El Modelo OSI Descripción General
Durante las últimas tres décadas ha habido un enorme crecimiento en la cantidad y tamaño de las redes. Muchas de ellas sin embargo, se desarrollaron utilizando implementaciones de hardware y software diferentes. Como resultado, muchas de las redes eran incompatibles y se volvió muy difícil para las redes que utilizaban especificaciones distintas poder comunicarse entre sí. Para solucionar este problema, la Organización Internacional para la Normalización (ISO) realizó varias investigaciones acerca de los esquemas de red. La ISO reconoció que era necesario crear un modelo de red que pudiera ayudar a los diseñadores de red a implementar redes que pudieran comunicarse y trabajar en conjunto (interoperabilidad) y por lo tanto, elaboraron el modelo de referencia OSI en 1984.
Evolución De Las Normas
Al principio de su desarrollo, las LAN, MAN y WAN eran era n en cierto modo caóticas. ca óticas. A principios de la década de los 80 se produjo un gran aumento en la cantidad y el tamaño de las redes. A medida que las empresas se dieron cuenta de que podrían ahorrar mucho dinero y aumentar la productividad con la tecnología de networking, comenzaron a agregar redes y a expandir las redes existentes casi simultáneamente con la aparición de nuevas tecnologías y productos de red. A mediados de los 80, estas empresas debieron enfrentar problemas cada vez más serios debido a su expansión caótica. Resultaba cada vez más difícil que las redes que usaban especificaciones diferentes pudieran comunicarse entre sí. Se dieron cuenta que necesitaban salir de los sistemas de red propietarios. Los sistemas propietarios se desarrollan, pertenecen y son controlados por organizaciones privadas. En la industria informática, propietario es lo opuesto de abierto, y significa que una empresa o un pequeño grupo de empresas controlan el uso de la tecnología. Abierto significa que el uso libre de la tecnología está disponible para todos. Para enfrentar el problema de incompatibilidad de las redes y su imposibilidad de comunicarse entre sí, la Organización Internacional de Estándares (ISO ) estudió diferentes esquemas de red como DECNET, SNA y TCP/IP a fin de encontrar un conjunto de reglas. Como resultado de esta investigación, la ISO desarrolló un modelo de red que ayudaría a los fabricantes a crear redes que fueran compatibles y que pudieran operar con otras redes. El modelo de referencia OSI, lanzado en 1984, fue el esquema descriptivo que crearon. Este modelo proporcionó a los fabricantes un conjunto de estándares que aseguraron una mayor compatibilidad e interoperabilidad entre los distintos tipos de tecnología de red utilizados por las empresas a nivel mundial.
En 1978, la Organización Internacional de Estándares (ISO) publico un conjunto de especificaciones que describían una arquitectura de red para conectar distintos dispositivos. El documento original se aplicaba a los sistemas abiertos, porque todos podian usar los mismos protocolos y estándares para intercambiar información. En 1984, la ISO publico una revisión de este modelo y los llamo el modelo de referencia para Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI). Esta revisión se ha convertido en un estandar internacional y sirve como guía para la conectividad en redes. Este modelo es la guía mas conocida y mas ampliamente usada para describir los estornos de red. Los fabricantes diseñan sus productos de red basados en las especificaciones del modelo OSI. Este proporciona una descripción de cómo funcionan juntos por niveles el hardware y el software de red para establecer una comunicación. También ayuda a solucionar problemas proporcionando un marco de referencia que describe como deben funcionar los distintos componentes.
Comunicaciones en Red. La actividad de red requiere enviar datos de un equipo a otro. Este es un proceso complejo que puede dividirse en distintas tareas: ! ! !
Reconocer los datos. Dividir los datos en fragmentos manejables. Agregar información a cada fragmento de datos para: Determinar la ubicación de los datos. Identificar al receptor. Agregar información y comprobación de errores. Poner los datos sobre la red y enviarlos. ! !
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El sistema operativo sigue un estricto conjunto de procedimientos al desarrollar cada tarea. Estos procedimientos se llaman protocolos o reglas de comunicación. Los protocolos guían cada actividad hasta completarla. De aquí surge la necesidad de tener protocolos estándar que permitan la comunicación entre hardware y software de diferentes fabricantes. Un entendimiento de estos modelos es el primer paso para entender los aspectos técnicos de del funcionamiento de una red.
Uso De Las Capas Para Analizar El Flujo De Datos.
El concepto de capas le ayudará a comprender la acción que se produce durante el proceso de comunicación de un computador a otro.
En 1978, la Organización Internacional de Estándares (ISO) publico un conjunto de especificaciones que describían una arquitectura de red para conectar distintos dispositivos. El documento original se aplicaba a los sistemas abiertos, porque todos podian usar los mismos protocolos y estándares para intercambiar información. En 1984, la ISO publico una revisión de este modelo y los llamo el modelo de referencia para Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI). Esta revisión se ha convertido en un estandar internacional y sirve como guía para la conectividad en redes. Este modelo es la guía mas conocida y mas ampliamente usada para describir los estornos de red. Los fabricantes diseñan sus productos de red basados en las especificaciones del modelo OSI. Este proporciona una descripción de cómo funcionan juntos por niveles el hardware y el software de red para establecer una comunicación. También ayuda a solucionar problemas proporcionando un marco de referencia que describe como deben funcionar los distintos componentes.
Comunicaciones en Red. La actividad de red requiere enviar datos de un equipo a otro. Este es un proceso complejo que puede dividirse en distintas tareas: ! ! !
Reconocer los datos. Dividir los datos en fragmentos manejables. Agregar información a cada fragmento de datos para: Determinar la ubicación de los datos. Identificar al receptor. Agregar información y comprobación de errores. Poner los datos sobre la red y enviarlos. ! !
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El sistema operativo sigue un estricto conjunto de procedimientos al desarrollar cada tarea. Estos procedimientos se llaman protocolos o reglas de comunicación. Los protocolos guían cada actividad hasta completarla. De aquí surge la necesidad de tener protocolos estándar que permitan la comunicación entre hardware y software de diferentes fabricantes. Un entendimiento de estos modelos es el primer paso para entender los aspectos técnicos de del funcionamiento de una red.
Uso De Las Capas Para Analizar El Flujo De Datos.
El concepto de capas le ayudará a comprender la acción que se produce durante el proceso de comunicación de un computador a otro.
Un ejemplo que describe cómo puede usar el concepto de capas para analizar un tema cotidiano es examinar una conversación entre dos personas. Cuando usted tiene una idea que desea comunicarle a otra persona, lo primero que hace es elegir (a menudo de modo subconsciente) cómo desea expresar esa idea, luego decide cómo comunicarla de forma adecuada y, por último, transmite esa idea. Imagínese a un joven que está sentado en uno de los extremos de una mesa muy larga. En el otro extremo de la mesa, bastante lejos, está sentada su abuela. El joven habla en inglés. Su abuela prefiere hablar en español. En la mesa se ha servido una cena espléndida que ha preparado la abuela. Súbitamente, el joven grita lo más alto posible, en inglés: "Hey you! Give me the rice!" (¡Oye, tú! ¡Dame el arroz!) y extiende la mano sobre la mesa para agarrarlo. En la mayoría de los lugares, esta acción se considera bastante grosera. ¿Qué es lo que el joven debería haber hecho para comunicar sus deseos de forma aceptable? Para ayudarlo a encontrar la respuesta a esta pregunta, analice el proceso de comunicación por capas. En primer lugar está la idea - el joven desea el arroz; luego está la representación de la idea- hablada en inglés (en lugar de español); a continuación, el método de entrega - "Oye tú"; y finalmente el medio - gritar (sonido) y extender la mano (acción física) sobre la mesa para tomar el arroz. A partir de este grupo de cuatro capas, se puede observar que tres de estas capas impiden que el joven comunique su idea de forma adecuada/aceptable. La primera capa (la idea) es aceptable. La segunda capa (representación), hablando en inglés en lugar de en español, y la tercera capa (entrega), exigiendo en lugar de solicitar con educación, definitivamente no obedecen a los protocolos sociales aceptados. La cuarta capa (medio), gritar y agarrar las cosas de la mesa en lugar de solicitar ayuda en forma educada a otra persona es un comportamiento inaceptable prácticamente en cualquier situación social. Si analiza esta interacción desde el punto de vista de las capas podrá entender más claramente algunos de los problemas de la comunicación (entre las personas o entre los computadores) y cómo es posible resolver estos problemas.
Protocolos
Para que los paquetes de datos puedan viajar desde el origen hasta su destino a través de una red, es importante que todos los dispositivos de la red hablen el mismo lenguaje o protocolo. Un protocolo es un conjunto de reglas que hacen que la comunicación en una red sea más eficiente.
Los siguientes son algunos ejemplos comunes:
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En el Congreso de los Estados Estados Unidos, una forma de las Reglas de Orden de Roberts hace posible que cientos de Representantes que desean expresar sus opiniones lo hagan por turnos y que transmitan sus ideas de forma ordenada. Mientras se está conduciendo un auto, otros autos envían (¡o deberían hacerlo!) señales cuando desean girar; si no lo hicieran, las rutas serían un caos. Al volar un avión, los pilotos obedecen reglas muy específicas para poder comunicarse con otros aviones y con el control de tráfico aéreo. Al contestar el teléfono, alguien dice "Hola", luego la persona que realiza la llamada dice "Hola, habla Fulano de Tal... ", y así sucesivamente.
