Modelo OSI
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Modelo OSI. Marco de referencia para la definición de arquitecturas de interconexión de sistemas de comunicaciones. Es un lineamiento funcional para tareas de comunicaciones y, por consiguiente, no especifica un estándar de comunicación para dichas tareas. Sin embargo, muchos estándares y protocolos cumplen con los lineamientos del Modelo OSI.
Sumario
Antecedentes
Durante los años 60 y 70 se crearon muchas tecnologías de redes. Cada una basada en un diseño específico de Hardware. Estos sistemas eran construidos de una sola pieza; lo que podríamos llamar una arquitectura monolítica. Esto significa que los diseñadores debían ocuparse de todos los elementos involucrados en el proceso.
Podemos suponer que estos elementos forman una cadena de transmisión que tiene diversas partes: los dispositivos físicos de conexión, los protocolos software y hardware usados en la comunicación, los programas de aplicación que realizaban la comunicación, y la interfaz hombre-máquina que permiten al humano utilizar la red.
Este modelo, que considera la cadena como un todo monolítico, es poco práctico, pues el más pequeño cambio puede implicar alterar todos sus elementos. El diseño original de Internet del Departamento de Defensa Americano disponía un esquema de cuatro capas. Aunque data de los 70 es mas o menos el que se sigue utilizando: Capa Física o de Acceso de Red ("Network Access Layer").
Responsable del envío de la información sobre el sistema hardware utilizado en cada caso. Se utiliza un protocolo distinto según el tipo de red física. Capa de Red también llamada capa Internet ("Internet Layer"). Es la responsable de enviar los datos a través de las distintas redes físicas que pueden conectar una máquina origen con la de destino de la información.
Los protocolos de transmisión, como el IP están íntimamente asociados a esta capa. Capa de transporte ("Host-to-Host Layer"). Controla el establecimiento y fin de la conexión; control de flujo de datos; retransmisión de datos perdidos, y otros detalles de la transmisión entre dos sistemas. Los protocolos mas importantes a este nivel son TCP y UDP (mutuamente excluyentes). Capa de aplicación ("Application layer").
Conformada por los protocolos que sirven directamente a los programas de usuario; Navegador, E-mail, FTP, TELNET, etc. Respondiendo a la teoría general imperante el mundo de la computación, de diseñar el hardware por módulos y el Software por capas, en 1978 la organización ISO (International Standards Organization www.iso.ch), propuso un modelo de comunicaciones para redes al que titularon "The reference model of Open Systems Interconnection", generalmente conocido como modelo OSI.
Su filosofía se basa en descomponer la funcionalidad de la cadena de transmisión en diversos módulos, cuya interfaz con los adyacentes esté estandarizada. Esta filosofía de diseño presenta una doble ventaja: el cambio de un módulo no afecta necesariamente a la totalidad de la cadena. Además puede existir una cierta interoperabilidad entre diversos productos y fabricantes hardware/software, dado que los límites y las interfaces están perfectamente definidas. Esto supone por ejemplo, que dos softwares de comunicación distintos puedan utilizar el mismo medio físico de comunicación.
Principales componentes
El modelo OSI tiene dos componentes principales:
- Un modelo de red, denominado modelo básico de referencia ("Basic Reference Model") o capa de servicio ("Server-layer").
- Una serie de protocolos concretos.
El modelo de red, aunque inspirado en el de Internet no tiene mas semejanzas con aquel. Está basado en un modelo de siete capas, mientras que el primitivo de Internet estaba basado en 4. Actualmente todos los desarrollos se basan en este modelo de 7 niveles que son los siguientes:
- Físico
- de Enlace
- de Red
- de Transporte
- de Sesión
- de Presentación
- de Aplicación
Cada nivel realiza una función concreta, y está separado de los adyacentes por interfaces conocidas, sin que le incumba ningún otro aspecto del total de la comunicación. Observe que este modelo, al que se refieren absolutamente todos los libros que tratan de redes, es solo una abstracción conceptual, a la que se adapta (más o menos) la realidad física. Sin embargo, las consecuencias de la aplicación de este punto de vista son de gran utilidad. El concepto subyacente es el mismo que nos permite poner los datos de dirección y remite en una carta; franquearla y depositarla en el buzón del servicio de correos sin preocuparnos de nada más.
