La lliçó anterior va acabar amb una frontera: quan el PC de la Marta envia dades a Bilbao, la seva trama Ethernet mor al router de València, perquè les adreces MAC i els protocols d'enllaç no surten del segment local. A partir d'aquí pren el relleu la família que estudiem avui: els protocols de xarxa, la missió dels quals és portar paquets entre xarxes diferents, triar el camí i avisar quan alguna cosa va malament. El protagonista absolut és IP (Internet Protocol), el protocol que dona nom a Internet i sense el qual no existiria; l'acompanya ICMP, el seu servei de missatgeria d'errors i diagnòstic (el que hi ha darrere del ping que ja vam fer servir al mòdul 1). En aquesta lliçó obrirem el paquet IP per veure'n la sintaxi, entendrem per fi amb rigor què és una adreça IP (la seva part de xarxa i la seva part de host), descobrirem com decideix el camí un router amb la seva taula de rutes, i seguirem un paquet de Meridiano en el seu viatge complet de València a Bilbao per la VPN.

1. La missió dels protocols de xarxa: unir xarxes
2. IP: el protocol que mou Internet
3. El paquet IP per dins
4. Adreces IP amb rigor: part de xarxa i part de host
5. Encaminament: com decideix el camí un router
6. La porta d'enllaç predeterminada
7. ICMP: els missatges de servei de la xarxa
8. Cas guiat: un paquet de València a Bilbao per la VPN

Internet no és «una xarxa»: és una xarxa de xarxes — milions de xarxes locals com les de València i Bilbao, interconnectades. Els protocols de xarxa existeixen perquè un paquet pugui néixer en qualsevol d'elles i morir en qualsevol altra, creuant pel camí xarxes intermèdies que no coneixen ni l'emissor ni el receptor.

Per fer-ho resolen tres problemes que l'enllaç de dades no pot resoldre:

• Adreçament universal: cal una adreça lògica i jeràrquica (l'adreça IP) que digui a quina xarxa és un equip, no només qui és. La MAC identifica la targeta, però no diu res d'on és: és com el DNI d'una persona davant de la seva adreça postal.
• Encaminament (routing): a cada cruïlla del camí, algú (un router) ha de decidir per on reenviar el paquet per acostar-lo a la seva destinació.
• Notificació de problemes: si un paquet no es pot lliurar, la xarxa ha de poder avisar l'emissor (feina d'ICMP).

Reprenent el símil postal: l'enllaç de dades era el repartiment dins del barri; els protocols de xarxa són el sistema postal entre ciutats: classifiquen per codi postal (la part de xarxa de la IP), encaminen d'oficina en oficina (de router en router) i tornen la carta amb un segell de «destinatari desconegut» quan pertoca (ICMP).

IP (Internet Protocol) és el protocol de xarxa universal: tot el que viatja per Internet —i per les LAN de Meridiano— viatja dins de paquets IP. La seva versió dominant continua sent IPv4 (adreces de 32 bits, les 192.168.x.x que venim fent servir); la seva successora, IPv6, la presentarem a la lliçó 05-04. Aquí treballarem amb IPv4.

Dues decisions de disseny defineixen el caràcter d'IP, i convé entendre-les perquè expliquen la resta de la pila:

• IP és no orientat a connexió: cada paquet viatja pel seu compte, amb les seves adreces completes, sense que existeixi cap «trucada establerta» prèvia. Dos paquets del mateix fitxer poden fins i tot seguir camins diferents i arribar desordenats.
• IP és de «millor esforç» (best effort): fa tot el possible per lliurar cada paquet, però no garanteix res: ni el lliurament, ni l'ordre, ni que no hi hagi duplicats. Si un router es congestiona, descarta paquets sense demanar perdó.

Un protocol que pot perdre dades, a la base de tot Internet? Sí, i és una genialitat: mantenir garanties a cada cruïlla de la xarxa seria caríssim i lent. IP es manté simple i veloç, i les garanties s'afegeixen només on calen i només als extrems, que és exactament la feina de TCP (lliçó 02-04). Cada família, a la seva.

