Episodio 4.3 – El modelo OSI y sus siete capas
Tema 4 — Redes de Computadores
Parte del Curso Fundamentos de la Computación
En el episodio anterior estudiamos cómo se organiza la comunicación en una red mediante protocolos, servicios y capas.
Comprendimos que conectar dos computadores no es suficiente para que puedan intercambiar información. También necesitan reglas comunes y mecanismos que permitan organizar, transportar e interpretar los datos.
Vimos que una arquitectura por capas permite dividir ese problema en funciones más pequeñas. Cada capa tiene determinadas responsabilidades, utiliza servicios de las capas inferiores y proporciona servicios a las superiores.
También conocimos el encapsulamiento y el desencapsulamiento, procesos mediante los cuales la información atraviesa las diferentes capas de una arquitectura de comunicación.
Pero hasta ahora hemos hablado de las capas de manera general. Todavía no hemos respondido una pregunta importante:
¿Cuáles son exactamente esas capas y qué función realiza cada una?
Para responderla estudiaremos uno de los modelos más conocidos de las redes de computadores: el Modelo de Referencia OSI.
Este modelo organiza las funciones de comunicación en siete niveles, desde las aplicaciones que utilizan los usuarios hasta la transmisión de señales a través de un medio físico. Conocerlo nos permitirá comprender mejor cómo viaja la información, qué ocurre durante una transmisión, cómo se relacionan los protocolos y por qué determinados problemas de comunicación pertenecen a niveles diferentes.
También veremos cómo se relaciona este modelo conceptual con TCP/IP, la arquitectura de protocolos sobre la que funciona Internet.
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Qué aprenderás en este episodio
Al finalizar este contenido podrás:
- Comprender el origen y el propósito del Modelo de Referencia OSI.
- Identificar las siete capas y su orden.
- Reconocer las funciones principales de cada nivel.
- Comprender qué responsabilidades corresponden a las capas superiores y cuáles a las inferiores.
- Diferenciar la transmisión física, la comunicación dentro de una red y el transporte de información entre aplicaciones.
- Entender cómo intervienen las direcciones físicas y lógicas.
- Comprender la función general de los routers y el enrutamiento.
- Entender cómo los datos descienden por las capas del sistema emisor.
- Comprender cómo se reconstruye la información en el receptor.
- Identificar las principales unidades de datos utilizadas en diferentes niveles.
- Comprender mejor los procesos de encapsulamiento y desencapsulamiento.
- Diferenciar un modelo conceptual de una implementación real de protocolos.
- Establecer la relación general entre OSI y TCP/IP.
- Utilizar el modelo OSI como referencia para comprender y diagnosticar problemas de comunicación.
El origen del Modelo de Referencia OSI
Para comprender la importancia del modelo OSI conviene recordar cómo comenzaron a desarrollarse las redes de computadores.
Durante muchos años, los fabricantes construyeron computadores, sistemas operativos y soluciones de comunicación utilizando tecnologías propias. Esto significaba que dos sistemas fabricados por empresas diferentes no necesariamente podían comunicarse.
Un fabricante podía utilizar determinados mecanismos para organizar los datos, mientras otro utilizaba procedimientos completamente distintos. Incluso cuando ambos sistemas disponían de conexiones físicas compatibles, podían existir diferencias en los protocolos y en la interpretación de la información.
A medida que las redes comenzaron a crecer, esta falta de compatibilidad se convirtió en un problema cada vez más importante. Era necesario establecer criterios comunes que permitieran desarrollar sistemas capaces de intercambiar información, independientemente de quién los hubiera fabricado.
En este contexto surgieron diferentes iniciativas de normalización.
La Organización Internacional de Normalización, conocida como ISO, desarrolló durante la década de 1980 un modelo destinado a proporcionar una referencia común para estudiar y normalizar las comunicaciones entre sistemas abiertos. Este modelo recibió el nombre de OSI, por Open Systems Interconnection, que significa Interconexión de Sistemas Abiertos.
El concepto de sistema abierto, en este contexto, no significa necesariamente que el software sea gratuito o de código abierto. Significa que diferentes sistemas pueden interoperar mediante normas de comunicación compartidas.
El modelo fue formalizado en normas internacionales y desarrollado también en colaboración con organismos de telecomunicaciones.
Su propósito fundamental era establecer una forma común de organizar las funciones necesarias para comunicar sistemas informáticos.
Qué es el Modelo de Referencia OSI
El Modelo de Referencia OSI es una representación conceptual que divide las funciones de comunicación de una red en siete capas. Cada capa se ocupa de determinados problemas y proporciona servicios a la capa inmediatamente superior.
La palabra referencia es especialmente importante.
El modelo no pretende describir exactamente cómo debe construirse cada computador, sistema operativo o dispositivo de red. Tampoco representa un único protocolo que deban utilizar todos los equipos. Su función consiste en ofrecer una estructura conceptual para comprender, desarrollar y comparar tecnologías de comunicación.
Podemos imaginarlo como un plano que nos permite estudiar un sistema complejo.
El plano identifica las partes que deben existir desde el punto de vista funcional y las relaciones entre ellas. Pero diferentes tecnologías pueden implementar esas funciones de distintas maneras.
Por eso, el modelo OSI es una referencia para entender cómo se organiza la comunicación, no una descripción literal de cómo funcionan internamente todas las redes actuales.
Esta diferencia será fundamental cuando estudiemos su relación con TCP/IP.
Las siete capas del modelo OSI
El modelo OSI organiza las comunicaciones en siete capas numeradas desde la parte inferior hasta la superior.
| Número | Capa | Función general |
|---|---|---|
| 7 | Aplicación | Proporciona servicios de comunicación a las aplicaciones |
| 6 | Presentación | Se ocupa de la representación e interpretación de los datos |
| 5 | Sesión | Organiza y controla el diálogo entre aplicaciones |
| 4 | Transporte | Proporciona mecanismos de comunicación entre sistemas extremos |
| 3 | Red | Se encarga del direccionamiento lógico y del encaminamiento entre redes |
| 2 | Enlace de datos | Organiza la transferencia de información a través de un enlace |
| 1 | Física | Transmite y recibe bits mediante señales físicas |
La representación convencional coloca la capa 7 en la parte superior y la capa 1 en la parte inferior.
