Laboratorio 03 – Componentes de Red y Conmutación

Contexto empresarial

La empresa Networking SecOps ha crecido. Ahora hay 4 empleados en la oficina, cada uno con su propio equipo. La red actual (Cliente 1 y Cliente 2 conectados directamente al router) ya no es suficiente. Se necesita una infraestructura más organizada que permita conectar múltiples dispositivos de forma escalable y eficiente.

El equipo de TI ha decidido implementar un switch para centralizar las conexiones de los clientes, y así:

  • Reducir el tráfico innecesario en el router.
  • Permitir la comunicación directa entre clientes sin pasar por el router.
  • Facilitar la expansión futura (más clientes, VLANs, etc.).

Además, se debe documentar el funcionamiento del switch: cómo aprende direcciones MAC, cómo reenvía tramas y cómo segmenta el tráfico.

Problema inicial

  • La red actual tiene solo 2 clientes conectados directamente al router vía bridge.
  • Se necesita conectar 4 clientes (Cliente 1, 2, 3 y 4).
  • El router debe mantener su función de enrutamiento y NAT hacia Internet.
  • Se debe implementar un switch (bridge en Linux) que interconecte a todos los clientes.

Objetivos del laboratorio

  1. Comprender la función de los dispositivos finales (hosts) y dispositivos intermedios (switch, router).
  2. Implementar un switch en Linux usando un bridge.
  3. Conectar 4 clientes al switch y verificar su comunicación.
  4. Observar el aprendizaje de direcciones MAC en el switch.
  5. Analizar el flujo de datos en una red conmutada.
  6. Comprender el concepto de MTU y su impacto en la transmisión.

Herramientas necesarias

  • Linux con privilegios de superusuario.
  • Comandos: ip, ping, tcpdump, bridge, ethtool.
  • Conocimientos básicos de direccionamiento MAC e IP.

Topología

graph TB C1[Cliente 1 10.0.1.2/24] C2[Cliente 2 10.0.1.3/24] C3[Cliente 3 10.0.1.4/24] C4[Cliente 4 10.0.1.5/24] SW[Switch Bridge] R[Router 10.0.1.1/24] ISP[Proveedor Internet] C1 --- SW C2 --- SW C3 --- SW C4 --- SW SW --- R R --- ISP

Direccionamiento:

Dispositivo Interfaz Dirección IP
Cliente 1 veth0 10.0.1.2/24
Cliente 2 veth0 10.0.1.3/24
Cliente 3 veth0 10.0.1.4/24
Cliente 4 veth0 10.0.1.5/24
Switch br0 - (capa 2)
Router (LAN) br0 10.0.1.1/24
Router (WAN) veth-wan 192.168.1.2/24

Construcción de la red

Paso 1: Verificar el estado actual

Asegurémonos de que el laboratorio 02 está funcionando:

# Verificar namespaces
ip netns list

# Verificar conectividad a Internet
ip netns exec cliente1 ping -c 2 8.8.8.8

Si no existen los namespaces, ejecuta los comandos de los laboratorios 01 y 02 para crearlos.

Paso 2: Eliminar la configuración anterior (bridge del router)

En el laboratorio 01, creamos un bridge br0 dentro del router para conectar los clientes. Ahora vamos a mover ese bridge al namespace del switch.

# Eliminar el bridge del router
ip netns exec router ip link set br0 down
ip netns exec router ip link delete br0

# Desconectar las interfaces veth del router
ip netns exec router ip link set veth-r1 down
ip netns exec router ip link set veth-r2 down
ip link set veth-r1 netns 1
ip link set veth-r2 netns 1

Paso 3: Crear el namespace del switch

ip netns add switch

Paso 4: Crear el bridge en el switch

# Crear bridge en el namespace switch
ip netns exec switch ip link add br0 type bridge
ip netns exec switch ip link set br0 up

Paso 5: Crear interfaces para los 4 clientes

# Cliente 1
ip link add veth-c1 type veth peer name veth-s1
ip link set veth-c1 netns cliente1
ip link set veth-s1 netns switch

# Cliente 2
ip link add veth-c2 type veth peer name veth-s2
ip link set veth-c2 netns cliente2
ip link set veth-s2 netns switch

# Cliente 3
ip link add veth-c3 type veth peer name veth-s3
ip link set veth-c3 netns cliente3
ip link set veth-s3 netns switch

