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Redes de Computadores Semestre 8
Fascículo No. 2
Tabla de Contenido Modelos de redes de computadores
Protocolo
Interface
Servicio
Servicio orientado a conexión
Servicio no orientado a conexión
Modelo de interconexión de sistemas abiertos (OSI)
Modelo de referencia TCP/IP
Comparación entre el modelo OSI y el modelo TCP/IP
Mala sincronización
Mala tecnología
Malas instrumentaciones
Mala política
Resumen
Bibliografía recomendada
Párrafo nexo
Autoevaluación formativa
Modelos de redes de computadores
Se puede decir que casi todas las redes existentes, tienen una estructura
jerárquica organizada en capas o niveles de protocolos. Cada una de estas
capas se ocupa de funciones muy específicas dentro de las actividades que
involucra una comunicación entre las aplicaciones y los usuarios finales. Esta
división por capas, encierra dos conceptos muy importantes dentro de la
arquitectura de redes: protocolo e interface. A continuación vamos a explicar
cada uno de estos conceptos.
Indicadores de logro Al terminar el estudio del presente fascículo, el estudiante:
• Diferencia los conceptos de: protocolo, servicio e interface.
• Explica las diferencias entre servicio orientado a conexión y no orientado a
conexión.
• Identifica cada una de las capas del modelo OSI y explica cuál es la
funcionalidad de cada una de ellas.
• Identifica cada una de las capas del modelo TCP/IP y explica cuál es la
funcionalidad de cada una de ellas.
• Identifica las diferencias entre los modelos OSI y TCP/IP
CAPA N CAPA Nprotocolo capa N
CAPA I+1 CAPA I+1protocolo capa I+1
CAPA I CAPA Iprotocolo capa I
interfaz entrecapas I e I+1
CAPA 1 CAPA 1protocolo capa 1
Figura 2.1 Capas, Protocolos e Interfaces
Protocolo
Cuando se establece una comunicación entre dos o más partes, es
indispensable que exista un conjunto de reglas que dirijan el intercambio de
información para que este proceso tenga algún sentido. Un protocolo es un
conjunto de normas que deben seguir las partes con el fin de comprenderse
mutuamente.
Observación
Los puntos clave que caracterizan a un protocolo son los siguientes:
• Sintaxis: incluye elementos tales como el formato de los datos y los
niveles de señal.
• Semántica: incluye información de control para la coordinación y el manejo
de errores.
• Temporización: incluye la sintonización de velocidades y secuenciación.
Más concretamente, en la arquitectura de capas, un protocolo tiene sentido
sólo entre dos capas al mismo nivel, cada una perteneciente a un comunicante
diferente.
Interface Una capa I+1 de la estructura jerárquica, utiliza los servicios de la capa I
inmediatamente inferior. Entre las dos capas existe una interface, a través de
la cual la capa I+1 tiene acceso a ciertas operaciones y servicios ofrecidos por
la capa I.
La interface define un conjunto de reglas, primitivas y operaciones de
intercambio de información entre niveles adyacentes dentro del mismo host.
Ladillo
La interface define los servicios que ofrece la capa inferior a la superior.
Conceptualmente, sólo el conjunto de capas y protocolos pueden definir la
arquitectura de la red. Los detalles de la implementación y las especificaciones
de las interfaces no forman parte de la arquitectura, ya que estos se
encuentran escondidos en el equipo y no son visibles desde el exterior. No
hace falta que las interfaces de todos los equipos de una red sean iguales, lo
que interesa es que ellas utilicen correctamente los protocolos.
Es importante decir, que las capas deben ser capaces de manejar mecanismos
de control de la comunicación, detección de errores, y manejo de la información
(manejo de paquetes).
Servicio Un servicio, no es más que un conjunto de prestaciones que cada capa de la
estructura jerárquica debe proporcionarle a la capa que se encuentra
inmediatamente encima de ella. Cada capa puede ofrecer dos tipos diferentes
de servicios a las capas que se encuentran sobre estas: los servicios
orientados a conexión y los no orientados a conexión. A continuación vamos a
hablar de cada uno de estos.
