Capa de Red y Enrutamiento
La capa de red mueve paquetes desde un host de origen a un host de destino a través de múltiples enlaces y redes, combinando un plano de datos que reenvía cada paquete en cada enrutador con un plano de control que calcula las rutas que siguen esos paquetes.
Definition
La capa de red es la capa de protocolo responsable de la entrega de paquetes de host a host a través de una interconexión de redes, proporcionando direccionamiento, reenvío de paquetes dentro de los enrutadores (el plano de datos) y determinación de rutas a través de la red (el plano de control).
Scope
Esta área abarca la interconexión de redes: el Protocolo de Internet (IP) y su direccionamiento y reenvío, los algoritmos de enrutamiento (estado de enlace y vector de distancia) que calculan las rutas, la organización del enrutamiento en protocolos intra-dominio e inter-dominio (incluido BGP entre sistemas autónomos), y el paradigma más reciente de redes definidas por software que separa el plano de control en controladores lógicamente centralizados. Distingue el plano de datos por paquete del plano de control que calcula las rutas, y excluye los servicios de extremo a extremo de la capa de transporte por encima de ella y la entrega salto a salto de la capa de enlace por debajo de ella.
Sub-topics
Core questions
- ¿Cómo reenvía un enrutador un paquete hacia su destino y qué contiene una tabla de reenvío?
- ¿Cómo se estructuran y asignan las direcciones IP, y cómo funcionan el subnetting y CIDR?
- ¿Cómo calculan los algoritmos de estado de enlace y vector de distancia las rutas de menor costo?
- ¿Por qué el enrutamiento se divide en protocolos intra-dominio y el protocolo inter-dominio BGP?
- ¿Cómo cambian las redes definidas por software dónde y cómo se toman las decisiones de enrutamiento?
Key concepts
- Protocolo de Internet (IP)
- Direccionamiento IP, subnetting y CIDR
- Tablas de reenvío y coincidencia de prefijo más largo
- Enrutamiento por estado de enlace
- Enrutamiento por vector de distancia
- Sistemas autónomos
- Protocolo de puerta de enlace de frontera (BGP)
- Plano de control y plano de datos
- Redes definidas por software
- Traducción de direcciones de red (NAT)
Key theories
- Separación del plano de datos y el plano de control
- La capa de red se descompone en un plano de datos rápido que reenvía cada paquete entrante según una tabla de reenvío, y un plano de control que calcula esas tablas mediante protocolos de enrutamiento; las redes definidas por software llevan esto más allá al centralizar el plano de control.
- Enrutamiento de ruta de menor costo
- Los algoritmos de enrutamiento modelan la red como un grafo ponderado y calculan las rutas más cortas: los algoritmos de estado de enlace (Dijkstra) proporcionan a cada enrutador una vista completa de la topología, mientras que los algoritmos de vector de distancia (Bellman-Ford) intercambian estimaciones con los vecinos y convergen iterativamente.
- Enrutamiento inter-dominio basado en políticas
- El enrutamiento entre sistemas autónomos administrados de forma independiente se rige por el Protocolo de puerta de enlace de frontera, que propaga información de accesibilidad y permite a cada red aplicar preferencias comerciales y de políticas en lugar de métricas puramente de ruta más corta.
Clinical relevance
La capa de red es la capa que hace del Internet global un sistema único y accesible: cada paquete que cruza Internet es reenviado por enrutadores IP, y las decisiones de BGP entre decenas de miles de sistemas autónomos determinan la conectividad global. Las redes definidas por software ahora sustentan grandes redes de nube y centros de datos, permitiendo a los operadores programar la ingeniería de tráfico y el aislamiento de forma centralizada. El agotamiento de direcciones impulsó la transición de IPv4 a IPv6.
History
El Protocolo de Internet fue especificado en el RFC 791 (1981) como el núcleo sin conexión y de mejor esfuerzo de la arquitectura TCP/IP. Los protocolos de enrutamiento internos como RIP y OSPF y el protocolo externo BGP crecieron para gestionar el enrutamiento a medida que Internet escalaba. La propuesta OpenFlow de 2008 lanzó las redes definidas por software al exponer la tabla de reenvío del conmutador a un controlador externo, lo que ha remodelado la forma en que se construyen y gestionan las grandes redes.
Debates
- Planos de control distribuidos versus control SDN centralizado
- El enrutamiento tradicional distribuye el cálculo de rutas entre todos los enrutadores para mayor robustez y autonomía, mientras que las redes definidas por software centralizan el control para la programabilidad y la optimización global; el debate continúa sobre el equilibrio adecuado entre centralización, escalabilidad y resiliencia.
Key figures
- Vinton Cerf
- Robert Kahn
- Jon Postel
- Nick McKeown
- Jennifer Rexford
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Seminal works
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Frequently asked questions
- ¿Cuál es la diferencia entre reenvío y enrutamiento?
- El reenvío es la acción local, por paquete, de mover un paquete de un puerto de entrada a uno de salida utilizando la tabla de reenvío, y ocurre a alta velocidad en el plano de datos. El enrutamiento es el proceso a nivel de red de calcular el contenido de esas tablas de reenvío, realizado por algoritmos y protocolos de enrutamiento en el plano de control.
- ¿Por qué se introdujo IPv6?
- El espacio de direcciones de 32 bits de IPv4, aproximadamente cuatro mil millones de direcciones, resultó insuficiente a medida que proliferaban los dispositivos conectados a Internet. IPv6 utiliza direcciones de 128 bits para proporcionar un espacio mucho mayor, junto con simplificaciones en el encabezado y soporte integrado para características como la autoconfiguración.