TEMA 1: Arquitectura del Nivel de Red.



0 Introducción

La conexión de equipos informáticos distantes es, hoy por hoy, una tarea complicada, y más si tenemos es cuenta las dimensiones y complejidad que puedan tener las redes de las que forman parte esos equipos. Para poder solventarlo, se estructura el proceso en varios problemas, cada uno debiendo resolver distintos aspectos del proceso completo. Esto es lo que llamamos arquitectura de protocolos. Pero antes de centrarnos en la arquitectura de protocolos debemos resaltar que son precisamente las redes las que aportan la mayor complejidad al problema de las comunicaciones.
Por lo tanto primero veremos que es lo que llamamos una red de comunicación.
Después ya podremos abordar la arquitectura de protocolos.
Finalmente describiremos, con detalle, la parte de la arquitectura de protocolos de la que nos ocuparemos en la asignatura: el llamado nivel de red.
 
 
 

1 Redes de comunicación

 

1.1 Concepto

Una red es un conjunto de medios para proporcionar servicios de telecomunicación entre cierto número de ubicaciones. Una ubicación (fija o móvil) es conocida como punto de terminación de red o simplemente "ptr". Así pues, podríamos ver una red como algo abstracto que ofrece un determinado servicio en puntos de terminación de red.
 
FIGURA 1.1 Red.

Dentro de esta especie de 'nube' que acabamos de dibujar existen normalmente recursos de transmisión y recursos de conmutación. Los recursos de transmisión más utilizados son los de tipo punto a punto dedicados y la conmutación se produce en nodos.

Asociado a una red hay un operador, nombre que recibe quien gestiona u opera la red; es el encargado de reparar, extraer medidas, mantener la red, y a veces sacar un beneficio económico por la explotación de los servicios.
 
 

1.2 Aplicaciones

Las primeras redes se diseñaron para compartir recursos, como impresoras, discos, etcétera.

También se desarrollaron para poder compartir datos o información de forma rápida y cómoda entre ordenadores lejanos, como por ejemplos entre las distintas sucursales de un banco.

Parte del uso de las redes se debe al aumento de fiabilidad que estas proporcionan, pues la red permite tener un ordenador conectado las veinticuatro horas del día. Más exactamente, se pueden ir alternando las máquinas que están encendidas, de forma que la información requerida siempre se encuentre en alguna máquina.

Actualmente, uno de los principales usos de las redes es el de la comunicación, o los nuevos servicios como la televisión interactiva. Estos últimos son de desarrollo muy moderno.
 
 

1.3 Parámetros

Los parámetros más importantes que caracterizan una red son:

1.4 Clasificación.

Son muchos los criterios en función de los cuales podemos clasificar las redes. En este apartado nos fijaremos sólo en tres de ellos, que son:

2 Arquitectura de protocolos

2.1 Definiciones.

Entidad:
Cualquier cosa que quiera comunicar algo.
Diálogo:
Comunicación entre dos entidades.
Dialogo salto a salto:
Es el diálogo entre dos entidades conectadas al mismo medio físico (cables, aire...).
Salto:
Paso por un vano de transmisión. Entendemos por vano un tramo de cables con sus repetidores y sus adaptadores.
Diálogo extremo a extremo:
Es el diálogo entre dos sistemas finales.
Interfaz
Lo que permite que dos entidades distintas se comuniquen. Por ejemplo entre un un frances y un español el interfaz seria el correspondiente diccionario bilingue. Entre dos equipos, A yB cada uno con una salida para transmitir y una entrada para recibir, el interfaz seria el cable cruzado que conectase transmisor A con receptor B y transmisor B con receptor A.
Protocolo

