PROTOCOLOS Y MODELOS DE RED

Por qué son necesarios los protocolos

Se define un protocolo como un conjunto de reglas que controlan el intercambio de datos entre dos entidades separadas. Para que dos entidades se comuniquen exitosamente, éstas deben hablar el mismo lenguaje, es decir, deben seguir el mismo conjunto de convenciones en cuanto a qué comunicar, cuándo y cómo hacerlo. Cuando estas convenciones se estandarizan, pasan a denominarse protocolos.

Los principales elementos de un protocolo son:

Ø  Sintaxis: Relacionada con opciones tales como el formato de datos que se debe usar, los niveles de señal, etc.

Ø  Semántica: Incluye información de control necesaria para una operación apropiada del protocolo, como lo es la coordinación y el manejo de errores.

Ø  Uso del Tiempo: Relacionado con la sincronización de velocidades y la secuencia de información.

La industria de las comunicaciones ha aceptado desde hace mucho tiempo que es necesario tener pautas (estándares) para gobernar las características de los equipos de comunicación. Sin embargo, los fabricantes de computadores han tratado, tradicionalmente, de monopolizar sus ventas suministrando equipos incompatibles. Esta situación ha cambiado gradualmente a medida que ha aumentado la necesidad de comunicación entre los computadores. En la actualidad, estos estándares dominan completamente el mercado en todos los aspectos de la comunicación computacional.

La comunicación de datos implica la necesidad de incorporar hardware y software adicional a los sistemas.

El desarrollo de software presentó un problema mayor cuando fue necesario establecer comunicación entre máquinas heterogéneas, debido a que los diferentes distribuidores seguían convenciones diferentes de intercambio de datos y ofrecían distintos formatos de datos. A medida que las redes de computadores se fueron extendiendo, la metodología personalizada de desarrollo de software se hizo cada vez menos rentable. Los distribuidores no tuvieron más opción que adoptar e implementar un conjunto común de convenciones.

Antes de que los usuarios del servicio de red y los proveedores de servicio puedan comunicarse, es necesario dar respuesta a las siguientes preguntas:

·         ¿Cómo se configura físicamente el medio de transmisión?

·         ¿Cómo se transmiten los bits en el medio de transmisión?

·         ¿Cómo saben las entidades de red cuándo transmitir los datos?

·         ¿Cómo saben las entidades de red cuánta información puede ser transmitida?

·         ¿Cómo pasa el mensaje al o a los recipientes adecuados?

·         ¿Cómo se contactan las entidades de red entre sí?

·         ¿Cómo se comunican las entidades de red con lenguajes diferentes?

·         ¿Cómo garantizan las entidades de red que un mensaje se ha recibido correctamente?

Estas preguntas desempeñan un papel importante. Sin embargo, los distribuidores de computadores y de sistemas operativos de redes están trabajando hacia un mismo objetivo: permitir que las aplicaciones se comuniquen, lo cual sería imposible sin el uso de protocolos. Muchas organizaciones industriales han intentado crear estándares y modelos para generalizar los tópicos cubiertos por los protocolos de red.

4.2. El modelo OSI
 

En un principio, los computadores eran elementos aislados, constituyendo cada uno de ellos una estación de trabajo independiente. Cada computador precisaba sus propios periféricos y contenía sus propios archivos, de tal forma que cuando una persona necesitaba imprimir un documento y no disponía de una impresora conectada directamente a su equipo debía copiar éste en un disquete, desplazarse a otro equipo con impresora instalada e imprimirlo desde allí. Además, era imposible implementar una administración conjunta de todos los equipos.

A medida que las empresas e instituciones ampliaban su número de computadores fué necesario unir estos entra sí, surgiendo el concepto de "redes de computadores" y de "trabajo en red" (networking), para poder de esta forma compartir archivos y periféricos entre los diferentes computadores. Pero cada una confiaba la implementación de sus redes a empresas diferentes, cada una de ellas con unos modelos de red propietarios (modelos con hardware y software propios, con elementos protegidos y cerrados), que usaban protocolos y arquitecturas diferentes.

