Función de las capas del modelo OSI y la arquitectura TCP/IP

El modelo OSI fue implantado en las primeras redes de ordenadores, pronto quedaría obsoleto en la práctica y sería utilizado únicamente como modelo teórico. El motivo principal es que OSI fue creado antes de implementar la programación de cada una de las capas, por lo que, al llevarlo a la práctica, algunas funcionalidades necesarias fallaron y otras se consideraron inútiles.

TCP/IP aparece como un modelo de arquitectura de red alternativo que realmente funciona en la práctica. Es un sistema válido tanto para redes medianas como grandes y presenta gran fiabilidad y relativa facilidad para el enrutamiento de paquetes.

1.- Un poco de historia.

En el año 1969 se crea la red ARPANET (Advanced Research Projects Agency NETwork), era una red de computadoras construida para enviar datos militares y conectar principales grupos de investigación en EEUU. ARPANET fue el origen de internet, en aquella época los protocolos de red eran lentos y producían muchos errores: En el año 1973 la investigación dio lugar al desarrollo de los protocolos TCP/IP, que por su sencillez, comenzó a ganar popularidad.

En el año 1974 IBM también presentó  su arquitectura de red llamada, Systems Network Architecture (SNA)

El modelo OSI (Open System Interconnection) es un modelo de referencia teórico creado por Organización Internacional de Normalización (ISO) y publicado por la ITU en 1983, surgió como un intento de unificar esfuerzos, conocimientos y técnicas para elaborar un modelo de arquitectura basado en capas, que sirviera como referencia a los distintos fabricantes de la época para construir redes compatibles entre sí. Pero el modelo obtenido resultó ser demasiado complejo y de difícil implementación, y como la arquitectura TCP/IP ya estaba implementada en gran cantidad de empresas, universidades, …, OSI no llegó a desarrollarse y únicamente se usa como modelo teórico para comprender e identificar todos los elementos que participan en el proceso de comunicación.

PROTOCOLO: conjunto de reglas/normas que controlan y coordinan el intercambio de información entre los diferentes dispositivos de la red. Cuando un ordenador se quiere comunicar con otro, se comunican a través del mismo protocolo en la misma capa.

2.- Regla nemotécnica para aprenderse capas modelo OSI

Fernando Está Riendo Tras Su Padre Alberto

3.- Encapsulación modelo OSI

Cada uno de esos esos paquetes de información se llama PDU (Unidad de Datos de Protocolo) y es diferente en cada nivel.

La terminología para la PDU en OSI proporciona nombres concretos:

4.- Encapsulación en arquitectura TCP/IP

5.- Tabla comparativa OSI vs TCP/IP

6.- Función de las capas del modelo OSI

Todas las capas inferiores proporcionan sus servicios a las de nivel superior.

1. Capa Física.

Es la única relacionada con la parte tangible de la red, es decir, con los medios de transmisión y el hardware de la red. Los principales aspectos regulados por la capa física son:

– Medios de transmisión:

• Guiados: cable (cobre o fibra)
• No Guiados:
  • Aire (WIFI)
  • Agua.
  • Vacío.

– Tipos de cableado:

• Cable de pares (cobre): UTP, STP – Blindaje de cable, FTP – Blindaje de par y de cable.
• Cable coaxial (cobre): RG-59, RG-6.
• Fibra óptica: cables submarinos, OS2: Monomodo 9/125, OM3: Multimodo 50/125 10 Gigabit

– Conectores:

Se regulan las dimensiones físicas, distribución del patillaje, función de cada patilla del conector.

• Cable de pares: RJ-45, RJ-49.
• Cable coaxial: BNC.
• Fibra óptica: ST, SC – Multimodo, LC – Monomodo.

– Topología física: anillo, malla, árbol.

– Tipo de conexión: punto a punto o difusión.

– Velocidad.

– Codificación de los datos: unipolar, polar (NRZ, RZ, Manchester), bipolar (AMI, HDB3, HLT-3)

– Modo de transmisión: simplex, semidúplex, dúplex.

– Se encarga de transformar los datos binarios en impulsos eléctricos para transmitirlos ya sea a través de un cable de red o del aire.

