Fundamentos de Redes: Modelo OSI, TCP/IP y Protocolos

Fundamentos de Redes

Modelo OSI

Diseñado por la ISO a finales de los 70, el Modelo OSI es un modelo teórico que describe el funcionamiento de una red, dividiendo el proceso en 7 capas. Cada capa realiza funciones específicas e interactúa con las capas adyacentes. Las capas son independientes y cada dispositivo, ya sea final o intermediario, opera en una sola capa. Cada capa alberga protocolos.

Capas del Modelo OSI:

1. Capa de Aplicación (7): Proporciona servicios de red a las aplicaciones (ej. protocolo SMTP).
2. Capa de Presentación (6): Formatea, encripta/desencripta, comprime/descomprime la información (ej. transmitir una imagen por correo, se transforma en texto plano con el protocolo MIME y el receptor la transforma de nuevo en imagen).
3. Capa de Sesión (5): Abre y cierra sesiones entre las aplicaciones de origen y destino: autenticación, autorización, reanudar transmisiones interrumpidas, sincronizar (ej. reanudar la descarga de un archivo donde se produjo la interrupción).
4. Capa de Transporte (4): Segmenta el mensaje, asegurándose de no sobrecargar el host destino. Permite que un host tenga varias conexiones a la vez, cada una con su ID independiente. Protocolos UDP y TCP.
5. Capa de Red (3):
   1. Direccionamiento lógico.
   2. Permitir enviar datos a un host de otra red.
   3. Establecer la ruta por la que se envían los datos.
   4. Encaminar los datos por la ruta hasta el host destino. Protocolo IP.
6. Capa de Enlace de Datos (2):
   1. Direccionamiento físico (MAC).
   2. Detección (y a veces corrección) de errores.
   3. Gestionar el acceso al medio físico.
   4. Aislar las capas superiores de la tecnología de red utilizada. Ejemplos de tecnologías: Wifi, ADSL, Ethernet.
7. Capa Física (1):
   1. Define las características del medio y los conectores (frecuencia, distancia máxima, etc.).
   2. Codifica o modula los datos para su transmisión por el medio.
   3. Negocia el modo de transmisión: simplex, dúplex, full-duplex.

Encapsulación:

Los datos se originan en las capas superiores y van descendiendo a medida que se les añade información de control. La PDU (Unidad de Datos de Protocolo) de una capa es la sección de datos más el encabezado.

PDUs: Aplicación - Datos/mensaje, Transporte - Segmento, Red - Paquete/datagrama, Enlace - Trama, Física - Bits.

Conforme el mensaje va bajando, se le va añadiendo a la izquierda la información correspondiente a cada capa.

Recorrido del Mensaje en la Encapsulación:

Un mensaje se crea en la capa de aplicación del host de origen y baja a la capa 4, donde se divide en fragmentos a los que se les añade el encabezado (puerto origen - puerto destino) de la capa 4, formando segmentos. El segmento se envía a la capa inferior, donde se le añade el encabezado (IP origen - IP destino) de la capa 3, formando el paquete. El paquete se envía a la capa inferior, se le añade el encabezado (dirección física origen - dirección física destino) y el tráiler (payload), formando la trama. La trama pasa a la capa física y sus bits pasan al medio físico (pueden pasar por dispositivos intermediarios) hasta llegar al host destino. Por último, el host destino realiza el proceso inverso. Al llegar a la capa 4, se unen los segmentos y se obtiene el mensaje original que se entrega a la aplicación.

Modelo TCP/IP

Similar al modelo OSI, el modelo TCP/IP solo tiene 4 capas en las que se usan distintos protocolos. TCP/IP es un modelo práctico utilizado en la mayoría de las máquinas.

Capa 4: HTTP, DNS, FTP, SSH, SMTP, Telnet, NNTP, POP3.

Capa 3: TCP y UDP.

Capa 2: IP, ARP, DHCP.

Capa 1: Ethernet, ADSL, PPP.

Puertos

1. Bien conocidos: 0 a 1023. Reservados para servicios y protocolos.
2. Puertos registrados: 1024 a 49151. Utilizados por aplicaciones que no son servicios conocidos.
3. Puertos dinámicos: 49152 a 65535. Se asignan dinámicamente a los clientes cuando inician la conexión.

Cables

UTP:

Par trenzado. 4 hilos. Recubiertos de plástico flexible (solo protege de daño físico). Conector RJ-45. Distancia máxima: 100m (UTP y sus variantes).

S/FTP:

Todo recubierto de malla metálica (S) y pares recubiertos con papel de aluminio (FTP). Tiene cable de masa, lo que reduce el ruido. Conectores GG45 y TERA.