Las capas superiores se encuentran más próximas a las funciones utilizadas por las aplicaciones.
Las capas inferiores se relacionan más directamente con la comunicación entre dispositivos y con los medios que transportan las señales.
Cuando un computador envía información, podemos representar conceptualmente su recorrido como un descenso desde la capa 7 hasta la capa 1.
Cuando otro computador recibe esa información, ocurre el proceso inverso.
Pero antes de estudiar el recorrido completo, debemos comprender qué hace cada capa.
Capa 1: Física
La primera capa del modelo OSI es la capa física.
Su función principal consiste en permitir la transmisión y recepción de bits mediante un medio de comunicación.
Recordemos que los computadores representan internamente la información utilizando valores binarios, es decir, ceros y unos. Pero esos valores deben convertirse en señales que puedan viajar entre dispositivos. Dependiendo de la tecnología utilizada, las señales pueden ser eléctricas, luminosas o electromagnéticas.
Por ejemplo, una comunicación puede utilizar:
- Cables de cobre.
- Fibra óptica.
- Ondas de radio.
- Otros medios capaces de transportar señales.
La capa física se relaciona con las características que permiten representar y transmitir esos bits.
Entre sus funciones pueden encontrarse la definición de características eléctricas, ópticas o de radiofrecuencia, los conectores, la sincronización y determinados aspectos de la temporización y velocidad de transmisión.
También puede contemplar características de funcionamiento como la comunicación en un solo sentido o en ambos sentidos, dependiendo de la tecnología.
Un ejemplo de la capa física
Imaginemos dos computadores conectados mediante un cable de red.
Uno de ellos necesita transmitir una secuencia de bits. La capa física interviene en la representación de esa secuencia mediante señales adecuadas para el medio utilizado.
En el dispositivo receptor, los mecanismos físicos correspondientes permiten recuperar los bits a partir de las señales recibidas.
Si utilizamos fibra óptica, la representación física es diferente.
Si utilizamos una red inalámbrica, también cambia el mecanismo de transmisión.
Sin embargo, desde el punto de vista del modelo, seguimos hablando de la misma responsabilidad general: transmitir bits por un medio.
Lo que la capa física no hace
La capa física no necesita comprender si esos bits representan una fotografía, un correo electrónico o una página web.
Tampoco es responsable, por sí sola, de determinar el destino final de un mensaje a través de múltiples redes.
Su trabajo se concentra en la transmisión física de la información. Podemos resumir su función de esta manera:
La capa física hace posible que los bits puedan atravesar un medio de comunicación.
Capa 2: Enlace de datos
Una vez que tenemos la capacidad de transmitir bits físicamente, aparece un nuevo problema.
¿Cómo organizamos esos bits para intercambiar información de manera coherente entre dispositivos conectados mediante un enlace?
Esta es una de las responsabilidades de la capa de enlace de datos.
La capa física permite transmitir bits, pero esos bits deben agruparse e interpretarse de acuerdo con determinadas reglas.
La capa de enlace organiza la información en unidades que normalmente denominamos tramas, o frames.
Una trama contiene los datos que deben transportarse y determinada información de control.
Dependiendo de la tecnología, puede incorporar información para identificar dispositivos, delimitar tramas y detectar errores de transmisión.
Las funciones de la capa de enlace
Entre las funciones que pueden realizar los mecanismos de enlace se encuentran:
- Organizar la información en tramas.
- Delimitar el comienzo y el final de las tramas.
- Identificar dispositivos dentro de un enlace o red local.
- Regular el acceso a un medio compartido.
- Detectar determinados errores de transmisión.
- Gestionar, cuando corresponda, mecanismos de control de la comunicación sobre el enlace.
No todas las tecnologías implementan estas funciones exactamente de la misma manera. Por ejemplo, algunos protocolos pueden detectar que una trama llegó dañada y descartarla. Eso no significa que toda capa de enlace tenga que reparar automáticamente cualquier error.
Las direcciones MAC
En muchas redes locales, como las basadas en Ethernet o Wi-Fi, se utilizan direcciones conocidas como direcciones MAC.
Estas direcciones permiten identificar interfaces de red dentro del funcionamiento de esas tecnologías.
No debemos confundir una dirección MAC con una dirección IP. Aunque ambas participan en la comunicación, tienen responsabilidades diferentes.
La dirección MAC se utiliza principalmente para la entrega de tramas dentro del ámbito del enlace correspondiente.
La dirección IP, que estudiaremos en la capa 3, permite identificar interfaces y gestionar la comunicación entre redes.
Un ejemplo de la capa de enlace
Imaginemos que un computador necesita enviar información a otro dispositivo conectado a su red local. El sistema debe preparar una trama adecuada para esa tecnología.
La trama puede incluir información que permita identificar la interfaz de destino y detectar si se ha producido algún error durante su transmisión.
En una red Ethernet, un switch puede utilizar direcciones MAC para decidir por qué puerto debe reenviar determinadas tramas. Esto permite organizar la comunicación dentro de una red local.
La diferencia entre la capa física y la de enlace
La capa física trabaja con la representación y transmisión de bits mediante señales.
La capa de enlace organiza esos bits en tramas y aplica reglas para su intercambio sobre un enlace. Podemos resumirlo de esta manera:
La capa física permite transmitir bits; la capa de enlace permite organizar su transferencia mediante tramas.
Capa 3: Red
Hasta ahora hemos estudiado cómo transmitir información mediante un medio físico y cómo organizar la comunicación sobre un enlace. Pero aparece un problema mucho más amplio.
¿Qué ocurre cuando los computadores que desean comunicarse no están conectados a la misma red local?