Com vam fer amb la trama Ethernet, disseccionem la sintaxi del paquet IP (simplificada als seus camps essencials):

Tres camps mereixen un comentari detallat:

• La IP d'origen i la IP de destinació viatgen d'extrem a extrem sense canviar (deixem de banda NAT, que veurem a la lliçó 05-03). Compara-ho amb les MAC de la trama, que canvien a cada salt: és la diferència clau entre les dues famílies.
• Protocol és l'equivalent al camp «Tipus» d'Ethernet, un nivell més amunt: diu al receptor a qui ha de lliurar les dades en desencapsular (TCP, UDP, ICMP...). L'encapsulació de la lliçó 02-01 va encaixant peça a peça.
• TTL (Time To Live) és una assegurança contra paquets zombis: surt de l'emissor amb un valor (típicament 64 o 128) i cada router que el reenvia el redueix en 1. Si arriba a 0, el router de torn el descarta i avisa l'emissor amb un missatge ICMP. Sense TTL, un error de configuració que creés un bucle entre routers ompliria la xarxa de paquets girant per sempre.

Al mòdul 1 vam presentar l'adreça IP com «el número que identifica un equip a la xarxa». És hora d'afinar: una adreça IPv4 són 32 bits que s'escriuen com quatre números de 0 a 255 separats per punts (192.168.10.21), i que internament es divideixen en dues parts:

• La part de xarxa: els bits de l'esquerra, comuns a tots els equips de la mateixa xarxa. És el «codi postal».
• La part de host: els bits de la dreta, que distingeixen cada equip dins d'aquella xarxa. És el «número de portal».

On acaba una part i comença l'altra? Ho indica la màscara de subxarxa que acompanya tota IP. De moment en tenim prou amb la seva forma més comuna en pimes, 255.255.255.0 (també escrita /24): significa que els tres primers números són la xarxa i el quart és el host. L'estudi en profunditat de les màscares i el subnetting arribarà a la lliçó 05-02; amb el /24 en tenim de sobres per a tot aquest mòdul.

Així queda l'adreçament de Grupo Meridiano:

La conseqüència operativa és immediata, i és la decisió que tot host pren abans d'enviar qualsevol paquet:

Aquesta simple comparació és la frontissa entre les lliçons 02-02 i 02-03: dins de la xarxa mana l'enllaç de dades; fora, comença l'encaminament.

Un router és un equip amb almenys dues interfícies de xarxa, cadascuna en una xarxa diferent, la feina del qual és reenviar paquets de l'una a l'altra acostant-los a la seva destinació. Per decidir per on, consulta la seva taula de rutes: una llista de regles «per arribar a tal xarxa, surt per aquí».

Aquesta és la taula de rutes (simplificada) del router de València, que té tres interfícies: la LAN de l'oficina, la connexió a Internet i el túnel VPN amb Bilbao:

Com es llegeix, fila a fila:

• 192.168.10.0/24 → connectada: «la xarxa de València la tinc endollada directament; a aquests equips els lliuro jo mateix la trama» (fent servir ARP, com qualsevol host).
• 192.168.20.0/24 → túnel VPN: «tot el que vagi a Bilbao, pel túnel». Aquesta ruta és la materialització de l'enllaç lògic punt a punt que vam dibuixar a la topologia del mòdul 1: per a la taula de rutes, la VPN és simplement una interfície més per la qual s'arriba a la xarxa 192.168.20.
• 0.0.0.0/0.0.0.0 → router de l'ISP: la ruta per defecte, que significa «qualsevol altra xarxa»: tot el que no encaixi a les files anteriors surt cap a Internet. Sense ella, el router només coneixeria les seves dues xarxes i descartaria la resta.

L'algorisme del router per a cada paquet que li arriba és sempre el mateix:

1. Llegeix la IP de destinació del paquet.
2. Busca a la taula la fila més específica que la contingui (la ruta per defecte només guanya si cap altra no encaixa).
3. Reenvia el paquet per la interfície indicada, restant 1 al TTL.
4. Si cap fila no encaixa i no hi ha ruta per defecte, descarta el paquet i ho notifica per ICMP.

En una pime com Meridiano les rutes s'escriuen a mà (encaminament estàtic): són tres files i no canvien mai. En xarxes grans i a Internet, els routers s'intercanvien rutes automàticament mitjançant protocols d'encaminament dinàmic (OSPF, BGP...), que queden fora de l'abast d'aquest curs introductori; en tenim prou de saber que existeixen i que fan a escala planetària el que aquí fem amb tres línies.