# Cliente 4
ip link add veth-c4 type veth peer name veth-s4
ip link set veth-c4 netns cliente4
ip link set veth-s4 netns switch

Paso 6: Crear el namespace del Cliente 3 y Cliente 4

ip netns add cliente3
ip netns add cliente4

Paso 7: Configurar los clientes

# Cliente 1 (ya existente, solo configurar IP si no tiene)
ip netns exec cliente1 ip addr add 10.0.1.2/24 dev veth-c1 || true
ip netns exec cliente1 ip link set veth-c1 up
ip netns exec cliente1 ip link set lo up

# Cliente 2
ip netns exec cliente2 ip addr add 10.0.1.3/24 dev veth-c2 || true
ip netns exec cliente2 ip link set veth-c2 up
ip netns exec cliente2 ip link set lo up

# Cliente 3
ip netns exec cliente3 ip addr add 10.0.1.4/24 dev veth-c3
ip netns exec cliente3 ip link set veth-c3 up
ip netns exec cliente3 ip link set lo up
ip netns exec cliente3 ip route add default via 10.0.1.1

# Cliente 4
ip netns exec cliente4 ip addr add 10.0.1.5/24 dev veth-c4
ip netns exec cliente4 ip link set veth-c4 up
ip netns exec cliente4 ip link set lo up
ip netns exec cliente4 ip route add default via 10.0.1.1

Paso 8: Conectar las interfaces del switch al bridge

# En el namespace switch
ip netns exec switch ip link set veth-s1 master br0
ip netns exec switch ip link set veth-s2 master br0
ip netns exec switch ip link set veth-s3 master br0
ip netns exec switch ip link set veth-s4 master br0
ip netns exec switch ip link set veth-s1 up
ip netns exec switch ip link set veth-s2 up
ip netns exec switch ip link set veth-s3 up
ip netns exec switch ip link set veth-s4 up

Paso 9: Conectar el switch al router

Necesitamos un enlace entre el switch y el router:

# Crear par veth switch-router
ip link add veth-sr type veth peer name veth-rs
ip link set veth-sr netns switch
ip link set veth-rs netns router

# Conectar al bridge del switch
ip netns exec switch ip link set veth-sr master br0
ip netns exec switch ip link set veth-sr up

# Configurar IP en el router (interfaz hacia el switch)
ip netns exec router ip addr add 10.0.1.1/24 dev veth-rs
ip netns exec router ip link set veth-rs up

Paso 10: Verificar conectividad entre clientes

# Cliente 1 a Cliente 3
ip netns exec cliente1 ping -c 4 10.0.1.4

# Cliente 2 a Cliente 4
ip netns exec cliente2 ping -c 4 10.0.1.5

# Cliente 3 al router
ip netns exec cliente3 ping -c 4 10.0.1.1

Salida esperada: Todas las pruebas con 0% de pérdida.

Paso 11: Verificar conectividad a Internet

ip netns exec cliente3 ping -c 4 8.8.8.8
ip netns exec cliente4 curl -I http://google.com

Observación del funcionamiento del switch

Paso 12: Ver la tabla de direcciones MAC del switch

El switch aprende las direcciones MAC de los dispositivos conectados:

# Ver tabla MAC del bridge
ip netns exec switch bridge fdb show br br0

Salida esperada:

aa:bb:cc:00:01 dev veth-s1 master br0
aa:bb:cc:00:02 dev veth-s2 master br0
aa:bb:cc:00:03 dev veth-s3 master br0
aa:bb:cc:00:04 dev veth-s4 master br0
aa:bb:cc:00:ff dev veth-sr master br0

Cada dirección MAC está asociada a un puerto específico.

Paso 13: Capturar tráfico en el switch

Para observar cómo el switch reenvía tramas, capturamos en todas las interfaces:

# Capturar en el switch (interfaz br0)
ip netns exec switch tcpdump -i br0 -n -e icmp

En otra terminal, enviamos un ping de Cliente 1 a Cliente 3:

ip netns exec cliente1 ping -c 1 10.0.1.4

Interpretación de la captura:

  1. Cliente 1 envía una trama con MAC origen = aa:bb:cc:00:01 y MAC destino = aa:bb:cc:00:03.
  2. El switch recibe la trama por veth-s1.
  3. El switch consulta su tabla MAC y encuentra que la MAC destino está en veth-s3.
  4. El switch reenvía la trama solo por veth-s3 (no por los demás puertos).
  5. Cliente 3 recibe la trama y responde.