Conjunto de reglas de comunicación que dos entidades conocen y respetan para realizar     conjuntamente la función que tienen asignada. Un protocolo es por tanto un lenguaje, con su sintaxis, su semántica y su adecuada temporización. La sintaxis entronca con el como, la semántica con el qué (el significado), y la temporización con el cuando. Los hay monolíticos y estructurados.
Protocolos monolíticos
Se intenta resolver el problema de la comunicación de una sola vez.
Protocolos estructurados
El protocolo divide el problema de la comunicación en varias partes que se resuelven con  protocolos distintos e independientes.
Arquitectura de protocolos
La funcionalidad de un sistema de telecomunicaciones se divide en subsistemas jerárquicos. Cuando tenemos un subsistema debemos tener también los subsitemas inferiores. Una arquitectura de protocolos es una técnica para estructurar jerarquicamentre la funcionalidad de un sistema de comunicaciones, utilizando protocolos estructurados y definiendo su estructura.
Servicio
Conjunto de funciones que realiza un nivel de la jerarquía de la arquitectura de protocolos y todos los inferiores, para ofrecer una funcionalidad al nivel inmediatamente superior que se considera usuario del anterior.
Entidades gemelas:
Son entidades que se entienden. Siempre que en una arquitectura de protocolos tenemos una entidad de un tipo, la entidad con la que está dialogando tiene que ser igual, nivel por nivel.
PDU:
Los datos que se intercambian entidades gemelas.
Planos de arquitecturas de protocolos:
Representan los distintos flujos de información a traves de las redes de telecomunicaciones. Se dividen en tres pero, ojo, no simpre se respeta estrictamente esta división.
Plano de usuario: Información que fluye desde la aplicación hasta el nivel físico (cables, aire...). Por el fluyen los datos del usuario.
Plano de señalización y control: Información para la utilización de los servicios de la red, entre organos de la red. Se conoce como información de señalización. La genera y la destruye la propia red.
Plano de gestión: Información necesaria para la operación y administración de los servicios. Por ejemplo la información de tarificación, o, si se produce algún error, lo que se comunica a los administradores de la red para que pongan una solución.
Todos los planos pueden compartir parte de la arquitectura de protocolos.

 

2.2 La torre OSI.

2.2.1 ¿Qué es?

a)Filosofía
Es una arquitectura de protocolos normalizada por la ISO. Divide TODAS las funciones que tiene que realizar un sistema de comunicación en una serie de capas o niveles. Este modelo no normaliza ningún protocolo, solo define cada capa.
Problema sobre la normalización
b)Estructura de niveles
Los niveles tienen una estructura jerárquica que se apoya en la noción de servicio. Cada capa se sirve de la inferior para realizar ciertas funciones, reliza sus propias funciones y ofrece un servicio a la capa superior. Decimos que cada nivel N es proveedor de servicio de nivel N y usuario de servicio N-1.
c)Conceptos asociados
Llamamos interfaz de nivel N al límite entre la capa N+1 y la N. En cada interfaz se puede acceder a unos servicios a través de unas primitivas: funciones que ordenan que un determinado servicio ejecute una determinada acción.
d)Forma de desempeñar las funciones
Cada capa reliza unas funciones concretas y presta un servicio concreto, es lo que define la torre OSI, pero no se especifica como realizar esas funciones. Aún así los distintos niveles siempre cumplen su tarea añadiendo datos generados por ellos a los datos (PDU's)  entregados por el nivel inmediatamente superior (N+1) y con esto construyen una SDU de nivel N. Los datos generados pueden ir al principio de los datos entregados (cabeceras) o al final (colas).
e)Directrices seguidas Se elaboro un modelo de siete capas (si no contamos el nivel físico que es pasivo ya que es solo el soporte para la señal electromagnética)

 2.2.2 Los niveles de la torre OSI

El esquema para un sistema final, es decir, aquel que procesa información y realiza funciones ajenas a las específicas de la red, es:
 
FIGURA 1.2 Modelo OSI.Modelo OSI completo

 

Vamos a analizar un poco más a fondo cada nivel:

Nivel 0 o Medio Físico:
Su finalidad es transportar la señal. Puede ser un par de cables, el aire...

Nivel físico (Nivel 1)

Permite utilizar directamente el medio físico de transmisión. También se definen las reglas de procedimiento, la secuencia de eventos para transmitir.