Una definición técnica de un protocolo de comunicaciones de datos es: un conjunto de normas, o un acuerdo, que determina el formato y la transmisión de datos. La capa n de un computador se comunica con la capa n de otro computador. Las normas y convenciones que se utilizan en esta comunicación se denominan colectivamente protocolo de la capa n.
Propósito Del Modelo OSI
El modelo de referencia OSI es el modelo principal para las comunicaciones por red. Aunque existen otros modelos, en la actualidad la mayoría de los fabricantes de redes relacionan sus productos con el modelo de referencia OSI, especialmente cuando desean enseñar a los usuarios cómo utilizar sus productos. Los fabricantes consideran que es la mejor herramienta disponible para enseñar a enviar y recibir datos a través de una red. El modelo de referencia OSI permite que los usuarios vean las funciones de red que se producen en cada capa. Más importante aún, el modelo de referencia OSI es un marco que se puede utilizar para comprender cómo viaja la información a través de una red. Además, puede usar el modelo de referencia OSI para visualizar cómo la información o los paquetes de datos viajan desde los programas de aplicación (por ej., hojas de cálculo, documentos, etc.), a través de un entorno de red (por ej., cables, etc.), hasta otro programa de aplicación ubicado en otro computador de la red, aún cuando el remitente y el receptor tengan distintos tipos de red. En el modelo de referencia OSI, hay siete capas numeradas, cada una de las cuales ilustra una función de red particular. Esta división de las funciones de networking se denomina división en capas . La división de la red en siete capas presenta las siguientes ventajas: • •
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Divide la comunicación de red en partes más más pequeñas y sencillas. Normaliza los componentes de red para permitir el desarrollo y el soporte de los productos de diferentes fabricantes. Permite a los distintos tipos de hardware y software de red comunicarse entre sí.
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Impide que los cambios en una capa puedan afectar las demás capas, de manera que se puedan desarrollar con más rapidez. Divide la comunicación de red en partes más pequeñas para simplificar el aprendizaje.
Las Siete Capas Del Modelo OSI
El problema de trasladar información entre computadores se divide en siete problemas más pequeños y de tratamiento más simple en el modelo de referencia OSI. Cada uno de los siete problemas más pequeños está representado por su propia capa en el modelo. Las siete capas del modelo de referencia OSI son: Capa 7: La capa de aplicación Capa 6: La capa de presentación Capa 5: La capa de sesión Capa 4: La capa de transporte Capa 3: La capa de red Capa 2: La capa de enlace de datos Capa 1: La capa física
Segmentos Paquetes Tramas Bits
Figura. Modelo OSI
Funciones De Cada Capa
Las capas especifican diferentes funciones y servicios a diferentes niveles. Cada capa OSI tiene unas bien definidas funciones de red, y las funciones de cada capa comunican y trabajan con las funciones de las inmediatamente por encima y por debajo. Por ejemplo, la capa de Sesión debe comunicar y trabajar con los niveles de Presentación y Transporte. Los niveles más bajos, 1 y 2, definen el medio físico de la red y las tareas relacionadas, como son poner bits de datos en las tarjetas de red y en el cable. Los niveles mas altos definen cómo las aplicaciones acceden a los servicios de comunicaciones. A más alto nivel, tareas más complejas. Cada nivel provee algún servicio o acción que prepara los datos para enviarlos sobre la red a otro equipo. Las capas están separadas de las demás por límites llamados interfaces. Todas las peticiones son pasadas desde una capa, a través de la internase, al siguiente nivel. Cada nivel se construye sobre los estándares y actividades del de por debajo suyo.
Un nivel da servicio y recibe servicio de las capas contiguas a través de SAP (puntos de acceso) Services Access Points. Comunicación virtual nivel a nivel.
Relación de los Niveles del Modelo OSI.
El propósito de cada nivel es proveer servicios al siguiente nivel más alto y proteger a éste de los detalles de cómo están implementados actualmente los servicios. Los niveles están establecidos en una forma similar a la que cada nivel actúa como si se estuviera comunicando con su nivel asociado en el otro equipo. Esto es una comunicación lógica o virtual entre niveles pares. En realidad la comunicación actual tiene lugar entre niveles adyacentes en un equipo. En cada nivel hay un software que implementa ciertas funciones de red de acuerdo a un conjunto de protocolos. Antes de que el dato se pase de un nivel a otro, es roto en paquetes. Un paquete es una unidad de información transmitida como un todo desde un dispositivo a otro en una red. La red pasa un paquete desde un nivel de software a otro en el orden de las capas. En cada nivel, el software añade alguna información adicional, que el paquete necesita para ser transmitido con éxito a través de la red, formateando o direccionándolo. En el punto de recepción, el paquete pasa a través de los niveles en el orden inverso. Una utilidad de software en cada nivel lee la información en el paquete, la desmonta, y pasa el paquete para arriba, al siguiente nivel. Cuando el paquete, finalmente, termina llegando al nivel de Aplicación, la información de direccionamiento ha sido desmenuzada y el paquete queda en su forma original, que es legible por el receptor. Excepto para el nivel más bajo en el modelo de red, ningún nivel puede pasar información directamente a su equivalente en otro equipo. La información en el equipo que envía, debe ser pasada a través de todos los niveles más bajos. Entonces la información se mueve a través del cable de red al equipo receptor y sube por los niveles de red del mismo, hasta llegar al mismo nivel que envía la información en el equipo emisor de la información. Por ejemplo, si el nivel de Red envía información desde el equipo A, ésta se mueve hacia abajo a través del nivel de Enlace y el nivel Físico en el lado que envía, va por el cable, y sube los niveles Físico y de Red en el lado receptor hasta su destino en el nivel de Red del equipo B.
Procesos de red a aplicaciones
Aplicación
o o
Transferencia de archivos (FTP). Intercambio de mensajes electrónico).
(correo
Representación de datos
Presentación
o
o
o
Aplicación
o
Se da formato a la información para visualizarla o imprimirla. Se interpretan los códigos que estén en los datos (conversión de código). Se gestiona la encripción de datos. Se realiza la compresión de datos.
Comunicación entre host
Sesión
o o o o o
Establecimiento de la conexión de sesión. Intercambio de datos. Liberación de la conexión de sesión. Sincronización de la sesión. Administración de la sesión.
Conexiones de extremo a extremo
Transporte
o
o o
o
Acepta los datos del nivel de sesión, fragmentándolos en unidades más pequeñas en caso necesario y los pasa al nivel de red. Multiplexaje. Regula el control de flujo del tráfico de extremo a extremo. Reconoce los paquetes duplicados.
Dirección de red y elección de mejor ruta
Red
o
o
Esta capa mira las direcciones del paquete para determinar los métodos de conmutación y enrutamiento. Realiza control de congestión.
Acceso al medio y control de enlace
Transporte de datos
Enlace de datos
o
o o o o o
Detección y control de errores (mediante el empleo del CRC). Control de secuencia. Control de flujo. Control de enlace lógico. Control de acceso al medio. Sincronización de la trama.
Transmisión binaria
Físico
o
o
o
o
Define las características físicas (componentes y conectores mecánicos). Define las características eléctricas (niveles de tensión). Define las características funcionales de la interfaz (establecimiento, mantenimiento y liberación del enlace físico). Solamente reconoce bits individuales, no reconoce caracteres ni tramas multicaracter. Por ejemplo RS-232
Figura. Funciones de los niveles del modelo OSI.
En un entorno Cliente/Servidor, un ejemplo de la clase de información enviada, desde el nivel de Red en el equipo A al nivel de Red del equipo B, podría ser una dirección de red y quizás alguna información del chequeo de errores añadida al paquete. La interacción entre niveles adyacentes ocurre a través de una interfaz. La interfaz define que servicios ofrece el nivel más bajo al más alto y cómo serán accedidos esos servicios. Es más, cada nivel en un equipo actúa como si se comunicara directamente con el mismo nivel en otro equipo. Las siguientes secciones describen el propósito de cada uno de los siete niveles del modelo OSI e identifica los servicios que proporcionan a los niveles adyacentes. Cada capa individual del modelo OSI tiene un conjunto de funciones que debe realizar para que los paquetes de datos puedan viajar en la red desde el origen hasta el destino. A continuación, presentamos una breve descripción de cada capa del modelo de referencia OSI tal como aparece en la figura.
Capa 7: La capa de aplicación
La capa de aplicación es la capa del modelo OSI más cercana al usuario; suministra servicios de red a las aplicaciones del usuario. Difiere de las demás capas debido a que no proporciona servicios a ninguna otra capa OSI, sino solamente a aplicaciones que se encuentran fuera del modelo OSI. Algunos ejemplos de dichos procesos de aplicación son los programas de hojas de cálculo, de procesamiento de texto y los de las terminales bancarias. La capa de aplicación establece la disponibilidad de los potenciales socios de comunicación, sincroniza y establece acuerdos sobre los procedimientos de recuperación de errores y control de la integridad de los datos. Si desea recordar la Capa 7 en la menor cantidad de palabras posible, piense en los navegadores de Web. La capa de aplicación comprende los servicios que el usuario final está acostumbrado a utilizar en una red LAN, por lo que a menudo los protocolos de la capa de aplicación se denominan servicios. Dado que se crean continuamente nuevos servicios, existen muchos protocolos para la capa de aplicación, uno o mas por cada tipo de servicio. Ejemplos de protocolos estándar de la capa de aplicación son el CCITT X.400, X.420, X.500, SMTP, FTP, HTTP, etc.
