Tema 7: El modelo TCP/IP y el modelo OSI

Modelo de referencia OSI

El modelo de referencia de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI, Open Systems Interconnection) es un modelo conceptual desarrollado por la Organización Internacional de Normalización (ISO) para entender, diseñar y estructurar la arquitectura de las redes de comunicaciones. No es una implementación concreta ni un protocolo, sino un marco teórico que estandariza las funciones de comunicación con independencia del fabricante, permitiendo la interconexión de sistemas heterogéneos («abiertos»).

La ISO inició los trabajos sobre este modelo en la década de 1970, con el propósito de crear un estándar global que permitiera la interconexión de sistemas abiertos. La norma se publicó por primera vez en 1984 y su versión vigente es la ISO/IEC 7498-1:1994 (Information technology — Open Systems Interconnection — Basic Reference Model: The Basic Model).

Las siete capas

OSI divide la comunicación en siete capas que colaboran entre sí para transmitir los datos a través de la red. De la superior a la inferior son:

7. Aplicación → 6. Presentación → 5. Sesión → 4. Transporte → 3. Red → 2. Enlace de datos → 1. Física.

Cada capa presta servicio a la capa inmediatamente superior y se apoya en la inferior; ninguna trabaja aislada. Una regla mnemotécnica frecuente es «Please Do Not Throw Sausage Pizza Away» (Physical, Data link, Network, Transport, Session, Presentation, Application).

Capa física (1)

Es responsable de establecer y mantener la conexión física real entre dispositivos y de convertir la señal recibida en bits. Sus tres funciones principales relativas a la transmisión son la sincronización de bits (relojes emisor y receptor coordinados), el control de la velocidad de transmisión (bit rate) y la definición de las topologías físicas (bus, estrella, anillo, malla). También fija características eléctricas, mecánicas y de señalización del medio.

Capa de enlace de datos (2)

Se encarga de la transferencia de datos libre de errores de un nodo a otro sobre la capa física; controla la transmisión y recepción de tramas en el controlador de dispositivo. Se subdivide en dos subcapas:

• LLC (Control de Enlace Lógico, Logical Link Control): multiplexado de protocolos y control de flujo/errores hacia la capa de red (IEEE 802.2).

• MAC (Control de Acceso al Medio, Media Access Control): gestiona el acceso al medio compartido y el direccionamiento físico (dirección MAC).

Funciones clave de esta capa:

• Enmarcado (framing): permite al emisor delimitar un conjunto de bits significativos para el receptor añadiendo patrones de bits especiales al principio y al final de la trama.

• Control de flujo: coordina la cantidad de datos que se pueden enviar antes de recibir el acuse de recibo (ACK), evitando saturar al receptor.

• Detección de vecinos: el protocolo LLDP (Link Layer Discovery Protocol), normalizado en IEEE 802.1AB, es un protocolo de la capa de enlace de datos que permite que los dispositivos anuncien su identidad, capacidades y vecinos a los pares conectados directamente en una LAN. Es independiente del fabricante y complementa a protocolos propietarios como CDP.

En redes inalámbricas, la arquitectura MAC del estándar IEEE 802.11 se compone de dos funcionalidades básicas: la Función de Coordinación Distribuida (DCF, Distributed Coordination Function), basada en CSMA/CA, y la Función de Coordinación Puntual (PCF, Point Coordination Function), un acceso centralizado y sin contienda gestionado por el punto de acceso.

Capa de red (3)

Su función principal es la transmisión de datos de un host a otro ubicados en redes diferentes, es decir, el encaminamiento entre redes. Utiliza direccionamiento lógico (por ejemplo, direcciones IP), a diferencia del direccionamiento físico de la capa 2. El protocolo IP se ubica en la Capa 3, la capa de red.

Capa de transporte (4)

Responsable de la segmentación y el reensamblaje de los datos, así como del control extremo a extremo (control de flujo, control de errores y, en TCP, entrega fiable y ordenada). Advertencia habitual de examen: no le corresponde establecer y finalizar las conexiones entre aplicaciones locales y remotas —esa es labor de la capa de sesión—; atribuir esa función a la capa de transporte es una afirmación incorrecta.

