¿Te has enfrentado alguna vez con la IP y mascara de red cada vez que
quieres comunicarte con algún equipo?
Trabajes o no trabajes en el sector industrial, hoy en
día todo el mundo debería tener unos conocimientos mínimos de redes de
comunicación, aunque sólo sea para poder conectar el portátil a internet.
Por otro lado, estos conocimientos, serán especialmente
necesarios, para todas las personas que se quieran dedicar a la programación
industrial. Porque antes de programar un equipo, tendrá que comunicarse con
dicho equipo.
En este artículo, se pretende resumir y explicar los
conceptos que hemos considera más importantes.
Concretamente este artículo vamos a tratar:
Primero, que
es: MAC del equipo // IP del equipo // Máscara de red // Puerta de enlace //
DNS
Segundo,
funciones de los equipos más utilizados: HUB // Switch // Router // FirewallNota: Este
artículo ha sido realizado gracias a las aclaraciones técnicas de Daniel Fariña
Sande (muchas gracias por tu paciencia).
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1. CONFIGURACIÓN DE LA TARJETA DE RED
1.1. MAC
del equipo (Media Control Access)
La dirección
MAC (o también llamada dirección física) es un identificador único que cada fabricante le asigna a la tarjeta de red
de cada dispositivo. Si un equipo tiene varias tarjetas de red tendrá varias
MAC.
Una dirección
MAC consiste en seis grupos de dos caracteres, cada uno de ellos separado por
dos puntos. Ejemplo: 00:1B:44:11:3A:B7
Para dar sentido al por qué se utilizan y agrupan esos caracteres se ha de mencionar que son números en formato hexadecimal, y que el motivo de agruparlos de dos en dos es que, pasados de hexadecimal a binario, cada grupo de dos forma un octeto.
Por ejemplo, para ver la MAC de los distintos dispositivos de un ordenador desde windows, hay que abrir la pantalla de comando (CMD) y escribir "IPCONFIG /all"
Nota: A
modo de ejemplo, para nosotros la MAC es como número del carnet de identidad que nos asigna el gobierno.
1.2. IP
del equipo (Internet Protocolo)
Identificador
único que podemos asignar a cada tarjeta de red.
IP es un direccionamiento lógico, implementandose encima del direccionamiento físico que proporciona la MAC.
El más usado comunmente es el IPv4,
consiste en cuatro números separados por puntos, que pueden ir de 0 a 255. Ejemplo:
192.34.185.1
Si pasamos a binario, 255 corresponde a: 11111111
con lo que cada número en binario tiene un tamaño máximo de 8 bits.
Las
IPs no han de ser únicas, no al menos al nivel que lo son las MAC (que
también tienen sus trampas). De hecho en nuestra casas todos tenemos un
rango como 192.168.1.0, o semejante, a la vez. Y todos esos equipos
están conectados a internet de manera simultánea.
Nota: A
modo de ejemplo, para nosotros la IP es como el nombre que tenemos (que si no nos gusta nos ponemos otro). Y aunque en nuestra comunidad todo el mundo nos identifica por el nombre, no es icompatible que en todo el mundo, exista más gente que se llame igual.
Cómo criterio general: La MAC viene de fábrica, la IP la puede establecer cada uno.
1.3. Máscara
de red
Código que
permite establece que equipos (IPs) pueden hablar entre si.
Esto nos permite agrupar los equipos en distintas subredes.
La máscara de
red tiene la misma estructura que la IP, consiste en cuatro números separados
por puntos, que pueden ir de 0 a 255. Ejemplo: 255.255.255.0
Los equipos que pueden comunicarse entre
si son aquellos equipos que el producto de la máscara de red por la IP dan el
mismo número (esta multiplicación debe hacerse en binario).
Nota: A
modo de ejemplo, para nosotros la máscara de red establece quienes son parte de tu
comunidad de vecinos con los que vas a convivir.
Por ejemplo, tenemos 3 equipos con las siguientes IP:
Equipo 1: 255.255.255.1 en binario sería 11111111. 11111111.
11111111.00000001
Equipo 2: 255.255.255.2 en binario sería 11111111. 11111111.