– La distribución y regulación del espectro electromagnético para las transmisiones sin cables.

– La multiplexación de varias señales a través de un mismo canal.

– Las especificaciones y procedimientos del proceso de codificación de la información en señales apropiadas para el canal y el proceso inverso de descodificación de estas señales.

– Las especificaciones técnicas de conectividad entre antenas.

Protocolos y estándares que regulan aspectos de la capa física:

• ANSI/TIA/EIA 568B
• ISO/IEC 11801
• Parte de la especificación de los protocolos Ethernet y del estándar IEEE 802.3

2. Capa de Enlace de Datos.

Es la primera capa basada íntegramente en software, es decir, la primera capa lógica del modelo OSI. El nivel de enlace se divide en dos niveles. Los principales aspectos regulados por la capa de enlace de datos son:

• Subnivel MAC (Media Access Control) o de control de acceso al medio: regula todos los aspectos que requieren interacción con la capa física.
  • Método/Control de Acceso al Medio: la gestión del control de acceso al medio para impedir que las distintas transmisiones se mezclen.
    • CSMA/CD (Acceso Múltiple con Detección de Portadora y Detección de Colisiones) IEEE 802.3
    • CSMA/CA (Acceso Múltiple con Detección de Portadora y Prevención de Colisiones) IEEE 802.11
  • Direccionamiento Físico: la identificación del destino de las tramas y su tratamiento en función del mismo (descarte, aceptación, conmutación, …) Cada equipo de la red tiene su propia tarjeta de red (NIC) que posee una dirección física única en formato de 12 dígitos hexadecimales. Para conocer la dirección física de las tarjetas de  red:
    • Windows: ipconfig/all
    • Linux: ip a

Para ver los fabricantes de los diferentes tipos de tarjetas de red, consulta las siguientes páginas:

• • • http://www.base64online.com/mac_address.php
    • https://www.wireshark.org/tools/oui-lookup.html
  • Control de Flujo: si la velocidad del receptor es inferior a la del emisor, es necesario establecer un control para evitar la saturación del receptor.
  • Control de Errores: permite detectar y retransmitir las tramas defectuosas y perdidas.
  • Tramado: establecimiento de un tamaño mínimo y máximo para la trama.

 

• Subnivel LLC (Logical Link Control) o de control de enlace lógico: regula todos los aspectos relacionados con las capas superiores, el establecimiento del enlace lógico y la fabricación de la trama.
  • Gestiona las direcciones lógicas.
  • Información de control.

Protocolos y estándares que regulan aspectos de la capa de enlace de datos:

• Parte de la especificación de los protocolos Ethernet y del estándar IEEE 802.3
• Parte de la especificación de la familia de estándares IEEE 802.11
• Point to Point Protocol (PPP)
• Parte de la especificación de tecnologías de enlace para WAN como HDLC, X.25, ATM, Frame Relay o xDSL.
• MPLS: opera entre capa de enlace de datos y capa de red. MPLS reemplazó a Frame Relay y ATM para llevar voz y datos en una sola conexión.

3. Capa de Red.

La capa de red es la que permite la interconexión entre redes. Los principales aspectos regulados por la capa de red son:

• El direccionamiento IP o direccionamiento lógico, que es la identificación de todos y cada uno de los dispositivos de una red y de los comunes entre redes.
• La especificación de los tamaños máximos y mínimos de los boques de datos, que en la capa de red reciben el nombre de paquetes de red.
• Enrutamiento de paquetes de datos a partir de una dirección lógica, y de la conversión de las direcciones lógicas en direcciones físicas.
• La definición de los tipos de enlace que se quieren establecer en la red; se debe elegir entre modo datagrama y modo circuitos virtuales.
  • Modo datagrama: cada paquete de red sigue un paquete independiente a través de la red.
  • Modo circuitos virtuales: antes de enviar la información, se establece el camino que deberán seguir los paquetes.
• La definición de los mecanismos mediante los cuales los dispositivos que intercomunican las redes deciden la mejor ruta para intercomunicar los dispositivos terminales de una comunicación. A este proceso se le conoce como enrutamiento y los dispositivos que lo realizan son los enrutadores o routers.
• En esta capa también se pueden ofrecer más funcionalidades como: control de errores de extremo a extremo, control de flujo y de congestión de la red, establecimiento de prioridades y de tramos preferentes en la red, garantías de calidad en el servicio, …