Capa de sesión (5)

Establece, mantiene y finaliza las conexiones (sesiones) entre procesos de aplicaciones. Aporta:

• Control de diálogo: gestiona la comunicación half-duplex o full-duplex entre sistemas.

• Sincronización: inserta puntos de verificación (checkpoints) en el flujo de datos para poder reanudar la transmisión desde el último punto válido tras un fallo.

Capa de presentación (6)

Actúa como «traductor» de la red: se encarga del formato de los datos que se intercambian entre las aplicaciones y de prepararlos para su consumo por estas. Sus tres funciones son la traducción/negociación de la sintaxis de transferencia, el cifrado (convierte los datos a una forma o código diferente para su seguridad) y la compresión (reduce la cantidad de bits que deben transmitirse en la red, mejorando el rendimiento).

Capa de aplicación (7)

Es la más cercana al usuario: su objetivo es facilitar la interacción directa con los datos del usuario, implementar las aplicaciones de red (HTTP, FTP, SMTP, DNS…) y producir los datos para su transferencia. No realiza control de flujo —esa función corresponde a las capas de transporte y de enlace de datos—, por lo que el control de flujo no es una función de la capa de aplicación.

Fuentes

• ISO/IEC 7498-1:1994, Information technology — Open Systems Interconnection — Basic Reference Model: The Basic Model. https://www.iso.org/standard/20269.html

• IEEE Std 802.1AB — Station and Media Access Control Connectivity Discovery (LLDP). https://en.wikipedia.org/wiki/Link_Layer_Discovery_Protocol

• IEEE Std 802.2 (LLC) e IEEE Std 802 — subcapas LLC/MAC de la capa de enlace.

• IEEE Std 802.11 — Función de Coordinación Distribuida (DCF) y Puntual (PCF). https://en.wikipedia.org/wiki/Distributed_coordination_function y https://en.wikipedia.org/wiki/Point_coordination_function

• OSI model — resumen normativo de las siete capas. https://en.wikipedia.org/wiki/OSI_model

El modelo TCP/IP

TCP/IP es la sigla de Protocolo de Control de Transmisión / Protocolo de Internet (Transmission Control Protocol / Internet Protocol). Es, en sentido estricto, un conjunto o pila de protocolos de comunicación de red que permite un intercambio de datos fiable entre equipos, y constituye el modelo de referencia de protocolos de red más utilizado en la actualidad: es el protocolo estándar que se emplea a nivel mundial para conectarse a Internet y a los servidores web.

El modelo se conoce también como modelo DoD (Department of Defense), porque nació de los trabajos de ARPANET financiados por el Departamento de Defensa de EE. UU. La especificación de referencia para hosts es la RFC 1122 del IETF, que fija sus cuatro niveles.

Las cuatro capas del modelo TCP/IP

El modelo TCP/IP está compuesto por cuatro capas, ordenadas de arriba (más cercana al usuario) a abajo (más cercana al medio físico):

1. APLICACIÓN

2. TRANSPORTE

3. INTERNET (o de red)

4. ACCESO AL MEDIO (o de enlace / acceso a la red)

Cada capa presta servicio a la contigua: en el modelo TCP/IP las capas se comunican con su capa superior y con su capa inferior, encapsulando y desencapsulando los datos a medida que suben o bajan por la pila.

Capa de aplicación

Es la capa superior. Suministra las aplicaciones de red —como Telnet, FTP o SMTP, además de DNS, SNMP o HTTP— que se comunican con las capas inferiores apoyándose en los protocolos de transporte TCP o UDP. Aquí residen tanto los protocolos de usuario como los de soporte que dan servicio directo a los procesos del usuario.

Capa de transporte

Proporciona la comunicación extremo a extremo entre procesos. Sus dos protocolos son TCP (orientado a conexión y fiable, con control de flujo y de errores) y UDP (sin conexión, ligero, basado en datagramas). Es la que aporta al conjunto la fiabilidad en el intercambio de datos cuando se usa TCP.

