Funcionamiento de Protocolos de Red y Arquitectura TCP/IP

Capas del Modelo TCP/IP

El modelo se organiza en las siguientes capas: Aplicación (HTTP/DNS/SMTP) → Transporte (TCP/UDP, puertos) → Red (IP) → Enlace (Ethernet, MAC) → Física (bits).

Unidades de Datos (PDU)

• Mensaje (Capa de Aplicación)
• Segmento (Capa de Transporte)
• Datagrama (Capa de Red)
• Frame o Trama (Capa de Enlace)
• Bits (Capa Física)

Un Protocolo se define entre la misma capa de hosts distintos, mientras que una Interfaz se establece entre capas adyacentes del mismo host.

Puertos de Red Comunes

• :80 HTTP
• :25 SMTP
• :110 POP3
• :53 DNS (UDP)
• :22 SSH
• :8080 Proxy
• Puertos Efímeros (1024–65535): Asignados por el Sistema Operativo al cliente.

Sockets y Conexiones

Un Socket se define por una 4-tupla única: IP_origen:puerto_origen ↔ IP_destino:puerto_destino. Si existen dos conexiones del mismo cliente al mismo servidor, es obligatorio el uso de puertos efímeros distintos; de lo contrario, el Sistema Operativo no podría distinguirlas.

• Socket de escucha: Se mantiene fijo en el puerto del servicio.
• Socket de conexión: Se crea uno nuevo por cada cliente, operando en un hilo independiente.

Registros de DNS

• A: Mapea nombre → IPv4.
• NS: Servidor autoritativo de la zona.
• MX: Servidor de correo + prioridad.
• CNAME: Alias → nombre canónico (se debe seguir hasta encontrar el registro A).
• PTR: IP → nombre (utilizado como técnica anti-spam).
• SOA: Metadatos de administración de la zona.
• TXT: SPF/DKIM/verificación.

Una Zona es la porción que administra un servidor, mientras que un Dominio es el árbol lógico completo. Un dominio puede tener varias zonas mediante la delegación vía NS. Respecto a la Caché/TTL: si no ha expirado, se responde sin consultar; si expiró, se resuelve de nuevo. El archivo hosts tiene prioridad absoluta.

Resolución de DNS

El DNS local actúa de forma recursiva (realiza toda la gestión). Los servidores Raíz, TLD y Autoritativos son iterativos (responden lo que saben o entregan una referencia).

Flujo de resolución:

PC → DNS local → Raíz (ref .uy) → TLD .uy (ref .com.uy) → TLD .com.uy (ref autoritativo) → Autoritativo (A: IP) → DNS local → PC.

• Con CNAME: El autoritativo responde "alias de web.com.uy", y el DNS local resuelve web.com.uy desde cero en una nueva ronda completa.
• MX Lookup: Consulta MX → obtiene nombre del servidor de correo → consulta A → obtiene IP.
• Anti-spam PTR: Se verifica el PTR de la IP → nombre, y el registro A del nombre → debe coincidir con la misma IP. Si no coincide, se marca como spam.

Protocolo HTTP

Ejemplo de petición: GET /equipo.html HTTP/1.1 / Host: www.deportes.com.uy / If-Modified-Since: [fecha].

Códigos de Estado:

• 200 OK
• 301 Moved Permanently: Redirige a la cabecera Location.
• 304 Not Modified: Indica usar la caché.
• 404 Not Found
• 500 Server Error

El encabezado If-Modified-Since permite optimizar: si no hubo cambios, se recibe un 304 sin cuerpo; si cambió, un 200 con el contenido. El User-Agent identifica el dispositivo para que el servidor sirva contenido adaptado.

Diferencias entre versiones:

• HTTP 1.0: Una nueva conexión TCP por cada objeto (N handshakes, N slow starts).
• HTTP 1.1: Conexión persistente + pipelining (1 handshake que se reutiliza para todo).

Proxy HTTP

1. PC → DNS local: Obtiene la IP del proxy (UDP :53).
2. PC → Proxy: GET http://www.deportes.com.uy/equipo.html HTTP/1.1 (TCP :8080). Se usa la URL completa porque el proxy no sabe a quién reenviar sin ella.
3. Proxy → DNS: Obtiene la IP del servidor.
4. Proxy → Servidor: GET /equipo.html (TCP :80, sale con IP pública vía NAT).
5. 200 OK → El proxy cachea el contenido → PC.

Son dos conexiones TCP separadas con puertos y secuencias distintas. Un segundo cliente que pida lo mismo recibirá la respuesta del proxy desde la caché directamente. El proxy verifica la validez con If-Modified-Since. NAT permite que una IP privada salga como la IP pública del router. 22

Protocolos de Correo y Transferencia

• SMTP (:25): Envío entre servidores.
• POP3 (:110): Descarga y borra del servidor (orientado a un solo dispositivo).
• IMAP (:143): Sincroniza y deja los mensajes en el servidor (multi-dispositivo).

Flujo SMTP:

EHLO / MAIL FROM: [email protected] / RCPT TO: [email protected] / DATA / From: Alicia / To: Bernardo / Subject: Hola / [línea en blanco] / cuerpo del mensaje / . / QUIT.

El MAIL FROM se usa para el routing del servidor, mientras que el From: interno es lo que ve el destinatario (pueden diferir en ataques de phishing). El punto solo en una línea indica el fin del mensaje.

MIME y Base64:

Dado que SMTP solo soporta ASCII de 7 bits, los adjuntos binarios se codifican en Base64. Los encabezados Content-Type y Content-Transfer-Encoding indican cómo decodificar.

Comparativa FTP vs HTTP:

• FTP: Utiliza 2 conexiones (control :21 + datos :20), mantiene el estado y requiere autenticación obligatoria.
• HTTP: Utiliza 1 conexión, no tiene estado y la autenticación es opcional.

TCP vs UDP

• TCP: Con conexión, confiable y ordenado. Usado en HTTP, SMTP, FTP, SSH.
• UDP: Sin conexión, no confiable y sin orden. Usado en DNS, streaming, videollamadas y juegos.

Se prefiere UDP cuando la latencia importa más que la confiabilidad (como en Zoom o juegos), ya que un paquete perdido sería inútil retransmitirlo. DNS usa UDP por ser mensajes pequeños, evitando el overhead de conexión; el reintento lo maneja la aplicación.

Stop-and-Wait y Ventana

• Ttx (Tiempo de transmisión) = L(bits) / C(bps)
• Eficiencia (η) = Ttx / (Ttx + RTT)
• W_opt (Ventana óptima) = (Ttx + RTT) / Ttx

Ejemplo: L=1500B, C=120kbps, RTT=500ms → Ttx=100ms, η=16.7%, W=6.

El método Stop-and-Wait (W=1) es simple pero muy ineficiente. Una ventana fija grande llena el canal pero no se adapta a la congestión. La ventana deslizante de TCP se adapta dinámicamente a la red y al receptor. En Go-Back-N, ante una pérdida, se retransmite ese segmento y todos los siguientes.

Resumen de Flujo Completo

• Sin proxy: DNS (PC → local → raíz → .uy → .com.uy → autoritativo → IP) → TCP handshake → GET /equipo.html HTTP/1.1 → 200 OK.
• Con proxy: DNS (PC → local → IP proxy) → TCP PC → proxy (:8080) → GET http://www.deportes.com.uy/equipo.html (URL completa) → DNS (proxy → local → IP servidor) → TCP proxy → servidor (:80) vía NAT → 200 OK → cachea → PC.