Episodio 4.4 – Cómo encuentra una red a cada dispositivo: direcciones MAC e IP
Tema 4 — Redes de Computadores
Parte del Curso Fundamentos de la Computación
En los episodios anteriores estudiamos cómo se comunican los computadores a través de una red.
Primero comprendimos por qué necesitamos conectar diferentes dispositivos. Después estudiamos los protocolos, los servicios y la organización de la comunicación en capas. Finalmente, conocimos el Modelo de Referencia OSI y las funciones que corresponden a sus siete niveles. Pero todavía tenemos una pregunta fundamental por resolver.
Cuando una computadora envía información a través de una red, ¿cómo sabe a qué dispositivo debe entregarla?
Imaginemos una oficina con veinte computadoras, varias impresoras, servidores y teléfonos conectados a la misma infraestructura. Todos esos dispositivos pueden compartir cables, equipos de comunicaciones y conexiones inalámbricas. Sin embargo, cuando una computadora envía un documento a una impresora, la información debe llegar a la impresora correcta. No tendría sentido que terminara en el computador de otra persona. Y el problema se vuelve todavía más interesante cuando el destino está fuera de nuestra red.
¿Qué ocurre cuando abrimos una página web alojada en un servidor que se encuentra en otro país? ¿Cómo sabe nuestra computadora hacia dónde enviar la información? ¿Y cómo consiguen los diferentes equipos de comunicaciones conducirla hasta su destino?
Para resolver estos problemas, las redes utilizan mecanismos de direccionamiento.
Pero no existe una única dirección encargada de resolver todas las necesidades de comunicación.
En las redes que utilizamos habitualmente aparecen dos conceptos fundamentales: las direcciones MAC y las direcciones IP.
Aunque ambas permiten identificar destinatarios dentro de una comunicación, tienen funciones diferentes y trabajan en niveles distintos de la arquitectura de red.
En este episodio estudiaremos esas diferencias, comprenderemos por qué un computador puede necesitar ambas direcciones y veremos cómo colaboran los switches y routers para entregar información dentro de una red local y entre redes diferentes.
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Qué aprenderás en este episodio
Al finalizar este contenido podrás:
- Comprender por qué una red necesita identificar los dispositivos que participan en una comunicación.
- Diferenciar la identificación de una interfaz de red de su ubicación lógica dentro de una infraestructura.
- Entender qué es una dirección de red.
- Distinguir entre direccionamiento físico y direccionamiento lógico.
- Comprender qué es una dirección MAC.
- Reconocer el papel de las direcciones MAC en una red local.
- Comprender qué es una dirección IP y para qué se utiliza.
- Diferenciar las funciones de una dirección MAC y una dirección IP.
- Entender por qué un computador puede necesitar ambas direcciones.
- Comprender cómo se comunican dos dispositivos dentro de una misma red.
- Entender qué ocurre cuando la información debe llegar a otra red.
- Reconocer las funciones generales de los switches y routers.
- Comprender los conceptos de red y host.
- Entender cómo colaboran los distintos mecanismos de direccionamiento para entregar información a su destino.
Por qué una red necesita identificar los dispositivos
Una red permite que diferentes dispositivos intercambien información. Pero para que esa comunicación sea útil, no basta con que los dispositivos estén conectados, también es necesario determinar quién envía la información y quién debe recibirla.
Imaginemos una oficina con varias computadoras conectadas a un switch.
Una de esas computadoras necesita enviar un archivo a otra.
Si el sistema no contara con algún mecanismo de direccionamiento, tendría dificultades para determinar cuál de los dispositivos conectados debe recibir la información. Podría transmitirla sin distinguir a los destinatarios, obligando a los equipos a procesar comunicaciones que no les corresponden.
Eso sería ineficiente y dificultaría enormemente la operación de la red.
El problema aumenta cuando comenzamos a conectar cientos o miles de dispositivos. Y se vuelve mucho mayor cuando necesitamos comunicar redes diferentes.
Para resolverlo, las redes utilizan direcciones que permiten distinguir los participantes de una comunicación y establecer hacia dónde debe enviarse la información.
Una dirección proporciona una referencia que los protocolos y los equipos de comunicaciones pueden utilizar para realizar la entrega. Pero aparece una diferencia importante.
No es exactamente lo mismo identificar una interfaz de comunicación que determinar dónde se encuentra dentro de una estructura de redes.
Esta distinción permite comprender por qué necesitamos diferentes formas de direccionamiento.
Identificar un dispositivo no es lo mismo que localizarlo
Podemos comenzar con un ejemplo cotidiano. Imaginemos que necesitamos enviar un paquete a una persona.
Podemos conocer su nombre, pero eso no necesariamente nos indica dónde debemos entregar el paquete.
Para realizar la entrega necesitamos conocer una dirección que permita localizar el destino. Además, cuando el paquete llega al edificio correcto, todavía puede ser necesario determinar a qué departamento o persona debemos entregarlo.
En las redes de computadores ocurre algo parecido.
Necesitamos mecanismos capaces de resolver diferentes preguntas.
Una pregunta es:
¿A qué interfaz de red debo entregar esta información dentro de mi enlace local?