Protocolos y estándares que regulan aspectos de la capa de red:

• Protocolo de Internet (IP): realiza la función de encaminamiento de los paquetes. Los campos dirección IP fuente y destino nunca varían a lo largo del camino que recorre el paquete hasta su destino. IPv4, IPv6, IPSec
• ARP
• ICMP (ICMPv4, ICMPv6)

4. Capa de Transporte.

Esta capa recoge el mensaje que le llega de las capas superiores y lo divide en partes mas pequeñas, llamadas segmentos, para enviarlo de una forma sincronizada y con control de flujo a la capa de transporte del destinatario, que recompondrá los segmentos recibidos recuperando el mensaje original enviado por el emisor.

• Se definen los puertos mediante unos números que identifican a las aplicaciones que se están ejecutando en cada host. Estos indicadores permiten dirigir cada mensaje a la aplicación que le corresponde en el host destino.  Existen 2¹⁶=65536 puertos (es decir, desde 0 – 65535)
• Orientado a conexión:
  • Control de conexión: es un servicio que proporciona la fiabilidad de la comunicación, ya que antes de enviar los datos, el emisor comprueba que el receptor está preparado para recibirlos. El envío de los datos entre el emisor y el receptor se lleva a cabo en tres pasos:
    • Establecimiento de la conexión.
    • Transferencia de los datos.
    • Finalización de la conexión.
  • Control de flujo: protocolo encargado de regular el flujo de información desde el origen hasta el destino de una manera sincronizada y precisa, proporcionando calidad en el servicio de la transmisión de los datos.
  • Control de errores: la información en este nivel se envía fragmentada en segmentos. Este nivel se encarga de que los segmentos enviados lleguen sin errores, sin pérdidas y sin duplicados.
  • Ordenación de los segmentos en destino.
• NO orientado a conexión: no se establece un camino previamente, cada paquete viaja de forma independiente, pudiendo llegar al destino fuera de secuencia. El dispositivo en un extremo puede transmitir sin asegurarse que el receptor esté disponible y listo para recibir datos. El emisor puede enviar datos sin previo acuerdo.

Algunos de los protocolos importantes de la capa de transporte son:

• Protocolos orientados a conexión: Transmision Control Protocol (TCP)
• Protocolos NO orientados a la conexión: User Datagram Protocol (UDP). La aplicación Skype usa protocolo UDP.

5. Capa de Sesión.

Es la encargada de establecer, mantener y finalizar las sesiones de usuario entre dos ordenadores que se estén comunicando.

Un ejemplo del funcionamiento de esta capa lo tenemos cuando un usuario consulta una página web a un servidor. Aunque el usuario no se autentifique de manera explícita en ese servidor, el navegador solicita la página web identificándose como usuario anónimo. Es entonces cuando el servidor decide si un usuario anónimo puede o no consultar su página web. Todo este proceso ocurre de una manera transparente al usuario.

Las funciones principales de esta capa son:

• Efectuar un control de diálogo entre las dos máquinas conectadas, ya que unas veces una hace de cliente y otras de servidor.
• Proporcionar un sistema de puntos de restauración de tal manera que, ante fallos en la conexión, puede restaurar la sesión sin pérdida de datos.
• Permitir a los usuarios de distintos ordenadores establecer sesiones entre sí.

Algunos protocolos importantes de la capa de sesión son:

• Llamada de procedimiento remoto (RPC): permite a un programador ejecutar su código en una máquina remota sin preocuparse de cómo está implementada la red.
• Lenguaje de consulta estructurado (SQL): lenguaje que permite manipular y administrar bases de datos locales y en red.
• SSL/TSL: permiten establecer sesiones seguras (autenticación del origen de los paquetes y cifrado de los datos) y completan el protocolo TCP aportándole seguridad. Se utilizan en aplicaciones que necesitan establecer sesiones seguras, como por ejemplo en las destinadas a transferencia de datos, es decir, páginas web seguras (HTTPS).