Capa de Internet (capa de red)

Es la capa que administra las direcciones IP. Su función definitoria es encargarse de enrutar los paquetes de datos a través de la red, permitiendo la comunicación entre dispositivos que se encuentran en redes diferentes. Dicho de otro modo, la capa de Internet permite la interconexión y el funcionamiento interno de diferentes redes IP. El protocolo principal es IP, acompañado de ICMP (mensajes de control y error) e IGMP (gestión de grupos). Realiza también el direccionamiento y la fragmentación/reensamblado de los datagramas.

Capa de acceso al medio (enlace)

Es la capa inferior, que interactúa directamente con el hardware de red. En ella se tienen en cuenta los hosts accesibles en la red local. Puede implementarse sobre cualquier tecnología de la capa de enlace —Ethernet, IEEE 802, Wi-Fi, PPP, etc.— de ahí su enorme portabilidad. En esta capa, a través del controlador de dispositivo (driver) de la tarjeta de red, se controlan la transmisión y la recepción de paquetes en el enlace.

Comparación con el modelo OSI de ISO

El modelo OSI (Open Systems Interconnection), normalizado por ISO en la norma ISO/IEC 7498-1 (equivalente a la Recomendación ITU-T X.200), define siete capas: física, enlace de datos, red, transporte, sesión, presentación y aplicación. El modelo TCP/IP, en cambio, tiene cuatro capas (modelo DoD).

La relación histórica entre ambos es clave: el modelo OSI surgió como un diseño teórico de una red y de sus necesidades, mientras que el modelo TCP/IP se basó en adaptar los protocolos ya operativos a ese marco teórico. Por eso se dice que TCP/IP es un modelo de referencia práctico y OSI es un modelo teórico.

La diferencia estructural más citada es que el modelo TCP/IP no incluye las capas de presentación y de sesión que sí tiene el modelo OSI. En la correspondencia entre ambos, la capa de aplicación del modelo TCP/IP agrupa las tres capas superiores del OSI: la quinta (sesión), la sexta (presentación) y la séptima (aplicación). Comparado con el modelo DoD, el modelo OSI tiene siete capas mientras que el modelo DoD solo tiene cuatro.

Ventajas y desventajas del modelo TCP/IP

Ventajas:

• Es capaz de trabajar sobre una extensa gama de hardware y soporta muchos sistemas operativos, gracias a su independencia de la tecnología de enlace subyacente.

• Es adecuado tanto para grandes y medianas redes como para redes empresariales o domésticas.

• Estandarización mundial: al ser el protocolo estándar de Internet, garantiza la interoperabilidad entre fabricantes y plataformas.

Desventajas:

• No distingue bien entre interfaces, protocolos y servicios, lo cual afecta al desarrollo de nuevas tecnologías basadas en TCP/IP.

• Puede ser más lento en redes con mayor volumen de tráfico que necesiten gran cantidad de enrutamiento, por la sobrecarga de procesamiento asociada.

En conjunto, el modelo TCP/IP se impuso como estándar de facto por su enfoque pragmático: nació de protocolos que ya funcionaban, es sencillo (cuatro capas) y extraordinariamente portable, frente al modelo OSI, más completo y didáctico pero fundamentalmente teórico.

Fuentes

• IETF, RFC 1122, Requirements for Internet Hosts — Communication Layers (capas Aplicación, Transporte, Internet y Enlace del conjunto TCP/IP): https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc1122

• ISO/IEC 7498-1:1994, Information technology — Open Systems Interconnection — Basic Reference Model (las siete capas del modelo OSI): https://www.iso.org/standard/20269.html

• ITU-T Recommendation X.200 (equivalente a ISO/IEC 7498-1): https://www.itu.int/rec/T-REC-X.200/en

• IETF, RFC 1123, Requirements for Internet Hosts — Application and Support: https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc1123

La capa de red (Internet) en el modelo TCP/IP

En la arquitectura TCP/IP, la capa de Internet (equivalente a la capa 3 o de red del modelo OSI) es la responsable del encaminamiento (routing), es decir, del proceso de enviar datos a través de múltiples redes interconectadas hasta el destino final. Fragmenta cada mensaje en unidades llamadas datagramas IP y los entrega de forma independiente. Los protocolos que pertenecen a esta capa son, entre otros, IP, ICMP, ARP, NDP, IGMP y los protocolos de encaminamiento (OSPF, RIP, etc.).

