Protocolos de Ruteo

1. Introducción al Enrutamiento

A menudo, se compara el enrutamiento con la conmutación. Un observador inexperto puede pensar que el enrutamiento y la conmutación cumplen la misma función. La diferencia básica es que la conmutación tiene lugar en la Capa 2, o sea, la capa de enlace de los datos, en el modelo OSI y el enrutamiento en la Capa 3. 

Esta diferencia significa que el enrutamiento y la conmutación usan información diferente en el proceso de desplazar los datos desde el origen al destino.

Se puede hacer una analogía con las comunicaciones telefónicas locales (switch) y de larga distancia (routers).

Tabla ARP, Tabla de Enrutamiento, Tabla de Switch.

Hay 3 tablas que se suelen confundir.

• Tabla de ARP relaciona Capa 3, dirección IP con Capa 2, dirección MAC.

• Tabla de Enrutamiento relaciona Direcciones de red de Capa 3 con Interfaces Físicas.

• Tabla de Switch relaciona Capa 2, direcciones MAC con puertos físicos del Switch.

¿Cómo funciona el router?

Los datos se mueven a lo largo de cualquier red en forma de paquetes de datos (Siendo el paquete la unidad de datos de protocolo (PDU) de la capa de red 3 o IP). 

Cada paquete de datos tiene un encabezado que contiene información sobre el destino previsto del paquete. Cuando un paquete viaja a su destino, varios enrutadores pueden re-dirigirlo varias veces. 

Los enrutadores realizan este proceso millones de veces por segundo con millones de paquetes.

Cuando llega un paquete de datos, se cumple la siguiente secuencia:

1. El router compara la dirección IP del paquete recibido contra las tablas que tiene.
2. Se obtiene la dirección destino del paquete.
3. Se aplica la máscara de la primera entrada en la tabla de enrutamiento a la dirección destino.
4. Se compara el destino enmascarado y la entrada de la tabla de enrutamiento.
5. Si hay concordancia, el paquete se envía al puerto que está asociado con la entrada de la tabla.
6. Si no hay concordancia, se sigue y se compara con la siguiente entrada de la tabla.
7. Si el paquete no concuerda con ninguno de las entradas de la tabla, el Router envía por  una ruta por defecto. Siempre tiene que haber una, si no el paquete se elimina.

Cada router hace el mismo proceso.. hasta llegar a destino.

El pasaje de un router a otro se conoce como SALTO.

Generalmente la cantidad de saltos hasta cualquier sitio no supera el nro. 16!!

Tablas de enrutamiento.

Los Routers utilizan protocolos de enrutamiento para crear y guardar tablas de enrutamiento que contienen información sobre las rutas. Esto ayuda al proceso de determinación de la ruta. 

Los protocolos de enrutamiento llenan las tablas de enrutamiento con una amplia variedad de información. Esta información varía según el tipo de protocolo de enrutamiento utilizado. 

Las tablas de enrutamiento contienen la información necesaria para enviar paquetes de datos a través de redes conectadas.

Los dispositivos de Capa 3 interconectan dominios de broadcast o LAN. Se requiere un esquema de direccionamiento jerárquico para poder transferir los datos.

La letra C indica conectada directamente, por eso el salto vale 0, y R significa Ready (lista) es una ruta aprendida por el protocolo.

La información que se incluye en las tablas de enrutamiento es:

