Redes y estructuras de capas OSI

Definición de Red

Una red es una estructura que dispone de un patrón que la caracteriza. La noción de informática, por su parte, hace referencia a los saberes de la ciencia que posibilitan el tratamiento de datos de manera automatizada a través de computadoras (ordenadores).

Con estos conceptos en claro, podemos comprender a qué se refiere la idea de red informática. Se trata del conjunto de equipos (computadoras, periféricos, etc.) que están interconectados y que comparten diversos recursos.

Este tipo de redes implica la interconexión de los equipos a través de ciertos dispositivos que permiten el envío y la recepción de ondas, las cuales llevan los datos que se desea compartir. En las redes informáticas, por lo tanto, hay emisores y receptores que intercambian mensajes.

El objetivo de una red informática es que los ordenadores puedan compartir sus recursos a distancia. De este modo, si en una oficina hay cinco equipos, pueden conectarse en red para que desde cada uno se pueda acceder a los datos de las demás. Si además se conecta una impresora a la red, también será posible imprimir documentos desde cualquiera de ellos.

Otro de los fines de una red informática es la reducción de costes; en muchas compañías, los equipos que utilizan sus empleados no son más que nodos que se comunican constantemente con un gran servidor, el verdadero responsable del procesamiento de los datos y de enviar respuestas a los primeros para que los usuarios puedan aprovechar la información resultante y llevar a cabo sus tareas.
Si en un caso como éste no se utilizara una red sino que se dotara a cada trabajador de un ordenador capaz de realizar todo el trabajo de forma independiente, la inversión de la empresa debería ser mayor, no solamente a la hora de comprar los equipos sino de mantenerlos, ya que la complejidad de cada uno sería mayor que la de los nodos.

De acuerdo al tipo de conexión, a la relación entre los elementos y al alcance, es posible calificar una red informática de diferentes formas. Internet, de hecho, es una red informática: millones de computadoras están interconectadas a través de servidores y pueden compartir todo tipo de datos.
Para que una red informática pueda desarrollarse, se necesita que las computadoras dispongan de una tarjeta de red (también conocida como placa de red). Este dispositivo de hardware permite el envío y la recepción de paquetes de datos.

 Estructuras de capas  OSI

 

A-	Estructura multinivel:
	Se diseña una estructura multinivel con la idea de que cada nivel resuelva solo una parte del problema de la comunicación, con funciones especificas.
B-	El nivel superior utiliza los servicios de los niveles inferiores:
	Cada nivel se comunica con su homologo en las otras máquinas, usando un mensaje a través de los niveles inferiores de la misma. La comunicación entre niveles se define de manera que un nivel N utilice los servicios del nivel N-1 y proporcione servicios al nivel N+1.
C-	Puntos de acceso:
	Entre los diferentes niveles existen interfaces llamadas "puntos de acceso" a los servicios.
D-	Dependencia de Niveles:
	Cada nivel es dependiente del nivel inferior como así también lo es del nivel superior.
E-	Encabezados:
	En cada nivel, se incorpora al mensaje un formato de control. Este elemento de control permite que un nivel en la computadora receptora se entere de que la computadora emisora le está enviando un mensaje con información.

Cualquier nivel puede incorporar un encabezado al mensaje. Por esta razón se considera que un mensaje está constituido de dos partes, el encabezado y la información.

Entonces, la incorporación de encabezados es necesaria aunque represente un lote extra en la información, lo que implica que un mensaje corto pueda ser voluminoso.

Sin embargo, como la computadora receptora retira los encabezados en orden inverso a como se enviaron desde la computadora emisora, el mensaje original no se afecta.

Capas Del Modelo Osi.

Capa Física

Aquí se encuentran los medios materiales para la comunicación como las placas, cables, conectores, es decir los medios mecánicos y eléctricos.
La capa física se ocupa de la transmisión de bits a lo largo de un canal de comunicación, de cuantos microsegundos dura un bit, y que voltaje representa un 1 y cuantos un 0. La misma debe garantizar que un bit que se manda llegue con el mismo valor. Muchos problemas de diseño en la parte física son problema de la ingeniería eléctrica.
Medios de transmisión
• Par trenzado (twisted pair). Consiste en dos alambres de cobre enroscados (para reducir interferencia eléctrica).
• Cable coaxial. Un alambre dentro de un conductor cilíndrico. Tiene un mejor blindaje y puede cruzar distancias mayores con velocidades mayores
• Fibra óptica. Hoy tiene un ancho de banda de 50.000 Gbps, pero es limitada por la conversión entre las señales ópticas y eléctricas (1 Gbps). Los pulsos de luz rebotan dentro de la fibra.
  