Capa 6: La capa de presentación
La capa de presentación garantiza que la información que envía la capa de aplicación de un sistema pueda ser leída por la capa de aplicación de otro. De ser necesario, la capa de presentación traduce entre varios formatos de datos utilizando un formato común. Si desea recordar la Capa 6 en la menor cantidad de palabras posible, piense en un formato de datos común. Desde la capa física hasta aquí nos preocupamos únicamente de intercambiar bits (o bytes) entre dos usuarios ubicados en dos equipos diferentes. Lo hacemos de manera fiable y entregando los datos a la sesión, es decir al usuario, pero sin tomar en cuenta el significado de los bits transportados. La capa de presentación se ocupa de realizar las conversiones necesarias para asegurar que dichos bits se presentan al usuario de la forma esperada. Por ejemplo, si se envía información alfanumérica de un equipo ASCII a uno EBCDIC será preciso efectuar una conversión, o de lo contrario los datos no serán interpretados correctamente. Lo mismo podríamos decir de la transferencia de datos enteros, flotantes, etc. cuando la representación de los datos difiere en los equipos utilizados. Capa 5: La capa de sesión
Como su nombre lo implica, la capa de sesión establece, administra y finaliza las sesiones entre dos hosts que se están comunicando. La capa de sesión proporciona sus servicios a la capa de presentación. También sincroniza el diálogo entre las capas de presentación de los dos hosts y administra su intercambio de datos. Además de regular la sesión, la capa de sesión ofrece disposiciones para una eficiente transferencia de datos, clase de servicio y un registro de excepciones acerca de los problemas de la capa de sesión, presentación y aplicación. Si desea recordar la Capa 5 en la menor cantidad de palabras posible, piense en diálogos y conversaciones. La capa de sesión es la primera que es accesible al usuario, y es su interfaz más básica con la red. Por ejemplo, mediante los servicios de la capa de sesión un usuario podría establecer una conexión como terminal remoto de otro ordenador. En un sistema multiusuario la capa de sesión se ocupa de ofrecer un SAP a cada usuario para acceder al nivel de transporte. Capa 4: La capa de transporte
La capa de transporte segmenta los datos originados en el host emisor y los re ensambla en una corriente de datos dentro del sistema del host receptor. El límite entre la capa de sesión y la capa de transporte puede imaginarse como el límite entre los protocolos de capa de medios y los protocolos de capa de host. Mientras que las capas de aplicación, presentación y sesión están relacionadas con aspectos de las aplicaciones, las tres capas inferiores se encargan del transporte de datos.
La capa de transporte intenta suministrar un servicio de transporte de datos que aísla las capas superiores de los detalles de implementación del transporte. Específicamente, temas como la confiabilidad del transporte entre dos hosts es responsabilidad de la capa de transporte. Al proporcionar un servicio de comunicaciones, la capa de transporte establece, mantiene y termina adecuadamente los circuitos virtuales. Al proporcionar un servicio confiable, se utilizan dispositivos de detección y recuperación de errores de transporte. Si desea recordar la Capa 4 en la menor cantidad de palabras posible, piense en calidad de servicio y confiabilidad. La capa de transporte es la primera que se ocupa de comunicar directamente nodos terminales, utilizando la subred como un medio e transporte transparente gracias a los servicios obtenidos de la capa de red. Por esta razón se la ha llamado históricamente la capa host-host. También se suele decir que es la primera capa extremo a extremo. La principal función de la capa de transporte es fragmentar de forma adecuada los datos recibidos de la capa superior (sesión) para transferirlos a la capa de red, y asegurar que los fragmentos llegan y son recompuestos correctamente en su destino. En condiciones normales la capa de transporte solicita a la capa de red una conexión diferente por cada solicitud recibida de la capa de sesión, pero puede haber razones de costo que aconsejen multiplexar diferentes conexiones en la capa de sesión sobre una sola conexión en la capa de red o, inversamente, razones de rendimiento pueden requerir que una conexión solicitada por la capa de sesión sea atendida por varias conexiones en la capa de red; en ambos casos la capa de transporte se ocupará de hacer la multiplexión mas adecuada de forma transparente a la capa de sesión. La capa de transporte establece el tipo de servicio que recibe la capa de sesión, y en último extremo los usuarios. Éste podría ser por ejemplo un servicio libre de errores que entrega los mensajes en el mismo orden en que se envían; también podría ser un servicio de datagramas, es decir, mensajes independientes sin garantía en cuanto al orden de entrega ni confirmación de la misma, o un servicio broadcast o multicast en que los paquetes se distribuyen a múltiples destinos simultáneamente. El control de flujo, que ha aparecido en capas anteriores, es necesario también en la capa de transporte para asegurar que un host rápido no satura a uno lento. La capa de transporte realiza también su propio control de errores, que resulta ahora esencial pues algunos protocolos modernos como Frame Relay o ATM han reducido o suprimido totalmente el control de errores de las capas inferiores, ya que con las mejoras en la tecnología de transmisión de datos éstos son menos frecuentes y se considera mas adecuado realizar esta tarea en el nivel de transporte.
Salvo el caso de transmisiones multicast o broadcast el nivel de transporte se ocupa siempre de una comunicación entre dos entidades, lo cual le asemeja en cierto sentido al nivel de enlace. Por esto existen grandes similitudes entre ambas capas en cuestiones tales como el control de errores o control de flujo. Ejemplos de protocolos de transporte incluyen el CCITT X.224, también llamado protocolo de transporte OSI TP4 (Transport Protocol 4). En Internet existen dos protocolos de transporte: TCP y UDP. Capa 3: La capa de red:
La capa de red es una capa compleja que proporciona conectividad y selección de ruta entre dos sistemas de hosts que pueden estar ubicados en redes geográficamente distintas. Si desea recordar la Capa 3 en la menor cantidad de palabras posible, piense en selección de ruta, conmutación, direccionamiento y enrutamiento. La capa de red se ocupa del control de la subred. Esta es la capa que tiene ‘conciencia’ de la topología de la red, y se ocupa de decidir por que ruta va a ser enviada la información; la decisión de la ruta a seguir puede hacerse de forma estática, o de forma dinámica en base a información obtenida de otros nodos sobre el estado de la red. De forma análoga a la capa de enlace la capa de red maneja los bits en grupos discretos que aquí reciben el nombre de paquetes; motivo por el cual a veces se la llama la capa de paquete. Los paquetes tienen tamaños variables, pudiendo llegar a ser muy elevados, sobre todo en protocolos recientes, para poder aprovechar eficientemente la elevada velocidad de los nuevos medios de transmisión (fibra óptica, ATM, etc.). Por ejemplo en TCP/IP el tamaño máximo de paquete es de 64 KBytes, pero en el nuevo estándar, llamado IPv6, el tamaño máximo puede llegar a ser de 4 GBytes (4.294.967.296 Bytes). Entre las funciones de la capa de red cabe destacar, aparte de la ya mencionada de elegir la ruta a seguir, el control del tráfico para evitar situaciones de congestión o 'atascos'. En el caso de ofrecer servicios con QoS el nivel de red debe ocuparse de reservar los recursos necesarios para poder ofrecer el servicio prometido con garantías. También debe ser capaz de efectuar labores de contabilidad del tráfico en caso necesario (por ejemplo si el servicio se factura en base a la cantidad de datos transmitidos). En la capa de red es donde con mas intensidad se observa la distinción entre servicios orientados y no orientados a conexión (CONS vs CLNS). En el curso veremos en detalle las redes ATM, que en el nivel de red dan un servicio de tipo CONS, y las redes TCP/IP, que en el nivel de red dan un servicio de tipo CLNS. La capa de red es la mas importante en redes de conmutación de paquetes (tales como X.25 o TCP/IP). Algunos ejemplos de protocolos utilizados en la capa de red son los protocolos de nivel de paquete y nivel de pasarela CCITT X.25 y X.75, el
IP (Internet Protocol), CCITT/ITU-T Q.931, Q.933, Q.2931, y el OSI CLNP (ConnectionLess Network Protocol). En las redes de tipo broadcast el nivel de red es casi inexistente, ya que desde un punto de vista topológico podemos considerar que en una red broadcast los nodos estan interconectados todos con todos, por lo que no se toman decisiones de encaminamiento. Sin embargo veremos que la unión de redes broadcast mediante puentes suscita en algunos casos la necesidad de efectuar tareas propias del nivel de red en el nivel de enlace Capa 2: La capa de enlace de datos
La capa de enlace de datos proporciona un tránsito de datos confiable a través de un enlace físico. Al hacerlo, la capa de enlace de datos se ocupa del direccionamiento físico (comparado con el lógico) , la topología de red, el acceso a la red, la notificación de errores, entrega ordenada de tramas y control de flujo. Si desea recordar la Capa 2 en la menor cantidad de palabras posible, piense en tramas y control de acceso al medio. La principal función de la capa de enlace es ofrecer un servicio de comunicación fiable a partir de los servicios que recibe de la capa física, también entre dos entidades contiguas de la red. Esto supone que se realice detección y posiblemente corrección de errores. A diferencia de la capa física, que transmitía los bits de manera continua, la capa de enlace transmite los bits en grupos denominados tramas (frames en inglés) cuyo tamaño es típicamente de unos pocos cientos a unos pocos miles de bytes. Si el paquete recibido de la capa superior es mayor que el tamaño máximo de trama la capa física debe encargarse de fragmentarlo, enviarlo y recomponerlo en el lado opuesto. En caso de que una trama no haya sido transmitida correctamente se deberá enviar de nuevo; también debe haber mecanismos para reconocer cuando una trama se recibe duplicada. Generalmente se utiliza algún mecanismo de control de flujo, para evitar que un transmisor rápido pueda ‘abrumar’ a un receptor lento. Las redes broadcast utilizan funciones especiales de la capa de enlace para controlar el acceso al medio de transmisión, ya que éste es compartido por todos los nodos de la red. Esto añade una complejidad a la capa de enlace que no está presente en las redes basadas en líneas punto a punto, razón por la cual en las redes broadcast la capa de enlace se subdivide en dos subcapas: la inferior, denominada subcapa MAC (Media Access Control) se ocupa de resolver el problema de acceso al medio, y la superior, subcapa LLC (Logical Link Control) cumple una función equivalente a la capa de enlace en las líneas punto a punto. Ejemplos de protocolos de la capa de enlace incluyen ISO 7776, la capa de enlace de CCITT X.25, RDSI, LAP-D, ISO HDLC. Como ejemplos de protocolos de la subcapa MAC podemos citar los de IEEE 802.3 (Ethernet), IEEE 802.5 (Token Ring), ISO 9314 (FDDI). El protocolo de subcapa LLC de todas las redes broadcast es el IEEE 802.2.
