnética (luz, ondas). En medios de transmisión compartidos por más computadores (Ethernet, fibra óptica, aire), el protocolo de este nivel debe tener en cuenta: codificación/decodificación de información del bus al medio de transmisión y arbitrar en caso de colisión de datos. Este tipo de protocolos es implementado por hardware, comúnmente por una tarjeta o dispositivo dedicado que se debe conectar al bus de cada computador. Las tarjetas de los computadores que se comunican se conectan empleando el medio de transmisión. OpenBSD, a nivel físico soporta dispositivos ethernet, fddi (fibra óptica) y conexiones inalámbricas. En caso particular de Ethernet, existen en el momento de este escrito estándares para 10Mbps, 100Mbps, 1Gbps y 10Gbps, que se emplean en topología de estrella (i.e. todos los computadores conectados por cables de pares trenzados a un concentrador), puede configurarse como Half-duplex o como Full-Duplex. Describiremos el uso del esquema más popular y económico en este momento: 1000Mbps, Full-duplex con cable de pares trenzados 6. Cada tarjeta Ethernet tiene una dirección única (llamada dirección MAC), que en una transmisión permite indicar tarjeta fuente y tarjeta destino (la dirección MAC de ambos es transmitida también).

Capa de enlace

Los protocolos de esta capa permiten interconectar la capa de internet (IP) con la red que se use.

En el caso de una red Ethernet e IPv4 se trata del protocolo ARP7, que se encarga de traducir direcciones IPv4 a direcciones MAC 8.

Cada vez que un computador de una LAN identifica una dirección IPv4 de otro computador conectado a la LAN y su correspondiente dirección ARP, almacena la información en una tabla (se borra automáticamente después de algunos minutos o manualmente por ejemplo con doas arp -d 192.168.2.2). Dicha tabla puede consultarse con

	arp -a

Para monitorear una red Ethernet e IPv4 y detectar nuevos computadores que se conecten, puede emplearse el programa arpwatch (paquete arpwatch) que cada vez que detecta cambios envía un correo a la cuenta root.

En el caso de IPv6 y Ethernet se emplea el protocolo NDP (Neighbor Discovery Protocol). Puede examinarse la tabla de vecinos con ndp -a

En el caso de una conexión por modem el protocolo es PPP9, que se encarga de establecer, terminar y verificar la conexión. Durante la conexión autentica el computador que se conecta ante el servidor (bien con el protocolo PAP o con CHAP) y durante la operación prepara los paquetes enviados por otros protocolos (como IP) para transmitirlos por modem.

Cuando al interior de una organización (o sistema autonomo) hay diversas LANs que requieren decisiones de enrutamiento puede emplearse OSPF.

Capa de internet

En esta capa la información es fragmentada y enviada empleando el protocolo de la capa física. Los protocolos de esta capa deben tener en cuenta la retransmisión de la información en caso de error al enviar y el verificar información recibida. En esta capa está el Internet Protocol (IP) que es un protocolo diseñado para Internet y del cual hay dos versiones: IPv4 e IPv6 (ver 10).

IPv4 e IPv6 permiten la transmisión de paquetes (llamados datagramas) en redes donde cada computador interconectado se identifica con una dirección única. Tales direcciones están diseñadas para interconectar varias redes, identificar los computadores que pertenecen a una red (empleando una máscara de red que indica que parte de la dirección del computador corresponde a la dirección de la red) y facilitar el enrutamiento. Si el medio de transmisión lo requiere, el protocolo IP se encarga de la división de los datagramas en paquetes más pequeños para su transmisión y de la posterior reagrupación (fragmentación), el tamaño máximo que un paquete puede tener para un protocolo de nivel físico se llama MTU (Maximal Transfer Unit), en el caso de Ethernet es 1500 bytes.

Cada datagrama por transmitir es pasado a la capa de IP por otro protocolo de una capa superior (e.g TCP) junto con la dirección destino, IP mantiene una tabla de enrutamiento que asocia direcciones destino con compuertas (computadores intermediarios o en inglés gateways). Así que envía el datagrama empleando el nivel físico a la dirección de la compuerta que mantenga en su tabla de enrutamiento. La tabla de enrutamiento puede ser modificada manualmente (con route) o puede ser modificada automáticamente cuando una compuerta envía un mensaje indicando la dirección de otra compuerta más apropiada para llegar a una dirección. Hay siempre una compuerta por defecto a la que se envían paquetes que IP no sepa como enrutar.

