Introducción al Modelo OSI y TCP/IP

El modelo de referencia OSI (Interconexión de Sistemas Abiertos) define una arquitectura de red estructurada en siete capas: Física, Enlace de Datos, Red, Transporte, Sesión, Presentación y Aplicación. En la práctica, las tres capas superiores (Sesión, Presentación y Aplicación) suelen agruparse conceptualmente bajo el término Capa de Aplicación. Al comparar este modelo con la pila TCP/IP de cuatro capas, las capas Física y de Enlace se consolidan en la Capa de Interfaz de Red, mientras que las capas de Red y Transporte mantienen su independencia, y las tres superiores se unifican en la Capa de Aplicación.

Capa Física

Su objetivo principal es definir las características mecánicas, eléctricas, funcionales y procedimentales de la interfaz con el medio de transmisión. Gestiona la sincronización y el flujo de bits a nivel físico.

Conceptos de Señalización

• Comunicación Simplex: Transmisión estrictamente unidireccional sin interacción inversa.
• Half-Duplex: Comunicación bidireccional alternada; ambos extremos pueden transmitir, pero no simultáneamente.
• Full-Duplex: Comunicación bidireccional simultánea; ambos extremos pueden transmitir y recibir al mismo tiempo.
• Señal de Banda Base: Señal original generada por la fuente de datos, sin modular.
• Señal de Banda Pasa: Señal de banda base modulada con una portadora para desplazar su espectro de frecuencia y permitir su transmisión a través de un canal específico.

Métodos de Modulación Digital

• AM (Amplitud): La amplitud de la portadora varía según la señal digital.
• FM (Frecuencia): La frecuencia de la portadora varía según la señal digital.
• PM (Fase): La fase inicial de la portadora varía según la señal digital.

Multiplexación de Canales

• FDM (División por Frecuencia): El ancho de banda total se divide en subcanales de frecuencia, cada uno transmitiendo una señal independiente.
• TDM (División por Tiempo): El tiempo se divide en tramas, y cada usuario ocupa una ranura de tiempo (time slot) fija dentro de cada trama.
• STDM (TDM Estadístico): Asignación dinámica de ranuras de tiempo según la demanda real de los usuarios.
• WDM (División por Longitud de Onda): Equivalente óptico de la multiplexación por división de frecuencia.
• CDM (División por Código): Utiliza códigos ortogonales para diferenciar las señales, base de tecnologías como CDMA.

Capa de Enlace de Datos

Responsable de la transferencia fiable entre nodos adyacentes. Agrupa bits en tramas, utiliza direcciones físicas (como MAC en Ethernet) y gestiona la detección de errores.

Funciones Básicas

• Encapsulamiento: Delimitación de tramas mediante la adición de cabeceras y colas.
• Transparencia: Uso de técnicas de relleno (caracteres o bits cero) para evitar que los datos de payload sean confundidos con caracteres de control.
• Control de Errores: Detección de alteraciones mediante códigos como CRC (Código de Redundancia Cíclica) y mecanismos de retransmisión.

Protocolo PPP

Destaca por su simplicidad, encapsulamiento, transparencia, soporte para múltiples protocolos de red y tipos de enlace, además de incluir negociación de direcciones de red, compresión de datos y detección de estado de conexión.

Protocolo CSMA/CD en Ethernet

• Acceso Múltiple: Múltiples nodos conectados a un medio compartido.
• Escucha de Portadora: Verificación del medio antes de transmitir para evitar colisiones.
• Detección de Colisiones: Identificación de transmisiones simultáneas.
• Período de Contienda: Ventana de tiempo (51.2 microsegundos en Ethernet) para detectar colisiones.
• Retroceso Exponencial Binario: Algoritmo para calcular tiempos de espera aleatorios tras una colisión.
• Trama Mínima: Longitud mínima de 64 bytes para garantizar la detección de colisiones.

Capa de Red

Gestiona el enrutamiento y la conmutación de paquetes entre sistemas finales, proporcionando conectividad lógica.

Principios de Diseño

La capa de red ofrece un servicio de datagramas sin conexión y de "máximo esfuerzo". No establece conexiones previas, cada paquete (datagrama IP) se enruta de forma independiente, y no se garantizan la entrega, el orden o la integridad de los paquetes.

Circuitos Virtuales vs. Conmutación de Circuitos

Los circuitos virtuales representan conexiones lógicas donde los paquetes siguen una ruta preestablecida mediante conmutación de paquetes, a diferencia de la conmutación de circuitos tradicional que reserva un camino físico dedicado.

Comparativa: Circuito Virtual vs. Datagrama

Direccionamiento IP y Subredes

• Clases de IP: A (1 byte red / 3 bytes host), B (2/2), C (3/1), D (Multicast), E (Reservada).
• Redes Privadas: Clase A (10.0.0.0/8), Clase B (172.16.0.0/12), Clase C (192.168.0.0/16).
• Subnetting y CIDR: Uso de máscaras de subred y Enrutamiento Entre Dominios Sin Clases (CIDR) para agregar prefijos de red y optimizar el enrutamiento.