Capa 1: La capa física
La capa física define las especificaciones eléctricas, mecánicas, de procedimiento y funcionales para activar, mantener y desactivar el enlace físico entre sistemas finales. Las características tales como niveles de voltaje, temporización de cambios de voltaje, velocidad de datos físicos, distancias de transmisión máximas, conectores físicos y otros atributos similares se definen a través de las especificaciones de la capa física. Si desea recordar la Capa 1 en la menor cantidad de palabras posible, piense en señales y medios. Esta capa transmite los bits entre dos entidades (nodos) directamente conectadas. Puede tratarse de un enlace punto a punto o de una conexión multipunto (una red broadcast, por ejemplo Ethernet). La comunicación puede ser dúplex, semi-dúplex o simplex. Si la información se transmite por señales eléctricas se especifican los voltajes permitidos y su significado (1 ó 0) y análogamente para el caso de fibra óptica. Se especifican las características mecánicas del conector, la señalización básica, etc. Como ejemplos de la capa física podemos mencionar las norma EIA RS-232-C, utilizada por las puertas COM de los ordenadores personales, la EIA-RS-449, CCITT X.21/X.21bis, CCITT V.35. Las normas de redes locales incluyen en sus especificaciones la capa física (IEEE 802.3 o Ethernet, IEEE 802.5 o Token Ring, ISO 9314 o FDDI, etc.) Muchas de las normas que existen en la capa física se refieren a la interfaz utilizada para conectar un ordenador con un módem o dispositivo equivalente, que a través de una línea telefónica conecta con otro módem y ordenador en el extremo opuesto. Este es el caso por ejemplo de las normas EIA RS-232-C, EIARS-449, CCITT X.21/X.21bis y CCITT V.35 antes mencionadas. En estos el conector del ordenador y el módem son de diferente ‘sexo’ (macho o hembra). En este contexto se suele utilizar la denominación DTE (Data Terminal Equipment) para referirse al ordenador y DCE (Data Circuit-Terminating Equipment) para referirse al módem. El ‘módem’ en ocasiones no es más que un adaptador, ya que por ejemplo la norma X.21 se utiliza para líneas digitales. En sentido general al equipo que actúa como adaptador entre el ordenador y el medio de transmisión se le denomina CSU/DSU (Channel Service Unit/ Data Service Unit). Origen, Destino y Paquetes De Datos.
Como aprendió en el modulo 1, el nivel básico de información por computador se compone de dígitos binarios o bits (0 y 1). Los computadores que envían uno o dos bits de información, sin embargo, no serían demasiado útiles, de modo que se necesitan otras agrupaciones: los bytes, kilobytes, megabytes y gigabytes. Para que los computadores puedan enviar información a través de una red, todas las comunicaciones de una red se inician en el origen, luego viajan hacia su destino.
Como lo ilustra la figura, la información que viaja a través de una red se conoce como paquete, datos o paquete de datos. Un paquete de datos es una unidad de información, lógicamente agrupada, que se desplaza entre los sistemas de computación. Incluye la información origen junto con otros elementos necesarios para hacer que la comunicación sea factible y confiable en relación con los dispositivos destino. La dirección origen de un paquete especifica la identidad del computador que envía el paquete. La dirección destino específica la identidad del computador que finalmente recibe el paquete.
Encapsulamiento
Usted sabe que todas las comunicaciones de una red parten de un origen y se envían a un destino, y que la información que se envía a través de una red se denomina datos o paquete de datos. Si un computador (host A) desea enviar datos a otro (host B), en primer término los datos deben empaquetarse a través de un proceso denominado encapsulamiento. El encapsulamiento rodea los datos con la información de protocolo necesaria antes de que se una al tránsito de la red. Por lo tanto, a medida que los datos se desplazan a través de las capas del modelo OSI, reciben encabezados, información final y otros tipos de información. Nota: La palabra "encabezado" significa que se ha agregado la información correspondiente a la dirección). Para ver cómo se produce el encapsulamiento, examine la forma en que los datos viajan a través de las capas como lo ilustra la siguiente figura. Una vez que se envían los datos desde el origen, como se describe en la siguiente figura, viajan a través de la capa de aplicación directo hacia las otras capas. Como puede ver, el empaquetamiento y el flujo de los datos que se intercambian experimentan cambios a medida que las redes ofrecen sus servicios a los usuarios finales. Como lo muestran las figuras, las redes deben realizar los siguientes cinco pasos de conversión a fin de encapsular los datos:
Figura. Envío de datos de desde una aplicación. Crear los datos
Cuando un usuario envía un mensaje de correo electrónico, sus caracteres alfanuméricos se convierten en datos que pueden recorrer la internetwork. Empaquetar los datos para ser transportados de extremo a extremo
Los datos se empaquetan para ser transportados por la internetwork. Al utilizar segmentos, la función de transporte asegura que los hosts del mensaje en ambos extremos del sistema de correo electrónico se puedan comunicar de forma confiable. Anexar (agregar) la dirección de red al encabezado.
Los datos se colocan en un paquete o datagrama que contiene el encabezado de red con las direcciones lógicas origen y destino. Estas direcciones ayudan a los dispositivos de red a enviar los paquetes a través de la red por una ruta seleccionada.
Figura. Encapsulamiento de datos Anexar (agregar) la dirección local al encabezado de enlace de datos.
Cada dispositivo de la red debe poner el paquete dentro de una trama. La trama le permite conectarse al próximo dispositivo de red conectado directamente en el enlace. Cada dispositivo en la ruta de red seleccionada requiere el entramado para poder conectarse al siguiente dispositivo. Realizar la conversión a bits para su transmisión.
La trama debe convertirse en un patrón de unos y ceros (bits) para su transmisión a través del medio (por lo general un cable). Una función de temporización permite que los dispositivos distingan estos bits a medida que se trasladan por el medio. El medio en la internetwork física de redes puede variar a lo largo de la ruta utilizada. Por ejemplo, el mensaje de correo electrónico puede originarse en una LAN, cruzar el backbone de un campus y salir por un enlace de WAN hasta llegar a su destino en otra LAN remota. Los encabezados y la información final se agregan a medida que los datos se desplazan a través de las capas del modelo OSI. Nombres De Los Datos En Cada Capa Del Modelo OSI
Para que los paquetes de datos puedan viajar desde el origen hasta su destino, cada capa del modelo OSI en el origen debe comunicarse con su capa igual en el lugar destino. Esta forma de comunicación se conoce como comunicaciones de par-a-par . Durante este proceso, cada protocolo de capa intercambia información, que se conoce como unidades de datos de protocolo ( PDU), entre capas iguales . Cada capa de comunicación, en el computador origen, se comunica con un PDU
específico de capa y con su capa igual en el computador destino como lo ilustra la siguiente figura. Los paquetes de datos de una red parten de un origen y se envían a un destino. Cada capa depende de la función de servicio de la capa OSI que se encuentra debajo de ella. Para brindar este servicio, la capa inferior utiliza el encapsulamiento para colocar la PDU de la capa superior en su campo de datos, luego le puede agregar cualquier encabezado e información final que la capa necesite para ejecutar su función. Posteriormente, a medida que los datos se desplazan hacia abajo a través de las capas del modelo OSI, se agregan encabezados e información final adicionales. Después de que las Capas 7, 6 y 5 han agregado la información, la Capa 4 agrega más información. Este agrupamiento de datos, la PDU de la Capa 4, se denomina segmento. Por ejemplo, la capa de red presta un servicio a la capa de transporte y la capa de transporte presenta datos al subsistema de internetworking. La tarea de la capa de red consiste en trasladar esos datos a través de la internetwork. Ejecuta esta tarea encapsulando los datos y agregando un encabezado, con lo que crea un paquete (PDU de la Capa 3). Este encabezado contiene la información necesaria para completar la transferencia, como por ejemplo, las direcciones lógicas origen y destino. La capa de enlace de datos suministra un servicio a la capa de red. Encapsula la información de la capa de red en una trama (la PDU de la Capa 2) el encabezado de la trama contiene información (por ej., direcciones físicas) que es necesaria para completar las funciones de enlace de datos. La capa de enlace de datos suministra un servicio a la capa de red encapsulando la información de la capa de red en una trama. La capa física también suministra un servicio a la capa de enlace de datos. La capa física codifica los datos de la trama de enlace de datos en un patrón de unos y ceros (bits) para su transmisión a través del medio (generalmente un cable) en la Capa 1. Modelo De Referencia TCP/IP Aunque el modelo de referencia OSI sea universalmente reconocido, el estandar abierto de Internet desde el punto de vista histórico y técnico es el Protocolo de control de transmisión/Protocolo Internet (TCP/IP). El modelo de referencia TCP/IP y la pila de protocolo TCP/IP hacen que sea posible la comunicación entre dos computadores, desde cualquier parte del mundo, a casi la velocidad de la luz. El modelo TCP/IP tiene importancia histórica, al igual que las normas que permitieron el desarrollo de la industria telefónica, de energía eléctrica, el ferrocarril, la televisión y las industrias de vídeos.
