Tema 24 – El modelo OSI de comunicación de datos

TEMA 24: El modelo OSI de comunicación de datos. Índice 1 INTRODUCCIÓN___________________________________________________________________1 2 CARACTERÍSTICAS DEL MODELO DE REFERENCIA OSI____________________________2 2.1 Enfoque basado en capas__________________________________________________________2 2.2 Primitivas de servicio_____________________________________________________________3 2.3 La unidad de datos de los protocolos –PDU-___________________________________________4 3 CAPAS DEL MODELOS DE REFERENCIA OSI________________________________________5 3.1 La capa de aplicación_____________________________________________________________5 3.2 La capa de presentación__________________________________________________________5 3.3 La capa de sesión________________________________________________________________6 3.4 La capa de transporte_____________________________________________________________6 3.5 La capa de red___________________________________________________________________7 3.6 La capa de enlace________________________________________________________________7 3.7 La capa física___________________________________________________________________8 4 EQUIVALENCIA DE LOS PROTOCOLOS TCP/IP EN UN MODELO OSI__________________8

1

Introducción

Los primeros sistemas de comunicación entre ordenadores utilizaban tecnologías propietarias, lo que provocaba que los componentes de una red tuvieran que ser todos del mismo fabricante. Es lo que se denominan entornos cerrados. Redes con tecnologías propietarias diferentes tenían grandes problemas para comunicarse entre sí. Para combatir la incompatibilidad entre redes, la ISO -Organización internacional de estándares- decidió publicar un modelo de referencia para la arquitectura de redes de comunicaciones. El modelo establecido por ISO se denomina modelo OSI -Interconexión de sistemas abiertos-. El modelo OSI fue oficialmente propuesto en 1984. Actualmente existen dos series de normas estándares en el mercado: •

Las normas del conjunto TCP/IP. No es el estándar “oficial” si no de hecho. Se ha convertido en estándar debido a su uso extendido. Es la familia de protocolos de los que se vale Internet.

•

Las normas de la ISO, que son el estándar oficial. Cuyo uso está menos extendido. Se utiliza principalmente en redes de telecomunicaciones y en docencia.

A diferencia del modelo TCP/IP, el modelo OSI no indica que protocolos utilizar, sino que es un modelo de referencia en alto nivel. Determina cuales son las funciones y la arquitectura de un sistema de comunicaciones.

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Características del modelo de referencia OSI

La arquitectura propuesta por el modelo OSI posee las siguientes características: 2.1

Enfoque basado en capas

El software de los primeros sistemas de comunicación solía basarse en un solo programa extenso y complejo. Este software era difícil de evaluar y de mantener. Por ello, el modelo OSI está diseñado en varias capas independientes entre sí. Cada capa desempeña una función bien definida y opera según un conjunto de normas, denominadas protocolos. Las capas se organizan en forma de pila y cada capa se comunica con las capas inmediatamente superior e inferior. Una capa, para realizar sus funciones puede cumplir con diferentes protocolos. Por ejemplo, a nivel de capa de enlace de datos, una capa puede cumplir con el protocolo ISO 8802.3 “Ethernet” o el ISO 8802.4 “Token bus”... Los protocolos, según su función, pertenecen a una capa u otra. Cada capa tiene un conjunto determinado de protocolos, a los que se hace referencia como protocolos de la capa X. La especificación del funcionamiento de cualquiera de los protocolos de comunicación consta de: a) Especificar los servicios que proporciona a la capa N+1, para que ésta pueda transmitir unidades de mensajes a otra capa N+1 de un equipo remoto. b) El funcionamiento interno del protocolo dentro de la capa N. c) Los servicios de la capa N-1 que utiliza para transmitir mensajes a la capa N de un sistema remoto. Con esta especificación, un desarrollador puede implementar un protocolo sin necesidad de conocer los detalles de implemetación de las otras capas. Mientras se mantenga la especificación de un protocolo de una capa, se puede modificar su implementación, sin que las otras capas se vean afectadas. Modelo de capas de un protocolo: Capa N+1

Usuario Servicios ofrecidos

Servicios nivel N

Capa N

Usuario

Entidad de protocolo

Entidad de protocolo Mensaje

Servicios nivel N-1

Servicios empleados Página 2 de 8

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La especificación de cada protocolo consta de dos documentos: •

Un documento de definición de servicios. Especifica los servicios que proporciona a la capa superior. Normalmente consiste en un conjunto de primitivas de servicio, cada una de ellas asociada a un conjunto de parámetros.

•

Un documento de especificación del funcionamiento del protocolo. Indicando la definición precisa de las unidades de datos del protocolo –PDU- con la que la entidad del protocolo se comunica con otra entidad remota, una especificación de los servicios de la capa inferior que utiliza para transmitir la PDU y una especificación precisa del funcionamiento del protocolo según un método de especificación formal.

