Subnetting!! Optimizando las redes por medio de divisiones lógicas / Método básico
La optimización de las redes se basa en un buen plan de trabajo, evitando un consumo de recursos innecesario por mala praxis en la planificación. A medida que las organizaciones crecen, también lo hacen la cantidad de dispositivos que usan los recursos de comunicación de datos, causando un mayor tráfico de red. Cada dispositivo envía mensajes constantes, los cuales inundan los dominios de difusión, llegando a todos los computadores, impresoras, tabletas, teléfonos inteligentes, en fin, cada equipo que requiera conexión.
Es por ello, que el subnetting o división de redes es importante, mientras más porciones tenga la red, existirán menos dispositivos asociados, causando una menor cantidad de mensajes circulando en los medios; en sí, dividir las redes, producirá más dominios de difusión y, a la vez, menos dispositivos por cada subred creada. Es decir, la idea fundamental del subnetting, es crear redes más pequeñas, de una red total.
Para entender más éste artículo, se recomienda, antes, leer un Post inicial, el cual trata el tema de los Conceptos Fundamentales de las Subredes; donde, de una manera clara, se estudian los temas asociados a ésta importante metodología de trabajo. Igualmente, si te gustan los temas de redes, sígueme, constantemente publico material de interés en el área de las telecomunicaciones. Ahora, sigue leyendo el artículo, y sácale provecho a la información.
División de Redes
Actualmente, el crecimiento de las redes se ha hecho exponencial, cada vez es mayor el número de computadores e impresoras que deben ser conectados. Las redes inalámbricas, también son un punto importante a tomar en cuanta, debido a que, es común que los trabajadores lleven al sitio de trabajo sus equipos móviles, creando el modelo BYOD (Trae tu propio dispositivo), que permite el uso de los equipos de los empleados para el beneficio de la empresa. Es decir, más hosts haciendo uso de los recursos de red, más mensajes inundando la red, y más procesamiento por cada equipo, lo que se traduce en una respuesta más lenta.
Conocer el funcionamiento de cada dispositivo intermediario, como lo son los Switches y Routers, así como el manejo de la parte lógica, formada por el direccionamiento de red, permite optimizar el flujo e información que viaja por ellas. Para conocer, más sobre esos dispositivos, al final de este artículo, se encuentran enlaces a varios Post del autor que hacen referencia al tema, donde se expresan los conceptos de dichos dispositivos.
Lo principal es saber, que los Switches, permiten propagar los dominios de difusión a toda la red (Figura 1), mientras que los Routers, lo que hacen es separar dichos dominios (Figura 2). De tal manera, que al colocar Routers, se segmenta la red, mejorando el tráfico interno y el procesamiento en todos los dispositivos que hagan vida dentro de la topología de la organización.
La Figura 1, muestra un dominio de difusión, donde los Switches que forman la topología de red, permiten que exista una sola área de interacción para todos los dispositivos. Cualquier mensaje de difusión que sea enviado, por algún equipo, será propagado a cada dispositivo, generando un procesamiento adicional, así sea, que el mensaje no sea dirigido a éste. De igual forma, cada dispositivo de red, envía estos mensajes constantemente, usándolos para descubrir dispositivos, a través del protocolo de resolución de direcciones (ARP) o para solicitar algún tipo de información, como podría ser, un servidor de Resolución Dinámica de Direcciones (DHCP).
Figura 1: Dominio de difusión provocado por varios dispositivos de red, entre los que se encuentran: Switches, Hub y Puntos de Acceso (Imagen de Autor)
La Figura 2, muestra la misma topología de la figura 1, pero esta vez, divida por medio de Routers que impiden el paso de los mensajes de difusión, optimizando los servicios; debido a que aísla parte del tráfico en los dominios asociados a sus interfaces. Si alguna de estas solicitudes necesita llegar a un dispositivo específico fuera de su dominio, se usa un proceso llamado enrutamiento, que permite que los mensajes salten los enrutadores.
Figura 2: Dominios de difusión provocado por Routers, donde cada dispositivo de Capa 3, crea un dominio en cada interfaz (Imagen de Autor)
División Lógica
A partir del conocimiento de los dispositivos físicos, inicia la administración del direccionamiento lógico, que no es más que, todos los dispositivos que forman parte de un dominio de difusión específico, deben tener un mismo direccionamiento de red. Se debe recordar, como se indica en el artículo relacionado a los Conceptos de Subnetting, que las direcciones IP tienen una anatomía, donde, en principio se cuenta con dos partes, una Porción de Red y una Porción de Host, y quien identifica esas porciones es la máscara de subred.