Esto demuestra la conmutación en capa 2: el switch aprende y reenvía solo al puerto correcto, reduciendo el tráfico innecesario.

Análisis de MTU

Paso 14: Verificar la MTU actual

# Ver MTU de las interfaces
ip netns exec cliente1 ip link show veth-c1

Salida esperada: mtu 1500

Paso 15: Probar MTU con ping

Enviamos un ping con tamaño mayor a 1500 bytes (con fragmentación):

# Ping con 2000 bytes (se fragmentará)
ip netns exec cliente1 ping -c 2 -M do -s 2000 10.0.1.4

Salida esperada: - Si la MTU es 1500, el ping fallará con Frag needed and DF set. - Si usamos -M dont (no fragmentar), el paquete se descarta.

Esto demuestra la importancia de la MTU: los paquetes que exceden el tamaño máximo son fragmentados o descartados.

Paso 16: Cambiar MTU (opcional)

Podemos cambiar la MTU para soportar jumboframes:

ip netns exec cliente1 ip link set veth-c1 mtu 9000
ip netns exec switch ip link set veth-s1 mtu 9000
ip netns exec switch ip link set br0 mtu 9000

Ahora el ping con 9000 bytes debería funcionar (si todos los enlaces soportan jumboframes).

Ejercicios prácticos

Ejercicio 1: Observar el aprendizaje de MAC

  1. Limpiar la tabla MAC del switch:

    ip netns exec switch bridge fdb flush dev br0

  2. Enviar un ping de Cliente 1 a Cliente 2.

  3. Ver la tabla MAC nuevamente.
  4. Pregunta: ¿Cuánto tiempo tarda el switch en aprender la MAC de Cliente 2?

Ejercicio 2: Broadcast en la red

  1. Enviar un ping de Cliente 1 a la dirección de broadcast 10.0.1.255:

    ip netns exec cliente1 ping -c 1 -b 10.0.1.255

  2. Capturar en el switch para ver cómo se reenvía la trama de broadcast.

  3. Pregunta: ¿Por qué el switch envía el broadcast a todos los puertos?

Ejercicio 3: Impacto de la MTU en el rendimiento

  1. Medir el throughput con MTU 1500:

    ip netns exec router iperf3 -s &
ip netns exec cliente1 iperf3 -c 10.0.1.1

  2. Cambiar la MTU a 9000 en todos los enlaces y repetir la medición.

  3. Pregunta: ¿Mejora el throughput con jumboframes? ¿Por qué?

Errores comunes y soluciones

Error Causa Solución
Los clientes no pueden hacer ping entre sí El switch no tiene los puertos en el bridge. Verificar bridge link show.
ping: sendmsg: Operation not permitted MTU demasiado pequeña. Aumentar MTU o usar -M dont.
El switch no aprende MAC La interfaz está down. Verificar ip link set ... up.
No sale a Internet El router no tiene ruta al switch. Verificar IP en veth-rs y que el switch esté conectado al router.

Conclusiones técnicas

En este laboratorio hemos:

  1. Implementado una red conmutada usando un bridge en Linux como switch.
  2. Conectado 4 clientes al switch y verificado su comunicación.
  3. Observado el aprendizaje de direcciones MAC en el switch.
  4. Analizado el reenvío de tramas en capa 2 (unicast, broadcast).
  5. Comprendido el concepto de MTU y su impacto en la transmisión.
  6. Demostrado la escalabilidad de una red conmutada.

El switch es un componente fundamental en las redes modernas. Su capacidad para aprender direcciones MAC y reenviar tráfico solo por el puerto correcto permite:

  • Mayor eficiencia en el uso del ancho de banda.
  • Reducción de colisiones (en redes conmutadas punto a punto).
  • Escalabilidad para conectar cientos o miles de dispositivos.
  • Base para implementar VLANs y otras tecnologías de segmentación.

La MTU, por su parte, es un parámetro crítico que debe ser configurado correctamente para evitar fragmentación y pérdida de rendimiento.

Preparación para el siguiente laboratorio

Hemos dejado la red con 4 clientes conectados a un switch, y el switch conectado al router con salida a Internet. En el Laboratorio 04 comenzaremos a trabajar con direccionamiento IP y subredes, segmentando la red en diferentes subredes y configurando el enrutamiento entre ellas.

¡Laboratorio 03 completado! Ahora tenemos una red conmutada escalable y hemos analizado el funcionamiento de los componentes de red. Continúa con el Laboratorio 04.