Modelo OSI

MODELO OSI

El modelo OSI (Open Systems Interconection) es la propuesta que hizo la ISO (International Standards Organization) para estandarizar la interconexión de sistemas abiertos. Un sistema abierto se refiere a que es independiente de una arquitectura específica. Se compone el modelo, por tanto, de un conjunto de estándares ISO relativos a las comunicaciones de datos.

El modelo OSI establece los lineamientos para que el software y los dispositivos de diferentes fabricantes funcionen juntos. Aunque los fabricantes de hardware y los de software para red son los usuarios principales del modelo OSI, una comprensión general del modelo llega a resultar muy benéfica para el momento en que se expande la red o se conectan redes para formar redes de área amplia (WAN). 

Esto supone por ejemplo, que dos softwares de comunicación distintos puedan utilizar el mismo medio físico de comunicación.

El modelo OSI tiene dos componentes principales:

·         Un modelo de red, denominado modelo básico de referencia o capa de servicio.

·         Una serie de protocolos concretos.

El modelo de red, aunque inspirado en el de Internet no tiene más semejanzas con aquél.  Está basado en un modelo de siete (7) capas, mientras que el primitivo de Internet estaba basado en cuatro (4).  Actualmente todos los desarrollos se basan en este modelo de 7 niveles que son los siguientes: 1 Físico;  2 de Enlace;  3 de Red; 4 de Transporte; 5 de Sesión; 6 de Presentación y 7 de Aplicación. Cada nivel realiza una función concreta, y está separado de los adyacentes por interfaces conocidas, sin que le incumba ningún otro aspecto del total de la comunicación.

Generalmente los dispositivos utilizados en las redes circunscriben su operación a uno o varios de estos niveles. Por ejemplo, un hub (concentrador) que amplifica y retransmite la señal a través de todos sus puertos está operando exclusivamente en la capa 1, mientras que un conmutador (switch) opera en las capas 1 y 2;  un router opera en las capas 1, 2 y 3.  Finalmente una estación de trabajo de usuario generalmente maneja las capas 5, 6 y 7.

En lo que respecta al software, hay que señalar que cada capa utiliza un protocolo específico para comunicarse con las capas adyacentes, y que añade a la cabecera del paquete cierta información adicional.

CAPAS DEL MODELO OSI

1. Capa física

Es la encargada de transmitir los bits de información por la línea o medio utilizado para la transmisión. Se ocupa de las propiedades físicas y características eléctricas de los diversos componentes,  de la velocidad de transmisión, si esta es unidireccional o bidireccional (simplex, duplex o flull-duplex). 

También de aspectos mecánicos de las conexiones y terminales, incluyendo la interpretación de las señales eléctricas.

Como resumen de los cometidos de esta capa, podemos decir que se encarga de transformar un paquete de información binaria en una sucesión de impulsos adecuados al medio físico utilizado en la transmisión. Estos impulsos pueden ser eléctricos (transmisión por cable), electromagnéticos (transmisión Wireless) o luminosos (transmisión óptica). Cuando actúa en modo recepción el trabajo es inverso, se encarga de transformar estos impulsos en paquetes de datos binarios que serán entregados a la capa de enlace.

2. Capa de enlace

Puede decirse que esta capa traslada los mensajes hacia y desde la capa física a la capa de red. Especifica cómo se organizan los datos cuando se transmiten en un medio particular. Esta capa define como son los cuadros, las direcciones y las sumas de control de los paquetes Ethernet.

Además del direccionamiento local, se ocupa de la detección y control de errores ocurridos en la capa física, del control del acceso a dicha capa y de la integridad de los datos y fiabilidad de la transmisión. Para esto agrupa la información a transmitir en bloques, e incluye a cada uno una suma de control que permitirá al receptor comprobar su integridad. Los datagramas recibidos son comprobados por el receptor. Si algún datagrama se ha corrompido se envía un mensaje de control al remitente solicitando su reenvío.

La capa de enlace puede considerarse dividida en dos subcapas:

·         Control lógico de enlace LLC: define la forma en que los datos son transferidos sobre el medio físico, proporcionando servicio a las capas superiores.

·         Control de acceso al medio MAC: Esta subcapa actúa como controladora del hardware subyacente (el adaptador de red).  De hecho el controlador de la tarjeta de red es denominado a veces "MAC driver", y la dirección física contenida en el hardware de la tarjeta es conocida como dirección. Su principal consiste en arbitrar la utilización del medio físico para facilitar que varios equipos puedan competir simultáneamente por la utilización de un mismo medio de transporte. El mecanismo CSMA/CD ("Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection") utilizado en Ethernet es un típico ejemplo de esta subcapa.

