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UPAEP 2019
Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla
[DIPLOMADO EN REDES] Guía de Estudios para la Certificación CCENT/CCNA ICND1
UPAEP 2019 [Diplomado en Redes]
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Capítulo 5: Fundamentos del IP Addressing y Routing
Este capítulo explica cómo trabaja la capa 3 del modelo OSI en cuanto a la forma de entregar datos
entre dispositivos que se encuentran muy lejanos entre sí y teniendo muchas redes diferentes entre
ellos.
Se explicará cómo para la capa 3 de OSI (capa de red) no es imposible realizar una entrega de datos de
un punto a otro independientemente del número y tipo de redes físicas existentes entre dos
computadoras, ya que esta capa es la encargada de reenviar o rutear los datos entre los dos
dispositivos.
Se cubrirán los fundamentos de cómo la red rutea paquetes de datos de una computadora a otra e
implícitamente se estudiarán TCP e IP.
En esta sección se iniciará con una visión general de routing, logical addressing y protocolos de ruteo. A
continuación, se detallará en la capa de red del modelo TCP/IP, particularmente en los temas de IP
Addressing, ruteo, protocolos de ruteo y utilidades de la capa de red.
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Temas Fundamentales
Los protocolos equivalentes a la capa 3 del modelo OSI definen cómo son entregados los paquetes
desde que salen de la computadora que los creó y hasta la recepción por la computadora que necesita
recibirlos.
La capa de red del modelo OSI define los siguientes conceptos:
Routing: Es el proceso de reenviar paquetes (PDUs de capa 3).
Logical Addressing: Son las direcciones que pueden ser usadas independientemente del tipo de las
redes físicas usadas, proveyendo a cada dispositivo de por lo menos una dirección. El Logical Addressing
habilita al proceso de ruteo para identificar el origen y destino de un paquete.
Protocolo de Ruteo: Es un protocolo que auxilia a los ruteadores aprendiendo dinámicamente los
grupos de direcciones en la red, lo que permite que el forwarding trabaje correctamente.
Otras utilidades: La capa de red también trabaja con otras utilidades. Para TCP/IP, estas utilidades
incluyen el Domain Name System (DNS), el Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP), el Address
Resolution Protocol (ARP) y el ping.
NOTA: El término path selection o elección de ruta en ocasiones se usa como sinónimo de protocolo de
ruteo, en ocasiones se usa para referirse al routing o forwarding de los paquetes y otras veces se utiliza
para ambas funciones.
Visión General de las Funciones de la Capa de Red
Un protocolo que define routing y logical addressing es considerado un protocolo de capa 3 o capa de
red. OSI define un protocolo único para la capa 3 que es llamado Connectionless Network Services
(CLNS). Existen muchos protocolos para esta capa, pero el más común y que se utiliza en todo el mundo
es el protocolo de capa de red TCP/IP, hablando específicamente, el protocolo IP.
El trabajo principal del protocolo IP es rutear los paquetes de datos de su host origen a su host destino.
IP es un protocolo connectionless -es decir, que “no requiere conexión”-, debido a que trabaja de una
forma muy simple y no requiere enviar ni recibir mensajes antes de enviar un paquete. IP intenta enviar
el paquete pero si un router o el proceso de un host no pueden entregar el paquete, éste simplemente
es descartado sin error recovery. La idea es que los paquetes IP sean muy pequeños para poder manejar
correctamente un gran volumen de éstos. Existen otros protocolos que sí realizan el error recovery y de
ellos se hablará más adelante.
Routing (Forwarding o reenvío)
El ruteo se enfoca en la lógica del reenvío de datos punto-a-punto. La lógica es como se muestra en la
siguiente figura.
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Fig. 23 Lógica del Routing: PC0 envía a PC1
Lógica de PC0: Enviar Datos Al Router Más Cercano
En este ejemplo, PC0 tiene datos por enviar a PC1, pero PC0 y PC1 no se encuentran en la misma
Ethernet, así que PC0 necesita enviar los datos a algún router que pertenezca a la misma Ethernet que
PC1. El remitente envía un frame de enlace de datos incluyendo el paquete, a través del medio a su
router cercano. Ese frame utiliza addressing de la capa 2 de enlace de datos dentro de su header de
enlace de datos para asegurarse de que el router cercano reciba el frame. Podemos notar que PC0 no
sabe cómo está hecha la red y sólo le interesa enviar el paquete al Router0.
Lógica de R0 y R1: Rutear Los Datos a Través De La Red
R0 y R1 usan el mismo proceso general para rutear el paquete. La routing table o tabla de ruteo para
cualquier protocolo particular de la capa de red contiene una lista de address groupings o grupos de
direcciones de la capa de red. De este modo, en lugar de tener almacenada una dirección
correspondiente a cada host, se tendrá una dirección por cada grupo de hosts. El router revisa la
dirección IP destino y define si corresponde a alguna red cuya dirección tiene almacenada en su tabla.
Así el router sabrá a dónde reenviar a continuación ese paquete. Así todos los routers que intervienen
repetirán el proceso hasta que el paquete sea entregado al router que se encuentra conectado a la red o
subred del host destino.
Lógica de R2: Entregar Los Datos Al Destino Final
El último router usa casi la misma lógica que todos los anteriores, con la diferencia de que reenvía el
paquete directamente al host final y no a otro router.
Interacción de la capa de red con la capa de enlace de datos
Cuando el protocolo de la capa de red está procesando el paquete, ésta decide enviarlo a través de la
interfaz de red apropiada. Antes de que los bits sean colocados dentro de esa interfaz física, la capa de
red debe entregar el paquete a los protocolos de la capa de enlace de datos, los cuales solicitan a la
capa física enviar los datos, agregando por supuesto el header y trailer apropiados al paquete, creando
un frame antes de enviar los datos sobre la red física. El proceso de routing reenvía únicamente el
paquete sin ningún header ni trailer de la capa de enlace de datos. Los procesos de la capa de red
entregan el paquete punto-a-punto, usando headers y trailers de enlace de datos sucesivos solo para
hacer llegar el paquete al siguiente router o host en el camino. Como referencia al ejemplo anterior, se
muestra en la siguiente figura la lógica de encapsulamiento en cada dispositivo.
