CAPITULO 1 "INTRODUCCIÓN AL ENRUTAMIENTO Y REENVÍO DE PAQUETES"

Publicado en 18 agosto 2009 por mIrEluCx

INTRODUCCIÓN

Las redes de la actualidad tienen un impacto significativo en nuestras vidas, son utilizadas de distintas formas, entre ellas las aplicaciones web, la telefonía IP, la videoconferencia, los juegos interactivos, el comercio electrónico, la educación y más.

Como dispositivo central en la red tenemos el router. El cual debe conectar una red con otra red y es responsable de la entrega de paquetes a través de diferentes redes, teniendo como compromiso entregar esos paquetes a su debido tiempo.

Otras funciones que se encarga de realizar el router son:

Asegurar la disponibilidad las 24 horas del día, los 7 días de la semana, también deben utilizar rutas alternativas en caso de que la ruta principal falle.

Proveer servicios integrados de datos, video y voz en redes conectadas por cable o inalámbricas, priorizando los paquetes IP según la Calidad de servicio (QoS).

Disminuir el impacto de gusanos, virus y otros ataques en la red mediante la autorización o el rechazo del reenvío de paquetes.

DESARROLLO

El primer router, utilizado para la Red de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (ARPANET), fue el Procesador de mensajes de interfaz (IMP). El IMP era una mini computadora Honeywell 316; esta computadora dio origen a la ARPANET el 30 de agosto de 1969. La ARPANET fue la primera red operativa de conmutación de paquetes y la antecesora de la Internet de la actualidad.

Los routers cuentan con CPU, RAM, ROM y Sistema operativo que son componentes de hardware y software que forman parte de computadoras.

Cuando un router recibe un paquete IP en una interfaz, determina qué interfaz usar para reenviar el paquete hacia su destino. La interfaz que usa el router para reenviar el paquete puede ser la red del destino final del paquete, o puede ser una red conectada a otro router que se usa para llegar al destino. Generalmente, cada red a la que se conecta un router requiere una interfaz separada las cuales se usan para conectar una combinación de Redes de área local (LAN) y Redes de área extensa (WAN). Así también los routers determinan el mejor camino para dirigir los paquetes destinados a redes locales y remotas.

Para poder reenviar un paquete el router utiliza su tabla de enrutamiento, en la cual verificará la mejor coincidencia con su dirección de IP de destino, al encontrar la coincidencia, el router encapsula el paquete IP en la trama de enlace de datos de la interfaz de salida. Luego, el paquete se reenvía hacia su destino.

Es muy probable que un router reciba un paquete encapsulado en un tipo de trama de enlace de datos, como una trama de Ethernet, y al reenviar el paquete, el router lo encapsulará en otro tipo de trama de enlace de datos, como el PPP, Point-to-Point Protocol. Las diferentes tecnologías de enlace de datos a las que se conecta un router pueden incluir tecnologías LAN, como Ethernet, y conexiones seriales WAN, como la conexión T1 que usa PPP, Frame Relay y Modo de transferencia asíncrona (ATM).

El software que se utiliza en los routers Cisco es el sistema operativo Internetwork (IOS) de Cisco, este sistema operativo es multitarea realizando las funciones de enrutamiento, conmutación, internetworking y telecomunicaciones. . Cisco crea muchos tipos diferentes de imágenes IOS, según el modelo del router y las funciones dentro del IOS.

El proceso de arranque está conformado por cuatro etapas principales:

Ejecución del POST (Autodiagnóstico al encender)

El proceso de POST se utiliza para probar el hardware del router. Durante esta autocomprobación, el router ejecuta diagnósticos desde la ROM a varios componentes de hardware, entre ellos la CPU, la RAM y la NVRAM. Una vez finalizado el POST, el router ejecuta el programa bootstrap.

Carga del 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.

Ubicación y carga del software Cisco IOS

IOS normalmente se almacena en la memoria flash, pero también puede almacenarse en otros lugares como un servidor de protocolo de transferencia de archivos trivial (TFTP, Trivial File Transfer Protocol). Si no se puede localizar una imagen completa del IOS, se copia una versión más básica del IOS desde la ROM a la RAM.

Ubicación y carga del archivo de configuración de inicio o ingreso al modo setup

Ubicación del archivo de configuración de inicio. 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 y cualquier otra configuración guardada por el administrador de red. Si el archivo de configuración de inicio, startup-config, se encuentra en la NVRAM, se copia a la RAM como el archivo de configuración en ejecución, running-config; por lo contrario si el archivo no se encuentra aparecerá el siguiente mensaje:

%Error opening tftp://255.255.255.255/network-confg (Timed out)

%Error opening tftp://255.255.255.255/cisconet.cfg (Timed out)

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. El archivo running-config contiene direcciones de interfaz, inicia los procesos de enrutamiento, configura las contraseñas del router y define otras características del router.

