Tema 3. Capas Inferiores del Modelo OSI y TCP/IP.
3.1 Capa de Red.
3.1.1 Introducción.
La capa 3 del modelo OSI es la Capa de Red, la cual provee servicios para poder intercambiar secciones de datos individuales a través de la red entre dispositivos finales identificados.
La capa de red utiliza 4 procesos básicos.
El Direccionamiento provee un mecanismo para dirigir los procesos a los dispositivos finales.
El Encapsulamiento se encarga de recibir la PDU de la capa 4 y agrega una etiqueta para encapsularlo.
El Enrutamiento dirige los paquetes a su host de destino.
Y el Desencapsulamiento una vez que todo el proceso esta completado, y se tiene ,la certeza de que el paquete fue direccionado al dispositivo correcto, este se desencapsula.
3.1.2 Protocolos de la Capa de Red.
3.1.3 Enrutamiento y sus Características.
El enrutamiento requiere que cada router en lapso de las rutas hacia el destino de los paquetes, tenga una ruta para reenviar el paquete, de otra manera, el paquete es descartado en ese salto.
La tabla de Enrutamiento contiene información que un router usa en sus decisiones al momento de reenviar paquetes.
3.1.3.1 Enrutamiento estático.
Es un método manual que requiere que el administrador indique explícitamente en cada equipo las redes que puede alcanzar y por qué camino hacerlo. La ventaja de este método, además de la simpleza para configurarlo, es que no supone ninguna sobrecarga adicional sobre los Reuters y los enlaces en una red. Sin embargo, las desventajas principales son determinantes en muchos casos para no escoger este método.
Por un lado, configurar rutas estáticas en una red de más de unos pocos Reuters puede volverse un trabajo muy engorroso para el administrador, además de aumentar la probabilidad de cometer un error, en cuyo caso puede llegar a ser bastante dificultoso encontrar dicho error. Pero, además, existe un problema aún más importante: la redundancia. Cuando se utiliza ruteo estático en una red con redundancia y hay un fallo en un enlace el administrador debe modificar las rutas manualmente, lo cual implica un tiempo de respuesta ante una falla mucho mayor que si se utiliza un método automático.
3.1.3.2 Enrutamiento Dinámico.
El ruteo dinámico tiene varias ventajas que lo convierten en el preferido en la mayoría de los casos: configurar el ruteo en una red mediana a grande implica mucho menos trabajo para el administrador, a la vez que permite que la red completa se ponga en funcionamiento en un tiempo mucho menor; es capaz también de adaptarse a los problemas, ya que puede detectar la falla de un enlace principal y utilizar entonces un enlace alternativo para alcanzar el destino. Las desventajas son que, al intercambiar información entre los dispositivos y requerir que cada router procese dicha información se utiliza tanto ancho de banda de los enlaces como tiempo de procesamiento en los equipos, lo cuál en algunas circunstancias puede convertirse en un problema.
En la imagen se presenta gráficamente un enrutamiento dinámico.
3.1.4 Direccionamiento IP.
3.1.4.1 Introducción.
El direccionamiento es una función clave de los protocolos
de capa de Red que permite la transmisión de datos entre hosts de la misma red
o en redes diferentes.
En la capa de red es necesario identificar los paquetes de
la transmisión con las direcciones de origen y de destino de los dos sistemas
finales.
3.1.4.2 Manejo de subredes.
Para definir las
porciones de red y de host de una dirección, los dispositivos usan un patrón
separado de 32 bits llamado máscara de subred, como se muestra en la figura. La
máscara de subred se expresa con el mismo formato decimal punteado que la
dirección IPv4. La máscara de subred se crea al colocar un 1 binario en cada
posición de bit que representa la porción de red y un 0 binario en cada
posición de bit que representa la porción de host.
3.1.4.3 División de subredes.
La división en
subredes permite crear múltiples redes lógicas de un solo bloque de
direcciones. Como usamos un router para conectar estas redes, cada interfaz en
un router debe tener un ID único de red. Cada nodo en ese enlace está en la
misma red.
Creamos las subredes utilizando uno o más de los bits del host como bits de la red. Esto se hace ampliando la máscara para tomar prestado algunos de los bits de la porción de host de la dirección, a fin de crear bits de red adicionales. Cuanto más bits de host se usen, mayor será la cantidad de subredes que puedan definirse. Para cada bit que se tomó prestado, se duplica la cantidad de subredes disponibles.
3.1.4.4 VLSM y CIDR.
Con VLSM, un administrador de red puede usar una máscara larga en las redes con pocos hosts, y una máscara corta en las subredes con muchos hosts. Para poder implementar VLSM, un administrador de red debe usar un protocolo de enrutamiento que brinde soporte para él. Los routers Cisco admiten VLSM con los protocolos de enrutamiento OSPF, IS-IS integrado, EIGRP, RIP v2 y enrutamiento estático. VLSM permite que una organización utilice más de una máscara de subred dentro del mismo espacio de direccionamiento de red. La implementación de VLSM maximiza la eficiencia del direccionamiento y con frecuencia se la conoce como división de subredes en subredes.