3. Capa de Red

Esta capa se ocupa de la transmisión de los datagramas (paquetes) y de encaminar cada uno en la dirección adecuada tarea esta que puede ser complicada en redes grandes como Internet, pero no se ocupa para nada de los errores o pérdidas de paquetes. Define la estructura de direcciones y rutas de Internet. A este nivel se utilizan dos tipos de paquetes: paquetes de datos y paquetes de actualización de ruta. Como consecuencia esta capa puede considerarse subdividida en dos:

·         Transporte: Encargada de encapsular los datos a transmitir (de usuario).  Utiliza los paquetes de datos.  En esta categoría se encuentra el protocolo IP.

·         Conmutación: Esta parte es la encargada de intercambiar información de conectividad específica de la red.  Los routers son dispositivos que trabajan en este nivel y se benefician de estos paquetes de actualización de ruta.  En esta categoría se encuentra el protocolo ICMP responsable de generar mensajes cuando ocurren errores en la transmisión y de un modo especial de eco que puede comprobarse mediante ping.

Los protocolos más frecuentemente utilizados en esta capa son dos: X.25 e IP.

4. Capa de Transporte

Esta capa se ocupa de garantizar la fiabilidad del servicio, describe la calidad y naturaleza del envío de datos. Esta capa define cuando y como debe utilizarse la retransmisión para asegurar su llegada. Para ello divide el mensaje recibido de la capa de sesión en trozos (datagramas), los numera correlativamente y los entrega a la capa de red para su envío. 

Durante la recepción, si la capa de Red utiliza el protocolo IP, la capa de Transporte es responsable de reordenar los paquetes recibidos fuera de secuencia. También puede funcionar en sentido inverso multiplexeando una conexión de transporte entre diversas conexiones de datos.  Este permite que los datos provenientes de diversas aplicaciones compartan el mismo flujo hacia la capa de red.

Un ejemplo de protocolo usado en esta capa es TCP, que con su homólogo IP de la capa de Red, configuran la suite TCP/IP utilizada en Internet, aunque existen otros como UDP, que es una capa de transporte utilizada también en Internet por algunos programas de aplicación.

5. Capa de Sesión

Es una extensión de la capa de transporte que ofrece control de diálogo y sincronización, aunque en realidad son pocas las aplicaciones que hacen uso de ella.

6. Capa de Presentación

Esta capa se ocupa de garantizar la fiabilidad del servicio, describe la calidad y naturaleza del envío de datos. Esta capa define cuando y como debe utilizarse la retransmisión para asegurar su llegada.  Para ello divide el mensaje recibido de la capa de sesión en trozos (datagramas), los numera correlativamente y los entrega a la capa de red para su envío. 

Durante la recepción, si la capa de Red utiliza el protocolo IP, la capa de Transporte es responsable de reordenar los paquetes recibidos fuera de secuencia.  También puede funcionar en sentido inverso multiplexeando una conexión de transporte entre diversas conexiones de datos.  Este permite que los datos provenientes de diversas aplicaciones compartan el mismo flujo hacia la capa de red.

Esta capa se ocupa de los aspectos semánticos de la comunicación, estableciendo los arreglos necesarios para que puedan comunicar máquinas que utilicen diversa representación interna para los datos. Describe como pueden transferirse números de coma flotante entre equipos que utilizan distintos formatos matemáticos.

En teoría esta capa presenta los datos a la capa de aplicación tomando los datos recibidos y transformándolos en formatos como texto imágenes y sonido.  En realidad esta capa puede estar ausente, ya que son pocas las aplicaciones que hacen uso de ella.  

7. Capa de Aplicación

Esta capa describe como hacen su trabajo los programas de aplicación (navegadores, clientes de correo, terminales remotos, transferencia de ficheros etc.).  Esta capa implementa la operación con ficheros del sistema. Por un lado interactúan con la capa de presentación y por otro representan la interfaz con el usuario, entregándole la información y recibiendo los comandos que dirigen la comunicación.