Otra pregunta es:
¿A qué destino lógico, posiblemente ubicado en otra red, debe llegar esta información?
No son exactamente el mismo problema.
Una red local necesita mecanismos para distinguir las interfaces conectadas y entregar información entre ellas.
Por su parte, una infraestructura que conecta múltiples redes necesita direcciones que permitan reconocer destinos y tomar decisiones de encaminamiento.
Estas dos necesidades explican la existencia del direccionamiento físico y del direccionamiento lógico.
La analogía de una entrega postal nos ayuda a visualizar la diferencia, aunque no debemos interpretarla de forma literal.
Una dirección MAC no equivale exactamente al nombre de una persona ni una dirección IP representa necesariamente una ubicación geográfica.
Lo importante es comprender que ambas direcciones cumplen funciones distintas dentro del proceso de comunicación.
Qué es una dirección de red
Una dirección de red es un valor utilizado por determinados protocolos para identificar un origen, un destino o una interfaz dentro de un proceso de comunicación.
Su significado depende del nivel de la arquitectura donde se utiliza.
En algunas tecnologías, las direcciones permiten entregar información dentro de un mismo enlace o segmento de red.
En otros casos, permiten identificar destinos a través de varias redes interconectadas.
Por eso, cuando hablamos de direccionamiento, debemos preguntarnos qué tipo de dirección estamos utilizando y qué problema debe resolver.
En las redes habituales basadas en Ethernet, Wi-Fi e IP podemos distinguir dos formas fundamentales.
Direccionamiento físico
Se relaciona con las direcciones utilizadas en la capa de enlace de datos.
En Ethernet y Wi-Fi, las direcciones MAC cumplen esta función.
Permiten identificar las interfaces que participan en la entrega local de tramas.
Direccionamiento lógico
Se relaciona con las direcciones utilizadas en la capa de red.
Las direcciones IP permiten identificar interfaces y destinos dentro de una estructura lógica de redes interconectadas.
Esta organización no es casualidad. En el episodio anterior estudiamos que el Modelo OSI separa las funciones de comunicación en diferentes capas.
El direccionamiento MAC se relaciona principalmente con la capa 2, enlace de datos.
El direccionamiento IP corresponde a la capa 3, red.
Esta separación permite que ambos mecanismos colaboren sin tener que resolver exactamente los mismos problemas.
Qué es una dirección MAC
MAC significa Media Access Control, expresión que podemos traducir como control de acceso al medio.
Una dirección MAC es una dirección utilizada por tecnologías de enlace de datos, como Ethernet y Wi-Fi, para identificar interfaces de comunicación dentro de ese entorno.
En las redes Ethernet habituales, una dirección MAC tiene 48 bits. Esos bits suelen representarse mediante doce dígitos hexadecimales, organizados en seis grupos.
Por ejemplo:
02:1A:2B:3C:4D:5E
Cada grupo representa ocho bits.
Por tanto, seis grupos de ocho bits constituyen una dirección de 48 bits.
No necesitamos estudiar todavía todos los detalles de esta representación. Lo importante es comprender que se trata de un valor que puede utilizarse para distinguir interfaces dentro de una comunicación local.
La dirección MAC pertenece a una interfaz
Tradicionalmente se explica que cada tarjeta de red tiene una dirección MAC. Esa explicación es útil para comenzar, pero debemos hacer una precisión.
La dirección MAC se asocia con una interfaz de red, no necesariamente con el computador completo.
Una computadora puede disponer de una interfaz Ethernet y otra Wi-Fi. Cada una puede utilizar una dirección MAC diferente. Incluso es posible que un equipo disponga de varias interfaces Ethernet, por lo tanto, un mismo computador puede tener varias direcciones MAC.
¿La dirección MAC es permanente?
Muchas interfaces Ethernet incorporan una dirección asignada durante su fabricación. Tradicionalmente se esperaba que esas direcciones fueran únicas, siguiendo los mecanismos de asignación establecidos para los fabricantes. Sin embargo, no debemos interpretar esto como una característica absoluta.
Las direcciones MAC pueden configurarse o modificarse mediante software en determinados sistemas. Además, muchos dispositivos modernos utilizan direcciones MAC aleatorias o privadas en sus conexiones inalámbricas, especialmente para reducir las posibilidades de seguimiento del dispositivo.
Por tanto, una dirección MAC no debe considerarse un identificador permanente e inmutable de una computadora. Su función fundamental sigue siendo permitir el direccionamiento necesario para la comunicación en la capa de enlace.
El papel de las direcciones MAC dentro de una red local
Imaginemos una red formada por tres computadoras y una impresora conectadas a un switch. Cada dispositivo dispone de una interfaz de red con su correspondiente dirección MAC. Cuando una computadora necesita enviar información a la impresora, la comunicación Ethernet utiliza direcciones MAC para señalar el origen y el destino de la trama.
Una trama es una unidad de información utilizada en la capa de enlace de datos. Dentro de ella encontramos, entre otros elementos, direcciones que indican cuál es la interfaz que transmite y cuál es la destinataria dentro del enlace correspondiente. De esta manera, los equipos pueden distinguir las tramas destinadas a diferentes interfaces.
La dirección MAC permite resolver una necesidad concreta:
Entregar información al destinatario adecuado dentro del entorno local de enlace.
