Tutorial sobre TCP/IP

Tutorial extraido del Blog de Javier Smaldone. Recomiendo que visites su blog, contiene abundante e interesante información.

En este tutorial realizaremos la «disección» de una comunicación TCP/IP muy simple, con el fin de analizar qué ocurre a cada nivel.

A través de este sencillo experimento, podremos recorrer los conceptos fundamentales de las redes TCP/IP, para reafirmar la idea de que este protocolo es muy simple. El objetivo es lograr, sin demasiados conocimientos previos, una comprensión profunda de sus mecanismos.

Requisitos previos

No se requieren conocimientos de programación, aunque sí una base de conocimientos informáticos en general. Para continuar experimentando más allá de los expuesto aquí, se recomienda la utilización del programa Wireshark (antes conocido como Ethereal), disponible para GNU/Linux, Microsoft Windows, Mac OS/X y Solaris.

Quizás el requisito más importante sean las ganas de aprender, investigar, jugar y divertirse con redes TCP/IP.

Referencias

Cada vez que se introduzca un término relevante, el mismo contendrá un enlace a una página con mayor información, por lo general de la Wikipedia y, de ser posible, en español (aunque se recomienda ampliamente visitar su equivalente en inglés).

Un libro muy recomendable y claro (en inglés) es «TCP/IP Illustrated Volume 1» de W. Richard Stevens. Finalmente, la fuente de consulta definitiva, para conocer tanto los aspectos técnicos como la evolución historica de cada uno de los protocolos y normas, son los Request for Comments (RFC), algunos de los cuales han sido traducidos al español.

Nuestro experimento

Estableceremos una conexión TCP/IP entre un cliente y un servidor que intercambiarán información. Para ello, utilizaremos el servidor desarrollado en un tutorial sobre programación en redes (no es necesario que lo lea completamente, si no le interesa la programación, pero sería conveniente que revise los conceptos introductorios y el protocolo definido).

Ejecutamos entonces el servidor en el host 100.0.0.1, utilizando el puerto 2222 (cualquiera de las versiones desarrolladas en el tutorial anterior sirve, ya que el protocolo es idéntico) y usamos el comando telnet para actuar como cliente desde el host 200.0.0.1 (el texto en cursiva es introducido por nosotros y el texto en negrita es la respuesta del servidor):

javier@200.0.0.1:~$ telnet 100.0.0.1 2222
Trying 100.0.0.1...
Connected to 100.0.0.1. Escape character is '^]'.
Bienvenido.
salir
Adios.
Connection closed by foreign host.
javier@200.0.0.1:~$

Esto es todo. Ahora procederemos a analizar cómo se ha llevado a cabo esta comunicación a distintos niveles de abstracción.

Nivel de aplicación

A «nivel de aplicación» (lo que «ven» los programas), la comunicación se ha desarrollado de la siguiente manera:

1. El cliente se conecta al servidor.
2. El servidor envía el mensaje «Bienvenido.«.
3. El cliente envía el comando «salir«.
4. El servidor responde con el mensaje «Adios.«.
5. El servidor cierra la conexión.
6. El cliente cierra la conexión.

Esto es prácticamente lo mismo que podemos observar de la salida del comando telnet utilizado, lo cual no es casual; intencionalmente a este nivel se ocultan todos los detalles de implementación, que aparecerán cuando analicemos los niveles inferiores.

Nivel de transporte

El protocolo utilizado a «nivel de transporte» es TCP. Este protocolo es el encargado de establecer la conexión y dividir la información en paquetes, garantizando que los mismos son entregados correctamente (sin pérdidas y en el orden apropiado).

Cabe resaltar aquí que el otro protocolo de transporte de TCP/IP, UDP no garantiza ni el arribo de todos los paquetes enviados, ni el orden en que estos llegan a destino. Por esto es mucho más simple, no incluyendo algunas de las características de TCP como números de secuencia y asentimientos.

A continuación analizaremos algunos aspectos del protocolo TCP.

Puertos y direcciones

El protocolo TCP se basa en direcciones IP para identificar los equipos (hosts) desde donde provienen y hacia donde se envían los paquetes.