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Fig. 24 Encapsulación de la Capa de Red y la Capa de Enlace de Datos
Debido a que los routers crean nuevos headers y trailers de enlace de datos y debido a que los nuevos
headers contienen direcciones de enlace de datos, las PCs y los routers deben tener una manera de
decidir cuáles direcciones de enlace de datos utilizar. Una de las formas en que el router decide cuál
dirección de enlace de datos utilizar es el IP Address Resolution Protocol (ARP).
ARP se usa para aprender dinámicamente las direcciones de enlace de datos de un host IP conectado a
una LAN.
Paquetes IP y el Header IP
Fig. 25 Header IPv4 (20 bytes)
A lo largo de este material así como de la segunda parte (ICND 2) se explicarán a detalle los campos. Por
el momento y a continuación, solamente se mostrará una breve descripción de cada uno.
Campo Significado
Versión Versión del protocolo IP. La mayoría de las redes actualmente usan la versión 4.
IHL IP header length o largo del encabezado IP. Define el largo del encabezado IP,
incluyendo campos opcionales.
Campo DS Differentiated Services Field. Se usa para hacer paquetes con el propósito de
aplicar diferentes niveles QoS (Quality of Service) a los diferentes paquetes.
Largo del paquete Identifica el largo entero del paquete IP incluyendo los datos.
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Identificación Usado para el proceso de fragmentación del paquete IP. Todos los fragmentos
del paquete original contienen el mismo identificador.
Banderas Son 3 bits usados por el proceso de fragmentación del paquete IP.
Fragment offset Un número utilizado para ayudar a los hosts a que re-ensamblen a los paquetes
fragmentados para convertirlos en su paquete original completo.
TTL Time to Live. Es un valor utilizado para evitar que se cicle el ruteo.
Protocolo Campo que identifica el contenido de la porción de datos dentro del paquete
IP. Por ejemplo, el protocolo 6 implica que un header TCP es lo primero en el
campo de datos del paquete IP.
Header Checksum Un valor utilizado para almacenar un valor FCS, cuyo propósito es determinar si
ocurrió algún error de bits en el header IP.
Dirección IP del
remitente
La dirección IP de 32 bits del remitente del paquete.
Dirección IP del
destino
La dirección IP de 32 bits del destinatario del paquete.
Addressing de la Capa de Red (Capa 3)
Los protocolos de la capa de red definen el formato y el significado de las direcciones lógicas. El término
“dirección lógica” es útil para hacer el contraste de ésta con la dirección física. Cada computadora que
necesita comunicarse, debe tener al menos una dirección de la capa de red para que otras
computadoras le puedan enviar paquetes hacia a esa dirección.
Las direcciones de la capa de red fueron diseñadas para permitir la agrupación lógica de direcciones.
Hay una porción en el valor numérico de una dirección que implica un grupo de direcciones, mismas que
pertenecen a un mismo grupo. Este grupo con direcciones IP es llamado red o subred.
Las direcciones de la capa de red se agrupan con base en una localización física en una red. La primer
parte de la dirección IP es la misma para todas las direcciones en una misma agrupación.
En inglés se llama network a una red. Para evitar confusión se utiliza el término internetwork para
referirse de una manera más general a una red compuesta de routers, switches, cables y otros equipos,
y el término network para referirse al concepto específico de una red IP.
El routing confía en que las direcciones de la capa 3 están agrupadas. Las tablas de routing para cada
protocolo de la capa de red pueden tener una sola dirección para indicar un grupo en lugar de una
dirección para cada destino de forma individual, esto con la intención de almacenar menos direcciones
pero aún así poder cotejar si una dirección pertenece a ese grupo o no.
Routing Protocols o Protocolos de Ruteo
En el ejemplo pasado de transferir datos de PC0 a PC1, los routers convenientemente saben cómo
transferir los datos. Para tomar las decisiones correctas, cada router necesita una tabla de ruteo o
routing table con una ruta que coincide con el paquete enviado a PC1. Las rutas le indican al router hacia
dónde reenviar el paquete a continuación.
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En la mayoría de los casos, los routers construyen dinámicamente el contenido de sus tablas de ruteo
usando un protocolo de ruteo. Los protocolos de ruteo aprenden las localizaciones de los grupos de
direcciones de la capa 3 dentro de una red y “anuncian” estas ubicaciones. Como resultado, cada router
puede construir dinámicamente una buena tabla de ruteo. Los protocolos de ruteo definen formatos de
mensajes y procedimientos al igual que cualquier otro protocolo. La meta de cada protocolo de ruteo es
llenar la tabla de ruteo con todos los grupos destino conocidos y con la mejor ruta hacia cada grupo.
NOTA: Un routing protocol o protocolo de ruteo aprende rutas y las coloca en una tabla de ruteo. Un
routed protocol o protocolo ruteado define el tipo de paquete reenviado o ruteado a través de una red.
Para el ejemplo que hemos estado manejando donde PC0 envía información a PC1, IP sería el protocolo
ruteado. Si los routers ocuparan Routing Information Protocol (RIP) para aprender las rutas, RIP sería el
protocolo de ruteo.
IP Addressing
Esta sección introduce el IP Addressing y el Subnetting, cubre los conceptos detrás de la estructura de
una dirección IP incluyendo cómo se relaciona con el ruteo IP. En el capítulo 12 se leerá sobre la
matemática detrás de estos conceptos.
Definiciones de IP Addressing
Para que un dispositivo pueda comunicarse usando TCP/IP, requiere tener una dirección IP. Además de
esto, requiere software y hardware apropiados y con ello podrá enviar y recibir paquetes IP. Un IP host
es un dispositivo que puede enviar y recibir paquetes.
La IP Versión 4 (IPv4) es la versión mundialmente más popular de IP. En el capítulo 12 se hablará
brevemente de la IPv6 pero en forma general dentro de este libro, todo lo que haga referencia a
direcciones IP será IPv4.