Sin embargo, esto no significa que una dirección MAC sea suficiente para comunicarnos con cualquier dispositivo del mundo.
El direccionamiento MAC utilizado por Ethernet no proporciona, por sí mismo, una estructura de encaminamiento global entre redes independientes. Para resolver esa necesidad debemos recurrir a otro mecanismo.
Antes de estudiarlo, conviene comprender el papel del switch.
Cómo utiliza un switch las direcciones MAC
En el episodio 4.1 conocimos los switches como dispositivos utilizados para conectar equipos dentro de una red local. Ahora podemos comprender mejor una de sus funciones.
Un switch Ethernet convencional trabaja principalmente en la capa de enlace de datos. Su función consiste en recibir tramas y dirigirlas hacia el puerto que corresponde, utilizando las direcciones MAC.
Imaginemos que tenemos cuatro computadoras conectadas al mismo switch. Cuando una computadora transmite una trama, el switch puede observar la dirección MAC de origen. Con esa información aprende por qué puerto puede alcanzar esa interfaz.
El switch mantiene una tabla que relaciona direcciones MAC con puertos.
Cuando posteriormente recibe una trama dirigida a una dirección MAC que ya conoce, consulta su tabla y la envía por el puerto correspondiente. Esto permite evitar que todas las transmisiones conocidas tengan que enviarse indiscriminadamente por todos los puertos.
¿Qué ocurre si el switch desconoce el destino?
Cuando un switch recibe una trama unicast cuyo destino todavía no aparece en su tabla, normalmente la distribuye por los demás puertos pertenecientes al mismo dominio de difusión o VLAN, excepto el puerto por el que llegó.
Este comportamiento se conoce como flooding.
Cuando aprende dónde se encuentra el destino, puede comenzar a enviar directamente las tramas correspondientes. Por tanto, el switch utiliza las direcciones MAC para realizar una entrega eficiente dentro del ámbito local. No necesita conocer el contenido de una página web ni el documento que estamos enviando. Tampoco necesita conocer necesariamente la dirección IP del destino para realizar su función básica de conmutación Ethernet.
Le basta con interpretar la información de direccionamiento de la trama.
Esto representa una aplicación práctica de la separación de responsabilidades que estudiamos en el Modelo OSI.
Qué es una dirección IP
IP significa Internet Protocol, o Protocolo de Internet.
Es uno de los protocolos fundamentales que permiten comunicar dispositivos a través de redes interconectadas.
A diferencia del direccionamiento MAC, el direccionamiento IP tiene una estructura lógica que permite reconocer destinos dentro de una organización de redes y realizar decisiones de encaminamiento.
Una dirección IP es un valor asignado a una interfaz dentro de un entorno de comunicación IP. Se utiliza para identificar el origen o el destino de los paquetes IP.
Direcciones IPv4
Una dirección IPv4 tiene 32 bits.
Normalmente se representa mediante cuatro números decimales separados por puntos. Por ejemplo:
192.168.1.10
Esta es una forma habitual de representar una dirección IPv4. Cada uno de los cuatro números representa ocho bits y puede tomar valores entre 0 y 255.
Más adelante estudiaremos con detalle cómo se construyen estas direcciones y cómo se utilizan para organizar redes.
Direcciones IPv6
También existe una versión más reciente del protocolo, denominada IPv6.
En IPv6 las direcciones tienen 128 bits y se representan mediante grupos hexadecimales. Por ejemplo:
2001:db8::10
Esta dirección pertenece a un rango reservado para ejemplos y documentación.
IPv6 permite disponer de un espacio de direcciones mucho mayor y utiliza mecanismos de funcionamiento que presentan algunas diferencias respecto de IPv4.
Por ahora, no necesitamos profundizar en esas diferencias. Lo importante es comprender que tanto IPv4 como IPv6 proporcionan direccionamiento lógico para las comunicaciones entre redes.
Por qué las direcciones IP se consideran lógicas
Una dirección IP representa una asignación dentro de una estructura de red. No depende necesariamente de una identificación grabada durante la fabricación de un dispositivo.
Imaginemos una computadora portátil que utilizamos en nuestra vivienda. Cuando se conecta a la red doméstica puede recibir una dirección como:
192.168.1.10
Después llevamos esa computadora a una oficina. Al conectarla a la red de la oficina, puede recibir una dirección diferente:
10.20.30.40
La computadora sigue siendo la misma. Su interfaz física también puede ser la misma. Pero su dirección IP cambia porque ahora participa en una estructura lógica de red diferente.
Esta es una de las características más importantes del direccionamiento IP. La dirección utilizada depende de la configuración y de la red a la que está conectada la interfaz.
Cómo se asigna una dirección IP
Las direcciones IP pueden configurarse manualmente. También pueden asignarse mediante mecanismos automáticos, como DHCP en las redes IPv4 habituales. IPv6 dispone además de mecanismos de autoconfiguración. En consecuencia, una dirección IP no tiene por qué permanecer asociada permanentemente a un dispositivo, puede cambiar al conectarse a otra red, al modificarse la configuración o al renovarse una asignación.