SF/UTP:

Malla y recubrimiento de aluminio para todos (SF) y pares trenzados sin apantallar (UTP).

Tipos de Cable:

• Directo: Ambos extremos 568A o ambos 568B. Para conectar un dispositivo final con uno intermedio. Excepción: Switch-Router: Directo.
• Cruzado: Un extremo A y otro B. Para conectar dos dispositivos intermedios. Excepción: PC-Router: Cruzado.
• Transpuesto: Un extremo A o B y el otro con el orden inverso. Para conectar un PC al puerto de consola de un router o switch.
• Tecnología Auto MDI/MDIX: No importa el tipo de cable, ya que realiza el cambio de hardware cuando es necesario.

568A: Blanco/Verde, Verde, Blanco/Naranja, Azul, Blanco/Azul, Naranja, Blanco/Marrón, Marrón.

568B: Blanco/Naranja, Naranja, Blanco/Verde, Azul, Blanco/Azul, Verde, Blanco/Marrón, Marrón.

Cable Coaxial:

Revestimiento exterior, blindaje de cobre trenzado, aislamiento plástico y conductor de cobre. Conectores BNC, F. Distancia máxima: 500m.

Fibra Óptica:

Material de refuerzo, buffer, revestimiento (evita fugas de luz) y núcleo (fibra de vidrio por la que circulan los pulsos de luz). Conectores ST, SC, LC. Fuente de luz: Láser (monomodo) (amarilla), LED (multimodo) (color naranja). Detector: Fotodiodo (detecta pulsos y los convierte en voltaje). Los cables de fibra se designan por: dimensión del núcleo / dimensión del revestimiento. Si la luz viaja en dos sentidos, tenemos conexión full-duplex.

Tasa de Transferencia

Número de bits enviados por segundo. Depende del método de decodificación.

Tasa de Señalización

Número de símbolos por segundo. Se mide en baudios.

Estándares

1. 100BaseTx (Fast Ethernet): 100 = velocidad, Base = banda base, T = par trenzado, x = se usan la mitad de los hilos (4 de 8), Fast Ethernet = nombre con el que se conoce. Medio: UTP cat 5 o superior. Velocidad: 100 Mbps. Longitud máxima del segmento: 100m. Codificación en línea: 4B/5B (elimina componente continua) + MLT-3 (bits -> señal). Tx/Rx: Un par para transmitir: pin 1: TD+ y pin 2: TD- y otro par para recibir: pin 3: RD+ y pin 6: RD-.
2. 100BaseFx (Fast Ethernet): Medio: Fibra multimodo. Velocidad: 100 Mbps. Longitud máxima del segmento: 2 km aprox. Codificación en línea: 4B/5B + NRZI (dos niveles, 1 cambio, 0 se mantiene). Tx/Rx: 1 hilo para transmitir y otro para recibir.
3. 1000BaseT (Gigabit Ethernet): Sin x porque usa todos los hilos. Medio: UTP cat 5 o superior. Velocidad: 1 Gbps. Distancia máxima: 100m. Codificación en línea: 8B1Q4 + 4D-PAM5. Tx/Rx: Los cuatro pares de hilos transmiten y reciben a la vez.
4. 1000BaseSx (Gigabit Ethernet): Medio: Fibra multimodo. Velocidad: 1 Gbps. Longitud máxima del segmento: 220m-550m (según la fibra). Codificación en línea: 8B/10 + NRZ. La S viene de"shor", significa que la señal es corta, la fuente es un láser de bajo coste o diodo LED, y si es L, proviene de"lon", la fuente es fuerte y es monomodo.
5. 10 Gigabit Ethernet: Existen muchos estándares 10 Gigabit. Medio: Monomodo, multimodo, par trenzado 6A o superior. Velocidad: 10 Gbps. Distancia máxima: 100m-80Km (según el medio). Codificación en línea: 64B/66B + 2D-PAM16 (entre otras).

Tipos de Direcciones MAC

1. Unicast: El primer octeto de bits acaba en 0. Sirve para identificar a un equipo. Es una comunicación 1 a 1.
2. Multicast: El primer octeto acaba en 1. Sirve para identificar un conjunto de equipos. Es una comunicación 1 a varios.
3. Broadcast: Los 6 octetos son FF. Comunicación 1 a todos. Es un mensaje de difusión.