El modelo TCP/IP enfatiza la máxima flexibilidad, en la capa de aplicación, para los diseñadores de software. La capa de transporte involucra dos protocolos: el protocolo de control de transmisión (TCP) y el protocolo de datagrama (UDP) . En el modelo TCP/IP existe solamente un protocolo de red: el protocolo Internet, o IP, independientemente de la aplicación que solicita servicios de red o del protocolo de transporte que se utiliza. Esta es una decisión de diseño deliberada. IP sirve como protocolo universal que permite que cualquier computador en cualquier parte del mundo pueda comunicarse en cualquier momento. Las Capas Del Modelo TCP/IP
El Departamento de Defensa de EE.UU. ( DoD) creó el modelo TCP/IP porque necesitaba una red que pudiera sobrevivir ante cualquier circunstancia, incluso una guerra nuclear. Para mayor ilustración, supongamos que el mundo está en estado de guerra, atravesado en todas direcciones por distintos tipos de conexiones: cables, microondas, fibras ópticas y enlaces satelitales. Imaginemos entonces que se necesita que fluya la información o los datos (organizados en forma de paquetes), independientemente de la condición de cualquier nodo o red en particular de Internetwork (que en este caso podrían haber sido destruidos por la guerra). El DoD desea que sus paquetes lleguen a destino siempre, bajo cualquier condición, desde un punto determinado a cualquier otro punto determinado. Este problema de diseño de difícil solución fue lo que llevó a la creación del modelo TCP/IP, que desde entonces se transformó en el estándar a partir del cual se desarrolló Internet. A medida que obtenga más información acerca de las capas, tenga en cuenta el propósito original de Internet; esto le ayudará a entender por qué motivo ciertas cosas son como son. El modelo TCP/IP tiene cuatro capas: la capa de aplicación, la capa de transporte, la capa de Internet y la capa de red. Es importante observar que algunas de las capas del modelo TCP/IP poseen el mismo nombre que las capas del modelo OSI. No confunda las capas de los dos modelos , porque la capa de aplicación tiene diferentes funciones en cada modelo.
Figura. Modelo TCP/IP
Capa de aplicación
Los diseñadores de TCP/IP sintieron que los protocolos de nivel superior deberían incluir los detalles de las capas de sesión y presentación. Simplemente crearon una capa de aplicación que maneja protocolos de alto nivel, aspectos de representación, codificación y control de diálogo. El modelo TCP/IP combina todos los aspectos relacionados con las aplicaciones en una sola capa y da por hecho que estos datos están correctamente empaquetados para la siguiente capa. TCP/IP incluye no sólo las especificaciones de Internet y de la capa de transporte, tales como IP y TCP, sino también las especificaciones para aplicaciones comunes. TCP/IP tiene protocolos que soportan la transferencia de archivos, email, y conexión remota, además de los siguientes: •
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Protocolo de transferencia de archivos (FTP): es un servicio confiable
orientado a conexión que utiliza TCP para transferir archivos entre sistemas que admiten la transferencia FTP. Permite las transferencias bidireccionales de archivos binarios y archivos ASCII. Protocolo trivial de transferencia de archivos (TFTP): es un servicio no orientado a conexión que utiliza el Protocolo de datagrama de usuario (UDP). Los Routers utilizan el TFTP para transferir los archivos de configuración e imágenes IOS de Cisco y para transferir archivos entre los sistemas que admiten TFTP. Es útil en algunas LAN porque opera más rápidamente que FTP en un entorno estable. Sistema de archivos de red (NFS): es un conjunto de protocolos para un sistema de archivos distribuido, desarrollado por Sun Microsystems que permite acceso a los archivos de un dispositivo de almacenamiento remoto, por ejemplo, un disco rígido a través de una red. Protocolo simple de transferencia de correo (SMTP): administra la transmisión de correo electrónico a través de las redes informáticas. No admite la transmisión de datos que no sea en forma de texto simple. Emulación de terminal (Telnet): Telnet tiene la capacidad de acceder de forma remota a otro computador. Permite que el usuario se conecte a un host de Internet y ejecute comandos. El cliente de Telnet recibe el nombre de host local. El servidor de Telnet recibe el nombre de host remoto. Protocolo simple de administración de red (SNMP): es un protocolo que provee una manera de monitorear y controlar los dispositivos de red y de administrar las configuraciones, la recolección de estadísticas, el desempeño y la seguridad. Sistema de denominación de dominio (DNS): es un sistema que se utiliza en Internet para convertir los nombres de los dominios y de sus nodos de red publicados abiertamente en direcciones IP.
Figura. Capa de aplicación modelo TCP/IP Capa de transporte
La capa de transporte se refiere a los aspectos de calidad del servicio con respecto a la confiabilidad, el control de flujo y la corrección de errores. Uno de sus protocolos, el protocolo para el control de la transmisión (TCP), ofrece maneras flexibles y de alta calidad para crear comunicaciones de red confiables, sin problemas de flujo y con un nivel de error bajo. TCP es un protocolo orientado a la conexión. Mantiene un diálogo entre el origen y el destino mientras empaqueta la información de la capa de aplicación en unidades denominadas segmentos. Orientado a la conexión no significa que el circuito exista entre los computadores que se están comunicando (esto sería una conmutación de circuito). Significa que los segmentos de la Capa 4 viajan de un lado a otro entre dos hosts para comprobar que la conexión exista lógicamente para un determinado período. Esto se conoce como conmutación de paquetes. La capa de transporte proporciona servicios de transporte desde el host origen hacia el host destino. Esta capa forma una conexión lógica entre los puntos finales de la red, el host transmisor y el host receptor. Los protocolos de transporte segmentan y reensamblan los datos mandados por las capas superiores en el mismo flujo de datos, o conexión lógica entre los extremos. La corriente de datos de la capa de transporte brinda transporte de extremo a extremo. Generalmente, se compara la Internet con una nube. La capa de transporte envía los paquetes de datos desde la fuente transmisora hacia el destino receptor a través de la nube. El control de punta a punta, que se proporciona con las ventanas deslizantes y la confiabilidad de los números de secuencia y acuses de recibo, es el deber básico de la capa de transporte cuando utiliza TCP. La capa de transporte también define la conectividad de extremo a extremo entre las aplicaciones de los hosts. Los servicios de transporte incluyen los siguientes servicios:
Figura. Nube de Internet TCP y UDP •
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Segmentación de los datos de capa superior Envío de los segmentos desde un dispositivo en un extremo a otro dispositivo en otro extremo.
TCP solamente •
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Establecimiento de operaciones de punta a punta. Control de flujo proporcionado por ventanas deslizantes. Confiabilidad proporcionada por los números de secuencia y los acuses de recibo
Generalmente, se representa la Internet con una nube. La capa de transporte envía los paquetes de datos desde la fuente transmisora hacia el destino receptor a través de la nube. La nube maneja los aspectos tales como la determinación de la mejor ruta.
Figura. Capa de transporte del modelo TCP/IP
Capa de Internet
El propósito de la capa de Internet es enviar paquetes desde cualquier red de origen hasta otra red y que estos paquetes lleguen a su destino independientemente de la ruta y de las redes que se utilizaron para llegar hasta allí. El protocolo específico que rige esta capa se denomina Protocolo Internet (IP). El propósito de la capa de Internet es seleccionar la mejor ruta y la conmutación de los paquetes de datos para enviarlos por la red. El protocolo principal que funciona en esta capa es el Protocolo de Internet (IP). Esto se puede comparar con el sistema postal. Cuando envía una carta por correo, usted no sabe cómo llega a destino (existen varias rutas posibles); lo que le interesa es que la carta llegue.
Figura. El propósito de la capa de Internet es la selección de la mejor ruta. Los siguientes protocolos operan en la capa de Internet TCP/IP: •
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Protocolo de Internet (IP) proporciona un enrutamiento de paquetes no
orientado a conexión de máximo esfuerzo. El IP no se ve afectado por el contenido de los paquetes, sino que busca una ruta de hacia el destino. El Protocolo de mensajes de control en Internet (ICMP) suministra capacidades de control y envío de mensajes. El Protocolo de resolución de direcciones (ARP) determina la dirección de la capa de enlace de datos, la dirección MAC, para las direcciones IP conocidas. El Protocolo de resolución inversa de direcciones (RARP) determina las direcciones IP cuando se conoce la dirección MAC.
El IP ejecuta las siguientes operaciones: •
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Define un paquete y un esquema de direccionamiento. Transfiere los datos entre la capa Internet y las capas de acceso de red. Enruta los paquetes hacia los hosts remotos.
Por último, a modo de aclaración de la terminología, a veces, se considera a IP como protocolo poco confiable. Esto no significa que IP no enviará correctamente
los datos a través de la red. Llamar al IP, protocolo poco confiable simplemente significa que IP no realiza la verificación y la corrección de los errores. Dicha función la realizan los protocolos de la capa superior desde las capas de transporte o aplicación.