Además de estos hay también medios inalámbricos de transmisión. Cada uno usa una banda de frecuencias en alguna parte del espectro electromagnético. Las ondas de longitudes más cortas tienen frecuencias más altas, y así apoyan velocidades más altas de transmisión de datos.
Veamos algunos ejemplos:

• Radio. 10 KHz-100 MHz. Las ondas de radio son fáciles de generar, pueden cruzar distancias largas, y entrar fácilmente en los edificios. Son omnidireccionales, lo cual implica que los transmisores y recibidores no tienen que ser alineados.
  • Las ondas de frecuencias bajas pasan por los obstáculos, pero el poder disminuye con la distancia.
  • Las ondas de frecuencias más altas van en líneas rectas. Rebotan en los obstáculos y la lluvia las absorbe.
    
• Microondas. 100 MHz-10 GHz. Van en líneas rectas. Antes de la fibra formaban el centro del sistema telefónico de larga distancia. La lluvia las absorbe.
  
• Infrarrojo. Se usan en la comunicación de corta distancia (por ejemplo, controlo remoto de televisores). No pasan por las paredes, lo que implica que sistemas en distintas habitaciones no se interfieren. No se pueden usar fuera.
  
• Ondas de luz. Se usan lasers. Ofrecen un ancho de banda alto con costo bajo, pero el rayo es muy angosto, y el alineamiento es difícil.
  
El sistema telefónico
• En general hay que usarlo para redes más grandes que un LAN.
• Consiste en las oficinas de conmutación, los alambres entres los clientes y las oficinas (los local loops), y los alambres de las conexiones de larga distancia entre las oficinas (los troncales). Hay una jerarquía de las oficinas.
• La tendencia es hacia la señalización digital. Ventajas:
  • La regeneración de la señal es fácil sobre distancias largas.
  • Se pueden entremezclar la voz y los datos.
  • Los amplificadores son más baratos porque solamente tienen que distinguir entre dos niveles.
  • La manutención es más fácil; es fácil detectar errores.
Satélites
• Funcionan como repetidores de microondas. Un satélite contiene algunos transponedores que reciben las señales de alguna porción del espectro, las amplifican, y las retransmiten en otra frecuencia.
  
• Hay tres bandas principales: C (que tiene problemas de interferencia terrenal), Ku, y Ka (que tienen problemas con la lluvia).
  
• Un satélite tiene 12-20 transponedores, cada uno con un ancho de banda de 36-50 MHz. Una velocidad de transmisión de 50 Mbps es típica. Se usa la multiplexación de división de tiempo.
  
• La altitud de 36.000 km sobre el ecuador permite la órbita geosíncrona, pero no se pueden ubicar los satélites con espacios de menos de 1 o 2 grados.
  
• Los tiempos de tránsito de 250-300 milisegundos son típicos.
  
• Muy útil en la comunicación móvil, y la comunicación en las áreas con el terreno difícil o la infraestructura débil.

Capa De Enlace

Se encarga de transformar la línea de transmisión común en una línea sin errores para la capa de red, esto se lleva a cabo dividiendo la entrada de datos en tramas de asentimiento, por otro lado se incluye un patrón de bits entre las tramas de datos. Esta capa también se encarga de solucionar los problemas de reenvío, o mensajes duplicados cuando hay destrucción de tramas. Por otro lado es necesario controlar el tráfico.

Un grave problema que se debe controlar es la transmisión bidireccional de datos.
El tema principal son los algoritmos para la comunicación confiable y eficiente entre dos máquinas adyacentes.

Problemas: los errores en los circuitos de comunicación, sus velocidades finitas de transmisión, y el tiempo de propagación.
Normalmente se parte de un flujo de bits en marcos.

Marcos
El nivel de enlace trata de detectar y corregir los errores. Normalmente se parte el flujo de bits en marcos y se calcula un checksum (comprobación de datos) para cada uno.
Las tramas contendrán información como:
- Número de caracteres (un campo del encabezamiento guarda el número. Pero si el número es cambiado en una transmisión, es difícil recuperar.)
- Caracteres de inicio y fin.

Servicios para el nivel de red
Servicio sin acuses de recibo. La máquina de fuente manda marcos al destino. Es apropiado si la frecuencia de errores es muy baja o el tráfico es de tiempo real (por ejemplo, voz).
Servicio con acuses de recibo. El recibidor manda un acuse de recibo al remitente para cada marco recibido.

Control de flujo
Se usan protocolos que prohiben que el remitente pueda mandar marcos sin la permisión implícita o explícita del recibidor.
Por ejemplo, el remitente puede mandar un número indeterminado de marcos pero entonces tiene que esperar.

