Comunicación a través de la Red. Modelo de capas.

Estudiar el funcionamiento de una red como un solo conjunto, se hace complicado, tanto de explicar como de comprender. Existen muchos protocolos / reglas y factores que intervienen en la transmisión de un mensaje mediante una red informática y, es por este motivo por el que se ha optado por el "divide y vencerás".

Aunque en principio, esta entrada parece un tanto pesada, os puedo asegurar que es de las más importantes para poder seguir el hilo de las comunicaciones a través de la gran red de Internet.

En la entrada del 2 de noviembre de 2013, "Elementos de una red", ya habíamos hablado de forma muy vaga de los "protocolos de comunicación", en donde se decía que se trataban de reglas que se establecían para que una comunicación fuera exitosa.

Cuando mantenemos una conversación de viva voz entre dos personas, también utilizamos protocolos, aunque no seamos conscientes de ellos. Uno de esos protocolos, consiste en que las personas que intervienen en la conversación se turnen para hablar, de forma que no se interrumpan los unos a los otros y pueda haber un entendimiento, es decir, mientras uno habla, el resto se mantiene a la escucha.

Otro protocolo es el idioma que se utilizará. Si el interlocutor habla en inglés pero el resto de oyentes no conocen el idioma, no existirá comunicación entre ellos, con lo que han de buscar un lenguaje común a todos los intervinientes en la conversación.

Otro protocolo a establecer, será para la comprobación de errores en la comunicación. Es posible que en un momento determinado, no se haya entendido lo que el interlocutor ha querido decir, para lo cual, el oyente ha de solicitar que se repita el mensaje.

Todos estos protocolos, son independientes entre sí, pero deben trabajar como uno solo, como un conjunto, suite o stack a lo largo de la comunicación.

En informática, ocurre lo mismo que en lo explicado anteriormente. Tomemos como ejemplo la interacción entre un servidor web y un explorador web. Para que un explorador web como "Internet Explorer" o "Firefox" puedan visualizar una página web del servidor, se utilizan varios protocolos y estándares en el proceso de intercambio de información entre ellos. Los distintos protocolos, aunque independientes, trabajarán en conjunto para asegurar que ambas partes se reciben y entienden los mensajes. Algunos de los protocolos que intervienen en este ejemplo son:

Protocolo de transferencia de hipertexto (http), define el contenido y el formato de las solicitudes y respuestas intercambiadas entre el cliente y el servidor. En algunas comunicaciones con un servidor web, es necesario establecer una comunicación más segura, con lo que el protocolo a utilizar podrá ser el protocolo de transferencia de hipertexto seguro (https).

En cualquier caso, tanto "http" como "https" se basan en otros protocolos para regir la manera en que se transportan los mensajes entre el cliente y el servidor.

Protocolo de control de transmisión (TCP). Es el encargado de dividir los mensajes "http" en pequeñas partes llamadas segmentos, para enviarlas al cliente destino, también es responsable de controlar el tamaño y los intervalos a los que se intercambian los mensajes entre servidor y cliente.

Protocolo de Internet (IP). Es el responsable de utilizar los segmentos del protocolo de transporte y encapsularlos en paquetes, asignarles direcciones correctas y seleccionar la mejor ruta hacia el destino.

Protocolos de acceso a la red. Tiene dos funciones: la administración del enlace de datos y la transmisión física de los datos en los medios. La administración de enlace, coge los paquetes IP y les da formato para transmitirlo por los medios. La función de transmisión física, se encarga de buscar la manera en la que se envían las señales por los medios, es decir, si serán señales eléctricas, luminosas o señales radio frecuencia.

LOS MODELOS DE CAPAS
 

 En estas líneas anteriores, hemos visto como interactúan varios protocolos en una misma comunicación. Mediante un modelo de capas, podremos situar los protocolos de forma independiente. Se trata de seccionar esa comunicación y ver que protocolos intervienen en cada fase o capa.

La comunicación en capas, no sólo facilita su estudio, también fomenta la competencia, ya que los productos de diferentes proveedores podrán trabajar en conjunto, siendo compatibles entre sí, al mismo tiempo proporciona un lenguaje común para describir las funciones y capacidades de red, al igual que evita que los cambios en las tecnologías o en las capacidades de una capa afecten a otras.

Los modelos de capas en networking, se pueden resumir en dos tipos básicos: modelos de protocolos y modelos de referencia.

Modelos de protocolo:

El modelo de protocolo por excelencia y, más conocido es el de Internet, también conocido como TCP/IP. Un modelo de protocolo, es aquel que coincide fielmente con la estructura de una suite, stack o conjunto de protocolos en particular. El modelo Internet, consta de cuatro capas ordenadas:

Modelo TCP/IP

Modelo de referencia:

Un modelo de referencia, es una guía común para mantener consistencia en todos los tipos de protocolos y servicios de red. Su principal propósito es, asistir en la comprensión más clara de las funciones y los procesos involucrados en la comunicación.