Lo primero que hacen los dispositivos cuando van a enviar un mensaje, es reconocer la dirección de red del dominio; para ello, aplican un cálculo AND lógico a las direcciones IP que interactúan en la comunicación. La Figura 3, muestra este cálculo, apreciándose mejor la operación en la numeración binaria; donde, en la máscara de subred, se puede apreciar que los bits con valor uno (1), representan a la porción de red y los que están en cero (0), pertenecen a la porción de host.
Figura 3: Operación AND lógica, aplicada a una dirección IP, para obtener la dirección de red (Imagen de Autor)
El cálculo de los valores utilizados en las redes, se basa en la máscara de subred, debido a que es ésta, quien determina la porción de red y host. La Figura 4, muestra estas porciones para una Clase C, que es la usada por la dirección de la figura 3, donde la primera parte, la red, es representada por los bits con valor uno (1) y la segunda, los hosts, están representados por los bits en valor cero (0). Para una dirección de Clase C original, los primeros 24 bits tienen valor 1, lo que determina que los 3 primeros octetos de las direcciones IP de esta red, pertenecen a la porción de red. Los últimos 8 bits, que es el último octeto, representan a los hosts.
Figura 4: Máscara de subred, para una dirección de clase C, donde se aprecia la porción de red y la porción de host (Imagen de Autor)
El objetivo fundamental de este proceso de cálculo, es obtener el primer valor del rango del direccionamiento, el cual identifica a la dirección de red. Dirección que no es utilizable para los hosts, sino que solo representa el direccionamiento. Luego de ese valor, el siguiente superior sería un valor +1, tanto en decimal como en binario, que representaría al primer valor utilizable en la red. Por ejemplo, si le aplicamos el cálculo a la dirección IP 192.168.1.10, con la máscara 255.255.255.0, como es el caso de la operación de la figura 3, la dirección de red del dominio sería 192.168.1.0. Este resultado, como se muestra, es por la aplicación del AND lógico.
La Figura 5, muestra la dirección de red calculada, donde todos los bits de hosts están con valor 0, dando como resultado 0 en base decimal. Todos los hosts que mantengan la misma porción de red en el dominio donde se encuentre este direccionamiento, podrán comunicarse lógicamente sin problema.
Figura 5: Dirección de red para el direccionamiento 192.168.1.0 con máscara de subred 255.255.255.0 (Imagen de Autor)
Pero, de ahí se desarrollarán nuevos cálculos, que representarán: la primera IP utilizable en la red, la última IP utilizable en la red y la dirección de difusión, también conocida como Broadcast, que es la dirección IP que permite propagar los mensajes a todos los dispositivos. El rango de direcciones a utilizar en el direccionamiento, se obtiene al encontrar los valores iniciales y finales. Para ubicar estos valores, se modifica la porción de host, siguiendo ciertas reglas. La primera ya fue nombrada, en la porción de host todos los bits en valor cero (0), representan a la red; la primera dirección del rango es representada por todos los bits de la porción de host en cero (0), menos el último que estará en uno (1) (Figura 6); para la última dirección del rango, todos los bits de hosts en uno (1), menos el último que debe estar en cero (0) (Figura 7).
Figura 6: Primera dirección IP utilizable para el direccionamiento 192.168.1.0 con máscara de subred 255.255.255.0 (Imagen de Autor)
Figura 7: Última dirección IP utilizable para el direccionamiento 192.168.1.0 con máscara de subred 255.255.255.0 (Imagen de Autor)
Los valores obtenidos en la primera dirección (192.168.1.1) y la última (192.168.1.254), representan el rango de direcciones IP utilizables. Todo dispositivo que se encuentra entre 1 y 254, en la porción de host del direccionamiento 192.168.1.0 con máscara 255.255.255.0, podrá ser usado para cualquier dispositivo.
La dirección de difusión tiene su regla, también; e indica que todos los bits de la porción de host deben esta con valor uno (1). Para el caso del direccionamiento 192.168.1.0 con máscara de subred 255.255.255.0, sería los ocho bits del octeto en 1, dando el valor decimal 255 (1111 1111 en binario), la Figura 8 muestra el resultado.