Direcciones Reservadas

Son direcciones que no pueden ser asignadas a los hosts:

1. Dirección de broadcast.
2. Dirección de red/subred.
3. Dirección de Loopback: Todo el rango de direcciones 127.X.X.X, normalmente 127.0.0.1. Lo utilizan los hosts para dirigir el tráfico a ellos mismos. Muy útil para hacer pruebas.
4. Dirección sin especificar: Dirección 0.0.0.0. Representa la ausencia de dirección. Cuando la asignación de IPv4 es dinámica, el host pedirá al servidor DHCP que le asigne una configuración. El host envía 2 paquetes DHCP Discover a través de broadcast, ya que no sabe la dirección del servidor DHCP, al que le responden con un DHCP Offer (en caso de que no haya servidor DHCP, el paquete será reenviado por DHCP Relay Agent, que debe estar configurado en el router). El host selecciona un paquete DHCP Offer y envía otro broadcast DHCP Request, pero con información para el servidor que en el DHCP Offer le había seleccionado. Tanto DHCP Discover como Request son paquetes mandados por un host sin configuración de red. En la capa 3, la dirección IP será 0.0.0.0. Si el cliente y el servidor están en redes/subredes distintas, será más difícil.
5. Ruta por defecto: IP 0.0.0.0 en el entorno de los routers. Si al hacer AND con la IP destino y la máscara no se obtiene la dirección de la ruta, y esto se comprueba con todas las otras rutas, entonces se toma la ruta por defecto.
6. Otro uso de 0.0.0.0 (servidores): En el contexto de servidores significa: todas las IPv4 de esta máquina. Si un host tiene 2 IPv4 y tiene un servidor que escucha la IP 0.0.0.0, el servidor será accesible desde ambas IPs.
7. Link-Local: Todo el rango de direcciones 169.254.X.X. Tiene función de autoconfiguración. Si un equipo no tiene IP asignada y no puede consultar al servidor DHCP (asignación estática o dinámica, pero no encuentra al servidor) y el sistema operativo tiene habilitada la función de autoconfiguración, el equipo se autoasigna una IP del rango Link-Local. Pasos: 1- El equipo se asigna una IP aleatoria del rango Link-Local. 2- Lanza una consulta ARP a la red para saber si alguien tiene su misma IP; si alguien está usando la misma IP, volvemos al paso 1. Con una IP Link-Local, el equipo podrá comunicarse con otros equipos de su red, pero no con internet. Aplicaciones: Redes Ad-Hoc (redes creadas sobre la marcha donde todos los hosts tienen IP Link-Local).

Métrica y DA

Cuando se usan el mismo protocolo, se utiliza la métrica para comparar rutas, y la DA (Distancia Administrativa) cuando son protocolos distintos.

Protocolos

1) ICMP (Protocolo de Control de Mensajes de Internet):

Se usa para notificar errores al dispositivo emisor y enviar información de control a otros dispositivos. Sirve para encontrar fallos en la red. Es de capa 3, el mensaje ICMP se origina en la capa 3. Pueden ser mensajes de control o notificación de errores. Cuando hay cualquier fallo por el cual un paquete no puede alcanzar el destino, se notifica con ICMP. ICMP notifica, pero no corrige.

2) ARP (Address Resolution Protocol):

Se encarga de descubrir la MAC de un dispositivo a través de su IP. Todos los dispositivos tienen una tabla ARP. Si queremos mandar un paquete a un dispositivo de nuestra red, conocemos su IP, pero en la trama tenemos que poner su MAC. Entonces, el PC, antes de enviar el paquete, busca en su tabla ARP; si no la encuentra, manda un ARP Request.

El paquete ARP nace en la capa 3, pero tiene estructura de capa 2.

ARP Request: MAC destino / MAC origen / Paquete ARP Request / Tráiler.

ARP Reply: MAC destino / MAC origen / Paquete ARP Reply / Tráiler.

En el paquete ARP Reply viene la dirección MAC destino.

3) TCP (Protocolo de Control de Transmisión) (HTTP, FTP, DNS):

La capa 2 garantiza la entrega de tramas. En la capa 3, el protocolo IP no garantiza la entrega de paquetes, pero en la capa 4 sí se garantiza la entrega mediante TCP. Una conexión TCP tiene 3 etapas: 1- Establecimiento de la conexión (saludo de 3 vías). 2- Transferencia de datos. 3- Fin de la conexión. La cabecera de la capa 4 contiene: puerto origen y destino, tipo de segmento, número de secuencia, ACK (acuse de recibo), tamaño de la ventana.

Número de secuencia: Número que identifica el segmento, primero aleatorio y después sumando +1. Wireshark empieza en 0. Dentro del número de secuencia está el MSS (Maximum Segment Size): número de bytes por segmento, se obtiene del MTU (Maximum Transmission Unit) de la capa 2.

ACK: Es el número de secuencia del próximo byte que se espera recibir, confirmando los anteriores. Se pueden enviar varios segmentos sin esperar el ACK, ya que este puede ser acumulativo.

