Capas Del Modelo OSI-TCP-IP
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3.1. Capas superiores del modelo OSI
3.1.1. Introducción
En 1983, Organización Internacional para la Estandarización (ISO), publicaron un
documento denominado "El modelo básico de referencia para Interconexión de
Sistemas Abiertos". El modelo descrito en ese documento divide las funciones de red de
un equipo en siete capas.
En este capítulo, enfatizaremos el rol de una capa, la capa de aplicación, y sus
componentes: aplicaciones, servicios y protocolos. Exploraremos la forma en que los
tres elementos hacen posible la comunicación sólida a través de la red de información.
En este capítulo, aprenderá a:
Describir cómo las funciones de las tres capas superiores del modelo OSI
proporcionan servicios de red a las aplicaciones de usuario final.
Describir cómo los protocolos de la capa de aplicación TCP/IP proporcionan los
servicios que especifican las capas superiores del modelo OSI.
Definir cómo la gente utiliza la capa de aplicación para comunicarse a través de
la red de información.
Describir la función de las conocidas aplicaciones TCP/IP, como la World Wide
Web y el correo electrónico, y sus servicios relacionados (HTTP, DNS, SMB,
DHCP, SMTP/POP y Telnet).
Describir los procesos para compartir archivos que utilizan las aplicaciones entre
pares y el protocolo Gnutella.
Explicar cómo los protocolos garantizan que los servicios que se ejecutan en una
clase de dispositivo puedan enviar y recibir datos desde y hacia muchos
dispositivos de red diferentes.
Utilizar herramientas de análisis de red para examinar y explicar cómo
funcionan las aplicaciones comunes de los usuarios.
3.1.2. Protocolos y funcionalidad
3.1.3. Toma de medida para las aplicaciones y servicios.
3.1.4. Ejemplo de servicios
El nivel de aplicación actúa como la ventana para los usuarios y los procesos de
aplicaciones tener acceso a servicios de red. Esta capa contiene una variedad de
funciones frecuentemente utilizadas:
Redirección de dispositivo y de uso compartido de recursos.
Acceso a archivos remotos.
Acceso a la impresora remota.
Comunicación entre procesos.
Administración de redes.
Servicios de directorio.
Mensajería electrónica (como correo).
Terminales de la red virtuales.
Capa Descripción
Aplicación
Provee el conjunto de aplicaciones de red, como por ejemplo: Transferencia de archivos, emulación de terminal, correo electrónico, discos virtuales, etc.
Aplicaciones: FTP, Telnet, SMTP, NFS, etc.
Presentación:
Provee las funciones de formato y conversión de códigos, necesarias para que los datos sean más fácilmente interpretados por los programas de aplicación.
Ejemplo: ASCII, EBCDIC, representación de números enteros y reales, etc.
SesiónEs responsable del establecimiento y mantenimiento de las sesiones de comunicación entre los programas de comunicación.
Transporte
Define los mecanismos para mantener la confiabilidad de las comunicaciones en la red
Funciones: Regulación de flujo de mensajes, retransmisión de paquetes, inicio/terminación de sesiones entre nodos, etc.
Protocolos: TCP, SPX, etc.
Red
Define los mecanismos para determinar las rutas que deben seguir los paquetes dentro de la red y para el control de la congestión.
Unidad de transmisión: PACKET.
Funciones: Enrutamiento de paquetes en la red, ofrece un canal libre de errores a la capa de transporte.
Protocolos: IP, IPX, VTAM, etc.
Enlace
Define el protocolo de comunicación que usan los nodos de la red, para accesar el medio de transmisión.
Unidad de transmisión: FRAME.
Funciones: Control de acceso al canal (manejo de colisiones, manejo del testigo, etc.), dividir los paquetes recibidos de la capa superior en grupos de bits. Provee mecanismos para detección y corrección de errores.
Protocolos:
LAN - Ethernet (IEEE 802.3), Token Ring (802.5), FDDI, etc.
WAN - SDLC, HDLC, PPP, LAPB.
