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R e d e s : : I P David Villa <[email protected]> :: http://www.esi.uclm.es/www/dvilla/ 1 Versión 28/02/11 El protocolo de red de Internet: IP :: Redes :: aplicación transporte enlace física red red

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Rede

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IP

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Versión 28/02/11

El protocolo de redde Internet: IP

:: Redes ::

aplicación

transporte

enlace

física

redred

Rede

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IntroducciónProtocolo IP

● Formato del paquete IP● Direccionamiento

ARPICMPGestión de Redes IP

● DHCP

Contenido

Rede

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Introducción

IP (Internet Protocol) proporciona un servicio de comunicación no confiable y no orientado a conexión (datagramas).No se garantiza la entrega de los paquetes, ni el orden de entrega.Realiza un servicio best-effort. Es decir, sin ninguna garantía de entrega.Los paquetes se encaminan a su destino como entidades independientes entre sí.

:: Protocolo IP ::RFC791

RFC791

Rede

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Introducción

IP cubre los aspectos fundamentales de la capa de red:

● Formato del datagrama IP

● Esquema de direccionamiento

● Encaminamiento

:: Protocolo IP ::

Rede

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Paquete IP :: Formato del paquete

versión tipo de servicio longitud totalIHL

identificación

00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 01

1 2 3 4 5 6 7 8 9 02

1 2 3 4 5 6 7 8 9 03

1

DF

MF

tiempo de vida protocolo checksum

dirección del origen

opciones

dirección del destino

offset del fragmento

encabezado carga (payload)

20 – 60 bytes20 – 65536 bytes

Paquete IP

20 b

ytes

0 –

40 B

:: Protocolo IP ::

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Paquete IP :: Encabezado

Versión (4 bits): Es la versión del protocolo IP. Es un 4 para IPv4 y un 6 en IPv6.

IHL (Internet Header Length) (4 bits): Es la longitud del encabezado, se indica en palabras de 32 bits.

Tipo de servicio / Servicios diferenciados (8 bits)● Sirven para priorización de tráfico y distinción de servicios. En

la práctica la mayoría de los routers lo ignoran

Longitud total (16 bits)● Tamaño total del paquete incluido el encabezado. Por tanto, el

tamaño máximo de un paquete IP es 65.535 bytes.

:: Protocolo IP ::

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Paquete IP :: Encabezado

Identificación (16 bits): Todos los fragmentos de un mismo datagrama utilizan el mismo identificador.

DF (Don't Fragment) (1 bit). Indica a los enrutadores que no fragmenten este paquete.

MF (More Fragments) (1 bit). Indica que hay más fragmentos para este datagrama. En el último fragmento vale 0.

Desplazamiento (13 bits). Es la posición de este fragmento en el datagrama fragmentado. Se indica en palabras de 8 bytes. Puede haber un máximo de 8192 fragmentos para un mismo datagrama.

:: Protocolo IP ::

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Paquete IP :: Encabezado

Tiempo de vida (8 bits): Es el tiempo máximo de vida (en segundos) pero en la práctica sólo se decrementa cuando un enrutador reenvía el paquete. Es el nº de saltos.Protocolo (8 bits): Un código que indica qué protocolo de transporte está encapsulado en la carga del paquete.

● ICMP – 1● IGMP – 2● TCP – 6● UDP – 17● OSPF – 89

:: Protocolo IP ::

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Paquete IP :: Encabezado

Checksum (16 bits): Es una verificación que afecta

únicamente al encabezado. Se debe recalcular a cada salto.

Origen (32 bits): Dirección IP del host origen.

Destino (32 bits): Dirección IP del host destino.

:: Protocolo IP ::

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Paquete IP :: Ejemplo de Fragmentación

122014.567

0

datos2800 - 3999

350

142014.567

1

datos1400 - 2799

175

142014.567

1

datos0000 - 1399

000

402014.567

0

datos0000 - 3999

000

82014.567

1

datos1400 - 2199

175

62014.567

1

datos2200 - 2799

275

datagrama original

f.1

f.2

f.3

f.2.1

f.2.2

:: Protocolo IP ::

[de: B.A.Forouzan, TCP/IP Protocol Suite]

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Paquete IP :: Opciones

Las opciones sirven para indicar características de poco uso o

para extender la funcionalidad del protocolo.

código longitud datos

8 8

1

copi

ar

clase

2

número

5

Copiar: copiar esta opción en todos los fragmentos o sólo en el primero

Clase: 00 (control), 10 (gestión y depuración), 11 y 01 (no definidos)

Número: El tipo de opción. En la actualidad hay 6, de 32 posibles

Variable

:: Protocolo IP ::

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Paquete IP :: Opciones :: tipos

Las opciones sirven para indicar características de poco uso o

para extender la funcionalidad del protocolo.