Protocolo IP: IPv4 e IPv6

El Protocolo de Internet (IP) ofrece un servicio de entrega de paquetes no orientado a conexión y no fiable («best effort»): no garantiza la entrega ni el orden, y cada paquete se trata de forma independiente (por eso IP no es orientado a conexión). La fiabilidad y el control de conexión los aporta la capa superior (TCP).

IPv4

• Definido en el RFC 791.

• Utiliza direcciones de 32 bits (unos 4.300 millones de direcciones).

• La cabecera tiene una longitud mínima de 20 bytes (160 bits) y variable hasta 60 bytes según las opciones.

• El campo Total Length es de 16 bits, por lo que el tamaño máximo del datagrama es de 65.535 bytes (2¹⁶−1).

IPv6

• Especificado en el RFC 8200.

• Utiliza direcciones de 128 bits, lo que le proporciona un rango de direcciones muchísimo mayor que IPv4.

• La cabecera fija tiene una longitud total de 40 bytes (320 bits), equivalente a 0,04 kilobytes, y es de tamaño fijo.

• Campos de la cabecera fija: Version (4 bits), Traffic Class / Clase de Tráfico (8 bits), Flow Label (20 bits), Payload Length (16 bits), Next Header (8 bits) y Hop Limit / Límite de saltos (8 bits).

• El campo Hop Limit indica el número máximo de saltos que un paquete puede dar antes de ser descartado (sustituye al TTL de IPv4 y evita bucles de encaminamiento).

Ventajas de IPv6 sobre IPv4: espacio de direcciones mucho mayor, configuración automática de direcciones (SLAAC), y una jerarquía estructurada del direccionamiento que reduce el tamaño de las tablas de encaminamiento.

Cabeceras de extensión: en IPv6 la funcionalidad opcional se desplaza a cabeceras de extensión encadenadas (Hop-by-Hop Options, Routing, Fragmentación, Authentication Header, ESP, Destination Options). Es importante distinguir: el campo fragmento desaparece de la cabecera básica de IPv4 y pasa a ser una cabecera de extensión en IPv6 (el enrutador ya no fragmenta). En cambio, el Límite de saltos (Hop Limit) NO es una cabecera de extensión, sino un campo de la cabecera fija.

Nota sobre IPsec: aunque IPv6 se diseñó con soporte nativo, es falso que IPsec sea obligatorio tanto en IPv4 como en IPv6; el RFC 6434 lo rebajó a recomendación (SHOULD).

Coexistencia IPv4/IPv6: los tres mecanismos que permiten su funcionamiento simultáneo son doble pila (dual stack), túneles (tunneling) y traducción (translation).

Protocolos ICMP, ARP y NDP

• ICMP (Internet Control Message Protocol): protocolo de la capa de Internet que gestiona los mensajes de error y de control para IP (por ejemplo, destino inalcanzable o tiempo excedido, usados por herramientas como ping y traceroute).

• ARP (Address Resolution Protocol): obtiene la dirección física (MAC) de un host a partir de su dirección IP (lógica). Mapea dinámicamente las direcciones de Internet en las direcciones hardware exclusivas de la red de área local; lo utiliza la capa de enlace para conocer la MAC del receptor.

• NDP (Neighbor Discovery Protocol): equivalente funcional de ARP en IPv6, también de la capa de Internet.

Direccionamiento y subnetting IPv4

Una máscara de subred separa la parte de red de la parte de host. Operaciones fundamentales:

• Dirección de red: IP AND máscara. Ej.: 34.254.0.17 con máscara 255.0.0.0 → 34.0.0.0. La 192.168.30.200 con /25 (255.255.255.128) → 192.168.30.128.

• Dirección de broadcast (difusión): poner a 1 todos los bits de host. Ej.: 34.254.0.17 clase A → 34.255.255.255; 213.114.93.0 con /26 → 213.114.93.63.

• Wildcard: complemento de la máscara. Para /24 → 0.0.0.255; para 255.240.0.0 → 0.15.255.255.

• Número de hosts: 2^(bits de host) − 2. Un /24 admite 254 hosts; un /30 admite 2 hosts.