Física
Define la conexión física entre el nodo y la red, incluyendo los aspectos físicos, mecánicos (cables, conectores, secuencia de pines) y aspectos eléctricos (niveles de voltaje, técnicas usadas para modular la señal), etc.
Unidad de transmisión: BIT.
Funciones: Transmisión de bits sobre el canal de comunicación:
Acotados: Par de cables trenzados, cable coaxial, fibra óptica, etc.
No Acotados: Microondas, radio, satélite, etc.
Estándares: RS-232C, RS-449, V.24, V.35.
Capa Descripción Palabra clave Dispositivo
Física
Transmisión de bit (pulsos eléctricos) a través de los medios físicos.
Definición de los aspectos físicos de las topologías: tipos de cables, distancias mínimas y máximas, cantidad de nodos, limitaciones, etc.
TopologíasHubs
repetidor
Enlace de datos
Sirve de enlace entre los medios físicos y el dominio del software, contempla la agrupación de bits en tramas de información y la identificación física de los nodos.
LLC: Logical link control, permite el enlace con capas superiores y el manejo de múltiples tramas independizándose del hardware (802.2).
MAC: Médium Access Control, comunicación con los adaptadores de red. Establecimiento de direcciones físicas.
MAC-FRAME Bridge switch
Red
Provee de una comunicación punto a punto sin conexión. En ella se establece formas de identificación independientes del hardware, la traducción de nombre en direcciones. Es la responsable de direccionamiento, la determinación de reglas para el envío de información, manejo de los problemas de tráfico, intercambio de paquetes, enrutamiento, problemas de congestión y reensamblado de los paquetes.
Enrutamiento Router
TransporteEs la responsable del manejo de los paquetes, de asegurar la entrega de los mismos libres de errores, de dividirlos en paquetes más chicos, de reordenarlos y finalmente de solicitar el reenvío de algunas di fuera necesario.
Comunicación
punto a puntoGateway
SesiónPermite a las aplicaciones corriendo en sistemas ya comunicados establecer, coordinar y finalizar diálogos entre ellos. Provee de la sincronización entre computadoras conectadas.
Control de diálogo
Gateway
PresentaciónEs la capa responsable de traducir los datos de forma tal que puedan ser entendidos por la capa de aplicación. En ella se produce la conversión, traducción, encriptado y
Traducción de datos
Gateway
el manejo de la comprensión de datos.
AplicaciónEs la capa que permite a las aplicaciones hacer uso de la red. Es la encargada del manejo del acceso a la red, del control de flujo y la recuperación de errores.
Servicios de aplicación
Gateway
3.2. Capa de Transporte
3.2.1. Introducción
La capa de transporte garantiza que los mensajes se entregan sin errores, en secuencia y
sin pérdidas o duplicaciones. Libera a los protocolos de nivel superior de cualquier
problema con la transferencia de datos entre ellos y sus colegas.
El tamaño y la complejidad de un protocolo de transporte depende del tipo de servicio
puede obtener de la capa de red. Para obtener una capa de red confiable con capacidad
de circuito virtual, se requiere una capa de transporte mínima. Si la capa de red no es
confiable o sólo es compatible con los datagramas, debe incluir el protocolo de
transporte, recuperación y detección de errores extensa.
3.2.2. Funciones de la capa de transporte
Segmentación del mensaje: acepta un mensaje de la capa (sesión) por encima de
él, el mensaje se divide en unidades más pequeñas (si no ya pequeño) y las pasa
las unidades más pequeñas hacia abajo hasta la capa de red. La capa de transporte
en la estación de destino permite volver a montar el mensaje.
Mensaje de confirmación: proporciona la entrega de mensajes confiable de
extremo a extremo con las confirmaciones.
Control de tráfico de mensajes: indica a la estación transmisora que "dé marcha
atrás" cuando no hay búferes de mensajes disponibles.
