Arquitecturas de Red

Una arquitectura de red es el conjunto de capas y protocolos que una red utiliza para establecer la comunicación entre nodos. Se caracteriza por los siguientes principios:

• Cada nivel o capa dispone de un conjunto de servicios específicos.
• Los servicios están definidos mediante protocolos estándares.
• Cada nivel se comunica únicamente con su nivel inmediato superior y con el inmediato inferior.
• Cada uno de los niveles inferiores proporciona servicios a su nivel superior.

Conceptos Clave: Servicio, Protocolo e Interfaz

Para entender cómo funcionan las arquitecturas de red, es fundamental conocer los siguientes conceptos, que se relacionan con el encapsulamiento de la información:

• Servicio: Es el conjunto de operaciones (primitivas) que una capa ofrece a la capa superior. Define qué operaciones se pueden realizar a través de la interfaz entre ambas capas.
• Protocolo: Es el conjunto de reglas que gobiernan el formato y el significado de los paquetes que intercambian las entidades pares. Los equipos solo pueden comunicarse entre sí si utilizan el mismo protocolo.
• Interfaz de capa: Define las normas y métodos de intercomunicación entre capas adyacentes.

El grupo formado por los procesos en máquinas diferentes que están al mismo nivel se denomina entidades pares o procesos pares.

Tipos de Servicios de Red

Cada capa de una arquitectura de red define un conjunto de servicios que son utilizados por los niveles superiores. Estos se pueden clasificar de la siguiente manera:

Por Tipo de Conexión

• Servicios orientados a la conexión: Para transferir información, es necesario que primero se establezca una conexión entre el emisor y el receptor. Durante este proceso, ambos intercambian información de control. Pueden ser de dos tipos:
  • Secuencia de mensajes.
  • Secuencia de bytes.
• Servicios no orientados a la conexión: No se establece una conexión previa para transferir los datos; estos se envían directamente. Cada mensaje debe llevar consigo la dirección del destinatario, y es la red la que elige la ruta adecuada.

Por Método de Acuse de Recibo

• Servicios confirmados: La estación emisora recibe una confirmación de que el mensaje ha llegado correctamente al destinatario. Si la confirmación no llega o es negativa, el emisor sabe que debe reenviar el mensaje.
• Servicios no confirmados (no fiables): No se recibe ninguna confirmación sobre la información enviada.

El Modelo de Referencia OSI

El modelo OSI (Open Systems Interconnection) se basa en una propuesta de la Organización Internacional de Normalización (ISO) como un marco para estandarizar los protocolos de comunicación a nivel mundial. Se estructura en siete capas o niveles:

Nivel 1: Físico

Se encarga de la transmisión de dígitos binarios (bits) a través de un canal de comunicación. Su principal objetivo es asegurar que cuando un lado envíe un «1», el otro lado lo reciba como un «1». Este nivel define cuatro características clave:

• Mecánicas: Características físicas del elemento de conexión con la red (ej. tipo de conector).
• Eléctricas: Propiedades eléctricas empleadas, como la tensión o la velocidad de transmisión.
• Funcionales: Define las funciones de cada uno de los circuitos del elemento de interconexión.
• De procedimiento: Establece los pasos a seguir para transmitir información a través del medio físico.

Nivel 2: Enlace de Datos

Su tarea principal es detectar y corregir los errores que se produzcan en la línea de comunicación. También se encarga de controlar el flujo de datos para que un emisor rápido no sature a un receptor lento.

Funcionalidades

• Detección y corrección de errores.
• Control de acceso al medio físico.
• Direccionamiento físico (direcciones MAC).
• Establecimiento y cierre de conexiones en el enlace.

Nivel 3: Red

Se ocupa de determinar la mejor ruta para enviar información entre sistemas finales a través de una o varias redes de datos interconectadas.

Funcionalidades

• Direccionamiento lógico: Permite identificar cada ordenador de forma única en toda la red (ej. direcciones IP).
• Enrutamiento: Establece la ruta que debe seguir un paquete para llegar a su destino, utilizando dispositivos intermedios como los routers.
• Interconexión de redes: Permite la conexión entre distintas redes locales (LAN).
• Tarificación: Permite registrar el tráfico generado o recibido por un dispositivo.
• Otras tareas: Control de congestión, gestión de prioridades, etc.

