Planificación y Administración de Redes/Tema 10/Aplicación práctica

Una red de redes está formada por redes interconectadas mediante routers o encaminadores. Cuando enviamos un datagrama desde un ordenador hasta otro, éste tiene que ser capaz de encontrar la ruta más adecuada para llegar a su destino. Esto es lo que se conoce como encaminamiento.

Los routers (encaminadores) son los encargados de elegir las mejores rutas. Estas máquinas pueden ser ordenadores con varias direcciones IP o bien, aparatos específicos.

Los routers deben conocer, al menos parcialmente, la estructura de la red que les permita encaminar de forma correcta cada mensaje hacia su destino. Esta información se almacena en las llamadas tablas de encaminamiento.

Observemos que debido al sistema de direccionamiento IP esta misión no es tan complicada. Lo único que necesitamos almacenar en las tablas son los prefijos de las direcciones (que nos indican la red). Por ejemplo, si el destino es la máquina 149.33.19.4 con máscara 255.255.0.0, nos basta con conocer el encaminamiento de la red 149.33.0.0 ya que todas las que empiecen por 149.33 se enviarán hacia el mismo sitio.

La orden Route muestra y modifica la tabla de encaminamiento de un host. Todos los hosts (y no sólo los routers) tienen tablas de encaminamientos. A continuación se muestra una tabla sencilla para un host con IP 192.168.0.2 / 255.255.255.0 y puerta de salida 192.168.0.1.

C:\>route print
Rutas activas:
Dirección de red Máscara de red    Puerta de enlace  Interfaz      Métrica
0.0.0.0          0.0.0.0           192.168.0.1       192.168.0.2   1    (7)
127.0.0.0        255.0.0.0         127.0.0.1         127.0.0.1     1    (6)
192.168.0.0      255.255.255.0     192.168.0.2       192.168.0.2   1    (5)
192.168.0.2      255.255.255.255   127.0.0.1         127.0.0.1     1    (4)
192.168.0.255    255.255.255.255   192.168.0.2       192.168.0.2   1    (3)
224.0.0.0        224.0.0.0         192.168.0.2       192.168.0.2   1    (2)
255.255.255.255  255.255.255.255   192.168.0.2       0.0.0.0       1    (1)

Estas tabla se lee de abajo arriba. La línea (1) indica que los datagramas con destino "255.255.255.255" (dirección de difusión a la red del host) deben ser aceptados. La línea (2) representa un grupo de multidifusión (multicasting). La dirección "224.0.0.0" es una dirección de clase D que se utiliza para enviar mensajes a una colección de hosts registrados previamente. Estas dos líneas se suelen pasar por alto: aparecen en todas las tablas de rutas.

La línea (3) indica que todos los mensajes cuyo destinatario sea "192.168.0.255" deben ser aceptados (es la dirección de difusión a la red del host). La línea (4) se encarga de aceptar todos los mensajes que vayan destinados a la dirección del host "192.168.0.2".

La línea (5) indica que los mensajes cuyo destinatario sea una dirección de la red del host "192.168.0.0 / 255.255.255.0" deben salir del host por su tarjeta de red para que se entreguen directamente en su subred. La línea (6) es la dirección de loopback: todos los paquetes con destino "127.0.0.0 / 255.0.0.0" serán aceptados por el propio host.

Finalmente, la línea (7) representa a "todas las demás direcciones que no se hayan indicado anteriormente". En concreto son aquellas direcciones remotas que no pertenecen a la red del host. ¿A dónde se enviarán? Se enviarán a la puerta de salida (gateway) de la red "192.168.0.1".

Nótese que la tabla de rutas es la traducción de la configuración IP del host que habitualmente se escribe en las ventanas de Windows.

Gestión del encaminamiento IP

No existe un único protocolo para actualizar las tablas de encaminamiento IP, pudiendo elegirse el más adecuado dependiendo de los requisitos internos de las redes a interconectar y las preferencias de cada administrador.

A lo largo del tiempo, se han impuesto distintas soluciones, tanto abiertas como propietarias. Todas ellas operan con estrategias Adaptativas Salto a Salto.

¿Cómo pueden convivir todas ellas? Mediante los Dominios de Encaminamiento o Sistemas Autónomos (SA). Un SA es un conjunto de redes gestionadas por una administración común y que comparten una estrategia de encaminamiento común. En inglés sus siglas son AS.

Cada sistema autónomo:

Elige su arquitectura y protocolos de encaminamiento internos.
Es responsable de la consistencia de sus rutas internas.
Debe recolectar información sobre todas sus redes y designar uno a más routers para pasar la información a otros sistemas autónomos.