Algunos de los protocolos utilizados por los programas de esta capa son HTTP, SMTP, POP, IMAP

Protocolos

El Protocolo Internet (Internet Protocol - IP)

Esta arquitectura se empezó a desarrollar como base de la ARPANET (red de comunicaciones militar del gobierno de los EE.UU), y con la expansión de la INTERNET se ha convertido en una de las arquitecturas de redes más difundida.
Únicamente el NIC (Centro de Información de Red) asigna las direcciones IP (o Internet), aunque si una red no está conectada a Internet, dicha red puede determinar su propio sistema de numeración.
La mayor ventaja de la codificación ip es hacer posible que exista un ruteo eficiente otra ventaja las direcciones de red ip es que se pueden referir tanto a redes como anfitriones (host).

Las tareas principales del IP son el direccionamiento de los datagramas de información y la administración del proceso de fragmentación de dichos datagramas.

El datagrama es la unidad de transferencia que el IP utiliza, algunas veces identificada en forma más específica como datagrama Internet o datagrama IP

Las características de este protocolo son:

· NO ORIENTADO A CONEXIÓN

· Transmisión en unidades denominadas datagramas.

· Sin corrección de errores, ni control de congestión.

No garantiza la entrega en secuencia.

PROTOCOLO UDP (protocolo de datos de usuario)

Utiliza puertos virtuales para transferir información entre dos aplicaciones en una red TCP/IP. La UDP es un poco más rápida que el protocolo TCP, pero no es tan confiable.

El protocolo UDP también es manejado en Internet, ofrece a las aplicaciones un mecanismo para enviar datos IP en bruto encapsulados sin tener que establecer una conexión, es utilizado por muchas aplicaciones cliente-servidor ya que se evitan la molestia de establecer y luego liberar una conexión.

Este protocolo se ha definido teniendo en cuenta que el protocolo IP también es no orientado a la conexión y puede ser interesante tener un protocolo de transmisión que explote estas características.

Lo que realmente ofrece UDP respecto a IP es la posibilidad de múltiplex acción de aplicaciones.

El protocolo UDP es muy sencillo y tiene utilidad para las aplicaciones que requieren pocos retardos o para ser utilizado en sistemas sencillos que no puedan implementar el protocolo TCP.

UDP no admite numeración de datos, factor que, sumado a que tampoco utiliza señales de confirmación de entrega, hace que la garantía de que un paquete llegue a su destino sea menor que si se usa TCP.

Esto también origina que los datos puedan llegar duplicados o desordenados a su destino, por este motivo el control de envió de datos, si existe, debe ser implementado por las aplicaciones que usan UDP.

El protocolo UDP es llamado de tipo de tipo máximo esfuerzo por que hace lo que puede para transmitir los datos hacia la aplicación, pero no garantiza que la aplicación los reciba.

No utiliza mecanismos de detección de errores, cuando se detecta un error en lugar de entregar la información a su destino se descarta.

El hecho de que el UDP no envía ningún mensaje para confirmar que se han recibido los datos, su utilización es adecuada cuando queremos transmitir información en modo a todos los destinos pues no tiene sentido esperar la confirmación para poder continuar con la transmisión pues si se enviara fácilmente el emisor se vería colapsado.

Un datagrama consta de una cabecera y de un cuerpo en el que se encapsulan los datos. La cabecera consta de los siguientes campos:

· Los campos puerto origen y puerto destino son de 16 bits e identifican las aplicaciones en la maquina origen y en la maquina destino.

· La longitud máxima de un datagrama UDP es de 65.536 bits no es común ver datagramas UDP mayores de 512 bits de datos.

· El campo suma de comprobación UDP.

Para identificar los puntos terminales de formato, de las maquinas origen y destino el campo de longitud UDP incluye la cabecera de 8 bits y los datos.

La suma de comprobación UDP incluye la misma pseudocabecera, la cabecera UDP, y los datos, rellenados con una cantidad par de bits de ser necesario.

Esta suma es opcional y se almacena como cero si no se calcula.

CARACTERÍSTICAS

· No es orientado a la conexión.

·No garantiza la fiabilidad, no podemos asegurar que cada dato UDP transmitido llegue a su destino.

· Hace lo que puede para transmitir los datos hacia la aplicación.

· No preserva la secuencia de la información que proporciona la aplicación, la aplicación se puede recibir desordenada, llega con retardos y la aplicación que lo recibe debe estar preparada por si se pierden los datos.

· No indicación para el dispositivo transmisor de que el mensaje se ha recibido en forma correcta.

· Es muy rápida y fácil de utilizar, pero poco confiable.

· Cuando detecta un error en el dato en lugar de enviarlo a su destino lo elimina.