También es posible que una interfaz utilice varias direcciones IP simultáneamente. Por eso debemos evitar otra simplificación frecuente: pensar que cada computador tiene exactamente una dirección IP.
Diferencia entre una dirección MAC y una dirección IP
Ya podemos comparar ambos mecanismos. Aunque las dos direcciones participan en la comunicación, resuelven problemas diferentes.
| Característica | Dirección MAC | Dirección IP |
|---|---|---|
| Capa del modelo OSI | Enlace de datos, capa 2 | Red, capa 3 |
| Función principal | Identificar interfaces para la entrega local de tramas | Identificar origen y destino lógico de paquetes IP |
| Alcance habitual | Enlace o segmento local | Redes interconectadas |
| Organización | No proporciona por sí sola una jerarquía de redes para encaminamiento global | Utiliza una estructura lógica con información de red y host |
| Representación | Habitualmente 48 bits en Ethernet | 32 bits en IPv4 y 128 bits en IPv6 |
| Asignación | Puede ser de fábrica o administrada localmente | Configuración manual o automática |
| Equipos que la utilizan | Switches Ethernet | Routers y sistemas que utilizan IP |
La diferencia fundamental no consiste únicamente en la longitud de las direcciones. Tampoco se reduce a que una dirección sea física y la otra lógica. Lo verdaderamente importante es que se utilizan para tomar decisiones diferentes durante la entrega de información.
La dirección MAC interviene en la entrega de una trama dentro del enlace correspondiente.
La dirección IP permite determinar el destino lógico del paquete, incluso cuando este debe atravesar varias redes.
Ambos mecanismos se complementan.
Por qué una computadora necesita una dirección MAC y una dirección IP
Supongamos que tenemos una computadora conectada a una red Ethernet. Su interfaz tiene una dirección MAC. Al mismo tiempo, tiene una dirección IPv4 configurada.
¿Por qué necesita ambas?
Porque la comunicación debe resolver dos problemas:
Primero, debe determinar a qué destino lógico quiere enviar la información.
Después, necesita entregar esa información a través del enlace local que permitirá alcanzar ese destino o avanzar hacia él.
El direccionamiento IP participa en el primer problema.
El direccionamiento MAC participa en el segundo, cuando se utiliza una tecnología como Ethernet.
Si elimináramos el direccionamiento lógico IP, perderíamos el mecanismo que permite organizar y encaminar los paquetes entre diferentes redes IP.
Si elimináramos el mecanismo de direccionamiento utilizado por Ethernet, esa tecnología no podría distinguir de la misma forma las interfaces destinatarias de sus tramas.
Esto no significa que todas las tecnologías de comunicación utilicen direcciones MAC exactamente como Ethernet. Existen diferentes tecnologías de enlace. Pero en las redes Ethernet y Wi-Fi que encontramos habitualmente, la colaboración entre direccionamiento MAC e IP resulta fundamental.
Para comprenderlo mejor, sigamos el recorrido de una comunicación.
Cómo se comunican dos dispositivos dentro de la misma red
Imaginemos una vivienda con una computadora y una impresora conectadas a la misma red local. Tenemos la siguiente configuración de ejemplo:
| Dispositivo | Dirección IP | Dirección MAC |
|---|---|---|
| Computadora | 192.168.1.10 | 02:1A:2B:3C:4D:10 |
| Impresora | 192.168.1.20 | 02:1A:2B:3C:4D:20 |
| Router | 192.168.1.1 | 02:1A:2B:3C:4D:01 |
Para este ejemplo suponemos que la computadora y la impresora pertenecen a la misma red IP y al mismo entorno local de enlace.
La computadora necesita enviar un documento a la impresora.
Primer paso: identificar el destino lógico
La aplicación que realiza la impresión necesita comunicarse con la impresora. Para ello utiliza la dirección IP correspondiente:
192.168.1.20
Esta dirección permite identificar el destino de la comunicación IP.
Segundo paso: determinar si el destino está en la red local
La computadora utiliza su configuración de red para determinar si puede alcanzar directamente esa dirección o si necesita enviar la información a través de un router.
En nuestro ejemplo, el destino pertenece a la misma red local, por lo tanto, la computadora puede entregarle directamente la información a través del enlace.
Tercer paso: conocer la dirección MAC del destino
En una red Ethernet con IPv4, la computadora necesita conocer la dirección MAC que corresponde a la dirección IPv4 de la impresora. Para obtenerla puede utilizar un mecanismo llamado ARP, Address Resolution Protocol.
ARP permite resolver una dirección IPv4 y obtener la correspondiente dirección de enlace.
Si esa relación ya se encuentra almacenada en la computadora, puede utilizarse directamente sin realizar una nueva consulta. De lo contrario, la computadora puede emitir una solicitud ARP dentro de la red local.
La impresora responde indicando su dirección MAC.
Cuarto paso: construir la comunicación local
La computadora prepara un paquete IP cuya dirección de destino corresponde a la impresora. Ese paquete se transporta dentro de una trama Ethernet.
En esa trama aparecen las direcciones MAC de origen y destino. Así tenemos dos niveles de direccionamiento colaborando:
- El paquete IP indica a qué destino lógico se dirige la información.
- La trama Ethernet indica a qué interfaz local debe entregarse.
