El modelo OSI

12.2 Introducción al modelo OSI

§1 Antecedentes

Durante los años 60 y 70 se crearon muchas tecnologías de redes. Cada una basada en un diseño específico de hardware. Estos sistemas eran construidos de una sola pieza; lo que podríamos llamar una arquitectura monolítica. Esto significa que los diseñadores debían ocuparse de todos los elementos involucrados en el proceso. Podemos suponer que estos elementos forman una cadena de transmisión que tiene diversas partes: los dispositivos físicos de conexión; los protocolos software y hardware usados en la comunicación; los programas de aplicación que realizaban la comunicación, y la interfaz hombre-máquina que permiten al humano utilizar la red. Este modelo, que considera la cadena como un todo monolítico, es poco práctico, pues el más pequeño cambio puede implicar alterar todos sus elementos.

El diseño original de Internet del Departamento de Defensa americano disponía un esquema de cuatro capas. Aunque data de los 70 es mas o menos el que se sigue utilizando:

Capa Física o de Acceso de Red ("Network Access Layer"). Responsable del envío de la información sobre el sistema hardware utilizado en cada caso. Se utiliza un protocolo distinto según el tipo de red física.
Capa de Red también llamada capa Internet ("Internet Layer"). Es la responsable de enviar los datos a través de las distintas redes físicas que pueden conectar una máquina origen con la de destino de la información. Los protocolos de transmisión, como el IP están íntimamente asociados a esta capa.
Capa de transporte ("Host-to-Host Layer"). Controla el establecimiento y fin de la conexión; control de flujo de datos; retransmisión de datos perdidos, y otros detalles de la transmisión entre dos sistemas. Los protocolos mas importantes a este nivel son TCP y UDP (mutuamente excluyentes).
Capa de aplicación ("Application layer"). Conformada por los protocolos que sirven directamente a los programas de usuario; Navegador, e-mail, FTP, TELNET, etc.

Respondiendo a la teoría general imperante el mundo de la computación, de diseñar el hardware por módulos y el software por capas, en 1978 la organización ISO (International Standards Organization www.iso.ch), propuso un modelo de comunicaciones para redes al que titularon "The reference model of Open Systems Interconnection", generalmente conocido como modelo OSI. Su filosofía se basa en descomponer la funcionalidad de la cadena de transmisión en diversos módulos, cuya interfaz con los adyacentes esté estandarizada. Esta filosofía de diseño presenta una doble ventaja: el cambio de un módulo no afecta necesariamente a la totalidad de la cadena. Además puede existir una cierta interoperabilidad entre diversos productos y fabricantes hardware/software, dado que los límites y las interfaces están perfectamente definidas. Esto supone por ejemplo, que dos softwares de comunicación distintos puedan utilizar el mismo medio físico de comunicación.

§2 Sinopsis

El modelo OSI tiene dos componentes principales:

Un modelo de red, denominado modelo básico de referencia ("Basic Reference Model") o capa de servicio ("Server-layer").
Una serie de protocolos concretos.

El modelo de red, aunque inspirado en el de Internet no tiene mas semejanzas con aquél. Está basado en un modelo de siete capas, mientras que el primitivo de Internet estaba basado en 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.

Nota: Observe que este modelo, al que se refieren absolutamente todos los libros que tratan de redes, es solo una abstracción conceptual, a la que se adapta (más o menos) la realidad física [2]. Sin embargo, las consecuencias de la aplicación de este punto de vista son de gran utilidad. El concepto subyacente es el mismo que nos permite poner los datos de dirección y remite en una carta; franquearla y depositarla en el buzón del servicio de correos sin preocuparnos de nada más. La carta sigue una serie de procesos dentro del servicio de correos sin que cada uno tenga que preocuparse de los que le han precedido o le sucederán. Finalmente, la carta es entregada al destinatario en su buzón, que solo tiene que leerla.

Generalmente los dispositivos utilizados en las redes circunscriben su operación a uno o varios de estos niveles. Por ejemplo, un concentrador ("Hub") 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 enrutador ("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 al la cabecera ("Header") del paquete cierta información adicional ("Protocol Header").

§3 Las capas del modelo OSI

La descripción esquemática de las diversas capas que componen este modelo es como sigue:

§3.1 Capa física -1-

("Physical layer"); 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 uni 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 ("Frame") 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 (ver a continuación).

Por ejemplo: este nivel define la medidas del cable coaxial Ethernet y de los conectores BNC utilizados. Otro ejemplo de estándares relativos a esta capa son RS-232 ( H2.5.1) para comunicaciones serie y X.21

§3.2 Capa de enlace -2-

("Data Link layer"). Puede decirse que esta capa traslada los mensajes hacia/desde la capa física a la capa de red (que veremos a continuación). Especifica como se organizan los datos cuando se transmiten en un medio particular. P.E. esta capa define como son los cuadros ("Frames"), las direcciones y las sumas de control ("Checksum") 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 ("Frames"), 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. El protocolo PPP [1] es ejemplo de esta capa.