Los puertos (ports) son valores numéricos (entre 0 y 65535) que se utilizan para identificar a los procesos que se están comunicando. En cada extremo, cada proceso interviniente en la comunicación utiliza un puerto único para enviar y recibir datos.

En conjunción, dos pares de puertos y direcciones IP identifican univocamente a dos procesos en una red TCP/IP.

Números de secuencia

TCP garantiza que la información es recibida en orden. Para ello, cada paquete enviado tiene un número de secuencia. Cada uno de los dos procesos involucrados mantiene su propia secuencia, que se inicia con un valor aleatorio y luego va incrementándose según la cantidad de bytes enviados.

Por ejemplo, si un paquete tiene número de secuencia x y contiene k bytes de datos, el número de secuencia del siguiente paquete emitido será x + k. (Sí, el número de secuencia va contando la cantidad de bytes enviados por cada host.)

Paquetes y acuses de recibo

TCP también asegura que toda la información emitida es recibida. Para ello, por cada paquete emitido, debe recibirse un asentimiento (en inglés «acknowledgement«, abreviado ACK). Si pasado determinado tiempo no se recibe el ACK correspondiente, la información será retransmitida.

El ACK hace referencia al número de secuencia (que ha su vez involucra la cantidad de bytes enviados). Por ejemplo, para comunicar que se ha recibido correctamente el paquete cuyo número de secuencia es x, que contiene k bytes, se enviará un ACK con el valor x + k (que coincide con el próximo número de secuencia a utilizar por parte del emisor del paquete en cuestión). Si el número de secuencia inicial es x, un valor de ACK t significa que el receptor ha recibido correctamente los primeros t-x bytes (en este sentido, el ACK es acumulativo).

El ACK no es un paquete especial, sino un campo dentro de un paquete TCP normal. Por esto, puede ocurrir que se envíe un paquete a solo efecto de asentir una determinada cantidad de bytes, o como parte de un paquete de otro tipo (por ejemplo, aprovechando el envío de nuevos datos, para comunicar la recepción de datos anteriores). De hecho, aunque ya se haya enviado un paquete exclusivamente de ACK con un valor t, si luego se envía un paquete de datos, puede repetirse en él el ACK con el mismo valor t, sin que esto confunda al emisor de los datos que se están asintiendo. (Por simplicidad, en nuestro ejemplo hemos eliminado esta información redundante).

Otros campos de un paquete TCP

El protocolo TCP incorpora mecanismos tales como control de integridad de los datos (checksum), prevención de congestiones, entre otros, que no serán mencionados aquí por la simplicidad de este tutorial.

Inicio y fin de una conexión

Para dar comienzo a la conexión, el cliente envía un paquete SYN al puerto e IP en donde «escucha» el servidor, con un número de secuencia inicial aleatorio. Este último, responde con otro paquete SYN, con un número de secuencia inicial aleatorio y un ACK con el número de secuencia del paquete SYN recibido, más uno. El cliente envía un paquete con el ACK del SYN recibido, y una vez hecho esto la conexión se encuentra establecida y puede darse comienzo a la transmisión de datos (iniciada por cualquiera de las partes, según el protocolo de aplicación que utilicen).

La razón por la cual se intercambian números de secuencia aleatorios es para evitar que se confunda el inicio de dos conexiones diferentes y algunos ataques que se basan en falsear el comienzo de una conexión (spoofing).

La siguiente figura ilustra el establecimiento de una conexión TCP, llamada «negociación de tres pasos» o «3-way handshake«:

Para finalizar la conexión, uno de los dos procesos envía un paquete FIN, a lo que el otro responderá con un ACK. A su vez, el otro proceso puede enviar un paquete FIN (recibiendo también un ACK) y la conexión quedará cerrada definitivamente.

Nótese que el segundo proceso puede no enviar el paquete FIN. Esto significa que ese extremo de la conexión no se cerrará, pudiendo aún enviar datos a través de la misma. De lo contrario, en caso de desear terminar la conexión, puede combinar el ACK y el FIN en un solo paquete (esta es la situación más común).

La siguiente figura ilustra la forma general de terminación de una conexión TCP:

Analisis a nivel de transporte

Habiendo revisado los conceptos más relevantes, analizaremos ahora la conexión realizada desde el punto de vista del protocolo TCP. Supondremos que el puerto utilizado por el cliente es 4683 (el del servidor, recordemos, es 2222).

