Fundamentos del Modelo TCP/IP: Arquitectura, Capas y Protocolos Esenciales

Introducción al Modelo TCP/IP y sus Diferencias con OSI

El modelo TCP/IP es un conjunto de protocolos diseñado con una arquitectura en capas similar al modelo OSI. Sus características principales son:

• La necesidad de tener un sistema para localizar un ordenador determinado dentro de Internet para que sea posible la interconexión de los ordenadores.
• Resolver de forma automática los problemas que puedan surgir durante el intercambio de información.
• Resolver las posibles incompatibilidades en la comunicación entre ordenadores.

El modelo TCP/IP se basa en la estructuración de comunicaciones mediante tres agentes clave:

• Procesos: Son las entidades fundamentales que entran en comunicación.
• Ordenadores (“hosts”): En ellos se ejecutan los procesos anteriormente descritos.
• Redes: Elementos que sirven para transportar la información entre ordenadores.

La torre de protocolos TCP/IP es anterior al modelo de referencia OSI y no existe un modelo oficial de referencia TCP/IP. Todas las tareas involucradas en la comunicación se pueden organizar en “cinco capas” o “cuatro capas” relativamente independientes. Una de las aportaciones más importantes de OSI es la distinción que hace entre servicios, protocolos e interfaces, algo que originalmente TCP/IP no hacía.

Capas y Niveles del Modelo TCP/IP

La información recibida por la capa TCP es encapsulada con un encabezado TCP en un paquete llamado “segmento TCP”. Este segmento TCP se entrega a la capa IP, donde se le agrega un encabezado IP y se crea el paquete "Datagrama IP". El último paso incluye el encapsulamiento del datagrama IP en paquetes creados para la capa de acceso a la red.

La capa Host-Red o Acceso a la Red (también conocida como capa física, que engloba las capas inferiores del modelo TCP/IP) se caracteriza por:

• Pobremente definidas: Su objetivo es que un nodo se conecte a la red usando algún protocolo que permita enviar paquetes IP.

Normalmente, en esta capa:

• Física: Es igual al nivel físico de OSI.
• Enlace: Se sigue el algoritmo LLC con control de errores. La capa de acceso al medio acepta datagramas de la capa de Internet y los envía físicamente.

Protocolos de Acceso a la Red

ARP (Address Resolution Protocol): Las redes físicas tienen sus propios esquemas de direccionamiento, y existen tantos esquemas como redes físicas. Aunque conocemos la dirección IP, para enviar el paquete debemos conocer la dirección Ethernet (MAC), ya que la red física no entiende las direcciones IP.

El protocolo ARP realiza las siguientes funciones:

• Dada una dirección IP, obtener una dirección física cuando se envía un paquete.
• Contestar peticiones realizadas por otras máquinas.

RARP (Reverse Address Resolution Protocol): Este protocolo actúa de forma inversa al protocolo ARP, convirtiendo una dirección física en una dirección IP.

Protocolo de Internet (IP)

El protocolo IP es el más utilizado para la interconexión entre redes. Desde su diseño, ya se tuvo en cuenta la interconexión entre redes. Este protocolo no está orientado a la conexión.

Servicios:

• Entrega de paquetes.
• Direccionamiento.

Responsabilidades:

• Definir la “Unidad básica de transferencia de datos”, el datagrama IP. Los datos proporcionados por la capa de transporte son divididos en datagramas y transmitidos a través de la capa de red (capa de Internet).
• Selección del camino de datos: “Enrutamiento”. Su trabajo es proporcionar un medio para el transporte de datagramas del origen al destino.
• Establecer las reglas de cómo se procesarán los paquetes: "Fragmentación de Datos" y el "Reensamblado".

Direcciones IP: Cada computador tendrá una dirección única cuya longitud será de 32 bits, que consta de un identificador de red y un identificador de computador.