Nivel 4: Transporte

Su función básica es tomar los datos del nivel de sesión, segmentarlos si es necesario y pasarlos al nivel de red, asegurando que lleguen correctamente al nivel de sesión del otro extremo. Proporciona una comunicación de extremo a extremo.

Funcionalidades

• Mecanismos similares al nivel de enlace: control de errores, control de flujo, establecimiento y cierre de conexión.
• Segmentación y reensamblaje: Recibe datos del nivel superior y los divide en unidades más pequeñas para optimizar el uso del nivel de red.
• Direccionamiento de puntos de servicio (puertos): Permite identificar a las distintas aplicaciones del nivel superior.

Nivel 5: Sesión

Establece, gestiona y finaliza las sesiones (conexiones) de comunicación entre las aplicaciones de los sistemas finales. Ofrece mecanismos para controlar el diálogo entre ellas.

Funcionalidades

• Control del diálogo: Establece la forma en que las entidades de nivel superior intercambiarán datos (ej. semidúplex, dúplex).
• Sincronización: Establece puntos de control que permiten reanudar un intercambio de datos desde un estado previo conocido en caso de fallo.

Nivel 6: Presentación

Se encarga del significado de la información que se transmite (la sintaxis), permitiendo la traducción de datos entre sistemas que pueden usar diferentes representaciones internas.

Funcionalidades

• Definir, traducir y negociar el formato y la sintaxis de los datos que se intercambian.
• Realizar funciones de compresión y cifrado de datos.

Nivel 7: Aplicación

Es el nivel más cercano al usuario. Está en contacto directo con los programas y aplicaciones informáticas, y contiene los servicios de comunicación más utilizados en las redes.

Funcionalidades

• Transferencia de ficheros (FTP).
• Acceso remoto (Telnet, SSH).
• Transferencia de hipertexto (HTTP).
• Correo electrónico (SMTP, POP3, IMAP).
• Otros servicios de red.

La Pila de Protocolos

Una pila de protocolos es la implementación concreta de una arquitectura de red. Se compone de diferentes protocolos que trabajan en conjunto en las distintas capas:

• Protocolos de Aplicación: Proporcionan el intercambio de datos entre las aplicaciones de una red. Ejemplos comunes incluyen FTP (transferencia de archivos) y SMTP (correo electrónico).
• Protocolos de Transporte: Gestionan las sesiones de comunicación entre equipos y garantizan que los datos se transmitan de forma fiable. Los protocolos más habituales son TCP (orientado a la conexión y fiable) y UDP (no orientado a la conexión).
• Protocolos de Red: Proporcionan servicios de enrutamiento y direccionamiento. Definen las normas para la comunicación a través de la red. El protocolo fundamental en este nivel es IP (Protocolo de Internet).

El Modelo TCP/IP

El modelo TCP/IP describe un conjunto de guías de diseño e implementación de protocolos de red que permiten la comunicación en redes como Internet. Proporciona conectividad de extremo a extremo, especificando cómo los datos deben ser formateados, direccionados, transmitidos, enrutados y recibidos por el destinatario.

A diferencia del modelo OSI, tiene definidas solo cuatro capas:

• Capa de Acceso a la Red (o Interfaz de Red): El modelo no define protocolos específicos para esta capa, solo establece que debe existir un protocolo que conecte el host con la red física (combina las capas Física y de Enlace de OSI).
• Capa de Internet: Su función es permitir que los paquetes de información viajen de forma independiente desde el origen hasta su destino a través de la red. Aquí opera el protocolo IP.
• Capa de Transporte: Es responsable de establecer la comunicación entre el origen y el destino. Los protocolos principales son TCP y UDP (equivale a la capa de Transporte de OSI).
• Capa de Aplicación: Contiene todos los protocolos de alto nivel que utilizan los programas para comunicarse (combina las capas de Sesión, Presentación y Aplicación de OSI).