Y si esta situación era dificil de por sí, el colmo fué cuando surgió la necesidad de unir entre sí estas redes diferentes. Fué entonces cuando las empresas se dieron cuenta de que necesitaban salir de los sistemas de networking proprietarios, optando por una arquitectura de red con un modelo común que hiciera posible interconectar varias redes sin problemas.

Para solucionar este problema, la Organización Internacional para la Normalización (ISO) realizó varias investigaciones acerca de los esquemas de red. La ISO reconoció que era necesario crear un modelo que pudiera ayudar a los diseñadores de red a implementar redes que pudieran comunicarse y trabajar en conjunto (interoperabilidad) y por lo tanto, elaboraron el modelo de referencia OSI en 1984.

El modelo de referencia OSI (Open System Interconection) proporcionó a los fabricantes un conjunto de estándares que aseguraron una mayor compatibilidad e interoperabilidad entre los distintos tipos de tecnología de red utilizados por las empresas a nivel mundial.

Es un modelo teórico de arquitectura de red, independiente de los protocolos usados, que es la base de estudio para el diseño y entendimiento del trabajo en red

El proceso de intercomunicación entre dos computadores es complejo y dificil de entender en su totalidad, pués son muchos los elementos que intervienen en el esquema de intercambio de datos entre equipos diferentes.

Para poder simplificar el estudio y la implementación de la arquitectura necesaria, la ISO dividió el modelo de referencia OSI en capas, entendiendose por "capa" una entidad que realiza de por sí una función específica. Cada capa define los procedimientos y las reglas (protocolos normalizados) que los subsistemas de comunicaciones deben seguir, para poder comunicarse con sus procesos correspondientes de los otros sistemas. Esto permite que un proceso que se ejecuta en una computadora, pueda comunicarse con un proceso similar en otra computadora, si tienen implementados los mismos protocolos de comunicaciones de capas OSI.

Las siete capas que plantéa el modelo de referencia OSI son las siguientes:

soporte a las aplicaciones o actividades del sistema, suministrando servicios de red a las aplicaciones del usuario y definiendo los protocolos usados por las aplicaciones individuales. Es el medio por el cual los procesos de aplicación de usuario acceden al entorno OSI.

Su función principal es proporcionar los procedimientos precisos que permitan a los usuarios ejecutar los comandos relativos a sus propias aplicaciones.

Los procesos de las aplicaciones se comunican entre sí por medio de las entidades de aplicación asociadas, estando éstas controladas por protocolos de aplicación, y utilizando los servicios del nivel de presentación.

Difiere de las demás capas debido a que no proporciona servicios a ninguna otra capa OSI, sino solamente a aplicaciones que se encuentran fuera del modelo OSI. La capa de aplicación establece la disponibilidad de los diversos elementos que deben participar en la comunicación, sincroniza las aplicaciones que cooperan entre sí y establece acuerdos sobre los procedimientos de recuperación de errores y control de la integridad de los datos.

Algunos ejemplos de procesos de aplicación son:

·         programas de hojas de cálculo.

·         programas de procesamiento de texto.

·         transferencia de archivos (ftp).

·         login remoto (rlogin, telnet).

·         correo electrónico (mail - smtp).

·         páginas web (http).

Capa 6: La capa de presentación: La capa de presentación proporciona sus servicios a la capa de aplicación, garantizando que la información que envía la capa de aplicación de un sistema pueda ser entendida y utilizada por la capa de aplicación de otro, estableciendo el contexto sintáctico del diálogo. Es también las responsable de la obtención y de la liberalización de la conexión de sesión cuando existan varias alternativas disponibles.

Por ello, de ser necesario, la capa de presentación realiza las siguientes operaciones:

·         traducir entre varios formatos de datos utilizando un formato común, estableciendo la sintaxis y la semántica de la información transmitida. Para ello convierte los datos desde el formato local al estándar de red y viceversa.

·         definir la estructura de los datos a transmitir. Por ejemplo, en el caso de un acceso a base de datos, defirnir el orden de transmisión y la estructura de los registros.

·         definir el código a usar para representar una cadena de caracteres (ASCII, EBCDIC, etc).