Por ejemplo, imaginemos que un computador ubicado en México necesita intercambiar información con un servidor ubicado en otro país. Entre ambos pueden existir numerosas redes y dispositivos de interconexión. No basta con transmitir una trama dentro de la red local. Ahora necesitamos mecanismos que permitan identificar el destino y determinar cómo hacer llegar la información a través de diferentes redes.
Esta es una de las funciones fundamentales de la capa de red.
Direccionamiento lógico
Una red puede contener muchos dispositivos distribuidos entre diferentes segmentos y redes interconectadas. Para permitir la comunicación entre ellos necesitamos un mecanismo de direccionamiento que funcione más allá de un único enlace.
En las redes basadas en TCP/IP, esta función se realiza principalmente mediante direcciones IP.
Una dirección IP proporciona información utilizada para identificar una interfaz de red y permitir que los paquetes sean encaminados hacia su destino.
Por ahora no necesitamos estudiar cómo se construyen esas direcciones ni cómo funcionan las máscaras o las subredes. Eso corresponde a un estudio posterior.
Lo importante es comprender que la capa de red proporciona mecanismos para identificar destinos y posibilitar la comunicación entre redes diferentes.
Enrutamiento o encaminamiento
El segundo concepto fundamental es el enrutamiento, también llamado encaminamiento.
Imaginemos que necesitamos enviar información desde una red hasta otra. Entre el origen y el destino pueden existir varios caminos posibles. La red necesita determinar hacia dónde debe enviarse cada paquete para continuar su recorrido.
Los dispositivos que realizan esta función se conocen como routers o enrutadores.
Un router recibe paquetes, examina la información de direccionamiento correspondiente y utiliza sus mecanismos de encaminamiento para decidir hacia dónde debe reenviarlos. Para tomar esa decisión puede utilizar información almacenada en tablas de enrutamiento.
La diferencia entre direccionamiento y enrutamiento
Aunque están relacionados, representan dos conceptos diferentes.
El direccionamiento permite identificar el origen y el destino de una comunicación.
El enrutamiento permite decidir cómo hacer avanzar la información a través de una o más redes hasta acercarla a su destino.
Podemos establecer una comparación con el envío de un paquete mediante un servicio de mensajería. La dirección indica dónde debe llegar el paquete. El sistema de transporte determina por cuáles centros de distribución y rutas debe pasar.
En una red ocurre algo conceptualmente similar.
Los paquetes
En el estudio de las redes IP, la unidad de información asociada con la capa de red se denomina generalmente paquete o datagrama IP.
Un paquete contiene información de control, incluyendo las direcciones IP utilizadas para encaminarlo.
Los routers utilizan esa información para reenviar los paquetes a través de las redes.
Una función fundamental
La capa de red introduce una capacidad que no estaba presente en la comunicación limitada a un enlace. Permite pensar en un destino que puede encontrarse más allá de nuestra propia red local.
La capa de red permite identificar destinos y encaminar paquetes a través de diferentes redes.
Capa 4: Transporte
La capa de red permite que la información pueda avanzar entre sistemas conectados mediante diferentes redes. Pero todavía necesitamos resolver otros problemas.
Imaginemos que un computador está utilizando varias aplicaciones al mismo tiempo. Puede estar consultando una página web, realizando una videollamada y descargando un archivo. Todas esas aplicaciones necesitan intercambiar información a través de la red.
¿Cómo podemos ofrecer a cada aplicación los mecanismos de comunicación que necesita?
¿Cómo diferenciamos los datos destinados a unas aplicaciones de los destinados a otras?
¿Qué ocurre si una aplicación necesita que los datos se reciban en orden?
¿Y si necesita detectar pérdidas y recuperar información?
Estas preguntas nos acercan a las responsabilidades de la capa de transporte.
Comunicación entre extremos
La capa de transporte proporciona servicios de comunicación de extremo a extremo para los procesos o aplicaciones que intercambian información. Su función no consiste simplemente en mover señales por un cable ni en seleccionar un camino entre redes. Se concentra en ofrecer mecanismos de transporte que puedan ser utilizados por las capas superiores.
Dependiendo del protocolo, estos mecanismos pueden incluir:
- Identificación de los puntos de comunicación de las aplicaciones.
- División de información en unidades adecuadas.
- Control del flujo de datos.
- Detección de determinadas pérdidas o errores.
- Recuperación mediante retransmisiones.
- Entrega ordenada de información.
- Establecimiento y finalización de conexiones de transporte.
Es importante recordar que no todos los protocolos de transporte ofrecen todas estas funciones.
TCP y UDP
En las redes TCP/IP encontramos dos ejemplos fundamentales de protocolos de transporte: TCP y UDP.
TCP, Transmission Control Protocol, proporciona un servicio de transporte orientado a conexión, con mecanismos de entrega confiable y ordenada de un flujo de bytes. Para ello utiliza funciones como confirmaciones de recepción, numeración de secuencia, retransmisiones y control de flujo.
UDP, User Datagram Protocol, ofrece un servicio de datagramas sin establecer una conexión de transporte previa y sin incorporar las mismas garantías de entrega y orden que TCP. Esto no significa que UDP sea incorrecto o inútil. Simplemente ofrece características diferentes, que pueden resultar adecuadas para determinadas aplicaciones.
Los puertos
Otro concepto importante es el de los puertos.
En TCP y UDP, los números de puerto permiten identificar los puntos de comunicación utilizados por diferentes procesos o servicios.
Podemos entenderlo con una comparación sencilla.
La dirección IP ayuda a identificar a qué sistema debe llegar la información. El número de puerto contribuye a identificar el servicio o punto de comunicación correspondiente dentro de ese sistema.
De esta manera, un mismo computador puede mantener comunicaciones asociadas con diferentes aplicaciones.
¿Red y transporte hacen lo mismo?
No.
La capa de red se ocupa del direccionamiento y del encaminamiento de paquetes entre redes.
La capa de transporte proporciona servicios de comunicación a los extremos que utilizan la red.
Ambas colaboran, pero resuelven problemas diferentes.