CIDR reemplaza la sintaxis previa para nombrar direcciones IP, las clases de redes. En vez de asignar bloques de direcciones en los límites de los octetos, que implicaban prefijos «naturales» de 8, 16 y 24 bits, CIDR usa la técnica VLSM (variable length subnet mask, en español «máscara de subred de longitud variable»), para hacer posible la asignación de prefijos de longitud arbitraria. CIDR engloba:
· - La técnica VLSM para especificar prefijos de red de longitud variable. Una dirección CIDR se escribe con un sufijo que indica el número de bits de longitud de prefijo, p.ej. 192.168.0.0/16 que indica que la máscara de red tiene 16 bits (es decir, los primeros 16 bits de la máscara son 1 y el resto 0). Esto permite un uso más eficiente del cada vez más escaso espacio de direcciones IPv4
· - La agregación de múltiples prefijos contiguos en
superredes, reduciendo el número de entradas en las tablas de ruta globales.
3.1.5 Manejo de Gateway.
El Gateway, también conocido como Gateway por defecto, es necesario para enviar un paquete fuera de la red local. Si la porción de red de la dirección de destino del paquete es diferente de la red del host de origen, el paquete tiene que hallar la salida fuera de la red original. Para esto, el paquete es enviado al Gateway. Este Gateway es una interfaz del router conectada a la red local. La interfaz del Gateway tiene una dirección de capa de Red que concuerda con la dirección de red de los hosts. Los hosts están configurados para reconocer que la dirección es un Gateway.
3.2 Capa de Enlace de Datos.
La capa de enlace de datos proporciona tránsito de datos
confiable a través de un enlace físico. Al hacerlo, la capa se ocupa del
direccionamiento físico, la topología de red, el
acceso a la red, la notificación de errores, entrega ordenada de tramas y
control de flujo.
3.2.1 Técnicas de Control de Acceso al Medio.
La regulación de la colocación de tramas de datos en los medios es conocida como control de acceso al medio. Entre las diferentes implementaciones de los protocolos de la capa de enlace de datos, hay diferentes métodos de control de acceso a los medios. Estas técnicas de control de acceso al medio definen si los nodos comparten los medios y de qué manera lo hacen.
El control de acceso al medio es el equivalente a las reglas de tráfico que regulan la entrada de vehículos a una autopista. La ausencia de un control de acceso al medio sería el equivalente a vehículos ignorando el resto del tráfico e ingresando al camino sin tener en cuenta a los otros vehículos. El método de control de acceso al medio utilizado depende de: Compartir medios y la Topología.
Existen dos maneras para permitir la transferencia de datos, una son los medios compartidos y otra los medios no compartidos.
Para los medios compartidos hay dos métodos básicos de control de acceso:
1. Controlado: Cada nodo tiene su propio tiempo para utilizar
el medio
2. Basado en la contención: Todos los nodos compiten por el uso
del medio
Por otro lado, los medios no compartidos requieren poco o ningún control antes de colocar tramas en los medios y estos tienen reglas y procedimientos más simples para el control de acceso al medio. Tal es el caso de las topologías punto a punto.
3.2.2 Direccionamiento del control de acceso al medio y tramado de datos.
La descripción de una trama es un elemento clave de cada
protocolo de capa de enlace de datos. Los protocolos de capa de enlace de datos
requieren información de control para permitir que los protocolos funcionen. La
información de control puede indicar:
- Qué nodos están en comunicación con otros
- Cuando comienza y cuándo termina la comunicación entre nodos
individuales
- Qué errores se producen mientras los nodos se comunican
- Qué nodos se comunicarán luego
La Capa de enlace de datos prepara un paquete para transportar a través de los medios locales encapsulándolo con un encabezado y un tráiler para crear una trama. A diferencia de otros PDU que han sido analizados en este curso, la trama de la capa de enlace de datos incluye:
- Datos: El paquete desde la Capa de red.
- Encabezado: contiene información de control como
direccionamiento y está ubicado al comienzo del PDU.
- Tráiler: contiene información de control agregada al final
del PDU.
3.2.3 Estándares.
Los servicios y especificaciones de la capa de enlace de
datos se definen mediante varios estándares basados en una variedad de
tecnologías y medios a los cuales se aplican los protocolos. Algunos de estos
estándares integran los servicios de la Capa 2 y la Capa 1.
Las organizaciones de ingeniería que definen estándares y
protocolos abiertos que se aplican a la capa de enlace de datos incluyen:
Organización Internacional para la Estandarización. (ISO)
Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. (IEEE)
Instituto Nacional Estadounidense de Estándares. (ANSI)
Unión Internacional de Telecomunicaciones. (ITU)
3.2.4 Comparación entre Topología Lógica y Física.
3.3 Capa Física.
3.3.1 Introducción.
La función de la capa física de OSI es la de codificar en
señales los dígitos binarios que representan las tramas de la capa de Enlace de
datos, además de transmitir y recibir estas señales a través de los medios
físicos (alambres de cobre, fibra óptica o medio inalámbrico) que conectan los
dispositivos de la red.