Un ejemplo de protocolo es el EIA RS-232, que define la utilización de los puertos serie de los ordenadores.
 
 

Nivel de enlace (Nivel 2)

Es el nivel encargado del control de errores. Ofrece al siguiente nivel una transmisión fiable de bits.

En redes dedicadas es exactamente lo que hace esta capa. Además, controla el flujo de datos, para evitar que un equipo envíe datos más rápido de los que lo puede interpretar otro.

En redes de difusión, además de lo antes mencionado, se encarga del control de acceso al medio compartido.

En redes de conmutación, además del control de flujo, controla el establecimiento mantenimiento y liberación de la conexión en cada uno de los enlaces. Asegura que el bit transmitido llegue de un nodo a otro, o del nodo al terminal (o viceversa). Es decir, garantiza un salto sin errores.

Ejemplos de protocolos son: HDLC (desarrollado en el tema 6), LAPB, LLC, LAPD, ALOHA (desarrollado en el tema 8), CSMA, CSMA/CD y Paso testigo.
 
 

Nivel de red (Nivel 3)

Se encarga de suministrar una conexión de extremo a extremo.

Esta capa sólo es necesaria en las redes de conmutación o en redes interconectadas, pues en redes punto a punto o de difusión existe un canal directo entre los dos equipos, por lo que el nivel 2 proporciona por tanto conexión fiable entre los dos equipos.

En la máquina origen se suministra la dirección del destino. El nivel de red es entonces el que se encarga de encaminar la conexión en cada nodo.

Cada nodo requiere un nivel físico y otro de enlace por cada medio de transmisión que le conecta a otro equipo. Sin embargo solamente requiere un nivel de red.

En redes de conmutación de circuitos, el nivel de enlace se encarga de mantener y liberar la conexión.

Si la red es de conmutación de paquetes por datagramas, entonces el nivel de red coge cada datagrama y decide por que enlace enviar dicho datagrama.

Y si la red es de conmutación de paquetes por circuitos virtuales, es el nivel de red el encargado de establecer dicho circuito.

En caso de ser necesario el encaminamiento, la función corresponde al nivel de red. Nivel de red

Como otras capa se puede dividir el nivel 3 en subniveles.
 

Ejemplos de protocolos son: X25, Frame Relay y ATM para redes de conmutación, e IP para redes interconectadas.

En un sistema intermedio, aquel que no procesa información sino que retransmite lo que los sistemas finales generan, sólo están presentes los niveles 1 y 2, y en algunas ocasiones el 3.
Son los que llamamos niveles bajos de la torre OSI. El resto, claro, son los niveles altos.
 
 

Nivel de transporte (Nivel 4)

Su función es parecida a la del nivel 2, salvo que garantiza la transmisión sin errores de extremo a extremo, independientemente del tipo de red. Se encarga de que los datos lleguen sin errores, ordenados, sin pérdidas ni duplicados.

En una red de conmutación de paquetes por datagramas, es el nivel de transporte el que se encarga de ordenar los distintos paquetes que llegan.

En las redes dedicadas y de difusión, no es necesario el nivel de transporte.

Este nivel es necesario exclusivamente en redes conmutadas o interconectadas. Requiere más trabajo en una red de conmutación de paquetes por datagramas que en una por circuitos virtuales, debido a la necesidad de ordenar los paquetes.

En las redes de conmutación de paquetes, este nivel se encarga de fragmentar el mensaje en el origen, y de recomponerlo en el destino.Nivel de transporte

Ejemplos de protocolos ISO son: TP0, TP1, TP2, TP3 y TP4.

Y ejemplos de protocolos para Internet son: TCP y UDP.
 
 

Nivel de sesión (Nivel 5)

La mayor parte de los protocolos están definidos por el ISO, aunque su uso es muy escaso.
 
 

Nivel de presentación (Nivel 6)

Este nivel elimina los problemas que puedan surgir al comunicar distintas arquitecturas, pues cada arquitectura estructura los datos de una forma específica, que no tienen por que ser compatibles. En el nivel de transporte se traducen los datos a un formato común, que se define en este mismo nivel.