Els hosts també tenen la seva miniatura de taula de rutes, reduïda gairebé sempre a una sola decisió: la porta d'enllaç predeterminada (default gateway) és la IP del router al qual l'equip lliura tot el trànsit destinat fora de la seva xarxa local. És la dada que, juntament amb la IP i la màscara, completa la configuració mínima de xarxa de qualsevol equip:

Els tres valors expliquen la història completa: «soc el host .21 de la xarxa 192.168.10.0/24, i tot el que no sigui per a la meva xarxa ho dono a 192.168.10.1». Un equip amb IP i màscara correctes però sense porta d'enllaç funciona perfectament a la seva LAN... i està cec per a tota la resta: ni Bilbao, ni Internet. És una de les avaries «misterioses» més freqüents en suport.

IP necessita un company per avisar dels problemes: ICMP (Internet Control Message Protocol). No transporta dades d'aplicacions; transporta missatges de control i d'error entre equips i routers. És el protocol que treballa quan la xarxa et diu alguna cosa sobre si mateixa. Els seus missatges més importants:

El ping que vam conèixer al mòdul 1 és, per dins, pura missatgeria ICMP: envia echo requests i cronometra els echo replies. Des del PC de la Marta cap a la impressora de Bilbao:

Ara podem llegir aquesta sortida amb ulls nous:

• tiempo=38ms: la latència d'anada i tornada fins a Bilbao (compara-la amb el <1 ms típic dins de la LAN: el túnel VPN per Internet es nota).
• TTL=62: la impressora ha respost amb TTL inicial 64, i el paquet de tornada ha travessat 2 routers (64 − 62): el de Bilbao i el de València. El TTL d'un ping és una pista gratuïta de quants salts hi ha fins a la destinació.
• Si en lloc de respostes hi veiéssim Tiempo de espera agotado (res no ha contestat) o Host de destino inaccesible (un ICMP destination unreachable), ja sabríem distingir entre «el paquet es perd en silenci» i «algú m'avisa activament que no hi ha camí»: dues avaries diferents. La metodologia completa de diagnòstic arribarà al mòdul 6.

Ajuntem totes les peces del mòdul fins ara. La Marta (192.168.10.21) envia un document a la impressora de Bilbao (192.168.20.40). Viatge complet d'un paquet:

1. Decisió al PC de la Marta: compara 192.168.20.40 amb la seva xarxa 192.168.10.0/24 → part de xarxa diferent → destinació remota → cal lliurar-ho a la porta d'enllaç, 192.168.10.1.
2. Enllaç local a València: el PC resol per ARP la MAC del router (no la de la impressora: ARP no creua xarxes) i construeix la trama: MAC destinació = router de València, contenint el paquet IP origen 192.168.10.21 → IP destinació 192.168.20.40. El switch de València la lliura al router pel seu port 1.
3. Decisió al router de València: desencapsula la trama, llegeix la IP de destinació, consulta la seva taula: 192.168.20.0/24 → túnel VPN. Resta 1 al TTL i reenvia el paquet pel túnel. (Per dins, la VPN xifra el paquet i l'envia per Internet fins a Bilbao, però per al nostre paquet el túnel és un simple enllaç punt a punt, tal com el vam dibuixar a la topologia lògica del mòdul 1.)
4. Decisió al router de Bilbao: rep el paquet pel túnel, llegeix la IP de destinació, consulta la seva taula: 192.168.20.0/24 → connectada. Resta 1 al TTL, resol per ARP la MAC de la impressora i construeix una trama nova per al segment de Bilbao.
5. Lliurament final: el switch de Bilbao lliura la trama a la impressora, que desencapsula i passa les dades al protocol superior (camp Protocol de la capçalera IP).

L'observació que ho resumeix tot: les adreces IP (origen i destinació) no han canviat en tot el viatge; les trames i les MAC s'han creat i destruït a cada tram. IP és el viatge complet; l'enllaç de dades, cada etapa.

• Dir que «el switch enruta» o que «el router és a la meva xarxa... i ja està». Vocabulari precís: el switch commuta trames dins d'una xarxa fent servir MAC; el router encamina paquets entre xarxes fent servir IP. Són operacions diferents sobre unitats de dades diferents.
• Oblidar (o teclejar malament) la porta d'enllaç. Símptoma inconfusible: l'equip veu els seus veïns de LAN però no surt a altres xarxes. Abans de sospitar de la VPN o de l'ISP, un ipconfig/ip addr confirma les tres dades bàsiques en segons.
• Esperar que IP garanteixi el lliurament. IP és best effort per disseny: pot descartar, duplicar i desordenar. Si la teva aplicació necessita fiabilitat, l'hi donarà TCP (propera lliçó), no IP. No és un defecte: és el repartiment de feina de la pila.
• Interpretar malament un ping fallit. Que un equip no respongui a ping no sempre vol dir que estigui caigut: molts tallafocs descarten ICMP deliberadament. El ping que sí que respon és informació fiable; el que no respon, només un indici.
• Consell: acostuma't a mirar el TTL de les respostes de ping. Valors propers a 64 o 128 menys uns pocs salts et diuen «a prop»; valors molt rebaixats, «lluny». És diagnòstic gratuït a cada ping que llancis.