· Es más sencilla que el TCP ocasiona una interfaz con el IP u otros protocolos sin la molestia del control de flujo de errores, actuando tan solo con un transmisor y receptor de datagramas.

PROTOCOLO ARP (Protocolo de resolución de direcciones)

Es el protocolo utilizado por IP para mapear o resolver direcciones de IP, con las direcciones físicas.
El protocolo ARP se suele implementar como parte de los drivers de la tarjeta de red o Nics (Network interface cards).
Este protocolo es el encargado de obtener la información física de una máquina de la que conoce la dirección IP, para conseguirlo debe acceder a recursos de bajo nivel.
Únicamente hay dos tipos de mensajes que tiene el mismo formato: petición ARP y respuesta ARP.
Una vez que un paquete llega a una red local mediante el ruteo IP, el encaminamiento necesario para la entrega del mismo al host destino se debe realizar forzosamente de dirección MAC del mismo (número de la tarjeta de red).
El protocolo ARP equipara direcciones IP con direcciones Ethernet (de 48 bits) de forma dinámica, evitando así el uso de tablas de conversión.

El protocolo ARP manda a las demás máquinas de su red un mensaje ARP para preguntar qué dirección local pertenece a alguna dirección IP, siendo respondida por una respuesta ARP, en el que enviar su respuesta Ethernet.

Una vez que la maquina peticionaria tiene este dato envía los paquetes al host usando la dirección física obtenida.
Obteniendo ya la dirección con la información de guarda en una tabla de orígenes y destinos de ARP de tal forma que en los próximos envíos ya no habrá que preguntar la dirección del destinatario porque ya es conocida.

CARACTERÍSTICAS
· ARP es pues un protocolo de bajo nivel que oculta direccionamiento de la red en las capas inferiores, permitiendo asignar al administrador de la red direcciones IP a los host pertenecientes a una red física.

· En sucesivas comunicaciones entre ambos host ya no será precisó realizar una nueva petición ARP, ya que ambos host saben las direcciones del otro.

· Las tablas ARP son fundamentales para el funcionamiento y rendimiento óptimo de una red, pues reducen el tráfico en la misma al enviar preguntas ARP innecesariamente.

· Al igual que casi ocurre con todos los protocolos de comunicaciones, y en concreto TCP/IP, el protocolo ARP puede ser usado por un posible atacante para objetivos no deseados.

TEORIA

En 1978, International Standards Organization (ISO) introdujo el modelo ISO para sistemas abiertos de interconexión (OSI) como un primer paso hacia la estandarización internacional de los diversos protocolos necesarios para la comunicación de red.

El modelo OSI ISO:

·         Se diseñó para establecer los estándares de comunicaciones de datos que promuevan interoperabilidad multiproveedor.

·         Consta de siete capas, con un conjunto específico de funciones de red asignado a cada capa y directrices para la implementación de las interfaces entre las capas.

·         Detalles de un conjunto específico de interfaces y protocolos para implementar en cada nivel. Hasta el momento, sólo las cuatro capas inferiores se han definido explícitamente. Las capas superiores y sus interfaces a los inferiores, no se ha completado. El modelo general se ha convertido en la base de principios de entorno estándar necesario, GOSIP, el gobierno en agosto de 1990.

Cada capa del modelo OSI puede verse como un módulo independiente. (En teoría) también puede utilizar un protocolo para otra en la misma capa sin que afecten al funcionamiento de las capas por encima o por debajo.

Además de definir explícitamente los protocolos y las interfaces de las capas seleccionadas, el modelo OSI también sirve como un concepto, proporcionando una referencia para cómo debe tener lugar una comunicación de datos. Proporciona una base común para la coordinación de desarrollo de estándares para la interconexión de los sistemas, permitiendo que los estándares existentes y arquitecturas para colocarse en perspectiva en el modelo de referencia general.

Los principios que llevó a la creación de siete capas son:

·         Debe crearse una capa sólo donde se requiere un nivel de abstracción.

·         Cada capa debe realizar una función bien definida.

·         La función de cada capa debe elegirse con miras a definir protocolos estandarizados internacionalmente.

·         Para minimizar el flujo de información a través de las interfaces se deben elegir los límites de la capa.

·         El número de capas debe ser lo suficientemente grande como para que distintas funciones no necesiten trabajar necesariamente sobre una misma capa y lo suficientemente pequeño como para que la arquitectura no sea difícil de manejar.