Protocolos Auxiliares

• ARP: Resuelve direcciones IP a direcciones MAC físicas mediante tablas caché en la LAN.
• ICMP: Protocolo de mensajes de control y error (ej. destinos inalcanzables), base de utilidades como ping.

Protocolos de Enrutamiento

• IGP (Interior Gateway Protocol): Operan dentro de un Sistema Autónomo (AS). Ejemplos: RIP y OSPF.
• EGP (Exterior Gateway Protocol): Operan entre diferentes Sistemas Autónomos. El estándar actual es BGP-4.
• RIP: Basado en vector de distancia. Limitado a 15 saltos, convergencia lenta, actualizaciones periódicas completas.
• OSPF: Basado en estado de enlace. Utiliza inundación, convergencia rápida, ideal para redes de gran escala.
• BGP: Basado en vector de ruta. Utiliza TCP para fiabilidad, enfocado en políticas de enrutamiento y escalabilidad global.

Capa de Transporte

Garantiza la transferencia de datos de extremo a extremo, gestionando la multiplexación, control de flujo y recuperación de errores.

Protocolo TCP

Orientado a conexión, fiable, full-duplex y basado en flujo de bytes. Su cabecera varía entre 20 y 60 bytes. Implementa control de flujo, control de congestión y garantía de orden mediante números de secuencia.

Establecimiento de Conexión (Three-Way Handshake)

Cliente                                       Servidor
[Inicio Activo] ---> SYN=1, seq=alpha       ---> [Inicio Pasivo]
(SYN_SENT)              (SYN_RCVD)

[Recibir]     <--- SYN=1, ACK=1, seq=beta,  <--- [Enviar]
(ESTABLISHED)        ack=alpha+1              (SYN_RCVD)

[Enviar]      ---> ACK=1, seq=alpha+1,      ---> [Recibir]
(ESTABLISHED)        ack=beta+1               (ESTABLISHED)

Terminación de Conexión (Four-Way Handshake)

Cliente                                       Servidor
[Cierre Activo] ---> FIN=1, seq=gamma       ---> [Cierre Pasivo]
(FIN_WAIT_1)            (CLOSE_WAIT)

[Recibir]     <--- ACK=1, seq=delta,        <--- [Enviar]
(FIN_WAIT_2)         ack=gamma+1              (CLOSE_WAIT)

[Recibir]     <--- FIN=1, ACK=1, seq=delta2,<--- [Enviar]
(TIME_WAIT)          ack=gamma+1              (LAST_ACK)

[Enviar]      ---> ACK=1, seq=gamma+1,      ---> [Recibir]
(TIME_WAIT 2MSL)     ack=delta2+1             (CLOSED)

Mecanismos de Control

• Control de Flujo: Ventana deslizante para adaptar la tasa de envío a la capacidad del receptor.
• Control de Congestión: Inicio lento, evitar congestión, retransmisión rápida y recuperación rápida.
• Retransmisión por Tiempo: Uso del algoritmo de Karn para calcular el RTT (Tiempo de Ida y Vuelta) y el RTO (Tiempo de Espera de Retransmisión) de forma precisa.
• ARQ Continuo: Confirmacioens acumulativas para optimizar el ancho de banda.

Protocolo UDP

No orientado a conexión, no fiable y sin control de congestión. Cabecera mínima de 8 bytes. Orientado a mensajes, soporta unicast, multicast y broadcast. Ideal para aplicaciones en tiempo real como VoIP o streaming.

Capas Superiores: Sesión, Presentación y Aplicación

Sesión y Presentación

La capa de sesión gestiona el diálogo, la sincronización y los puntos de control entre aplicaciones. La capa de presentación se encarga de la traducción de formatos, cifrado y compresión de datos para garantizar la interoperabilidad semántica.

Capa de Aplicación y Protocolos Comunes

Proporciona la interfaz directa para los servicios de red del usuario final. Los protocolos más relevantes incluyen:

• DNS: Resolución de nombres de dominio a IPs (UDP/TCP puerto 53).
• FTP: Transferencia de archivos (TCP puertos 20/21).
• TFTP: Transferencia trivial de archivos (UDP puerto 69).
• Telnet / SSH: Terminales remotos en texto plano (TCP 23) y cifrado (TCP 22).
• HTTP / HTTPS: Transferencia de hipertexto (TCP 80) y su versión segura con SSL/TLS (TCP 443).
• SMTP / POP3 / IMAP: Envío (TCP 25) y recepción de correo electrónico (TCP 110 y 143).
• DHCP: Asignación dinámica de direcciones IP (UDP puertos 67/68).
• SNMP: Gestión de dispositivos de red (UDP puertos 161/162).