Quinto paso: el switch entrega la trama
Si ambos equipos están conectados mediante un switch, este utiliza la dirección MAC de destino para decidir por qué puerto debe enviar la trama.
Si conoce el puerto correspondiente, realiza la entrega por ese puerto.
Sexto paso: la impresora recibe la información
La interfaz de la impresora recibe la trama. El sistema procesa la información correspondiente y entrega el paquete IP a los niveles superiores.
Finalmente, los protocolos y servicios de impresión permiten procesar el documento.
Lo importante es observar que no hubo necesidad de utilizar un router para encaminar el paquete entre redes diferentes. La comunicación se realizó dentro de la misma red local.
La dirección IP identificó el destino lógico y la dirección MAC permitió realizar la entrega local.
Qué ocurre cuando el destino está en otra red
Ahora imaginemos una situación diferente.
Desde la misma computadora queremos comunicarnos con un servidor ubicado fuera de nuestra red. Por ejemplo, tenemos:
| Elemento | Dirección IP |
|---|---|
| Nuestra computadora | 192.168.1.10 |
| Router de la red local | 192.168.1.1 |
| Servidor de destino | 203.0.113.20 |
La dirección del servidor se utiliza aquí como ejemplo de documentación.
La computadora desea enviar información al servidor, pero ahora aparece una diferencia fundamental: el servidor no pertenece a nuestra red local, por lo tanto, no podemos entregarle directamente una trama Ethernet como hicimos con la impresora. Necesitamos utilizar un equipo capaz de comunicar redes diferentes.
Ese equipo es el router.
Primer paso: identificar el destino IP
La computadora prepara un paquete IP dirigido al servidor.
La dirección IP de destino es:
203.0.113.20
Esa dirección identifica el destino lógico de la comunicación.
Segundo paso: determinar el siguiente salto
La computadora examina su configuración y determina que el destino no se encuentra directamente en la red local, por lo tanto, necesita enviar el paquete a un router.
Normalmente, para destinos que no tienen una ruta más específica, utiliza una puerta de enlace predeterminada. En nuestro ejemplo, esa puerta de enlace es:
192.168.1.1
Tercer paso: obtener la dirección MAC del router
Para transmitir una trama Ethernet al router, la computadora necesita conocer la dirección MAC de la interfaz local de ese router. Puede obtenerla utilizando ARP, si todavía no dispone de esa información.
Aquí aparece uno de los conceptos más importantes de este episodio.
La dirección MAC de destino de la primera trama no corresponde al servidor remoto. Corresponde al router local.
¿Por qué?
Porque el router es el siguiente equipo que debe recibir la información dentro del enlace local.
Cuarto paso: enviar la información al router
La computadora envía una trama Ethernet hacia el router. En el paquete IP continúa apareciendo la dirección del servidor como destino final, sin embargo, la trama Ethernet está dirigida a la dirección MAC del router. Por tanto, tenemos dos destinos que cumplen funciones diferentes:
- Destino lógico del paquete IP: el servidor.
- Destino inmediato de la trama Ethernet: el router.
No existe una contradicción. Cada dirección está resolviendo un problema en su nivel correspondiente.
Quinto paso: el router decide cómo continuar
El router recibe la trama y procesa el paquete IP. Consulta su información de encaminamiento para determinar por dónde debe continuar el paquete hacia la red de destino.
Después lo reenvía utilizando la interfaz y la tecnología de enlace correspondientes al siguiente tramo. Si ese nuevo enlace utiliza Ethernet, se construirá una trama con las direcciones MAC apropiadas para ese enlace.
En otro tipo de enlace pueden utilizarse mecanismos de direccionamiento diferentes.
Sexto paso: el paquete atraviesa otras redes
El paquete puede pasar por varios routers antes de llegar al destino.
Cada router toma decisiones de encaminamiento utilizando información de la capa de red.
En cada tramo se utiliza el mecanismo de enlace correspondiente.
En una comunicación IP ordinaria, las direcciones IP de origen y destino se conservan conceptualmente durante el recorrido, mientras que las cabeceras de enlace se reemplazan en cada salto.
Existen mecanismos, como NAT, que pueden modificar direcciones IP durante el tránsito. Por ahora no necesitamos profundizar en ellos.
Séptimo paso: el paquete llega a la red de destino
Cuando el paquete alcanza la red donde se encuentra el servidor, se utiliza el mecanismo local correspondiente para entregarlo a su interfaz. Así se completa el recorrido desde nuestra computadora hasta el servidor.
Y todo esto ocurre gracias a la colaboración de diferentes formas de direccionamiento.
Una diferencia fundamental: destino final y siguiente salto
Los dos ejemplos anteriores nos permiten establecer una distinción importante.
Cuando dos dispositivos se encuentran en la misma red local y pueden comunicarse directamente, el siguiente salto normalmente es el propio dispositivo destinatario.
Cuando el destino está en otra red, el siguiente salto puede ser un router.
Esta diferencia explica por qué no podemos interpretar las direcciones MAC e IP como dos formas intercambiables de identificar lo mismo.
En un paquete dirigido a un servidor remoto:
- La dirección IP identifica el destino lógico final.
- La dirección MAC de destino de una trama Ethernet identifica el receptor inmediato dentro de ese enlace.