La carta sigue una serie de procesos dentro del servicio de correos sin que cada uno tenga que preocuparse de los que le han precedido o le sucederán. Finalmente, la carta es entregada al destinatario en su buzón, que solo tiene que leerla. Generalmente los dispositivos utilizados en las redes circunscriben su operación a uno o varios de estos niveles.Por ejemplo, un concentrador ("Hub") que amplifica y retransmite la señal a través de todos sus puertos, está operando exclusivamente en la capa 1, mientras que un conmutador ("Switch") opera en las capas 1 y 2; un enrutador ("Router") opera en las capas 1, 2 y 3.Finalmente una estación de trabajo de usuario generalmente maneja las capas 5, 6 y 7.
En lo que respecta al software, hay que señalar que cada capa utiliza un protocolo específico para comunicarse con las capas adyacentes, y que añade al la cabecera ("Header") del paquete cierta información adicional ("Protocol Header").
Las capas del modelo OSI
La descripción esquemática de las diversas capas que componen este modelo es como sigue:
- Capa física -1- ("Physical layer"); es la encargada de transmitir los bits de información por la línea o medio utilizado para la transmisión. Se ocupa de las propiedades físicas y características eléctricas de los diversos componentes;de la velocidad de transmisión, si esta es uni o bidireccional (simplex, duplex o flull-duplex).También de aspectos mecánicos de las conexiones y terminales, incluyendo la interpretación de las señales eléctricas. Como resumen de los cometidos de esta capa, podemos decir que se encarga de transformar un paquete de información binaria ("Frame") en una sucesión de impulsos adecuados al medio físico utilizado en la transmisión.
Estos impulsos pueden ser eléctricos (transmisión por cable); electromagnéticos (transmisión Wireless) o luminosos (transmisión óptica).Cuando actúa en modo recepción el trabajo es inverso; se encarga de transformar estos impulsos en paquetes de datos binarios que serán entregados a la capa de enlace (ver a continuación). Por ejemplo: este nivel define la medidas del cable coaxial Ethernet y de los conectores BNC utilizados. Otro ejemplo de estándares relativos a esta capa son RS-232 ( H2.5.1) para comunicaciones serie y X.21
- Capa de enlace -2- ("Data Link layer").Puede decirse que esta capa traslada los mensajes hacia/desde la capa física a la capa de red (que veremos a continuación).Especifica como se organizan los datos cuando se transmiten en un medio particular. P.E. esta capa define como son los cuadros ("Frames"), las direcciones y las sumas de control ("Checksum") de los paquetes Ethernet.
Además del direccionamiento local, se ocupa de la detección y control de errores ocurridos en la capa física, del control del acceso a dicha capa y de la integridad de los datos y fiabilidad de la transmisión.
Para esto agrupa la información a transmitir en bloques ("Frames"), e incluye a cada uno una suma de control que permitirá al receptor comprobar su integridad. Los datagramas recibidos son comprobados por el receptor.Si algún datagrama se ha corrompido se envía un mensaje de control al remitente solicitando su reenvío.El protocolo PPP [1] es ejemplo de esta capa.
La capa de enlace puede considerarse dividida en dos subcapas:
- Control lógico de enlace LLC("Logical Link Control") define la forma en que los datos son transferidos sobre el medio físico, proporcionando servicio a las capas superiores.
- Control de acceso al medio MAC ("Medium Access Control").Esta subcapa actúa como controladora del hardware subyacente (el adaptador de red).De hecho el controlador de la tarjeta de red es denominado a veces "MAC driver", y la dirección física contenida en el hardware de la tarjeta es conocida como dirección MAC ("MAC address" H12.4).
Su principal tarea (que le proporciona el nombre -control de acceso-) consiste en arbitrar la utilización del medio físico para facilitar que varios equipos puedan competir simultáneamente por la utilización de un mismo medio de transporte.
El mecanismo CSMA/CD ("Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection") utilizado en Ethernet ( H12.4) es un típico ejemplo de esta subcapa.
El estándar IEEE 802.11
El estándar IEEE 802.11 define el uso de los dos niveles inferiores de la arquitectura OSI (capas física y de enlace de datos), especificando sus normas de funcionamiento en una WLAN. Los protocolos de la rama 802.x definen la tecnología de redes de área local y redes de área metropolitana.
El 802.11i se ratificó el 24 de junio de 2004 para abordar el problema de la seguridad en redes inalámbricas. Se basa en el algoritmo de cifrado TKIP, como el WPE, pero también admite el AES(Estándar de cifrado avanzado) que es mucho más seguro.
