TEMA 5. MODELO OSI Y TCP/IP

¿Qué es el modelo OSI?

El modelo OSI, o de interconexión de sistemas abiertos, es un modelo conceptual que divide la comunicación y la interoperabilidad de la red en siete capas abstractas. Proporciona un modelo estandarizado que permite que diferentes aplicaciones, sistemas informáticos y redes se comuniquen.

El modelo OSI surgió como una solución a las incompatibilidades de comunicación entre la diversa gama de protocolos de red en uso a principios de siglo. Las capas de OSI proporcionaron a los desarrolladores e ingenieros un marco para crear hardware y software interoperables en las redes, al proporcionar un enfoque categórico de las redes.

En cada capa de la pila, que suele mostrarse en orden inverso para ilustrar cómo se mueven los datos a través de una red, el modelo OSI proporciona directrices y criterios para los componentes de la red y sus funciones informáticas únicas.

¿De dónde viene el modelo OSI?

Aunque el modelo OSI no es la base directa de las tecnologías modernas de redes informáticas, ha tenido un profundo impacto en el desarrollo de estándares informáticos, ayudando a dar forma a la comprensión contemporánea de la arquitectura de red.

A finales de la década de 1970 y principios de la de 1980, los sistemas informáticos estaban cada vez más interconectados, pero los fabricantes a menudo desarrollaban sus propias soluciones de red, creando un mosaico de sistemas patentados y no interoperables.

Varias de las primeras iniciativas de creación de redes intentaron resolver problemas de compatibilidad con ARPANET (que sentó las bases de la Internet moderna) y la suite de protocolos TCP/IP (encargado por el Departamento de Defensa). Ambos representaron avances significativos, pero también pusieron de manifiesto la necesidad de un enfoque más exhaustivo y universalmente aceptado.

Tras reconocer la creciente importancia de las redes y la necesidad de un marco universal, la Organización Internacional de Normalización (ISO) y el Comité Consultivo Internacional Telegráfico y Telefónico (CCITT) iniciaron el desarrollo de un modelo de red estandarizado.

La ISO publicó formalmente el modelo OSI, un marco seminal para el desarrollo de soluciones de red interoperables, en 1984. A diferencia de los intentos de estandarización anteriores, la configuración en capas de OSI permite que los sistemas dispar se comuniquen a pesar de las diferencias en sus arquitecturas y protocolos subyacentes.

¿Cuáles son las 7 capas del modelo OSI?

El modelo OSI es fundamental para el desarrollo de protocolos, ya que cada capa del marco gestiona procesos de red específicos. Las capas son las siguientes:

Capa 7: la capa de aplicación

La capa de aplicación es la capa OSI más cercana al usuario final. Proporciona servicios de red directamente a las aplicaciones de los usuarios y facilita la comunicación entre los endpoints de la API y las capas inferiores del modelo OSI. En otras palabras, las aplicaciones de software utilizan la capa de aplicación para iniciar la comunicación con la red y enviar datos a la capa de presentación.

Las aplicaciones en sí mismas no forman parte de esta capa. Más bien, la capa de aplicación proporciona los protocolos (HTTP, FTP, DNS y SMTP, por ejemplo) que permiten que el software envíe y reciba datos. Es responsable de procesos tales como:

Transferencia de archivos. La capa de aplicación toma archivos de datos legibles por humanos del dispositivo del usuario y los transmite a la capa de presentación.

Comunicación y autenticación. La capa de aplicación se asegura de que el dispositivo receptor pueda aceptar los datos y de que existan las interfaces de comunicación necesarias para la transferencia. También se puede utilizar para autenticar los dispositivos involucrados en la transferencia.

Acceso remoto. La capa de aplicación permite a los usuarios acceder a navegadores web, clientes de correo electrónico y otros servicios desde varias ubicaciones geográficas. También permite a los usuarios acceder y administrar archivos en una computadora remota.

Servicios de directorio. La capa de aplicación proporciona servicios de directorio (una base de datos compartida de información sobre los dispositivos y usuarios de la red) para facilitar la gestión de los recursos de la red.

Capa 6: la capa de presentación

La capa de presentación transforma los datos en un formato que la capa de aplicación puede aceptar para su transmisión a través de la red (desde un archivo de texto codificado EBCDIC a un archivo codificado ASCII, por ejemplo). Debido a su función en la conversión de datos y gráficos en un formato visualizable para la capa de aplicación, a veces se la denomina capa de sintaxis.