Las direcciones IP consisten en un número de 32 bits que usualmente se encuentra escrito en notación decimal separada por puntos. Cada byte (8 bits) de los 32 bits se muestra como su equivalente en decimal. Son entonces cuatro números decimales separados por un punto. Por ejemplo: 168.1.1.1 es una dirección IP escrita en su forma decimal y su equivalente en binario sería 10101000 00000001 00000001 00000001. Cada número decimal en una dirección IP se llama octeto. En realidad el término octeto únicamente es una forma neutral para el fabricante de llamar al byte. Bajo el ejemplo anterior, el primer octeto es 168. El rango de números decimales dentro de cada octeto siempre se encontrará entre 0 y 255, inclusivamente. Nótese que cada tarjeta de red en una computadora tiene una dirección IP. Una computadora puede tener dos o más direcciones IP trabajando simultáneamente, como en el caso de una laptop que esté usando Ethernet y además una wireless NIC. Lo mismo sucede con los routers, que típicamente tienen varias interfaces de red que reenvían paquetes IP y cada una de esas interfaces cuenta con su propia dirección IP.
Cómo se Agrupan las Direcciones IP
Las especificaciones originales de TCP/IP agrupaba las direcciones IP en conjuntos de direcciones
consecutivas, y estos grupos son llamados redes IP. Las direcciones en una sola red tienen el mismo
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valor numérico en la primera parte de las direcciones en la red. En la imagen a continuación se muestra
una internetwork que tiene tres redes IP separadas.
Fig. 26 Ejemplo de Red Utilizando Números de Red Clase A, B y C
Las convenciones del IP Addressing y el agrupamiento de las direcciones IP hacen que el ruteo sea más
fácil. Para el ejemplo de la figura anterior, todas las direcciones IP que comiencen con 8 se encuentran
en la red IP que contiene a todos los hosts en la Ethernet de la izquierda. Así, 199.1.1 es el prefijo para
todas las direcciones IP en la red que incluye las direcciones en el enlace serial. Las únicas dos
direcciones IP en este último grupo serán las direcciones IP en cada uno de los dos routers. Siguiendo
esta convención, los routers construyen una tabla de ruteo con tres entradas o direcciones: una para
cada prefijo o número de red. Trabajando sobre el mismo ejemplo, el router de la izquierda puede tener
una ruta que haga referencia a todas las direcciones que inicien con 134.0, con aquella ruta
direccionando al router a reenviar paquetes al router de la derecha.
Las dos siguientes reglas resumen las características de cuáles direcciones IP necesitan pertenecer al
mismo agrupamiento:
Todas las direcciones IP en el mismo grupo NO deben estar separadas por un router.
Las direcciones IP que estén separadas por un router deberán pertenecer a diferentes grupos
(redes o subredes).
El ruteo IP confía en el hecho de que todas las direcciones IP pertenecientes al mismo grupo (red o
subred) se encuentran en la misma localización general. Si alguna de las direcciones IP en mi red o
subred se permitiera estar en el otro lado de la internetwork, los routers en la red podrían enviar
incorrectamente algunos de los paquetes para mi computadora hacia el otro lado de la red.
Clases de Redes
El RFC 791 define el protocolo IP incluyendo varias Clases de red diferentes entre sí. IP define tres Clases
de red distintas, éstas son usadas por los hosts y se llaman unicast IP addresses o direcciones IP unicast.
Éstas tres Clases de red se llaman A, B y C. TCP/IP también define las direcciones Clase D (multicast) y
las direcciones Clase E (experimentales).
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Por definición, todas las direcciones en la misma Clase ya sea A, B o C tienen el mismo valor numérico en
la porción “red” de la dirección. El resto de la dirección es llamada “parte host”. Así, un router que se
encuentre a tres saltos de distancia, se preocupa solamente por el nombre de nuestra red.
Las redes de Clase A, B y C tienen una diferente longitud en la parte que identifica la red:
Las redes de Clase A tienen una longitud en su parte de red de 1 byte. Eso deja 3 bytes para el
resto de las direcciones, lo que es llamado “la parte de los hosts”.
Las redes de Clase B tienen una longitud en su parte de red de 2 bytes, dejando 2 bytes para la
porción de hosts.
Las redes de Clase C tienen una longitud en su parte de red de 3 bytes, dejando sólo 1 byte para
la parte de hosts.
Por ejemplo, para la red 8.0.0.0 que es una red de Clase A, tan sólo un octeto (byte) se usa para la parte
de Red en la dirección. Entonces todos los hosts en esta red iniciarán con 8. Similarmente, la red
130.4.0.0 es Clase B, y por tanto 2 de sus octetos definen la parte de red y todas las direcciones
comienzan con 134.4 como los primeros dos octetos.
La convención para escribir un número de red indica que primero se escribe la parte de red, seguida por
ceros decimales en la parte host del número. A continuación, considérese el tamaño de la red
dependiendo de su Clase. Las redes Clase A requieren 1 byte para la parte de red, permitiendo 3 bytes ó
24 bits para la parte host. Hay entonces 224 posibilidades diferentes de valores para la parte de hosts en
la dirección IP de una Clase A. Así, en una red Clase A habría 224 direcciones IP. Es importante considerar
que dos de estas direcciones son reservadas y no se consideran como posibles direcciones IP para hosts
ya que tienen un uso especial.
A continuación se muestra una tabla que resume las características de las redes Clase A, B y C, sin
realizar subnetting.
Cualquier red de esta
Clase
Número de bytes en la
parte red
Número de bytes en la
parte de host
Número de direcciones
por red (con dos
direcciones
reservadas)
A 1 Byte = 8 bits 3 Bytes = 24 bits 224 - 2
B 2 Bytes = 16 bits 2 Bytes = 16 bits 216 - 2
C 3 Bytes = 24 bits 1 Byte = 8 bits 28 - 2
Para el ejemplo de la figura anterior, sus direcciones IP se desmenuzarían en binario de la siguiente
manera:
Número de la Red Representación Binaria (parte de hosts en negritas)
8.0.0.0 00001000 00000000 00000000 00000000
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130.4.0.0 10000010 00000100 00000000 00000000
199.1.1.0 11000111 00000001 00000001 00000000
A pesar de que los números de red parecen direcciones IP debido a su nomenclatura, los números de
red no pueden ser asignados a una interfaz para ser usada por una dirección IP. Conceptualmente, los
números de red representan un grupo de direcciones IP en la red.
Además del número de red, un segundo valor en notación decimal separada por puntos está reservado
en cada red. Nótese que el primer valor reservado (el número de red) tiene ceros binarios en todas sus
posiciones de la parte de host. El otro valor reservado es aquél en el que todas las posiciones de la parte
de host están ocupadas por 1’s binarios. Este número se llama network broadcast o directed broadcast
address. De la misma forma, este número no puede ser asignado a un host como dirección IP. Los
paquetes enviados a una dirección de red de broadcast resultan reenviados a todos los dispositivos
pertenecientes a la red.