Multiplexión de sesión: Multiplexa varias secuencias de mensajes o las sesiones
en un vínculo lógico y realiza un seguimiento de los mensajes que pertenecen a
las sesiones (ver la capa de sesión).
Por lo general, la capa de transporte puede aceptar mensajes relativamente grandes, pero
hay un tamaño límite impuesto por la capa(inferior) de red. En consecuencia, la capa de
transporte debe dividir los mensajes en unidades más pequeñas, o tramas,
anteponiéndole un encabezado a cada trama.
La información de encabezado de la capa de transporte, a continuación, debe incluir la
información de control, como el inicio de mensaje y marcas de fin de mensaje, para
habilitar la capa de transporte en el otro extremo a reconocer los límites de
mensajes. Además, si las capas inferiores no mantienen la secuencia, el encabezado de
transporte debe contener información de secuencia para permitir que la capa de
transporte en el extremo receptor obtenga las piezas en el orden correcto antes de
entregar el mensaje recibido hasta la capa superior.
3.2.3. Protocolos TCP
TCP: El protocolo garantiza que los datos serán entregados en su destino sin errores y
en el mismo orden en que se transmitieron.
Integran los siguientes elementos:
- Puerto Origen.
- Puerto Destino.
- Nº de Secuencia.
- Nº de Acuse de Recibo.
- Checksun (CRC16).
3.2.4. Protocolo UDP
UDP: Es un protocolo del nivel de transporte. No tiene confirmación ni control de flujo,
por lo que los paquetes pueden adelantarse unos a otros; y tampoco se sabe si ha
llegado correctamente, ya que no hay confirmación de entrega o recepción.
Integran los siguientes elementos:
- Puerto Origen.
- Puerto Destino.
- Checksun (CRC16).
3.3. Capa de red
3.3.1. Introducción
Su función principal es definir la dirección de red a la que tenemos que enviar los
paquetes. Lo más importante es eliminar los cuellos de botella que se producen al
saturarse la red de paquetes enviados, por lo que también es necesario encaminar cada
paquete con su destinatario.
Otro problema a solucionar por esta capa es la interconexión de redes
heterogéneas, solucionando problemas de protocolos diferentes, o direcciones
desiguales.
Este nivel encamina los paquetes de la fuente al destino final a través de
encaminadores (routers) intermedios. Tiene que saber la topología de la subred,
evitar la congestión, y manejar saltos cuando la fuente y el destino están en redes
distintas.
3.3.2. Protocolos de la capa de red
IP: Es un protocolo que recibe una a una todas las tramas o segmentos que ha generado
TCP y le asigna la dirección IP de destino.
Paquetes de IP:
Versión. Es la 4. Permite las actualizaciones.
IHL. La longitud del encabezamiento en palabras de 32 bits. El valor máximo es
15, o 60 bytes.
Tipo de servicio. Determina si el envío y la velocidad de los datos es fiable. No
usado.
Longitud total. Hasta un máximo de 65.535 bytes.
Identificación. Para determinar a qué datagrama pertenece un fragmento.
DF (Don't Fragment). El destino no puede montar el datagrama de nuevo.
MF (More Fragments). No establecido en el fragmento último.
Desplazamiento del fragmento. A qué parte del datagrama pertenece este
fragmento. El tamaño del fragmento elemental es 8 bytes.
Tiempo de vida. Se decrementa cada salto.
Protocolo. Protocolo de transporte en que se debiera basar el datagrama. Las
opciones incluyen el enrutamiento estricto (se especifica la ruta completa), el
enrutamiento suelto (se especifican solamente algunos routers en la ruta), y
grabación de la ruta.
3.3.3. Enrutamiento y sus características
Para que una red funcione correctamente es necesario que todos los routers conozcan las
distintas redes que pueden alcanzar y por dónde. Este conocimiento y la decisión de a
quién enviar el tráfico es responsabilidad del router. Ahora bien, para obtener el
conocimiento necesario, un equipo se puede basar básicamente en dos estrategias: ruteo
estático y ruteo dinámico.