Es compatible con los protocolos de seguridad de la capa de conexión segura/capa de transporte (SSL/TLS), los protocolos JPEG (para la compresión de imágenes) y los protocolos MPEG (para video). La capa de presentación transforma los datos en un formato que la capa de aplicación puede aceptar para su transmisión a través de la red (desde un archivo de texto codificado EBCDIC hasta un archivo codificado ASCII, por ejemplo). Debido a su función en la conversión de datos y gráficos en un formato visualizable para la capa de aplicación, a veces se denomina capa de sintaxis.

Admite protocolos de seguridad de capa de sockets seguros/capa de transporte (SSL/TLS), protocolos JPEG (para compresión de imágenes) y protocolos MPEG (para compresión de video). La capa de presentación es responsable de:

Traducción de datos. La capa de presentación convierte los datos al formato correcto (especificado por la capa de aplicación) durante el proceso de encapsulación, a medida que los mensajes salientes mover por la pila de protocolos del remitente al receptor.

Cifrado y descifrado de datos. La capa de presentación cifra los datos para una transmisión segura y los descifra en el momento de la entrega.

Compresión de datos. La capa de presentación reduce el tamaño de un flujo de datos para transmisiones y lo descomprime para su uso.

A veces, el formato y la traducción se invierten durante el proceso de desencapsulación, a medida que los mensajes entrantes se mueven en la pila de protocolos. En esos casos, los mensajes salientes se convierten al formato especificado durante el encapsulado, mientras que los mensajes entrantes se someten a una conversión inversa durante el desencapsulado.

Capa 5: la capa de sesión

La capa de sesión es responsable de la gestión de sesiones, el proceso de establecer, administrar y finalizar conexiones (llamadas "sesiones") entre dos o más ordenadores. Inicia las conexiones entre aplicaciones locales y remotas, manteniendo la sesión abierta el tiempo suficiente para transmitir los datos necesarios y cerrándolas cuando se completan para preservar los recursos de la red.

Las funciones clave de la capa de sesión incluyen:

Interacciones de sesión. La capa de sesión gestiona el inicio de sesión del usuario (establecimiento) y el cierre de sesión del usuario (terminación), incluidos los protocolos de autenticación integrados en el software del cliente.

Sincronización. La capa de sesión ayuda a garantizar que los flujos de datos estén correctamente sincronizados y maneja los puntos de recuperación (puntos de control que permiten que los dispositivos reanuden una sesión desde un punto específico, si se interrumpe).

Recuperación de sesión. La capa de sesión gestiona las fallas de sesión y restablece las conexiones si hay problemas de red.

También establece protocolos para conectar y desconectar sesiones entre flujos de datos relacionados, como audio y video en conferencias web. Por lo tanto, la capa de sesión a menudo se implementa explícitamente en entornos de red que utilizan llamadas a procedimientos remotos.

Capa 4: la capa de transporte

La capa de transporte utiliza protocolos como el protocolo de control de transmisión (TCP) y el protocolo de datagramas de usuario (UDP) para gestionar la entrega de extremo a extremo de mensajes completos. Toma mensajes de la capa de sesión y los divide en unidades más pequeñas (llamadas "segmentos"), cada una con un encabezado asociado. En el destino, la capa de transporte vuelve a ensamblar los segmentos en el orden correcto para reconstruir el mensaje original.

La capa de transporte también maneja:

Direccionamiento de puntos de servicio. La capa de transporte ayuda a garantizar que los mensajes se entregan al proceso correcto anexando una cabecera de capa de transporte (que incluye un punto de servicio o dirección de puerto).

Control de flujo. La capa de transporte evita el desbordamiento de datos y gestiona la velocidad de transmisión de datos entre dos dispositivos que interactúan en la red, cerciorar de que los dispositivos emisores transmiten datos a los receptores (y viceversa) a la velocidad adecuada.

Multiplexación. La capa de transporte permite que varias aplicaciones de red utilicen la misma conexión simultáneamente.

Al final del remitente, la capa de transporte recibe datos formateados de las capas superiores, realiza la segmentación e implementa el control de flujo y errores para garantizar una transmisión de datos precisa. Agrega números de puerto de origen y destino al encabezado y luego reenvía los datos segmentados a la capa de red.

En el extremo del receptor, la capa de transporte lee el número de puerto del encabezado y reenvía los datos recibidos a la aplicación adecuada. También maneja la secuenciación y el reensamblaje de los datos segmentados y retransmite datos si se detectan errores.

La capa de transporte proporciona dos tipos de servicio. 

