block-beta
columns 1
A["<b>Capa de Aplicación</b><br/><br/>HTTP, HTTPS, FTP, SMTP<br/>DNS, DHCP, Telnet, SSH"]
B["<b>Capa de Transporte</b><br/><br/>TCP, UDP<br/>Control de flujo y errores"]
C["<b>Capa de Internet</b><br/><br/>IP, ICMP, ARP<br/>Enrutamiento, Direccionamiento"]
D["<b>Capa de Acceso a la Red</b><br/><br/>Ethernet, WiFi, PPP<br/>Frames, MAC Address<br/>Control de acceso al medio"]
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class C highlight
class A,B,D normal
Capa de Red
Juegos en Red - Grado en Diseño y Desarrollo de Videojuegos
2026-09-09
Introducción
¿Qué es la Capa de Red?
La Capa de Red es el segundo nivel del modelo TCP/IP (capa 3 en el modelo OSI) y forma el núcleo del sistema de comunicaciones de Internet
Función principal:
- Proporcionar comunicación end-to-end entre dispositivos
- Potencialmente separados por múltiples redes intermedias
- Independiente de la tecnología subyacente
Importante
La comunicación funciona de igual forma independientemente del medio físico utilizado
Ejemplo Simplificado: Host A → Servidor Google
Red A (Privada) Internet Red B (Google DC)
192.168.1.0/24 142.250.184.0/24
┌────────────┐ ┌────────────────┐ ┌──────────┐ ┌─────────────────┐ ┌──────────────┐
│ Host A │─────│ Router-A │───│ │───│ Router-B │──────│ Servidor Web │
│ │ │ (Casa) │ │ Internet │ │ (Google DC) │ │ (Google) │
│192.168.1.10│ │LAN:192.168.1.1 │ │ │ │WAN:74.125.24.1 │ │ │
│ │ │WAN:203.0.113.2 │ └──────────┘ │LAN:142.250.184.1│ │142.250.184.3 │
└────────────┘ └────────────────┘ └─────────────────┘ └──────────────┘sequenceDiagram
participant A as Dispositivo A<br/>(192.168.1.10)
participant RA as Router-A<br/>(Casa)<br/>192.168.1.1
participant RB as Router-B<br/>(Google DC)<br/>142.250.184.1
participant B as Servidor Web<br/>(142.250.184.3)
Note over A: 1) Analiza IP destino<br/>2) No está en mi red<br/>3) Enviar al gateway
A->>RA: Trama Ethernet<br/>MAC: A → Router-A<br/>IP: 192.168.1.10 → 142.250.184.3
Note over RA: 1) Extrae datagrama IP<br/>2) Consulta tabla enrutamiento<br/>3) Envía al siguiente salto
RA->>RB: Nueva trama<br/>(múltiples saltos)
Note over RB: IP destino en red local
RB->>B: Trama final
Note over B: Entrega a capa superior
Funciones Fundamentales
Enrutamiento vs Reenvío
Enrutamiento
Proceso global que determina rutas óptimas
- Considera toda la topología de red
- Tiempo: segundos a minutos
- Algoritmos: RIP, OSPF, BGP
- Genera tabla de enrutamiento completa
Reenvío
Proceso local de mover paquetes
- Puerto entrada → puerto salida
- Tiempo: microsegundos
- Implementado en hardware
- Usa tabla de reenvío optimizada
Tip
Los algoritmos de enrutamiento generan la tabla de enrutamiento → se traduce en tabla de reenvío con next-hop
Responsabilidades por Dispositivo
Host Emisor
- Recibe segmentos de TCP/UDP
- Encapsula en datagramas IP
- Fragmenta si excede MTU
- Determina si destino es local o remoto
Host Receptor
- Reensambla fragmentos
- Verifica integridad (checksum)
- Extrae segmentos
- Entrega a capa de transporte
Routers Intermedios
- Examinan cabecera IP (dirección destino)
- Consultan tabla de enrutamiento
- Determinan siguiente salto
- Reenvían por interfaz correspondiente
Modelos de Servicio
Redes de Circuitos Virtuales
Funcionamiento en 3 fases:
- Establecimiento: SETUP, reserva recursos
- Transferencia: Usa VC ID, ruta fija
- Terminación: TEARDOWN, libera recursos
Ventajas:
- QoS predecible
- Overhead reducido (solo VC ID)
- Orden garantizado
Desventajas:
- Complejidad alta
- Mantiene estado por conexión
- Rigidez ante cambios
Tecnologías: ATM, Frame Relay, X.25, MPLS
Redes de Datagramas
Características:
- Cada paquete tratado independientemente
- Sin estado de conexión en routers
- Dirección destino completa en cada paquete