La siguiente figura muestra una visión simplificada de esta conexión:

Veamos qué función cumple cada paquete:

1. El cliente envía un SYN al servidor, con número de secuencia x0.
2. El servidor responde con un paquete SYN, con número de secuencia y0 y un ACK con x0+1 (en adelante, x1).
3. El cliente envía un paquete ACK del SYN que acaba de recibir, con valor y0+1 (en adelante, y1). (A partir de este momento la conexión se encuentra establecida y puede comenzar el intercambio de datos entre las aplicaciones.)
4. El servidor envía un paquete PSH («push«) conteniendo la cadena «Bienvenido.\n» (12 bytes), con número se secuencia y1. (El caracter «\n«, newline, representa el fin de línea.)
5. El cliente envía un ACK por la correcta recepción del paquete anterior. El número de ACK es y1+12 (que llamaremos y2 y será el próximo número de secuencia utilizado por el servidor).
6. El cliente envía la cadena «salir\r\n«, con número de secuencia x1. (Los caracteres «\r\n» representan el fin de línea. Ver nota al final de la sección.)
7. El servidor envía el ACK correspondiente, con el valor x1 más la longitud de «salir\r\n» (7), que llamaremos x3.
8. El servidor envía la cadena «Adios.\n» (7 bytes), con número de secuencia y2.
9. El cliente envía el ACK con el valor y2+7 (en adelante, y3).
10. El servidor cierra su lado de la conexión enviando un paquete FIN, con secuencia y3.
11. El cliente, que también cierra su conexión, envía un paquete FIN con secuencia x3, con el ACK del paquete anterior (y3+1).
12. El servidor envía el ACK del anterior paquete FIN (con valor x3+1), con lo cual la conexión finaliza.

Nota: En este ejemplo podemos ver un error en el diseño del protocolo de aplicación, ya que el servidor representa los fines de línea con el caracter «\n» («newline», código ASCII 10), en tanto que el cliente está usando los caracteres «\r\n» («newline» y «carriage return», códigos ASCII 10 y 13, respectivamente). Esta última es la forma de representación más utilizada en aplicaciones TCP/IP.

Nivel de red

Antes de realizar el análisis a «nivel de red» (protocolo IP) vamos a suponer que tenemos la siguiente topología:

El cliente se ejecuta en el host cuya dirección IP es 200.0.0.1. El mismo está conectado a la red local 200.0.0.0/24 y su gateway («router«, «enrutador» o «puerta de enlace«) es el host 200.0.0.21.

La dirección de red local está compuesta por la dirección de red propiamente dicha, 200.0.0.0, y la máscara de red, 24 (que también puede ser representada como 255.255.255.0). Esto significa que los primeros 24 bits de cualquier dirección serán interpretados como identificador de la red, en tanto que los últimos 8 identificarán a cada host (recordemos que, aunque la notación usual es escribir las direcciones IP como cuatro números decimales separados por puntos, en realidad se componen de 32 bits).

Por ejemplo, en el contexto de esta red, la dirección 200.0.0.45 será considerada una dirección local (por coincidir los primeros 24 bits con los de la dirección de red). Esto significa que cualquier paquete destinado a dicha dirección IP, será entregado «localmente» (o sea, directamente a través del protocolo de enlace, como veremos más adelante).

En el caso de una dirección de destino «no-local», los paquetes serán entregados al gateway 200.0.0.21 (usando el protocolo de enlace), quien será luego el encargado de entregar el paquete al host de destino (si este perteneciera a alguna red local a la que dicho gateway esté conectado), o reenviarlo a través de otro gateway (en caso contrario).

De la misma manera el servidor, cuya dirección IP es 100.0.0.1, pertenece a la red 100.0.0.0/24, cuyo gateway es 100.0.0.35.

Analisis a nivel de red

A nivel IP no hay demasiado que agregar. Aquí se realiza el «ruteo» (o «encaminamiento«) de los paquetes provenientes de la capa de transporte (que en este nivel se denominan «datagramas«) desde la dirección IP de origen hasta la de destino (alternando estos roles 100.0.0.1 y 200.0.0.1 según sea el emisor el servidor o el cliente, respectivamente).