Con el servicio orientado a la conexión, un proceso de tres partes que incluye el establecimiento de la conexión, la transferencia de datos y la terminación (o desconexión), el receptor de datos envía un acuse de recibo al remitente cuando se entrega el paquete de datos. Sin embargo, el servicio sin conexión solo implica la transferencia de datos. El receptor no confirma la recepción, lo que acelera la comunicación, pero puede ser menos confiable que el servicio orientado a la conexión.

Capa 3: La capa de red

La capa de red del modelo OSI es responsable de facilitar la transferencia de datos de un nodo a otro a través de diferentes redes. La capa de red determina el mejor camino (enrutamiento) para que los datos viajen entre nodos. Si los segmentos son demasiado grandes, la capa de red los divide en “paquetes” más pequeños para su transporte y los vuelve a ensamblar en el extremo receptor.

Una red sirve como un medio donde se pueden conectar múltiples nodos (cada uno con una dirección única). La capa de red permite que los nodos envíen mensajes a nodos en otras redes proporcionando el contenido del mensaje y la dirección de destino, dejando que la red determine la ruta de entrega óptima (que puede implicar el enrutamiento a través de nodos intermedios).

La capa de red utiliza principalmente el Internet Protocol v4 (IPv4) e Internet Protocol v6 y es responsable de:

Fragmentación y reensamblaje de paquetes. La capa de red divide los paquetes grandes (aquellos que exceden los límites de tamaño de la capa de enlace de datos) en paquetes más pequeños para su transmisión y los vuelve a ensamblar en el destino.

Control de tráfico. La capa de red gestiona el tráfico de red para evitar la congestión y salvaguardar el flujo de datos eficiente. 

La confiabilidad no está garantizada en la capa de red; si bien muchos protocolos de capa de red ofrecen una entrega de mensajes confiable, algunos no lo hacen. Además, los reportes de errores no son obligatorios en esta capa de OSI, por lo que los remitentes de datos pueden recibir o no confirmación de entrega.

Capa 2: la capa de enlace de datos

La función principal de la capa de enlace de datos es gestionar la transferencia de datos sin errores entre varios dispositivos que interactúan en la misma red.

La DLL se divide en dos subcapas.

La capa de control de enlace lógico (LLC), que sirve de interfaz entre la capa de control de acceso al medio (MAC) y la capa de red, se encarga del control de flujo, la sincronización y la multiplexación (cuando dos o más flujos de datos comparten una única conexión con el host). La capa MAC controla cómo los dispositivos acceden a los medios de red y transmiten datos.

Capa 1: la capa física

La capa física comprende los componentes de red física responsables de transmitir datos sin procesar, en forma de “bits” o cadenas de 1s y 0s, entre dispositivos (conectores, routers, repetidores y cables de fibra óptica, por ejemplo) y un medio físico (como wi-fi).

La capa física es responsable de:

Control de velocidad de bits. La capa física define la velocidad de transmisión de los datos, a menudo en bits por segundo.

Sincronización de bits. La capa física impone un reloj en los flujos de bits, asegurando que el emisor y el receptor estén sincronizados en el nivel de bits. 

Modo de transmisión. La capa física define cómo fluirán los datos entre los dispositivos conectados (como transmisión símplex, semidúplex o dúplex completo).

Topologías físicas. El nivel físico especifica cómo se sitúan los dispositivos y nodos de red (en topologías de bus, estrella o malla, por ejemplo). Estándares como USB, Bluetooth y Ethernet incluyen especificaciones de capa física. 

La capa física también define cómo se produce la codificación sobre una señal física (usando voltaje eléctrico, radio o pulsos de luz, por ejemplo). 

 

MODELO TCP/IP

 

¿Qué es TCP?

El protocolo de control de transmisión (TCP) es un estándar de comunicación que permite que los programas de aplicaciones y los dispositivos informáticos intercambien mensajes a través de una red. Está diseñado para enviar paquetes a través de Internet y garantizar la entrega exitosa de datos y mensajes a través de redes.

El TCP es uno de los estándares básicos que define las reglas de Internet y se incluye en los estándares definidos por el Grupo de Trabajo de Ingeniería de Internet (Internet Engineering Task Forc, IETF). Es uno de los protocolos más comúnmente utilizados dentro de las comunicaciones de red digitales y garantiza la entrega de datos de extremo a extremo.

El TCP organiza los datos para que puedan transmitirse entre un servidor y un cliente. Garantiza la integridad de los datos que se comunican a través de una red. Antes de transmitir datos, el TCP establece una conexión entre una fuente y su destino, lo cual garantiza que permanezca activa hasta que comience la comunicación. Luego divide grandes cantidades de datos en paquetes más pequeños a la vez que garantiza que se implemente la integridad de los datos durante todo el proceso.