La capa de red permite llegar al sistema de destino; la capa de transporte ofrece mecanismos para comunicar los procesos o aplicaciones correspondientes.
Capa 5: Sesión
La quinta capa del modelo OSI es la capa de sesión.
Su propósito es organizar determinados aspectos del diálogo que mantienen las aplicaciones o entidades que intercambian información.
Hasta ahora hemos visto mecanismos para transmitir, encaminar y transportar datos. Pero una comunicación puede necesitar algo más que enviar información de un punto a otro. Puede requerir organizar el intercambio entre participantes, establecer puntos de sincronización o gestionar la continuidad de determinadas operaciones.
Estas responsabilidades pertenecen conceptualmente a la capa de sesión.
Qué es una sesión
Podemos entender una sesión como un contexto de comunicación o diálogo que se mantiene entre dos entidades.
Dependiendo del servicio utilizado, pueden existir operaciones relacionadas con el establecimiento, mantenimiento y finalización de esa sesión.
La capa de sesión también contempla funciones de sincronización y control del diálogo.
Un ejemplo conceptual
Imaginemos una aplicación que realiza una operación extensa de intercambio de información.
Puede resultar conveniente establecer puntos de sincronización para que, ante una interrupción, no siempre sea necesario repetir todo el trabajo desde el comienzo.
El modelo OSI identifica este tipo de funciones dentro de la capa de sesión.
Esto no significa que todas las aplicaciones reales dispongan de un protocolo independiente dedicado exclusivamente a esta capa. En muchas implementaciones actuales, estas funciones se encuentran integradas en protocolos o aplicaciones que abarcan diferentes niveles del modelo.
Sesión y transporte no son lo mismo
Una conexión de transporte y una sesión de aplicación no representan necesariamente la misma cosa.
La conexión de transporte proporciona determinados mecanismos de comunicación.
La sesión representa conceptualmente la organización del diálogo entre entidades que utilizan esos mecanismos.
La capa de sesión organiza y controla determinados aspectos del diálogo entre aplicaciones.
Capa 6: Presentación
La sexta capa es la capa de presentación.
Su función principal consiste en ocuparse de la representación de la información intercambiada entre sistemas.
Recordemos que diferentes computadores y aplicaciones pueden utilizar representaciones distintas para los datos. Un sistema puede utilizar un determinado formato para representar números, caracteres o estructuras de información. Otro sistema puede utilizar una representación diferente.
Para que ambos puedan intercambiar información correctamente, deben existir mecanismos que permitan interpretar esos datos de manera compatible.
Representación de datos
Imaginemos que una aplicación transmite una cadena de texto.
El sistema receptor necesita interpretar correctamente los bytes recibidos para reconstruir los caracteres correspondientes. Para ello, ambos deben utilizar reglas compatibles de codificación o contar con mecanismos de conversión.
Algo similar ocurre con otros tipos de información. Por ejemplo:
- Texto.
- Números.
- Imágenes.
- Archivos estructurados.
- Datos intercambiados entre aplicaciones.
La capa de presentación permite estudiar conceptualmente las funciones necesarias para representar, transformar e interpretar esa información.
Transformaciones de la información
En explicaciones habituales del modelo OSI también se relacionan con este nivel funciones como la codificación, la conversión de formatos, la compresión y determinadas transformaciones criptográficas. Estas funciones pueden ayudar a preparar o interpretar los datos.
Pero debemos hacer una aclaración importante. En las redes actuales, estas operaciones no necesariamente se ejecutan dentro de una capa de presentación independiente. Pueden estar implementadas dentro de aplicaciones, bibliotecas o protocolos que no corresponden exactamente a la división de siete capas.
La idea fundamental
La capa de presentación permite separar dos problemas diferentes.
Uno es transportar información desde un sistema hasta otro.
Otro es representar esa información de forma que el receptor pueda interpretarla.
La capa de presentación se ocupa de la representación de los datos para que puedan ser interpretados correctamente por los sistemas que se comunican.
Capa 7: Aplicación
La séptima capa es la capa de aplicación.
Es el nivel superior del modelo OSI y se encuentra más próximo a las funciones de comunicación que necesitan los programas.
Cuando utilizamos un navegador, enviamos un correo electrónico o transferimos un archivo, estamos trabajando con aplicaciones que necesitan servicios de red.
La capa de aplicación permite estudiar los servicios y protocolos que hacen posible ese intercambio.
Servicios utilizados por las aplicaciones
Entre las funciones de este nivel pueden encontrarse mecanismos relacionados con:
- Transferencia de archivos.
- Intercambio de mensajes.
- Acceso a recursos remotos.
- Servicios de información.
- Resolución de nombres.
- Otros servicios de comunicación utilizados por aplicaciones.
En las redes actuales podemos encontrar protocolos como HTTP, SMTP, FTP y DNS, habitualmente asociados con la capa de aplicación de la arquitectura TCP/IP. Estos protocolos permiten que programas diferentes intercambien información siguiendo reglas específicas.
La aplicación no es simplemente la pantalla
Es importante aclarar una confusión frecuente. Cuando hablamos de la capa de aplicación no nos referimos únicamente a la interfaz gráfica que ve el usuario. Por ejemplo, un navegador tiene ventanas, botones, pestañas y diferentes funciones internas, pero la comunicación que establece con un servidor web utiliza protocolos y mecanismos específicos.
La capa de aplicación del modelo se relaciona con los servicios y las funciones de comunicación utilizados por esas aplicaciones, no con todos los componentes de su interfaz o funcionamiento interno.
Un ejemplo
Imaginemos que abrimos un navegador e ingresamos una dirección web.
El navegador necesita comunicarse con uno o más servidores. Para hacerlo utiliza protocolos de aplicación que establecen cómo deben formularse determinadas solicitudes y cómo deben interpretarse las respuestas. Pero esos protocolos necesitan, a su vez, mecanismos de transporte, direccionamiento y transmisión. Por eso, aunque la capa de aplicación se encuentre en la parte superior del modelo, depende de los servicios proporcionados por los niveles inferiores.