Debido a que el número de la red es el valor numérico más pequeño dentro de la red y la dirección de
broadcast es el valor numérico más alto, todos los números entre estos dos son válidos: son direcciones
IP útiles para ser usadas en interfaces de direcciones en la red.
Los Números de Red Clase A, Clase B y Clase C
La Internet se compone por casi todas las redes basadas en IP y casi todas las computadoras host TCP/IP
en el mundo. El diseño original de la Internet requería varias características que cooperaran entre sí
para hacerla posible técnicamente así como administrable.
Cada computadora conectada a la Internet requiere una dirección IP única y no duplicada.
Administrativamente, una autoridad central asignó redes Clase A, B y C a compañías, gobiernos,
sistemas escolares e ISP’s basándose en el tamaño de su red IP: Clase A para redes grandes,
Clase B para redes medianas y Clase C para redes pequeñas.
La autoridad central asignó cada número de red a únicamente una organización, para
asegurarse de que hubiese una asignación única a nivel mundial.
Cada organización con una red asignada Clase A, B o C, asignó posteriormente direcciones IP
individuales dentro de su propia red.
La organización que está a cargo de la asignación de direcciones IP universalmente es la Internet
Corporation for Assigned Network Numbers (ICANN). Existen también otros organismos involucrados
como autoridades regionales.
A continuación se muestra una tabla que describe los números de red posibles que pueden ser
asignados de acuerdo a su Clase.
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Clase Rango del Primer
Octeto
Números de Red
válidos
Número Total
para esta Clase
de Red
Número de hosts
por Red
A 1 a 126 1.0.0.0 a 126.0.0.0 27 – 2(126) 224 – 2(16,777,214)
B 128 a 191 128.0.0.0 a
191.255.0.0
214 – (16,384) 216 – 2(65,534)
C 192 a 223 192.0.0.0 a
223.255.255.0
221 – (2,097,152) 28 – 2(254)
La columna de Números de Red Válidos muestra verdaderos números de red. La red 0.0.0.0
originalmente fue definida para uso como dirección de broadcast. La red 127.0.0.0 está disponible para
su uso como dirección loopback. Ambas redes están reservadas, es decir, no pueden ser usadas como
nombres de red para una compañía.
IP Subnetting
El IP subnetting toma una sola red de Clase A, B o C, y sin que la red deje de existir la subdivide en
grupos más pequeños de direcciones IP. Cada subdivisión es tratada por el subnetting como si fuera otra
red.
A continuación se muestra una imagen de una red sin subnetting.
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Fig. 27 Backdrop para Comentar los Números de Diferentes Redes/Subredes
En el diseño anterior, hay 6 grupos de direcciones IP, cada uno de los cuales es una red de Clase B de
acuerdo al ejemplo. Cada una de las cuatro LANs usa una sola red de Clase B. Es decir, cada una de las
redes conectadas a los routers A, B, C y D es una red independiente. Adicionalmente, las dos interfaces
seriales que componen el enlace serial punto-a-punto entre los routers C y D usan una red IP porque
estas dos interfaces no se encuentran separadas por un router. Finalmente, las tres interfaces de router
que componen la red Frame Relay con los routers A, B, y C no están separadas por un router IP y usarían
una sexta red IP.
Cada red de Clase B tiene (216 -2) direcciones de host. Dentro de la figura anterior podemos observar
una Ethernet que se encuentra en la parte superior izquierda. Esta sólo debe contener direcciones que
comiencen con 150.1. Así, las direcciones que comiencen con 150.1 no pueden ser asignadas en ninguna
otra parte de la red mas que en la parte superior izquierda de la red. Entonces, si nos hacen falta
direcciones IP en algún otro lado, no se pueden usar las muchas direcciones inutilizadas que inicien con
150.1 y como resultado, la figura anterior está desperdiciando demasiadas direcciones IP.
A continuación se muestra el mismo ejemplo pero ahora usando subnetting.
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Fig. 28 Usando Subredes
Tal y como ocurre en el ejemplo sin subnetting, en el diseño de esta figura se requieren seis grupos. A
diferencia de la imagen anterior, esta sí utiliza seis subredes, cada una de las cuales es una subred de
una sola red de Clase B. Este diseño subdivide la red Clase B 150.150.0.0 en seis subredes. Para realizar
el subnetting, el tercer octeto (en este ejemplo) es utilizado para identificar subredes únicas de la red
150.150.0.0.
Cuando se hace subnetting, una tercera parte de una dirección IP aparece entre la parte de red y la de
hosts de la dirección. Este campo se crea “tomando prestados” bits de la parte de hosts de la dirección.
El tamaño de la parte de red de la dirección jamás se encoge. En otras palabras, las reglas de la Clase A,
B y C aún aplican al definir la parte de red de una dirección. La parte de hosts de la dirección sí encoge
para dar espacio para la subred que es parte de la dirección.
La siguiente figura muestra el formato de las direcciones cuando se hace subnetting, representando el
número de bits en cada una de las tres partes de una dirección IP.
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Fig. 29 Formatos de las Direcciones haciendo Subnetting (Classful)
Ahora, en lugar de rutear con base en la parte “red” de una dirección, los routers pueden rutear
basándose en la red combinada y sus partes de subred. Por ejemplo, cuando Kris envía un paquete a
Hannah (150.150.2.1), el router C tiene una ruta IP que lista información que significa “todas las
direcciones que comienzan con 150.150.2”. Ese mismo router le dice al router C que a continuación
reenvíe el paquete al router B. Nótese que la información en la tabla de ruteo incluye tanto la parte de
red como la de subred de la dirección, ya que ambas partes estando juntas identifican el grupo.
Los conceptos mostrados en la figura anterior con las tres partes de la dirección IP (red, subred y host)
se llaman classful addressing. Este término se refiere a cómo se piensa en las direcciones IP,
específicamente que tienen tres partes. En particular, classful addressing quiere decir que se aprecia la
dirección como teniendo una parte de red que se determina basándose en las reglas del addressing de
Clase A, B y C.