2.2

Primitivas de servicio

Los servicios de usuario que proporciona una capa se especifican mediante un conjunto de primitivas de servicio. Los servicios pueden ser: • Confirmados: Cuando la capa que ha solicitado el servicio recibe la confirmación o la negación de la realización correcta del servicio. • No confirmados: El solicitante del servicio no recibe respuesta. En general, una transferencia se inicia cuando un usuario de la capa N realiza una llamada una primitiva de solicitud a través de la interfaz de la capa. La capa N genera una o varias PDUs asociadas a la solicitud y se las transmite a la capa N par del sistema remoto, utilizando los servicios de la capa N-1. La capa N del sistema remoto informa de la solicitud a su capa N+1 a través de una primitiva de indicación. En el caso de servicios confirmados, la capa N+1 informará a la capa N utilizando una primitiva de respuesta. Siguiendo el mismo proceso, pero en sentido contrario, la respuesta llegará a la capa N del sistema que envió la petición. La capa informará a su capa superior utilizando una primitiva de confirmación. El esquema del proceso seguido es el siguiente:

Capa N+1

Usuario Solicitud

Capa N

Usuario remoto

Confirmación

Entidad del protocolo

Respuesta

PDU’s

Capa N-1

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Indicación

Entidad del protocolo

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Cada protocolo realiza el control del orden correcto de las primitivas recibidas. Por ejemplo, no se puede emitir la primitiva de finalización de una transmisión, sin antes haberla iniciado. 2.3

La unidad de datos de los protocolos –PDU-

La PDU es la unidad de datos que intercambian dos protocolos equivalentes. Cuando una capa de nivel N recibe la petición de envío de una información, recibe un conjunto de datos denominados Unidad de datos del servicio –SDU-. La SDU de la capa N es la PDU de la capa N+1. El volumen de datos de la PDU depende del protocolo del que se trate. A la hora de crear una PDU, el protocolo puede, en caso necesario, segmentar el SDU recibido o agrupar varios SDU. A cada PDU se le añade información de control necesaria para que la entidad de protocolo remota pueda tratar correctamente el PDU. Por ejemplo, esta información de control puede contener un campo de detección de errores en la transmisión. Ejemplo: Aplicación emisora

Aplicación destinataria

SDU

Aplicación

PCI

Aplicación Presentación

Datos

PCI

SDU

...

Presentación ...

SDUn: Unidad de datos del servicio. Datos a transmitir por el servicio de la capa N. PCIn: Información de control del protocolo. Información intercambiada entre las capas N. PDUn: Unidad de datos del protocolo de la capa N [PCI+SDU]

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Capas del modelos de referencia OSI

El modelo OSI se compone de 7 capas con funciones bien definidas. 

Aplicación



Presentación



Sesión



Transporte



Red



Enlace lógico de datos



Física

Las tres capas inferiores (la capa física, de enlace lógico de datos y la de red) se ocupan de las normas y protocolos dependientes del tipo de red de datos utilizada. (Capas orientadas a la red). Las tres capas superiores (las capas de aplicación, presentación y sesión) se ocupan de la normas y protocolos dependientes del tipo de servicio ofrecido (Capas orientadas a la aplicación). La capa intermedia (la capa de transporte) sirve como interfaz entre ambos bloques de capas. Funciones de cada capa: 3.1

La capa de aplicación

Su función es proporcionar un interfaz a los servicios de comunicaciones que ofrecen el sistema de comunicaciones. Hay tanto protocolos como servicios disponibles en la red (correo, servicios web…). Como están aumentando continuamente las aplicaciones en red disponibles, el número de protocolos de la capa de aplicación crece sin cesar. El acceso a estos protocolos no los realiza el usuario directamente, sino que suele acceder las aplicaciones que utiliza. Normalmente, los servicios de la capa de aplicación están sustentados por el sistema operativo local del ordenador. Es por ello, que los detalles de la comunicación y el sistema de comunicación quedan ocultos al programa del usuario. 3.2

La capa de presentación

Su función es ocuparse del formato de presentación de la información durante la transferencia. El objetivo es permitir la comunicación entre usuarios que utilizan sintaxis diferentes (ASCII, Unicode, EBCDIC) o representaciones de los números distintas (little endian, big endian). Para ello se definen unas sintaxis de transferencia estándares. Al establecer una conexión se selecciona la sintaxis de transferencia a utilizar. Si alguna de las aplicaciones utiliza una sintaxis diferente, la capa hace la conversión. Otra de las funciones de esta capa es la seguridad a través de cifrado. La capa cifra los mensajes utilizando una clave que, es de esperar, sólo conozcan el emisor y el receptor (cifrado simétrico) o utilizar sistemas de claves públicas o privadas.

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3.3

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La capa de sesión

El servicio ofrecido por esta capa es asegurar que, dada una sesión establecida entre dos máquinas, la comunicación se pueda realizar de principio a fin, reanudándolas en caso de interrupción. En esta capa se realizan tareas como son:

3.4

•

Control de la sesión establecida entre el emisor y el receptor (quién transmite, quién escucha, duración de la misma...).

•

Control de la concurrencia (que dos comunicaciones a la misma operación crítica no se efectúen al mismo tiempo).