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. El modo Setup consiste en una serie de preguntas que solicitan al usuario información de configuración básica.

Cuando arranca un router que no contiene un archivo de configuración de inicio, aparecerá la siguiente pregunta luego de la carga del IOS:

¿Desea ingresar al diálogo de configuración inicial? [sí/no]: no

Cuando no se usa el modo Setup, el IOS crea un running-config predeterminado. El running-config predeterminado es un archivo de configuración básica que incluye las interfaces del router, las interfaces de administración y cierta información predeterminada. El running-config predeterminado no contiene ninguna dirección de interfaz, información de enrutamiento, contraseñas ni otra información de configuración específica. Según la plataforma y el IOS, el router puede realizar la siguiente pregunta antes de mostrar la petición de entrada:

¿Desea finalizar la instalación automática? [sí]: <Enter>

Una vez que se muestra la petición de entrada, el router ya está ejecutando el IOS con el archivo de configuración actual en ejecución. El administrador de red ahora puede comenzar a usar los comandos del IOS en este router.

Los routers tienen conectores físicos que se usan para administrar el router. Estos conectores se conocen como puertos de administración. El puerto de administración más común es el puerto de consola el cual se usa para conectar una terminal, o con más frecuencia una PC que ejecuta un software emulador de terminal, para configurar el router sin necesidad de acceso a la red para ese router. Otro puerto de administración es el puerto auxiliar, éste puede usarse de maneras similares al puerto de consola y para conectar un módem.

Ahora examinaremos la interfaz en los routers Cisco la cual se refiere a un conector físico que se encuentra en el router cuyo principal propósito es recibir y reenviar paquetes. Las interfaces se conectan a distintos tipos de redes, lo cual significa que se necesitan distintos tipos de medios y conectores. Con frecuencia, un router necesitará tener distintos tipos de interfaces como FastEthernet para conexiones a diferentes LAN que se usan para conectar el router a la LAN, del mismo modo que se utiliza la NIC Ethernet de una PC para conectar la PC a la LAN Ethernet, al igual que la NIC Ethernet de la PC, la interfaz Ethernet del router también tiene una dirección MAC de Capa 2 y participa en la LAN Ethernet al igual que cualquier otro host en esa LAN. La interfaz Ethernet del router normalmente usa un jack RJ-45 que admite un cableado de par trenzado no blindado (UTP).

Otra interfaz de router son las interfaces WAN para conectar una variedad de enlaces seriales, entre ellos T1, DSL e ISDN, así como también para conectar los routers a redes externas, generalmente entre una mayor distancia geográfica. La encapsulación de Capa 2 puede ser de diferentes tipos, como PPP, Frame Relay y HDLC (Control de enlace de datos de alto nivel).

Los routers Cisco usan indicadores LED para proveer información de estado. Si un LED está apagado cuando la interfaz está activa y la interfaz está conectada correctamente, puede ser señal de un problema en la interfaz. Si la interfaz está en gran actividad, el LED estará continuamente encendido.

Recordemos que el proceso de enrutamiento se basa en la información del paquete IP de Capa 3, específicamente la dirección IP de destino. Cuando un router recibe un paquete, examina su dirección IP de destino. Si la dirección IP de destino no pertenece a ninguna de las redes del router conectadas directamente, el router debe reenviar este paquete a otro router.

Cuando cada router recibe un paquete, realiza una búsqueda en su tabla de enrutamiento para encontrar la mejor coincidencia entre la dirección IP de destino del paquete y una de las direcciones de red en la tabla de enrutamiento. Cuando se encuentra una coincidencia, el paquete se encapsula en la trama de enlace de datos de Capa 2 para esa interfaz de salida.

Los routers operan en las Capas 1, 2 y 3; sin embargo toman su decisión principal de reenvío en la Capa 3. 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. La trama de Capa 2 se codifica en señales físicas de Capa 1 que se usan para representar bits a través del enlace físico.

Ahora conoceremos la configuración básica de router, para realizar esto se deben hacer las siguientes tareas básicas:

Denominar el router
Configurar contraseñas
Configurar interfaces
Configurar un mensaje
Guardar los cambios realizados en un router
Verificar la configuración básica y las operaciones del router

Para comenzar la configuración suponemos que el router no contiene un archivo startup-config actual, entonces la primera petición de entrada aparece en el modo usuario. El modo usuario deja ver el estado del router, pero no permite modificar su configuración.