- Capa de red -3- ("Network layer").Esta capa se ocupa de la transmisión de los datagramas (paquetes) y de encaminar cada uno en la dirección adecuada ("Routing"), tarea esta que puede ser complicada en redes grandes como Internet, pero no se ocupa para nada de los errores o pérdidas de paquetes.Por ejemplo, define la estructura de direcciones y rutas de Internet.
A este nivel se utilizan dos tipos de paquetes: paquetes de datos y paquetes de actualización de ruta.Como consecuencia esta capa puede considerarse subdividida en dos:
- Transporte. Encargada de encapsular los datos a transmitir (de usuario).Utiliza los paquetes de datos. En esta categoría se encuentra el protocolo IP ("Internet Protocol" A3.1).
- Conmutación ("Switching"): Esta parte es la encargada de intercambiar información de conectividad específica de la red (su actividad es raramente percibida por el usuario).
Los routers son dispositivos que trabajan en este nivel y se benefician de estos paquetes de actualización de ruta. En esta categoría se encuentra el protocolo ICMP ("Internet Control Message Protocol" A3.7), responsable de generar mensajes cuando ocurren errores en la transmisión y de un modo especial de eco que puede comprobarse mediante PING [3].
Los protocolos más frecuentemente utilizados en esta capa son dos: X.25 e IP. Webografía: OSI: The Network Layer www.cisco.com/warp/public/535/2.html Esta página de Cisco Systems (en inglés) proporciona un autorizado resumen de los servicios y protocolos de la capa de red.
- Capa de transporte -4- ("Transport layer").Esta capa se ocupa de garantizar la fiabilidad del servicio, describe la calidad y naturaleza del envío de datos. P.E. esta capa define cuando y como debe utilizarse la retransmisión para asegurar su llegada. Para ello divide el mensaje recibido de la capa de sesión en trozos (datagramas), los numera correlativamente y los entrega a la capa de red para su envío.
Durante la recepción, si la capa de Red utiliza el protocolo IP, la capa de Transporte es responsable de reordenar los paquetes recibidos fuera de secuencia. También puede funcionar en sentido inverso multiplexando una conexión de transporte entre diversas conexiones de datos.Este permite que los datos provenientes de diversas aplicaciones compartan el mismo flujo hacia la capa de red.
Un ejemplo típico de protocolo usado en esta capa es TCP ("Transport Control Protocol" A3.1), que con su homólogo IP de la capa de Red, configuran la suite TCP/IP utilizada en Internet, aunque existen otros como UDP ("Universal Datagram Protocol") una capa de transporte utilizada también en Internet por algunos programas de aplicación.
- Capa de Sesión -5- ("Session Layer").Es una extensión de la capa de transporte que ofrece control de diálogo y sincronización, aunque en realidad son pocas las aplicaciones que hacen uso de ella. Por ejemplo, las comunicaciones de Internet no la utilizan. Nota: Algunos autores indican que la capa de sesión es meramente una consideración teórica de los autores del modelo sin absolutamente ninguna utilidad práctica conocida.
- Capa de Presentación -6- ("Presentation layer").Esta capa se ocupa de los aspectos semánticos de la comunicación (describe la sintaxis de los datos a transmitir), estableciendo los arreglos necesarios para que puedan comunicar máquinas que utilicen diversa representación interna para los datos.P.E. describe como pueden transferirse números de coma flotante entre equipos que utilizan distintos formatos matemáticos.
Esta capa es buena candidata para implementar aplicaciones de criptografía. En teoría esta capa "presenta" los datos a la capa de aplicación cogiendo los datos recibidos y transformándolos en formatos como texto imágenes y sonido.Como veremos a continuación, en realidad esta capa puede estar ausente, ya que son pocas las aplicaciones que hacen uso de ella. Nota: Con esta capa ocurre algo parecido a la anterior.
En teoría cliente y servidor debían negociar el formato a utilizar, y esta función, y el correspondiente formateo de los datos, sería el objeto de esta capa. Sin embargo, esto, que tenía cierto sentido en la década de los 70, cuando gran parte del trabajo de redes estaba relacionado con la entrada y salida de datos a grandes ordenadores utilizando terminales "Tontas" de diversos tipos (que utilizaban códigos de control ligeramente distintos) no tiene ya mucho sentido.
