Modelo OSI y TCP/IP: Capas, Funcionamiento y Protocolos

Modelo OSI

1. Capa Física
   • Transmisión de flujo de bits a través del medio. No existe estructura alguna.
   • Maneja voltajes y pulsos eléctricos.
   • Especifica cables, conectores y componentes de interfaz con el medio de transmisión.
2. Capa de Enlace de Datos
   • Estructura el flujo de bits bajo un formato predefinido llamado trama.
   • Para formar una trama, el nivel de enlace agrega una secuencia especial de bits al principio y al final del flujo inicial de bits.
   • Transfiere tramas de una forma confiable libre de errores (utiliza reconocimientos y retransmisión de tramas).
   • Provee control de flujo.
   • Utiliza la técnica de "piggybacking".
3. Capa de Red (Nivel de Paquetes)
   • Divide los mensajes de la capa de transporte en paquetes y los ensambla al final.
   • Utiliza el nivel de enlace para el envío de paquetes: un paquete es encapsulado en una trama.
   • Enrutamiento de paquetes.
   • Envía los paquetes de nodo a nodo usando ya sea un circuito virtual o como datagramas.
   • Control de Congestión.
4. Capa de Transporte
   • Establece conexiones punto a punto sin errores para el envío de mensajes.
   • Permite multiplexar una conexión punto a punto entre diferentes procesos del usuario (puntos extremos de una conexión).
   • Provee la función de difusión de mensajes (broadcast) a múltiples destinos.
   • Control de Flujo.
5. Capa de Sesión
   • Permite a usuarios en diferentes máquinas establecer una sesión.
   • Una sesión puede ser usada para efectuar un login a un sistema de tiempo compartido remoto, para transferir un archivo entre 2 máquinas, etc.
   • Controla el diálogo (quién habla, cuándo, cuánto tiempo, half duplex o full duplex).
   • Función de sincronización.
6. Capa de Presentación
   • Establece una sintaxis y semántica de la información transmitida.
   • Se define la estructura de los datos a transmitir (por ejemplo, define los campos de un registro: nombre, dirección, teléfono, etc.).
   • Define el código a usar para representar una cadena de caracteres (ASCII, EBCDIC, etc.).
   • Compresión de datos.
   • Criptografía.
7. Capa de Aplicación
   • Transferencia de archivos (FTP).
   • Login remoto (rlogin, telnet).
   • Correo electrónico (mail).
   • Acceso a bases de datos, etc.

Descripción Detallada de las Capas del Modelo OSI

• Capa 7: Aplicación - Esta es la capa que interactúa con el sistema operativo o aplicación cuando el usuario decide transferir archivos, leer mensajes, o realizar otras actividades de red. Por ello, en esta capa se incluyen tecnologías tales como HTTP, DNS, SMTP, SSH, Telnet, etc.
• Capa 6: Presentación - Esta capa tiene la misión de coger los datos que han sido entregados por la capa de aplicación, y convertirlos en un formato estándar que otras capas puedan entender. En esta capa tenemos como ejemplo los formatos MP3, MPG, GIF, etc.
• Capa 5: Sesión - Esta capa establece, mantiene y termina las comunicaciones que se forman entre dispositivos. Se pueden poner como ejemplo, las sesiones SQL, RPC, NetBIOS, etc.
• Capa 4: Transporte - Esta capa mantiene el control de flujo de datos, y provee de verificación de errores y recuperación de datos entre dispositivos. Control de flujo significa que la capa de transporte vigila si los datos vienen de más de una aplicación e integra cada uno de los datos de aplicación en un solo flujo dentro de la red física. Como ejemplos más claros tenemos TCP y UDP.
• Capa 3: Red - Esta capa determina la forma en que serán mandados los datos al dispositivo receptor. Aquí se manejan los protocolos de enrutamiento y el manejo de direcciones IP. En esta capa hablamos de IP, IPX, X.25, etc.
• Capa 2: Datos - También llamada capa de enlaces de datos. En esta capa, el protocolo físico adecuado es asignado a los datos. Se asigna el tipo de red y la secuencia de paquetes utilizada. Los ejemplos más claros son Ethernet, ATM, Frame Relay, etc.
• Capa 1: Física - Este es el nivel de lo que llamamos llanamente hardware. Define las características físicas de la red, como las conexiones, niveles de voltaje, cableado, etc. Como habrás supuesto, podemos incluir en esta capa la fibra óptica, el par trenzado, cable cruzados, etc.

Modelo TCP/IP

El modelo TCP/IP es un modelo de descripción de protocolos de red desarrollado en los años 70 por Vinton Cerf y Robert E. Kahn. Fue implantado en la red ARPANET, la primera red de área amplia, desarrollada por encargo de DARPA, una agencia del Departamento de Defensa de los Estados Unidos, y predecesora de la actual red Internet. El modelo TCP/IP se denomina a veces como Internet Model, Modelo DoD o Modelo DARPA.

El modelo TCP/IP describe un conjunto de guías generales de diseño e implementación de protocolos de red específicos para permitir que un equipo pueda comunicarse en una red. TCP/IP provee conectividad de extremo a extremo especificando cómo los datos deberían ser formateados, direccionados, transmitidos, enrutados y recibidos por el destinatario. Existen protocolos para los diferentes tipos de servicios de comunicación entre equipos.

TCP/IP tiene cuatro capas de abstracción según se define en el RFC 1122. Esta arquitectura de capas a menudo es comparada con el Modelo OSI de siete capas.

El modelo TCP/IP y los protocolos relacionados son mantenidos por la Internet Engineering Task Force (IETF).