Detección y corrección de errores
Ejemplo: HDLC. En este ejemplo se verá un protocolo que se podría identificar con el segundo nivel OSI. Es el HDLC (High-level Data Link Control). Este es un protocolo orientado a bit, es decir, sus especificaciones cubren que información lleva cada uno de los bits de la trama.


BITS 8	8	8	>=0	16	8
01111110	Adress	Control	Data	Checksum	01111110


Como se puede ver en la tabla, se definen unos campos que se agregan a la información (Datos). Estos campos se utilizan con distintos fines. Con el campo Checksum se detectan posibles errores en la transmisión mientras que con el campo control se envía mensajes como datos recibidos correctamente, etc.

Capa De Red

Se ocupa del control de la operación de la subred. Lo más importante es eliminar los cuellos de botella que se producen al saturarse la red de paquetes enviados, por lo que también es necesario encaminar cada paquete con su destinatario.

Dentro de la capa existe una contabilidad sobre los paquetes enviados a los clientes.
Otro problema a solucionar por esta capa es la interconexión de redes heterogéneas, solucionando problemas de protocolo diferentes, o direcciones desiguales.

Este nivel encamina los paquetes de la fuente al destino final a través de encaminadores (routers) intermedios. Tiene que saber la topología de la subred, evitar la congestión, y manejar saltos cuando la fuente y el destino están en redes distintas.

El nivel de red en la Internet (Funcionamiento del protocolo IP)
El protocolo de IP (Internet Protocol) 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:

Fig. 5
• 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.
• Identificación. 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.

Capa de Transporte

La función principal es de aceptar los datos de la capa superior y dividirlos en unidades más pequeñas, para pasarlos a la capa de red, asegurando que todos los segmentos lleguen correctamente, esto debe ser independiente del hardware en el que se encuentre.

Para bajar los costos de transporte se puede multiplexar varias conexiones en la misma red.
Esta capa necesita hacer el trabajo de multiplexión transparente a la capa de sesión.
El quinto nivel utiliza los servicios del nivel de red para proveer un servicio eficiente y confiable a sus clientes, que normalmente son los procesos en el nivel de aplicación.
El hardware y software dentro del nivel de transporte se llaman la entidad de transporte.
Puede estar en el corazón del sistema operativo, en un programa, en una tarjeta, etc.
Sus servicios son muy semejantes a los del nivel de red. Las direcciones y el control de flujo son semejantes también. Por lo tanto, ¿por qué tenemos un nivel de transporte? ¿Por qué no solamente el nivel de red?

La razón es que el nivel de red es una parte de la subred y los usuarios no tienen ningún control sobre ella. El nivel de transporte permite que los usuarios puedan mejorar el servicio del nivel de red (que puede perder paquetes, puede tener routers que no funcionan a veces, etc.). El nivel de transporte permite que tengamos un servicio más confiable que el nivel de red.
También, las funciones del nivel de transporte pueden ser independiente de las funciones del nivel de red. Las aplicaciones pueden usar estas funciones para funcionar en cualquier tipo de red.

Protocolos de transporte
Los protocolos de transporte se parecen los protocolos de enlace. Ambos manejan el control de errores, el control de flujo, la secuencia de paquetes, etc. Pero hay diferencias:
En el nivel de transporte, se necesita una manera para especificar la dirección del destino. En el nivel de enlace está solamente el enlace.
En el nivel de enlace es fácil establecer la conexión; el host en el otro extremo del enlace está siempre allí. En el nivel de transporte este proceso es mucho más difícil.

Establecimiento de una conexión

          Desconexión

La desconexión asimétrica puede perder datos. La desconexión simétrica permite que cada lado pueda liberar una dirección de la conexión a la vez.

Control de flujo
Se debe controlar que el número de paquetes enviados a un destino para que no colapse a este.

Multiplexación
A veces el nivel de transporte tiene que multiplexar las conexiones. Si se desea una transmisión de datos muy rápida se abrirán varias conexiones y los datos se dividirán para hacerlos pasar por estas.

Si solo se tiene una conexión pero se quieren pasar varios datos se deberá multiplexar el canal. Por tiempos transmitirá una conexión u otra.

Recuperación de caídas 

 
Si una parte de la subred se cae durante una conexión, el nivel de transporte puede establecer una conexión nueva y recuperar de la situación.

El encabezamiento de TCP
TCP (Protocolo de control de transmisión) es el método usado por el protocolo IP (Internet protocol) para enviar datos a través de la red. Mientras IP cuida del manejo del envío de los datos, TCP cuida el trato individual de cada uno de ellos (llamados comúnmente "paquetes") para el correcto enrutamiento de los mismos a través de Internet.
El encabezamiento de TCP para la transmisión de datos tiene este aspecto:

Fig. 6
La puerta de la fuente y del destino identifican la conexión.
El número de secuencia y el número de acuse de recibo son normales. El último especifica el próximo byte esperado.