Figura. Capa Internet del modelo TCP/IP Capa de Acceso de Red
La capa de acceso de red también se denomina capa de host a red. La capa de acceso de red es la capa que maneja todos los aspectos que un paquete IP requiere para efectuar un enlace físico real con los medios de la red. Esta capa incluye los detalles de la tecnología LAN y WAN y todos los detalles de las capas física y de enlace de datos del modelo OSI. Los controladores para las aplicaciones de software, las tarjetas de módem y otros dispositivos operan en la capa de acceso de red. La capa de acceso de red define los procedimientos para realizar la interfaz con el hardware de la red y para tener acceso al medio de transmisión. Los estándares del protocolo de los módem tales como el Protocolo Internet de enlace serial (SLIP) y el Protocolo de punta a punta (PPP) brindan acceso a la red a través de una conexión por módem. Debido a un intrincado juego entre las especificaciones del hardware, el software y los medios de transmisión, existen muchos protocolos que operan en esta capa. Esto puede generar confusión en los usuarios. La mayoría de los protocolos reconocibles operan en las capas de transporte y de Internet del modelo TCP/IP. Las funciones de la capa de acceso de red incluyen la asignación de direcciones IP a las direcciones físicas y el encapsulamiento de los paquetes IP en tramas. Basándose en el tipo de hardware y la interfaz de la red, la capa de acceso de red definirá la conexión con los medios físicos de la misma. Un buen ejemplo de una configuración de la capa de acceso de red sería configurar un sistema Windows utilizando una NIC de otra empresa. De acuerdo con la versión de Windows, la NIC sería automáticamente detectada por el
sistema operativo y luego se instalarían los controladores adecuados. Si esta fuera una versión de Windows antigua, el usuario tendría que especificar el controlador de la tarjeta de la red. El fabricante de la tarjeta provee estos controladores en formato de disco o en CD-ROM.
Figura. Capa Acceso a Red del modelo TCP/IP, (ARP y RARP funcionan tanto en la capa de Internet como en la capa de Acceso a Red). Comparación entre el Modelo OSI y el TCP/IP La siguiente es una comparación de los modelos OSI y TCP/IP comparando sus similitudes y diferencias:
Similitudes entre los modelos OSI y TCP/IP: •
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Ambos se dividen en capas. Ambos tienen capas de aplicación, aunque incluyen servicios muy distintos. Ambos tienen capas de transporte y de red similares. Se supone que la tecnología es de conmutación por paquetes y no de conmutación por circuito. Los profesionales de networking deben conocer ambos modelos.
Diferencias entre los modelos OSI y TCP/IP: •
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TCP/IP combina las capas de presentación y de sessión en una capa de aplicación TCP/IP combina la capas de enlace de datos y la capa física del modelo OSI en una sola capa TCP/IP parece ser más simple porque tiene menos capas La capa de transporte TCP/IP que utiliza UDP no siempre garantiza la entrega confiable de los paquetes mientras que la capa de transporte del modelo OSI sí.
La Internet se desarrolla de acuerdo con los estándares de los protocolos TCP/IP. El modelo TCP/IP gana credibilidad gracias a sus protocolos. A diferencia, en general, las redes no se construyen a base del protocolo OSI. El modelo OSI se utiliza como guía para comprender el proceso de comunicación.
Figura. Comparación entre el modelo OSI y TCP/IP Funciones de la Capa de Transporte Como su nombre lo indica, la capa de transporte de TCP/IP se encarga de transportar datos entre aplicaciones en dispositivos origen y destino. Es esencial contar con una comprensión absoluta de la operación de la capa de transporte para comprender el manejo de datos en las redes modernas. Este módulo describe las funciones y los servicios de esta capa fundamental del modelo de red TCP/IP.
Varias de las aplicaciones de red que se encuentran en la capa de aplicación TCP/IP resultan familiares incluso para los usuarios de red casuales. HTTP, FTP y SMTP, por ejemplo, son siglas que los usuarios de navegadores de Web y los clientes de correo electrónico usan a menudo. Este módulo también describe la función de estas y de otras aplicaciones desde el punto de vista del modelo de red TCP/IP. Las tareas principales de la capa de transporte, la Capa 4 del modelo OSI, son transportar y regular el flujo de información desde el origen hasta el destino, de forma confiable y precisa. El control de extremo a extremo y la confiabilidad se suministran a través de ventanas deslizantes, números de secuencia y acuses de recibo. Para comprender qué son la confiabilidad y el control de flujo, piense en alguien que estudia un idioma extranjero durante un año y luego visita el país en el que se habla ese idioma. Mientras uno conversa, las palabras se deben repetir para que
exista confiabilidad y se debe hablar lentamente de modo que el significado de la conversación no se pierda; esto es lo que se denomina control de flujo. La capa de transporte brinda servicios de transporte desde el host origen hasta el host destino. Establece una conexión lógica entre los puntos de terminación de la red. Los protocolos de la capa de transporte segmentan y reensamblan los datos mandados por las aplicaciones de capas superiores en el mismo flujo de datos de capa de transporte. Este flujo de datos de la capa de transporte brinda servicios de transporte de extremo a extremo. El flujo de datos de la capa de transporte es una conexión lógica entre los puntos de terminación de una red. Sus tareas principales son las de transportar y regular el flujo de información desde el origen hasta el destino de forma confiable y precisa. La tarea principal de la Capa 4 es suministrar control de extremo a extremo usando ventanas deslizantes y brindar confiabilidad para los números de secuencia y los acuses de recibo. La capa de transporte define la conectividad de extremo a extremo entre las aplicaciones del host. Los servicios de transporte incluyen los siguientes servicios básicos: •
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Segmentación de los datos de las aplicaciones de capa superior Establecimiento de las operaciones de extremo a extremo Transporte de segmentos desde un host final a otro host final Control de flujo, suministrado por las ventanas deslizantes Confiabilidad, suministrada por los números de secuencia y los acuses de recibo
TCP/IP es una combinación de dos protocolos individuales. IP opera en la Capa 3 y es un servicio no orientado a conexión que proporciona una entrega de máximo esfuerzo a través de una red. TCP opera en la Capa 4, y es un servicio orientado a conexión que suministra control de flujo y confiabilidad. Al unir estos protocolos, se suministra una gama de servicios más amplia. De forma conjunta, constituyen la base para un conjunto completo de protocolos que se denomina conjunto de protocolos TCP/IP. La Internet se basa en este conjunto de protocolos TCP/IP Las tareas principales de la capa de transporte, la Capa 4 del modelo OSI, son transportar y regular el flujo de información desde el origen hasta el destino, de forma confiable y precisa. El control de extremo a extremo y la confiabilidad se suministran a través de ventanas deslizantes, números de secuencia y acuses de recibo. Para comprender qué son la confiabilidad y el control de flujo, piense en alguien que estudia un idioma extranjero durante un año y luego visita el país en el que se habla ese idioma. Mientras uno conversa, las palabras se deben repetir para que exista confiabilidad y se debe hablar lentamente de modo que el significado de la conversación no se pierda; esto es lo que se denomina control de flujo.
La capa de transporte brinda servicios de transporte desde el host origen hasta el host destino. Establece una conexión lógica entre los puntos de terminación de la red. Los protocolos de la capa de transporte segmentan y reensamblan los datos mandados por las aplicaciones de capas superiores en el mismo flujo de datos de capa de transporte. Este flujo de datos de la capa de transporte brinda servicios de transporte de extremo a extremo. El flujo de datos de la capa de transporte es una conexión lógica entre los puntos de terminación de una red. Sus tareas principales son las de transportar y regular el flujo de información desde el origen hasta el destino de forma confiable y precisa. La tarea principal de la Capa 4 es suministrar control de extremo a extremo usando ventanas deslizantes y brindar confiabilidad para los números de secuencia y los acuses de recibo. La capa de transporte define la conectividad de extremo a extremo entre las aplicaciones del host. Los servicios de transporte incluyen los siguientes servicios básicos: •
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Segmentación de los datos de las aplicaciones de capa superior Establecimiento de las operaciones de extremo a extremo Transporte de segmentos desde un host final a otro host final Control de flujo, suministrado por las ventanas deslizantes Confiabilidad, suministrada por los números de secuencia y los acuses de recibo
TCP/IP es una combinación de dos protocolos individuales. IP opera en la Capa 3 y es un servicio no orientado a conexión que proporciona una entrega de máximo esfuerzo a través de una red. TCP opera en la Capa 4, y es un servicio orientado a conexión que suministra control de flujo y confiabilidad. Al unir estos protocolos, se suministra una gama de servicios más amplia. De forma conjunta, constituyen la base para un conjunto completo de protocolos que se denomina conjunto de protocolos TCP/IP. La Internet se basa en este conjunto de protocolos TCP/IP Control de Flujo A medida que la capa de transporte envía segmentos de datos, trata de garantizar que los datos no se pierdan. Un host receptor que no puede procesar los datos tan rápidamente como llegan puede provocar una pérdida de datos. El host receptor se ve obligado a descartar los datos. El control de flujo evita el problema que se produce cuando un host que realiza la transmisión inunda los buffers del host destinatario. TCP suministra el mecanismo de control de flujo al permitir que el host emisor y el receptor se comuniquen. Luego los dos hosts establecen velocidades de transferencia de datos que sean aceptables para ambos. Administración de Sesiones Descripción general del establecimiento, mantenimiento y terminación de sesión
Múltiples aplicaciones pueden compartir la misma conexión de transporte en el modelo de referencia OSI. La funcionalidad de transporte se logra segmento por
segmento. En otras palabras, esto significa que las distintas aplicaciones pueden enviar segmentos de datos con un sistema basado en el principio "el primero que llega es el primero que se sale". Los segmentos que llegan primero son los primeros que serán resueltos. Estos segmentos se pueden encaminar hacia el mismo destino o hacia distintos destinos. Varias aplicaciones pueden compartir la misma conexión en el modelos de referencia OSI. Esto se denomina multiplexión de conversaciones de capas superiores. Varias conversaciones simultáneas de las capas superiores se pueden multiplexar en una sola conexión.
