Fundamentos y Estructura del Direccionamiento IP: Clases, Subneteo y Máscaras
Direccionamiento IP y el Protocolo IP
Cada ordenador conectado a una red necesita estar perfectamente identificado de forma que los paquetes que lo tengan como destinatario sean capaces de localizarlo de forma inequívoca.
Esta es la misión del **protocolo IP**.
La dirección IP lógica de **32 bits** tiene una composición jerárquica y consta de dos partes. Dado que los números binarios extensos son difíciles de leer y comprender para las personas, las direcciones IP generalmente se muestran en una **notación decimal punteada**. En esta notación, cada uno de los cuatro octetos se convierte a un número decimal separado por un punto. Por ejemplo, la dirección IP binaria:
11000000.10101000.00000001.01101010
se representa como 192.168.1.106 en notación con punto decimal.
Estructura Jerárquica de la Dirección IP
La primera parte de la dirección IP identifica la **red**, y la segunda parte identifica un **host** en esa red. En una dirección IP, ambas partes son necesarias. Por ejemplo: si un host tiene la dirección IP 192.168.18.57, los primeros tres octetos (192.168.18) identifican la porción de red de la dirección, y el último octeto (57) identifica el host.
Esto se conoce como **direccionamiento jerárquico**, debido a que la porción de red indica la red en la que cada dirección host única está ubicada.
Observa en la figura las direcciones de red en azul (para la red 192.168.18.0) y en verde (para la red 192.168.5.0). Los hosts en ambas redes se representan en rojo.
Clases de Direcciones IP
Como ya hemos explicado, una parte de los bits representa la red y el resto la máquina (host). Existen **cinco clases de direcciones IP** según la manera de repartir los bits entre la dirección de red y el número de host.
Se decidió dividir las redes de modo tal que fuese sencillo para los routers y los hosts determinar la cantidad correcta de bits de ID de la red. Los valores de los primeros bits de las direcciones IP, denominados **bits de orden superior**, son los que indican la clase de red.
Si el primer bit es 0, la red es **Clase A** y el primer octeto representa la ID de la red. Cuando los primeros dos bits son 10, la red es **Clase B**, y el router utiliza los primeros 16 bits para la ID de la red. Si los primeros tres bits son 110, indica que la dirección es **Clase C**. Las direcciones Clase C utilizan los primeros 24 bits, o tres octetos, para designar la red. La división de las redes originales de ocho bits en clases de redes más pequeñas aumentó la cantidad de designaciones de red disponibles de 256 a más de dos millones.
Clases A, B y C
- Las direcciones de **Clase A** usan 7 bits para el número de red, dando un total de 126 (128-2) posibles redes de este tipo. Esto se debe a que la dirección
0.0.0.0se utiliza para reconocer la **dirección de red propia** y la red127.0.0.1es la del **lazo interno** (loopback) de la máquina. Los restantes 24 bits son para el número de host (quitando las que son todos los bits a 0 o a 1), con lo cual tenemos hasta 224-2 = 16.777.214 direcciones. Son las redes1.0.0.0a126.0.0.0.
- Las direcciones de **Clase B** utilizan 14 bits para la dirección de red (16.382 posibles redes de este tipo) y 16 bits para el host (hasta 65.534 máquinas). Son las redes
128.0.0.0a191.255.0.0.
- Las direcciones de **Clase C** tienen 21 bits para la red (2.097.150 redes) y 8 bits para el host (254 máquinas). Son las redes
192.0.0.0a223.255.255.0.
Clases D y E (Especiales)
Además de estas tres clases, existen otros dos tipos con características peculiares:
- Las direcciones de **Clase D** están reservadas para multicasting, que son usadas por direcciones de host en áreas limitadas.
- La dirección comienza por
1110. - El rango de direcciones va desde
224.0.0.0a239.255.255.255.
- La dirección comienza por
- Las direcciones de **Clase E** están reservadas para **uso futuro**.
- La dirección comienza por
11110. - El rango de direcciones va desde
240.0.0.0a247.255.255.255.
- La dirección comienza por
La clase que se elija para una red dada dependerá del número de máquinas que tenga y las que se prevean en el futuro. El número de red es asignado por el **NIC** (Network Information Center) o por el organismo de cada país en quien él delegue. El número de host lo asignará el administrador que controla la red.