Un campo interesante que se añade es el TTL («tiempo de vida» o «time to live«), que tiene un valor inicial en el host que produce el paquete (generalmente 64) y luego es decrementado por cada gateway por el que pasa. Si un gateway recibe un paquete con el campo TTL en cero, el mismo es descartado y se genera un paquete del protocolo ICMP (usado para control y mensajes de error) dirigido a su emisor, indicando que dicho paquete ha excedido la cantidad máxima de saltos. Esta medida es implementada para evitar que, quizás por un error de ruteo, un paquete quede indefinidamente «dando vueltas» por la red.

En este ejemplo supondremos que el enrutamiento de paquetes es simple (estático), para facilitar las explicaciones. Existen casos complejos en donde se utiliza enrutamiento dinámico, en los cuales paquetes pertenecientes a la misma comunicación pueden enviarse por caminos distintos, alterando inclusive el orden en que llegan al destino (y hasta pudiendo producirse pérdidas).

Debemos tener en cuenta que estamos usando el llamado IPv4 (IP versión 4), ya que también existe el IPv6 (IP versión 6), cuya aplicación se está difundiendo rápidamente en Internet y que soluciona muchos inconvenientes que presenta el anterior.

Nivel de enlace

El «nivel de enlace» es el nivel más cercano al «nivel físico» y es totalmente independiente del protocolo TCP/IP. Existen gran variedad de tecnologías de este tipo; siendo las más comunes Ethernet, WiFi, PPP, Frame Relay, ATM, entre otras.

Supondremos el caso más común: una red Ethernet. Este protocolo se basa en el uso de direcciones de 6 bytes (48 bits), que no son «ruteables» (aquí no existen gateways), por lo cual se utiliza en redes de área local (LANs). Cada dispositivo Ethernet tiene asociada una dirección única (asignada por el fabricante del mismo), la que usualmente se denomina MAC Address.

Resolución de direcciones

Supongamos que el host 200.0.0.1 quiere enviar un paquete IP al host 200.0.0.33. Como ambos están en la misma red local (los primeros 24 bits de sus direcciones coinciden), lo único que debe hacer es averiguar cuál es la dirección Ethernet de este último. Para ello, se utiliza el protocolo ARP («Address Resolution Protocol«).

El funcionamiento es muy simple. El host 200.0.0.1 envía un paquete (en terminología de Ethernet se denomina «frame«) a la dirección ff:ff:ff:ff:ff:ff (las direcciones Ethernet se denotan con seis bytes en hexadecimal separados por dos puntos), que es la dirección de broadcast (que llega a todos los hosts de la red) preguntando quién tiene la dirección IP 200.0.0.33. Dicha solicitud ARP tiene como origen la dirección Ethernet del emisor (supongamos, 00:30:b8:80:dd:11).

El poseedor de esa dirección IP le responderá con otro frame con su dirección Ethernet como origen (supongamos, 01:4e:bb:a1:01:8b). De ahora en más, cada vez que el host 200.0.0.1 quiera enviar un paquete IP al host 200.0.0.33, enviará un frame Ethernet proveniente de la dirección 00:30:b8:80:dd:11 a la dirección 01:4e:bb:a1:01:8b, conteniendo el paquete original. (La información sobre las direcciones ARP se almacenan en cada host en una tabla que tiene una duración de algunos minutos.)

Fragmentación

Puede ocurrir que el tamaño de los paquetes producidos por la capa de red (IP, en nuestro caso) sean de un tamaño mayor al máximo que puede transmitir el medio físico utilizado (MTU o «unidad máxima de transferencia«. Por esto, puede ocurrir que los paquetes se fragmenten, para acomodarse a esta limitación.

Esta situación puede volver a presentarse a lo largo del camino «físico» que recorra la información, siendo responsabilidad de cada gateway el fragmentar y reensamblar los paquetes para preservar los datos.

Análisis a nivel de enlace

Volviendo ahora a nuestro experimento, el host donde se ejecuta la aplicación cliente (200.0.0.1) debe enviar paquetes IP al host en donde se ejecuta el servidor (100.0.0.1). Claramente, éste último no pertenece a su red local, por lo cual deberá enviarlo a través del gateway.