6. Capa de Presentación.

Para que el usuario vea los datos de una forma comprensible en el nivel de aplicación, en el nivel de presentación estos datos deben ser convertidos en bits, utilizando un código de representación determinado, y ordenados en el formato correspondiente para el mensaje que se quiere enviar. Por ejemplo, en un correo electrónico, el destinatario, el remitente, el asunto y el contenido deben ir ordenador de una forma determinada. Otro ejemplo es que, si los datos se envían cifrados, deben seguir una ordenación concreta para ser enviados. Este orden específico a la hora de enviar la información recibe el nombre de formato del mensaje.

Algunas de las funciones de la capa de presentación son:

• Formateo de los datos.
• Cifrado de los datos.
• Compresión de los datos.

Algunos ejemplos de protocolos de la capa de presentación son:

• Lenguajes de marcas: XML, HTML (Es el protocolo que permite mostrar el hipertexto cuando navegamos por páginas web), …
• Formatos de imagen: JPEG, PNG, …
• Formatos de audio: MIDI, MP3 (Algoritmo de compresión de sonido en el que existen pérdidas prácticamente inapreciables sobre el audio original), …
• Formatos de texto: ASCII, …
• Formatos de vídeo: MPEG, AVI, …

7. Capa de Aplicación.

Es la encargada de interactuar con el usuario final y de proporcionarle los servicios de red necesarios para las aplicaciones que utiliza.

Algunas de las funciones de la capa de aplicación son:

• Transferencia de ficheros.
• Correo electrónico.
• Navegación Web.
• Acceso a bases de datos.

Algunos ejemplos de protocolos de la capa de aplicación son:

• Protocolos web: HTTP, HTTPS, …
• Protocolos de transferencia de ficheros: FTP, …
• Protocolos de correo electrónico: SMTP, POP3, IMAP, …
• Protocolos de nombres de dominio: DNS, …

7.- Función de las capas arquitectura TCP/IP.

1. Capa Acceso a la Red.

Entre sus principales funciones se encuentran:

• La conversión de la señal analógica/digital: esta función se encarga de recoger los voltajes eléctricos que recibe cada ordenador por su tarjeta de red e interpretarlos como unos y ceros, transformando así una señal analógica continua en una señal digital que solo contempla el uso de ceros y unos. Por ejemplo, podemos transformar la presencia de n voltios en la tarjeta como un 1 y la ausencia de voltaje como un 0.
• La sincronización al nivel del enlace de datos es muy necesaria, ya que permitirá que equipos más rápidos no colapsen a equipos más lentos. Para poder realizar la sincronización de los datos existen varias técnicas, como enviar caracteres de principio y fin de trama, enviar el principio y la longitud de la trama, o identificar el tamaño de cada trama mediante bits usados como banderas de inicio y fin.

Algunos ejemplos de protocolos de la capa de acceso a la red son: PPP, HDLC, ETHERNET, FRAME RELAY, …, es decir, los protocolos de las capas Física y Enlace de Datos del modelo OSI.

2. Capa de Internet.

La capa de internet es la encargada de transmitir datagramas utilizando como direccionamiento los números de dirección IP.

Entre sus principales funciones se encuentran las siguientes:

• Aportar capacidad y control de mensajería: esta función se usa para enviar mensajes de error a nivel de capa. El protocolo que los define es el ICMP (Internet Control Message Protocol) y su uso más extendido es el que se realiza con las herramientas ping o traceroute, que se utilizan para comprobar la conectividad a nivel de red entre diferentes dispositivos.
• Definir la dirección física a partir de la dirección lógica: esto es, hacer uso del protocolo ARP para poder obtener la dirección MAC de los equipos cuando se sabe su dirección IP. Muchas veces los dispositivos conocen el direccionamiento IP de sus vecinos en red, pero desconocen su dirección MAC, con lo que no pueden comunicarse a nivel de enlace de datos con estos nodos vecinos. La existencia del protocolo ARP resuelve este problema, ya que logra localizar las direcciones físicas cuando se conoce la IP del dispositivo.
• Realizar la fragmentación y posterior ensamblaje del datagrama: esta función recibe el segmento de datos de la capa de transporte y lo divide en datagramas más pequeños, que posteriormente serán ensamblados en el equipo destino que los reciba.