Router>

Aplicamos el comando enable el cual se usa para ingresar al Modo EXEC privilegiado. Este modo permite al usuario realizar cambios de configuración en el router. En este modo, la petición de entrada del router cambiará de ">" a un "#".

Router>enable

Router#

Ahora estableceremos el nombre de host y contraseña, para ello entramos al modo de configuración global.

Router#config t

Luego, asignaremos un nombre de host único al router, como se muestra enseguida

Router(config)#hostname R1

R1(config)#

Después de esto es momento de configurar una contraseña que se usará para ingresar en el modo EXEC privilegiado, en este caso nuestra contraseña será “class”

Router(config)#enable secret class

En el próximo paso, se configuran las líneas Telnet y de consola con la contraseña cisco. El comando login permite la verificación de la contraseña en la línea.

R1(config)#line console 0

R1(config-line)#password cisco

R1(config-line)#login

R1(config-line)#exit

R1(config)#line vty 0 4

R1(config-line)#password cisco

R1(config-line)#login

R1(config-line)#exit

Continuaremos con la configuración de un mensaje poniendo al comienzo y al final de éste un carácter delimitador, como por ejemplo "#". El delimitador permite configurar un mensaje de varias líneas, como se muestra aquí. Es importante mencionar que la configuración de un mensaje adecuado forma parte de un buen plan de seguridad.

R1(config)#banner motd #

Ingrese mensaje de TEXTO. Finalice con el caracter "#".

******************************************

ADVERTENCIA Prohibido el acceso no autorizado

******************************************

Hecho lo anterior sigue la configuración de las interfaces del router con direcciones IP y otra información. En primer lugar, se ingresa en el modo de configuración de interfaz especificando el número y el tipo de interfaz. Luego, se configura la dirección IP y la máscara de subred:

R1(config)#interface Serial0/0/

R1(config-if)#ip address 192.168.2.1 255.255.255.0

Es conveniente configurar una descripción en cada interfaz para ayudar a documentar la información de red.

Router(config-if)#description Ciruit#VBN32696-123 (help desk:1-800-555-1234)

Después de configurar la descripción y la dirección IP, la interfaz debe activarse con el comando no shutdown. Es como encender la interfaz.

Router(config-if)#no shutdown

El próximo paso consiste en verificar los comandos ingresados mediante la visualización de la configuración en ejecución con el siguiente comando:

R1#show running-config

Ahora que se han ingresado los comandos de configuración básica, es importante guardar el running-config en la memoria no volátil, la NVRAM del router. Luego de haber completado y probado la configuración del router, es importante guardar el running-config en el startup-config como archivo de configuración permanente.

R1#copy running-config startup-config

Después de aplicar y guardar la configuración básica, pueden usarse varios comandos para verificar que el router se haya configurado correctamente

R1#show running-config

Este comando muestra la configuración actual en ejecución almacenada en la RAM. Salvo unas pocas excepciones, todos los comandos de configuración que se usaron se ingresarán en el running-config y el IOS los implementará de inmediato.

R1#show startup-config

Este comando muestra el archivo de configuración de inicio almacenado en la NVRAM.

R1# show ip router

Este comando muestra la tabla de enrutamiento que está usando el IOS actualmente para elegir el mejor camino hacia sus redes de destino.

R1# show interfaces. Este comando muestra todos los parámetros y estadísticas de configuración de la interfaz.

R1#show ip interface brief

Este comando muestra información abreviada de configuración de la interfaz, como por ejemplo la dirección IP y el estado de la interfaz.

Recordemos que una tabla de enrutamiento es un archivo de datos que se encuentra en la RAM y se usa para almacenar la información de la ruta sobre redes remotas y conectadas directamente que contiene asociaciones entre la red y el siguiente salto, pudiendo ser éste mismo la interfaz de salida hacia el destino final. Si se tiene una red conectada directamente es una red que está directamente vinculada a una de las interfaces del router y si se configura una interfaz de router con una dirección IP y una máscara de subred, la interfaz pasa a ser un host en esa red conectada. Por otro lado, tenemos que una red remota es aquella que no está conectada directamente al router y a la que sólo se puede llegar mediante el envío del paquete a otro router; estas redes remotas se agregan a la tabla de enrutamiento mediante el uso de un protocolo de enrutamiento dinámico o la configuración de rutas estáticas, dónde las rutas dinámicas son rutas hacia redes remotas que fueron aprendidas automáticamente por el router utilizando un protocolo de enrutamiento dinámico y las rutas estáticas son rutas hacia redes manualmente configuradas por un administrador de red.