- Diferentes rutas posibles por paquete
Ventajas:
- Simplicidad de diseño
- Robustez ante fallos
- Flexibilidad y balanceo de carga
- Escalabilidad superior
Limitaciones:
- Sin garantías QoS
- Posible desorden de paquetes
- Servicio best-effort
Importante
Fundamento de Internet por su adaptabilidad a condiciones cambiantes
Circuitos Virtuales vs Datagramas
| Aspecto | Circuitos Virtuales | Datagramas |
|---|---|---|
| Establecimiento | Requerido | No requerido |
| Estado en routers | Sí, por conexión | No |
| Direccionamiento | VC ID | IP completa |
| Enrutamiento | Ruta fija | Por paquete |
| QoS | Garantías posibles | Best effort |
| Recuperación fallos | Difícil | Automática |
| Escalabilidad | Limitada | Alta |
Internet usa el modelo de datagramas por su simplicidad, robustez y escalabilidad
Dispositivos de Capa de Red
Arquitectura del Router
┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐
│ │ │ │ │ │
│ Puertos de │ │ Procesador │ │ Puertos de │
│ Entrada │◄──►│ de │◄──►│ Salida │
│ │ │ Enrutamiento │ │ │
└─────────────────┘ └─────────────────┘ └─────────────────┘
▲ │ ▲
│ ┌─────────▼─────────┐ │
│ │ │ │
└──────────────│ Fabric de │──────────────┘
│ Conmutación │
│ │
└───────────────────┘Plano de Control:
- Ejecuta enrutamiento (software)
- Genera tablas de enrutamiento
Plano de Datos:
- Ejecuta reenvío (hardware)
- Puertos entrada/salida + fabric
Proceso de Reenvío de Paquetes
Recepción: Llega paquete, se procesa capa enlace, se extrae datagrama IP
Verificación: Checksum de cabecera, TTL > 0
Decisión: Extrae IP destino, aplica longest prefix matching
Modificación: Decrementa TTL, recalcula checksum
Resolución: ARP si necesario para MAC siguiente salto
Encapsulación: Nueva trama según protocolo salida
Transmisión: Envío por interfaz física
Advertencia
Si TTL llega a 0 → descarta paquete y envía ICMP “Time Exceeded”
Switches Layer 3
Un switch Ethernet (L3) que combina switching de alta velocidad por hardware (ASICs) con capacidades básicas de enrutamiento IP para redes LAN.
| Aspecto | Router Tradicional | Switch L3 |
|---|---|---|
| Reenvío | Software/ASIC | Hardware puro |
| Latencia | Microsegundos | Nanosegundos |
| Throughput | Limitado por CPU | Wire-speed |
| Flexibilidad | Alta | Limitada |
Los switches L3 combinan la velocidad del switching con las capacidades del routing. Útiles en redes locales.
Protocolo
Protocolo IP
Características fundamentales:
- Sin conexión: No requiere establecimiento previo
- No confiable: No garantiza entrega, orden, o integridad
- Best effort: Hace el “mejor esfuerzo” por entregar paquetes
- Independiente del medio: Funciona sobre cualquier tecnología de enlace
Responsabilidades principales:
- Define estructura de datagramas
- Establece sistema de direccionamiento
- Mecanismos básicos de entrega
- Fragmentación y reensamblado
- Control de vida del paquete (TTL)
Importante
IP NO garantiza: Entrega, orden entre datagramas diferentes, ni detección de duplicados. Estas funciones se delegan a capas superiores (TCP).
Versiones: IPv4 (32 bits, diseñado años 70) e IPv6 (128 bits, soluciona limitaciones IPv4)
IPv4: Estructura Básica
---
config:
packet:
showBits: true
---
packet-beta
title IPv4 Header Format
0-3: "Version (4)"
4-7: "IHL (4)"
8-15: "Type of Service (8)"
16-31: "Total Length (16)"
32-47: "Identification (16)"
48-50: "Flags (3)"
51-63: "Fragment Offset (13)"
64-71: "Time to Live (8)"
72-79: "Protocol (8)"
80-95: "Header Checksum (16)"
96-127: "Source Address (32)"
128-159: "Destination Address (32)"
160-191: "Options (variable)"
- Source address y Destination address para identificación de hosts
- Protocol para identificar el protocolo de la capa superior
- Checksum para integridad de la cabecera (no cubre los datos).