11111111.00000010
Equipo 3: 255.255.254.3 en binario sería 11111111. 11111111.
11111110.00000011
Establecemos
una máscara de red igual para los 3, por ejemplo: 255.255.255.0
255.255.255.0 en
binario sería 11111111. 11111111. 11111111.00000000
Si
multiplicásemos las mascara de red por la IP en cada caso tendríamos
(Considerando
que 1x1=1 // 1x0=0 // 0x1=0 // 0x0=0):
255.255.255.1
x 255.255.255.0 = 255.255.255.0
11111111.
11111111. 11111111.00000001
X
11111111. 11111111.
11111111.00000000
=
11111111. 11111111.
11111111.00000000
255.255.255.2
x 255.255.255.0 = 255.255.255.0
11111111.
11111111. 11111111.00000010
X
11111111. 11111111.
11111111.00000000
=
11111111. 11111111.
11111111.00000000
255.255.254.3
x 255.255.255.0 = 255.255.254.0
11111111.
11111111. 11111110.00000011
X
11111111. 11111111.
11111111.00000000
=
11111111. 11111111.
11111110.00000000
En
nuestro ejemplo, el producto de la IP por la máscara de red es igual en el
primer equipo y en el segundo equipo, en ambos el resultado es 255.255.255.0.
Pero
en el tercer equipo (255.255.254.3) el resultado es 255.255.254.0.
Por
lo que los equipos 255.255.255.1 y 255.255.255.2 (con
máscara de red 255.255.255.0) se podrán comunicar entre si.
Pero ninguno
de estos equipos se podrá comunicar con 255.255.254.3.
Sin embargo, se
hubieran podido comunicar todos los equipos entre si, si hubiéramos establecido
una mascara de red menos restrictiva, como por ejemplo 255.255.0.0. En este caso el resultado
del producto de la máscara de red por las IPs de los equipos anteriores,
hubiera sido 255.255.0.0.
Todos los equipos, con los que un dispositivo se puede comunicar, gracias a que su IP y mascara de red son compatible, engloban la "subred".
1.4. Puerta
de enlace
Es el nombre del
equipo que nos permite salirnos de nuestra subred (nos permite comunicarnos con equipos fuera de nuestra comunidad de vecinos).
Si tenemos que
comunicarnos con un equipo, y siguiendo la regla de la máscara de red que vimos
en el punto anterior, no tenemos permitido comunicarnos con dicho
equipo (no forma parte de nuestra subred). El equipo automáticamente
envía la petición a la puerta de enlace para ver si nos permite comunicarnos
con un equipo que está ubicado fuera de nuestra red.
La puerta de
enlace, tiene la misma estructura que la IP y que la máscara de red, consiste
en cuatro números separados por puntos, que pueden ir de 0 a 255. Ejemplo: 255.255.255.99
Nota: A
modo de ejemplo la puerta enlace es el buzón de la oficina de correos, donde
podemos enviar cartas para comunicarnos con la gente de fuera de tu edificio.
1.5. DNS
Cuando navegamos
por internet y escribimos por ejemplo https://instrumentacionhoy.blogspot.com, realmente
estamos intentando comunicar con una dirección lógica. Sería lo mismo que
escribir la IP correspondiente.
En la mayoría de los casos, aunque desconocemos el número IP de las páginas, conocemos el nombre asigando a dicha página (en
nuestro ejemplo https://instrumentacionhoy.blogspot.com). Automáticamente escribiendo el nombre, el explorador de internet nos llevará al equipo correspondiente.
Esto es posible, porque hay un equipo que te pasa la reacción entre las
IPs y el nombre de las páginas, este equipo es la DNS.
La DNS que nos facilita Google tiene la IP 8.8.8.8.
En resumen sin indicar la IP de una DNS no podríamos naver por internet como hacemos habitualmente, sin saber las IP de los equipos.
Nota: A
modo de ejemplo la DNS es como las guías de teléfonos, que te permitían no tener que saber de memoria todos los números.
2.