En caso de ser necesario, también se encarga de la compresión y del cifrado (mal llamado encriptado).
 
 

Nivel de aplicación (Nivel 7)

Este último nivel se encarga de las aplicaciones más frecuentes, como http, transferencia de ficheros, telnet, etcétera. También define ciertas funciones que pueden ser usadas por varias aplicaciones (ACSE, ROSE, CICS...).

En general, la aplicación en sí (el programa, por ejemplo), hace uso de este nivel.
 
 
 

Nota
Hay que recordar aquí que la torre OSI solo define que funciones reliza una capa y que servicio presta llevar a cabo esas funciones. En consecuencia no siempre se sigue estrictamente esta división y a veces se diseñan protocolos de nivel 3 (y de otros) que realizan atribuciones de niveles inferiores o superiores.

 Además los niveles de la torre OSI se pueden subdividir en subniveles. Nos interesan los subniveles del nivel de red.
 
 
 

2.2.3 Nomenclatura de redes y protocolos

2.3 Arquitectura TCP/IP

2.3.1 Competencia y correspondencia con la torre OSI

Este tipo de arquitectura se ha impuesto en los años 90 al contrario de lo que se opinaba en los 80, cuando se creía que el modelo OSI es el que triunfaría.

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 la torre OSI no estaba totalmente desarrollada.

Pese a que los gobiernos apoyaban los estándares de OSI, desde mediados de los 80 se ha ido introduciendo TCP/IP en las administraciones, principalmente en el Departament of Defense de Estados Unidos, donde precisamente se creó.

Otro de los motivos de su implantación es la popularización de Internet.

Aun así, el modelo OSI es una buena idea de organización de protocolos, por lo que suele ser el más estudiado.

No existe un modelo oficial de protocolos TCP/IP, al contrario que en OSI. Los protocolos se han ido definiendo anárquicamente, y a posteriori englobados en capas.

Problema sobre la normalización

En la imagen se pueden apreciar los 5 niveles de la arquitectura, comparados con los siete de la torre OSI. TCP/IP

Debido a esta correspondencia entre OSI y TCP/IP,  por ejemplo, el nivel IP del modelo TCP/IP puede ir sobre protocolos diseñados para la torre OSI.

Problema sobre la compatibilidad de arquitecturas

2.3.2 Niveles TCP/IP

Nivel físico (Nivel 1).

Coincide aproximadamente con el nivel físico de la torre OSI.

Define las características del medio, su naturaleza, el tipo de señales, la velocidad de transmisión, la codificación, etcétera.
 
 

Nivel de acceso a la red (Nivel 2).

Comprende el nivel de enlace y buena parte del nivel de red de la torre OSI.

Es el nivel responsable del intercambio de datos entre dos sistemas conectados a una misma red.
 
 

Nivel de Internet (Nivel 3).

Comprende el resto del nivel 3 de la torre OSI no incluido en el nivel de acceso a la red.

Se encarga de conectar equipos que están en redes diferentes. Permite que los datos atraviesen distintas redes interconectadas desde un origen hasta un destino.

El principal protocolo utilizado es IP (Internet Protocol).
 
 

Nivel de transporte (Nivel 4).

Incluye el nivel 4 y parte del nivel 5 de la torre OSI.

Proporciona transferencia de datos extremo a extremo, asegurando que los datos llegan en el mismo orden en que han sido enviados, y sin errores.

Los principales protocolos utilizados son TCP y UDP.
 
 

Nivel de aplicaciones (Nivel 5).

Además de las aplicaciones, este nivel se ocupa de las posibles necesidades de presentación y de sesión.

Los protocolos más utilizados con TCP en el nivel 4 son: TELNET, FTP, HTTP y SMTP, sobre el que a su vez se apoya MIME.

Y el más utilizado con UDP en el nivel 4 es SMNP.
 
 

3 Servicios del nivel de red