Observación
Es importante diferenciar entre un protocolo y un servicio: un nivel ofrece
determinado servicio al nivel superior el cual es implementado usando
determinado protocolo. La transferencia de información entre niveles pares
realmente es virtual ya que el flujo real de información se realiza a través de los
servicios ofrecidos por el nivel inmediatamente inferior. Este proceso se repite
hasta llegar al nivel físico donde se presenta una transmisión real.
Servicio orientado a conexión En este modo de operación, “se supone que cada red proporciona un servicio
en la forma de conexión”. (William Stallings, 1997, p. 493). Para utilizar un servicio
orientado a conexión, el usuario del servicio establece la conexión primero, la
utiliza y ahí si después la libera. La conexión es como un tubo, y los mensajes
llegan en el orden en que fueron enviados.
A 1
2 3
B
4 5
6
C
Circuito Virtual Interno: Se define y se marca una ruta para los paquetes entre dos estaciones. Todos los paquetes de dicho circuito virtual siguen la misma ruta y se reciben en el destino en el mismo orden. Fuente: “Comunicaciones y Redes de computadores” 6 Edicion. Stallings William
Figura 2.2. Servicio orientado a conexión
Mediante este servicio, el esfuerzo se centra en la minimización de la tasa de
fallos (es decir, en no perder ni desordenar paquetes). Además, tanto el origen
como el destino mantienen un diálogo inicial para establecer una ruta de
extremo a extremo fija para todo el proceso de comunicación (circuito virtual).
Observación
Recuerde que un fallo cualquiera en alguno de los componentes del proceso de
comunicación provoca la pérdida de la conexión.
Servicio no orientado a conexión Este modo de operación, es muy similar al sistema postal. Cada mensaje lleva
consigo la dirección completa de destino y cada uno de ellos se conduce, de
forma independiente, a lo largo del sistema.
A 1
2 3
B
4 5
6
C
Datagrama Interno: La red trata de forma independiente cada paquete. Los paquetes se marcan con una dirección de destino y pueden recibirse desordenadamente en el nodo de destino. Tomado de : “Comunicaciones y Redes de computadores” 6 Edicion. Stallings William
Figura 2.3 Servicio no orientado a conexión
Mediante este servicio, el esfuerzo se centra en optimizar los recursos de
comunicación (minimizando el retardo, reaccionando ante caídas de enlaces,
etc). La dirección de destino viaja en todos los paquetes. Como el
encaminamiento de cada uno de los paquetes es independiente, éstos pueden
llegar en desorden y es necesario volverlos a organizar cuando lleguen a su
destino. Recuerde que un fallo cualquiera en alguno de los componentes del
proceso de comunicación, sólo afectará a los paquetes que se encuentren
transitando en ese momento.
Modelo de interconexión de sistemas abiertos (OSI) Este modelo fue desarrollado en el año de 1984 por la ISO (Organización
Internacional de Normas) como una arquitectura para las comunicaciones entre
diferentes computadores, con el objetivo de ser un protocolo estándar. “El
modelo se llama modelo de referencia OSI (Sistema de Interconexión de
Sistemas Abiertos) de la ISO puesto que se ocupa de la conexión de sistemas
abiertas, esto es, sistemas que están abiertos a la comunicación con otros
sistemas”. (Andrew S. Tanenbaum, 1995, p. 28).
Este modelo es el más conocido y el más utilizado para describir los entornos
de red; ofrece una explicación sencilla de la relación entre los complejos
componentes del hardware y de protocolo de una red. Tiene siete capas: las
primeras dos se encuentran implementadas en software y hardware, y las
siguientes cinco sólo en software.
Figura 2.4 Modelo OSI
Ladillo Los diseñadores del modelo OSI consideraron que este modelo y los protocolos asociados llegarían a dominar las comunicaciones entre los computadores, reemplazando eventualmente las implementaciones particulares de protocolos, así como de modelos rivales tales como TCP/IP. Sin embargo, esto no ha sido así.