El modelo de referencia más extendido por su uso es el "Sistema Abierto de Interconexión, del inglés Open System Interconexion (OSI)". Este modelo, está estructurado en 7 capas:

Modelo OSI

Modelo de protocolo TCP/IP:

El modelo de protocolo TCP/IP, describe la función de los protocolos que forman el conjunto de protocolos TCP/IP. Estos protocolos se implementan tanto en el dispositivo emisor como en el dispositivo receptor.

En el proceso de comunicación, los datos irán bajando al stack de protocolos hasta que se transmitan por los medios de la red. A lo largo del stack, los diferentes protocolos irán agregando información en cada capa, esto se conoce como proceso de encapsulación.

La forma que adopta una sección de datos en cualquier capa, se denomina Unidad de Datos del Protocolo (PDU). Durante la encapsulación, cada capa encapsula las PDU que recibe de la capa superior. En cada capa, las PDU,s reciben un nuevo nombre.

• capa de aplicación. Las PDU,s reciben el nombre de Datos.
• capa de transporte. Las PDU,s reciben el nombre de Segmentos.
• capa de Internet. Las PDU,s reciben el nombre de Paquetes.
• capa de acceso a la red. Las PDU,s reciben el nombre de Tramas.

Para explicar el proceso de comunicación mediante el modelo TCP/IP, utilizaremos como ejemplo el envío de un e-mail.

1. Capa de aplicación. En esta capa, es donde se generan los datos, que en este caso se generan con una aplicación de correo como puede ser "Outlook" o "Lotus Notes". Cuando los datos hayan sido generados, se pasarán a la capa de transporte.
2. Capa de transporte. Cuando reciba los datos, lo primero que hace es dividirlos en porciones más pequeñas. A cada porción le va a añadir una etiqueta que se denomina encabezado TCP, el cual contiene información sobre qué procesos se deben de ejecutar en la computadora destino para reensamblar nuevamente os datos a su formato original. Todo esto lo encapsulará y es lo que se denomina segmentos.Una vez acabado este proceso, los segmentos seguirán bajando por el stack de protocolos hacia la capa de Internet.
3. Capa de Internet. Recibirá los segmentos generados por la capa de transporte y aquí el protocolo IP les agregará una etiqueta denominada encabezado IP, que contendrá las direcciones IP o direcciones lógicas del dispositivo origen y destino. Todo ello lo encapsulará, generando las PDU,s denominadas paquetes y, los pasará a la capa de acceso a la red.
4. Capa de acceso a la red. Recibe los paquetes de la capa de Internet. Aquí añade la etiqueta de encabezado de trama que contiene las direcciones físicas (MAC) del dispositivo origen y destino y, además se añade un trailer, que contiene información de verificación de errores. Finalmente, los bits se codifican en el medio Ethernet mediante la tarjeta de red del dispositivo.

**Todo este proceso, se invierte en el dispositivo final. Los datos se irán desencapsulando mientras suben el stack hacia la aplicación del usuario final.

 

Proceso de envio/recepción a través del Modelo Internet

 Modelo de referencia OSI:

 

Como modelo de referencia, OSI proporciona una amplia lista de funciones y servicios que pueden producirse en cada capa. También describe la interacción de cada capa con la capa inmediatamente superior e inferior.

Cuando se habla de las capas del modelo OSI, al contrario que en TCP/IP que se utilizan los nombres de cada capa para referirse a ellas, en OSI sólo se hace referencia al número de capa y no al nombre.

 

Si comparamos los modelos OSI y TCP/IP, encontramos ciertas similitudes que inicialmente se ven en la imagen.

Similitudes entre OSI y TCP/IP

 En el modelo OSI, la capa de aplicación y de acceso a la red del modelo TCP/IP, están subdivididas para describir funciones discretas que deben de producirse en estas capas.

 

Las capas 7, 6, y 5 del modelo OSI, se utilizan como referencias para proveedores y programadores de software de aplicaciones para fabricar productos que necesitan acceder a las redes para establecer comunicaciones.

 

La capa 4, se utiliza para describir servicios o funciones generales que administran conversaciones individuales entre el dispositivo origen y destino. Entre estas funciones están los acuses de recibo, recuperación de errores y secuenciamiento para reconstrucción de los datos.

 

La capa 3 se utiliza para analizar y documentar el rango de los procesos que se producen en todas las redes de datos para direccionar y enrutar mensajes a través de una internetwork. Direccionamiento lógico.

 

Las capas 2 y 1, analizan los procedimientos necesarios para tener acceso a los medios físicos y medios para enviar datos por una red. Direccionamiento físico (MAC).