Protocolos TCP/IP, conmutación, enrutamiento y WiFi

El tema 3 presentó el modelo TCP/IP (4 capas) y la comparativa TCP/UDP a alto nivel. Este tema baja al detalle de cabeceras y comportamiento, que es donde el examen coloca los distractores finos. Para situar los protocolos en el modelo OSI: IP, ICMP e IGMP son de la capa 3 (red) y TCP y UDP de la capa 4 (transporte).

1.1 El protocolo IP (capa de Internet)

IPv4 (RFC 791) es un protocolo no orientado a conexión, no fiable y sin control de flujo (best effort): cada paquete (datagrama) se enruta de forma independiente. La fiabilidad, si se necesita, la aporta TCP por encima.

Campos relevantes de la cabecera IPv4 (20 bytes sin opciones):

Campo	Tamaño	Para qué sirve (examen)
Versión	4 bits	4 (IPv4) o 6 (IPv6)
IHL (longitud de cabecera)	4 bits	Nº de palabras de 32 bits; mínimo 5 (=20 bytes)
DSCP/ECN (antiguo ToS)	8 bits	Calidad de servicio (QoS): priorizar voz/vídeo
Longitud total	16 bits	Cabecera + datos; máximo 65.535 bytes
Identificación + Flags + Offset	32 bits	Fragmentación: bit DF (no fragmentar) y MF (hay más fragmentos)
TTL	8 bits	Cada router lo decrementa en 1; al llegar a 0 se descarta y se envía ICMP Time Exceeded
Protocolo	8 bits	Qué viaja dentro: 1 = ICMP, 6 = TCP, 17 = UDP, 89 = OSPF
Checksum de cabecera	16 bits	Solo protege la cabecera (los routers lo recalculan al cambiar el TTL)
Dirección origen / destino	32 + 32 bits	IPs de 32 bits (las clases y el cálculo de subredes se estudian en el tema 3)

Fragmentación y MTU. La MTU (unidad máxima de transmisión) de Ethernet es 1500 bytes. Si un datagrama supera la MTU del enlace de salida y el bit DF=0, el router lo fragmenta; el destino reensambla. Si DF=1 y no cabe, el router lo descarta y responde ICMP Destination Unreachable / Fragmentation Needed — mecanismo en el que se apoya el Path MTU Discovery (RFC 1191). En IPv6 los routers NO fragmentan: solo el origen, guiado por Path MTU Discovery.

Tramas jumbo. Ethernet admite tramas jumbo, con una carga útil de hasta unos 9.000 bytes (frente a los 1.500 de la MTU estándar). Reducen la sobrecarga de cabeceras y la carga de CPU en redes de almacenamiento (iSCSI, NFS) y de copias; para usarlas, todo el camino debe admitir el tamaño que se envía (NIC, switches y hosts configurados para esa MTU; no hace falta que sea idéntica en todos, pero ningún salto puede tener una menor), o se fragmenta (un router) o se descarta (un switch de nivel 2 no fragmenta IP).

💡 Ejemplo. Un ping -f -l 1500 (Windows, no fragmentar, 1500 bytes de datos) falla incluso sin VPN: a los datos se suman 28 bytes (20 de IP y 8 de ICMP) y 1528 supera la MTU de 1500; para probar una MTU de 1500 se usa -l 1472. A través de un túnel VPN falla antes: la MTU efectiva baja (p. ej. 1400 bytes) por la cabecera de encapsulado. El síntoma —"navego pero ciertas webs o cargas grandes se cuelgan"— es un clásico de MTU/MSS mal ajustado.

1.2 TCP: control de la conexión (RFC 9293)

TCP es orientado a conexión, fiable y con control de flujo y de congestión. La especificación vigente es la RFC 9293 (2022), que consolida y deja obsoleta la histórica RFC 793. Cabecera mínima de 20 bytes.