Será por tanto necesario definir dos tipos de encaminamiento:

Intradominio o IGP (Internal Gateway Protocol): Es el utilizado dentro del SA. Ejemplos: RIP, OSPF, IGRP, EIGRP, ...
Interdominio o EGP (External Gateway Protocol): Encamina entre Sistemas Autónomos. Ejemplos: BGP, IDPR, ...

Los routers frontera ejecutan el encaminamiento EGP para cambiar información con routers de otros sistemas autónomos, y el IGP para cambiar información con otros routers de su SA:

Sistemas participantes

La función de encaminamiento se realiza principalmente en los routers, aunque en algunas situaciones los hosts también deben participar en la toma de decisiones (para seleccionar el router de su red al que envía el datagrama):

Estrategia básica de envío

Si el host destino se encuentra en la misma red, se encapsula el datagrama IP en una trama de subred, se obtiene la dirección física (mediante ARP) y se envía (entrega directa)
Si no está en la misma subred, se envía el datagrama a un router, éste lo reenvía al siguiente, y así sucesivamente, hasta alcanzar un router conectado a la misma subred que la máquina destino (entrega indirecta)

Para conocer si el host destino se encuentra en la misma subred que el origen, éste compara el prefijo de red de ambas direcciones. Si coinciden, se encuentran en la misma subred.

Para los envíos será necesario llevar a cabo la conversión entre direcciones IP y de subred (física) del destinatario (host o router). Esta función puede desempeñarla el protocolo ARP.

El encaminador sólo modifica los campos TTL y checksum del datagrama, no las direcciones IP origen o destino. Aunque debe obtener la dirección IP del siguiente salto y, a partir de ella, la de subred donde enviará el datagrama.

Tablas de encaminamiento

El encaminamiento IP hace uso de tablas de encaminamiento que se encuentran en cada máquina (hosts y routers, puesto que ambos encaminan datagramas) y almacenan información sobre los posibles destinos y cómo alcanzarlos.

La estrategia es siempre salto a salto (next-hop routing): las tablas almacenan el siguiente salto para las direcciones IP destino. Las direcciones son siempre IP, no físicas, debido a que se facilita su gestión y se ocultan los detalles de las subredes.

Para acelerar el proceso y reducir el consumo de recursos, las tablas sólo necesitan los prefijos de subred de las direcciones IP y no la dirección IP completa.

En un entorno de interconexión total, como el de Internet, no es posible que las tablas contengan la información sobre todas las posibles direcciones destino; se utiliza el principio de información oculta, que permite tomar decisiones de encaminamiento con la información mínima necesaria:

Se aísla la información de hosts dentro del entorno local (subred) donde se encuentran; un host remoto puede enviar datagramas sin conocer al detalle la subred. El esquema de direccionamiento IP está diseñado para ayudar a conseguir éste objetivo.
Se agrupan múltiples entradas de la tabla en una sola, la ruta por defecto.

Nota: Todos los routers listados en la tabla de encaminamiento de un nodo deben de encontrarse en subredes a las que dicho nodo esté conectado directamente (estrategia salto a salto).

Métricas

Una métrica es un valor utilizado por los protocolos de enrutamiento para asignar costos a fin de alcanzar las redes remotas.

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. Cuando existen múltiples rutas para llegar a la misma red, cada ruta usa una interfaz de salida diferente en el router 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.

Las métricas utilizadas en los protocolos de enrutamiento IP incluyen:

Conteo de saltos: una métrica simple que cuenta la cantidad de routers que un paquete tiene que atravesar
Ancho de banda: influye en la selección de rutas al preferir la ruta con el ancho de banda más alto
Carga: considera la utilización de tráfico de un enlace determinado
Retardo: considera el tiempo que tarda un paquete en atravesar una ruta
Confiabilidad: evalúa la probabilidad de una falla de enlace calculada a partir del conteo de errores de la interfaz o las fallas de enlace previas
Costo: un valor determinado ya sea por el IOS o por el administrador de red para indicar la preferencia hacia una ruta. El costo puede representar una métrica, una combinación de las mismas o una política.

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. Una métrica es un valor cuantitativo que se usa para medir la distancia hacia una ruta determinada. La mejor ruta a una red es la ruta con la métrica más baja. Por ejemplo, un router preferirá una ruta que se encuentra a 5 saltos antes que una ruta que se encuentra a 10 saltos.

El objetivo principal del protocolo de enrutamiento es determinar las mejores trayectorias para cada ruta a fin de incluirlas en la tabla de enrutamiento. El algoritmo de enrutamiento genera un valor, o una métrica, para cada ruta a través de la red. Las métricas se pueden calcular sobre la base de una sola característica o de varias características de una ruta. Algunos protocolos de enrutamiento pueden basar la elección de la ruta en varias métricas, combinándolas en un único valor métrico. Cuanto menor es el valor de la métrica, mejor es la ruta.