Debido a que el proceso de routing considera juntas las partes de la dirección de red y subred, las
direcciones IP se pueden observar como classless addressing, y con ello en lugar de considerar tres
partes, se tienen solamente dos: la parte en la cual se basa el ruteo y la parte host.
Parte en la cual se basa el ruteo.- Es una combinación de las partes de red y subred desde la
visión classful addressing. Esta primera parte es simplemente llamada “parte de subred” o bien
“prefijo”.
Fig. 30 Formatos de direcciones usando Subnetting (Classless)
Parte host.
Finalmente, el IP Addressing con subnetting usa un concepto llamado máscara de subred. Una máscara
de subred ayuda a definir la estructura de una dirección IP, como se muestra en las imágenes anteriores
haciendo referencia a classful y classless. En el capítulo 12 se explican detalles sobre la máscara de
subred.
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Ruteo IP
Esta sección se enfoca en cómo el host origen elige a dónde enviar el paquete así como la forma en que
los routers eligen a dónde rutear o reenviar paquetes a su destino final.
Host Routing
A continuación se muestra la lógica simple de routing que utilizan los hosts para elegir hacia dónde
enviar el paquete:
Paso 1: Si la dirección IP destino está en la misma subred en que me encuentro yo, enviar el paquete
directamente a ese host destino.
Paso 2: Si la dirección IP destino está en una subred diferente a la que me encuentro yo, enviar el
paquete al default Gateway (la interfaz Ethernet de un router en una subred.
Por ejemplo, considere la siguiente figura y note en la LAN de Ethernet en la parte superior de la figura.
La Ethernet de arriba tiene dos PC’s etiquetadas como PC0 y PC10, además del Router R0. Cuando la PC0
envía un paquete a 150.150.1.10 (la dirección de la PC10), la PC0 envía el paquete por la Ethernet a PC10
y no hay necesidad de molestar al router.
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Fig. 31 Alternativas de Host Routing
Alternativamente, cuando la PC0 envía un paquete a PC1 (150.150.4.10), PC0 reenvía el paquete a su
Gateway por default de 150.150.1.4, el cual es la dirección IP de la interfaz Ethernet del R0 de acuerdo al
paso 2 en la lógica del host routing.
Decisiones del Router para Reenvío y la Tabla IP de Ruteo
Para entender mejor la decisión de reenvío del router, esta sección utiliza un ejemplo que incluye tres
routers diferentes reenviando un paquete.
Un router utiliza la siguiente lógica cuando recibe un frame de enlace de datos – un frame que lleva
dentro un paquete IP encapsulado.
Paso 1: Usa el campo FCS de enlace de datos para asegurar que el frame no tuvo errores; si ocurrieron
errores, descartar el frame.
Paso 2: Asumiendo que el frame no fue descartado en el paso 1, descartar los viejos header y trailer de
enlace de datos, dejando el paquete IP.
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Paso 3: Comparar la dirección IP destino del paquete con la tabla de ruteo y encontrar la ruta que
coincide con la dirección destino. Esta ruta identifica la interfaz de salida del router y posiblemente el
router hacia el cual se hace el siguiente salto.
Paso 4: Encapsular el paquete IP dentro de un nuevo header y trailer de enlace de datos apropiados
para la interfaz de salida. Reenviar el frame.
Siguiendo estos pasos, cada router envía el paquete a la siguiente localidad hasta que el paquete alcance
su destino final.
Ahora se dará un enfoque en la tabla de ruteo y el proceso de comparación que ocurre en el paso 3. El
paquete tiene una dirección IP destino en el header, mientras que la tabla de ruteo típicamente tiene
una lista de redes y subredes. Para empatar una entrada en la tabla de ruteo, el router piensa así: “Los
números de red y subred representan un grupo de direcciones que inician con el mismo prefijo. ¿En cuál
de los grupos de mi tabla de ruteo reside la dirección destino de este paquete?
A continuación se tomará la misma topología de la figura anterior, pero en esta ocasión se tratará de
enviar la información de PC0 a PC1. Los pasos a seguir son los siguientes:
Fig. 32 Ejemplo Simple de Ruteo con Subredes IP
Paso A: La PC0 envía el paquete hacia su Gateway por default. La PC0 construye el paquete IP
incluyendo la dirección destino de la PC1 (150.150.4.10). La PC0 requiere enviar el paquete al R0 (es el
Gateway por default para PC0) debido a que la dirección destino se encuentra en una subred diferente.
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La PC0 coloca el paquete IP en un frame de Ethernet con la dirección Ethernet de destino del R0. La PC0
envía el frame dentro de la Ethernet.
Paso B: El R0 procesa el frame entrante y reenvía el paquete a R1. Debido a que el frame entrante
tiene una MAC destino de la Ethernet del R0, el R0 copia el frame hacia la Ethernet para procesarlo. El R0
checa el FCS del frame y no han ocurrido errores (Paso 1). Entonces el R0 descarta el header y el trailer
de Ethernet (Paso 2). A continuación, el R0 compara la dirección destino del paquete (150.150.4.09) con
la tabla de ruteo y encuentra una entrada para la subred 150.150.4.0, la cual incluye las direcciones
desde 150.150.4.0 hasta 150.150.4.255 (Paso 3). Debido a que la dirección destino se encuentra en este
grupo, el R1 reenvía el paquete a la interfaz de salida Serial0 al router de siguiente salto R1 (150.150.2.7)
después de encapsular el paquete en un frame HDLC (Paso 4).
Paso C: El R1 procesa el frame entrante y reenvía el paquete a R2. El R1 repite el mismo proceso
general que R0 cuando R1 recibe el frame HDLC. El R1 checa el campo FCS y encuentra que no
ocurrieron errores (Paso 1). El R1 desecha el header y trailer del HDLC (Paso 2). A continuación, el R1
encuentra su ruta a través de la subred 150.150.4.0 – la cual incluye el rango de direcciones de
150.150.4.0 a 150.150.4.255 – y se percata que la dirección destino del paquete 150.150.4.9 coincide
con la ruta (Paso 3). Finalmente, el R1 envía el paquete por la interfaz Serial1 al router de siguiente salto
150.150.3.1 (R2) luego de haber encapsulado el paquete en un header de Frame Relay (Paso 4).