Figura.Multiplexado de capas superiores Una de las funciones de la capa de transporte es establecer una sesión orientada a conexión entre dispositivos similares en la capa de aplicación. Para que se inicie la transferencia de datos, tanto las aplicaciones emisoras como receptoras informan a sus respectivos sistemas operativos que se iniciará una conexión. Un nodo inicia la conexión, que debe ser aceptada por el otro. Los módulos de software de protocolo en los dos sistemas operativos se comunican entre sí enviando mensajes a través de la red a fin de verificar que la transferencia esté autorizada y que ambos lados estén preparados. Después de que se haya establecido toda la sincronización, se establece la conexión y comienza la transferencia de datos. Durante la transferencia, los dos dispositivos siguen comunicándose con su software de protocolo para verificar que estén recibiendo los datos correctamente. La Figura muestra una conexión típica entre sistemas emisores y receptores. El primer intercambio de señal solicita la sincronización. El segundo y el tercer intercambio de señales acusan recibo de la petición inicial de sincronización, y sincronizan los parámetros de conexión en sentido opuesto. El segmento final del intercambio de señales es un acuse de recibo que se utiliza para informar al destino que ambos lados aceptan que se ha establecido una conexión. A partir del momento en que se establece la conexión, comienza la transferencia de datos. Un congestionamiento puede ocurrir durante la transferencia de datos por dos razones:
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Primero, una computadora de alta velocidad es capaz de generar tráfico más rápido que lo que la red tarda en transmitirla. Segundo, si varias computadoras requieren mandar datagramnas simultáneamente a un mismo destino, éste puede experimentar un congestionamiento, aunque no se tenga un origen único.
Figura. Control de Flujo Cuando los datagramas llegan demasiado rápido como para que un host o gateway los procese, se almacenan temporalmente en la memoria. Si el tráfico continúa, tarde o temprano el host o el gateway agota su memoria y debe descartar cualquier otro datagrama que llegue. En vez de permitir que se pierda la información, el destino puede enviar un mensaje al origen indicando que no está listo ("not ready"). Este indicador, que funciona como una señal de "pare", indica al emisor que debe dejar de enviar datos. Cuando el receptor está en condiciones de aceptar más datos, envía un indicador de transporte de "listo". Cuando recibe este indicador, el emisor puede reanudar la transmisión de segmentos.
Figura. Establecimiento de una conexión. Al finalizar la transferencia de datos, el host emisor envía una señal que indica que la transmisión ha finalizado. El host receptor ubicado en el extremo de la secuencia de datos acusa recibo del fin de la transmisión y la conexión se termina.
Intercambio de señales de tres vías TCP es un protocolo orientado a conexión. TCP requiere que se establezca una conexión antes de que comience la transferencia de datos. Para que se establezca o inicialice una conexión, los dos hosts deben sincronizar sus Números de secuencia iniciales (ISN: Initial Sequence Numbers). La sincronización se lleva a cabo a través de un intercambio de segmentos que establecen la conexión al transportar un bit de control denominado SYN (para la sincronización), y los ISN.
Los segmentos que transportan el bit SYN también se denominan "SYN". Esta solución requiere un mecanismo adecuado para elegir un número de secuencia inicial y un proceso levemente complicado para intercambiar los ISN. La sincronización requiere que ambos lados envíen su propio Número de Secuencia Inicial (Initial Sequence Number; ISN) y recibir la confirmación del cambioen un Acuse de Recibo (Acknowledgment; ACK) del otro lado. La secuencia es la siguiente: 1. El origen (A) inicializa una conexión mandando un paquete de SYN hacia el host destino (B) indicando su INS = X: A—>B SYN, seq de A = X 2. B recibe el paquete, graba que el seq de A = X, responde con un ACK de X + 1, e indica que su INS = Y. El ACK de X + 1 significa que el host B recibió
todos los octetos incluyendo X y ahora espera X + 1 siguiente: B—>A ACK, seq e A = X, SYN seq de B = Y, ACK = X + 1 3. A recibe el paquete de B, y sabe que el seq de B = Y, y responde con un ACK de Y + 1, el cual termina el proceso de conexión: A—>B ACK, seq de B = Y, ACK = Y + 1 Este intercambio se denomina intercambio de señales de tres vías. El intercambio de señales de tres vías es necesario dado que los números de secuencia no están conectados a ningún reloj global de la red y los protocolos TCP pueden tener distintos mecanismos para elegir el ISN. El receptor del primer SYN no tiene forma de saber si el segmento es un antiguo segmento demorado, a menos que recuerde el último número de secuencia utilizado en la conexión. No siempre es posible recordar ese número. Por lo tanto, debe solicitar al emisor que verifique este SYN.
Figura.
Uso de Ventanas Los paquetes de datos se deben enviar al receptor en el mismo orden en los que se transmitieron para lograr una transferencia de datos confiable, orientada a conexión. Los protocolos fallan si algún paquete se pierde, se daña, se duplica o se recibe en un orden distinto. Una solución sencilla es que el receptor acuse recibo de cada paquete antes de que se envíe el siguiente paquete.
Si el emisor debe esperar recibir un acuse de recibo luego de enviar cada paquete, el rendimiento es lento. Por lo tanto, la mayoría de los protocolos confiables, orientados a conexión, permiten que haya más de un paquete pendiente en la red a la vez. Como se dispone de tiempo después de que el emisor termina de transmitir el paquete de datos y antes de que el emisor termina de procesar cualquier acuse de recibo, este rango se utiliza para transmitir más
datos. El número de paquetes de datos que se permite que un emisor tenga pendientes sin haber recibido un acuse de recibo se denomina "ventana". TCP usa acuses de recibo expectante. Por "acuses de recibo expectante" se entiende que el número de acuse de recibo se refiere al siguiente paquete esperado. Por "uso de ventanas" se entiende que el tamaño de la ventana se negocia de forma dinámica durante la sesión TCP. El uso de ventanas es un mecanismo de control de flujo. El uso de ventanas requiere que el dispositivo origen reciba un acuse de recibo desde el destino después de transmitir una cantidad determinada de datos. El proceso del TCP receptor indica una "ventana" para el TCP emisor. Esta ventana especifica la cantidad de paquetes, comenzando por el número de acuse de recibo, que el proceso TCP receptor actualmente está preparado para recibir.
Figura. Ventana de tamaño 1 Con una ventana de tamaño 3, el origen puede enviar 3 bytes al destino. El origen debe esperar entonces por un acuse de recibo (ACK). Si el destino recibe los 3 bytes, le manda un ACK al origen, el cual ahora ya puede enviar otros 3 bytes. Si el destino NO recibe los tres bytes, por que los buffers tienen un sobreflujo, entonces no manda un ACK. El origen al no recibir el ACK, sabe que tiene que retransmitir los mismos tres bytes que ya había enviado, y la razón de transmisión se decrementa. Como se muestra en la Figura , el emisor envía tres paquetes antes de recibir un ACK (acuse de recibo). Si el receptor puede manejar un tamaño de ventana de sólo dos paquetes, la ventana descarta el paquete tres, especifica tres como el siguiente paquete y especifica un nuevo tamaño de ventana de dos. El emisor envía los dos siguientes paquetes, pero continúa especificando un tamaño de ventana de tres. Esto significa que el emisor continúa esperando recibir un acuse de recibo de tres paquetes de parte del receptor. El receptor responde solicitando el paquete cinco y especifica nuevamente un tamaño de ventana de dos.
Figura. Ventana de tamaño 3 Acuse de Recibo La entrega confiable garantiza que una corriente de datos enviada desde un dispositivo sea entregada a través de un enlace de datos a otro dispositivo sin que se dupliquen o pierdan los datos. El acuse de recibo positivo con retransmisión es una técnica que garantiza la entrega confiable de los datos. El acuse de recibo positivo requiere que el receptor se comunique con el origen, enviando un mensaje de acuse de recibo una vez que recibe los datos. El emisor mantiene un registro de cada paquete de datos (segmento TCP) que envía y del que espera recibir un acuse de recibo. El emisor también inicia un temporizador cada vez que envía un segmento y retransmite el segmento si el temporizador expira antes de que llegue el acuse de recibo.
Figura. Envío de acuse de recibo
La figura muestra un emisor que transmite los paquetes de datos 1, 2 y 3. El receptor acusa recibo de los paquetes solicitando el paquete 4. El emisor, al recibir el acuse de recibo, envía los paquetes 4, 5 y 6. Si el paquete 5 no llega a su destino el receptor acusa recibo con una petición para reenviar el paquete 5. El emisor vuelve a enviar el paquete 5 y luego recibe el acuse de recibo antes de transmitir el paquete 7.