1. Tipo de protocolo: el tipo de protocolo de enrutamiento que creó la entrada en la tabla de enrutamiento.
2. Asociaciones entre destino/siguiente salto: estas asociaciones le dicen al Router que un destino en particular está directamente conectado al Router, o que puede ser alcanzado utilizando un Router denominado "salto siguiente" en el trayecto hacia el destino final. Cuando un Router recibe un paquete entrante, lee la dirección destino y verifica si hay concordancia entre esta dirección y una entrada de la tabla de enrutamiento.
3. Métrica de enrutamiento: los distintos protocolos de enrutamiento utilizan métricas de enrutamiento distintas. Las métricas de enrutamiento se utilizan para determinar la conveniencia de una ruta. Por ejemplo, el números de saltos es la única métrica de enrutamiento que utiliza el protocolo de información de enrutamiento (RIP). El Protocolo de enrutamiento Gateway interior (IGRP) utiliza una combinación de ancho de banda, carga, retardo y confiabilidad como métricas para crear un valor métrico compuesto.
4. Interfaces de salida: la interfaz por la que se envían los datos para llegar a su destino final.

¿Cuáles son los tipos de ruteo?

Existen dos tipos diferentes de enrutamiento, que se basan en la forma en que el enrutador crea sus tablas de enrutamiento:

Enrutamiento estático

En el enrutamiento estático, un administrador de red utiliza tablas estáticas para configurar y seleccionar manualmente las rutas de red. El enrutamiento estático es útil en situaciones en las que se espera que el diseño o los parámetros de la red permanezcan constantes.

La naturaleza estática de esta técnica de enrutamiento conlleva los inconvenientes esperados, como la congestión de la red. Si bien los administradores pueden configurar rutas de respaldo en caso de que se produzca un error en un enlace, el enrutamiento estático generalmente disminuye la adaptabilidad y la flexibilidad de las redes, lo que resulta en un rendimiento limitado de la red.

Enrutamiento dinámico

El enrutamiento dinámico son implementaciones de la capa de aplicación. Toma información de la red, la procesan y modifican la tabla de ruteo a la vez que comunican estas modificaciones a otros Routers.

Nota:

Ver que los protocolos de ruteo corre en capa 5, capa de aplicación!!!

https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc1812#page-106

En el enrutamiento dinámico, los enrutadores crean y actualizan las tablas de enrutamiento en tiempo de ejecución según las condiciones reales de la red. Intentan encontrar la ruta más rápida desde el origen hasta el destino mediante un protocolo de enrutamiento dinámico, que es un conjunto de reglas que crean, mantienen y actualizan la tabla de enrutamiento dinámico.

La mayor ventaja del enrutamiento dinámico es que se adapta a las condiciones cambiantes de la red, incluidos el volumen de tráfico, el ancho de banda y las fallas de la red.

2. Algoritmos y Métricas de enrutaiento.

Algoritmos de Enrutamiento.

Un algoritmo es una solución detallada a un problema. 

En el caso de paquetes de enrutamiento, diferentes protocolos utilizan distintos algoritmos para decidir por cuál puerto debe enviarse un paquete entrante. Los algoritmos de enrutamiento dependen de las métricas para tomar estas decisiones.

Objetivos de diseño de los protocolos de enrutamiento.

1. Optimización: la optimización describe la capacidad del algoritmo de enrutamiento de seleccionar la mejor ruta. La mejor ruta depende de las métricas y el peso de las métricas que se usan para hacer el cálculo. Por ejemplo, un algoritmo puede utilizar tanto las métricas del número de saltos como la del retardo, pero puede considerar las métricas de retardo como de mayor peso en el cálculo.
2. Simplicidad y bajo gasto: cuanto más simple sea el algoritmo, más eficientemente será procesado por la CPU y la memoria del Router. Esto es importante ya que la red puede aumentar en grandes proporciones, como la Internet.
3. Solidez y estabilidad: un algoritmo debe funcionar de manera correcta cuando se enfrenta con una situación inusual o desconocida; por ejemplo, fallas en el hardware, condiciones de carga elevada y errores en la implementación.
4. Flexibilidad: un algoritmo de enrutamiento debe adaptarse rápidamente a una gran variedad de cambios en la red. Estos cambios incluyen la disponibilidad y memoria del Router, cambios en el ancho de banda y retardo en la red.
5. Convergencia rápida: la convergencia es el proceso en el cual todos los Routers llegan a un acuerdo con respecto a las rutas disponibles. Cuando un evento en la red provoca cambios en la disponibilidad de los Routers, se necesitan actualizaciones para restablecer la conectividad en la red. Los algoritmos de enrutamiento que convergen lentamente pueden hacer que los datos no puedan enviarse.