Paso D: El R2 procesa el frame entrante y reenvía el paquete a la PC1. Al igual que el R0 y R1, el R2
checa el FCS, desecha los viejos header y trailer de enlace de datos y compara su propia ruta para la
subred 150.150.4.0. La tabla de ruteo del R2 tiene una entrada que contiene 150.150.4.0 y que muestra
que la interfaz de salida es la Ethernet de R2 pero no hay un router de siguiente salto debido a que R2
está directamente conectado con la subred 150.150.4.0. Todo lo que el R2 debe hacer es encapsular el
paquete dentro de un header y trailer de Ethernet, con una dirección de Ethernet destino de la MAC
address de la PC1, y reenviar el frame.
El proceso de ruteo se basa en las reglas relacionadas al IP addressing. ¿Y por qué el 150.150.1.09 (PC0)
asume que 150.150.4.10 (PC1) no está en la misma Ethernet? Es porque 150.150.4.0 (que es la subred
de PC1) es diferente de 150.150.1.0, que es la subred de PC0. Ya que las direcciones IP en diferentes
subredes deben ser separadas por un router, PC0 necesita enviar el paquete a un router, y lo hace. Así, si
alguien intentara colocar a PC1 en alguna otra parte de la red aún usando 150.150.4.10, los routers
reenviarían paquetes al lugar equivocado.
Protocolos IP de Ruteo
El proceso de ruteo (renvío) depende fuertemente de tener una tabla de ruteo totalmente actualizada
en cada router. Los protocolos de IP de ruteo llenan las tablas de ruteo de los routers con rutas válidas y
que no se ciclan. Cada ruta incluye un número de subred, una interfaz sobre la cual se reenvían los
paquetes y la dirección IP del siguiente router que debería recibir los paquetes destinados para esa
subred (si se necesitara).
Los objetivos de un protocolo de ruteo son los siguientes:
Aprender dinámicamente y llenar la tabla de ruteo con una ruta para todas las subredes en la
red.
UPAEP 2019 [Diplomado en Redes]
19
Si se encuentra disponible más de una ruta para una subred, colocar la mejor de las rutas en la
tabla de ruteo.
Saber cuándo ya no son válidas las rutas en la tabla y removerlas de la tabla de ruteo.
Si una ruta es removida de la tabla de ruteo y está disponible otra ruta a través de otro router
cercano, agregar la ruta a la tabla de ruteo.
Agregar nuevas rutas o reemplazar rutas perdidas con la mejor ruta disponible tan pronto
como sea posible. Al tiempo entre que se pierde una ruta y se encuentra una ruta de reemplazo
que funcione es llamado tiempo de convergencia.
Evitar que las rutas se ciclen.
Los protocolos de ruteo siguen estos pasos generales para encontrar rutas en una red:
Paso 1: Cada router agrega una ruta a su tabla de ruteo para cada subred directamente conectada al
router.
Paso 2: Cada router notifica a sus vecinos sobre todas las rutas que posee en su tabla de ruteo,
incluyendo las rutas directamente conectadas y las rutas aprendidas por otros routers.
Paso 3: Después de haber aprendido una nueva ruta de un vecino, el router agrega una ruta a su tabla
de ruteo, con el router de siguiente salto típicamente siendo el vecino del cual se aprendió la ruta.
Por ejemplo, la siguiente figura muestra el mismo ejemplo que en las dos figuras anteriores pero ahora
enfocándose en cómo cada uno de los tres routers aprendió a la subred 150.150.4.0.
UPAEP 2019 [Diplomado en Redes]
20
Fig. 33 Router R0 Aprendiendo a la Subred 150.150.4.0
Los pasos A, B, C y D mostrados en la figura muestran cómo cada router aprende su ruta hacia
150.150.4.0.
Paso A: El R2 aprende una ruta que hace referencia hacia su propia interfaz E0 debido a que la subred
150.150.4.0 está directamente conectada (Paso 1).
Paso B: El R2 envía un mensaje de protocolo de ruteo, llamado routing update, hacia R1, provocando
que R1 aprenda a la subred 150.150.4.0 (Paso 2).
Paso C: El R1 envía un routing update similar a R0, provocando que R0 aprenda a la subred 150.150.4.0
(Paso 2).
Paso D: La ruta de R0 hacia 150.150.4.0 enlista 150.150.2.7 (dirección IP de R1) como la dirección de
siguiente salto, ya que R0 aprendió la ruta a partir de R1. La ruta también enlista en la interfaz de salida
de R0 a Serial0, porque R0 aprendió la ruta a partir del update que llegó por Serial0 (Paso C en la figura).
Nota: Los routers no siempre hacen referencia a la dirección IP del router vecino como el próximo salto.
Utilidades de la Capa de Red
150.150.1.0
9
150.150.1.1
0
150.150.1.
0 150.150.1.
4
S0
S1
E0
150.150.4.1
0
150.150.2.
7
150.150.3.
1
150.150.4.
0
Router por Default
150.150.1.4
D
Tabla de Ruteo de R1
Subred
150.150.4.
0
Tabla de Ruteo de R2
A
Subred
150.150.4.
0
C
B
Tabla de Ruteo de R0
Subred Interfaz de salida Siguiente salto
150.150.4.0 Serial0 150.150.2.7
UPAEP 2019 [Diplomado en Redes]
21
En esta sección se hablará de cuatro herramientas usadas casi todos los días y en casi todas las redes
TCP/IP en el mundo para ayudar a la capa de red con su tarea de rutear paquetes de punto a punto a
traves de una internetwork.
Estas cuatro herramientas son:
Address Resolution Protocol (ARP)
Domain Name System (DNS)
Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP)
Ping
Address Resolution Protocol y el Domain Name System
Para la interacción humana es más fácil recordar un nombre que recordar un número. Por eso TCP/IP
necesita protocolos que descubran dinámicamente toda la información necesaria para permitir la
comunicación aún sin que el usuario sepa más que un nombre.
TCP/IP necesita una manera de permitir que una computadora encuentre la dirección IP de otra
computadora basándose en su nombre. TCP/IP también necesita una forma de encontrar las MAC
addresses asociadas con otras computadoras en la misma subred LAN. En la siguiente figura se muestra
el problema.