IPv4: Direccionamiento
Formato: 32 bits (4 octetos)
Ejemplo: 192.168.1.1 con máscara 255.255.255.0 (/24)
- Parte azul: Red
- Parte roja: Host
- Total direcciones: 2³² ≈ 4.3 mil millones
Obtención dirección de red:
192.168.1.1 AND 255.255.255.0 = 192.168.1.0Tip
La división red/host permite enrutamiento jerárquico eficiente
Sistema de Clases (Histórico)
| Clase | Rango | Bits Red | Bits Host | Redes | Hosts/Red | Uso |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 0.0.0.0 - 127.255.255.255 | 7 | 24 | 126 | 16,777,214 | ISPs, gobiernos |
| B | 128.0.0.0 - 191.255.255.255 | 14 | 16 | 16,384 | 65,534 | Universidades |
| C | 192.0.0.0 - 223.255.255.255 | 21 | 8 | 2,097,152 | 254 | Empresas pequeñas |
Advertencia
Problema: Organización con 1,000 hosts
- Clase B: desperdicia 64,534 direcciones (98.5%)
- Clase C: insuficiente
CIDR: Solución Moderna
Classless Inter-Domain Routing
Notación: 192.168.1.0/24 → 24 bits para red
Ventajas:
- Asignación flexible (cualquier potencia de 2)
- Utilización: 20-30% → 95-98%
- Agregación de rutas eficiente
Longest Prefix Matching
Seleccionamos en nuestra tabla de rutas aquella con la coincidencia más larga.
Tabla con rutas:
- 192.168.0.0/16
- 192.168.1.0/24 ← Seleccionada
- 192.168.1.128/25
Destino 192.168.1.100 → Selecciona /24 (prefijo más largo que coincide)
Direcciones Especiales
Direcciones Reservadas
| Dirección | Propósito | Descripción |
|---|---|---|
| 0.0.0.0/32 | Este host | Sin IP configurada (DHCP) |
| 127.0.0.0/8 | Loopback | Pruebas locales (127.0.0.1) |
| 255.255.255.255/32 | Limited broadcast | Solo red local |
| x.x.x.0 | Dirección de red | Identifica la red |
| x.x.x.255 | Directed broadcast | Broadcast a red específica |
Rangos Privados (RFC 1918)
- 10.0.0.0/8 → 16.7 millones hosts (grandes organizaciones)
- 172.16.0.0/12 → 1 millón hosts (empresas medianas)
- 192.168.0.0/16 → 65,000 hosts (hogares/oficinas)
No enrutables en Internet público → Requieren NAT
Direcciones Especiales (Práctica)
- Broadcast: Cuando queremos enviar un paquete a todos los dispositivos de la red local. Ejemplo: 192.168.1.255 (para red 192.168.1.0/24)
- Gateway: Dirección del router que conecta nuestra red local con otras redes/Internet. Ejemplo: 192.168.1.1 (típicamente la primera IP utilizable de la red)
Fragmentación
MTU (Maximum Transmission Unit)
| Tecnología | MTU (bytes) |
|---|---|
| Ethernet | 1500 |
| Token Ring | 4464 |
| FDDI | 4352 |
| PPP | Variable (~1500) |
Proceso:
- Si datagrama > MTU → fragmentar
- Enviar fragmentos por separado
- Reensamblar en destino
- IP preserva integridad del datagrama original
Importante
IP garantiza orden dentro del datagrama, NO entre datagramas diferentes
IPv6: La Evolución
Motivación
Limitaciones IPv4:
- Agotamiento de direcciones (4.3×10^{9})
- Fragmentación ineficiente en routers
- Sin autoconfiguración
- Seguridad opcional (IPSec)
- QoS limitado
Características IPv6
- Direcciones: 128 bits (3.4×10^{38} direcciones)
- Cabecera: Fija 40 bytes
- Sin checksum en cabecera
- IPSec recomendado (ya no obligatorio, RFC 8504)
- Autoconfiguración SLAAC
- Mejor QoS (Traffic Class, Flow Label)
Cabecera IPv6
---
config:
packet:
showBits: true
---
packet-beta
0-3: "Version (4)"
4-11: "Traffic Class (8)"
12-31: "Flow Label (20)"
32-47: "Payload Length (16)"
48-55: "Next Header (8)"
56-63: "Hop Limit (8)"
64-191: "Source Address (128 bits)"
192-319: "Destination Address (128 bits)"
- Migración gradual IPv4 → IPv6 mediante mecanismos de interoperabilidad
- Las direcciones IP ahora ocupan el doble de tamaño
- Se elimina el checksum
- El siguiente protocolo es ahora “Next Header”
Protocolos Complementarios
ICMP: Control y Diagnóstico
Internet Control Message Protocol
Características:
- Complementario a IP
- Usa IP para transporte
- No orientado a conexión
- Implementación obligatoria (en IPv6)