• Número de subredes: 2^(bits prestados). Desde un /24, crear 16 subredes requiere prestar 4 bits → /28 = 255.255.255.240; 28 subredes requieren 5 bits → /29 = 255.255.255.248. Desde 10.0.0.0/8, 600 subredes requieren 10 bits (2¹⁰=1024 ≥ 600) → /18.

Dos hosts están en la misma red si su operación AND con la máscara da la misma dirección de red.

NAT (Network Address Translation)

NAT permite que redes con direcciones privadas se conecten a Internet mediante direcciones públicas, sustituyendo unas por otras. Modos:

• NAT estático: traducción fija uno a uno entre una IP privada y una misma IP pública; hace que un host interno sea visible desde Internet.

• NAT dinámico: asigna dinámicamente una IP pública disponible del pool a cada IP privada cuando se inicia una conexión.

• NAT de sobrecarga (PAT/overload): permite que varios dispositivos internos compartan una única IP pública, distinguiéndolos por puertos. Cuando llega tráfico a un puerto, el router lo reenvía a la IP privada y puerto correspondientes según su tabla de traducción.

Protocolos de encaminamiento

Se clasifican por el algoritmo que usan:

OSPF (Open Shortest Path First) es un protocolo de estado de enlace que utiliza el algoritmo de Dijkstra para calcular el trayecto más corto; es un IGP de encaminamiento jerárquico interior. RIPng es la versión de RIP para IPv6 (no para IPv4).

Configuración en Linux (Red Hat)

En sistemas Red Hat/CentOS clásicos, la IP de una interfaz se define en el fichero /etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-eth0, modificando el parámetro IPADDR (junto a NETMASK, GATEWAY, etc.).

Fuentes

• IETF, RFC 791 — Internet Protocol (IPv4): https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc791

• IETF, RFC 8200 — Internet Protocol, Version 6 (IPv6) Specification: https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc8200

• IETF, RFC 6434 — IPv6 Node Requirements (IPsec como recomendación): https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc6434

• IETF, RFC 826 — Address Resolution Protocol (ARP): https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc826

• IETF, RFC 792 — Internet Control Message Protocol (ICMP): https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc792

• IETF, RFC 2453 / RFC 2080 — RIP v2 y RIPng: https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc2080

• IETF, RFC 2328 — OSPF Version 2: https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc2328

Protocolos de transporte y aplicación en TCP/IP y OSI

La arquitectura de red se describe mediante dos modelos de referencia: el modelo OSI de ISO (siete capas: física, enlace, red, transporte, sesión, presentación y aplicación) y el modelo TCP/IP, que agrupa la funcionalidad en cuatro niveles (acceso al medio/enlace, internet/red, transporte y aplicación). Este sub-tema se centra en las dos capas superiores comunes a ambos: la capa de transporte y la capa de aplicación.

La capa de transporte

Tanto en OSI como en TCP/IP, la capa de transporte es la responsable de la entrega extremo a extremo del mensaje completo entre dos procesos, así como de la implementación del control de flujo y del control de errores (y, según el protocolo, del control de congestión). Es la capa que conoce el estado de la transmisión y la que utiliza los puertos para asociar un tipo de aplicación con un tipo de dato. Su objetivo es proporcionar canales de transmisión específicos y fiables, controlando el flujo de datos en la red y garantizando que el mensaje llegue al proceso correcto en el receptor.

Direccionamiento por puertos

Un puerto de red es un canal de comunicación asignado a una aplicación, es decir, un identificador que permite multiplexar varios procesos sobre un mismo host. Este mecanismo se denomina direccionamiento de punto de servicio (service-point addressing): su propósito es entregar el mensaje al proceso correcto en la máquina de destino. Tanto TCP como UDP emplean un espacio de direcciones de puerto de 16 bits, por lo que existen 65 536 puertos (numerados del 0 al 65535). Según la IANA (RFC 6335) se dividen en tres rangos: puertos bien conocidos o de sistema (0-1023), puertos registrados o de usuario (1024-49151) y puertos dinámicos/efímeros (49152-65535).

