Todo lo que necesitas saber sobre la subred de direcciones IP
Introducción
El subneteo de IP es un tema fundamental que todo ingeniero de redes IP debe comprender, sin embargo, los estudiantes tradicionalmente han tenido dificultades para entenderlo. A lo largo de los años, he visto a estudiantes luchar innecesariamente en la escuela y en la práctica cuando se enfrentan al subneteo porque nunca se les explicó de una manera fácil de entender. He ayudado a innumerables personas a comprender en qué consiste el subneteo utilizando mi propio enfoque gráfico y atajos de calculadora, y he volcado toda esa experiencia en este artículo.
Direcciones IP y subredes
Aunque IP significa Protocolo de Internet, es un protocolo de comunicaciones utilizado desde la red privada más pequeña hasta el enorme Internet global. Una dirección IP es un identificador único asignado a un único dispositivo en una red IP. La dirección IP consta de un número de 32 bits que varía de 0 a 4294967295. Esto significa que teóricamente, Internet puede contener aproximadamente 4.3 mil millones de objetos únicos. Pero para facilitar el manejo de un bloque de direcciones tan grande, se dividió en cuatro números de 8 bits, u "octetos", separados por un punto. En lugar de 32 dígitos binarios base-2, que serían demasiado largos para leer, se convierten en cuatro dígitos base-256. Los octetos están formados por números del 0 al 255. Los números a continuación muestran cómo se incrementan las direcciones IP.
0.0.0.0 0.0.0.1 ... incremento de 252 hosts ... 0.0.0.254 0.0.0.255 0.0.1.0 0.0.1.1 ... incremento de 252 hosts ... 0.0.1.254 0.0.1.255 0.0.2.0 0.0.2.1 ... incremento de 4+ mil millones de hosts ... 255.255.255.255
La palabra "subred" es una abreviatura de "sub red" - una red más pequeña dentro de una red más grande. La subred más pequeña que no tiene más subdivisiones dentro de ella se considera un único "dominio de difusión", que se correlaciona directamente con un único segmento de LAN (red de área local) en un switch Ethernet. El dominio de difusión cumple una función importante porque es donde los dispositivos de una red se comunican directamente entre sí utilizando direcciones MAC, las cuales no se enrutan a través de múltiples subredes, y mucho menos a través de todo Internet. Las comunicaciones de direcciones MAC están limitadas a una red más pequeña porque dependen de la difusión ARP para encontrar su camino, y la difusión solo se puede escalar hasta cierto punto antes de que la cantidad de tráfico de difusión colapse la red completa con ruido de difusión. Por esta razón, la subred más pequeña más común es de 8 bits, o precisamente un único octeto, aunque puede ser más pequeña o ligeramente más grande.
Las subredes tienen un inicio y un final, y el número de inicio siempre es par y el número de final siempre es impar. El número de inicio es la "ID de red" y el número de final es la "ID de difusión". No se permite utilizar estos números porque ambos tienen un significado especial con propósitos especiales. La ID de red es la designación oficial para una subred particular y el número de final es la dirección de difusión a la que todos los dispositivos de una subred escuchan. Cada vez que desees referirte a una subred, debes señalar su ID de red y su máscara de subred, que define su tamaño. Cada vez que desees enviar datos a todos en la subred (como una transmisión multicast), los envías a la ID de difusión. Más adelante en este artículo, te mostraré una manera fácil y gráfica de determinar las ID de red y de difusión.
La regla gráfica de la subred
A lo largo de los años, mientras observaba a las personas luchar con el tema del subneteo de IP, quería una mejor manera de enseñar el tema. Pronto me di cuenta de que muchos estudiantes de TI carecían de los conocimientos necesarios en matemáticas y tenían dificultades con el concepto de números binarios. Para ayudar a cerrar esta brecha, se me ocurrió el método gráfico de ilustrar las subredes, como se muestra en la figura A. En este ejemplo, estamos viendo un rango de direcciones IP desde 10.0.0.0 hasta 10.0.32.0. Ten en cuenta que la dirección IP final de 10.0.32.0 en realidad es el comienzo de la siguiente subred. Este rango de red termina en el número justo antes de él, que es 10.0.31.255.
| Figura A |
Observa que con cada aumento de bit, el tamaño de la subred se duplica junto con el número de hosts. La marca de referencia más pequeña representa 8 bits, lo que corresponde a una subred con 256 hosts, pero dado que no se pueden utilizar las primeras y últimas direcciones IP, en realidad solo hay 254 hosts utilizables en la red. La forma más sencilla de calcular cuántos hosts utilizables hay en una subred es elevar 2 a la potencia del tamaño del bit menos 2. Si aumentamos al número de bits 9, entonces tenemos 510 hosts utilizables, porque 2 a la 9 es igual a 512, y no contamos el inicio y el final. Continúa hasta llegar a los 13 bits y tendrás 8,190 hosts utilizables para toda la regla que se muestra arriba.
