Routers (I)
por Luciano Moreno, webmaster de HTMLWeb.

Routers y comunicación entre redes

Un ordenador solitario, sin conexión con ningún otro, es una isla de información y de recursos que no resulta rentable, especialmente cuando para el trabajo diario se precisa recurrir a diferentes fuentes de datos.

De esto se dieron cuenta muy pronto las empresas, que solicitaron a las compañías de desarrollo de hardware y software un medio compartido de trabajo, en el que diferentes estaciones de trabajo, servidores e impresoras pudieran comunicarse entre ellos y compartir recursos. De este modo surgieron las primeras redes de ordenadores.

Una red está formada por una serie de estaciones de trabajo unidas entre sí por medios de transmisión físicos (cables) o basados en ondas (redes inalámbricas), coordinados por unas máquinas especiales, denominadas servidores, y por una conjunto variable de dispositivos de trabajo, como impresoras, escaners, etc. Además, existen diferentes dispositivos que añaden funcionalidades a las redes, como los routers, switches y hubs.

Pila de protocolos TCP/IP

Las diferentes máquinas que forman una red se comunican entre sí usando un medio compartido, pudiendo tener además cada una de ellas características propias, como componentes de hardware, sistemas operativos y aplicaciones de usuario.

Por solventar estas diferencias se hizo necesaria la introducción de una serie de reglas que controlaran el acceso al medio compartido y la forma correcta en que las máquinas se debían comunicar y transmitir los datos, surgiendo con ello diferentes protocolos de comunicación y control.

En un principio, cada empresa desarrolladora implementó un sistema propio de comunicación de red, con una arquitectura y unos protocolos diferentes, por lo que no fue posible, cuando se necesitó, unir redes de diferentes fabricantes. Simplemente, no se entendían entre ellas, pues hablaban “idiomas” diferentes.

Intentando solucionar este problema, la ISO (Organización Internacional de Estándares) creó un modelo de comunicación para redes dividido en una serie de niveles de trabajo, denominados capas, cada uno de los cuales se encargaría de uno o más aspectos concretos de la comunicación mediante una serie de protocolos específicos.

Este modelo se llamó OSI (Intercomunicación de Sistemas Abiertos) y, lamentablemente, no llegó a utilizarse en la práctica, debido a que cuando se publicó ya se habían desarrollado otros arquitecturas de comunicación en redes que funcionaban más o menos bien, y que fueron las que al final se usaron y extendieron.

De ellas, la más conocida y usada en la actualidad es la arquitectura TCP/IP, formada por un extenso conjunto de protocolos, cada uno de los cuales se encarga de un aspecto concreto de la comunicación entre máquinas en red. TCP/IP se basa en un modelo de capas, al igual que OSI, pero más reducido, actuando cada protocolo en una de las capas del mismo.

El número de capas en que se divide TCP/IP y el nombre de las mismas varía según el autor (recordemos que no es un estándar, si no una implementación “de facto”), pero podemos considerar la siguiente división:

• Capa de Aplicación: encargada de dar soporte de red a las aplicaciones de usuario, convirtiendo los datos de estas a un formato estándar apropiado para su transmisión por red. En ella actúan protocolos como HTTP (web), FTP (transferencia de ficheros) y SMTP (correo electrónico).
• Capa de Transporte: encargada de dividir los datos en unidades de información de tamaño apropiado y de controlar la correcta transmisión lógica de las mismas. Sus principales protocolos son TCP y UDP.
• Capa de Internet: su misión principal es enrutar o dirigir los datos de una máquina a otra, usando para ello el protocolo IP, siendo el responsable principal del tráfico de datos entre diferentes redes interconectadas.A
• Capa de Enlace de datos: se ocupa de identificar los datos transmitidos entre máquinas de una misma red y de controlar la validez de los mismos tras su emisión y recepción a través del medio físico.
• Capa Física: responsable de la conversión de los datos a transmitir en impulsos eléctricos o en ondas y de su transmisión física.

Cada capa trabaja independientemente de las otras, comunicándose entre ellas por medio de interfaces apropiadas.

Paquetes de datos

Cuando un host desea enviar una serie de datos a otro, estos son convertidos a un formato de red apropiado (capa de Aplicación) y divididos en una serie de unidades, denominadas segmentos (capa de Transporte), que son numerados para su correcto reensamble en la máquina destino.