A continuación, se va a explicar muy brevemente cada una de las capas o
niveles de este modelo, puesto que en los fascículos posteriores hablaremos
con más detalle sobre cada uno de ellos:
1. Físico: se encarga de los aspectos físicos de la conexión, tales como el
medio de transmisión y el hardware
2. Enlace: esta capa toma un transmisión de bits en bruto, los transforma
en una línea libre de errores en forma de tramas, transmite estas
tramas, y si alguno falla, tiene la capacidad de retransmitirlo. La IEEE ha
subdividido esta capa en dos partes: la subcapa LLC (Control de Enlace
Lógico) que se encarga de administrar la comunicación entre dos
dispositivos unidos en una red y soporta servicios orientados y no
orientados a conexión; y la subcapa MAC (Control de Acceso a Medios)
que administra el acceso al medio de transmisión físico de la red.
Además existe una dirección MAC que es definida por la IEEE, la cual
es una identificación única de cada dispositivo.
Ladillo Las tramas son pequeños paquetes con datos que tienen una cabecera la cual, contiene la dirección de la máquina de inicio y la dirección de la máquina final a quien se van a enviar los datos.
3. Red: divide los mensajes de la capa de transporte en paquetes y los
ensambla al final. Su función principal es enrutar los paquetes, es decir,
establecer la ruta que deben seguir para llegar a su destino, además de
verificar también que no se genere congestión en la red.
4. Transporte: establece las conexiones de red, puede crear una conexión
distinta para cada conexión solicitada por la capa de sesión. Determina
también qué tipo de servicio proporcionará a la capa de sesión, puede
ser: punto a punto sin errores o mensajes aislados sin garantía de
entrega.
5. Sesión: permite a usuarios en diferentes máquinas establecer una
conexión, en la que pueden transmitir datos. Controla el sentido del
diálogo ya sea en un solo sentido o en ambos sentidos a la vez. Además
tiene la función de sincronización para evitar que se retransmitan todos
los datos en caso de una falla en la conexión, y así sólo se transmitan
los que faltan.
6. Presentación: establece una sintaxis y una semántica de la información
transmitida, es decir, el formato. Define las estructuras de los datos a
transmitir, compresión y criptografía.
7. Aplicación: aquí se encuentran los programas para transferencia de
archivos, login remoto, correo electrónico, etc.
Modelo de referencia TCP/IP TCP/IP es el resultado de las investigaciones y desarrollos realizados por la
DARPA durante los años 60. Para ese entonces, una de las mayores
preocupaciones del Departamento de Estado de los Estados Unidos era que
alguno de sus dispositivos pudiera ser blanco de un atentando en cualquier
instante de tiempo; adicionalmente, se tenía como propósito que la red tuviera
la capacidad de poder funcionar si había alguna pérdida de hardware de la
subred. En pocas palabras, lo que buscaban era asegurarse que las
conexiones entre dos o más equipos pudieran permanecer intactas si por
alguna razón, de repente, los dispositivos o las líneas de transmisión dejaban
de funcionar.
Figura 2.5 Modelo TCP/IP Fuente:http://www.geocities.com/une_chikhani/Paginas/SOFTWARE_RED.htm#Las%20capas
%20del%20modelo%20TCP/IP
Ladillo Los protocolos TCP/IP se especificaron y se utilizaron de una forma generalizada antes de la normalización ISO. Así, en los años ochenta las instituciones que tenían necesidades apremiantes de intercambio de información se enfrentaron al dilema de esperar a la disponibilidad del paquete siempre prometido y nunca entregado OSI, o por el contrario utilizar el conjunto TCP/IP de disponibilidad inmediata y operatividad cada vez más contrastada. Una vez hecha la elección de TCP/IP, el costo y los riesgos de la migración a un entorno nuevo, inhibió la aceptación de ISO.
Este modelo se compone de cuatro capas, las cuales las estudiaremos más en
detalle en fascículos posteriores. Por ahora, la idea general de cada una de
estas capas son:
1. Física: esta capa se encarga de transmitir bits por un canal de
comunicación y entre sus funciones se encuentran: definir las
características físicas y eléctricas, manejar los voltajes y pulsos
eléctricos, además de especificar cables, conectores y componentes de
interfaz con el medio de transmisión.