En este ejemplo, Alejandra necesita comunicarse con un servidor en la PC de Jésica. Alejandra sabe su
propio nombre, dirección IP y dirección MAC. Lo que Alejandra no sabe es la dirección IP de Jésica ni sus
direcciones MAC. Para descubrir las dos características faltantes, Alejandra usa DNS para encontrar la
dirección IP de Jésica y usa ARP para saber las direcciones MAC de Jésica.
Fig. 34 Alejandra conoce el nombre de Jésica pero necesita su dirección IP y direcciones MAC
* Las letras en cursiva indican la información faltante que Alejandra necesita aprender.
Eth IP UDP Datos Eth
MAC Address destino = ????.????.????
MAC Address origen = 0200.1111.1111
Dirección IP destino = ?.?.?.?
Dirección IP origen = 10.1.1.1
Eth IP UDP Datos Eth
MAC Address destino = ????.????.????
MAC Address origen = 0200.1111.1111
Dirección IP destino = ?.?.?.?
Dirección IP origen = 10.1.1.1
UPAEP 2019 [Diplomado en Redes]
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Resolución del Nombre DNS
Alejandra sabe la dirección IP de un servidor DNS porque la dirección ya sea que estuviera configurada
en la computadora de Alejandra o se aprendió mediante DHCP. Tan pronto como Alejandra identifique
de alguna manera el nombre de la otra computadora (por ejemplo, jesica.ejemplo.com), ella envía una
solicitud de DNS al DNS, solicitando la dirección IP de Jésica. El DNS contesta con la dirección, 10.1.1.2.
El proceso ARP
Tan pronto como el host sabe la dirección IP del otro host, el host remitente podría necesitar saber la
dirección MAC usada por la otra computadora. En el ejemplo, Alejandra aún necesita saber la dirección
MAC Ethernet usada por 10.1.1.2, así que Alejandra realiza algo llamado ARP broadcast. Un ARP
broadcast es enviado a una dirección Ethernet de broadcast para que todos en la LAN lo reciban. Ya que
Jésica está en la misma LAN, ella también recibe el ARP broadcast. Debido a que la dirección IP de Jésica
es 10.1.1.2 y el ARP broadcast está buscando a la MAC address asociada con 10.1.1.2, Jésica contesta
con su dirección MAC.
En otras palabras, es como si todos los miembros pertenecientes a la LAN se encontraran en un mismo
salón y entonces Alejandra levanta la voz solicitando que quien sea 10.1.1.2 le indique su MAC address.
Jésica se da cuenta que se trata de ella misma, así que contesta con su dirección MAC.
Ahora Alejandra ya conoce la dirección IP destino y las direcciones IP que debe usar cuando envíe
frames a Jésica y el paquete ya puede ser enviado exitosamente.
Los hosts pueden o no necesitar ARP para conocer la MAC address del host destino basado en la lógica
de ruteo de dos pasos usada por un host. Si el host destino se encuentra en la misma subred, el host
remitente envía un ARP buscando la MAC address del host destino, pero si se encuentran en diferentes
subredes, la lógica de ruteo del host remitente resulta en que requerirá reenviar el paquete a su
gateway por default. Para el ejemplo que hemos estado llevando, si Alejandra y Jésica se encontraran
en diferentes subredes, la lógica de ruteo de Alejandra habría querido enviar el paquete a su gateway
por default. Y en ese caso, Alejandra habría usado ARP para descubrir la MAC address del router en lugar
de la MAC address de Jésica.
Adicionalmente, los hosts necesitan usar ARP para conocer las direcciones MAC tan sólo de vez en
cuando. Cualquier dispositivo que use IP deberá retener o almacenar en caché la información aprendida
con ARP, colocando así la información en su caché de ARP. Cada vez que un host necesita enviar un
paquete encapsulado en un frame de Ethernet, primero revisa su caché de ARP y usa la dirección MAC
de ahí. Si la información correcta no se encuentra enlistada en el caché de ARP, el host usa entonces
ARP para descubrir la dirección MAC usada por una dirección IP en particular. También, un host aprende
información ARP cuando recibe un ARP. Como en la figura anterior, el proceso de ARP mostrado
resultará en que tanto Alejandra como Jésica aprendan la dirección MAC de la otra.
Nota: Es posible visualizar la información almacenada en el caché de ARP en la mayoría de los sistemas
operativos de una PC utilizando el comando arp –a desde un command prompt.
Asignación de Dirección y DHCP
Cada interfaz de un dispositivo que utiliza TCP/IP requiere una dirección IP válida. Para algunos
dispositivos, la dirección puede y debe ser asignada estáticamente configurando el dispositivo. Todos los
sistemas operativos comúnmente usados y que soportan TCP/IP, permiten al usuario configurar su
UPAEP 2019 [Diplomado en Redes]
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dirección IP estáticamente en la interfaz. Los routers y switches también usan direcciones IP
configuradas estáticamente, así como los servidores.
Usar una dirección IP configurada estáticamente es de utilidad porque todas las referencias hacia ese
servidor pueden permanecer iguales al paso del tiempo, de esta manera se puede alcanzar el servidor
consistentemente, desde cualquier lugar y siempre sabiendo cómo hacerlo.
Por otro lado, el host de un usuario final común no necesita usar la misma dirección IP todos los días. Un
ejemplo a esta situación es el siguiente: Yo tengo interés en saber siempre dónde se encuentra mi
tienda favorita –el router siempre tiene la misma IP- pero a mi tienda favorita no le es de interés si yo
vivo a una cuadra y al día siguiente a 3 cuadras – el host puede variar día con día-.
DHCP define los protocolos usados para permitir a las computadoras solicitar el uso momentáneo de
una dirección IP. DHCP utiliza un servidor y éste guarda una lista de direcciones IP disponibles en cada
subred. Los clientes de DHCP pueden enviar al servidor de DHCP un mensaje solicitando le sea prestada
una dirección IP y entonces el servidor sugiere una dirección IP. Si es aceptada, el servidor nota que la
dirección ya no se encuentra disponible para ser asignada a otros hosts y el cliente tiene ahora una
dirección IP para usar.
DHCP entrega direcciones IP a sus clientes pero también entrega otros datos a sus hosts cuando
requieren saber información sobre sí mismos como su dirección IP, qué máscara de subred utilizar, qué
gateway por default utilizar, así como la dirección IP de cualquier servidor DNS.
