El Modelo OSI

2.1. Estándares de Redes

El IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) es la mayor asociación internacional sin fines de lucro formada por profesionales de las tecnologías. Uno de sus principales fines es trabajar en la estandarización en el campo de las redes y la comunicación de datos. En febrero de 1980, desarrolló el Proyecto 802, que definió estándares para los componentes físicos de una red (la tarjeta de red y el cableado), los cuales corresponden a los niveles físico y de enlace de datos del modelo OSI. Las especificaciones 802 definen la forma en que las tarjetas de red acceden y transfieren datos sobre el medio físico. Estas incluyen la conexión, el mantenimiento y la desconexión de dispositivos de red.

Los principales organismos encargados de fijar estándares son:

• La Organización Internacional para la Estandarización (ISO)
• El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE)
• El Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI)
• La Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU)
• La Asociación de Industrias Electrónicas/Asociación de la Industria de las Telecomunicaciones (EIA/TIA)
• Autoridades de las telecomunicaciones nacionales, como la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) en EE. UU.

2.2. El Modelo OSI

El modelo de referencia OSI (Open Systems Interconnection) es el modelo principal para las comunicaciones por red. Todos los fabricantes de redes relacionan sus productos con este modelo, especialmente para la capacitación de sus usuarios. Este modelo facilita la comprensión de las funciones de red que se producen en cada capa y permite entender cómo la información, generada por aplicaciones (p. ej., hojas de cálculo, documentos), se divide en paquetes y viaja a través de un medio de red (p. ej., cables) hasta otra aplicación en un computador diferente, incluso si el transmisor y el receptor utilizan distintos tipos de medios de red.

El modelo de referencia OSI está dividido en siete capas numeradas, y cada una soporta una función de red distinta, lo que se denomina división en capas. Esta división aporta las siguientes ventajas:

• Divide la comunicación de red en partes más pequeñas, independientes y especializadas.
• Estandariza los componentes de red para permitir el desarrollo y el soporte de productos de diferentes fabricantes.
• Permite que los distintos tipos de hardware y software de red se comuniquen entre sí (interoperatividad).
• Impide que los cambios en una capa afecten a las demás, lo que permite que cada una se desarrolle con mayor independencia y rapidez.
• Divide la comunicación de red en partes más pequeñas y claramente identificables.

El modelo de interconexión de sistemas abiertos (OSI) tiene siete capas, organizadas jerárquicamente desde la más baja (la física) hasta la más alta (la aplicación). Las capas se organizan de esta forma:

1. Capa Física
2. Capa de Enlace de Datos
3. Capa de Red
4. Capa de Transporte
5. Capa de Sesión
6. Capa de Presentación
7. Capa de Aplicación

La interacción entre capas adyacentes se denomina interfaz. Esta define qué servicios ofrece la capa inferior a la superior y cómo se accede a ellos. El conjunto de reglas que se utilizan para la comunicación entre las capas se denomina protocolo.

2.2.1. Funciones de los Niveles del Modelo OSI

7. Capa de Aplicación (Procesos de red a aplicaciones): Define cómo el usuario accede a la red para realizar tareas como transferencia de archivos, inicio de sesión remoto, correo electrónico, consulta a bases de datos, etc.

6. Capa de Presentación (Representación de datos): Establece la sintaxis y la semántica de la información transmitida. Define la estructura de los datos a transmitir (p. ej., campos de un registro: nombre, dirección, teléfono). Define el código a usar para representar una cadena de caracteres (ASCII, EBCDIC, etc.) y gestiona funciones asociadas a la compresión de datos y la seguridad (criptografía).

5. Capa de Sesión (Comunicación entre hosts): Permite que los usuarios en diferentes máquinas establezcan una sesión. Una sesión puede ser usada para efectuar un inicio de sesión en un sistema de tiempo compartido remoto o para transferir un archivo entre dos máquinas. Controla el diálogo (quién habla, cuándo, cuánto tiempo, half-duplex o full-duplex) y se encarga de la función de sincronización en la comunicación.