2. Red: esta capa es la encargada de que cualquier nodo pueda transmitir
paquetes en cualquier red y que estos lleguen a su destino. Estos
paquetes pueden tomar caminos diferentes a su destino y llegar de
manera desordenada pero las capas superiores se encargan de
reordenarlos. Esta capa se encarga también del enrutamiento de los
paquetes y de evitar la congestión. Define un formato de paquete y un
protocolo llamado IP (Protocolo de Internet).
3. Transporte: en esta capa es donde se lleva a cabo una conexión entre
dos nodos y se definen dos protocolos TCP y UDP, los cuales se
encargarán de transportar los datos.
4. Aplicación: el Modelo TCP/IP no cuenta con las capas de sesión ni de
presentación, ya que no se pensaron necesarias. Así que sobre la capa
de transporte se encuentra la de aplicación, que es donde se incluyen
protocolos destinados a proporcionar servicios, tales como correo
(SMTP), transferencia de archivos (FTP), conexión remota (TELNET),
protocolo HTTP y el servidor de nombres de dominio (DNS).
Comparación entre el modelo OSI y el TCP/IP Tanto el modelo OSI como el modelo TCP/IP, presentan muchos elementos
comunes. Se puede observar que la funcionalidad de las capas es muy
parecida en ambos modelos. En el modelo OSI, tres conceptos son
fundamentales: los de servicios, interfaces y protocolos. Si miramos el modelo
TCP/IP, al comienzo no se habían distinguido bien estos conceptos, en
consecuencia en el modelo OSI se ocultan mejor los protocolos que en el
TCP/IP y se pueden reemplazar con facilidad al cambiar la tecnología.
Los protocolos TCP/IP se crearon y normalizaron mucho antes de que se
definiera el modelo de referencia OSI de la ISO. Ya a finales de los 80, muchas
empresas y administraciones usaban TCP/IP, cuando todavía el modelo OSI no
estaba totalmente desarrollado. El modelo OSI se desarrolló antes de que se
inventaran los protocolos, por lo que no se orientó hacia un conjunto específico
de ellos, lo cual lo convirtió en algo muy general.
Observación
Lo malo del modelo OSI es que los diseñadores no tenían mucha experiencia y
no supieron bien cuál funcionalidad poner en cuál capa.
En cambio, con el modelo TCP/IP llegaron primero los protocolos y el modelo
fue en realidad sólo una descripción de los protocolos existentes. El único
problema fue que el modelo no se ajustaba a ninguna otra pila de protocolos,
por lo que no fue de mucha utilidad para describir otras redes que no fueran
TCP/IP. Una diferencia obvia entre los dos modelos es la cantidad de capas, el
modelo OSI tiene siete y el TCP/IP cuatro.
Otra es que el modelo OSI apoya la comunicación tanto sin conexión como la
orientada a la conexión en la capa de red, pero en la de trasporte lo hace
únicamente con la comunicación orientada a la conexión. El modelo TCP/IP
sólo tiene un modo en la capa de red (sin conexión) pero apoya ambos modos
en la capa de transporte.
Actividad 2.1
Mencione cada capa del protocolo TCP/IP y dé una breve explicación de su
función.
Mala sincronización Los protocolos de TCP/IP ya se usaban ampliamente en universidades que
hacían investigación cuando aparecieron los protocolos OSI. Antes de que
llegara la ola de inversión, el mercado académico tenía el tamaño suficiente
para que los proveedores empezaran a ofrecer con cautela los productos
TCP/IP. Cuando OSI llegó, no quisieron apoyar una segunda pila de protocolos
hasta que se les forzó, de modo que no hubo ofertas iniciales. Al estar cada
compañía en espera de que otra tomara la iniciativa, ninguna lo hizo y OSI
nunca sucedió.
Ladillo En el modelo TCP/IP, el uso estricto de todas las capas no es obligatorio. Por ejemplo, hay protocolos de aplicación que operan directamente sobre IP. Mala tecnología En OSI, tanto el modelo como los protocolos son imperfectos. La capa de
sesión tiene poco uso, y la capa de presentación casi esta vacía. En contraste
las capas de enlace de datos y de red están tan llenas que en trabajos
posteriores se dividieron en múltiples subcapas, cada una con funciones
distintas.Otro problema es que algunas funciones, como el direccionamiento, el
control de flujo y el control de errores reaparecen una y otra vez en cada capa.