En estas clases, las direcciones con la parte de número de host con **todos los bits puestos a ‘0’ indican la red**, por lo que no se pueden asignar a ningún host; igualmente, tampoco se pueden asignar a un host las direcciones con el número de host con **todos los bits puestos a ‘1’ porque se dejan para los paquetes broadcast** dirigidos a todas las máquinas de la red. Por ejemplo, en una red Clase B, si la red es 139.3.0.0, la dirección broadcast es 139.3.255.255.
Direcciones IP Públicas y Privadas
Todos los hosts que se conectan directamente a Internet requieren una **dirección IP pública exclusiva**. Debido a la cantidad finita de direcciones de 32 bits disponibles, existe la posibilidad de que se acaben las direcciones IP. Una solución para este problema fue reservar algunas **direcciones privadas** para utilizarlas exclusivamente dentro de una organización. Esto permite que los hosts dentro de una organización se comuniquen entre sí sin necesidad de contar con una dirección IP pública única.
El **RFC 1918** es un estándar que reserva varios rangos de direcciones dentro de cada una de las clases A, B y C. Como se muestra en la tabla, estos rangos de direcciones privadas constan de una única red Clase A, 16 redes Clase B y 256 redes Clase C. Esto proporciona al administrador de red una flexibilidad considerable para la asignación de direcciones internas.
Estas direcciones están reservadas para el uso de redes privadas y **no son encaminadas en Internet**. Son usadas normalmente por organizaciones con su propia intranet.
Las direcciones privadas pueden ser utilizadas internamente por los hosts de una organización, siempre y cuando los hosts no se conecten directamente a Internet. Por lo tanto, múltiples organizaciones pueden utilizar el mismo conjunto de direcciones privadas. Las direcciones privadas no se envían a Internet y son bloqueadas rápidamente por un router de ISP.
La utilización de direcciones privadas puede servir como medida de seguridad, ya que dichas redes solo son visibles en la red local, y los usuarios externos no pueden obtener acceso directo a las direcciones IP privadas.
Subredes y Máscaras de Subred (Subnetting)
Puede darse el caso de que una red crezca en un número de máquinas significativo o que se quiera instalar una nueva red además de la que ya existía.
Para conseguir mayor funcionalidad podemos dividir nuestra red en **subredes** dividiendo en dos partes el número de host: una para identificar la subred, y la otra parte para identificar la máquina (**subnetting**). Esto lo decidirá el responsable de la red sin que intervenga el NIC.
Podemos tener asignada una red –normalmente de las clases B o C– y dividirla en dos o más subredes según nuestras necesidades, comunicadas por routers.
El conjunto formado por la subred y el número de host se conoce como **dirección local** o **parte local**. Un host remoto verá la dirección local como el número de host.
El número de bits correspondientes a la subred y al número de host son elegidos libremente por el administrador. Esta división se realiza utilizando una **máscara de subred**. Esta es un número binario de 32 bits. Los bits que estén a «1» indicarán el campo de la dirección IP dedicada a la red y los bits puestos a «0» indicarán la parte dedicada al host. La máscara de subred se representa normalmente en notación decimal.
Por ejemplo, si no utilizamos subredes y dejamos la red como una sola, para una red Clase B la máscara será:
Si queremos dividirla en subredes, tomaremos los 16 bits de la parte local y pondremos a «1» la parte que queremos represente a las subredes. Por ejemplo, si queremos 8 subredes, necesitaremos en binario 3 bits para referenciarlas. La máscara que necesitamos será:
11111111.11111111.11100000.00000000
es decir, 255.255.224.0 en decimal. Al emplear 13 bits para el host, podríamos tener hasta 213-2 = 8190 máquinas en cada subred.
Lo normal a la hora de añadir «unos» a la máscara inicial para definir las subredes es hacerlo de manera contigua para ver los campos claramente.
Si tenemos una red Clase C cuya máscara sin subredes es 255.255.255.0 y queremos dividirla en 4 subredes, solo necesitamos 2 bits para definirlas:
Esta máscara permitiría hasta 26-2 = 62 hosts en cada subred.
Métodos de División en Subredes
Hay dos formas de dividir una red en subredes: **longitud estática** y **longitud variable**.
Longitud Estática (FLSM)
En una división tradicional en subredes con clase, para todas las subredes resultantes se utiliza la misma cantidad de bits del host para designar la ID de subred. Este tipo de división en subredes da como resultado una cantidad fija de subredes y una cantidad fija de hosts por subred. Por esta razón, este procedimiento se conoce como división en subredes de **longitud fija** (FLSM). La longitud estática implica que todas las subredes deben tener la misma máscara.