Cómo garantizar la validación local de los clientes en un dominio multi-sitioAprender a dividir subredes correctamente
Las subredes se pueden subdividir en subredes más pequeñas e incluso en subredes aún más pequeñas. Lo más importante para saber acerca de dividir una red es que no puedes elegir arbitrariamente el inicio y el final. La división debe hacerse en intervalos binarios limpios. La mejor manera de aprender esto es mirar mi regla de subred y ver qué subredes son válidas. En la figura B, las subredes verdes son válidas y las rojas no lo son.
| Figura B |
La regla se construyó como cualquier otra regla, marcándola por la mitad y dividiéndola. Luego, volvemos a dividir las secciones restantes y con marcadores cada vez más pequeños cada vez que comenzamos una nueva ronda de divisiones. En el ejemplo anterior, hubo cinco rondas de divisiones. Si observas detenidamente el borde de cualquier bloque de subred válido (verde), notarás que ninguno de los marcadores contenidos dentro de la subred es mayor que los marcadores del borde. Hay una razón matemática para esto, que ilustraremos más adelante, pero verlo gráficamente facilitará la comprensión de las matemáticas.
El papel de la máscara de subred
La máscara de subred juega un papel crucial para definir el tamaño de una subred. Echa un vistazo a la figura C. Observa el patrón y presta especial atención a los números en rojo. Cuando estés trabajando con subredes, te será útil recordar ocho números especiales que se repiten al tratar las máscaras de subred. Estos números son 255, 254, 252, 248, 240, 224, 192 y 128. Verás estos números una y otra vez en las redes IP, y memorizarlos hará tu vida mucho más fácil.
| Figura C |
He incluido tres tamaños de clase. Verás las primeras dos clases, con una longitud de bits de host de 0 a 16, con mayor frecuencia. Es común que los bloques de direcciones IP de DSL y T1 estén en el rango de 0 a 8 bits. Las redes privadas normalmente operan en el rango de 8 a 24 bits.
Observa cómo la máscara binaria tiene todos esos ceros que crecen de derecha a izquierda. La máscara de subred en forma binaria siempre tiene unos a la izquierda y ceros a la derecha. El número de ceros es idéntico a la "longitud de subred". Solo mostré la porción de la máscara binaria en el octeto que es interesante, ya que todos los octetos a la derecha consisten en ceros y todos los octetos a la izquierda consisten en unos. Por lo tanto, si observamos la máscara de subred donde la longitud de subred es de 11 bits, la máscara completa en binario es 11111111.11111111.11111000.00000000. Como se muestra en el "octeto de la máscara", la máscara de subred cambia de 1 a 0 en el tercer octeto. La máscara de subred binaria particular se traduce directamente a la forma base-256 como 255.255.248.0
La "máscara" en la máscara de subred
La máscara de subred no solo determina el tamaño de una subred, sino que también puede ayudarte a ubicar dónde están los puntos finales en la subred si se te proporciona alguna dirección IP dentro de esa subred. La razón por la que se llama "máscara de subred" es que en realidad enmascara los bits de host y solo deja la ID de red que comienza la subred. Una vez que conoces el comienzo de la subred y su tamaño, puedes determinar el final de la subred, que es la ID de difusión.
Cuál es la mejor opción de protocolo de enrutamiento para una red empresarialPara calcular la ID de red, simplemente tomas cualquier dirección IP dentro de esa subred y aplicas el operador AND a la máscara de subred. Tomemos una dirección IP de 10.20.237.15 y una máscara de subred de 255.255.248.0. Ten en cuenta que esto se puede y a menudo se escribe en forma abreviada como 10.20.237.15/21 porque la longitud de la máscara de subred es 21. Las figuras D y E muestran las versiones en decimal y binario de la operación AND.