Parámetros de las métricas

Los diferentes protocolos de enrutamiento pueden usar diferentes métricas. La métrica utilizada por un protocolo de enrutamiento no es comparable con la métrica utilizada por otro protocolo de enrutamiento. Dos protocolos de enrutamiento diferentes pueden elegir diferentes rutas hacia el mismo destino debido al uso de diferentes métricas.

El algoritmo genera un número, denominado valor métrico, para cada ruta a través de la red. Los algoritmos de enrutamiento sofisticados basan la elección de la ruta en varias métricas, combinándolas en un sólo valor métrico compuesto. En general, los valores métricos menores indican la ruta preferida.

RIP elegirá la ruta con la menor cantidad de saltos, mientras que OSPF elegirá la ruta con el ancho de banda superior.

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 Cisco IOS o por el administrador de red para indicar la preferencia de una ruta. El costo puede representar una métrica, una combinación de las mismas o una política.

2.1. Algoritmos (informativo)

• Retardo.
• Ancho de banda.
• Costo por Mbps.
• Entre otros.

3. Protocolos de puerta de enlace interior

Sistema Autónomo.

Los sistemas autónomos son las grandes redes que componen Internet. Más concretamente, un sistema autónomo (AS) es una red grande o grupo de redes que tiene una política de enrutamiento unificada.

Ver https://bgp.he.net/

Cada AS controla un conjunto específico de direcciones IP, por ejemplo Obercom, Telecom, Marandú.

La mayoría de los AS se conectan a otros AS. Si un AS se conecta solo a otro AS y comparte la misma política de enrutamiento, puede considerarse una subred del primer AS.

Mirar este capítulo de IPv6

Lo normal es que cada AS la gestione una única gran organización, como un proveedor de acceso a Internet (ISP), una gran empresa tecnológica, una universidad o una agencia gubernamental.

La expresión Sistema Autónomo es con frecuencia interpretada incorrectamente como apenas una forma conveniente de agrupar redes que están bajo de una misma gestión. Sin embargo, en el caso en que hay más de una política de ruteo en el grupo, más de un AS es necesario. Por otro lado, si el grupo de redes posee la misma política que los otros grupos, estos quedan dentro del mismo AS independientemente de la estructura de la gestión. De esta manera, por definición, todas las redes que componen un AS comparten la misma política de ruteo.

Número de Sistema Autónomo

Cada Sistema Autónomo tiene un número asociado el cual es usado como un identificador para el Sistema Autónomo en el intercambio de información del ruteo externo.

LACNIC distribuirá Números de Sistema Autónomo a las organizaciones que cumplan con los requisitos solicitados.

Identificar aquí donde está LACNIC

Los números de sistemas autónomos de 16 bits fueron definidos en la RFC 1930 y se utilizará para su identificación números enteros del 0 al 65535. Igualmente, los números de sistemas autónomos de 32 bits fueron definidos por la RFC 4893 y se utilizarán para su identificación números enteros del 0 al 4294967295. Utilizando en ambos casos la representación textual del valor decimal “asplain” definida en el RFC 5396.

Estos números de Sistema Autónomo o ASN serán registrados en WHOIS.

Ejemplo, vamos a ver el nro. de sistema autónomo de Marandú.

Para saber la ip, hago un ping a https://www.marandu.com.ar

ahora

Cada ordenador o dispositivo que se conecta a Internet está conectado a un AS y este AS a otro..

Estos protocolos de enrutamiento del sistema autónomo evalúan y toman decisiones de enrutamiento en función las políticas o criterios.