La capa de aplicación ofrece las funciones de comunicación que necesitan las aplicaciones para intercambiar información mediante la red.
Las siete capas forman un sistema
Después de estudiar cada capa por separado, podemos observar que ninguna resuelve por sí sola todo el problema de la comunicación. Cada nivel se concentra en determinadas responsabilidades.
La capa física transmite bits.
La capa de enlace organiza la transferencia mediante tramas.
La capa de red permite identificar destinos y encaminar paquetes entre redes.
La capa de transporte ofrece servicios para la comunicación entre extremos.
La capa de sesión organiza determinados aspectos del diálogo.
La capa de presentación se ocupa de la representación de la información.
La capa de aplicación proporciona servicios de comunicación a los programas.
Todas estas funciones colaboran para permitir que la información viaje entre sistemas.
Esta organización también explica por qué una aplicación no necesita conocer todos los detalles físicos de la red.
Un navegador no necesita decidir cómo debe representarse cada bit mediante señales eléctricas.
Tampoco necesita controlar directamente todos los routers que puedan intervenir en una comunicación. Utiliza servicios proporcionados por otros mecanismos.
De esta manera, las diferentes funciones pueden desarrollarse y evolucionar con cierto grado de independencia.
Cómo viajan los datos desde una aplicación hasta el medio físico
Ahora podemos utilizar el modelo para estudiar una comunicación completa.
Imaginemos que el computador A necesita enviar información al computador B. Desde la perspectiva del usuario, la operación puede resultar muy sencilla. Tal vez solamente escribe un mensaje, abre una página web o solicita un archivo, pero internamente deben colaborar diferentes mecanismos de comunicación.
En la representación conceptual OSI, la información desciende por las siete capas.
Paso 1. Aplicación
La aplicación genera la información o solicitud que necesita transmitir.
Paso 2. Presentación
Se realizan, cuando corresponda, las funciones necesarias para representar los datos de forma adecuada.
Paso 3. Sesión
Se gestionan los aspectos del diálogo y la sesión que resulten necesarios para la comunicación.
Paso 4. Transporte
La información se entrega a los mecanismos de transporte.
Dependiendo del protocolo, pueden agregarse datos de control relacionados con puertos, secuencias, verificaciones y otras funciones.
Paso 5. Red
Se incorpora la información necesaria para el direccionamiento lógico y el encaminamiento.
En una red IP, esto implica trabajar con paquetes que contienen información como las direcciones IP de origen y destino.
Paso 6. Enlace de datos
Los paquetes se preparan para su transmisión mediante la tecnología de enlace correspondiente. Por ejemplo, pueden colocarse dentro de tramas Ethernet que incluyen información de control propia de esa tecnología.
Paso 7. Física
Finalmente, los bits que representan la información preparada son transmitidos mediante señales sobre el medio físico. Las señales atraviesan el enlace y llegan al siguiente dispositivo.
Si el destino se encuentra en otra red, pueden intervenir routers y otros enlaces antes de que la información alcance el sistema receptor.
El encapsulamiento en el modelo OSI
En el episodio anterior estudiamos que, cuando una capa recibe información de una capa superior, puede agregar datos de control para realizar sus funciones. Ahora podemos relacionar ese proceso con niveles concretos.
Consideremos una comunicación que utiliza HTTP, TCP, IP y Ethernet. Esta combinación nos permite comprender el principio sin asumir que las siete capas conceptuales se implementan como siete protocolos independientes.
Primero tenemos los datos producidos por la aplicación. La capa de transporte, utilizando TCP en este ejemplo, agrega su propia información de control. El resultado constituye una unidad que denominamos segmento TCP.
Después, IP incorpora la información correspondiente a la capa de red. El resultado forma un paquete IP.
Finalmente, Ethernet organiza ese paquete dentro de una trama, agregando la información necesaria para transmitirlo mediante el enlace.
Podemos representar conceptualmente el proceso de esta manera:
Datos de aplicación
↓
Cabecera TCP + datos de aplicación
↓
Cabecera IP + segmento TCP
↓
Cabecera Ethernet + paquete IP + información final de control Ethernet
↓
Bits transmitidos mediante señales físicas
Este proceso se denomina encapsulamiento.
La información producida por la aplicación permanece dentro de las estructuras utilizadas por los protocolos inferiores. Cada uno agrega lo que necesita para cumplir su función.
En el receptor, los protocolos correspondientes interpretan y retiran la información de control que les pertenece.
Así se recuperan los datos destinados a las capas superiores.
Las unidades de datos de cada nivel
Durante el estudio de las redes aparecen términos como bits, tramas, paquetes y segmentos. No son simplemente nombres diferentes para describir exactamente lo mismo. Cada término permite identificar cómo se considera la información en determinado nivel de comunicación.
De manera general se utiliza la expresión PDU, por Protocol Data Unit, o unidad de datos de protocolo.
Una PDU representa una unidad de información utilizada por un protocolo en un determinado nivel.
En la enseñanza de redes suele utilizarse la siguiente correspondencia:
| Capa OSI | Unidad de información habitual |
|---|---|
| 7. Aplicación | Datos |
| 6. Presentación | Datos |
| 5. Sesión | Datos |
| 4. Transporte | Segmentos (TCP) o datagramas (UDP) |
| 3. Red | Paquetes o datagramas IP |
| 2. Enlace | Tramas |
| 1. Física | Bits |
Esta tabla es una simplificación didáctica basada en protocolos y terminología de uso frecuente.
En la terminología formal OSI existen unidades de datos específicas para diferentes capas, y los nombres exactos pueden variar según el protocolo utilizado. También debemos evitar interpretar la tabla como si siempre existiera una conversión individual de un único bloque en otro.
Un protocolo puede dividir datos en varias unidades, y otros mecanismos pueden agrupar información según sus necesidades.
Por qué resulta útil conocer estos nombres
Supongamos que estamos analizando una comunicación. Si hablamos de una trama Ethernet, estamos haciendo referencia a una estructura utilizada en el nivel de enlace. Si hablamos de un paquete IP, nos referimos a información organizada en el nivel de red. Si hablamos de un segmento TCP, estamos utilizando la terminología correspondiente a ese protocolo de transporte.