TCP frente a UDP

La capa de transporte de TCP/IP ofrece dos protocolos con filosofías opuestas:

TCP (Transmission Control Protocol, RFC 9293) es un protocolo de transporte de datos que controla la transmisión de datos entre los ordenadores de una red. Administra la transferencia de datos y garantiza que los datos recibidos sean idénticos a los transmitidos, asegurando que los paquetes lleguen a su destino en orden y sin errores. Al ser orientado a conexión, establece un canal de comunicación (mediante un intercambio de sincronización de tres vías) antes de enviar datos, y proporciona control de flujo, control de congestión y fiabilidad.

UDP (User Datagram Protocol, RFC 768) es no orientado a conexión, pertenece a la capa de transporte y trabaja con datagramas. Es un protocolo ligero y poco fiable: no obliga al nivel de red a verificar que el envío es correcto, no garantiza entrega ni orden y no establece conexión previa. UDP no pertenece al nivel de enlace (afirmar lo contrario es falso: es un protocolo de transporte). Otros protocolos orientados a conexión además de TCP son ATM y Frame Relay.

La capa de aplicación

La capa de aplicación aloja los protocolos con los que interactúan los servicios y usuarios. En TCP/IP suele distinguirse entre protocolos de usuario, empleados por las aplicaciones reales del usuario final (por ejemplo FTP, HTTP o Telnet), y protocolos de soporte, que brindan servicios a la propia infraestructura de red (por ejemplo DNS o NTP).

Protocolos de aplicación relevantes

• HTTP (HyperText Transfer Protocol, RFC 9110): protocolo de la capa de aplicación para la transferencia de hipertexto. Sus métodos incluyen GET, usado para solicitar recursos de un servidor, y POST, usado para enviar datos a un servidor sin que aparezcan visibles en la URL. Entre sus códigos de respuesta, el 400 (Bad Request) indica que la solicitud contiene errores de sintaxis o no puede procesarse por un error del cliente.

• FTP (File Transfer Protocol): protocolo para la transferencia de archivos en la red; es un ejemplo típico de protocolo de usuario.

• Telnet: protocolo de acceso remoto en modo terminal, cuyo puerto estándar es el 23.

• DNS (Domain Name System): resuelve nombres de dominio a direcciones IP. Para comprobar que un servidor DNS resuelve bien un nombre (p. ej. www.grr.es) se emplea el comando nslookup www.grr.es.

• NTP (Network Time Protocol): sincroniza la hora entre equipos. En servidores Linux Red Hat, el fichero de configuración es /etc/ntp.conf (donde se especifican las IP de los servidores NTP), y para comprobar si ya se ha sincronizado se usa ntpdc -c loopinfo.

• SRTP (Secure Real-time Transport Protocol, RFC 3711): protocolo seguro de transporte en tiempo real utilizado en telefonía IP (VoIP), que añade cifrado, autenticación de mensajes y protección contra reproducción al flujo RTP. Protocolos como SIP, RTP o SRTP están ligados a la telefonía IP; en cambio NETCDF (formato de datos científicos) no tiene relación con la telefonía IP.

Ficheros de configuración de red en Linux Red Hat

En la administración de servidores Linux (Red Hat), dos ficheros son clave:

• /etc/resolv.conf: archivo que se modifica manualmente para establecer los servidores DNS que usará el sistema.

• /etc/ntp.conf: archivo que se modifica para especificar la IP de los servidores NTP.

Fuentes

• IETF RFC 9293 — Transmission Control Protocol (TCP): https://datatracker.ietf.org/doc/rfc9293/

• IETF RFC 768 — User Datagram Protocol (UDP): https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc768.html

• IETF RFC 6335 — IANA Procedures for Service Name and Transport Protocol Port Number Registry (rangos de puertos 0-65535): https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc6335

• IETF RFC 9110 — HTTP Semantics (métodos GET/POST, código 400): https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc9110

• IETF RFC 3711 — The Secure Real-time Transport Protocol (SRTP): https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc3711

• IETF RFC 854 — Telnet Protocol Specification (puerto 23): https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc854

• IETF RFC 959 — File Transfer Protocol (FTP): https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc959

• ISO/IEC 7498-1 — Modelo de referencia OSI: https://www.iso.org/standard/20269.html