EQUIPOS MÁS USADOS
2.1. HUB
Estos equipos,
ya no se usan en redes industriales, ya que entre otras cosas saturan bastante las comunicaciones.
Este equipo (similar físicamente a switch)
permite conectar a los equipos entre si (habitualmente mediante un cable RJ45).
Cuando un equipo está conectado a un HUB, al solicitar comunicar con otro equipo, el
HUB envía dicha solicitud a todos los equipos.
Nota: A
modo de ejemplo un HUB es como un megáfono, que permite comunicarnos a voces
con alguien que está en tu edificio, pero saturando a todo el mundo.
2.2. Switch
Son muy
utilizado, y cada vez tienen más herramientas.
Este equipo
permite conectar a los equipos entre si (habitualmente mediante un cable RJ45 o
mediante conectores de fibra óptica).
Cuando un
equipo envía una solicitud para comunicar con otro equipo, el swtich redirecciona
dicha información al equipo en concreto, sin saturar al resto.
Nota: A
modo de ejemplo un switch es como si en tu edificio hubiera un centralita de teléfonos
que permitiera comunicar con algún vecino concreto.
Para los que quieran saber un poco más, vamos a poner un ejemplo de como se comunica un switch (si prefieres sólo quedarte con los conocimientos mínimos, te recomiendo que te lo saltes y pases a leer al siguiente punto):
Habiendo 2 dispositivos finales ordenadores conectados a un switch:
- PC1 con la IP = 192.168.1.1 con mascara = 255.255.255.0
- PC2 con la IP = 192.168.1.2 con mascara = 255.255.255.0
Los ordenadores, tienen su tabla que relaciona las IP y MAC de todos los equipos que están en su “subred”.
Por ejemplo, la tabla de un ordenador se puede ver con el CMD de Windows ejecutando el comando “arp -a”.
El switch dispone de una tabla que relaciona MAC/Puerto del switch.
Teniendo en cuenta la existencia de estas 3 tablas. Si partimos de los equipos recién conectados, sin haberse comunicado anteriormente y el switch recién encendido.
PC1 (192.168.1.1) quiere hacer un ping a PC2 (192.168.1.2), PC1 busca en su tabla “arp” si tiene una MAC asociada a la IP de PC2 (192.168.1.2).
Pero como no encuentra ninguna MAC asociada a dicha IP; crea un paquete con direccionamiento MAC FF:FF:FF:FF:FF:FF mediante el protocolo ARP, que se manda a SW y en el que se pregunta expresamente por la MAC de 192.168.1.2 y se indica que se responda a la MAC de 192.168.1.1 (PC1).
Dado que la MAC de este paquete que acaba de llegar a SW no está registrada en su tabla se establece la relación entre PC1 y P1 (siendo P1 el puerto del switch en el que se encuentra PC1) teniendo ahora ya SW una relación entre la MAC y el puerto por el cual conmutar futuros paquetes que hayan de ser dirigidos a PC1.
SW por defecto interpreta que todo paquete con MAC destino FF:FF:FF:FF:FF:FF ha de ser enviado por todos sus puertos menos aquel por el que le llegó, si hubiese más equipos estos, al ver que ellos no tienen la IP por la que se pregunta mediante ARP descartan el paquete.
PC2 detecta que el paquete ARP va dirigido a él y que PC1 pregunta por su MAC, PC2 responde a PC1.
En este caso la MAC no está en la tabla “arp” de PC2 pero es parte de la información del paquete ARP que ha mandado PC1 por lo que este contesta con la MAC de PC1 como equipo de destino (PC2 aprovechará y mete en su tabla la relación entre IP y MAC de PC1, para así en futuras comunicaciones entre ellos ya no tener que tirar por un paquete ARP si no consultar la MAC cacheada).
Cuando la respuesta de PC2 llega a SW este acude de nuevo a su tabla para consular si la MAC de destino se encuentra en ella y en efecto, dado que anteriormente la ha guardado ahora ya conmuta dicho paquete sólo por P1 hacia PC1 y a su vez, dado que no tenía la MAC de PC2 la asocia a P2 en su tabla para futuros paquetes a conmutar para este.