Exercici 1. Classifica aquests enviaments des del portàtil d'en Jon a Bilbao (192.168.20.12/24, porta d'enllaç 192.168.20.1) com a local (lliurament directe via ARP) o remot (lliurament al router), i justifica-ho amb la part de xarxa: a) 192.168.20.40 (impressora de Bilbao); b) 192.168.10.10 (servidor de fitxers de València); c) 203.0.113.80 (servidor web a Internet); d) 192.168.20.1 (el mateix router).

Exercici 2. Escriu la taula de rutes del router de Bilbao (interfícies: LAN Bilbao, túnel VPN a València, sortida a Internet), seguint el format de la taula del router de València d'aquesta lliçó. Quina fila faria servir per a un paquet adreçat a 192.168.10.10? I per a un adreçat a 198.51.100.7?

Exercici 3. Des del PC de la Marta, ping 192.168.20.40 retorna respostes amb TTL=62, i ping 192.168.10.10 (servidor de fitxers) retorna TTL=64. Totes dues destinacions arrenquen amb TTL inicial 64. Quants routers travessa cada resposta i per què encaixa amb la topologia de Meridiano?

Solució 1:

• a) Local: 192.168.20.40 comparteix part de xarxa (192.168.20) amb en Jon → ARP i lliurament directe pel switch de Bilbao.
• b) Remot: part de xarxa 192.168.10 ≠ 192.168.20 → es lliura al router de Bilbao, que l'enviarà per la VPN.
• c) Remot: 203.0.113.80 no pertany a 192.168.20.0/24 → al router, que el traurà per la ruta per defecte cap a Internet.
• d) Local: el router és un veí més de la LAN (192.168.20.1 és a 192.168.20) → ARP i lliurament directe. Que a més sigui la porta d'enllaç no canvia com se li parla quan ell mateix és la destinació.

Solució 2:

• Paquet a 192.168.10.10: encaixa a la fila 192.168.10.0/24 → surt pel túnel VPN cap a València.
• Paquet a 198.51.100.7: no encaixa en cap xarxa coneguda → ruta per defecte, surt cap a Internet pel router de l'ISP.

Solució 3: La resposta de la impressora de Bilbao arriba amb TTL 62 = 64 − 2: ha travessat 2 routers (Bilbao i València), exactament els dos extrems del túnel VPN de la topologia. La del servidor de fitxers arriba amb TTL 64 = 64 − 0: cap router pel mig, perquè el servidor és a la mateixa xarxa local que la Marta i el lliurament és directe pel switch (només enllaç de dades, com vam veure a 02-02). Els TTL confirmen el plànol de xarxa del mòdul 1.

Amb aquesta lliçó els paquets de Meridiano ja creuen fronteres. Hem vist que els protocols de xarxa converteixen moltes xarxes en una de sola: IP aporta l'adreçament universal —adreces de 32 bits amb la seva part de xarxa i la seva part de host, que permeten a cada equip decidir si una destinació és local o remota— i un servei de paquets deliberadament simple, no orientat a connexió i de millor esforç, amb camps tan eloqüents com el TTL. Els routers encadenen el viatge consultant la seva taula de rutes (xarxes connectades, la ruta a Bilbao per la VPN, la ruta per defecte cap a Internet), els hosts deleguen en la seva porta d'enllaç predeterminada, i ICMP posa la veu de la xarxa: els echo de ping, els avisos de destinació inaccessible i de TTL esgotat. I hem confirmat la gran divisió de feina: les IP viatgen d'extrem a extrem, les trames viuen i moren a cada tram. Però fixa't que tot el que hem dit avui lliura paquets a una màquina, no a un programa: al servidor de València hi conviuen els fitxers compartits, potser una web interna i altres serveis, i algú ha de portar cada dada a l'aplicació correcta, garantint a més —quan importa— que no hi falti ni hi sobri res. Aquest és el terreny dels ports, de TCP i d'UDP: els Protocols de Transport de la propera lliçó.