4. Capa de Transporte (Conexiones de extremo a extremo): Establece conexiones punto a punto sin errores para el envío de mensajes. Permite multiplexar una conexión punto a punto entre diferentes procesos del usuario. Provee la función de difusión de mensajes (broadcast) a múltiples destinos y el control de flujo.

3. Capa de Red (Direccionamiento y enrutamiento): Se encarga del direccionamiento lógico y la determinación de la mejor ruta para el envío de paquetes a través de la red. Divide los datos de la capa superior en paquetes, gestiona su envío de nodo a nodo (usando circuitos virtuales o datagramas) y se ocupa del control de la congestión.

2. Capa de Enlace de Datos (Acceso a los medios): Estructura el flujo de bits en un formato predefinido llamado trama, para lo que agrega una secuencia especial de bits al principio y al final del flujo. Transfiere tramas de una forma confiable y libre de errores, utilizando reconocimientos y retransmisión de tramas.

1. Capa Física (Transmisión binaria): Se encarga de la transmisión del flujo de bits a través del medio físico. Maneja las señales eléctricas u ópticas y especifica cables, conectores y componentes de interfaz con el medio de transmisión.

La Capa Física (Capa 1)

Es la capa más baja del modelo OSI. Se encarga de la transmisión y recepción de una secuencia no estructurada de bits sin procesar a través de un medio físico. Describe las especificaciones de las interfaces en tres aspectos: eléctrico/óptico, mecánico y funcional para poder acceder al medio físico. En la recepción, convierte las señales recibidas y las envía hacia las capas superiores.

Funciones:

• Codificación de datos: Modifica el patrón de señal digital (1 y 0) para adaptarlo a las características del medio físico y ayudar a la sincronización.
• Anexión al medio físico: Define cómo se conecta el dispositivo al medio.
• Técnica de transmisión: Determina si los bits se transmiten por señalización de banda base (digital) o de banda ancha (analógica).
• Transmisión por el medio físico: Transmite los bits como señales eléctricas u ópticas, según el medio.

Estándares asociados (ISO, IEEE, ANSI, ITU, EIA/TIA) definen:

• Propiedades físicas y eléctricas de los medios.
• Definición de señales para la información de control.
• Propiedades mecánicas de los conectores (p. ej., polos en un enchufe).

Problemas a considerar:

• Interferencia de señal externa: Los datos en cables de cobre se transmiten como impulsos eléctricos. El detector en la interfaz de red de destino debe recibir una señal clara para decodificarla correctamente.
• Ruido: Los valores de voltaje y la sincronización son susceptibles a interferencias o «ruido» generado por fuentes externas (ondas de radio, luces fluorescentes, motores eléctricos), que pueden distorsionar y corromper las señales.

Equipos de red en esta capa:

• Repetidores: Amplifican y regeneran la señal.
• Concentradores o hubs: Equipos de interconexión usados en topologías físicas de estrella para crear un bus lógico.
• Conmutadores o switches: Actúan no solo a nivel físico, sino también en la capa de enlace.

La Capa de Enlace de Datos (Capa 2)

Ofrece una transferencia de datos sin errores desde un nodo a otro a través de la capa física (control de acceso al medio), permitiendo que las capas superiores asuman una transmisión confiable. Para ello, utiliza bloques de información denominados tramas.

Funciones:

• Establecimiento y finalización de enlaces: Establece y finaliza el enlace lógico entre dos nodos.
• Control del tráfico de tramas: Gestiona el flujo de tramas en el búfer de transmisión.
• Secuenciación de tramas: Transmite y recibe tramas secuencialmente.
• Confirmación de trama: Envía y espera confirmaciones. Detecta y se recupera de errores de la capa física mediante la retransmisión de tramas no confirmadas.
• Delimitación de trama: Crea y reconoce los límites de las tramas.
• Comprobación de errores de trama: Comprueba la integridad de las tramas recibidas.
• Administración de acceso al medio: Determina si el nodo tiene derecho a utilizar el medio físico.
• Direccionamiento físico (dirección MAC).
• Definición de la topología de la red.