2.3. Router
Las puertas de
enlace, se establecen en los routers, estos equipos son los que permiten a cualquier
equipo salirse de su subred.
Cuando equipo,
tiene que comunicarse con otro, y su IP y Mascara de red le están indicando que
dicho equipo no está en su subred. Solicitará comunicarse a través de la puerta de
enlace.
En función de
las rutas que esté programadas en el router, el router redireccionará la
comunicación solicitada de una red a otra.
Sin un router
no podríamos salir hacia internet.
Nota: A modo de ejemplo un router es
director de la oficina de correos. Que va a gestionar que la carta que enviemos fuera del edificio
llegue a su destino.
2.4. Firewall
Hoy en día,
estamos amenazados constantemente por la presencia de MALWARE, software
malicioso que nos puede atacar a los equipos.
Para protegernos
tenemos que tener un equipo donde se programan una serie de políticas que supervise el trafico entre equipos y que tenga
la capacidad de bloquear ciertas solicitudes (principalmente todo lo que entra
de redes exteriores)
Nota: A
modo de ejemplo sería un policía que revisa el contenido de las cartas que
llegan a la oficina de correos.
2.5. Switches
capa 2 gestionables
La mayoría de
switches industriales son switches de capa 2 gestionables.
Cuando se habla
de gestionables, se está haciendo referencia a que son capaces de establecer
VLAN.
Esto quiere
decir que son capaces de configurar una serie de puertos para una red (por
ejemplo con mascara 198.12.0.0) y otra serie de puertos para otra red (por
ejemplo con mascara 198.13.0.0).
Los equipos de
una red no podrán comunicarse directamente con los equipos de la otra red.
Es
como si estos switches se dividieran en varios switches.
Cada una de
estas redes será una VLAN.
Lo más peculiar
es que los puertos de estos switches, además de poder habilitarse, para una red
u otra o ambas; se pueden configurar como tipo “trunk”.
Si te conectas
con un equipo en el puerto “trunk” de un switch no te responderá ninguna de las
redes de las VLAN.
Un puerto trunk es como un “winrar”, van todas las redes comprimidas
pero no puedes comunicarte con ninguna directamente.
Se necesitará
conectarte a otro puerto trunk de otro switch gestionable, y esto permitirá desplegar
de nuevo las redes en este switch.
Por ejemplo, en
le siguiente dibujo vemos dos switches “A” y “B”.
El switch A
esta configurado como trunk el puerto 8 y en el B el puerto 5. Por lo que
unimos ambos switches por dichos puertos.
El equipo
conectado en la boca 1 del switch A y los equipos conectados en los puertos 1,
2 y 3 del switch B se podrán comunicar directamente (si su IP y máscara de red
lo permiten)
Los equipos
conectado en la boca 2, 3, 4,5,6,7 del switch A y los equipos conectados en los
puertos 4, 6, 7 y 8 del switch B se podrán comunicar directamente (si su IP y
máscara de red lo permiten)
2.6. Switches
capa 3
Genera cierta
confusión, cuando un switch puede cumplir funciones de enrutamiento como un router
(es lo que se llama switch capa 3), o incluso que un firewall puede realizar
enrutamientos.
¿Entonces cuál
es la diferencia entre switch capa 3 y un router?
La diferencia
es similar a responder, cual es la diferencia entre un smartphone y un ordenador.
Aunque tengan
ciertas funcionalidades similares, cuando el proceso demanda una gran capacidad
de enrutamiento se requiere un router (esto pasará principalmente en empresas
con grandes redes corporativas), pero sin embargo en las centrales industriales
donde no se requiera gran capacidad de enrutamiento, en la mayoría de los
casos, con switch capa 3 es suficiente.
En resumen, al igual que cuando se necesita un movil se compra un movil, y cuando se requiere un ordenador se compra un ordenador, cuando se requiere especificamente enrutar se debería comprar un router.
Elaborado por: Julio César Fernández
Losa 25/05/2022
Comentado por: Daniel Fariña Sande 02/06/2022
Si tiene algo que corregir o añadir
agradecería que me mandara sus comentarios a:
InstrumentacionHoy@gmail.com