Posteriormente, son pasados a la capa de Internet, que les coloca las direcciones IP de la máquina origen y de la máquina destino. Las unidades así obtenidas se conocen con el nombre de paquetes. Entonces son pasados a la capa de Enlace de Datos, que les añade las direcciones MAC de ambas máquinas y un número calculado para la verificación posterior de errores en el envío, pasando entonces a denominarse tramas.

Por último, las tramas son pasadas a la capa Física que las une en trenes de bits apropiados para su transformación en impulsos eléctricos o en ondas, que posteriormente son enviados al medio.

Cuando los impulsos llegan a la máquina destino el proceso se invierte, obteniendo la aplicación receptora los datos en su formato original.

A pesar de que lo que se transmite por el medio físico son impulsos eléctricos, se suele hablar de paquetes transmitidos, ya que son las unidades de información con entidad propia.

Comunicación entre ordenadores en una red

Imaginemos una red formada por varios host, como la representada en la siguiente imagen:

Si el host A (IP=210.23.5.14) se desea comunicar con el host C (IP=210.23.5.27), construye sus paquetes de datos y la capa de Internet les coloca su dirección IP (emisor) y la de C (destinatario), pasándolos a la capa de Enlace de Datos, que no sabe la dirección MAC de C. Para averiguarla, envía un mensaje a todos las máquinas de la red, conocido como petición ARP, preguntando cuál es la dirección MAC correspondiente a la IP 210.23.5.27. Las peticiones ARP son de tipo broadcast, es decir, peticiones que son enviadas a todos y cada uno de los equipos en la red.

La pregunta llega a todas las máquinas, pero sólo C contesta, enviando una respuesta con su dirección MAC. Entonces, A añade ambas direcciones MAC a los paquetes y los pasa a la capa Física, que lo transmite al medio.

Comunicación entre ordenadores en dos redes. Routers.

Imaginemos ahora que el host C (IP=190.200.23.5) no se encuentra en la misma red que A (IP=210.23.5.14). Cuando éste envíe el broadcast preguntando la dirección MAC de C nadie le responderá, por lo que, si no se hace nada al respecto, la comunicación entre ambas máquinas resultará imposible.

Los encargados de solucionar este problema son unos dispositivos de red especiales, llamados routers, que conectan dos o más redes, sirviendo de enlace entre ellas. Los routers trabajan en la capa de Internet, encargándose de encaminar o enrutar paquetes de datos entre máquinas de redes diferentes.

Para poder funcionar de esta forma deben pertenecer a cada una de las redes que conectan, como si fueran un host más de las mismas. De esta forma, un router que conecte dos redes debe tener una tarjeta de red diferente para cada una de las redes y, consecuentemente, dos direcciones MAC diferentes. También debe tener asignada una dirección IP en cada una de las dos redes, ya que si no sería imposible la comunicación con las máquinas de las mismas.

El esquema de dos redes conectadas por un router podría ser el representado en la siguiente imagen:

Ahora, cuando un host envía una petición ARP para averiguar la dirección MAC correspondiente a una IP dada y no es respondido por ningún equipo de su red, envía los paquetes correspondientes a un router que tiene configurado para este tipo de envíos, denominado gateway por defecto.

Una vez que el router recibe los paquetes de datos utiliza un parámetro especial, denominado máscara de red, que sumado lógicamente a la dirección IP destino le da la red a la que pertenece el host buscado. Pasa entonces los paquetes a la red a la que pertenece C, haciendo una nueva petición de broadcast preguntando la MAC de C. Este le responde, y entonces el router le envía los paquetes directamente. Si C desea responder a A, el proceso se invierte.

Este proceso es necesario realizarlo sólo una vez, ya que en esta tanto los host A y C como el router anotan las parejas de direcciones MAC-IP en unas tablas especiales, denominadas tablas de enrutamiento, que usarán en envíos de datos posteriores para enrutar los paquetes directamente.

Resumiendo, los routers son los principales responsables de la correcta comunicación entre máquinas de diferentes redes, encargándose en este proceso de enrutar correctamente los paquetes de datos.