Una crítica más del estándar original es que ignoró los servicios y protocolos
carentes de conexión; pero la más seria es que el modelo está dominado por
una mentalidad de comunicaciones, por lo que muchas de las decisiones
tomadas son completamente inapropiadas para la forma como trabajan las
computadoras y el software.
Malas instrumentaciones Debido a la enorme complejidad del modelo y los protocolos, las
implementaciones iniciales fueron enormes, inmanejables y lentas, por lo que la
imagen de OSI empeoró.
Mala política Ya que OSI se veía como una invención de los ministerios europeos de
telecomunicaciones, se tenía la idea de que un montón de burócratas trataban
de obligar a los investigadores y programadores que aceptaran un estándar
técnicamente inferior; en consecuencia se ha hecho un esfuerzo débil para
actualizar OSI.
Ladillo En 1977, la ISO definió un subcomité para que desarrollara una arquitectura de comunicaciones para manejar y dividir las tareas para la interoperatividad entre los equipos. El resultado fue el modelo de referencia OSI. Aunque los elementos esenciales del modelo se definieron rápidamente, el estándar final de ISO (ISO 7498) no se publicó hasta 1984.
Este modelo no distingue con claridad los conceptos de servicio, interfaz y
protocolo, teniendo como consecuencia que este modelo no es una buena guía
para diseñar redes nuevas utilizando tecnologías nuevas. TCP/IP no es
general y no resulta apropiado para describir cualquier pila de protocolos
distinta a él. La capa de nodo a red en realidad no es una capa, es una interfaz
entre la red y las capas de enlace de datos, la distinción entre interfaz y capa
es crucial.
El modelo TCP/IP no distingue entre la capa física y la de enlace de datos, las
cuales son completamente diferentes. Se diseñó para que lo usaran compañías
que deseaban cambiar su mainframe por una red de PC la cual se basa en el
modelo de cliente-servidor.
Resumen Para que haya una comunicación entre dos entidades que se encuentran
ubicadas en diferentes sistemas, es necesario que usted defina y utilice un
protocolo. Para que dos entidades se puedan comunicar exitosamente, se
requiere que hablen “el mismo idioma”. Para saber qué es lo que se está
comunicando, cómo se esta comunicando y cuándo se comunica, se deben
seguir una serie de convenciones que han sido aceptadas por las dos (o más)
entidades que están involucradas en dicho proceso. Al conjunto de convenios
se le denomina protocolos, que no son más que el conjunto de reglas que
manejan el intercambio de datos entre dos o más entidades. Otro concepto
importante del que se habló a lo largo del fascículo, es el de interface. Como
se pudo dar cuenta, entre cada par de capas, tanto en el modelo OSI como en
el modelo TCP/IP, existe una interface, la cual nos define cuáles son las
operaciones y servicios que le presta la capa inferior a la superior.
Adicionalmente a los protocolos e interfaces que trabajan en cada una de las
capas, también se necesitan ciertas normas para los servicios que cada capa
ofrece a la capa superior. Por lo general, la definición de los servicios es muy
similar a una descripción funcional la cual define qué servicios son los que se
están prestando, pero no cómo se están prestando. Dentro de los servicios
más conocidos, encontramos dos tipos que son el orientado a conexión y el no
orientado a conexión. Los servicios orientados a conexión son muy similares a
los servicios de telefonía en donde se establece una conexión marcando un
número determinado, se habla y se desocupa el circuito. En este tipo de
servicio se utiliza el canal para transmitir bits y luego se libera. En cambio, los
servicios no orientados a conexión toman su modelo del servicio de correos,
donde el mensaje es enviado por diferentes caminos a un mismo destino, el
primero que se envía debe llegar primero, pero en este tipo de servicio no se
garantiza.
El modelo OSI (Open System Interconection) es utilizado por prácticamente la
totalidad de las redes del mundo. Este modelo fue creado por el ISO
(Organización Internacional de Normalización), y consiste en siete niveles o
capas donde cada una de ellas define las funciones que deben proporcionar los
protocolos con el propósito de intercambiar información entre varios sistemas.