● 0 00 00000 – End of option

● 0 00 00001 – No operation

● 1 00 00011 – Loose source route

● 0 10 00100 – Timestamp

● 0 00 00111 – Record Route

● 1 00 01001 – Strict Source Route

:: Protocolo IP ::

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opción de 11 bytes

Paquete IP :: Opciones :: No operación

Se utiliza como relleno para alinear la siguiente opción a 16 o 32 bits

nop (1 byte)

opción de 7 bytesnop (1 byte)

opción de 8 bytes

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

0 1 2 3 4 5 6 7 8 91

0 1 2 3 4 5 6 7 8 92

0 13

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

0 1 2 3 4 5 6 7 8 91

0 1 2 3 4 5 6 7 8 92

0 13

:: Protocolo IP ::

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Paquete IP :: Opciones :: Opción de fin

Se utiliza como relleno al final de la lista de opciones.

opcionesend (1 byte)

datos

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

0 1 2 3 4 5 6 7 8 91

0 1 2 3 4 5 6 7 8 92

0 13

:: Protocolo IP ::

Rede

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Paquete IP :: Opciones :: Registrar ruta

Se utiliza para indicar a los enrutadores que almacenen su

dirección cuando procesen este datagrama.

IP del primer enrutador

puntero

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

0 1 2 3 4 5 6 7 8 91

0 1 2 3 4 5 6 7 8 92

0 13

tamañocódigo (7)

IP del segundo enrutador

...

IP del último enrutador

La lista de direcciones tiene siempre el mismo tamaño. El origen la

inicializa cuando envía el datagrama a la red.

:: Protocolo IP ::

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Paquete IP :: Opciones :: Enrutamiento estricto desde el origen

El datagrama debe pasar por todos los enrutadores que aparecen

en la lista, y sólo por ellos.

IP del primer enrutador

puntero

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

0 1 2 3 4 5 6 7 8 91

0 1 2 3 4 5 6 7 8 92

0 13

tamañocódigo (137)

IP del segundo enrutador

...

IP del último enrutador

:: Protocolo IP ::

Rede

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Paquete IP :: Opciones :: Enrutamiento libre desde el origen

El datagrama debe pasar por todos los enrutadores que aparecen

en la lista, pero puede pasar también por otros.

IP del primer enrutador

puntero

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

0 1 2 3 4 5 6 7 8 91

0 1 2 3 4 5 6 7 8 92

0 13

tamañocódigo (131)

IP del segundo enrutador

...

IP del último enrutador

:: Protocolo IP ::

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Paquete IP :: Opciones :: Marca de tiempo

Los enrutadores apuntarán en el datagrama una marca de tiempo

de 32 bits y dependiendo de los flags también su dirección IP

Flags

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

0 1 2 3 4 5 6 7 8 91

0 1 2 3 4 5 6 7 8 92

0 13

punterotamañocódigo (68) O-Flow

:: Protocolo IP ::

Rede

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La dirección IP es un número de 32 bits e identifica el punto de conexión (la interface) entre un host y una red. El espacio de direccionamiento es 232 = 4.294.967.296

Un host con conexiones a varias redes debe tener (al menos) una dirección IP por cada interfaz.

La dirección IP tiene dos partes:● Un NetID, que identifica una red (designado por una autoridad global),

la IANA (Internet Assigned Number Authority)● Un HostID, que identifica un host dentro de esa red.

hostsubred

32 bits

Direccionamiento IP

:: Direccionamiento ::

Rede

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Direccionamiento IP :: Direcciones especiales

00000000.00000000.00000000.00000000

00 ... 00XX ... XX

Este host

Esa red

11 ... 11XX ... XX Todos los host de esa red

XX ... XX00 ... 00 Un host de esta red

01111111.00000000.00000000.00000001 iface loopback

11111111.11111111.11111111.11111111 Todos los hosts de esta red

Rede

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Direccionamiento con clase (classful addressing)