3.3.2 Señales de Comunicación.
3.3.2.1 Objetivo.
La capa física de OSI proporciona los medios de transporte
para los bits que conforman la trama de la capa de Enlace de datos a través de
los medios de red. Esta capa acepta una trama completa desde la capa de Enlace
de datos y lo codifica como una secuencia de señales que se transmiten en los
medios locales. Un dispositivo final o un dispositivo intermedio recibe los
bits codificados que componen una trama.
El envío de tramas a través de medios de transmisión requiere
los siguientes elementos de la capa física:
- Medios físicos y conectores asociados.
- Una representación de los bits en los medios.
- Codificación de los datos y de la información de control.
- Sistema de circuitos del receptor y transmisor en los
dispositivos de red.
3.3.2.2 Funcionamiento.
Los medios no transportan la trama como una única entidad.
Los medios transportan señales, una por vez, para representar los bits que
conforman la trama.
Existen tres tipos básicos de medios de red en los cuales se
representan los datos:
Cable de cobre
Fibra
Inalámbrico
La presentación de los bits -es decir, el tipo de señal-
depende del tipo de medio. Para los medios de cable de cobre, las señales son
patrones de pulsos eléctricos. Para los medios de fibra, las señales son
patrones de luz. Para los medios inalámbricos, las señales son patrones de
transmisiones de radio.
3.3.2.3 Estándares.
Al igual que otras tecnologías asociadas con la capa de
Enlace de datos, las tecnologías de la capa física se definen por diferentes
organizaciones, tales como:
- La Organización Internacional para la Estandarización. (ISO)
- El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. (IEEE)
- El Instituto Nacional Estadounidense de Estándares. (ANSI)
- La Unión Internacional de Telecomunicaciones. (ITU)
- La Asociación de Industrias Electrónicas/Asociación de la
Industria de las Telecomunicaciones. (EIA/TIA)
- Autoridades de las telecomunicaciones nacionales, como la
Comisión Federal de Comunicaciones. (FCC) en EE.UU.
3.3.2.4 Señalización y Codificación.
La capa física debe generar las señales inalámbricas, ópticas o eléctricas que representan el "1" y el "0" en los medios. El método de representación de bits se denomina método de señalización. Los estándares de capa física deben definir qué tipo de señal representa un "1" y un "0". Esto puede ser tan sencillo como un cambio en el nivel de una señal eléctrica, un impulso óptico o un método de señalización más complejo.
La codificación es un método utilizado para convertir un stream de bits de datos en un código predefinido. Los códigos son grupos de bits utilizados para ofrecer un patrón predecible que pueda reconocer tanto el emisor como el receptor. La utilización de patrones predecibles permite distinguir los bits de datos de los bits de control y ofrece una mejor detección de errores en los medios. Además de crear códigos para los datos, los métodos de codificación en la capa física también pueden proporcionar códigos para control, como la identificación del comienzo y el final de una trama. El host que realiza la transmisión transmitirá el patrón específico de bits o un código para identificar el comienzo y el final de la trama.
3.3.2.5 Representación.
Eventualmente, todas las comunicaciones desde la red humana
se convierten en dígitos binarios que se transportan individualmente a través
de los medios físicos.
Si bien todos los bits que conforman una trama se presentan
ante la capa física como una unidad, la transmisión de la trama a través de los
medios se realiza mediante un stream de bits enviados uno por vez. La capa
física representa cada uno de los bits de la trama como una señal. Cada señal
ubicada en los medios cuenta con un plazo específico de tiempo para ocupar los
medios. Esto se denomina tiempo de bit. Las señales se procesan mediante el
dispositivo receptor y se vuelven a enviar para representarlas como bits.
En la capa física del nodo receptor, las señales se vuelven
a convertir en bits. Luego se examinan los bits para los patrones de bits del
comienzo y el final de la trama con el objetivo de determinar si se ha recibido
una trama completa. Luego la capa física envía todos los bits de una trama a la
capa de Enlace de datos.
3.3.3 Medios de Transmisión.
3.3.3.1 Conexión de la Comunicación.
La capa física se ocupa de la señalización y los medios de
red. Esta capa produce la representación y agrupación de bits en voltajes,
radiofrecuencia e impulsos de luz. Muchas organizaciones que establecen
estándares han contribuido con la definición de las propiedades mecánicas,
eléctricas y físicas de los medios disponibles para diferentes comunicaciones
de datos. Estas especificaciones garantizan que los cables y conectores
funcionen según lo previsto mediante diferentes implementaciones de la capa de
Enlace de datos.
Por ejemplo, los estándares para los medios de cobre se
definen según lo siguiente:
Tipo de cableado de cobre utilizado.
Ancho de banda de la comunicación.
Tipo de conectores utilizados.
Diagrama de pines y códigos de colores de las conexiones a
los medios.
Distancia máxima de los medios.
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