Se pueden utilizar según el protocolo de encaminamiento. El encaminamiento IP nativo solo soporta longitud estática al emplear el protocolo **RIP**. Con el protocolo **RIPv2** se consigue utilizar longitud variable.
Longitud Variable (VLSM)
La **longitud variable** (VLSM) permite que no haya que variar las direcciones de red en caso de cambios en una de sus subredes. Una subred que necesita dividirse en otras dos puede hacerlo añadiendo un bit a su máscara sin afectar al resto. No todos los routers y hosts soportan la longitud variable de máscaras. Si un host no soporta este método, deberá encaminarse hacia un router que sí lo soporte.
Ejemplo de Subneteo Estático
Supongamos que tenemos una red Clase B, 140.155.0.0, y sabemos que no tendremos más de 256 subredes y no más de 254 hosts. Podemos dividir la dirección local con 8 bits para las redes y otros 8 para el número de hosts con una máscara del tipo 255.255.255.0 (es decir, que en binario sería 11111111.11111111.11111111.00000000).
Si tenemos una red Clase C con muchas subredes y con pocos hosts, podemos poner una máscara 255.255.255.224 (recordando que 224 es 11100000 en base 2), es decir, que hemos dividido la dirección local en 3 bits para redes y 5 para hosts. O sea, 2³=8 subredes y 2⁵-2=30 hosts.
Las subredes serían:
Por ejemplo, si nuestra red Clase C es 193.144.238.0 y tomamos la máscara 255.255.255.224 anterior:
Direcciones Broadcast
Hay diferentes tipos de broadcast:
- Direcciones de broadcast limitadas: La dirección con todos los bits a «1» (
255.255.255.255) se usa en redes que soportan broadcasting, e indica todos los hosts de la subred. Los routers no reenvían la información fuera de la subred. Se trata de un envío a todos los ordenadores de la subred. - Direcciones de broadcast de red: En una red sin subredes, se logra poniendo a «1» los bits del campo de número de host.
- Direcciones de broadcast de subred: Poniendo a «1» solo la parte del número de host de la dirección local.
- Broadcast a todas las subredes: Poniendo toda la parte local a «1».
Multicasting
Para tener más flexibilidad que la proporcionada por el método broadcast, que se dirige a todos los miembros de una subred o de una red, existe el método **multicast**, el cual nos permite dirigirnos a **grupos de hosts** dentro de la red.
El datagrama IP para multicast, como vimos antes, es de **Clase D**, cuyos cuatro primeros bits son 1110 (el primer octeto va de 11100000 a 11101111). Luego, el rango de direcciones será de 224.0.0.0 a 239.255.255.255.
Existen dos tipos de grupos:
- Grupos permanentes: Son los que han sido estandarizados. Los hosts asignados a estos grupos no son permanentes; pueden afiliarse a él o ser quitados de él. Grupos importantes de este tipo son:
224.0.0.0: Dirección reservada de base.224.0.0.1: Todos los sistemas de la subred.224.0.0.2: Todos los routers de la subred.224.0.0.5: Todos los routers OSPF.224.0.0.6: Todos los routers OSPF designados.
- Grupos transitorios: Son los grupos que no son permanentes y se van creando según las necesidades.
Comunicación entre Subredes
Cuando una red se divide en subredes, cada una de ellas es, en realidad, una red separada. Por lo tanto, dado que los routers se utilizan para conectar redes, se necesita un **router** para que un dispositivo en una subred se comunique con un dispositivo en otra.
Para determinar la cantidad de hosts necesarios para cada subred, es necesario incluir la interfaz del router o la interfaz del gateway y los dispositivos host individuales. Cada interfaz del router debe tener una dirección IP en la misma subred que la red del host conectada a ella.
En algunos casos, puede ser necesario conectar dos routers, como cuando se conecta el dispositivo Linksys y el ISR 1841. Esta configuración debe garantizar que se asignen direcciones IP a las interfaces de los routers que se conectan entre sí en la misma red o subred. Aquí, el enlace común muestra los dos routers conectados en la subred 192.168.1.16/29 con las direcciones IP 192.168.1.17/29 y 192.168.1.18/29 para el host.