Actualmente el panorama ha cambiado; solo existe una opción para el formato de datos, a pesar de lo cual, el protocolo OSI sigue negociando un esquema de codificación (el único disponible). En Internet, el único servicio que utiliza esta capa es TELNET, que precisamente es un servicio de acceso a servidores desde terminales remotos. En este caso, la capa de presentación es la que se encarga de configurar el terminal para conectar a un servidor de características particulares.
- Capa de Aplicación -7- ("Application layer").Esta capa describe como hacen su trabajo los programas de aplicación (navegadores, clientes de correo, terminales remotos, transferencia de ficheros etc). Por ejemplo, esta capa implementa la operación con ficheros del sistema. Por un lado interactúan con la capa de presentación; por otro representan la interfaz con el usuario, entregándole la información y recibiendo los comandos que dirigen la comunicación. Ejemplos de protocolos utilizados por los programas de esta capa son HTTP, SMTP, POP, IMAP, Protocolo de Comunicación Modbus, etc.
Funcionamiento de la capa de red en el modelo OSI
La capa de red proporciona sus servicios a la capa de transporte, siendo una capa compleja que proporciona conectividad y selección de la mejor ruta para la comunicación entre máquinas que pueden estar ubicadas en redes geográficamente distintas.
Es la responsable de las funciones de conmutación y enrutamiento de la información (direccionamiento lógico), proporcionando los procedimientos necesarios para el intercambio de datos entre el origen y el destino, por lo que es necesario que conozca la topología de la red (forma en que están interconectados los nodos), con objeto de determinar la ruta más adecuada.
Sus principales funciones son:
- Dividir los mensajes de la capa de transporte (segmentos) en unidades más complejas, denominadas paquetes, a los que asigna las direcciones lógicas de los computadores que se están comunicando.
- Conocer la topología de la red y manejar el caso en que la máquina origen y la máquina destino estén en redes distintas. Encaminar la información a través de la red en base a las direcciones del paquete, determinando los métodos de conmutación y enrutamiento a través de dispositivos intermedios (routers).
- Enviar los paquetes de nodo a nodo usando un circuito virtual o datagramas. Ensamblar los paquetes en el computador destino. En esta capa es donde trabajan los routers, dispositivos encargados de encaminar o dirigir los paquetes de datos desde el origen hasta el destino a través de la mejor ruta posible entre ellos.
Funcionamiento de la IP dentro del modelo OSI
El protocolo de IP es la base fundamental de Internet. Hace posible enviar datos de la fuente al destino. El nivel de transporte parte el flujo de datos en datagramas. Durante su transmisión se puede partir un datagrama en fragmentos que se montan de nuevo en el destino
Paquetes de IP:
- Versión. Es la 4. Permite las actualizaciones.
- IHL. La longitud del encabezamiento en palabras de 32 bits. El valor máximo es 15, o 60 bytes.
- Tipo de servicio. Determina si el envío y la velocidad de los datos es fiable. No usado.
- Longitud total. Hasta un máximo de 65.535 bytes. I
- dentificación. Para determinar a qué datagrama pertenece un fragmento.
- DF (Don't Fragment). El destino no puede montar el datagrama de nuevo.
- MF (More Fragments). No establecido en el fragmento último.
- Desplazamiento del fragmento. A qué parte del datagrama pertenece este fragmento. El tamaño del fragmento elemental es 8 bytes. Tiempo de vida. Se decrementa cada salto.
- Protocolo. Protocolo de transporte en que se debiera basar el datagrama. Las opciones incluyen el enrutamiento estricto (se especifica la ruta completa), el enrutamiento suelto (se especifican solamente algunos routers en la ruta), y grabación de la ruta.
La operación técnica en la que los datos son transmitidos a través de la red se puede dividir en dos pasos discretos, sistemáticos. A cada paso se realizan ciertas acciones que no se pueden realizar en otro paso. Cada paso incluye sus propias reglas y procedimientos, o protocolo. Los pasos del protocolo se tienen que llevar a cabo en un orden apropiado y que sea el mismo en cada uno de los equipos de la red. En el equipo origen, estos pasos se tienen que llevar a cabo de arriba hacia abajo.
En el equipo de destino, estos pasos se tienen que llevar a cabo de abajo hacia arriba. El equipo origen. Los protocolos en el equipo origen:
1.Se dividen en secciones más pequeñas, denominadas paquetes.
2.Se añade a los paquetes información sobre la dirección IP, de forma que el equipo de destino pueda determinar si los datos le pertenecen. 3.Prepara los datos para transmitirlos a través de la NIC y enviarlos a través del cable de la red.