IP no es protocolo fiable, porque no asegura que un paquete llegue a su destino y no realiza retransmisiones. Aunque para informar algunas situaciones anómalas emplea el protocolo ICMP 11.

Las direcciones IPv4 son de 4 bytes (o 32 bits) y suelen escribirse como cuatro octetos en decimal separados por punto es decir cuatro números en decimal cada uno entre 0 y 255 e.g 192.168.112.3

Como se explica en https://www.youtube.com/watch?v=cVyhDp14fac y otros vídeos producidos por LACNIC, en 1990 empezó a estudiarse el agotamiento de direcciones IPv4. Pues aunque hay 4300 millones de direcciones IPv4 su agotamiento fue generado por una asignación inicial deficiente y por el crecimiento hiper-exponencial de internet desde 1993. Aunque se desarrollaron arreglos como NAT la solución fue rediseñar la capa IP en lo que conocemos como IPv6.

Algunas características de IPv6 que solucionan falencias de IPv4 son:

  • 128 bits de direccionamiento que posibilita más de 10^38 direcciones, y que contrasta con IPv4 que usa 32 bits posibilitando menos de 10^10 direcciones (bastaría para ponerle dirección a cada átomo del sol que se calculan en 10^37 --se calcula que los átomos del universo son 10^80 ver https://blogs.hoy.es/curiosidades-cientificas/2019/12/27/cuantos-atomos-universo/)
  • IPSec incorporado
  • Mecanismos para facilitar configuración de la red

Las direcciones IPv6 como son de 128 bits suelen escribirse con 8 números de 16 bits cada uno en hexadecimal (sin ceros al comienzo) y separados por dos puntos. e.g 1f8a:3900:0000:0000:0000:e12a:1:2f0 Para abreviar los números intermedios que sean 0000 suele usarse :: así que la dirección anterior se puede abreviar como 1f8a:3900::e12a:1:2f0. La primera mitad de esta dirección ayuda a enrutar globalmente (tipicamente los primeros 48 bits son para enrutamiento y los siguientes 16 para identificar subredes) y la segunda mitad a identificar interfaces de red en redes locales.

Al momento de este escrito no es claro cuando se completará el transito de IPv4 a IPv6 por lo demorado de su implementación por ejemplo en latinoamérica, pero durante este, hay mecanismos que permiten la coexistencia de los dos protocolos, el más recomendable en un servidor es la doble pila, es decir que las interfaces de red tengan tanto una dirección IPv4 como una dirección IPv6 (en realidad varias direcciones IPv6).

Capa de transporte

Los protocolos de esta capa asegura una conexión continua y posiblemente libre de errores entre emisor y receptor. Un protocolo de esta capa debe tener en cuenta mantener los paquetes en orden y asegurar que están completos. Esto se requiere porque el nivel de red puede enrutar diversos paquetes de forma diferente. En esta capa hay dos protocolos: TCP12 y UDP13. El primero es fiable, asegura que la transmisión enviada sea recibida, UDP por su parte no busca confirmar que la información llegue a su destino (aunque permite hacer difusión14 y multidifusión15 mientras que TCP no). Ambos protocolos emplean puertos para permitir más de una conexión con uno o más computadores, un puerto se identifica con un número entre 0 y 65536, los primeros 1024 números sólo pueden ser usados por servidores iniciados desde la cuenta root, los demás pueden ser usados por todos los usuarios.

Puede examinar información sobre conexiones a puertos TCP y UDP con doas pfctl -sa

Capa de aplicación

Consta de protocolos empleados por aplicaciones con propósitos específicos. Emplean los protocolos de la capa de transporte para establecer comunicación. Los protocolos de esta capa pueden dividirse a su vez en protocolos de usuario y protocolos de soporte. Los primeros son para programas empleados directamente por usuarios y los segundos son empleados por el sistema operativo o por otros protocolos.