Esta clasificación permite que cada protocolo se desarrolle con una finalidad
determinada, lo cual simplifica el proceso de desarrollo e implementación. Cada
nivel depende de los que están por debajo de él, y a su vez proporciona alguna
funcionalidad a los niveles superiores.
TCP/IP, acrónimo de Transmission Control Protocol/Internet Protocol, son
protocolos usados para el control de la transmisión en Internet, la cual permite
que diferentes tipos de computadoras se comuniquen a través de redes
heterogéneas. Se desarrolló originalmente para la comunicación de
computadoras con sistema operativo UNÍX a través de ARPANET, pero ahora
está disponible para establecer una conexión a través de Internet usando
cualquier sistema operativo. TCP define distintos parámetros de transmisión de
datos. IP define el modo en que los datos se dividen en bloques, denominados
paquetes y establece el camino que recorre cada paquete hasta su destino.
Los dos modelos, OSI y TCP/IP tienen cosas en común. Constan de un número
determinado de capas, y ambos utilizan protocolos independientes para
comunicarse entre sí y también brindan un servicio de comunicación de
extremo a extremo independiente del tipo de servicio o aplicación.
Estos modelos tienen también muchas diferencias. Una diferencia muy obvia
es el número de capas con las que cuenta cada uno, el Modelo OSI tiene 7
capas y el Modelo TCP/IP cuenta sólo con 4 capas. Un aspecto muy
importante son los conceptos utilizados en el modelo OSI. Este identifica tres
conceptos principales que definen su funcionamiento: servicios, los cuales son
los procedimientos que realiza cada capa; interfaz, que indica a los procesos
de las capas superiores cómo acceder a ella; y por último, protocolos, los
cuales existen para cada capa en pares, es decir, la capa de transporte del
emisor y del receptor se comunican por medio del mismo protocolo. Estos
protocolos pueden ser cambiados sin afectar a otras capas, siempre y cuando
realicen el trabajo que le corresponde a la capa.
El modelo TCP/IP, en un principio, no distinguía claramente estos tres
conceptos, por lo que resultaba complicado ajustar o cambiar protocolos entre
capas cuando surgen nuevas tecnologías, pero fue mejorado con el tiempo.
Por su parte, el modelo OSI fue creado antes de definir los protocolos,
entonces cuando se empiezan a crear redes reales, los diseñadores no
tuvieron muy clara la función específica de cada capa al definir los protocolos, y
se generaron muchos problemas para hacer compatibles unas redes con otras,
por lo que se tuvieron que crear subcapas para parchar estos errores. Pero el
modelo TCP/IP fue definido a partir de los protocolos, así que no se tenía que
ajustar el modelo evitando tanto problema.
Bibliografía recomendada William Stallings. Comunicaciones y Redes de Computadores. Prentice-Hall
Internacional, 6ª edición, 2000.
William Stallings. Comunicaciones y Redes de Computadores. Prentice-Hall
Internacional, 5ª edición, 1997.
Andrew S. Tanenbaum. Redes de Computadores. Prentice-Hall
Hispanoamericana, 3ª edición,1997.
Nexo Una vez visto el modelo de referencia OSI, distinguiendo cada una de sus 7
capas, en el siguiente fascículo nos concentraremos en hablar más en detalle
sobre la capa 1 del modelo OSI (o llamada capa física).
En el siguiente fascículo hablaremos y explicaremos los medios de transmisión
y sus diferentes clases (magnéticos, par trenzado, cable coaxial y fibra óptica).
También se hablará del llamado problema de la última milla, el cual se refiere a
la conexión de un cliente remoto a una red de comunicaciones y la falta de una
infraestructura propia de acceso.
Autoevaluación Formativa
1. ¿Qué es un protocolo y qué elementos lo definen?
2. Mencione y explique cada capa del modelo OSI.
3. ¿Por qué se han difundido más los protocolos TCP/IP que los OSI?
4. Explique los tipos de servicios de transporte (orientados a conexión, no
orientados a conexión).