Hay 5 clases, que se reconocen por los bits más significativos:

host id0 Clase A (27-3 redes)net id

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

0 1 2 3 4 5 6 7 8 91

0 1 2 3 4 5 6 7 8 92

0 13

host id10 Clase B (214-16 redes)net id

host id110 Clase C (221-256 redes)net id

dirección multicast1110 Clase D

reservado uso futuro1111 Clase E

:: Direccionamiento ::

Rede

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Clases:A: 231 direcciones (50%). 1.0.0.0 - 127.255.255.255

B: 230 direcciones (25%). 128.0.0.0 - 191.255.255.255

C: 229 direcciones (12,5%). 192.0.0.0 - 223.255.255.255

D: 228 direcciones (6,25%). 224.0.0.0 - 239.255.255.255

E: 228 direcciones (6,25%). 240.0.0.0 - 255.255.255.255

La IANA (Internet Assigned Numbers Authority) asigna bloques de direcciones. IANA depende de ICANN (Internet Corporation for Asigned Names and Numbers).

Direccionamiento con clase (classful addressing)

:: Direccionamiento ::

RFC3330RFC

3330

Rede

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Rangos para direccionamiento privado. Los paquetes cuyo destino sea una dirección IP privada no pueden atravesar ningún enrutador.

10.0.0.0 - 10.255.255.255/8● (16.777.216 hosts en 1 bloque)

172.16.0.0 - 172.31.255.255/12 ● (1.048.576 hosts en 16 bloques)

192.168.0.0 - 192.168.255.255/16 ● (65.536 hosts en 256 bloques)

Direcciones privadas

:: Direccionamiento ::

RFC1918RFC1918

http://xkcd.com/742/

Rede

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Direccionamiento con clase :: direcciones de red (net id)

Las direcciones de red tienen varias propiedades:● Es la primera dirección de cada bloque● Identifica a la red desde el punto de vista de internet● Dada una dirección de red se puede averiguar la clase a la que

pertenece, el bloque (net id) y el rango de direcciones en ese bloque.

:: Direccionamiento ::

Rede

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Direccionamiento con clase :: máscara de red

0100 0011 0010 0110 0000 1101

161 67 38 13es de clase B

1111 1111 1111 1111 0000 0000 0000 0000máscara

0000 00001010 0001 0100 0011 0000 0000dirección de red

1010 0001

Una máscara es un número de 32 bits tal que al hacer un AND

con dirección IP dada obtenemos la dirección de red.

:: Direccionamiento ::

Rede

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Direccionamiento con clase :: máscara de red

Máscaras por defecto para las tres clases

255 0 0 0A

255 255 0 0B

255 255 255 0C

Si se utiliza estrictamente el esquema de direccionamiento con

clases no son necesarias las máscaras.

La máscara 255.255.0.0 se puede indicar también así:

● 161.67.27.38 /16 (Se denomina notación CIDR)

:: Direccionamiento ::

Rede

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Todos los nodos de una red IP tienen una tabla de

enrutamiento que asocia una tupla (dirección IP, máscara)

con el método de entrega, que puede ser:

● la dirección IP de un enrutador (next hop address).

● entrega directa (direct delivery)

Enrutamiento IP

:: Enrutamiento IP ::

Rede

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Enrutamiento IP

30.0.0.0

40.0.0.0

128.1.0.0

192.4.10.0

30.0.0.7

40.0.0.7 40.0.0.8 - eth0

128.1.0.8 - eth1 128.1.0.9

192.4.10.9

destino máscara next hop iface30.0.0.0 255.0.0.0 40.0.0.7 eth040.0.0.0 255.0.0.0 entrega directa eth0

128.1.0.0 255.255.0.0 entrega directa eth1192.4.10.0 255.255.255.0 128.1.0.9 eth1

:: Enrutamiento IP ::

Rede

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Enrutamiento IP :: Algoritmo

d = datagrama.destino

for entrada in tabla_enrutamiento:

n = d & entrada.máscara

if n == entrada.destino:

enviar(datagrama, entrada.next_hop)

return

if default_router:

enviar(datagrama, default_router)

else:

raise RoutingError # enviar ICMP

:: Enrutamiento IP ::

Rede

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Transmisión de Datagramas

Es la entrega de un datagrama desde un nodo a otro en la misma red física.Es necesario encapsular el datagrama en una trama, para lo que se necesita la dirección física del destino, y la propia.Necesitamos un modo de averiguar la dirección física del destino conocida su dirección IP.

cabecerade trama área de datos de la trama terminador

de la trama

cabecera IP carga útil

Rede

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Es un protocolo que abstrae a la capa de red del direccionamiento físico que depende únicamente de la tecnología física subyacente.

