Fundamentos de Protocolos de Red: IPv4, IPv6, NAT, ARP e ICMP

Protocolo IPv4: Fundamentos y Estructura

El Protocolo de Internet versión 4 (IPv4) forma parte fundamental del conjunto de protocolos TCP/IP y es actualmente el protocolo de interconexión entre redes más utilizado, aunque se encuentra en proceso de ser sustituido por IPv6.

Su estructura se divide conceptualmente en dos partes:

• Parte Vertical: Interfaz con la capa superior.
• Parte Horizontal: El formato real del protocolo y los mecanismos asociados.

Campos de la Cabecera IPv4 (Mínimo 20 bytes)

La cabecera estándar de IPv4 contiene los siguientes campos:

• Versión (4 bits): Número de versión del protocolo (siempre 4).
• Longitud de Cabecera de Internet (IHL) (4 bits): Expresada en palabras de 32 bits. El valor mínimo es 5 (equivalente a 20 bytes).
• Tipo de Servicio (ToS) / DSCP (8 bits): Especifica parámetros de calidad de servicio, como seguridad, prioridad, retardo y rendimiento.
• Longitud Total (16 bits): Longitud total del datagrama expresada en bytes. Mínimo 20 bytes, máximo 65535 bytes.
• Identificador (16 bits): Número de secuencia que identifica de forma única un datagrama.
• Indicadores (Flags) (3 bits): Solo se usan 2 bits:
  • Bit DF (Don't Fragment): Si su valor es 1, prohíbe la fragmentación.
  • Bit MD (More Fragments): Indica si quedan más fragmentos.
• Desplazamiento del Fragmento (13 bits): Indica dónde se sitúa el fragmento dentro del datagrama original, medido en unidades de 64 bits.
• Tiempo de Vida (TTL) (8 bits): Especifica cuánto tiempo (en saltos) se le permite a un datagrama permanecer en la red.
• Protocolo (8 bits): Indica el protocolo de la capa superior (ej. TCP, UDP).
• Suma de Comprobación (Checksum) (16 bits): Código de detección de errores aplicado solo a la cabecera.
• Dirección Origen (32 bits) y Dirección Destino (32 bits).
• Opciones (Variable).
• Relleno (Padding) (Variable): Se utiliza para asegurar que la cabecera del datagrama tenga una longitud múltiplo de 32 bits.
• Datos (Carga Útil) (Variable): Debe contener una longitud múltiplo de 8 bits.

Protocolo IPv6: La Nueva Generación de Direccionamiento

El Protocolo de Internet versión 6 (IPv6) fue diseñado para reemplazar a IPv4, ofreciendo un espacio de direccionamiento significativamente mayor (128 bits en lugar de 32 bits).

Entre sus mejoras clave se incluyen:

• Direcciones de 128 bits.
• Mecanismo de opciones más eficaz mediante encabezados de extensión.
• Capacidad de etiquetar paquetes para identificar flujos de datos específicos y tratarlos de forma diferenciada.

Campos de la Cabecera IPv6

• Versión (4 bits).
• Clase de Tráfico (DS + ECN) (8 bits):
  • DS (Differentiated Services): Para distinguir distintas prioridades de tráfico.
  • ECN (Explicit Congestion Notification): Para control de congestión de red.
• Etiqueta de Flujo (20 bits): Permite la identificación de secuencias de paquetes que requieren un manejo especial (seudoconexiones).
• Longitud de Carga Útil (16 bits).
• Encabezado Siguiente (8 bits): Indica el tipo de encabezado de extensión o el protocolo de la capa superior.
• Límite de Saltos (Hop Limit) (8 bits): Equivalente al Tiempo de Vida (TTL) de IPv4.
• Dirección Origen (128 bits) y Dirección Destino (128 bits).

Traducción de Direcciones de Red (NAT)

NAT (Network Address Translation) es un proceso que se ejecuta típicamente en un router o firewall. Permite que múltiples hosts que utilizan direcciones IP privadas compartan un número limitado de direcciones IP públicas.

El mecanismo principal de NAT consiste en que el router sustituye las direcciones de origen y destino de los equipos de la red interna por su propia dirección IP externa. De esta forma, las direcciones internas de la Red de Área Local (LAN) quedan ocultas al exterior, proporcionando una capa de seguridad y mitigando el agotamiento de direcciones IPv4.

Protocolo de Resolución de Direcciones (ARP)

ARP (Address Resolution Protocol) es esencial para la comunicación dentro de una red local. Cuando una estación desea enviar un paquete a un destinatario y solo conoce su Dirección IP, necesita obtener la Dirección MAC correspondiente para poder encapsular y enviar la trama.

Funcionamiento de ARP

1. La estación emisora intenta primero obtener la Dirección MAC del destino consultando su tabla local de correspondencias ARP (caché ARP).
2. Si la dirección no se encuentra en la tabla, el emisor envía una trama de solicitud ARP utilizando la dirección MAC de difusión (broadcast) y la Dirección IP del destino.
3. Todas las estaciones de la LAN reciben y procesan esta trama.
4. La estación que posee la Dirección IP solicitada responde enviando su Dirección MAC al emisor.
5. El emisor anota esta correspondencia (IP-MAC) en su tabla ARP para futuros envíos, manteniendo la entrada durante un periodo limitado (generalmente unos pocos minutos).

Protocolo de Mensajes de Control de Internet (ICMP)

El Protocolo de Mensajes de Control de Internet (ICMP) se utiliza para la transferencia de mensajes de control y error entre routers y hosts. ICMP no transporta datos de usuario, sino que proporciona retroalimentación esencial sobre problemas en la comunicación de la red.

Ejemplos de Problemas Reportados por ICMP

• Un datagrama no puede alcanzar su destino (Destino Inalcanzable).
• Un router no puede almacenar un datagrama (Exceso de Capacidad).
• Un router indica a un host que existe una ruta más corta (Redirección).

Campos de la Cabecera ICMP

• Tipo (8 bits): Define el tipo de mensaje ICMP (ej. Echo Request, Time Exceeded).
• Código (8 bits): Especifica parámetros adicionales del mensaje.
• Suma de Comprobación (Checksum) (16 bits): Aplicada al mensaje ICMP completo.
• Parámetros (32 bits): Contiene información adicional específica del tipo de mensaje.