Diferencias Clave entre OSI y TCP/IP

• Conceptualización: El modelo OSI distingue claramente los conceptos de servicios, interfaces y protocolos. En TCP/IP, esta distinción no es tan explícita.
• Modularidad: El modelo OSI, al ser más teórico, oculta mejor los protocolos y presenta una mayor modularidad e independencia entre capas.
• Desarrollo: El modelo OSI se desarrolló antes que sus protocolos (un enfoque prescriptivo). En cambio, en TCP/IP, los protocolos se implementaron primero y el modelo surgió después para describirlos (un enfoque descriptivo).
• Número de capas: La cantidad de capas definidas es diferente: siete en OSI y cuatro en TCP/IP.
• Flexibilidad en Transporte: El nivel de transporte de TCP/IP incluye de forma nativa tanto comunicaciones orientadas a la conexión (TCP) como no orientadas a la conexión (UDP), mientras que en OSI esto se aborda de forma más genérica.

Clasificación de Protocolos de Red

Según su Estandarización

• Protocolos abiertos: Se basan en estándares de mercado públicamente conocidos y documentados. Son no propietarios, lo que permite la interoperabilidad entre equipos de diferentes fabricantes.
• Protocolos propietarios (o específicos del fabricante): Han sido desarrollados por un fabricante para ser utilizados en sus propios entornos y equipos.

Según su Capacidad de Enrutamiento

• Protocolos enrutables: Soportan la comunicación entre diferentes redes locales (LAN) o segmentos de red. Son esenciales para redes grandes y para Internet. Ejemplo: IP.
• Protocolos no enrutables: No soportan la transmisión de datos de un segmento de red a otro. Los equipos que los utilizan solo pueden comunicarse con otros equipos del mismo segmento de red. Ejemplo: NetBEUI.

Otros Tipos de Protocolos

• Protocolos de acceso telefónico: Utilizados para conexiones a través de líneas telefónicas (ej. PPP).
• Protocolos VPN (Red Privada Virtual): Crean un túnel seguro para la comunicación a través de una red pública como Internet (ej. IPsec, OpenVPN).

Tipos de Transmisión de Datos

La forma en que los datos se envían a uno o más destinatarios en una red se puede clasificar en:

• Unidifusión (Unicast): El equipo emisor envía una copia individual de los datos a cada equipo cliente que la solicita. Es una comunicación uno a uno.
• Difusión (Broadcast): Se envía una única copia de los datos a todos los clientes que se encuentran en el mismo segmento de red que el equipo emisor. Es una comunicación uno a todos.
• Multidifusión (Multicast): Se envía una única copia de los datos solo a un grupo específico de equipos cliente que han solicitado recibirla. Es una comunicación uno a muchos.

Mecanismos de Conmutación en Redes

La conmutación es el proceso mediante el cual los datos se transportan a través de los nodos de una red. Los principales mecanismos son:

• Conmutación de circuitos: Técnica utilizada tradicionalmente por el sistema telefónico. Antes de transmitir la información, se establece una conexión y se reserva una ruta física dedicada en la red para uso exclusivo de esa comunicación.
• Conmutación de mensajes: El mensaje completo se envía de un nodo a otro de la red sin establecer una conexión previa ni reservar rutas con antelación. Cada nodo almacena el mensaje, decide cuál es el mejor camino y lo reenvía al siguiente (almacenamiento y reenvío).
• Conmutación de paquetes: Es la técnica más adecuada para la transmisión de datos y la base de Internet. El mensaje original se divide en bloques más pequeños llamados paquetes, que son enviados por la red de forma independiente y sin establecimiento de conexión previa. Cada paquete puede seguir una ruta diferente.

Formato de Datos en el Modelo OSI (PDU)

En el modelo OSI, la unidad de datos de cada capa tiene un nombre específico, conocida genéricamente como Unidad de Datos de Protocolo (PDU). A medida que los datos descienden por las capas, se añade información de control (encabezados), en un proceso llamado encapsulamiento.

• Capa 7 (Aplicación): APDU (Unidad de Datos de Protocolo de Aplicación) o simplemente Datos.
• Capa 6 (Presentación): PPDU (Unidad de Datos de Protocolo de Presentación).
• Capa 5 (Sesión): SPDU (Unidad de Datos de Protocolo de Sesión).
• Capa 4 (Transporte): TPDU (Unidad de Datos de Protocolo de Transporte) o Segmento (en TCP) / Datagrama (en UDP).
• Capa 3 (Red): Paquete.
• Capa 2 (Enlace de Datos): Trama.
• Capa 1 (Física): Bits.