La capa de enlace puede considerarse dividida en dos subcapas:

Control lógico de enlace LLC("Logical Link Control") 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 ("Medium Access Control"). 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 MAC ("MAC address" H12.4). Su principal tarea (que le proporciona el nombre -control de acceso-) 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 ( H12.4) es un típico ejemplo de esta subcapa.

§3.3 Capa de Red -3-

("Network layer"). Esta capa se ocupa de la transmisión de los datagramas (paquetes) y de encaminar cada uno en la dirección adecuada ("Routing"), tarea esta que puede ser complicada en redes grandes como Internet, pero no se ocupa para nada de los errores o pérdidas de paquetes. Por ejemplo, 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 ("Internet Protocol" A3.1).
Conmutación ("Switching"): Esta parte es la encargada de intercambiar información de conectividad específica de la red (su actividad es raramente percibida por el usuario). 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 ("Internet Control Message Protocol" A3.7), responsable de generar mensajes cuando ocurren errores en la transmisión y de un modo especial de eco que puede comprobarse mediante PING [3].

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

Webografía: OSI: The Network Layer www.cisco.com/warp/public/535/2.html

Esta página de Cisco Systems (en inglés) proporciona un autorizado resumen de los servicios y protocolos de la capa de red.

§3.4 Capa de Transporte -4-

("Transport layer"). Esta capa se ocupa de garantizar la fiabilidad del servicio, describe la calidad y naturaleza del envío de datos. P.E. 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 multiplexando 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 típico de protocolo usado en esta capa es TCP ("Transport Control Protocol" A3.1), que con su homólogo IP de la capa de Red, configuran la suite TCP/IP utilizada en Internet, aunque existen otros como UDP ("Universal Datagram Protocol") una capa de transporte utilizada también en Internet por algunos programas de aplicación.

§3.5 Capa de Sesión -5-

("Session Layer"). 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. Por ejemplo, las comunicaciones de Internet no la utilizan.

Nota: Algunos autores indican que la capa de sesión es meramente una consideración teórica de los autores del modelo sin absolutamente ninguna utilidad práctica conocida.

§3.6 Capa de Presentación -6-

("Presentation layer"). Esta capa se ocupa de los aspectos semánticos de la comunicación (describe la sintaxis de los datos a transmitir), estableciendo los arreglos necesarios para que puedan comunicar máquinas que utilicen diversa representación interna para los datos. P.E. describe como pueden transferirse números de coma flotante entre equipos que utilizan distintos formatos matemáticos. Esta capa es buena candidata para implementar aplicaciones de criptografía.

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

Nota: Con esta capa ocurre algo parecido a la anterior. En teoría cliente y servidor debían negociar el formato a utilizar, y esta función, y el correspondiente formateo de los datos, sería el objeto de esta capa. Sin embargo, esto, que tenía cierto sentido en la década de los 70, cuando gran parte del trabajo de redes estaba relacionado con la entrada y salida de datos a grandes ordenadores utilizando terminales "Tontas" de diversos tipos (que utilizaban códigos de control ligeramente distintos) no tiene ya mucho sentido.

Actualmente el panorama ha cambiado; solo existe una opción para el formato de datos, a pesar de lo cual, el protocolo OSI sigue negociando un esquema de codificación (el único disponible). En Internet, el único servicio que utiliza esta capa es TELNET, que precisamente es un servicio de acceso a servidores desde terminales remotos. En este caso, la capa de presentación es la que se encarga de configurar el terminal para conectar a un servidor de características particulares.

§3.7 Capa de Aplicación -7-

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

Ejemplos de protocolos utilizados por los programas de esta capa son HTTP, SMTP, POP, IMAP etc.

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[1] PPP ("Point-to-Point Protocol"). Un protocolo utilizado para enviar paquetes punto-a-punto sobre líneas serie. Es uno de los más utilizados en Internet para comunicaciones sobre líneas telefónicas (comunicación con otras redes a través de módem), ya que permite utilizar sobre él otros protocolos de más alto nivel (más cercanos a la capa de Aplicación), como IPX/SPX y TCP/IP. Puede ser utilizado también sobre conexiones de red distintas de las telefónicas. Windows lo instala cuando se instala un módem o servicio de RAS.

[2] La disección del funcionamiento del hardware y software de comunicaciones para asimilarlos a las distintas capas del modelo OSI se hace cada vez más complicado. En especial porque han surgido especificaciones para comunicaciones avanzadas de red que permiten que un cierto protocolo (por ejemplo TCP/IP) pueda utilizar diversos adaptadores de red, y que un adaptador físico pueda utilizar diversos protocolos software. Estas especificaciones son NDIS ("Network Driver Interface Specification") y ODI ("Open Data-Link Interface"), desarrolladas respectivamente por Microsoft-3Com y Apple-Novell.

[3] PING ("Packet Internetwork Groper") Rastreador de paquetes en redes. Un programa muy útil para averiguar determinados aspectos de las comunicaciones en redes IP ( Ap.C).

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