Figura. Secuencia de acuse de recibo. TCP suministra secuenciamiento de segmentos con un acuse positivo de recibo de referencia de envío. Cada segmento se ennumera antes de la transmisión. En la estación receptora, TCP reensambla los segmentos hasta formar un mensaje completo. Si falta un número de secuencia en la serie, el segmento se vuelve a transmitir. Los segmentos para los cuales no se acusa recibo dentro de un período determinado de tiempo darán como resultado una retransmisión. Protocolo para el Control de la Transmisión (TCP) El Protocolo para el control de la transmisión (TCP) es un protocolo de Capa 4 orientado a conexión que suministra una transmisión de datos full-duplex confiable. TCP forma parte de la pila del protocolo TCP/IP. En un entorno orientado a conexión, se establece una conexión entre ambos extremos antes de que se pueda iniciar la transferencia de información. TCP es responsable por la división de los mensajes en segmentos, reensamblándolos en la estación destino, reenviando cualquier mensaje que no se haya recibido y reensamblando mensajes a partir de los segmentos. TCP suministra un circuito virtual entre las aplicaciones del usuario final.
Los protocolos que usan TCP incluyen: •
FTP (Protocolo de transferencia de archivos)
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HTTP (Protocolo de transferencia de hipertexto) SMTP (Protocolo simple de transferencia de correo) Telnet
Las siguientes son las definiciones de los campos de un segmento TCP: •
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Puerto origen: El número del puerto que realiza la llamada. Puerto destino: El número del puerto al que se realiza la llamada. Número de secuencia: El número que se usa para asegurar el
secuenciamiento correcto de los datos entrantes. Número de acuse de recibo: Siguiente octeto TCP esperado. HLEN: La cantidad de palabras de 32 bits del encabezado. Reservado: Establecido en cero. Bits de código: Funciones de control, como configuración y terminación de una sesión. Ventana: La cantidad de octetos que el emisor está dispuesto a aceptar. Checksum (suma de comprobación): Suma de comprobación calculada a partir de los campos del encabezado y de los datos. Indicador de mensaje urgente: Indica el final de la transmisión de datos urgentes. Opción: Una opción definida actualmente, tamaño máximo del segmento TCP. Datos: Datos de protocolo de capa superior
Protocolo de Datagrama de Usuario (UDP) El Protocolo de datagrama de usuario (UDP: User Datagram Protocol) es el protocolo de transporte no orientado a conexión de la pila de protocolo TCP/IP. El UDP es un protocolo simple que intercambia datagramas sin acuse de recibo ni garantía de entrega. El procesamiento de errores y la retransmisión deben ser manejados por protocolos de capa superior. El UDP no usa ventanas ni acuses de recibo de modo que la confiabilidad, de ser necesario, se suministra a través de protocolos de la capa de aplicación. El UDP está diseñado para aplicaciones que no necesitan ensamblar secuencias de segmentos.
Los protocolos que usan UDP incluyen: •
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TFTP (Protocolo trivial de transferencia de archivos) (SNMP) Protocolo simple de administración de red DHCP (Protocolo de configuración dinámica del host) DNS (Sistema de denominación de dominios)
Las siguientes son las definiciones de los campos de un segmento UDP: •
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Puerto origen: Número del puerto que realiza la llamada Puerto destino: Número del puerto al que se realiza la llamada
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Longitud: Número de bytes que se incluyen en el encabezado y los datos Checksum (suma de comprobación): Suma de comprobación calculada a
partir de los campos del encabezado y de los datos. Datos: Datos de protocolo de capa superior.
Números de puerto TCP y UDP Tanto TCP como UDP utilizan números de puerto (socket) para enviar información a las capas superiores. Los números de puerto se utilizan para mantener un registro de las distintas conversaciones que atraviesan la red al mismo tiempo.
Los programadores del software de aplicación han aceptado usar los números de puerto conocidos que emite la Agencia de Asignación de Números de Internet (IANA: Internet Assigned Numbers Authority). Cualquier conversación dirigida a la aplicación FTP usa los números de puerto estándar 20 y 21. El puerto 20 se usa para la parte de datos y el puerto 21 se usa para control. A las conversaciones que no involucran ninguna aplicación que tenga un número de puerto bien conocido, se les asignan números de puerto que se seleccionan de forma aleatoria dentro de un rango específico por encima de 1023. Algunos puertos son reservados, tanto en TCP como en UDP, aunque es posible que algunas aplicaciones no estén diseñadas para admitirlos. Los números de puerto tienen los siguientes rangos asignados: •
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Los números inferiores a 1024 corresponden a números de puerto bien conocidos. Los números superiores a 1023 son números de puerto asignados de forma dinámica. Los números de puerto registrados son aquellos números que están registrados para aplicaciones específicas de proveedores. La mayoría de estos números son superiores a 1024.
Los sistemas finales utilizan números de puerto para seleccionar la aplicación adecuada. El host origen asigna de forma dinámica los números del puerto de origen. Estos números son siempre superiores a 1023
Protocolos Orientados a la Conexión y No Orientados a la Conexión Los protocolos de transporte se pueden clasificar como protocolos orientados a conexión y no orientados a conexión . Los servicios orientados a conexión deben primero establecer una conexión con el servicio deseado antes de pasar cualesquier dato. Un servicio no orientado a conexión puede enviar los datos sin necesidad de establecer primero una conexión. Los servicios orientados a conexión proporcionan generalmente un cierto nivel de la garantía de entrega, mientras que los servicios no orientados a conexión no.
El servicio orientado a conexión implica tres fases; establecimiento de la conexión, transferencia de datos, y terminación de la conexión. Durante el establecimiento de la conexión, los nodos del final pueden reservar los recursos para la conexión. Los nodos finales también pueden negociar y establecer ciertos criterios para la transferencia, tal como un tamaño de la ventana usado en conexiones del TCP. Esta reservación del recurso es una de las cosas explotadas en una cierta negación de los ataques del servicio (DOS). Un sistema que ataca enviará muchas peticiones para establecer una conexión pero después nunca terminará la conexión. La computadora atacada entonces se deja con los recursos asignados para muchas conexiones nunca terminadas. Entonces, cuando un nodo de final intenta terminar una conexión real, no hay bastantes recursos para la conexión válida. La fase de transferencia de datos ocurre cuando los datos reales se transmiten sobre la conexión. Durante transferencia de datos, la mayoría de los servicios orientados a conexión supervisarán los paquetes perdidos y la manera en que se vuelven a enviar. El protocolo generalmente también es responsable de poner los paquetes en la secuencia correcta antes de pasar los datos sobre un protocolo. Cuando la transferencia de datos es completa, los nodos del final terminan la conexión y lanzan los recursos reservados para la conexión. Los servicios de red orientados a conexión tienen más gastos indirectos que los no orientados a conexión. Así, los servicios orientados a conexión deben negociar una conexión, transferir datos, y finalizar la conexión, mientras que una transferencia no orientada a conexión puede enviar simplemente los datos sin los gastos indirectos agregados de crear y de terminar una conexión. Capa de Enlace Una dirección de la capa de enlace de datos identifica una conexión física de red de un dispositivo de la red. Las direcciones de la capa de enlace de datos algunas veces son referidas como direcciones físicas o del hardware. Las direcciones de la
capa de enlace de datos existen dentro de un espacio de dirección plano y tienen generalmente una relación preestablecida y fija a un dispositivo específico. Los sistemas de finales tienen generalmente una sola conexión de red física y por tanto una sola dirección de la capa de enlace de datos. Los ruteadores y otros dispositivos de red tienen típicamente múltiples conexiones físicas y por lo tanto tienen múltiples direcciones de la capa de enlace de datos. El cuadro 1-13 ilustra cómo cada interfaz en un dispositivo es identificado únicamente por una dirección del dato-acoplamiento.
Cada interfaz en un dispositivo es identificada únicamente por una dirección de la capa de enlace de datos (direcciones MAC) Las direcciones de Media Access Control (MAC) consisten en un subconjunto de direcciones de la capa de enlace de datos. Las direcciones del MAC son únicas para cada interfaz del LAN. La figura 1-14 ilustra la relación entre las direcciones MAC y las subcapas de la capa de enlace de datos (IEEE). Las direcciones del MAC son de 48 bIts de longitud y se expresan como 12 dígitos hexadecimales. Los primeros 6 dígitos hexadecimales, son administrados por el IEEE, identifican al fabricante o a vendedor y abarcan así el identificador de organización único (OUI). Los siguientes 6 dígitos hexadecimales representan el número de serie del interfaz, u otro valor administrado por el vendedor específico.
Las direcciones del MAC se llaman a veces burned-in addresses (BIAs) porque se queman en la memoria ROM. El cuadro 1-15 ilustra el formato de la dirección MAC. Debido a que las redes de computadoras utilizan generalmente direcciones de red para enviar el tráfico alrededor de la red, existe la necesidad de traducir las direcciones de red a las direcciones MAC. Cuando la capa de red ha determinado la dirección de red de la estación de destino, debe remitir la información sobre una red física usando una dirección MAC. Diversos protocolos utilizan diversos métodos para realizar esta traducción, pero el más popular es el Protocolo de Resolución de Direcciones (Address Resolution Protocol ARP). Los protocolos utilizan diversos métodos para determinar la dirección MAC de un dispositivo. después de tres métodos se utilizan lo más a menudo posible. El Address Resolution Protocol (ARP) es el método usado por el protocolo TCP/IP. Cuando un dispositivo de la red necesita enviar datos a otro dispositivo en la misma red, sabe las direcciones del origen y del destino para la transferencia de datos. Debe conocer de alguna manera la dirección MAC de destino antes del envío de los datos.