La longitud (4 bits) indica el número de palabras de 32 bits en el encabezamiento, ya que el campo de opciones tiene una longitud variable.

Los flags:

	URG. Indica que el segmento contiene datos urgentes. El puntero urgente punta al desplazamiento del número de secuencia corriente donde están los datos urgentes.
	ACK. Indica que hay un número de acuse en el campo de acuse.
	PSH (Push). El recibidor no debiera almacenar los datos antes de entregarlos.
	RST (Reset). Hay un problema en la conexión.
	SYN. Se usa para establecer las conexiones. Una solicitud de conexión tiene SYN = 1 y ACK = 0, mientras que la aceptación de una conexión tiene SYN = 1 y ACK = 1.
	FIN. Indica que el mandador no tiene más datos a mandar. La desconexión es simétrica.

TCP usa una ventana de tamaño variable. Este campo indica cuantos bytes se pueden mandar después del byte de acuse.
El checksum provee más confiabilidad.
Las opciones permiten que los hosts puedan especificar el segmento máximo que están listos para aceptar (tienen que poder recibir segmentos de 556 bytes), usar una ventana mayor que 64K bytes, y usar repetir selectivamente en vez de repetir un número indeterminado de veces.

Capa De Sesión

Permite a los usuarios sesionar entre sí permitiendo acceder a un sistema de tiempo compartido a distancia, o transferir un archivo entre dos máquinas.
Uno de los servicios de esta capa es la del seguimiento de turnos en el tráfico de información, como así también la administración de tareas, sobre todo para los protocolos.
Otra tarea de esta capa es la de sincronización de operaciones con los tiempos de caída en la red.

Capa De Presentación

Se ocupa de los aspectos de sintaxis y semántica de la información que se transmite, por ejemplo la codificación de datos según un acuerdo.
Esto se debe a que los distintos formatos en que se representa la información que se transmite son distintos en cada máquina. Otro aspecto de esta capa es la compresión de información reduciendo el nº de bits.

Capa De Alicación

Contiene una variedad de protocolos que se necesitan frecuentemente, por ejemplo para la cantidad de terminales incompatibles que existen para trabajar con un mismo editor orientado a pantalla. Para esto se manejan terminales virtuales de orden abstracto.
Otra función de esta capa es la de transferencias de archivos cuando los sistemas de archivos de las máquinas son distintos solucionando esa incompatibilidad. Aparte se encarga de sistema de correo electrónico, y otros servicios de propósitos generales.

El nivel de aplicación es siempre el más cercano al usuario.
Por nivel de aplicación se entiende el programa o conjunto de programas que generan una información para que esta viaje por la red.

El ejemplo más inmediato sería el del correo electrónico. Cuando procesamos y enviamos un correo electrónico este puede ir en principio a cualquier lugar del mundo, y ser leído en cualquier tipo de ordenador.

Los juegos de caracteres utilizados por el emisor y el receptor pueden ser diferentes por lo que alguien se ha de ocupar de llevar a cabo estos ajustes. También se ha de crear un estándar en lo que la asignación de direcciones de correo se refiere.

De todas estas funciones se encarga el nivel de aplicación. El nivel de aplicación, mediante la definición de protocolos, asegura una estandarización de las aplicaciones de red.

En nuestro ejemplo del correo electrónico esto es lo que sucedería.....
Supongamos que escribimos un mensaje como el siguiente:

Fig. 7
En nuestro caso hemos escrito este e-mail en un ordenador PC con Windows98 con el programa de correo Microsoft Outlook. Fuese cual fuese el ordenador, sistema operativo o programa de correo que utilizásemos, lo que finalmente viajaría por la red cuando enviáramos el correo sería algo como esto:
From:"Remitente" Email del remitente
To: Destinatario
Subject: Hola amigos
Date: Thu, 25 Feb 2001 09:44:14 +0100
MIME-Version: 1.0
Content-Type: text/plain;
charset="iso-8859-1"
Content-Transfer-Encoding: 7bit
X-Priority: 3
X-MSMail-Priority: Normal
X-Mailer: Microsoft Outlook Express 4.72.3110.5
X-MimeOLE: Produced By Microsoft MimeOLE V4.72.3110.3

Hola amigos
El estándar que define esta codificación de mensajes es el protocolo SMTP. Cualquier ordenador del mundo que tenga un programa de correo electrónico que cumpla con el estándar SMTP será capaz de sacar por pantalla nuestro mensaje.

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