Tipos de Mensajes
Mensajes de Error:
- Destination Unreachable (Type 3)
- Time Exceeded (Type 11)
- Parameter Problem (Type 12)
- Packet Too Big (IPv6)
Mensajes de Consulta:
- Echo Request/Reply (Type 8/0)
- Timestamp Request/Reply (Type 13/14)
ICMP: Herramientas de Diagnóstico
Ping - Verificación de Conectividad
Echo Request (Type 8) → Echo Reply (Type 0)
Traceroute - Descubrimiento de Ruta
Incrementa TTL progresivamente → Time Exceeded (Type 11)
NAT: Network Address Translation
Problema y Solución
Problema:
- Agotamiento direcciones IPv4
- Múltiples dispositivos, una IP pública
Solución NAT:
- Usa direcciones privadas internamente
- Traduce a IP pública en router
- Mantiene tabla de traducción
Funcionamiento:
- Host interno inicia conexión
- Router reemplaza IP:puerto origen
- Registra en tabla NAT
- Respuesta llega a router
- Consulta tabla y reenvía internamente
NAT: Ejemplo Práctico
Red Interna (192.168.1.0/24) NAT Router Internet
(203.0.113.100)
┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐
│Host A │ ────────────────── │ │ ─── │Servidor Web │
│192.168.1.10 │ Src: 192.168.1.10 │ Tabla │ │8.8.8.8:80 │
│Port: 12345 │ Dst: 8.8.8.8:80 │ NAT │ └─────────────┘
└─────────────┘ │ │
│192.168.1.10:│ Src: 203.0.113.100:5001
┌─────────────┐ │12345 → 5001 │ Dst: 8.8.8.8:80
│Host B │ ────────────────── │ │
│192.168.1.20 │ Src: 192.168.1.20 │192.168.1.20:│
│Port: 54321 │ Dst: 8.8.8.8:80 │54321 → 5002 │
└─────────────┘ └─────────────┘- Traducción de direcciones: El router NAT convierte las IP privadas a su IP pública
- Mapeo de puertos: Asigna puertos únicos externos (5001, 5002) a cada host interno para distinguir las conexiones simultáneas en la tabla NAT
- Enmascaramiento de red interna: Permite que múltiples dispositivos privados compartan una sola IP pública
NAT: Limitaciones y Soluciones
Limitaciones
- No permite conexiones entrantes directas
- Complicaciones con protocolos que embeben IPs
- Pérdida del principio end-to-end
Técnicas para Atravesar NAT
Hole Punching:
- Ambos conectan simultáneamente
- Crea “agujeros” temporales
STUN:
- Descubre IP pública y tipo NAT
- Útil para VoIP/tiempo real
TURN:
- Servidor relay intermedio
- Más confiable pero más recursos
UPnP:
- Configuración automática de puertos
- Conveniente pero riesgos de seguridad
Hole punching
sequenceDiagram
participant A as Alice
participant NA as NAT-A
participant S as STUN Server
participant NB as NAT-B
participant B as Bob
Note over A,B: 1. Discovery & Exchange
A->>S: Register
S->>A: Bob: 198.76.54.32:37000
B->>S: Register
S->>B: Alice: 203.45.67.89:42000
Note over A,B: 2. Simultaneous Hole Punching
par Alice to Bob
A->>NA: Send to Bob
Note over NA: Map: Allow from<br/>198.76.54.32:37000
NA->>NB: Packet
and Bob to Alice
B->>NB: Send to Alice
Note over NB: Map: Allow from<br/>203.45.67.89:42000
NB->>NA: Packet
end
Note over NA,NB: NAT holes ready when packets arrive
NA->>A: Bob's packet passes
NB->>B: Alice's packet passes
- Descubrimiento: servidor STUN para obtener sus IPs/puertos
- Envío simultáneo: Envían paquetes UDP al mismo tiempo -> mappings en sus NATs
- Agujeros listos: Los mappings NAT se crean ANTES de recibir
Resumen
Puntos Clave
- La Capa de Red proporciona comunicación end-to-end entre dispositivos en diferentes redes
- Dos funciones principales: Enrutamiento (global) y Reenvío (local)
- Modelos de servicio: Circuitos Virtuales vs Datagramas (Internet usa datagramas)
- IPv4: 32 bits, sistema de clases → CIDR para eficiencia
- IPv6: 128 bits, soluciona limitaciones de IPv4
- ICMP: Herramientas de diagnóstico (ping, traceroute)
- NAT: Permite compartir IP pública, pero limita conectividad directa
- MTU: Define tamaño máximo, fragmentación si se excede
- Los routers operan con plano de control (enrutamiento) y plano de datos (reenvío)