| Figura D |
| Matemáticas decimales |
| Figura E |
| Matemáticas binarias |
La versión binaria muestra cómo los 0 actúan como una máscara en la dirección IP en la parte superior. Dentro del recuadro de enmascaramiento, los 0 convierten todos los números en la parte superior en ceros, sin importar cuál sea el número. Cuando tomas la ID de red binaria resultante y la conviertes a decimal, obtienes 10.20.232.0 como la ID de red. Una cosa que siempre me ha molestado acerca de la forma en que se enseña el subneteo es que no se le muestra a los estudiantes un truco simple para evitar la necesidad de conversiones binarias al realizar operaciones AND. Incluso he visto a profesionales de TI en el campo utilizando esta técnica lenta y engorrosa de convertir todo a binario, realizar la operación AND y luego convertir de nuevo a decimal utilizando la Calculadora de Windows. Pero hay un atajo muy simple utilizando la Calculadora de Windows, ya que el operador AND funciona directamente en números decimales. Simplemente ingresa 237, presiona el operador AND y luego 248 y presiona [Enter] para obtener instantáneamente el resultado 232, como se muestra en la figura F. Nunca entenderé por qué esto no se les explica a los estudiantes, porque facilita mucho los cálculos de las máscaras.
| Figura F |
Dado que hay 11 ceros en la máscara de subred, la subred tiene una longitud de 11 bits. Esto significa que hay 2^11, o 2,048, hosts como máximo en la subred y la última dirección IP en esta subred es 10.20.239.255. Esto se puede calcular rápidamente al observar que hay tres ceros en el tercer octeto, lo que significa que el tercer octeto de la dirección IP puede tener una variación de 2^3, o 8. Entonces, la siguiente subred comienza en 10.20.232+8.0, que es 10.20.240.0. Si restamos 1, obtenemos 10.20.239.255, que es donde termina esta subred. Para ayudarte a visualizar esto, la figura G lo muestra en mi regla de subred.
| Figura G |
Clases de IP hechas simples
Para una clasificación arbitraria de las subredes IP, los creadores de Internet decidieron dividir Internet en múltiples clases. Ten en cuenta que estas no son importantes en lo que respecta a tus cálculos de subred; esto es solo cómo está "distribuido" Internet. Internet está distribuido en clases A, B, C, D y E. La Clase A ocupa la mitad del Internet completo, la Clase B ocupa la mitad de la mitad restante, la Clase C ocupa la mitad restante nuevamente, la Clase D (multidifusión) ocupa la mitad restante nuevamente y lo que quede está reservado para la Clase E. Los estudiantes me han dicho que batallaron para memorizar las clases de IP durante semanas hasta que vieron esta tabla simple mostrada en la figura H. Esto se debe a que en realidad no necesitas memorizar nada, solo aprendes la técnica para construir la regla utilizando la mitad de lo que está disponible.
| Figura H |
Recuerda que todas las subredes comienzan con números PARES y todos los finales de subredes son números IMPARES. Ten en cuenta que 0.0.0.0/8 (0.0.0.0 a 0.255.255.255) no se utiliza y que 127.0.0.0/8 (127.0.0.0 a 127.255.255.255) se reserva para las direcciones loopback.
Todas las direcciones de la Clase A tienen su primer octeto entre 1 y 126 debido a que los números 0 y 127 se reservan. Las subredes de la Clase A tienen todas una longitud de 24 bits, lo que significa que la máscara de subred es solo de 8 bits. Por ejemplo, tenemos todo el rango de 3.0.0.0/8 propiedad de GE, ya que GE tuvo la suerte de obtener un bloque de 16.8 millones de direcciones asignadas al principio. El Ejército de los Estados Unidos es dueño del bloque de 6.0.0.0/8. Level 3 Communications es dueño de 8.0.0.0/8. IBM es dueño de 9.0.0.0/8. AT&T es dueño de 12.0.0.0/8. Xerox es dueño de 13.0.0.0/8. HP es dueño de 15.0.0.0/8 y de 16.0.0.0/8. Apple es dueño de 17.0.0.0/8.
Los 8 pasos para solucionar problemas de red y sistemasTodas las direcciones de la Clase B tienen su primer octeto entre 128 y 191. Las subredes de la Clase B tienen todas una longitud de 16 bits, por lo que las máscaras de subred tienen 16 bits. Por ejemplo, BBN Communications es dueño de 128.1.0.0/16, que es de 128.1.0.0 a 128.1.255.255. La Universidad Carnegie Mellon es dueña de 128.2.0.0/16.