La siguiente figura muestra un conjunto típico de cuatro mensajes usados con un servidor DHCP para
asignar una dirección IP, así como otra información. Nótese que los primeros dos son mensajes IP de
broadcast.
En la figura se muestra el servidor DHCP como una PC, lo cual es típico en la red de una compañía. Aún
así, es necesario saber que los routers ofrecen servicios DHCP. De hecho, los routers pueden proveer
una función de servidor DHCP, asignando dinámicamente direcciones IP a las computadoras en una
pequeña oficina, usando funciones de cliente DHCP para arrendar dinámicamente direcciones IP desde
un Internet Service Provider (ISP).
Fig. 35 Mensaje de DHCP para adquirir una dirección IP
DHCP se ha convertido en un protocolo prolífico. Muchos hosts de usuarios finales en LANs en redes
corporativas obtienen sus direcciones IP y otras configuraciones básicas vía DHCP.
1 Mensaje de descubrimiento DHCP (Broadcast en LAN)
Mensaje de ofrecimiento DHCP dirigido al cliente
Mensaje de solicitud DHCP dirigido al servidor
Acuse de recibo DHCP dirigido al cliente
23
4
1
2
3
4
Broadcast para desccubrir el servidor
Ofrecimiento para proveer el servicio DHCP
Solicitud de información
Acuse de recibo con la información (Dirección IP, máscara, Gateway, etc.)
1 Mensaje de descubrimiento DHCP (Broadcast en LAN)
Mensaje de ofrecimiento DHCP dirigido al cliente
Mensaje de solicitud DHCP dirigido al servidor
Acuse de recibo DHCP dirigido al cliente
23
4
1
2
3
4
Broadcast para desccubrir el servidor
Ofrecimiento para proveer el servicio DHCP
Solicitud de información
Acuse de recibo con la información (Dirección IP, máscara, Gateway, etc.)
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Eco ICMP y el comando Ping
Después de haber implementado una red, se requiere una manera para probar conectividad básica sin
requerir que otras aplicaciones estén funcionando. La herramienta principal para probar conectividad
básica en la red es el comando ping. Ping significa Packet Internet Groper y utiliza el Internet Control
Message Protocol (ICMP), enviando un mensaje llamado ICMP echo request a otra dirección IP. La
computadora con esa dirección IP debe contester con un ICMP echo reply. Si eso funciona, se ha
probado con éxito la red IP. Es decir, ahora se sabe que es posible entregar un paquete IP de un host a
otro y de regreso. ICMP no requiere otra aplicación para funcionar, por lo que realmente sólo prueba
conectividad básica de las capas 1, 2 y 3 del modelo OSI.
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Actividad 13.
Con los siguientes elementos a completa al paquete IPV 4
Destination IP Address DS Field Flags
Source IP Address Version Protocol
Header Length Packet Length Identification
Fragment Offset Time to Live
Header Checksum
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Actividad 14.
Con los siguientes elementos a completa la tabla de acuerdo al significado
Destination IP Address DS Field Flags
Source IP Address Version Protocol
Header Length Packet Length Identification
Fragment Offset Time to Live
Header Checksum
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Actividad 15.
A completar la siguiente tabla de redes:
Clase Rango del
1er Octeto
Número valido
de redes
Número de
Nodos
Número de
Redes
A
B
C
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Actividad 16.
¿Cómo un cliente de DHCP adquiere una IP?:
Acuse de recibo DHCP dirigido al cliente
Mensaje de descubrimiento DHCP
Mensaje de solicitud DHCP dirigido al servidor
Mensaje de ofrecimiento DHCP dirigido al cliente
1 ______________________________________________
2 ______________________________________________
3 ______________________________________________
4 ______________________________________________
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Escenario 1.
En el negocio de Materiales de Construcción “La cuchara alegre”, está
conformada por las siguientes áreas:
mostrador 3 personas que atienden
bodega jefe de almacén
contabilidad contador y auxiliar
dueño Miguel
Crear en Packet Tracer un modelo de red de “La cuchara alegre”,
mediante el uso HUB, cablear las computadoras para que se puedan ver
entre ellas utilizando el comando PING e IP de tipo 10.0.0.1 al 10.0.0.10
------------------------------------------------------------------------------------------
Escenario 2.
En el negocio de Materiales de Construcción “La cuchara alegre”, está
conformada por las siguientes áreas:
mostrador 3 personas que atienden
bodega jefe y auxiliar de almacén
contabilidad contador y auxiliar
dueño Miguel
Crear en Packet Tracer un modelo de red de “La cuchara alegre”,
mediante el uso de un SWITCH por área, se le solicita diseñar una red
clase C, para 8 computadoras, en la que todas las computadoras estén
conectadas, cablear y configurar el IP para que las computadoras se
puedan ver entre ellas utilizando el comando PING.
UPAEP 2019 [Diplomado en Redes]
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Actividad 17.
Convertir las siguientes direcciones a formato binario, obtener su máscara identificar a que clase
pertenecen y determinar los IPs solicitados
a) 172.16.2.10/24
Binario: _______________________________________________________________
Mascara: ______________________________________________________________
Clase: _________________________________________________________________
RED: __________________________________________________________________
Rango de IP válidas: _____________________________________________________
Broadcast: _____________________________________________________________
b) 10.6.24.20/20
Binario: _______________________________________________________________
Mascara: ______________________________________________________________
Clase: _________________________________________________________________
RED: __________________________________________________________________
Rango de IP válidas: _____________________________________________________
Broadcast: _____________________________________________________________
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31
c) 10.30.36.12/24
Binario: _______________________________________________________________
Mascara: ______________________________________________________________
Clase: _________________________________________________________________
RED: __________________________________________________________________
Rango de IP válidas: _____________________________________________________
Broadcast: _____________________________________________________________
d) 172.16.2.200/16
Binario: _______________________________________________________________
Mascara: ______________________________________________________________
Clase: _________________________________________________________________
RED: __________________________________________________________________
Rango de IP válidas: _____________________________________________________
Broadcast: _____________________________________________________________
e) 192.10.114.3/25
Binario: _______________________________________________________________
Mascara: ______________________________________________________________
Clase: _________________________________________________________________
RED: __________________________________________________________________
Rango de IP válidas: _____________________________________________________
Broadcast: _____________________________________________________________
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