Entendiendo el Protocolo TCP/IP y las Capas del Modelo OSI

Protocolo TCP/IP y Modelo OSI: Fundamentos de la Comunicación en Red

La comunicación entre ordenadores es un proceso inherentemente complejo. Para facilitar el diseño y la gestión de redes, estas se organizan conceptualmente en capas o niveles. Cada capa se encarga de realizar tareas específicas y se comunica con su capa homóloga en otro ordenador de la red, utilizando un conjunto de reglas o protocolos.

El Modelo de Referencia OSI

La Organización Internacional de Normalización (ISO, por sus siglas en inglés: International Organization for Standardization) creó un modelo de capas estándar denominado OSI (Open Systems Interconnection o Interconexión de Sistemas Abiertos), que define siete capas funcionales:

Capa 1: Física

Es la responsable de las conexiones físicas del ordenador hacia la red. Se encarga tanto del medio físico como de la forma en que se transmite la información binaria.

Sus principales funciones incluyen:

• Definir el medio o medios físicos para la comunicación: cable de par trenzado, cable coaxial, guías de onda, aire (inalámbrico), fibra óptica, etc.
• Transmitir el flujo de bits a través del medio físico seleccionado.

Capa 2: Enlace de Datos

Esta capa se ocupa del direccionamiento físico (direcciones MAC), la topología de la red (cómo están conectados los dispositivos), el acceso al medio, la notificación de errores en la transmisión física, la distribución ordenada de tramas (unidades de datos de esta capa) y el control del flujo para evitar la saturación del receptor.

Capa 3: Red

El objetivo principal de la capa de red es conseguir que los datos lleguen desde el origen hasta el destino final, incluso si no están conectados directamente. Los dispositivos clave en esta capa son los routers.

Aquí se realiza el direccionamiento lógico (direcciones IP) y la determinación de la mejor ruta (enrutamiento) para los datos hasta su receptor.

Capa 4: Transporte

Es la capa encargada de efectuar el transporte fiable de los datos entre la máquina origen y la máquina destino, independientemente del tipo de red física subyacente. Gestiona la segmentación de datos, el control de errores de extremo a extremo y el control de flujo.

Capa 5: Sesión

Esta capa se encarga de establecer, mantener y controlar el enlace (sesión) entre dos computadores que están transmitiendo datos. Gestiona el diálogo entre aplicaciones.

Capa 6: Presentación

El objetivo de esta capa es encargarse de la representación de la información. Actúa como un traductor, asegurando que, aunque distintos equipos puedan tener diferentes representaciones internas de datos (como codificación de caracteres o formatos de archivo), la información llegue de manera reconocible y utilizable por la capa de aplicación del destino. También puede manejar el cifrado y la compresión de datos.

Capa 7: Aplicación

Es la capa más cercana al usuario final. Ofrece a las aplicaciones (software) la posibilidad de acceder a los servicios de las demás capas y define los protocolos que utilizan las aplicaciones para intercambiar datos. Ejemplos de protocolos de esta capa incluyen HTTP (web), SMTP y POP (correo electrónico), FTP (transferencia de ficheros), DNS (resolución de nombres), etc.

Funcionamiento del Modelo de Capas

En el nodo emisor (por ejemplo, Ordenador 1), el proceso de envío de datos sigue estos pasos:

1. Los datos generados por una aplicación (Capa 7) se pasan a la capa inferior (Capa 6).
2. Cada capa recibe los datos de la capa superior, les añade información de control propia (cabeceras y, a veces, tráileres) en un proceso llamado encapsulación.
3. Este proceso se repite hasta llegar a la Capa Física (Capa 1), que transmite la secuencia de bits resultante al medio de transmisión.
4. En el nodo receptor (Ordenador 2), los datos siguen el proceso inverso (desencapsulación): cada capa procesa y elimina la información de control añadida por su capa homóloga en el emisor, pasando los datos resultantes a la capa superior, hasta que llegan a la aplicación destinataria.

El Modelo TCP/IP

Aunque el modelo OSI es una referencia conceptual importante, el conjunto de protocolos que realmente impulsa Internet es TCP/IP. Este modelo se suele describir con cuatro o cinco capas. Una estructura común de cinco capas, que agrupa algunas funciones de OSI, es la siguiente:

Nivel 1: Físico

Corresponde a la Capa Física del modelo OSI. Define las características eléctricas y físicas de la conexión (tipo de cableado, señales, etc.). Detecta el tipo de conexión física (cable, satélite, fibra, etc.).

Nivel 2: Enlace de Datos

Similar a la Capa de Enlace de Datos del modelo OSI. Se ocupa del direccionamiento físico (MAC), topología, acceso al medio, detección de errores en el enlace físico y control de flujo local.

Nivel 3: Red (o Internet)

Equivalente a la Capa de Red del modelo OSI. Su protocolo principal es IP (Internet Protocol). Marca cada paquete de datos con las direcciones IP de origen y destino y se encarga del enrutamiento a través de la red.

Nivel 4: Transporte

Combina funciones de la Capa de Transporte OSI y, en algunos aspectos, de la Capa de Sesión. Sus protocolos principales son TCP (Transmission Control Protocol), que ofrece transporte fiable y orientado a conexión, y UDP (User Datagram Protocol), que ofrece transporte rápido pero no fiable y sin conexión. Se encarga de la comunicación entre procesos específicos en las máquinas origen y destino (usando números de puerto) y permite múltiples conversaciones simultáneas sin que se mezclen.

Nivel 5: Aplicación

Agrupa las funciones de las capas de Sesión, Presentación y Aplicación del modelo OSI. Es la más próxima al usuario y posibilita los programas de aplicación con sus protocolos específicos. Implementa protocolos como HTTP, FTP, SMTP, POP, DNS, etc.

Importancia del TCP/IP

El conjunto de protocolos TCP/IP reúne las normas fundamentales que cumplen prácticamente todos los ordenadores y dispositivos conectados a Internet, haciendo posible un transporte fiable y universal de la información. Como hemos visto, la información se divide en paquetes de datos para permitir múltiples comunicaciones simultáneas y un uso eficiente de la red. Estos paquetes pueden viajar por diferentes caminos a través de la red hasta llegar al PC de destino, donde se reordenan gracias a la información de control añadida por protocolos como TCP, para reconstruir la información original.