Como resultado, los protocolos de alto nivel que necesitan transmitir datos utilizan protocolo TCP.  Algunos ejemplos incluyen métodos de intercambio entre pares, como el protocolo de transferencia de archivos (FTP), Secure Shell (SSH) y Telnet. También se utiliza para enviar y recibir correo electrónico a través del Protocolo de acceso a mensajes de Internet (IMAP), el Protocolo de oficina postal (POP) y el Protocolo simple de transferencia de correo (SMTP), y para el acceso web a través del Protocolo de transferencia de hipertexto (HTTP).

Una alternativa al TCP en las redes es el Protocolo de datagrama de usuario (UDP), que se utiliza para establecer conexiones de baja latencia entre aplicaciones y reducir el tiempo de transmisión. El TCP puede ser una herramienta de red costosa ya que incluye paquetes dañados o ausentes y protege la entrega de datos con controles tales como reconocimientos, inicio de conexión y control de flujo. 

El UDP no proporciona conexión de error o secuencia de paquetes ni señala un destino antes de entregar los datos, lo que lo hace menos confiable pero también menos costoso. Como tal, es una buena opción para situaciones urgentes, como la búsqueda del sistema de nombres de dominio (DNS), el protocolo de voz sobre Internet (VoIP) y los medios de transmisión.

¿Cómo funciona el protocolo de control de transmisión (TCP)/IP?

El modelo TCP/IP es el método predeterminado de comunicación de datos en Internet.  Fue desarrollado por el Department of Defense los Estados Unidos para permitir la transmisión precisa y correcta de datos entre dispositivos. Divide los mensajes en paquetes para evitar tener que volver a enviar el mensaje completo en caso de que encuentre un problema durante la transmisión. Los paquetes se vuelven a ensamblar automáticamente una vez que llegan a su destino. Cada paquete puede tomar una ruta diferente entre la computadora de origen y la de destino en función de si la ruta original utilizada está congestionada o no disponible.

TCP/IP divide las tareas de comunicación en capas que mantienen el proceso estandarizado, sin que los proveedores de hardware y software realicen la administración ellos mismos. Los paquetes de datos deben pasar a través de cuatro capas antes de que el dispositivo de destino los reciba; luego el TCP/IP atraviesa las capas en orden inverso para volver a poner el mensaje en su formato original. 

Como protocolo basado en conexiones, el TCP establece y mantiene una conexión entre aplicaciones o dispositivos hasta que terminan de intercambiar datos. Determina cómo el mensaje original debe dividirse en paquetes, numera y reensambla los paquetes, y los envía a otros dispositivos de la red tales como enrutadores, puertas de enlace de seguridad y conmutadores; y luego hacia su destino. El TCP también envía y recibe paquetes desde la capa de red, maneja la transmisión de cualquier paquete perdido, administra el control de flujo y garantiza que todos los paquetes lleguen a su destino.

Un buen ejemplo de cómo funciona esto en la práctica es cuando se envía un correo electrónico mediante SMTP desde un servidor de correo electrónico. Para iniciar el proceso, la capa TCP en el servidor divide el mensaje en paquetes, los numera y los reenvía a la capa IP, que luego transporta cada paquete al servidor de correo electrónico de destino. Cuando los paquetes llegan, se envían a la capa TCP para volver a ensamblarlos en el formato de mensaje original y se devuelven al servidor de correo electrónico, que envía el mensaje a la bandeja de entrada de correo electrónico de un usuario.

El TCP/IP utiliza un protocolo de enlace de tres vías para establecer una conexión entre un dispositivo y un servidor, lo que garantiza que se puedan transferir múltiples conexiones de socket TCP en ambas direcciones simultáneamente. Tanto el dispositivo como el servidor deben sincronizar y aceptar los paquetes antes de que comience la comunicación, y así entonces pueden negociar, separar y transferir las conexiones de socket TCP.

¿Cuáles son las capas del modelo TCP/IP?

Hay cuatro capas en el modelo TCP/IP: acceso a la red, Internet, transporte y aplicación. Conjuntamente, estas capas son un conjunto de protocolos. El modelo TCP/IP pasa los datos por estas capas en un orden concreto cuando un usuario envía información y después en el orden inverso cuando se reciben los datos.

Capa 1: capa de acceso a la red

La capa de acceso a la red, también conocida como la capa de enlace a los datos, gestiona la infraestructura física que permite a los ordenadores comunicarse entre sí por Internet. Esto abarca, entre otros elementos, cables Ethernet, redes inalámbricas, tarjetas de interfaz de red y controladores de dispositivos en el ordenador.