Protocolos de Transporte TCP/UDP

Los protocolos de transporte actúan como interfaz entre los niveles orientados a la aplicación y los niveles orientados a la red dentro de la jerarquía de protocolos TCP/IP.

La capa de transporte se encarga de proveer comunicación punto a punto entre las aplicaciones.

Se definen dos direcciones para relacionar este nivel con los superiores e inferiores:

• La dirección IP, que identifica un dispositivo dentro de una red.
• El puerto (número de 16 bits), que se coloca en cada paquete para identificar la aplicación que requiere la comunicación.

En TCP/IP se definen dos protocolos de transporte principales:

El protocolo UDP (User Datagram Protocol): Este protocolo no está orientado a la conexión y, por lo tanto, no proporciona ningún tipo de control de errores ni de flujo, aunque sí utiliza mecanismos de detección de errores. Cuando se detecta un error en un datagrama, este se descarta. Es muy sencillo y tiene utilidad para las aplicaciones que requieren pocos retardos o para ser utilizado en sistemas sencillos que no pueden implementar el protocolo TCP.

Características:

• No garantiza la fiabilidad.
• No preserva la secuencia de la información que proporciona la aplicación.

El protocolo TCP (Transmission Control Protocol): Proporciona un servicio confiable de entrega de paquetes orientado a la conexión. Se encarga de dar la ilusión de que la comunicación entre dos computadoras es de punto a punto. El concepto de conexión permite a un puerto local dar servicio a muchos puertos remotos. Esta es la base del modelo de aplicación cliente-servidor, ampliamente utilizado en redes.

Responsabilidades:

• Comunicación punto a punto fiable.
• Control del flujo.
• TCP toma la información que se quiere transmitir, la divide en pedazos y numera cada uno de estos.

Protocolos de Capa de Aplicación

Protocolos que utilizan UDP:

• NFS (Network File System): Utilizado para acceder a los manejadores de los discos físicos.
• SNMP (Simple Network Management Protocol): Para configurar y monitorizar remotamente los equipos de la red de Internet.
• DNS (Domain Name System): Se utiliza para relacionar los nombres de dominio de los nodos con sus direcciones IP.

Protocolos que utilizan TCP:

• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): Dedicado a la transmisión de mensajes electrónicos sobre una conexión TCP.
• Telnet: Permite a los usuarios conectarse a ordenadores remotos y utilizarlos desde el sistema local.
• FTP (File Transfer Protocol): Permite la transferencia de ficheros desde un ordenador a otro sobre una conexión TCP.
• HTTP (Hypertext Transfer Protocol): Este es un sencillo protocolo cliente-servidor que articula los intercambios de información entre los clientes web y los servidores HTTP.

Conceptos Clave en la Implementación de Redes

Cliente-Servidor: Es el modelo de interacción más común entre aplicaciones en una red. Aunque no forma parte de los conceptos fundamentales de Internet como los protocolos IP, TCP o UDP, todos los servicios estándares de alto nivel propuestos en Internet funcionan según este modelo.

1. Servidor: Es un programa que ofrece un servicio en la red, realizando una función específica.
2. Cliente: Es un programa que dirige una petición específica a un servidor, el cual responde a una demanda de servicio.

Domain Name System (DNS): Es una base de datos distribuida globalmente para administrar nombres y direcciones, y proveer la traducción de un nombre a una dirección IP y viceversa. El DNS otorga a diferentes grupos la responsabilidad de subdividirse con nombres. Cada nivel en este sistema es llamado un dominio. Los dominios están separados por puntos y su número puede variar en un nombre. Cada grupo puede crear o cambiar lo que está dentro de su dominio. Estos además pueden tener subdominios. Ej. bi.ehu.es

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection): Permite detectar no solo si un equipo está transmitiendo, sino también si ha habido una colisión. En base a esta información, los equipos pueden variar su comportamiento. Variantes:

• CSMA no-persistente
• CSMA p-persistente
• CSMA persistente