Cuando se configura una PC con una dirección IP host y una máscara de subred, la PC usa la máscara de subred para determinar a qué red pertenece ahora. El sistema operativo realiza esto mediante el proceso Andina en la dirección IP host y en la máscara de subred. Después de que se configura la interfaz del router y se activa la interfaz con el comando no shutdown, la interfaz debe recibir una señal portadora desde otro dispositivo (router, switch, hub, etc.) antes de que el estado de la interfaz se considere "activo". Una vez que la interfaz está "activa", la red de esa interfaz se incorpora a la tabla de enrutamiento como red conectada directamente.

Antes de configurar cualquier enrutamiento estático o dinámico en un router, éste solamente distingue a sus propias redes conectadas directamente, así mismo, el router no puede enviar paquetes desde una interfaz si la misma no está habilitada con una dirección IP y una máscara de subred, del mismo modo que una PC no puede enviar paquetes IP desde su interfaz Ethernet si la misma no está configurada con una dirección IP y una máscara de subred.

Los routers usan protocolos de enrutamiento dinámico para compartir información sobre el estado y la posibilidad de conexión de redes remotas, dichos protocolos ejecutan varias actividades, tales como descubrimiento de redes, es la capacidad de un protocolo de enrutamiento de compartir información sobre las redes que conoce con otros routers que también están usando el mismo protocolo de enrutamiento y actualización y el mantenimiento de las tablas de enrutamiento, donde determinan el mejor camino nuevo si la ruta inicial se vuelve inutilizable (o si cambia la topología).

Así también se mencionaran algunos Protocolos de enrutamiento IP más comunes para enrutar paquetes IP, se tienen los Protocolo de información de enrutamiento (RIP, Routing Information Protocol), Protocolo de enrutamiento de gateway interior (IGRP, Interior Gateway Routing Protocol), Open Shortest Path First (OSPF), entre otros.

Ahora es momento de revisar el formato de un paquete IP de Capa 3 y una trama de Ethernet de Capa 2. El protocolo de Internet 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 y una breve descripción de cada uno.

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 [ DSCP, Differentiated Services Code Point], 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)
Tiempo 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 identificación del mejor camino 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. 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.

Los protocolos de enrutamiento dinámico generalmente usan sus propias reglas y métricas para construir y actualizar las tablas de enrutamiento. Los protocolos de enrutamiento dinámico generalmente usan sus propias reglas y métricas para construir y actualizar las tablas 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.

Ancho de banda: es la capacidad de datos de un enlace, a la cual se hace referencia a veces como la velocidad del enlace.

Cuando un router tiene múltiples rutas hacia una red de destino y el valor de esa métrica es el mismo, esto se conoce como métrica del 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.

Para la determinación de ruta el reenvío de paquetes supone dos funciones:

Función de conmutación

La función de conmutación es el proceso utilizado por un router para aceptar un paquete en una interfaz y reenviarlo hacia otra interfaz. Una responsabilidad clave de la función de conmutación es la de encapsular los paquetes en el tipo de trama de enlace de datos correcto para el enlace de datos de salida.

Función de determinación de la ruta

La función de determinación de la ruta es el proceso según el cual el router determina qué ruta usar cuando reenvía un paquete. Para determinar el mejor camino, el router busca en su tabla de enrutamiento una dirección de red que coincida con la dirección IP de destino del paquete.

El resultado de esta búsqueda es una de tres determinaciones de ruta:

Red conectada directamente: si la dirección IP de destino del paquete pertenece a un dispositivo en una red que está conectada directamente a una de las interfaces del router, ese paquete se reenvía directamente a ese dispositivo.

Red remota: si la dirección IP de destino del paquete pertenece a una red remota, entonces el paquete se reenvía a otro router.

Sin determinación de ruta: si la dirección IP de destino del paquete no pertenece ni a una red conectada ni a una remota, y si el router no tiene una ruta predeterminada, entonces el paquete se descarta.

CONCLUSIONES

Este capítulo conocimos más a fondo los routers, los cuales son muy similares a las computadoras en muchos de los componentes de hardware y software como por ejemplo CPU, RAM, ROM y un sistema operativo. El router tiene como tarea fundamental conectar múltiples redes y reenviar paquetes desde una red a la siguiente. Dentro de la tabla de enrutamiento con la que cuentan los routers se incluyen direcciones de red para sus propias interfaces que son las redes conectadas directamente, además de direcciones de red para redes remotas.

También se explicó como la configuración básica del router siguiendo los pasos de denominar el router, configurar contraseñas, configurar interfaces, configurar un mensaje, guardar los cambios realizados en un router, verificar la configuración básica y las operaciones del router, todos estos pasos aplicando los comandos correspondientes.

Es así como tenemos claro que los routers toman su decisión principal de reenvío 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.