La tarjeta NIC (del inglés Network Interface Card, o Tarjeta de Interfaz de Red) es la responsable de la conexión a la red. Esta capa se subdivide en dos subcapas: Control de Acceso al Medio (MAC) y Control de Enlace Lógico (LLC). La subcapa MAC reside en el hardware de la tarjeta, mientras que la LLC se implementa en los drivers.

a) Subcapa de Control de Enlace Lógico (LLC)

La subcapa LLC provee Puntos de Acceso a Servicios (SAP) para las capas superiores, que son las direcciones de los procesos de aplicaciones que se ejecutan en un dispositivo.

Funciones:

• Gestión del enlace (orientado y no orientado a conexión).
• Establecer el sincronismo de tramas o caracteres.
• Recuperar errores de transmisión.

Servicios o modos de operación:

• Servicio orientado a la conexión (CONS): Se inicia una sesión con un destino y solo finaliza cuando la transferencia de datos se completa. Garantiza el envío en secuencia y con recuperación de errores.
• Servicio no orientado a la conexión (CLNS): La conexión es menos formal. La información se envía en paquetes usando direcciones, sin necesidad de un circuito virtual, por lo que cada paquete puede seguir una ruta diferente.

Existen dos tipos de servicios sin conexión:

• Sin confirmación (datagrama): Cada paquete viaja de forma independiente, sin seguimiento (Send & Pray). No hay control de flujo ni corrección de errores.
• Con confirmación (acuse de recibo): El receptor debe enviar una confirmación de que ha recibido la información.

b) Subcapa de Control de Acceso al Medio (MAC)

El control de acceso al medio (MAC) está asociado a la topología de red y soporta el encaminamiento dentro de la subred. Las técnicas varían según la topología (bus, anillo, etc.).

Tres categorías de técnicas MAC:

• Reserva: Asignación estática de la capacidad del canal entre las estaciones de la red.
• Sondeo y Selección: Utilizadas en sistemas centralizados. Un host primario controla el flujo interrogando a los hosts secundarios. Las técnicas incluyen sondeo por lista (polling), por prueba o por paso de testigo (Token Passing).
• Contienda: Las estaciones compiten por el uso del canal. Son eficientes con poco tráfico, pero problemáticas con alta demanda.
  • Aloha simple: El host transmite cuando tiene datos. Si hay colisión, espera un tiempo aleatorio para retransmitir.
  • Slotted Aloha: Mejora del anterior, sincronizando las transmisiones con una señal de reloj.
  • CSMA (Carrier Sense Multiple Access): El host «escucha» el medio antes de transmitir para evitar colisiones.
  • CSMA/CD (con Detección de Colisión): El terminal escucha el medio mientras transmite para detectar colisiones y detener la transmisión inmediatamente.

La Capa de Red (Capa 3)

El nivel de red proporciona conectividad y selección de ruta entre dos sistemas que pueden estar ubicados en redes geográficamente distintas. Su objetivo es asegurar que los datos lleguen desde el origen al destino, aunque no exista una conexión directa entre ellos.

Funciones:

• Enrutamiento: Selección de la mejor ruta para los paquetes.
• Control de tráfico de subred: Los enrutadores pueden indicar a una estación emisora que reduzca su velocidad de transmisión si sus búferes se llenan (control de congestión).
• Fragmentación de trama: Divide paquetes si el tamaño de la unidad de transmisión máxima (MTU) de la siguiente red es inferior al tamaño del paquete.
• Asignación de direcciones lógico-físicas: Traduce direcciones lógicas (como una dirección IP) en direcciones físicas (como una dirección MAC).
• Funciones de contabilidad: Permite llevar un registro de los paquetes reenviados para fines de facturación o estadísticas.

Tipos de servicio:

• Servicios orientados a la conexión (Circuitos virtuales): Se establece una ruta fija antes de enviar los datos. Solo el primer paquete necesita la dirección completa; los siguientes siguen la misma ruta.
• Servicios no orientados a la conexión (Datagramas): Cada paquete se encamina de forma independiente y debe llevar la dirección de destino completa. Cada uno puede seguir una ruta diferente.

Protocolos de la capa de red:

• IP (IPv4, IPv6, IPsec)
• OSPF
• IS-IS
• ARP
• RARP
• RIP
• ICMP, ICMPv6
• IGMP
• X.25