Figura 8: Dirección de difusión para el direccionamiento 192.168.1.0 con máscara de subred 255.255.255.0 (Imagen de Autor)
Es importante destacar, que las reglas para el cálculo de las direcciones de red, primera utilizable, última utilizable y difusión, son aplicadas para cualquier direccionamiento, así la máscara de subred cambie. Siempre la porción de host, es quien permite obtener todos los valores de hosts, pudiéndose calcular incluso la cantidad de dispositivos que puede soportar el rango, a través de la fórmula 2^n. El resultado de este cálculo, para la red de ejemplo, sería 2^8 (2 de la base binaria y 8 de los bits de host) igual 256, valor al que hay que restar, siempre, dos, uno de la dirección de red y el otro de la dirección de difusión, direcciones que no pueden ser usados en el dominio.
Fórmula para calcular la cantidad de host
2^n – 2
La Figura 9, muestra la topología donde se puede aplicar el direccionamiento antes calculado, que corresponde a un solo dominio de difusión, el cual puede soportar hasta 254 dispositivos. En la figura, se aprecia un Router que divide la red del proveedor de Internet (ISP) y una red privada, la cual cuenta con un Switch y dos PC, para demostrar el laboratorio. Los mismos, hacen uso del direccionamiento 192.168.1.0/24, donde la Dirección IP usada para el enrutador es la .1, es decir 192.168.1.1 y las PCs tienen .60 y .120.
Nota: Al final del artículo, se encuentran los enlaces que permiten descargar del laboratorio para evaluación con la aplicación Packet Tracer. Además, un enlace para aprender a descargar dicha aplicación.
Figura 9: Topología física para un dominio de difusión único, con direccionamiento de Clase C (Imagen de Autor)
Subnetting Básico
El Subnetting es la técnica de dividir una red con clase, como, por ejemplo, la Clase C utilizada anteriormente en este artículo; permitiendo obtener varios dominios de difusión distintos, que luego, usando dispositivos intermediarios como los Routers, permitirían conectar esos dominios o subredes. Para aplicar esta división, se debe tener clara la cantidad de host que participan en el dominio de difusión, un mal conteo puede dejar sin servicio a alguno.
Las clases, son escogidas dependiendo de la cantidad de hosts que interactúan dentro de un dominio, mientras más grande la red, se debe escoger una clase más alta. Si en la red se cuenta con 200 hosts, la división, dependiendo del criterio, permitiría usar la Clase C, pero si hay más de 1500 dispositivos, sería factible usar la Clase B, para aplicar el subnetting; y así, si es una red muy amplia, como un ISP, que tiene muchos clientes, se podría usar la Clase A; recordando, que, para los efectos de estas prácticas, sólo usaremos los direccionamientos privados.
División de dos subredes
Para el ejemplo de dividir dos subredes, se debe iniciar con un direccionamiento; que, para el laboratorio a desarrollar, en esta parte del Post, se escogió la Clase C, usada desde el principio. El direccionamiento 192.168.1.0 con la máscara 255.255.255.0, tiene un rango de 0 hasta 255 direcciones IP (256 direcciones IP totales), pero debido a que en las redes IPv4, se debe restar siempre la dirección de red y la dirección de difusión, el rango se reduce de 1 a 254, es decir 254 posibles direcciones a utilizar.
Para iniciar el proceso de subnetting, toda la metodología se desarrolla en la porción de host, debido a que se escogió la Clase C, se trabajará en el último octeto de la dirección 192.168.1.0. El cero en decimal (0), representa a los hosts, convirtiendo este valor a formato binario, se tiene 0000 0000; la conversión es sólo en la porción donde se va a aplicar el método, para facilitar el cálculo. De igual forma, se toma la máscara de subred, que en decimal es 255.255.255.0 y convirtiéndose a su representación binaria, queda como 11111111 11111111 11111111 00000000. El método de subnetting, corresponde a tomar un bit o varios bits prestados de la porción de host de la máscara de subred de la dirección estudiada. Es decir, si antes habían 24 bits con el valor 1 y tomamos un bit prestado, serían 25; quedando en binario: 11111111 11111111 11111111 10000000,en decimal 255.255.255.128 (Figura 10).
Figura 10: Dirección de red para el direccionamiento 192.168.1.0 con máscara de subred 255.255.255.128 (Imagen de Autor)
A medida que se piden bits prestados en la porción de host, las redes se duplican. Es decir, si tomamos un bit prestado en la máscara de subred, se tendrían dos redes, si se toma otro, serían cuatro, esto hasta llegar a una longitud de prefijo de /30, más de ahí no existe capacidad para direcciones IP factibles para hosts. El número de redes a dividir por bit prestado, se puede obtener usando la fórmula 2^n, donde n es el bit que se pide prestado. Si se solicitó un bit prestado, al sustituir en la fórmula se obtiene 2 (2^1 = 2), correspondiente a dos subredes. La primera red iniciaría en 0 y la otra en 128, debido a que, al pedir el bit prestado, el primer bit del último octeto cambia de 0 a 1 en la dirección de subred, y al convertir 0000 0000 da como resultado 0, pero si el primer bit es 1, entonces 1000 0000, da 128 (Figura 11).