Cada host mantiene una tabla (caché ARP) que relaciona cada dirección física con la dirección lógica asociada (IP).Cuando un host quiere averiguar la dirección física de un host:

● envía un paquete ARP request (broadcast) en el que aparece la dirección IP de dicho host.

● el host aludido responde con un ARP reply (unicast) indicando su dirección fisica

ARP (Address Resolution Protocol)

:: ARP ::RFC826RFC826

Rede

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ARP :: Formato del mensaje

Formato del paquete

dirección física del origen (6 bytes en Ethernet)

operación (request o reply)Protocol len

dirección lógica de del origen (4 bytes en IP)

dirección física del destino (vacío en en el request)

dirección lógica del destino

HW len

tipo de red física (Ethernet) tipo de protocolo (IP)

Encapsulación sobre Ethernet:

Preámbulo Destino tipo(0x0806) ChecksumOrigen ARP (petición o respuesta) relleno

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 91

0 1 2 3 4 5 6 7 8 92

0 130

:: ARP ::

Rede

s : :

IP

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ARP :: Paquete

A B161.67.38.12B1:34:56:23:AD:1E

161.67.38.9546:57:92:AF:FC:21

Preámbulotipo

(0x0806)CRC46:57:92:AF:FC:21

46:57:92:AF:FC:210x00020x04

161.67.38.95B1:34:56:23:AD:1E

161.67.38.12

0x060x0002 0x0800

ARP reply (de B a A)

B1:34:56:23:AD:1E

Preámbulotipo

(0x0806)CRC FF:FF:FF:FF:FF:FF

B1:34:56:23:AD:1E0x00010x04

161.67.38.1200:00:00:00:00:00

161.67.38.95

0x060x0002 0x0800

ARP request (de A a todos)

B1:34:56:23:AD:1E

:: ARP ::

Rede

s : :

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Es un protocolo la capa de red, que acompaña a IP para paliar en parte sus limitaciones en cuanto a confiabilidad.

● Incidencias en el envío de tráfico IP● Peticiones de información y respuestas entre hosts y enrutadores

Los paquetes ICMP se encapsulan en paquetes IP

cabecerade trama área de datos de la trama

terminadorde la trama

cabecera IP área de datos IP

cabecera ICMP

datosICMP

ICMP (Internet Control Message Protocol)

:: ICMP ::RFC792RFC792

Rede

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ICMP :: Formato del mensaje

Formato del paquete

Tipos de paquetes:● Errores

• destination unreachable• source quench• time exceeded• parameter problem• redirection

área de datos

resto de cabecera

tipo checksum

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 91

0 1 2 3 4 5 6 7 8 92

0 130

código

● Peticiones / Respuesta• Echo (petición y respuesta)• Timestamp (petición y respuesta)• Address mask (petición y

respuesta)• Router solicitation o advertisement

:: ICMP ::

Rede

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IP

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ICMP :: Errores

Los mensajes ICMP de error se envían al origen del paquete IP que produjo el errorICMP no corrige, sólo informaNo se generan mensajes ICMP en los siguientes casos

● Un error en un datagrama IP que porta un ICMP● Para un fragmento de datagrama que no sea el primero● Para datagramas IP multicast● Para datagramas con direcciones especiales como 127.0.0.1

Los paquetes ICMP de error incluyen la cabecera del paquete IP que causó el error más 8 bytes de su carga.

:: ICMP ::

Rede

s : :

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ICMP :: Errores

Destino inalcanzable (Destination unreachable)● Lo envía un enrutador (o el destino) cuando no puede enrutar el paquete.● En el paquete se indica el motivo (16 códigos diferentes)

Source quench● Lo envía un enturador cuando debe descartar un datagrama a causa de

la congestión

Tiempo excedido● Se envía cuando el TTL llega a 0 (enrutador) o cuando expira el

temporizador de reensamble de fragmentos (destino)

:: ICMP ::

Rede

s : :

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ICMP :: Errores

Problema con los parámetros● Si existe un error, ambigüedad o falta un campo necesario se envía un

paquete ICMP. Lo pueden hacer los enrutadores y el destino.

Redirección● Cuando un host envía un datagrama a un enrutador equivocado, éste

puede redirigir el datagrama al enrutador adecuado.● En ese caso, el enrutador informa al host mediante un paquete ICMP

para que actualice su tabla de rutas.