Campos y banderas que caen en examen:

• Puertos origen y destino (16 bits cada uno).
• Número de secuencia y número de ACK: numeran los bytes para garantizar orden y detectar pérdidas.
• Banderas (flags): SYN (sincronizar/abrir), ACK (confirmar), FIN (cerrar ordenadamente), RST (abortar/rechazar), PSH (pide entregar ya los datos a la aplicación; no fuerza que esta los lea de inmediato), URG (datos urgentes). El checksum de TCP cubre la cabecera, los datos y una pseudocabecera con las direcciones IP de origen y destino.
• Ventana (window): bytes que el receptor está dispuesto a aceptar → control de flujo (ventana deslizante).
• Checksum: cubre cabecera y datos.

Establecimiento — three-way handshake:

Cliente ──SYN(seq=x)──────────────▶ Servidor
Cliente ◀─SYN-ACK(seq=y, ack=x+1)── Servidor
Cliente ──ACK(ack=y+1)────────────▶ Servidor   → conexión ESTABLISHED

El mismo intercambio, en un diagrama de secuencia:

Cierre — habitual de 4 pasos (cada extremo cierra su sentido): FIN → ACK y FIN → ACK. Existe cierre simultáneo y el semicierre (half-close).

Fiabilidad y rendimiento:

• Control de flujo: la ventana anunciada evita saturar al receptor.
• Control de congestión (RFC 5681): slow start, congestion avoidance, fast retransmit y fast recovery evitan saturar la red. No confundir con el control de flujo (protege al receptor, no a la red).
• MSS (Maximum Segment Size): tamaño máximo de datos por segmento, se negocia en el SYN y deriva de la MTU (típico 1460 = 1500 − 20 IP − 20 TCP).

⚠ Cae en examen. "¿Qué bandera abre una conexión TCP?" → SYN. "¿Cuántos mensajes tiene el handshake?" → 3. "¿Qué protocolo hace control de congestión, TCP o UDP?" → TCP. Distingue control de flujo (receptor) de control de congestión (red): es el distractor fino.

1.3 UDP: ligero y sin conexión (RFC 768)

Cabecera de solo 8 bytes: puerto origen, puerto destino, longitud y checksum. Sin conexión, sin ACK, sin retransmisión, sin orden. Se usa donde importa la latencia y no la fiabilidad estricta: DNS, DHCP, NTP, SNMP (monitorización y administración de red), VoIP/RTP y streaming en directo. La aplicación (o protocolos como QUIC/RTP) asume la recuperación si la necesita.

1.4 Protocolos auxiliares: ICMP y ARP

• ICMP (RFC 792) — mensajería de control y error de IP. No transporta datos de aplicación (el echo sí lleva una carga de prueba). Tipos clave: Echo Request (tipo 8) / Echo Reply (tipo 0) = ping; Destination Unreachable (tipo 3); Time Exceeded (tipo 11), que usa traceroute/tracert enviando sondas con TTL creciente (1, 2, 3…) para descubrir cada salto (las sondas son ICMP en Windows y UDP, TCP o ICMP según la implementación); no siempre se responde a todo descarte: las políticas y los límites de tasa (rate limit) pueden suprimir los mensajes ICMP; Redirect (tipo 5). En IPv6 su equivalente es ICMPv6 (RFC 4443), que además incorpora el Neighbor Discovery (sustituye a ARP).

• ARP (RFC 826) — resuelve IP → MAC dentro de la misma LAN mediante una difusión ("¿quién tiene la IP X?") y una respuesta unicast. La correspondencia se guarda en la tabla ARP (caché con temporizador). En IPv6 no existe ARP: lo hace NDP con mensajes ICMPv6.

• Wake on LAN (WoL) — enciende un equipo apagado desde la red. Se envía el paquete mágico: 6 bytes a 0xFF seguidos de 16 repeticiones de la dirección MAC del equipo (102 bytes), normalmente en difusión (UDP, puertos 7 o 9) o directamente en una trama Ethernet. La tarjeta de red, que sigue alimentada, lo reconoce a nivel de enlace (recibe la trama, sea cual sea su encapsulado en el envío) y arranca el equipo; requiere que la BIOS/UEFI, la NIC y la configuración de energía lo permitan.

💡 Ejemplo (diagnóstico). tracert 8.8.8.8 que se detiene con * * * a partir del 3.er salto indica que un router intermedio no responde a ICMP (filtrado por firewall) o corta la ruta: el TTL agotado deja de generar Time Exceeded.