Estos conceptos nos permiten distinguir qué parte de la comunicación estamos estudiando. También serán fundamentales cuando analicemos herramientas, protocolos y dispositivos de red.
Cómo se reconstruye la información en el receptor
Cuando los datos llegan al dispositivo de destino ocurre el proceso inverso al encapsulamiento. Podemos estudiarlo utilizando nuevamente las capas.
Primero, los mecanismos físicos reciben las señales y recuperan los bits correspondientes.
Después, la capa de enlace interpreta la trama según la tecnología utilizada.
Si la trama es válida y corresponde procesarla, su contenido puede entregarse al protocolo del nivel superior.
La capa de red examina la información del paquete. Si el paquete está dirigido al sistema y corresponde procesarlo, se entrega su contenido al protocolo de transporte apropiado.
La capa de transporte realiza las operaciones que le corresponden. En el caso de TCP, esto puede incluir reordenar información recibida en diferentes segmentos y proporcionar a la aplicación un flujo de bytes.
Finalmente, las funciones de las capas superiores permiten interpretar los datos y entregarlos a la aplicación correspondiente.
En la representación conceptual OSI, la información asciende desde la capa 1 hasta la capa 7. Este proceso se conoce como desencapsulamiento.
Lo importante es comprender que el receptor no interpreta toda la información de control como si fuera parte del mensaje original. Cada nivel procesa la información que le corresponde.
Así, una aplicación puede recibir los datos que necesita sin tener que interpretar directamente todas las estructuras utilizadas para transportarlos.
Qué ocurre cuando hay varios routers entre el origen y el destino
Hasta ahora hemos descrito principalmente lo que sucede en los sistemas extremos, pero en una red real pueden existir dispositivos intermedios.
Imaginemos que un paquete debe viajar desde un computador hasta un servidor ubicado en otra red. El computador prepara la información para enviarla hacia el siguiente dispositivo correspondiente, que podría ser un router. El router recibe una trama a través de una interfaz. Después de procesar la información del enlace, examina el paquete IP y determina hacia dónde debe reenviarlo. Para transmitirlo por el siguiente enlace, prepara la estructura correspondiente a la tecnología utilizada en ese nuevo tramo.
Este proceso puede repetirse en varios routers.
Por eso, la trama utilizada para transportar un paquete puede cambiar de un enlace a otro, aunque el paquete continúe dirigido al mismo destino final.
En condiciones ordinarias, las direcciones IP de origen y destino se mantienen durante el encaminamiento, aunque determinados campos del paquete cambian y existen mecanismos especiales capaces de modificar direcciones.
Esta distinción es importante:
- La comunicación por enlace utiliza las reglas propias de cada tramo.
- El encaminamiento permite que el paquete avance entre redes.
- El transporte extremo a extremo proporciona servicios a las aplicaciones de los sistemas que se comunican.
Un router que simplemente reenvía un paquete IP no necesita reconstruir el mensaje de aplicación completo para tomar su decisión de encaminamiento.
Esto demuestra cómo la separación de responsabilidades permite construir redes extensas utilizando dispositivos y tecnologías diferentes.
Un ejemplo completo: abrir una página web
Vamos a reunir los conceptos mediante una operación cotidiana. Imaginemos que utilizamos un navegador para consultar una página web.
1. El usuario solicita una página
El usuario escribe una dirección o selecciona un enlace.
El navegador necesita generar una solicitud para comunicarse con el servidor correspondiente.
2. La aplicación utiliza protocolos de comunicación
En una comunicación HTTP que utiliza TCP, la solicitud se representa de acuerdo con las reglas del protocolo HTTP.
Las funciones necesarias para interpretar formatos, codificaciones o contenidos se realizan mediante los mecanismos correspondientes de la aplicación y sus bibliotecas.
3. El transporte prepara la comunicación
TCP proporciona el servicio de transporte que necesita esa comunicación.
La aplicación puede entregar datos para su envío.
TCP se ocupa de los mecanismos que permiten mantener un flujo de información confiable y ordenado.
4. La capa de red identifica el destino
IP utiliza la información de direccionamiento necesaria para transportar los paquetes hacia el sistema de destino.
Si el servidor se encuentra en otra red, los paquetes deben pasar por mecanismos de encaminamiento.
5. El enlace prepara las tramas
Para cada enlace se utiliza la tecnología correspondiente.
Por ejemplo, el computador puede enviar inicialmente una trama mediante Ethernet o Wi-Fi.
6. La capa física transmite las señales
Los bits se representan mediante señales adecuadas para el medio utilizado.
La transmisión puede realizarse mediante cables, fibra óptica u otros medios.
7. Los dispositivos intermedios reenvían la información
Los routers que participan en la comunicación utilizan la información de red para encaminar los paquetes hacia los siguientes destinos.
8. El servidor recibe la solicitud
Cuando los datos llegan al servidor, los protocolos correspondientes procesan la información recibida.
Finalmente, la solicitud HTTP llega al software que debe atenderla.
9. El servidor responde
El servidor prepara una respuesta, que debe recorrer nuevamente los mecanismos de comunicación necesarios para llegar al computador del usuario.
10. El navegador presenta el resultado
El computador recibe y procesa la respuesta.
Cuando dispone de la información necesaria, el navegador puede interpretar el contenido y mostrar la página correspondiente.
Desde la perspectiva del usuario, todo esto puede parecer una sola operación. Desde la perspectiva de la red, implica la colaboración de múltiples protocolos, mecanismos y dispositivos.
Nota importante: este ejemplo utiliza HTTP sobre TCP para facilitar la explicación. No todas las comunicaciones web utilizan TCP; existen tecnologías actuales, como HTTP/3 sobre QUIC, que emplean mecanismos de transporte diferentes.
El modelo OSI sigue siendo útil para comprender las responsabilidades generales, aunque la implementación concreta cambie.