Comparación de Capas: Modelo OSI vs. TCP/IP

Para conseguir un intercambio fiable de datos entre dos equipos, se deben llevar a cabo muchos procedimientos separados. El resultado es que el software de comunicaciones es complejo. Con un modelo en capas o niveles resulta más sencillo agrupar funciones relacionadas e implementar el software de comunicaciones modular.

Las capas están jerarquizadas. Cada capa se construye sobre su predecesora. El número de capas y, en cada una de ellas, sus servicios y funciones son variables con cada tipo de red. Sin embargo, en cualquier red, la misión de cada capa es proveer servicios a las capas superiores haciéndoles transparentes el modo en que esos servicios se llevan a cabo. De esta manera, cada capa debe ocuparse exclusivamente de su nivel inmediatamente inferior, a quien solicita servicios, y del nivel inmediatamente superior, a quien devuelve resultados.

• Capa 4 o capa de aplicación: Aplicación, asimilable a las capas 5 (sesión), 6 (presentación) y 7 (aplicación) del modelo OSI. La capa de aplicación debía incluir los detalles de las capas de sesión y presentación OSI. Crearon una capa de aplicación que maneja aspectos de representación, codificación y control de diálogo.
• Capa 3 o capa de transporte: Transporte, asimilable a la capa 4 (transporte) del modelo OSI.
• Capa 2 o capa de internet: Internet, asimilable a la capa 3 (red) del modelo OSI.
• Capa 1 o capa de acceso al medio: Acceso al Medio, asimilable a la capa 2 (enlace de datos) y a la capa 1 (física) del modelo OSI.

Arquitectura TCP/IP en Redes LAN

La pila de protocolos (conjunto de reglas perfectamente organizadas y convenidas de mutuo acuerdo entre los participantes de una comunicación y cuya misión es regular algún aspecto de la misma) que utilizará su red LAN.

La arquitectura (conjunto organizado de capas y protocolos) utilizada en su red, será como la mayoría, una arquitectura TCP/IP. Esta arquitectura está basada en una arquitectura teórica que definió la ISO en el año 88 llamada arquitectura OSI. En la imagen adjunta se muestra la correspondencia general de esa arquitectura teórica con la arquitectura que tendrán instalada en su red LAN.

El conjunto de protocolos TCP/IP permite la comunicación entre diferentes máquinas que ejecutan sistemas operativos completamente distintos.

Su desarrollo comenzó a finales de los 60, como proyecto financiado por el Gobierno de los Estados Unidos.

Auténtico sistema abierto: Los protocolos y sus implementaciones están disponibles públicamente.

Constituyen el armazón sobre el que se sitúa la Internet.

Protocolos Involucrados en TCP/IP

Las redes de comunicaciones están concebidas entorno al concepto de capas de servicio.

En esta estructura cada capa tiene como misión abstraer del HW de las capas superiores, y proporcionar servicios cada vez de más alto nivel.

Esta estructura en capas se utiliza en las arquitecturas de comunicaciones más extendidas.

Niveles de la Pila TCP/IP

Descripción de los Niveles TCP/IP

• Enlace: Tarjetas de red, manejadores de dispositivo. Se ocupa del acceso al cable.
• Red: Se ocupa del movimiento de paquetes por la red (ej: encaminamiento de paquetes).
• Transporte: Proporciona al nivel de aplicación un flujo de datos entre máquinas, a través de puertos. TCP: flujo de datos fiable; UDP: flujo no fiable.
• Aplicación: Gestiona los detalles de cada aplicación en particular: Telnet, FTP, SMTP, ...

Direcciones y Subredes

En ocasiones, por razones organizativas o topológicas, se utilizan algunos bits de máquina como bits de subred.

Dada una dirección de red otorgada por el InterNIC, el administrador decide si utilizará subredes, y el número de bits de máquina que utilizará para indicar la subred.

El número de bits con el que se indica la subred se denota con una máscara de subred: 32 bits, 1 para bits de red y subred, 0 para bits de máquina.

Ejemplo: Dirección 163.117.129.50 (clase B) con máscara 255.255.255.0 se interpreta como máquina 50 de la subred 129 de la red 163.117.

Funcionamiento de IP

IP finaliza su trabajo cuando los routers hayan puesto los datos en la red correcta, y la red local los haya depositado en la máquina adecuada.

La información enviada se fragmenta en paquetes. Supone mayor lentitud si hay mucha gente conectada y la red no es rápida.

Todo lo que precisamos para participar en Internet es IP. Proporciona toda la información que se precisa para enviar los datos al lugar adecuado.

TCP (Transmission Control Protocol)

TCP es un protocolo del nivel de transporte orientado a conexión.

Es fiable, recuperándose de fallos esporádicos: pérdidas, duplicaciones, desordenamientos: Uso de temporizadores y mensajes de asentimiento.

Maneja algoritmos de control de congestión.

Establece una conexión: Fases de establecimiento, transferencia y cierre.

La conexión es bidireccional.

Los datos de la aplicación son troceados/reagrupados de la forma que el protocolo considere conveniente.

Proporciona control de flujo.

Funcionamiento de TCP

El EMISOR:

1. Recubre con un envoltorio TCP, una parte de los datos.
2. Este con uno IP, y acto seguido se envía a la red.

El RECEPTOR:

1. El software TCP/IP recoge los envoltorios, extrae los datos, y los ordena. Si hay perdidas, solicita retransmisión.
2. La información ordenada se envía a la aplicación que precise sus servicios.

UDP (User Datagram Protocol)

UDP es un protocolo simple del nivel de transporte, NO orientado a conexión.

UDP no da fiabilidad: Los datagramas enviados pueden perderse, duplicarse o llegar desordenados a su destino.

Es necesario recuperar esos errores en el nivel de aplicación.

Es más ``ligero'' que TCP: Se transfieren los datos de la aplicación tal como llegan, con una cabecera.