3.3.3.1. Enrutamiento estático
El ruteo estático es un método manual que requiere que el administrador indique
explícitamente en cada equipo las redes que puede alcanzar y por qué camino hacerlo.
La ventaja de este método, además de la simpleza para configurarlo, es que no
supone ninguna sobrecarga adicional sobre los routers y los enlaces en una red.
Configurar rutas estáticas en una red de más de unos pocos routers puede
volverse un trabajo muy engorroso para el administrador, además de aumentar la
probabilidad de cometer un error, en cuyo caso puede llegar a ser bastante
dificultoso encontrar dicho error.
Cuando se utiliza ruteo estático en una red con redundancia y hay un fallo en un
enlace el administrador debe modificar las rutas manualmente, lo cual
implica un tiempo de respuesta ante una falla mucho mayor que si se utiliza un
método automático.
3.3.3.2. Enrutamiento dinámico
El ruteo dinámico utiliza diferentes protocolos con el objetivo de tener una red
totalmente accesible. En este caso, los routers envían y reciben información de
enrutamiento que utilizan para armar sus tablas de ruteo.
Configurar el ruteo en una red mediana a grande implica mucho menos trabajo
para el administrador.
Es capaz también de adaptarse a los problemas, ya que puede detectar la falla de
un enlace principal y utilizar entonces un enlace alternativo para alcanzar el
destino (si lo hubiera).
Al intercambiar información entre los dispositivos y requerir que cada router
procese dicha información se utiliza tanto ancho de banda de los enlaces como
tiempo de procesamiento en los equipos, lo cuál en algunas circunstancias puede
convertirse en un problema.
3.3.4. Direccionamiento IP
3.3.4.1. Introducción
3.3.4.2. Manejo de subredes
3.3.4.3. División de subredes
3.3.4.4. VLSM y CIDR
3.3.5. Manejo de Gateway
Capa Física
Aquí se encuentran los medios materiales para la comunicación como las placas, cables, conectores, es decir los medios mecánicos y eléctricos.
La capa física se ocupa de la transmisión de bits a lo largo de un canal de comunicación, de cuantos microsegundos dura un bit, y que voltaje representa un 1 y cuantos un 0. La misma debe garantizar que un bit que se manda llegue con el mismo valor. Muchos problemas de diseño en la parte física son problema de la ingeniería eléctrica.
Medios de transmisión
Par trenzado (twisted pair). Consiste en dos alambres de cobre enroscados (para reducir interferencia eléctrica).
Cable coaxial. Un alambre dentro de un conductor cilíndrico. Tiene un mejor blindaje y puede cruzar distancias mayores con velocidades mayores
Fibra óptica. Hoy tiene un ancho de banda de 50.000 Gbps, pero es limitada por la conversión entre las señales ópticas y eléctricas (1 Gbps). Los pulsos de luz rebotan dentro de la fibra.
Además de estos hay también medios inalámbricos de transmisión. Cada uno usa una banda de frecuencias en alguna parte del espectro electromagnético. Las ondas de longitudes más cortas tienen frecuencias más altas, y así apoyan velocidades más altas de transmisión de datos.
Veamos algunos ejemplos:
Radio. 10 KHz-100 MHz. Las ondas de radio son fáciles de generar, pueden cruzar distancias largas, y entrar fácilmente en los edificios. Son omnidireccionales, lo cual implica que los transmisores y recibidores no tienen que ser alineados.
Las ondas de frecuencias bajas pasan por los obstáculos, pero el poder disminuye con la distancia.
Las ondas de frecuencias más altas van en líneas rectas. Rebotan en los obstáculos y la lluvia las absorbe.
Microondas. 100 MHz-10 GHz. Van en líneas rectas. Antes de la fibra formaban el centro del sistema telefónico de larga distancia. La lluvia las absorbe.
Infrarrojo. Se usan en la comunicación de corta distancia (por ejemplo, controlo remoto de televisores). No pasan por las paredes, lo que implica que sistemas en distintas habitaciones no se interfieren. No se pueden usar fuera.