A medida que la información avanza por diferentes redes, las direcciones utilizadas en la capa de enlace pueden cambiar.
En cambio, el direccionamiento IP continúa proporcionando la referencia necesaria para encaminar el paquete hacia su destino lógico.
Este comportamiento es una consecuencia directa de la arquitectura por capas.
Cómo se relacionan las direcciones IP y MAC
Hasta ahora hemos visto que una computadora puede conocer la dirección IP de un destino, pero necesitar su dirección MAC para realizar una entrega local.
¿Cómo consigue relacionarlas?
La respuesta depende del protocolo IP utilizado.
ARP en IPv4
En redes Ethernet que utilizan IPv4, el Protocolo de Resolución de Direcciones, conocido como ARP, permite descubrir qué dirección MAC corresponde a una dirección IPv4 situada en el enlace local.
Una computadora puede mantener temporalmente una tabla con las relaciones conocidas. Por ejemplo:
| Dirección IPv4 | Dirección MAC |
|---|---|
192.168.1.20 | 02:1A:2B:3C:4D:20 |
192.168.1.1 | 02:1A:2B:3C:4D:01 |
Esta información permite evitar consultas innecesarias cada vez que se necesita transmitir.
Es importante comprender que ARP no sirve para descubrir directamente la dirección MAC de cualquier servidor remoto de Internet. Su función se limita a resolver direcciones correspondientes al entorno de enlace local, incluyendo las del router que puede actuar como siguiente salto.
Descubrimiento de vecinos en IPv6
IPv6 utiliza un mecanismo diferente denominado Neighbor Discovery, o descubrimiento de vecinos.
Entre otras funciones, permite descubrir direcciones de enlace, encontrar routers y comprobar la disponibilidad de los vecinos.
No necesitamos estudiar todavía sus mensajes ni su funcionamiento interno.
Por ahora basta con comprender que existen mecanismos específicos para relacionar el direccionamiento lógico con la entrega local.
Conocer la dirección IP no elimina la necesidad de utilizar el direccionamiento propio de la tecnología de enlace.
Diferencia entre un switch y un router
Al estudiar los dos ejemplos anteriores, también podemos comprender mejor las funciones de los equipos de comunicaciones.
El switch
Un switch Ethernet convencional permite conectar dispositivos dentro de un entorno de red local.
Utiliza direcciones MAC para decidir por dónde debe enviar las tramas.
Aprende qué direcciones MAC son accesibles a través de sus puertos y utiliza esa información para realizar la conmutación.
Su función principal no consiste en determinar la ruta global que debe seguir un paquete IP hacia otras redes.
El router
Un router conecta redes IP y toma decisiones de encaminamiento. Examina la dirección IP de destino y utiliza su tabla de rutas para decidir cómo debe continuar el paquete. Puede reenviar paquetes entre redes que utilizan distintas tecnologías de enlace.
Por tanto, mientras un switch Ethernet convencional realiza su función principal utilizando direcciones MAC, un router IP utiliza direcciones IP para tomar decisiones de encaminamiento.
Existen equipos llamados switches de capa 3 que también pueden realizar funciones de enrutamiento. Por eso, esta distinción describe las funciones fundamentales y no una limitación absoluta de todos los equipos comerciales.
Un ejemplo doméstico
En nuestras viviendas solemos utilizar un equipo al que llamamos simplemente router Wi-Fi. Sin embargo, ese dispositivo puede integrar varias funciones:
- Router.
- Switch Ethernet.
- Punto de acceso inalámbrico.
- Servidor DHCP.
- Cortafuegos.
- Funciones adicionales de administración.
Por eso es posible conectar computadoras mediante cables, utilizar Wi-Fi y acceder a Internet desde el mismo equipo.
Aunque físicamente parezca un único dispositivo, internamente puede estar realizando funciones correspondientes a diferentes capas de la arquitectura de red.
Introducción a los conceptos de red y host
Para comprender el direccionamiento IP necesitamos introducir dos términos fundamentales: red y host.
Qué es una red en el direccionamiento IP
Una red IP es una agrupación lógica definida mediante una estructura de direccionamiento.
Las direcciones IP permiten reconocer qué parte corresponde a la red y qué parte se utiliza para identificar las interfaces dentro de ella. Esta separación permite organizar las direcciones y establecer decisiones de encaminamiento.
Imaginemos una oficina donde varias computadoras utilizan direcciones como:
192.168.1.10
192.168.1.20
192.168.1.30
Estas direcciones podrían pertenecer a una misma red IP, dependiendo de la máscara o longitud de prefijo configurada. No basta con observar que varios números iniciales son iguales para determinarlo con certeza.
En el próximo episodio comenzaremos a profundizar en la estructura de las direcciones IPv4 y posteriormente estudiaremos las máscaras de red.
Qué es un host
En el contexto de las redes IP, un host es un equipo o sistema final que participa en la comunicación. Por ejemplo:
- Una computadora.
- Un servidor.
- Una impresora de red.
- Un teléfono inteligente.
- Un dispositivo industrial conectado a la red.
También utilizamos la expresión parte de host para referirnos a la porción de una dirección IP que permite distinguir interfaces dentro de una determinada red.