El modelo OSI no es lo mismo que los protocolos reales
Hasta ahora hemos utilizado las siete capas para estudiar las funciones de comunicación, pero debemos evitar una interpretación incorrecta.
El hecho de que el modelo OSI tenga siete capas no significa que todos los computadores deban ejecutar siete protocolos separados, uno por cada capa.
El modelo describe responsabilidades conceptuales.
Los protocolos reales especifican reglas concretas para realizar determinadas funciones.
Una implementación puede combinar funciones que OSI describe en capas diferentes.
También puede separar internamente funciones que el modelo agrupa en una sola capa.
Por ejemplo, las funciones relacionadas con sesión y presentación pueden encontrarse incorporadas dentro de protocolos o aplicaciones concretas, sin existir como dos niveles independientes dentro del software de comunicación. Por eso, cuando utilizamos el modelo OSI para estudiar Internet, estamos realizando una correspondencia conceptual.
No estamos describiendo necesariamente la estructura interna exacta de cada implementación.
Modelo y protocolo: una diferencia fundamental
Un modelo de referencia ayuda a identificar qué funciones deben analizarse y cómo se relacionan.
Un protocolo define reglas concretas utilizadas para intercambiar información.
Podemos utilizar el modelo OSI para estudiar las responsabilidades de TCP, IP, Ethernet o HTTP. Pero ninguno de esos protocolos representa por sí solo las siete capas del modelo. Y el modelo OSI no constituye por sí mismo un protocolo que se transmita por la red.
Relación entre OSI y TCP/IP
El modelo OSI y la arquitectura TCP/IP están estrechamente relacionados desde el punto de vista de los problemas que permiten estudiar, sin embargo, no son exactamente la misma cosa.
OSI fue desarrollado como un modelo de referencia para organizar conceptualmente las funciones de comunicación.
TCP/IP es una arquitectura y familia de protocolos desarrollada para permitir la interconexión real de redes. TCP/IP se convirtió en la base fundamental del funcionamiento de Internet.
Una representación habitual de TCP/IP utiliza cuatro capas:
- Aplicación.
- Transporte.
- Internet.
- Enlace o acceso a la red.
Podemos establecer una correspondencia general con OSI.
| Capas OSI | Arquitectura TCP/IP |
|---|---|
| 7. Aplicación | Aplicación |
| 6. Presentación | Aplicación |
| 5. Sesión | Aplicación |
| 4. Transporte | Transporte |
| 3. Red | Internet |
| 2. Enlace de datos | Enlace o acceso a la red |
| 1. Física | Enlace o acceso a la red |
La correspondencia no es absoluta. En particular, TCP/IP no exige que las funciones de sesión y presentación existan como capas independientes. Además, algunos materiales didácticos representan TCP/IP mediante cinco niveles, separando la capa física de la capa de enlace.
Ambas representaciones pueden encontrarse en el estudio de redes.
Por qué necesitamos conocer ambos
OSI resulta útil para analizar las responsabilidades de comunicación con mayor detalle conceptual.
TCP/IP permite estudiar la organización de los protocolos utilizados ampliamente en Internet.
El modelo OSI nos ayuda a comprender qué problema resuelve cada función.
TCP/IP nos permite observar cómo se implementan muchas de esas funciones mediante protocolos concretos.
Por ejemplo:
- HTTP permite estudiar funciones de comunicación entre aplicaciones.
- TCP y UDP representan diferentes servicios de transporte.
- IP proporciona mecanismos de direccionamiento y encaminamiento entre redes.
- Ethernet y Wi-Fi incorporan mecanismos correspondientes al enlace y al medio físico.
No necesitamos profundizar todavía en cada uno de estos protocolos. Por ahora es suficiente comprender cómo se relacionan con las funciones estudiadas.
El modelo OSI como herramienta para comprender problemas
Una de las razones por las que el modelo OSI sigue siendo tan conocido es su utilidad para organizar el análisis de problemas de comunicación.
Imaginemos que un computador no puede acceder a un servidor. Podemos comenzar examinando diferentes niveles.
Un problema físico
Si el cable está desconectado, el medio de transmisión falla o no existe un enlace de radio adecuado, el problema puede estar relacionado con las funciones de la capa física.
Un problema de enlace
Puede existir una conexión física, pero presentarse errores en la transferencia de tramas o en el funcionamiento de los mecanismos de enlace. En ese caso, el problema puede encontrarse en el nivel 2.
Un problema de red
La conexión local puede funcionar correctamente, pero los paquetes no encuentran una ruta válida hacia el destino. También puede existir un problema de direccionamiento lógico.
Aquí debemos examinar funciones relacionadas con la capa 3.
Un problema de transporte
Puede existir comunicación IP entre sistemas, pero fallar el establecimiento de una conexión TCP o el acceso a un puerto determinado.
Esto nos lleva a examinar mecanismos de transporte.
Un problema de aplicación
También puede ocurrir que la red y el transporte funcionen, pero el servicio web devuelva un error o la aplicación no responda adecuadamente.
En ese caso debemos analizar los protocolos y funciones correspondientes a los niveles superiores.
El beneficio de analizar por capas
El modelo no permite identificar automáticamente todas las fallas. Los problemas reales pueden involucrar varias capas simultáneamente, pero ofrece una estructura lógica para formular preguntas y separar posibles causas.
En lugar de tratar cualquier falla de comunicación como un único problema, podemos analizar qué responsabilidad debería estar cumpliéndose y qué mecanismos intervienen. Esta capacidad resulta especialmente útil en la administración, operación y diagnóstico de redes.
Por qué el modelo OSI sigue siendo importante
Podría parecer extraño dedicar tanto esfuerzo a estudiar un modelo conceptual cuando las redes modernas funcionan principalmente mediante protocolos de la familia TCP/IP, pero precisamente allí encontramos su utilidad.
El modelo OSI permite desarrollar una comprensión organizada de las comunicaciones, independientemente de las tecnologías específicas que se utilicen.