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 métrica para cada protocolo de enrutamiento es:

RIP: conteo de saltos: la mejor ruta se elige según la ruta con el menor conteo de saltos.
IGRP e EIGRP: ancho de banda, retardo, confiabilidad y carga; la mejor ruta se elige según la ruta con el valor de métrica compuesto más bajo calculado a partir de estos múltiples parámetros. Por defecto, sólo se usan el ancho de banda y el retardo.
IS-IS y OSPF: costo; la mejor ruta se elige según la ruta con el costo más bajo. . La implementación de OSPF de Cisco usa el ancho de banda

Distancia administrativa

Aunque es menos común, puede implementarse más de un protocolo de enrutamiento dinámico en la misma red. En algunas situaciones, posiblemente sea necesario enrutar la misma dirección de red utilizando múltiples protocolos de enrutamiento como RIP y OSPF. Debido a que diferentes protocolos de enrutamiento usan diferentes métricas, RIP usa el conteo de saltos y OSPF usa el ancho de banda, no es posible comparar las métricas para determinar la mejor ruta.

La distancia administrativa (AD) define la preferencia de un origen de enrutamiento. A cada origen de enrutamiento, entre ellas protocolos de enrutamiento específicos, rutas estáticas e incluso redes conectadas directamente, se le asigna un orden de preferencia de la más preferible a la menos preferible utilizando el valor de distancia administrativa. Los routers Cisco usan la función de AD para seleccionar la mejor ruta cuando aprende sobre la misma red de destino desde dos o más orígenes de enrutamiento diferentes.

La distancia administrativa es un valor entero entre 0 y 255. Cuanto menor es el valor, mayor es la preferencia del origen de ruta. Una distancia administrativa de 0 es la más preferida. Solamente una red conectada directamente tiene una distancia administrativa igual a 0 que no puede cambiarse. Cada protocolo tiene AD predeterminada: OSPF 110, EIGRP 90, IGRP 100, RIP 120 que aparecen en las tablas de enrutamiento precediendo a la métrica. La AD de 0 se reserva para las redes conectadas directamente y la de 1 para las redes estáticas.

Ojo, si agregamos una ruta estática que también haya sido aprendida por un protocolo dinámico, la ruta estática tendrá preferencia al tener una distancia administrativa de 1.

Protocolos de enrutamiento con clase y sin clase

Los protocolos de enrutamiento con clase no envían información de la máscara de subred en las actualizaciones de enrutamiento. Los primeros protocolos de enrutamiento tales como el RIP, fueron con clase. En aquel momento, las direcciones de red se asignaban en función de las clases; clase A, B o C. No era necesario que un protocolo de enrutamiento incluyera una máscara de subred en la actualización de enrutamiento porque la máscara de red podía determinarse en función del primer octeto de la dirección de red. Los protocolos de enrutamiento con clase no pueden usarse cuando una red se divide en subredes utilizando más de una máscara de subred; en otras palabras, los protocolos de enrutamiento con clase no admiten máscaras de subred de longitud variable (VLSM).

Los protocolos de enrutamiento sin clase incluyen la máscara de subred con la dirección de red en las actualizaciones de enrutamiento. Las redes de la actualidad ya no se asignan en función de las clases y la máscara de subred no puede determinarse según el valor del primer octeto. La mayoría de las redes de la actualidad requieren protocolos de enrutamiento sin clase porque admiten VLSM, redes no contiguas y otras funciones. Los protocolos de enrutamiento sin clase son RIPv2, EIGRP, OSPF, IS-IS y BGP.

Resumen de rutas

La creación de tablas de enrutamiento más pequeñas hace que el proceso de búsqueda en la tabla de enrutamiento sea más eficiente ya que existen menos rutas para buscar. Si se puede utilizar una ruta estática en lugar de múltiples rutas estáticas, el tamaño de la tabla de enrutamiento se reducirá. En muchos casos, una sola ruta estática puede utilizarse para representar docenas, cientos o incluso miles de rutas.

Podemos utilizar una sola dirección de red para representar múltiples subredes. Por ejemplo, las redes 10.0.0.0/16, 10.1.0.0/16, 10.2.0.0/16, 10.3.0.0/16, 10.4.0.0/16, 10.5.0.0/16, hasta 10.255.0.0/16, pueden representarse con una sola dirección de red: 10.0.0.0/8.

Las múltiples rutas estáticas pueden resumirse en una sola ruta estática si:

las redes de destino pueden resumirse en una sola dirección de red, y
todas las múltiples rutas estáticas utilizan la misma interfaz de salida o dirección IP del siguiente salto.