•

Mantener puntos de verificación (checkpoints), que sirven para que, ante una interrupción de transmisión por cualquier causa, la misma se pueda reanudar desde el último punto de verificación en lugar de repetirla desde el principio. La capa de transporte

Las funciones de esta capa son: 1. Efectuar el transporte de los datos entre los usuarios finales haciendo transparente a las capas superiores el tipo de red física que se esté utilizando. 2. Mejorar el servicio ofrecido por la capa de red, generalmente un servicio básico no confiable. Para ello, realiza las siguientes tareas: a) Verificación que la comunicación se haya realizado correctamente. Errores en la transmisión de los datos, pueden provocar que la información recibida no sea igual a la enviada. La capa de transporte detecta casi todos estos errores, gracias a la información de verificación que se añade a los PDUs. b) Control del orden de entrega de los paquetes. Muchas redes no aseguran el orden de entrega de los paquetes enviados. Esta capa asegura este orden. Se consigue numerando los paquetes, para posteriormente poder reordenarlos. c) Control de flujo. Evita la saturación del receptor, cuando la capacidad de recepción es superada por la de emisión. Esta función era muy importante en los primeros sistemas de comunicaciones. En TCP/IP, no todas estas tareas son obligatorias, por ejemplo UDP.

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3.5

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La capa de red

El cometido de la capa de red es hacer que los datos lleguen desde el origen al destino, aún cuando ambos no estén conectados directamente. Para conseguir este objetivo tiene que realizar ciertas tareas: 1. Asignación de direcciones de red únicas. Los equipos conectados a la red deben tener un identificador único que determine quienes son. Generalmente el dominio de las direcciones es jerárquico. 2. Encaminamiento de paquetes: El problema del encaminamiento consiste en encontrar un camino óptimo entre un origen y un destino localizados, a lo mejor, en redes diferentes. Los criterios para calcular el camino optimo pueden ser variar: velocidad, retardo, seguridad, regularidad, distancia, longitud media de las colas, costos de comunicación, etc. Esta capa también es la encargada de traducir las direcciones de red a direcciones físicas, que son las que maneja la capa inferior. 3. Control de congestión en la red Cuando en una red un nodo recibe más tráfico del que puede cursar se puede dar una congestión. El problema es que una vez que se da congestión en un nodo el problema tiende a extenderse por el resto de la red. Por ello hay técnicas de prevención y control que aplican en esta capa. Los protocolos de esta capa pueden ser orientados a conexión o sin conexión. El mantenimiento de la conexión consume recursos, es por ello, que normalmente que esta labor se realiza en la capa de transporte de los equipos de los usuarios finales, si es que se hace. 3.6

La capa de enlace

El objetivo del nivel de enlace es conseguir que la información fluya, libre de errores, entre dos máquinas que estén conectadas a la misma red. La capa de enlace se divide en dos subniveles: a) El control lógico del enlace. Encargado de : 

Montar los PDUs del protocolo (llamados tramas en este nivel),



dotarles de una dirección de nivel de enlace,



gestionar la detección o corrección de errores (no obligatorio), y



ocuparse del control de flujo entre equipos (para evitar que un equipo más rápido desborde a uno más lento).

b) El control de acceso al medio: Arbitra el uso del medio de comunicación, cuando este está compartido entre más de dos equipos. Dentro de las norma IEEE para protocolos de comunicación, el control lógico del enlace esta establecido en el estándar IEEE 802.2. El control de acceso al medio depende del medio de transmisión específico. Es por ello que hay multitud de protocolos: IEEE 802.3 Ethernet, IEEE 802.5 token bus, IEEE 802.11 Wireless. Página 7 de 8

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3.7

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La capa física

Corresponde al nivel 1 del modelo OSI. En este nivel se definen las características eléctricas, mecánicas y de forma de transmisión de la señal de la comunicación en la red. Es estrictamente necesaria su presencia en cualquier modelo. Este nivel del modelo de referencia OSI es el que se encarga de las conexiones físicas de la computadora hacia la red, en este nivel se especifican los estándares de cable de par trenzado, coaxial o de fibra óptica que se deben usar para conectar una red, la topología de la misma, niveles de voltaje para 0 y 1, forma de modulación de la señal y otras características eléctricas, así como la forma en que las antenas de microondas deben estar orientadas para comunicarse, y las características de propagación de ondas radiales en el caso de conexiones inalámbricas. También tiene atribuidos aspectos como la codificación de línea, el establecimiento de la velocidad de transmisión y la técnica usada para la misma. Por debajo de este nivel sólo encontramos el cableado o medio de transporte de la señal.

4

Equivalencia de los protocolos TCP/IP en un modelo OSI

El modelo TCP/IP se estructura en 5 capas, de las cuales establece los protocolos de las tres superiores (Aplicación, Transporte y red). La equivalencia sería la siguiente: Capa OSI

Protocolo TCP/IP

Aplicación

HTTP, FTP, SSH, SMTP...

Presentación

SSL, TLS

Sesión

Funciones de establecimiento de sesión de TCP

Transporte

TCP, UDP

Red

IP, ARP, RIP

Enlace de datos

(No definido por TCP/IP) Ethernet, ATM, Frame Realy

Física

(No definido por TCP/IP) XDSL, ISDN...

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