Figura 11: Dirección de red para el direccionamiento 192.168.1.128 con máscara de subred 255.255.255.128 (Imagen de Autor)
Las Figuras 10 y 11, muestran los cálculos para el direccionamiento 192.168.1.0/25 y 192.168.1.128/25, respectivamente; donde al tomar el primer bit prestado de la porción de host de la máscara de subred, éstos fueron generados. Al mover la línea divisoria de la máscara, de /24 a /25, el nuevo espacio, corresponde a la subred, denotado en rojo en las dos figuras, puede cambiar de 0 a 1. Cuando es 0, es parte de la Red 0, y cuando es 1, entonces se encuentra en la Red 1.
Con respecto a la porción de host, ya no son 8 bits, sino 7; que, al hacer el cálculo para obtener la cantidad de hosts, da como resultado 126 (2^7-2=126). Los cuales, según los resultados de las Figuras 12 y 13, muestran que sus rangos son, para la Red 0, iniciando en la Dirección IP 192.168.1.1 hasta 192.168.1.126, con una dirección de difusión 192.168.1.127; y para la Red 1, la primera dirección utilizable es, 192.168.1.129 hasta la 192.168.1.254, con una difusión de 192.168.1.255. Es de notar, que se siguió las reglas para el cálculo de cada una de las direcciones IP: la de red, la primera utilizable, la última utilizable y de unidifusión, comentadas con anterioridad. La Tabla 1, muestra el enrutamiento resultante.
Figura 12: Primera dirección IP utilizable, última utilizable y dirección de difusión para el direccionamiento 192.168.1.0 con máscara de subred 255.255.255.128 (Imagen de Autor)
Figura 13: Primera dirección IP utilizable, última utilizable y dirección de difusión para el direccionamiento 192.168.1.128 con máscara de subred 255.255.255.128 (Imagen de Autor)
| Subred | Dirección de red | Rango de host | Dirección de difusión |
|---|---|---|---|
| 0 | 192.168.1.0/25 | 192.168.1.1 - 192.168.1.126 | 192.168.1.127 |
| 1 | 192.168.1.128/25 | 192.168.1.129 - 192.168.1.254 | 192.168.1.255 |
Tabla 1: Tabla de enrutamiento para el direccionamiento 192.168.1.0/25
En la topología física de la Figura 14, se muestra la asignación de direcciones, las cuales fueron tomadas de los cálculos anteriores. El Router cuenta con 3 interfaces activas, una de ellas correspondiente al ISP y las otras dos a la red de la organización. Dos subredes participan en los dominios de difusión, 192.168.1.0/25 y 192.168.1.128, los cuales pueden mantener 126 hosts por cada subred. La dirección IP asignada a cada interfaz del router, es la primera de cada rango (192.168.1.1 y 192.168.1.129), mientras que las PCs están asociadas a dos direcciones asignadas de forma aleatoria, en cada rango.
Nota: Al final del artículo, se encuentran los enlaces para la descarga del laboratorio para evaluación con la aplicación Packet Tracer. Además, un enlace para aprender a descargar dicha aplicación.
Figura 14: Topología física para dos dominios de difusión, con direccionamiento de Clase C (Imagen de Autor)
División de tres subredes
Si es el caso, en que se necesitan tres (3) subredes, se requiere de pedir dos bits prestados a la porción de host. Como se comentó en las líneas anteriores, a medida que se toman los bits prestados, las redes se duplican, por lo que, si hay dos, serán cuatro redes. Recordando la formula aplicada en el cálculo de redes 2^n, donde n serían 2, debido a los bits que se pidieron, dando 4 como resultado (2^2=4). Para efecto de las 3 redes del laboratorio, se toman, sólo las necesarias, dejando la última red sin uso. Muchas veces, los Administradores de Red, calculan más subredes de las necesarias, con el objetivo de tener rangos adicionales, en caso de haber modificaciones futuras, como crecimiento de la red corporativa.