Es importante no confundir ambos significados.
Un host, como dispositivo, puede tener varias interfaces de red y múltiples direcciones IP.
Mientras tanto, la parte de host de una dirección tiene un significado específico dentro de la estructura de direccionamiento.
Por qué importa distinguir red y host
Porque permite organizar las comunicaciones.
Una dirección IP no debe interpretarse únicamente como un número asignado a una computadora. Forma parte de un sistema estructurado que permite distinguir redes y destinos dentro de ellas.
Los routers aprovechan esa organización para tomar decisiones de encaminamiento.
Esta es una de las grandes diferencias entre el direccionamiento IP y el direccionamiento MAC habitual: el direccionamiento IP posee una estructura jerárquica que permite agrupar destinos y establecer rutas entre redes.
Cómo colaboran las diferentes formas de direccionamiento
Podemos reunir ahora todos los conceptos estudiados.
Imaginemos que una computadora abre una página web.
La aplicación necesita comunicarse con un servidor.
El sistema obtiene la dirección IP correspondiente al destino. En muchos casos interviene previamente DNS para convertir un nombre de dominio en una dirección IP.
La computadora prepara los datos y los protocolos correspondientes construyen la información necesaria para transmitirlos.
La capa de red utiliza la dirección IP para identificar el destino lógico. Después, el sistema determina cuál debe ser el siguiente salto. Si el destino se encuentra directamente en el enlace local, puede enviar la información hacia su interfaz. Si se encuentra en otra red, normalmente necesita utilizar un router.
La capa de enlace prepara la trama correspondiente al siguiente receptor dentro del enlace.
Si se utiliza Ethernet, aparecerán las direcciones MAC necesarias.
El switch, cuando participa en la comunicación, utiliza esas direcciones para dirigir la trama local.
El router, cuando recibe un paquete que debe reenviar, examina el direccionamiento IP y decide cómo continuar.
El proceso se repite tantas veces como sea necesario hasta alcanzar la red de destino.
Finalmente, la información asciende por las capas del sistema receptor hasta llegar a la aplicación correspondiente.
Podemos resumirlo de la siguiente manera:
La dirección IP permite orientar el paquete hacia su destino lógico, mientras que el direccionamiento de enlace permite efectuar las entregas necesarias a lo largo del recorrido.
No son mecanismos independientes que compiten entre sí. Son mecanismos complementarios dentro de una arquitectura organizada.
Relación con el Modelo OSI y el encapsulamiento
En el episodio 4.3 estudiamos el Modelo de Referencia OSI. Vimos que las siete capas representan funciones diferentes dentro del proceso de comunicación.
También estudiamos que la información puede descender por las capas y recibir información adicional durante un proceso llamado encapsulamiento.
Ahora podemos aplicar esos conceptos a un ejemplo concreto.
Cuando una aplicación necesita enviar información a través de una red IP:
- Los datos se preparan mediante los protocolos correspondientes.
- La capa de red incorpora información de direccionamiento IP.
- La capa de enlace utiliza la información necesaria para transmitir sobre el enlace local.
- La capa física transmite las señales a través del medio correspondiente.
En el receptor ocurre el proceso inverso.
La capa de enlace procesa la trama y entrega el contenido correspondiente a la capa de red.
La capa de red interpreta el paquete IP.
Después, los datos continúan hacia los protocolos y aplicaciones correspondientes.
Este ejemplo demuestra por qué resulta útil estudiar las redes mediante capas.
No necesitamos que una sola función resuelva simultáneamente todos los problemas. Cada nivel cumple su responsabilidad y colabora con los demás.
La comunicación completa es el resultado de esa colaboración.
Algunas confusiones frecuentes sobre el direccionamiento
Antes de concluir, conviene aclarar algunas ideas que suelen generar confusión:
¿La dirección MAC identifica de forma única una computadora?
No necesariamente.
Identifica una interfaz dentro de los mecanismos de direccionamiento correspondientes.
Un mismo equipo puede tener varias interfaces y varias direcciones MAC.
Además, esas direcciones pueden cambiarse o utilizar valores administrados localmente.
¿La dirección IP es siempre permanente?
No.
Puede cambiar cuando un dispositivo se conecta a otra red o cuando recibe una nueva configuración.
¿La dirección IP indica dónde está físicamente una computadora?
No necesariamente.
Permite ubicarla dentro de una estructura lógica de direccionamiento y encaminamiento.
No debe confundirse con una ubicación geográfica exacta.
¿Dos computadoras de una misma red siempre necesitan un router para comunicarse?
No.
Si pertenecen al mismo enlace local y pueden comunicarse directamente, normalmente no necesitan pasar por un router para realizar el encaminamiento entre ellas.
¿Una computadora necesita conocer la dirección MAC del servidor remoto?
En una comunicación IP normal a través de routers, no.
Necesita conocer la dirección de enlace correspondiente al siguiente salto local, que normalmente será su router.
¿El switch utiliza direcciones IP?
La función tradicional de un switch Ethernet de capa 2 se basa en las direcciones MAC.
Sin embargo, existen switches que incorporan funciones de capa 3 y pueden realizar encaminamiento IP.
¿Las direcciones MAC se utilizan para encaminar paquetes por todo Internet?