A continuación se indican algunos ejemplos de protocolos de puerta de enlace interior.

4. IGP, EGP

Los protocolos de enrutamiento se pueden clasificar en:

• Protocolos de enrutamiento de Gateway interior (IGP).
  
• Protocolos de enrutamiento de Gateway exterior (EGP).
  

Los IGP enrutan datos dentro de un sistema autónomo.
• Protocolo de información de enrutamiento (RIP) y (RIPv2).
• Protocolo de enrutamiento de Gateway interior (IGRP).
• Protocolo de enrutamiento de Gateway interior mejorado (EIGRP).
• Primero la ruta libre más corta (OSPF).
• Protocolo de sistema intermedio-sistema intermedio (IS-IS).

Los EGP enrutan datos entre sistemas autónomos. (Borde).

Un ejemplo de EGP es el protocolo de Gateway fronterizo (BGP).

• Ver que los Routers que se encuentran bajo una sola administración corren IGP.
• Ver que los Routers que están en el borde y se interconectan con otro AS corren EGP.

5. Estado de Enlace y Vector Distancia

1) Vector Distancia.

El enrutamiento por vector-distancia determina la dirección y la distancia (vector) hacia cualquier enlace en la internetwork. La distancia puede ser el número de saltos hasta el enlace. 

Los Routers que utilizan los algoritmos de vector-distancia envían todos o parte de las entradas de su tabla de enrutamiento a los Routers adyacentes de forma periódica. Esto sucede aún si no ha habido modificaciones en la red.

Utiliza el algoritmo de Bellman-Ford para calcular las métricas de las distancias.

Un Router puede verificar todas las rutas conocidas y realizar las modificaciones a su tabla de enrutamiento al recibir las actualizaciones de enrutamiento. Este proceso también se llama "enrutamiento por rumor". La comprensión que el Router tiene de la red se basa en la perspectiva que tiene el Router adyacente de la topología de la red.

Los ejemplos de los protocolos por vector-distancia incluyen los siguientes:

• Protocolo de información de enrutamiento (RIP): es el IGP más común de la red. RIP utiliza números de saltos como su única métrica de enrutamiento.
• Protocolo de enrutamiento de Gateway interior (IGRP): es un IGP desarrollado por Cisco para resolver problemas relacionados con el enrutamiento en redes extensas y heterogéneas.
• IGRP mejorada (EIGRP): esta IGP propiedad de Cisco incluye varias de las características de un protocolo de enrutamiento de estado de enlace. Es por esto que se ha conocido como protocolo híbrido balanceado, pero en realidad es un protocolo de enrutamiento vector-distancia avanzado.

2) Estado de Enlace.

Los protocolos de enrutamiento de estado de enlace se diseñaron para superar las limitaciones de los protocolos de enrutamiento vector distancia. 

Los protocolos de enrutamiento de estado de enlace responden rápidamente a las modificaciones en la red, enviando actualizaciones SOLO cuando se producen las modificaciones. 

Los protocolos de enrutamiento de estado de enlace envían actualizaciones periódicas, conocidas como renovaciones de estado de enlace a rangos más prolongados; por ejemplo, 30 minutos.

Cuando una ruta o enlace se modifica, el dispositivo que detectó el cambio crea una publicación de estado de enlace (LSA) en relación a ese enlace. 

Luego la LSA se transmite a todos los dispositivos vecinos. Cada dispositivo de enrutamiento hace una copia de la LSA, actualiza su base de datos de estado de enlace y envía la LSA a todos los dispositivos vecinos. Se necesita esta inundación de LAS para estar seguros de que todos los dispositivos de enrutamiento creen bases de datos que reflejen de forma precisa la topología de la red antes de actualizar sus tablas de enrutamiento.

6. RIP, IGRP

RIP (Routing Information Protocol)

El Protocolo de información de enrutamiento (RIP) se basa en los recuentos de saltos para determinar la ruta más corta entre las redes.