:: ICMP ::

Rede

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ICMP :: Peticiones

Echo Se utiliza para verificar la conectividad IP. Cuando un host o enrutador recibe un Echo-Request, fabrica un Echo-Reply y lo envía al origen.

TimestampSe usa para medir el retardo entre origen y destino o para sincronización.

Address maskLo utilizan los hosts para preguntar la máscara a los enrutadores

Solicitud de Enrutador (Router Solicitation)

Los hosts pueden enviar este tipo de paquetes ICMP para averiguar quién es el enrutador en la sub-red. El enrutador responde identificándose.

:: ICMP ::

Rede

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La asignación de direcciones IP a los hosts supone un importante problema de administración.

● La configuración manual es una tarea ardua cuando la red adquiere cierto tamaño.

● La asignación estática puede no ser posible si no se dispone de suficientes direcciones.

● Dificultad para poner en operación nuevos hosts.

Para resolver este problema hay varias alternativas● RARP● BOOTP● DHCP

Gestión de Redes IP

:: Gestión de Redes IP ::

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RARP (Reverse Address Resolution Protocol)

Cuando un host arranca ¿Qué dirección IP debe usar?¿Qué ocurre si el sistema está implementado en ROM?La solución más antigua es equivalente a ARP, pero a la inversa: conocida la dirección física averiguar la IP.El host que desconoce su IP envía una trama broadcast en la que indica su dirección física.En esa misma red debe haber un servidor que responda a la petición, indicándole cuál es su dirección IP.

:: Gestión de Redes IP ::RFC903RFC903

Rede

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BOOTP (Bootstrap Protocol)

RARP no es suficiente cuando el host necesita más cosas a parte de su dirección IP. RARP tiene varios problemas:

● Dado que RARP se encapsula sobre tramas puede ser difícil construir servidores

● El servidor debe estar en la misma red física

● Se desperdicia espacio si sólo se indica la dirección IP

Si un host no tiene (o no usa) el disco para arrancar, necesita:● Cargar una imagen ejecutable

● Averiguar la dirección IP de u servidor de ficheros

● Averiguar la dirección de un enrutador.

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BOOTP

BOOTP es un protocolo del nivel de aplicación (se encapsula sobre UDP). La fiabilidad de la comunicación corre a cargo del cliente.El cliente envía una petición BOOTP sobre un paquete UDP broadcast (255.255.255.255), indicando que la respuesta debe ser no fragmentada.El servidor responde con otro paquete broadcast. Puede aprovechar para actualizar su caché ARP.

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BOOTP :: Formato del mensaje

dirección IP del cliente (a 0 en la petición)

dirección IP asignada

tipo (req/reply) long dir. física

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 91

0 1 2 3 4 5 6 7 8 92

0 130

tipo HW hops

no usadonº de segundos

id. transacción

dirección IP del servidor

dirección IP del enrutador

dirección física del cliente (16 bytes)

nombre del dominio del servidor (64 bytes)

ruta al fichero de arranque (128 bytes)

opciones

En el campo de opciones el

servidor puede indicar cosas

como:

● máscara de sub-red

● servidores de tiempo

● servidores DNS

● servidores de impresión

● nombre del host

● hora

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DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)

BOOTP no resuelve todos los problemas porque es un

sistema de asignación estático

DHCP permite tener menos direcciones que hosts pero

teniendo tantas direcciones como hosts activos.

DHCP cede direcciones durante un tiempo y con ciertas

condiciones.

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DHCP

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El paquete DHCP es muy similar a BOOTP, con las siguientes diferencias:● el campo “no usado” de BOOTP se usa como campo flags● en las opciones, además, se indica el estado del alquiler

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Referencias

Se recomienda repasar y profundizar el contenido de este tema utilizando (al menos) la siguiente bibliografía básica:

B.F. Transmisión de datos y redes de comunicaciones, cuarta edición 2007.● Secciones 20.1, 19.1, 21.1 y 21.2

A.S. Redes de computadores. Pearson Educación, Cuarta edición, 2003.● Capítulos 5. Apartados 1, 6 - 6.3

CISCO Systems. Inc. Guía del primer año. CCNA 1 y 2. Cisco Press, 2003.● Capítulos 7, 8 y 17

Material e-learning CISCO Networking Academy● Módulo 6 de CCNA Exploration