Protocolos de usuario

Telnet

: Telnet está definido en el RFC 854 y complementado en el RFC 1123. Permite la operación remota de otro computador de forma insegura pues las claves se transmiten planas (ssh es un reemplazo seguro, ver xref), además puede usarse para interactuar con otros protocolos (por ejemplo puede interactuar con el protocolo de correo SMTP de su propio computador ---puerto 25--- con telnet localhost 25).

(File Transfer Protocol) FTP

: FTP está definido en el RFC 959 y complementado en el RFC 1123, permite transmisión de archivos de manera insegura pues las claves se transmiten planas (ver xref).

TFPT

: Está definido en el RFC 1350 (Trivial File Transfer Protocol), es análogo a FTP pues permite transmitir archivos, aunque es mucho más simple, es apropiado para transmitir el sistema operativo a computadores sin disco duro que arrancan por red.

SMTP

: SMTP se definió en el RFC 822 y se complementó en el RFC 1123 (Simple Mail Transfer Protocol) que especifica cómo se realiza la transmisión de correo electrónico (ver xref).

Protocolos de soporte

DNS

: Definido en los RFC 1034 y 1035 y complementado en el RFC 1123. Es empleado para dar nombres descriptivos a direcciones IP (e.g structio.sourceforge.net es el nombre DNS de la dirección 216.34.181.96).

BOOTP

: Empleado por un computador en el que no ha iniciado el sistema operativo para solicitar su dirección IP a un servidor de este protocolo.

SMMP

: Empleado para monitorear uso de una red.

BGP

: Determina enrutamiento de paquetes en Internet a partir de información de Sistemas Autónomos. Cómo se describe en el RFC 4271, un Sistema Autónomo (AS) es un conjunto de enrutadores bajo una única administración técnica que a la vista de otros AS tiene un plan de enrutamiento interior coherente y que presenta una imagen consistente de los destinos a los que se pueden llegar mediante el mismo.

Lecturas recomendadas {#lecturas-redes-protocolos-internet}

Footnotes

  1. Para ampliar el significado de los términos técnicos introducidos en estas guías (como protocolo), se sugiere consultar el diccionario FOLDOC http://foldoc.doc.ic.ac.uk/foldoc ↩

  2. También suele llamárseles daemons pero como puede resultar ofensivo para cristian@s, procuramos no emplear ese término, ver http://aprendiendo.pasosdejesus.org/?id=Renombrando+Daemon+por+Servicio. ↩

  3. El programa que sigue este protocolo hace parte de la implementación de IPv4 en el kernel. ↩

  4. Puede verse más sobre asignación de IPs en el RFC 2050 y sobre asignación de direcciones in redes IP privadas en RFC 1918. ↩

  5. El RFC 1122 presenta las capas de una red TCP/IP ↩

  6. El estándar que define este esquema es IEEE 802.3, que se basa en el uso de un sólo medio de transmisión compartido por todos los dispositivos en el que sólo trasmite un sólo dispositivo durante un tiempo para evitar colisiones, se elige el siguiente dispositivo por transmitir con el algoritmo CSMA/CD --cuando un dispositivo detecta que la línea está libre transmite parte de la información si detecta colisión da oportunidad de transmisión a otros un intervalo aleatorio de tiempo. ↩

  7. ARP que se define en el RFC 826 ↩

  8. Un computador envía un mensaje a todos los demás de la red (que es posible por ejemplo en Ethernet), solicitando la dirección MAC de una dirección IPv4, el dispositivo con esa MAC responde enviando su dirección MAC al dispositivo que hizo la solicitud. ↩

  9. PPP se describe en el RFC 1661. ↩

  10. El protocolo IPv4 está descrito en el RFC 791, aunque puede verse una descripción en conjunto con otros protocolos en el RFC 1122 ↩

  11. ICMP Internet Control Message Protocol, se describe en el RFC792, permite enviar mensajes de error (e.g dirección inalcanzable, tiempo excedido) y algunos mensajes para hacer consultas (e.g eco, estampilla de tiempo). ↩

  12. TCP se describe en el RFC 793 y se complementa y corrige en el RFC 1122 ↩

  13. UDP está descrito en el RFC 768 y corregido en el RFC 1122 ↩

  14. Del inglés broadcast ↩

  15. Del inglés multicast ↩