Este tiene un limite máximo de 15 saltos cuando pasa a 16 se considera ruta inalcanzable o no deseable, este protocolo es libre, puede ser usado por diferentes router. Se actualiza mediante peticiones.

16 Saltos se pueden considerar una cantidad de saltos aceptable. Veamos unos ejemplos:

Al DNS de Google:

Al DNS Cloudfare:

16 saltos es un valor aceptable como límite.

El RIP es un protocolo heredado que nadie utiliza hoy en día porque no se adapta bien a la implementación de redes más grandes. En su momento fue uno de los primeros protocolos en surgir, una variante del mismo fue utilizada en ARPANET. RIP ha sido suplantado principalmente debido a su simplicidad y su incapacidad para escalar a redes muy grandes y complejas.

Como funciona RIP

7. OSPF

Protocolo OSPF Open Shortest Path First (abrir la ruta más corta primero)

El protocolo OSPF recopila información de todos los demás enrutadores del sistema autónomo para identificar la ruta más corta y rápida hacia el destino de un paquete de datos. 

RIP plantea una tabla donde cada entrada ubica un destino con la mínima cantidad de saltos, por ejemplo un salto, OSPF plantea eso, las otra entrada donde ubica el destino con dos saltos, con tres saltos, etc.. es decir realiza una base de datos con la topología de la red, en la que ademas de los saltos incluye en su métrica parámetros com ancho de banda del enlace, congestión del enlace, es decir crea una base de datos con los estados de los enlaces.

• OSPF puede implementar diversos algoritmos de enrutamiento o procesos informáticos.
• OSPF es un protocolo de pasarela interior (IGP - Interior Gateway Protocol), un IGP es usado dentro de un sistema autónomo.
• OSPF puede usar seguridad para autentificar sus puntos antes de aceptar nuevas modificaciones o aviso de enlace-estado.
• OSPF también tiene varias versiones, el RFC 2328, trata sobre la Versión 2 de OSPF.
• OSPF incluye un concepto de Área, visión parcial de la red.

Su métrica se basa en:

• el retardo.
• ancho de banda.
• carga.
• confiabilidad.

A modo de comentario en CISCO, la evaluación del Costo de una interfase es:

costo=Ancho banda de Referencia/Ancho de banda de la Interfaz.

Las actualizaciones se activan por los eventos, no por tiempo como RIP (cambios en la topología) de la red, Por ejemplo, RIP intercambia tablas de enrutamiento cada 30 segundos.

 OSPF lo hace solo cuando existe en un cambio en la red. Adicionalmente, OSPF tiene la capacidad de actualizar la tabla de enrutamiento de manera parcial consumiendo menos ancho de banda.

OSPF mantiene actualizada la capacidad de encaminamiento entre los nodos de una red mediante la difusión de la topología de la red y la información de estado-enlace de sus distintos nodos. 

A modo informativo, esta difusión se realiza a través de varios tipos de paquetes:

• Paquetes Hello (tipo 1): cada router envía periódicamente a sus vecinos un paquete que contiene el listado de vecinos reconocidos por el él, indicando el tipo de relación que mantiene con cada uno.

• Paquetes de descripción de base de datos estado-enlace o DataBase Description o DBD (tipo 2): se emplean en el intercambio de base de datos enlace-estado entre dos nodos, y permiten informar al otro nodo implicado en la sincronización acerca de los registros contenidos en la LSDB (Link State Data Base - Base de datos de Estados de Enlace) propia, mediante un resumen de estos.
• Paquetes de estado-enlace o Link State Advertisements (LSA): los cambios en el estado de los enlaces de un router son notificados a la red mediante el envío de mensajes LSA.

Áreas (informativo)

El protocolo OSPF incluye un elemento diferente en su configuración: El concepto de Área. (Dividir para Triunfar!)

OSPF permite agrupar conjuntos de enrutadores. Tal grupo se llama área.