Ondas de luz. Se usan lasers. Ofrecen un ancho de banda alto con costo bajo, pero el rayo es muy angosto, y el alineamiento es difícil.
El sistema telefónico. En general hay que usarlo para redes más grandes que un LAN.
Consiste en las oficinas de conmutación, los alambres entres los clientes y las oficinas (los local loops), y los alambres de las conexiones de larga distancia entre las oficinas (los troncales). Hay una jerarquía de las oficinas.
La tendencia es hacia la señalización digital.
Ventajas:
La regeneración de la señal es fácil sobre distancias largas.
Se pueden entremezclar la voz y los datos.
Los amplificadores son más baratos porque solamente tienen que distinguir entre dos niveles.
La manutención es más fácil; es fácil detectar errores.
Satélites
Funcionan como repetidores de microondas. Un satélite contiene algunos transponedores que reciben las señales de alguna porción del espectro, las amplifican, y las retransmiten en otra frecuencia.
Hay tres bandas principales: C (que tiene problemas de interferencia terrenal), Ku, y Ka (que tienen problemas con la lluvia).
Un satélite tiene 12-20 transponedores, cada uno con un ancho de banda de 36-50 MHz. Una velocidad de transmisión de 50 Mbps es típica. Se usa la multiplexación de división de tiempo.
La altitud de 36.000 km sobre el ecuador permite la órbita geosíncrona, pero no se pueden ubicar los satélites con espacios de menos de 1 o 2 grados.
Los tiempos de tránsito de 250-300 milisegundos son típicos.
Muy útil en la comunicación móvil, y la comunicación en las áreas con el terreno difícil o la infraestructura débil.
Capa De Enlace
Se encarga de transformar la línea de transmisión común en una línea sin errores para la capa de red, esto se lleva a cabo dividiendo la entrada de datos en tramas de asentimiento, por otro lado se incluye un patrón de bits entre las tramas de datos. Esta capa también se encarga de solucionar los problemas de reenvío, o mensajes duplicados cuando hay destrucción de tramas. Por otro lado es necesario controlar el tráfico.
Un grave problema que se debe controlar es la transmisión bidireccional de datos.
El tema principal son los algoritmos para la comunicación confiable y eficiente entre dos máquinas adyacentes.
Problemas: los errores en los circuitos de comunicación, sus velocidades finitas de transmisión, y el tiempo de propagación. Normalmente se parte de un flujo de bits en marcos.
Marcos
El nivel de enlace trata de detectar y corregir los errores. Normalmente se parte el flujo de bits en marcos y se calcula un checksum (comprobación de datos) para cada uno.
Las tramas contendrán información como:Número de caracteres (un campo del encabezamiento guarda el número. Pero si el número es cambiado en una transmisión, es difícil recuperar.)Caracteres de inicio y fin.Servicios para el nivel de redServicio sin acuses de recibo. La máquina de fuente manda marcos al destino. Es apropiado si la frecuencia de errores es muy baja o el tráfico es de tiempo real (por ejemplo, voz).Servicio con acuses de recibo. El recibidor manda un acuse de recibo al remitente para cada marco recibido.
Control de flujo
Se usan protocolos que prohiben que el remitente pueda mandar marcos sin la permisión implícita o explícita del recibidor.
Por ejemplo, el remitente puede mandar un número indeterminado de marcos pero entonces tiene que esperar.
Detección y corrección de errores
Ejemplo: HDLC. En este ejemplo se verá un protocolo que se podría identificar con el segundo nivel OSI. Es el HDLC (High-level Data Link Control). Este es un protocolo orientado a bit, es decir, sus especificaciones cubren que información lleva cada uno de los bits de la trama.
BITS 8 8 8 >=0 16 8
01111110 Adress Control Data Checksum 01111110
Como se puede ver, se definen unos campos que se agregan a la información (Datos). Estos campos se
utilizan con distintos fines. Con el campo Checksum se detectan posibles errores en la transmisión
mientras que con el campo control se envía