·         dar formato a la información para visualizarla o imprimirla.

·         comprimir los datos si es necesario.

·         aplicar a los datos procesos criptográficos.

Capa 5: La capa de sesión: La capa de sesión proporciona sus servicios a la capa de presentación, proporcionando el medio necesario para que las entidades de presentación en cooperación organicen y sincronicen su diálogo y procedan al intercambio de datos.

Sus principales funciones son:

·         Establece, administra y finaliza las sesiones entre dos hosts que se están comunicando.

·         si por algún motivo una sesión falla por cualquier causa ajena al usuario, esta capa restaura la sesión a partir de un punto seguro y sin perdida de datos o si esto no es posible termina la sesión de una manera ordenada chequeando y recuperando todas sus funciones, evitando problemas en sistemas transaccionales.

·         sincroniza el diálogo entre las capas de presentación de los dos hosts y administra su intercambio de datos, estableciendo las reglas o protocolos para el dialogo entre maquinas y así poder regular quien habla y por cuanto tiempo o si hablan en forma alterna, es decir, las reglas del dialogo que son acordadas.

·         ofrece disposiciones para una eficiente transferencia de datos, clase de servicio y un registro de excepciones acerca de los problemas de la capa de sesión, presentación y aplicación.

·         manejar tokens. Los tokens son objetos abstractos y únicos que se usan para controlar las acciones de los participantes en la comunicación.

·         hacer checkpoints, que son puntos de recuerdo en la transferencia de datos.

Capa 4: La capa de transporte: La capa de transporte proporciona sus servicios a la capa de sesión, efectuándo la transferencia de datos entre dos entidades de sesión. Para ello segmenta los datos originados en el host emisor y los reensambla en una corriente de datos dentro del sistema del host receptor.

El límite entre la capa de sesión y la capa de transporte puede imaginarse como el límite entre los protocolos de capa de medios y los protocolos de capa de host. Mientras que las capas de aplicación, presentación y sesión están relacionadas con aspectos de las aplicaciones, las tres capas inferiores se encargan del transporte de datos. Además, esta capa es la primera que se comunica directamente con su par de destino, ya que la comunicación de las capas anteriores es de tipo máquina a máquina.

La capa de transporte intenta suministrar un servicio de transporte de datos que aísla las capas superiores de los detalles de implementación del transporte, liberándolas de luchar por conseguir una transferencia de datos segura y económica. Específicamente, temas como la confiabilidad del transporte entre dos hosts es responsabilidad de la capa de transporte. Al proporcionar un servicio de comunicaciones, la capa de transporte establece, mantiene y termina adecuadamente los circuitos virtuales. Al proporcionar un servicio confiable, se utilizan dispositivos de detección y recuperación de errores de transporte.

Se conocen con el nombre de circuitos virtuales a las conexiones que se establecen dentro de una subred, y en ellos no hay la necesidad de tener que elegir una ruta nueva para cada paquete, ya que cuando se inicia la conexión se determina una ruta de la fuente al destino, ruta que es usada para todo el tráfico posterior.

Podemos resumir las funciones de la capa de transporte en los siguientes puntos:

·         controla la interacción entre procesos usuarios.

·         incluye controles de integración entre usuarios de la red para prevenir perdidas o doble procesamiento de transmisiones.

·         controla el flujo de transacciones y direccionamiento de maquinas a procesos de usuario.

·         asegura que se reciban todos los datos y en el orden adecuado, realizando un control de extremo a extremo.

·         acepta los datos del nivel de sesión, fragmentándolos en unidades más pequeñas, llamadas segmentos, en caso necesario y los pasa al nivel de red.

·         realiza funciones de control y numeración de unidades de información, fragmentación y reensamblaje de mensajes.

·         se encarga de garantizar la transferencia de información a través de la sub-red.

Capa 3: La capa de red: La capa de red proporciona sus servicios a la capa de transporte, siendo una capa compleja que proporciona conectividad y selección de ruta entre dos sistemas de hosts que pueden estar ubicados en redes geográficamente distintas. También se ocupa de aspectos de contabilidad de paquetes.