Los medios físicos pueden cambiar.
Los protocolos pueden evolucionar.
Pueden aparecer nuevas tecnologías inalámbricas, nuevos servicios de aplicación y nuevos mecanismos de transporte.
Sin embargo, siguen existiendo problemas fundamentales que debemos resolver.
Necesitamos representar y transmitir información.
Necesitamos organizar las transferencias.
Necesitamos identificar destinos.
Necesitamos transportar datos entre sistemas.
Necesitamos permitir que las aplicaciones interpreten y utilicen la información recibida.
El modelo OSI nos proporciona un marco para estudiar esas responsabilidades.
No necesitamos suponer que toda tecnología nueva debe ajustarse perfectamente a sus siete capas. Necesitamos comprender que la división conceptual nos ayuda a explicar cómo colaboran las diferentes funciones.
Ideas clave del episodio
- El Modelo de Referencia OSI organiza las funciones de comunicación en siete capas.
- OSI significa Open Systems Interconnection.
- El modelo fue desarrollado para proporcionar una referencia común en la interconexión de sistemas.
- Una capa representa un conjunto de funciones, no necesariamente un componente físico o un programa independiente.
- La capa 1, física, se relaciona con la transmisión de bits mediante señales.
- La capa 2, enlace de datos, organiza la transferencia de información mediante tramas.
- La capa 3, red, permite identificar destinos y encaminar paquetes entre redes.
- La capa 4, transporte, proporciona servicios de comunicación entre extremos.
- La capa 5, sesión, organiza determinados aspectos del diálogo entre aplicaciones.
- La capa 6, presentación, se relaciona con la representación e interpretación de datos.
- La capa 7, aplicación, proporciona servicios de comunicación utilizados por los programas.
- Las direcciones MAC y las direcciones IP cumplen funciones diferentes.
- El direccionamiento identifica destinos; el enrutamiento determina cómo encaminar paquetes.
- Los routers permiten interconectar redes y reenviar paquetes hacia sus destinos.
- Durante el encapsulamiento, los protocolos pueden agregar información de control.
- Los datos descienden por las capas del sistema emisor.
- En el sistema receptor se procesan las estructuras correspondientes mediante el desencapsulamiento.
- Las unidades de información reciben nombres como bits, tramas, paquetes, segmentos y datagramas.
- Un modelo de referencia no es lo mismo que un protocolo de comunicación.
- Las redes reales no necesitan implementar siete protocolos independientes para utilizar funciones equivalentes a las del modelo OSI.
- TCP/IP constituye la arquitectura de protocolos fundamental de Internet.
- OSI y TCP/IP pueden relacionarse conceptualmente, aunque sus divisiones en capas no coinciden exactamente.
- El modelo OSI ayuda a comprender y diagnosticar problemas de comunicación.
Conceptos clave
- Modelo de Referencia OSI.
- Open Systems Interconnection.
- ISO.
- Sistemas abiertos.
- Interoperabilidad.
- Capa física.
- Capa de enlace de datos.
- Capa de red.
- Capa de transporte.
- Capa de sesión.
- Capa de presentación.
- Capa de aplicación.
- Señal física.
- Bit.
- Trama.
- Frame.
- Dirección MAC.
- Direccionamiento lógico.
- Dirección IP.
- Paquete.
- Datagrama.
- Enrutamiento.
- Encaminamiento.
- Router.
- Segmento.
- TCP.
- UDP.
- Puerto.
- Sesión.
- Representación de datos.
- Encapsulamiento.
- Desencapsulamiento.
- Cabecera.
- Header.
- PDU.
- Protocol Data Unit.
- TCP/IP.
- Comunicación de extremo a extremo.
Cómo se conecta este episodio con el resto del curso
En el episodio 4.1 estudiamos qué es una red de computadores y por qué necesitamos conectar diferentes dispositivos para intercambiar información y compartir recursos. Comprendimos que una conexión física permite establecer el medio necesario para comunicarnos, pero que por sí sola no resuelve todos los problemas del intercambio de datos.
En el episodio 4.2 estudiamos cómo se organiza esa comunicación. Vimos que los dispositivos necesitan protocolos que establezcan reglas comunes. También comprendimos que los sistemas de comunicación se organizan mediante capas que proporcionan servicios y utilizan interfaces para relacionarse.
Estudiamos la comunicación entre entidades equivalentes y conocimos el encapsulamiento como mecanismo que permite preparar la información durante su recorrido por las capas.
En este episodio 4.3 hemos dado el siguiente paso.
Estudiamos el Modelo de Referencia OSI y conocimos las responsabilidades principales de sus siete niveles. Ahora podemos distinguir entre las funciones relacionadas con el medio físico, el enlace, el direccionamiento, el transporte y los servicios utilizados por las aplicaciones.
También hemos comprendido cómo esas funciones colaboran durante una comunicación, qué información pueden agregar los protocolos y cómo se reconstruyen los datos al llegar al receptor.
Finalmente, establecimos una diferencia fundamental entre el modelo OSI y los protocolos reales utilizados en Internet. Con esta base, estamos preparados para estudiar con mayor detalle las tecnologías y los mecanismos que hacen posibles las redes modernas.
En los próximos contenidos podremos profundizar en los medios de transmisión, los protocolos, los dispositivos de interconexión y los mecanismos que permiten comunicar diferentes redes. También tendremos oportunidad de estudiar con más detalle conceptos como las direcciones IP, las máscaras, las subredes y el enrutamiento.
Por ahora hemos establecido una base fundamental: Primero comprendimos por qué necesitamos las redes. Después estudiamos cómo se organiza la comunicación. Y ahora sabemos qué responsabilidades permiten explicar cada una de las siete capas del modelo OSI.
Esa estructura nos servirá como referencia para comprender los próximos conceptos de redes de computadores.
| Episodio 4.2 – Cómo se organiza la comunicación en una red: protocolos, servicios y capas | Episodio 4.4 – Cómo encuentra una red a cada dispositivo: direcciones MAC e IP (Próximamente) |