3. Capa de Transporte.

La capa de transporte es la encargada de realizar una transmisión fiable entre las aplicaciones que quieren comunicarse.

Como pueden existir varias aplicaciones de una misma máquina que quieran comunicarse al mismo tiempo, la capa de transporte introduce el concepto de puerto para resolver este problema. Así, cada aplicación que quiera comunicarse lo hace por el puerto que se le asigna, para que dicha comunicación no interfiera con las demás aplicaciones.

Los puertos del 0-1023 son reservados para el sistema operativo.

A partir del 1024 y hasta el 65535, son puertos para aplicaciones y programas de usuario.

Entre las principales funciones de esta capa se encuentran las siguientes:

• Dividir en segmentos los datos que le llegan de la capa de aplicación: esta primera división se realiza en esta capa, dado que los datos que llegan de la capa superior deben ser divididos para poder ser enviados.
• Proporcionar servicio extremo a extremo entre los host conectados: este servicio consigue que los nodos de una red puedan enviar paquetes a los demás nodos, sin requerir elementos intermedios de red. Por ejemplo, en el caso de una conexión a internet mediante ISP, la conexión extremo a extremo hace posible que la línea funcione correctamente en los servicios ofrecidos.

4. Capa de Aplicación.

Esta capa contiene las aplicaciones de red que usarán los servicios ofrecidos por las capas inferiores del modelo para comunicarse.

Existen muchos protocolos de aplicación pensados para ofrecer una utilidad al usuario final. Al aparecer nuevas aplicaciones cada día, también pueden aparecer nuevos protocolos de la capa de aplicación.

Algunos protocolos de la capa de aplicación son los siguientes:

• Telnet (Telecommunication network): permite la conexión remota a otro terminal para poder utilizarla como si estuvieramos sentados delante de ella. Es un protocolo inseguro, ya que todo lo que se transmite es en texto plano
• NFS (Network File System): permite compartir ficheros en red. Se utiliza en sistemas Linux y Windows.
• FTP (File Transfer Protocol): permite la transferencia de ficheros entre ordenadores conectados a internet.
• HTTP (Hypertext Transfer Protocol): permite transmitir texto con hipervínculos e imágenes, base de las actuales páginas web.
• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): protocolo de transferencia simple de correo electrónico. Puesto que está basado en texto, se utiliza para el intercambio de mensajes de correo electrónico.
• SSH (Secure Shell): consigue la transferencia de datos encriptados para que un posible oyente de la red no pueda ver los datos que se transmiten
• POP (Post Office Protocol): se utiliza para obtener mensajes de correo electrónico almacenados en un servidor remoto. Con este protocolo se consigue descargar todo el contenido del correo electrónico desde el servidor hasta el ordenador del cliente.

Ejercicio 1. Relaciona los siguientes protocolos y estándares con el número de capa del modelo OSI correspondiente.

• HTTP: Aplicación (7)
• IPv4: Red (3)
• UDP: Transporte (4)
• TCP: Transporte (4)
• HTML: Presentación (6)
• ICMP: Red(3)
• RJ-45: Física(1)
• ASCII: Presentación (6)
• DNS: Aplicación (7)
• FTP: Aplicación (7)
• IEEE 802.11: Física (1)

Ejercicio 2. Relaciona los siguientes protocolos y estándares con el número de capa de la arquitectura TCP/IP correspondiente.

• HTTP: Aplicación (4)
• IPv4: Internet (2)
• UDP: Transporte (3)
• TCP: Transporte (3)
• ICMP: Internet(2)
• ARP: Internet (2)
• RJ-45: Física(1)
• DNS: Aplicación (4)
• FTP: Aplicación (7)
• Ethernet: Acceso a Red (1)