La estructura de un área es invisible desde otras áreas. Este aislamiento del conocimiento hace que el protocolo sea más escalable si se utilizan múltiples áreas; el cálculo de la tabla de enrutamiento requiere menos recursos de CPU y se reduce el tráfico de enrutamiento.

Sin embargo, las configuraciones de múltiples áreas crean una complejidad adicional. No se recomienda separar áreas con menos de 50 routers. La cantidad máxima de enrutadores en un área depende principalmente de la potencia de la CPU que tenga para el cálculo de la tabla de enrutamiento.

OSPF soporta diferentes tipos de áreas:

Área Backbone  (informativo)

También denominada área cero. Esta es el área principal en OSPF. Todas las áreas deben de tener conexión física o lógica con el área cero. La conexión entre un área y el área cero se realiza a través de un Enrutador de Borde (ABR - Area Border Router).

Área Stub (informativo)

Un Área Stub es aquella que no recibe rutas externas.

Se denomina ruta externa a las que son inyectadas en la tabla de enrutamiento de OSPF por otro protocolo de enrutamiento, por ejemplo, RIP.

Area Not-so-Stubby -NSSA (informativo)

Este tipo de áreas también llamada Área no exclusiva de rutas internas NSSA, es un tipo de área que puede importar rutas externas desde sistemas autónomos.

Dependiendo del tipo de área y la topología de la red, así será la configuración del protocolo OSPF en cada uno de los routers de nuestra red.

Video de Laboratorio de OSPF (2 horas).

8. BGP

Protocolos BGP (Border Gateway Protocol)

El protocolo de puerta de enlace fronteriza (BGP) es el único protocolo de puerta de enlace externa.

Protocolo de puerta de enlace fronteriza

BGP define la comunicación a través de Internet, ya no es SOLO UN SISTEMA AUTONOMO!!.

Veamos un ejemplo sobre Obercom:

BGP funciona mediante el seguimiento de los ASN (Sistemas Autónomos) más cercanos y la asignación de las direcciones de destino a sus respectivos ASN.

BGP ofrece estabilidad de red que garantiza que los routers puedan adaptarse rápidamente para enviar paquetes a través de otra re-conexión si una ruta de Internet se cae.

BGP toma decisiones de routing basadas en rutas, reglas o políticas de red configuradas por un administrador de red.

BGP Opera en términos de mensajes, que son enviados sobre conexiones TCP por el puerto 179, para establecerse y mantener la comunicación activa se inicia una sesion BGP cliente/servidor. La versión actual de BGP es la BGP-4 (RFC 4271).

Podemos resumir el procedimientos de intercambio de información en 3 pasos.

1) Neighbor Acquisition (Adquisición de los Vecinos)

Dos routers son considerados vecinos si son unidos en la misma red (attached). Si estan conectados en diferentes sistemas autonomos (red administrable unica), probablemente quieran intercambiar información de ruteo. Este proceso se denomina Neighbor Acquisition, cada router intercambia un mensaje Open, ara sus vecinos luego de establecer una conexion TCP. Cada router puede aceptar esta invitacion (mensaje KEEPLIVE) o rechazarla si se encuentran sobrecargado y no le interesa manejar trafico que no le pertenece.

2) Neighbor Reachability (Accesibilidad de los vecinos)

Una vez establecida la relación entre los vecinos, se intercambian constantemente mensajes Keepalive entre routers para confirmar que siguen disponibles

3) Network Reachability Update (Actualización de la Accesibilidad de la red)

Cada router mantiene una base de datos de la red que puede alcanzar y las rutas preferidas para cada destino. Cuando se efectúa un cambio en esta base de datos, el router manda un mensaje de Update de difusión a todos los otros routers que implementan BGP. Luego estos otros routers reconstruyen sus tablas de ruteo.

NOTA:

Mayores detalles sobre este protocolo escapan a la materia.