Los cálculos de la Figura 15, muestran los dos bits solicitados en rojo, dando como resultado cuatro combinaciones posibles para las subredes, las cuales son: 00, 01, 10 y 11, que corresponden a la red 0, 1, 2 y 3, respectivamente. De igual forma se calculan las direcciones IP, para la dirección de red, la primera dirección utilizable, la última utilizable y la dirección de difusión. Siempre, manteniendo las reglas del cálculo de éstas, que indican que para la dirección de red, en la porción de host todos los bits deben tener valor cero (0); para la primera utilizable, todos los bits en la porción de host deben ser cero (0), a excepción del último, que es uno (1); la última dirección de red, en su porción de host tiene todos los bits en uno (1), a excepción del último que es cero (0); y finalizando con la dirección de difusión, donde todos los bits son uno (1), en la porción de host.
Figura 15: Cálculos de subred para el direccionamiento 192.168.1.0/26, en el cual se tomando dos bits prestados en la porción host (Imagen de Autor)
La Figura 15, igualmente, muestra al final, los valores para la máscara de subred, que es establecida en 255.255.255.192, debido a los bits solicitados. La cantidad de hosts por red, es de 62 (2^6-2=62), por poseer 6 bits disponibles en la porción de host, y la longitud de prefijo se establece en /26. La Tabla 2 anexa, muestra el direccionamiento con sus rangos, de una forma más clara.
| Subred | Dirección de red | Rango de host | Dirección de difusión |
|---|---|---|---|
| 0 | 192.168.1.0/26 | 192.168.1.1 - 192.168.1.62 | 192.168.1.63 |
| 1 | 192.168.1.64/26 | 192.168.1.65 - 192.168.1.126 | 192.168.1.127 |
| 2 | 192.168.1.128/26 | 192.168.1.129 - 192.168.1.190 | 192.168.1.191 |
| 3 | 192.168.1.192/26 | 192.168.1.193 - 192.168.1.254 | 192.168.1.255 |
Tabla 2: Tabla de enrutamiento para el direccionamiento 192.168.1.0/26
En la última figura (Figura 16), se muestra una topología física, con tres subredes y un acceso a un ISP, la cual ya tiene configurados los dispositivos intermediarios y los dispositivos finales. Como siempre se tomaron las primeras direcciones de cada rango, para ser usados en las interfaces del Router, excluyendo un rango, debido a que la topología en cuestión, sólo cuenta con tres subredes.
Nota: Al final del artículo, se encuentran los enlaces para la descarga del laboratorio para evaluación con la aplicación Packet Tracer. Además, un enlace para aprender a descargar dicha aplicación.
Figura 16: Topología física para tres dominios de difusión, con direccionamiento de Clase C (Imagen de Autor)
Conclusión
Las subredes, se usan para mejorar el rendimiento de los dispositivos que participan en la comunicación de una topología de red. A medida que va creciendo una organización, se van integrando nuevos dispositivos, que generan nuevos mensajes, los cuales deben ser procesados por todos los hosts que integran el dominio de difusión. La división en grupos más pequeños, hace que en IPv4, se disminuyan los mensajes y el procesamiento sea menor. Los enrutadores, en esta metodología, son los actores principales, debido a que son ellos quienes concentran el tráfico en cada dominio, dejando pasar sólo lo necesario.
Esta división, se puede hacer por diferentes propósitos, como puede ser los pisos de un edificio, que representa la separación por Ubicación; por los departamentos y dependencias de una organización, siendo la separación por Unidad de organización; por los Tipos de Dispositivos, como impresoras, computadores, teléfonos IP, entre otros; y, cualquier división que la organización requiera o tenga sentido.
Es por ello, que tener el conocimiento necesario, para hacer los cálculos y aplicarlos, es importante para un Administrador de Red. El proceso de Subnetting es un tema importante, porque a través del mismo se puede organizar y optimizar el rendimiento, permitiendo que los dispositivos mejoren su funcionamiento sin tanto esfuerzo. Hay muchas técnicas que pueden ser usadas para que una red funcione adecuadamente, pero tener el conocimiento necesario, así como los equipos, es lo que determina lo que se puede hacer.
Referencias:
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Sobre el PAcket Tracer (Laboratorio Virtual):
¿Qué es Packet Tracer? y ¿Cómo descargarlo?
Descarga de laboratorios en Packet Tracer:
- Topología física para un dominio de difusión único, con direccionamiento de Clase C
- Topología física para dos dominios de difusión, con direccionamiento de Clase C
- Topología física para tres dominios de difusión, con direccionamiento de Clase C
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Hola freddy excelente post, una pregunta... cual es el numero maximo de dispositivos que pueden haber en un segmento red...