Para ello, usando el protocolo ARP averigua la dirección Ethernet del gateway (cuya dirección IP, recordemos, es 200.0.0.21), que supondremos es 00:01:02:ed:41:61. Una vez hecho esto, envía un frame Ethernet (con origen 00:30:b8:80:dd:11 y destino 00:01:02:ed:41:61), conteniendo el paquete IP cuyo origen es 200.0.0.1 y con destino a 100.0.0.1.

El gateway recibirá el frame (puesto que la dirección Ethernet de destino es la suya) y dentro de él encontrará un paquete IP dirigido a 100.0.0.1. Decrementará el campo TTL y, en base a las reglas definidas en su «tabla de enrutamiento» (o «tabla de ruteo«), lo reenviará hacia el gateway correspondiente (usando el protocolo asociado al medio físico mediante el cual esté conectado con éste).

Una situación similar se presenta considerando los paquetes emitidos por el host 100.0.0.1 hacia 200.0.0.1.

De esta manera, el mismo paquete IP va atravesando distintos gateways a través de distintos medios físicos (que involucran diferentes protocolos de enlace), hasta llegar al host de destino. Por ejemplo, el paquete original puede llegar al primer gateway a través de un frame Ethernet, ser enviado por este al gateway del proveedor de Internet a través de un paquete PPP, atravesar una red ATM en Internet, luego llegar por un enlace Frame Relay al gateway de la red de destino, y ser entregado en otro frame Ethernet al host de destino.

Camino de la información a través de los distintos niveles

La siguiente figura ilustra un ejemplo del camino que sigue la información desde la aplicación que la produce, a través de los distintos niveles o capas de cada protocolo.

Nota: Este ejemplo es una simplificación de la realidad. Se han omitido muchos otros datos que forman parte de cada protocolo (controles de error, delimitadores, indicadores de longitud, etc.), que no son relevantes en el contexto de este tutorial.

1. Nivel de aplicación: La aplicación (en este caso, el programa cliente), escribe la cadena «salir\n«.
2. Nivel de transporte: En la capa TCP forma un paquete agregando el número de secuencia (20), puerto de origen (4781) y puerto de destino (2222).
3. Nivel de red: En la capa IP se forma un paquete (datagrama) añadiendo la dirección IP origen (200.0.0.1), destino (100.0.0.1), el TTL (64) y un valor que identifica el protocolo del paquete encapsulado (0x06, valor hexadecimal que representa al protocolo TCP).
4. Nivel de enlace: En la capa Ethernet se forma un nuevo paquete (frame) agregando las direcciones Ethernet de origen (00:30:b8:80:dd:11) y destino (00:01:02:ed:41:61, la dirección del gateway, cuya IP es 200.0.0.21). Se añade además el identificador del tipo de protocolo del paquete contenido (el valor 0x800 corresponde al protocolo IP).
5. Nivel físico: El frame formado es enviado a través del medio físico que vincula los hosts de la red local (típicamente, cable de par trenzado).

Como puede apreciarse, tanto el protocolo IP como Ethernet «encapsulan» a otros protocolos. Esto permite realizar distintas combinaciones, creando «túneles» (como en el caso del ampliamente difundido y utilizado PPPoE).

Software, modelo conceptual y hardware

El siguiente diagrama muestra la relación entre cada uno de los componentes lógicos analizados, su implementación y la división entre hardware y software.

Para finalizar

En este tutorial hemos recorrido cada uno de los principales componentes del protocolo TCP/IP y analizado su función a través de un ejemplo concreto (aunque simple).

Deliberadamente, hemos omitido algunos puntos importantes, como el sistema DNS (que posibilita la utilización de nombres en vez de direcciones IP), la asignación automática de direcciones IP (a través del protocolo DHCP), y algunos detalles sobre direccionamiento y enrutamiento IP. (Quizás algunos de ellos sean motivo de próximos tutoriales.)

Es el deseo del autor que a través de la lectura del presente tutorial se haya podido lograr un panorama general acerca del funcionamiento de las redes TCP/IP, posibilitando al lector su avance hacia temas (y, por qué no, experimentos) más complejos e interesantes.