Todas las direcciones de la Clase C tienen su primer octeto entre 192 y 223. Las subredes de la Clase C tienen todas una longitud de 8 bits, por lo que las máscaras de subred solo tienen 24 bits. Ten en cuenta que ARIN (la organización que asigna direcciones de Internet) solo venderá bloques de cuatro direcciones de Clase C a empresas individuales y debes justificar por qué necesitas 1,024 direcciones IP públicas. Si necesitas ejecutar BGP para poder utilizar múltiples ISP para redundancia, debes tener tu propio bloque de direcciones IP. También ten en cuenta que estos no son los viejos tiempos, cuando se entregaban bloques de 16.8 millones de direcciones de Clase A por básicamente nada. Debes pagar una tarifa anual por tu bloque de 1,024 direcciones con una máscara de subred de /22, o 255.255.252.0.
El concepto de las clases de IP puede ser perjudicial en la práctica real. De hecho, he visto a personas olvidar desactivar las clases en sus antiguos routers Cisco y ver cómo las rutas de subredes grandes son secuestradas en una WAN grande configurada para enrutamiento dinámico cuando se agregan algunas rutas. Esto se debe a que un router Cisco asumirá que la máscara de subred es la /8 completa o /16 o /24, incluso si defines algo intermedio. Todas las versiones de software IOS más recientes de Cisco desactivan el concepto de clases de subred y utilizan enrutamiento sin clases de forma predeterminada. Esto se hace con el comando predeterminado "IP Classless".
Direcciones IP públicas y privadas
Además de las direcciones IP reservadas (0.0.0.0/8 y 127.0.0.0/8) mencionadas anteriormente, hay otras direcciones que no se utilizan en Internet público. Estas subredes privadas consisten en direcciones IP privadas y generalmente se encuentran detrás de un firewall o router que realiza NAT (traducción de direcciones de red). NAT es necesario porque las direcciones IP privadas no son enrutables en Internet público, por lo que deben traducirse a direcciones IP públicas antes de tocar Internet. Las IP privadas nunca se enrutan porque en realidad nadie las posee. Y como cualquier persona puede utilizarlas, no hay un lugar correcto para apuntar una dirección IP privada en Internet público. Las direcciones IP privadas se utilizan en la mayoría de los entornos de LAN y WAN, a menos que tengas la suerte de poseer un bloque de direcciones de Clase A o al menos de Clase B, en cuyo caso podrías tener suficientes IPs para asignar direcciones IP internas y externas.
Los siguientes bloques de direcciones IP se asignan a redes privadas:
- 10.0.0.0/8 (10.0.0.0 a 10.255.255.255)
- 172.16.0.0/12 (172.16.0.0 a 172.31.255.255)
- 192.168.0.0/16 (192.168.0.0 a 192.168.255.255)
- 169.254.0.0/16 (169.254.0.0 a 169.254.255.255)*
* Ten en cuenta que 169.254.0.0/16 es un bloque de direcciones IP privadas utilizado para la asignación automática aleatoria de direcciones IP cuando no se encuentran disponibles servidores DHCP.
Diferencias entre redes cliente/servidor y peer-to-peer10.0.0.0/8 normalmente se utiliza para redes grandes, ya que hay aproximadamente 16.8 millones de direcciones IP disponibles dentro de ese bloque. Se dividen en muchos grupos más pequeños de subredes para cada ubicación geográfica, que luego se subdividen en subredes aún más pequeñas. Las empresas más pequeñas suelen utilizar el rango de 172.16.0.0/12, dividido en subredes más pequeñas, aunque no hay razón por la cual no puedan usar 10.0.0.0/8 si lo desean. Las redes domésticas suelen utilizar una subred /24 dentro de la subred 192.168.0.0/16.
El uso de direcciones IP privadas y NAT ha prolongado la vida de IPv4 en el futuro previsible porque permite que una única dirección IP pública represente miles de direcciones IP privadas. A la tasa actual de entrega de direcciones IPv4, tenemos suficientes direcciones IPv4 para aproximadamente 17 años. ARIN es mucho más restringido ahora al entregarlas y los bloques pequeños de direcciones IP son relativamente caros en comparación con los viejos tiempos, cuando las compañías como Apple simplemente recibían un bloque de 16.8 millones de direcciones. La siguiente versión de las direcciones IP, llamada IPv6, es de 128 bits, ¡y existen más de 79 mil billones de billones de veces más direcciones IP que con IPv4. Incluso si asignaras 4.3 mil millones de direcciones IP a las 4.3 mil millones de personas en el planeta, aún te quedarían más de 18 millones de billones de direcciones IPv6 disponibles!
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