No.
Las direcciones MAC de Ethernet se utilizan para la entrega en sus correspondientes enlaces o segmentos.
El encaminamiento entre redes IP se realiza mediante el direccionamiento IP.
Ideas clave del episodio
- Toda comunicación en red necesita mecanismos para identificar origen y destino.
- Identificar una interfaz y determinar su ubicación lógica dentro de una red son problemas diferentes.
- Las redes utilizan diferentes formas de direccionamiento.
- En Ethernet y Wi-Fi, las direcciones MAC cumplen funciones de direccionamiento en la capa de enlace.
- Las direcciones MAC Ethernet habituales tienen 48 bits.
- Una dirección MAC se asocia con una interfaz, no necesariamente con una computadora completa.
- Una computadora puede tener varias direcciones MAC.
- Las direcciones MAC no siempre son permanentes ni inmutables.
- Los switches Ethernet convencionales utilizan direcciones MAC para dirigir las tramas.
- El protocolo IP proporciona direccionamiento lógico.
- Las direcciones IPv4 tienen 32 bits.
- Las direcciones IPv6 tienen 128 bits.
- Las direcciones IP pueden cambiar según la configuración de red.
- Una interfaz puede utilizar varias direcciones IP.
- Las direcciones IP permiten organizar destinos dentro de redes interconectadas.
- Una comunicación dentro del mismo enlace local puede entregarse directamente.
- Cuando el destino está en otra red, normalmente interviene un router.
- Los routers utilizan información de direccionamiento IP para tomar decisiones de encaminamiento.
- La dirección IP del destino final y la dirección MAC del siguiente salto pueden corresponder a equipos diferentes.
- En IPv4, ARP permite relacionar direcciones IPv4 con direcciones de enlace local.
- IPv6 utiliza mecanismos de descubrimiento de vecinos.
- Las direcciones IP contienen una estructura lógica que permite distinguir información de red y de host.
- El direccionamiento MAC y el direccionamiento IP pertenecen a niveles distintos de la arquitectura de comunicaciones.
- Ambos mecanismos colaboran para hacer posible la entrega de información.
- El proceso de direccionamiento es una aplicación práctica de los conceptos de capas y encapsulamiento estudiados en el Modelo OSI.
Conceptos clave
- Dirección de red.
- Direccionamiento.
- Identificación.
- Direccionamiento físico.
- Direccionamiento lógico.
- Dirección MAC.
- Media Access Control.
- Interfaz de red.
- Dirección Ethernet.
- Capa de enlace de datos.
- Capa de red.
- Trama.
- Switch.
- Conmutación.
- Tabla de direcciones MAC.
- Dirección IP.
- Internet Protocol.
- IPv4.
- IPv6.
- Paquete IP.
- Red IP.
- Host.
- Parte de red.
- Parte de host.
- Router.
- Encaminamiento.
- Ruta.
- Siguiente salto.
- Puerta de enlace predeterminada.
- ARP.
- Address Resolution Protocol.
- Neighbor Discovery.
- DHCP.
- Encapsulamiento.
- Desencapsulamiento.
Cómo se conecta este episodio con el resto del curso
En los primeros episodios del Tema 4 estudiamos los fundamentos necesarios para comprender la comunicación en redes. Comenzamos analizando por qué necesitamos redes de computadores y cuáles son sus componentes. Después estudiamos que la comunicación requiere protocolos y que sus funciones se organizan mediante una arquitectura por capas. Posteriormente conocimos el Modelo de Referencia OSI y comprendimos cómo diferentes niveles colaboran para transportar información.
En este episodio avanzamos hacia uno de los problemas fundamentales de esa arquitectura: el direccionamiento.
Estudiamos que una red necesita identificar las interfaces y los destinos de las comunicaciones. También comprendimos que existen diferentes mecanismos de direccionamiento porque no todos los niveles de la arquitectura resuelven los mismos problemas.
Las direcciones MAC permiten realizar funciones de identificación y entrega dentro del entorno local de enlace.
Las direcciones IP proporcionan un mecanismo de direccionamiento lógico que permite organizar y encaminar paquetes entre redes.
Vimos que ambos mecanismos colaboran cuando una computadora necesita comunicarse con otro dispositivo.
También estudiamos que los switches y routers realizan funciones diferentes dentro de ese proceso.
Finalmente, introdujimos los conceptos de red y host, que serán fundamentales para comprender la estructura del direccionamiento IP.
Ya sabemos por qué necesitamos direcciones diferentes y cómo colaboran para entregar información.
El siguiente paso consiste en estudiar con mayor detalle cómo se construyen y organizan las direcciones IPv4. En el episodio 4.5 comenzaremos a analizar su estructura, su representación y los fundamentos necesarios para comprender cómo se organizan las direcciones dentro de las redes. Posteriormente estudiaremos las máscaras de red y la subdivisión de redes mediante subnetting.
De esta manera avanzaremos desde los fundamentos de la comunicación hacia los mecanismos que permiten diseñar, organizar y administrar redes de computadores.
| Episodio 4.3 – El modelo OSI y sus siete capas | Episodio 4.5 – Cómo funciona una dirección IPv4 (Próximamente) |