Es la responsable de las funciones de conmutación y encaminamiento de la información, proporcionando los procedimientos precisos necesarios para el intercambio de datos entre el origen y el destino, por lo que es necesario que conozca la topología de la red, con objeto de determinar la ruta más adecuada. 

Podemos resumir las funciones de la capa de red en los siguientes puntos:

·         divide los mensajes de la capa de transporte en unidades más complejas, denominadas paquetes, y los ensambla al final.

·         debe conocer la topología de la subred y manejar el caso en que las fuente y el destino estan en redes distintas.

·         para ello, se encarga de encaminar la información a través de la sub-red, mirando las direcciones del paquete para determinar los métodos de conmutación y enrutamiento, y rutea los& paquetes de la fuente al destino a través de ruteadores intermedios.

·         envía los paquetes de nodo a nodo usando ya sea un circuito virtual o como datagramas.

·         debe controlar la congestión de la subred.

En esta capa es donde trabajan los routers.

Capa 2: La capa de enlace de datos: La capa de enlace proporciona sus servicios a la capa de red, suministrando un tránsito de datos confiable a través de un enlace físico. Al hacerlo, la capa de enlace de datos se ocupa del direccionamiento físico (comparado con el lógico), la topología de red, el acceso a la red, la notificación de errores, formación y entrega ordenada de tramas y control de flujo. Por lo tanto, su principal misión es convertir el medio de transmisión en un medio libre de errores de cualquier tipo.

Sus principales funciones son:

·         establece los medios necesarios para una comunicación confiable y eficiente entre dos máquinas en red.

·         agrega una secuencia especial de bits al principio y al final del flujo inicial de bits de los paquetes, estructurando este flujo bajo un formato predefinido llamado trama o marco. Suelen ser de unos cientos de bytes.

·         sincroniza el envío de las tramas, transfiéndolas de una forma confiable libre de errores. Para detectar y controlar los errores se añaden bits de paridad, se usan CRC (Códigos Cíclicos Redundantes) y envío de acuses de recibo positivos y negativos, y para evitar tramas repetidas se usan números de secuencia en ellas.

·         envía los paquetes de nodo a nodo usando ya sea un circuito virtual o como datagramas.

·         controla la congestión de la red.

·         regula la velocidad de tráfico de datos.

·         controla el flujo de tramas mediante protocolos que prohiben que el remitente envíe tramas sin la autorización explícita del receptor, sincronizando así su emisión y recepción.

·         se encarga de la de secuencia, de enlace lógico y de acceso al medio (soportes físicos de la red).

Capa 1: La capa física: La misión principal de esta capa es transmitir bits por un canal de comunicación, de manera que cuanto envíe el emisor llegue sin alteración al receptor.

La capa física proporciona sus servicios a la capa de enlace de datos, definiendo las especificaciones eléctricas, mecánicas, de procedimiento y funcionales para activar, mantener y desactivar el enlace físico entre sistemas finales, relacionando la agrupación de circuitos físicos a través de los cuales los bits son movidos.

Las características tales como niveles de voltaje, temporización de cambios de voltaje, velocidad de datos físicos, distancias de transmisión máximas, conectores físicos y otros atributos similares se definen a través de las especificaciones de la capa física.

Sus principales funciones las podemos resumir en:

·         definir las características físicas (componentes y conectores mecánicos) y eléctricas (niveles de tensión).

·         definir las características funcionales de la interfaz (establecimiento, mantenimiento y liberación del enlace físico).

·         transmitir el flujo de bits a través del medio. No existe estructura alguna.

·         maneja voltajes y pulsos eléctricos.

·         especificar cables, conectores y componentes de interfaz con el medio de transmisión, polos en un enchufe, etc.

·         garantizar la conexión, pero no la fiabilidad de ésta.

Esta capa solamente reconoce bits individuales, no reconoce caracteres ni tramas multicaracter.

Encapsulamiento.

Si un computador A desea enviar datos a otro B, en primer término los datos que se deben enviar se deben colocar en paquetes que se puedan administrar y rastrear a través de un proceso denominado encapsulamiento. Las tres capas superiores (aplicación, presentación y sesión) preparan los datos para su transmisión creando un formato común para la transmisión.