Ventana: Parámetro que se usa para que el buffer de recepción no se sature. El valor de la ventana será el espacio libre en el buffer.

4) UDP (Protocolo de Datagrama de Usuario) (DNS, TFTP):

No hay ni ACK ni ventana, aun así es útil porque es más rápido que TCP. Los errores deberán gestionarlos los protocolos de la capa de aplicación. Aplicaciones que utilizan UDP: las que requieren velocidad, toleran pequeños fallos o pérdidas de datos, transmiten pequeños volúmenes de datos y la aplicación incorpora mecanismos de control y fiabilidad. Es más rápido porque no hay ni saludo a tres vías ni aviso de fin de conexión, no hay ACKs y las cabeceras son más simples. UDP soporta más clientes porque no gasta tantos recursos.

PDU capa 4 de UDP: 1) Puerto origen - puerto destino y 2) Longitud del mensaje y checksum verification.

5) HTTP:

Tiene saludo de 3 vías, HTTP request (el cliente solicita la página), el servidor confirma el GET, el servidor manda la página (tantos segmentos como sea necesario), el cliente va confirmando con ACKs y se produce la despedida.

6) FTP (sobre TCP):

Protocolo de la capa de aplicación, tiene dos conexiones TCP: 1- Conexión de control: conexión abierta entre el cliente y el servidor para realizar la transferencia de archivos. El puerto destino es el 21. Para cada archivo a transferir se abre una nueva conexión de datos. 2- Conexión de datos: conexión abierta entre el cliente y el servidor para la transferencia de 1 archivo. El puerto destino es el 20. Listar archivos de un directorio cuenta como transferir un archivo. Las conexiones son independientes entre sí, aunque el servidor use siempre el puerto 20, el cliente usará puertos diferentes. Ambos tipos son conexiones TCP, por lo tanto, tendrán saludo de 3 vías, transferencia y despedida (comando"qui" para cerrar la conexión TCP). Los puertos tienen asociados estados.

7) HTTP (alto nivel):

El usuario introduce la dirección web en el navegador. El cliente interpreta la dirección y establece una conexión TCP con el servidor web para solicitar la página (mensaje GET). El servidor envía el código de la página al cliente (en varios segmentos) y, si no existe, envía un código de error (404, not found). Cuando el cliente recibe la página, interpreta el código HTML/XML y ejecuta el código JavaScript, Java (applet) que contenga. Por último, el cliente muestra la página.

HTTP 1.1: acciones: GET: solicita la página. POST: envía información al servidor. HEAD: solicita el encabezado de una página.

Capa de Aplicación

Puertos: HTTP -> 80, FTP -> 21, DNS -> 53, TFTP -> 69.

DNS (Domain Name System):

Servicio de nombres de dominio. Proporciona un mecanismo para traducir nombres de dominio en IPs. DNS usa tanto UDP como TCP. Información que se guarda en las bases de datos de DNS:

• NS: nombre de dominio -> nombre del servidor DNS autoritario.
• A: nombre de host -> dirección IP del host.
• CNAME: alias -> nombre de host.

Ejemplo: Traducir www.uca.es:

J: NS: es -> dns.red.es (ZONA ES) y A: dns.red.es -> 1.1.1.1

dns.red.es: NS: uca.es -> dns.uca.es y A: dns.uca.es -> 2.2.2.2

dns.uca.es: A: www.uca.es -> 3.3.3.3 y A: ftp.uca.es -> 3.3.3.3

IP www.uca.es: 3.3.3.3

Los PCs tienen caché DNS, primero consultan la caché y, si no está, buscan en el servidor DNS. Los servidores DNS que se configuran en el PC al hacer la configuración de red son "servidores DNS caché". Cuando un PC hace una consulta, primero mira la caché a ver si puede resolverla; si no, llama al servidor autoritario de la zona raíz y sigue el proceso como antes. Cuando se cambia un nombre de dominio, se manda un mensaje avisando del cambio a todos los servidores que contengan ese dominio. A esto se le llama propagación de nombres.

Comandos

PING:

Mensajes de ECO ICMP que el emisor emite esperando mensajes ICMP de respuesta por parte del receptor.

TRACERT:

Informa de cada salto (número de routers hasta llegar al host). Para cada salto muestra: número de salto, tiempo en ir y volver, y la IP del salto. Máximo de saltos: 30. Este comando nos permite saber en qué punto de la conexión está el error.

ipconfig /all:

Para ver la configuración de red de los controladores de red de mi equipo.

Configurar router/switch:

enable, conf t, interface X, ip address X X, no shutdown.

Configurar ruta:

Primero hay que configurar el router y luego: ip route IP MÁSCARA PUERTO.