La capa de acceso a la red también incluye la infraestructura técnica, como el código que convierte datos digitales en señales transmisibles, que hacen posible una conexión.

Capa 2: Capa de Internet

La capa de Internet, también llamada la capa de red, controla el flujo y el enrutamiento de tráfico para garantizar que los datos se envían de forma rápida y correcta. Esta capa también es responsable de volver a juntar el paquete de datos en el destino. Si hay mucho tráfico en Internet, esta capa puede tardar un poco más en enviar un archivo, pero es menos probable que el archivo se dañe.

Capa 3: Capa de transporte

La capa de transporte es la que proporciona una conexión de datos fiable entre dos dispositivos de comunicación. Es como enviar un paquete asegurado: la capa de transporte divide los datos en paquetes, confirma los paquetes que ha recibido del remitente y se asegura de que el destinatario confirme los paquetes recibidos por su parte.

Capa 4: Capa de aplicaciones

La capa de aplicaciones es el grupo de aplicaciones que permite al usuario acceder a la red. Para la mayoría de nosotros, esto significa el correo electrónico, las aplicaciones de mensajería y los programas de almacenamiento en la nube. Esto es lo que el usuario final ve y con lo que interactúa al recibir y enviar datos.

¿Con qué direcciones IP funciona TCP/IP?

Ya tenga una dirección IPv4 o IPv6, es muy probable que ya esté usando el modelo TCP/IP. Este es el modelo estándar para la mayor parte de la infraestructura de Internet. Hay distintas categorías de direcciones IP que pueden afectar a su privacidad o a cómo funciona el protocolo (por ejemplo, direcciones IP públicas frente a locales o estáticas frente a dinámicas), pero todas siguen el modelo TCP/IP estándar.

Ventajas del modelo TCP/IP

A continuación, se detallan las ventajas y ventajas de utilizar el modelo TCP/IP:

• Le ayuda a establecer/configurar una conexión entre diferentes tipos de computadoras.
• Funciona independientemente del sistema operativo.
• Admite muchos protocolos de enrutamiento.
• Permite la interconexión entre las organizaciones.
• El modelo TCP/IP tiene una arquitectura cliente-servidor altamente escalable.
• Se puede operar de forma independiente.
• Admite varios protocolos de enrutamiento.
• Se puede utilizar para establecer una conexión entre dos computadoras.

Desventajas del modelo TCP/IP

A continuación, se presentan algunos inconvenientes de utilizar el modelo TCP/IP:

• TCP/IP es un modelo complicado de configurar y administrar.
• La sobrecarga/superficie de TCP/IP es mayor que la de IPX (Internetwork Packet Exchange).
• En este modelo, la capa de transporte no garantiza la entrega de paquetes.
• Reemplazar el protocolo en TCP/IP no es fácil.
• No tiene una separación clara de sus servicios, interfaces y protocolos.

Diferencias con el modelo OSI

Modelo OSI	modelo TCP/IP
Está desarrollado por ISO (Organización Internacional de Normalización)	Está desarrollado por ARPANET (Red de agencias de proyectos de investigación avanzada).
El modelo OSI proporciona una distinción clara entre interfaces, servicios y protocolos.	TCP/IP no tiene puntos de distinción claros entre servicios, interfaces y protocolos.
OSI se refiere a la interconexión de sistemas abiertos.	TCP se refiere a Transmission Protocolo de control.
OSI utiliza la capa de red para definir estándares y protocolos de enrutamiento.	TCP/IP utiliza sólo la capa de Internet.
OSI sigue un enfoque vertical.	TCP/IP sigue un enfoque horizontal.
Modelo OSI Utilice dos capas separadas, física y de enlace de datos, para definir la funcionalidad de las capas inferiores.	TCP/IP utiliza sólo una capa (enlace).
Las capas OSI tienen siete capas.	TCP/IP tiene cuatro capas.
En el modelo OSI, la capa de transporte solo está orientada a la conexión.	Una capa del modelo TCP/IP está orientada a la conexión y no tiene conexión.
En el modelo OSI, la capa de enlace de datos y la física son capas separadas.	En TCP, el enlace físico y de datos se combinan como una única capa de host a red.
Las capas de sesión y presentación no forman parte del modelo TCP.	No hay capa de sesión ni de presentación en el modelo TCP.
Se define después de la llegada de Internet.	Se define antes de la llegada de Internet.
El tamaño mínimo del encabezado OSI es de 5 bytes.	El tamaño mínimo del encabezado es de 20 bytes.