Una vez pasados a formato común, el encapsulamiento rodea los datos con la información de protocolo necesaria antes de que se una al transito de la red. Por lo tanto, a medida que los datos se desplazan a través de las capas del modelo OSI, reciben encabezados, información final y otros tipos de información. La palabra "encabezado" significa que se ha agregado la información correspondiente a la dirección.

Una vez que se envían los datos desde el origen, viajan a través de la capa de aplicación directo hacia las otras capas. El empaquetamiento y el flujo de los datos que se intercambian experimentan cambios a medida que las redes ofrecen sus servicios a los usuarios finales. Como muestra la figura, las redes deben realizar los siguientes cinco pasos de conversión a fin de encapsular los datos: 

Comunicación entre capas.

Para que los paquetes de datos puedan viajar desde el origen hasta su destino, cada capa del modelo OSI en el origen debe comunicarse con su capa igual en el lugar destino. Esta forma de comunicación se conoce como comunicaciones de par-a-par. Las reglas y convenciones que controlan esta conversación se denominan protocolo de la capa n, y controlan el formato y significado de las unidades de datos intercambiadas. Durante este proceso, cada protocolo de capa intercambia información, que se conoce como unidades de datos de protocolo (PDU),entre capas iguales. Cada capa de comunicación, en el computador origen, se comunica con un PDU específico de capa y con su capa igual en el computador destino. 

Subredes.

Cuando una red maneja rangos de direcciones IP significativos resulta más conveniente transformar estas IPs a un rango propio más fácil de administrar. Esto es típico de las redes de clase B. 

Para conseguir esto, se dividen los dos octetos disponibles para la asignación interna de IPs, asignando el primer octeto a un departamento específico y el segundo a cada una de las estaciones de trabajo.

Esta forma de trabajar es idónea para el control de la red de los routers presentes, ya que sólamente deben poseer internamente unas tablas de asignación de 255 entradas para traducir un número de octeto de departamento en la selección de un destino Ethernet, asociando el último octeto con la dirección MAC de la tarjeta de red de la estación. 

Máscara de subred.

La máscara de subred es un conjunto de 32 bits que permiten separar de una dirección IP la parte del identificador de la subred de la parte del nodo.

Con el uso de las máscaras de subred se logra también la perfecta separación de IPs de una red en departamentos y estaciones, ya que con los datos de la IP y de la máscara de subred de cada equipo el servidor sabe en todo momento hacia qué estación de trabajo van los paquetes y si debe enviarlos directamente o enrutarlos al exterior.

Con ello se consigue una grán eficiencia en el envío de datos entre equipos y subredes, ya quee el servidor de cada subred sabe en todo momento si los paquetes recibidos debe enviarlos al router (y al exterior directamente), con lo que no ocuparán ancho de banda interno, o si por el contrario debe enviarlos directamente a la máquina correspondiente mediante los medios de grán velocidad de la subred. 

Cada capa individual del modelo OSI tiene un conjunto de funciones que debe realizar para que los paquetes de datos puedan viajar en la red desde el origen hasta el destino.

Un paquete de datos es una unidad de información, lógicamente agrupada, que se desplaza entre los sistemas de computación. Incluye la información origen junto con otros elementos necesarios para hacer que la comunicación sea factible y confiable en relación con los dispositivos destino. La dirección origen de un paquete especifica la identidad del computador que envía el paquete. La dirección destino especifica la identidad del computador que finalmente recibe el paquete.

Para que los paquetes de datos puedan viajar desde el origen hasta su destino a través de una red, es importante que todos los dispositivos de la red hablen el mismo lenguaje o protocolo. Un protocolo es un conjunto de reglas que hacen que la comunicación en una red sea más eficiente. Una definición técnica de un protocolo de comunicaciones de datos es: un conjunto de normas o convenciones que determinan el formato y la transmisión de datos.

La capa n de un computador se comunica con la capa n de otro computador. Las normas y convenciones que se utilizan en esta comunicación se denominan colectivamente protocolo de la capa n.

 Capas OSI.