El equipo de destino: Los protocolos en el equipo de destino constan de la misma serie de pasos, pero en sentido inverso.
1.Toma los paquetes de datos del cable y los introduce en el equipo a través de la NIC.
2.Extrae de los paquetes de datos toda la información transmitida eliminando la información añadida por el equipo origen.
3.Copia los datos de los paquetes en un búfer para reorganizarlos enviarlos a la aplicación. Los equipos origen y destino necesitan realizar cada paso de la misma forma para que los datos tengan la misma estructura al recibirse que cuando se enviaron.
Procesamiento de los paquetes TCP/IP en el modelo OSI
Los protocolos como TCP/IP determinan cómo se comunican las computadoras entre ellas por redes como Internet. Estos protocolos funcionan conjuntamente, y se sitúan uno encima de otro en lo que se conoce comúnmente como pila de protocolo. Cada pila del protocolo se diseña para llevar a cabo un propósito especial en la computadora emisora y en la receptora.
La pila TCP combina las pilas de aplicación, presentación y sesión en una también denominada pila de aplicación. En este proceso se dan las características del envasado que tiene lugar para transmitir datos: La pila de aplicación TCP formatea los datos que se están enviando para que la pila inferior, la de transporte, los pueda remitir. La pila de aplicación TCP realiza las operaciones equivalentes que llevan a cabo las tres pilas de OSI superiores: aplicaciones, presentación y sesión.
La siguiente pila es la de transporte, que es responsable de la transferencia de datos, y asegura que los datos enviados y recibidos son de hecho los mismos, en otras palabras, que no han surgido errores durante él envió de los datos. TCP divide los datos que obtiene de pila de aplicación en segmento. Agrega una cabecera contiene información que se usará cuando se reciban los datos para asegurar que no han sido alterados en ruta, y que los segmentos se pueden volver a combinar correctamente en su forma original.
La tercera pila prepara los datos para la entrega introduciéndolos en data gramas IP, y determinando la dirección Internet exacta para estos. El protocolo IP trabaja en la pila de Internet, también llamada pila de red. Coloca un envase IP con una cabecera en cada segmento. La cabecera IP incluye información como la dirección IP de las computadoras emisoras y receptoras, la longitud del data grama y el orden de su secuencia. El orden secuencial se añade porque el data grama podría sobrepasar posiblemente el tamaño permitido a los paquetes de red, y de este modo necesitaría dividirse en paquetes más pequeños. Incluir el orden secuencial les permitiría volverse a combinar apropiadamente.
Principal referencia
Una de las necesidades más acuciantes de un sistema de comunicaciones es el establecimientos de estándares, sin ellos sólo podrían comunicarse entre si equipos del mismo fabricante y que usaran la misma tecnología. La conexión entre equipos electrónicos se ha ido estandarizando paulatinamente, el Modelo OSI es la principal referencia para las comunicaciones por red.
Aunque existen otros modelos, en la actualidad la mayoría de los fabricantes de redes relacionan sus productos con el modelo OSI, especialmente cuando desean enseñar a los usuarios cómo utilizar sus productos. Los fabricantes consideran que es la mejor herramienta disponible para enseñar cómo enviar y recibir datos a través de una red.
El modelo de referencia OSI permite que los usuarios vean las funciones de red que se producen en cada capa. Es un modelo entendible para los usuarios. Además en el trabajo se definió y explico la IP tanto en su versión 4 como en su nueva versión, IP versión 6. Entendiendo que la necesidad de la creación de la nueva versión radica en el agotamiento de las direcciones de la IP anterior. Se explico el modelo OSI y se hizo énfasis en la capa 3, debido a que en esta capa funciona u opera el protocolo de Internet, es decir, el protocolo IP, En esta capa se establece las comunicaciones y determina el camino que tomarán los datos en la red.
Fuentes
- Douglas E. Comer. Internetworking with TCP/IP. Principles, Protocols and Architecture. 1era Edición Prentice-Hall, 1988.
- Douglas E. Comer and David L. Stevens. Internetworking with TCP/IP. Volume II. 2da Edición Prentice-Hall, 1991.
- Gralla, P. Como funcionan las intranets. 1era Edición. Prentice-Hall, 1991.
- El estándar IEEE 802.11. Editado en www.ecured.cu y consultado 26 de abril 2014.
