El modelo TCP/IP capa a capa

Concepto: Modelo TCP/IP

Dificultad: Básica

Tema: Introducción

Resumen: Modelo de los diferentes protocolos sobre redes divididos en capas o niveles en función de lo que estos tratan.

Todo funciona gracias a algo. En este caso, si hablamos de las comunicaciones, es decir, del envío de mensajes entre máquinas computacionales le debemos las gracias al modelo TCP/IP. Actualmente, la arquitectura TCP/IP es el estandarte del mundo de las redes de computadores y el que especifica los diferentes protocolos asignados a cada capa.

Contenidos del artículo

Qué es el protocolo TCP/IP

Tengo que decirte que empiezas mal. El modelo TCP/IP no es un protocolo en sí, sino un modelo (valga la redundancia).

El modelo TCP/IP es una aplicación a Internet del modelo OSI. Comprende un seguido de protocolos distribuidos en diferentes capas o niveles. La unión de todos estos protocolos y capas posibilita el envío de mensajes y señales entre diferentes redes de ordenadores.

Por ejemplo, si desde tu ordenador personal te conectas a una página web, probablemente use los siguientes protocolos:

En la Capa de Aplicación: el protocolo HTTP. Es una web.
En la Capa de Transporte: El protocolo TCP. No queremos que se pierdan datos por el camino.
En la capa de Internet: El protocolo IP ayudado del ICMP por si hay algún problema.
En la Capa de Interfaz de red (Física): Ethernet. Internet funciona gran parte con Ethernet.

Aunque en la realidad todo es mucho más complejo, es una buena forma de acercarnos y empezar a entender cómo funcionan las redes informáticas. En la siguiente imagen podéis ver un esquema de los principales protocolos en función de la capa.

que es tcp/ip — Overview del modelo TCP/IP – Imagen 1

Cuando se creó Internet habían muchos más modelos de redes. Eso originaba muchos problemas, ya que cada una tenía sus propias reglas de estandarización. Sin embargo, a mediados de los 80 el modelo OSI de ISO estandarizó los diferentes protocolos, que más tarde se transformó en TCP/IP. Hoy en día es la más usada por mucho.

funcionamiento TCP IP — Funncionamiento TCP/IP junto con el de OSI – Imagen 2

En la anterior imagen podemos observar que los mensajes salen del nivel aplicación de un host, pasan al de transporte, viajan por Internet a través de cables y routers, switches y hubs para acceder a la red y después volver a subir a la capa de Internet, transporte y aplicación del host destino.

Encapsulamiento IP

Cada nivel proporciona una cabecera que ejecuta funciones y proporciona servicios al nivel superior. Por eso, los mensajes TCP/IP se encapsulan de la siguiente manera:

Encapsulación TCP/IP — Encapsulamiento TCP/IP – Imagen 3

Cada vez que pasan por una capa esta añade su cabecera al mensaje original (Data) como si de matrioshkas se tratara (se encapsulan uno dentro de otro). Cuando llega a su máquina destino, esta lo va desenvolviendo poco a poco quedándose con la información que le proporciona cada cabecera.

Primero simplemente tenemos datos. Cuando la capa aplicación crea su mensaje se lo envía a la capa de transporte, allí al añadirle la cabecera encapsula los datos en un Segmento. Posteriormente pasa a la capa IP y una vez añadida la cabecera correspondiente tenemos un datagrama o paquete. Finalmente, la capa física o de acceso a la red lo transforma en una Trama (Frame), su forma final y más extensa.

¿Qué significa el modelo TCP/IP?

Su nombre proviene de sus dos protocolos más importantes, que a la vez dan nombre a su capa. El Internet Protocol o IP, que da nombre a la capa de red, y el Transmission Control Protocol o TCP, que da nombre a la capa de Transporte.

La comunicación entre los diferentes niveles se realiza de forma horizontal (ver imagen 2) o lo que es lo mismo, host to host. Es decir, que el contenido del nivel 4, el de transporte, solamente lo leerá el nivel 4 de la máquina receptora del mensaje. Todos los routers, switches, hubs, etc que se encuentren entre medio trabajarán a niveles inferiores y NO LEERÁN NI TOCARÁN dicha cabecera. Si entendiste el apartado anterior verás que es obvio lo que digo.

Capas de modelo TCP/IP

El hecho de que el TCP/IP provenga del OSI de ISO determina en gran medida cuantas capas tiene dicho modelo, como veremos más adelante cuando los comparemos.

Son 4 y su arquitectura tcp/ip queda determinada de la siguiente forma:

La capa física o de enlace con la red
La capa de Internet o IP
La capa de transporte o TCP
La capa de aplicación

modelo TCP IP — Así luce el modelo TCP/IP – Imagen 4

Capa Física o de acceso a la red

Especifica qué características hardware se usará para la red y como deben enrutarse los datos.

Es donde se determina la topografía de la web a través de routers, hubs y switches. En función de cómo usemos estos aparatos podremos tener redes de área local o LAN, redes de área extendida y redes de área extendida sin cables (WAN/WLAN) y o redes de área metropolitana o MAN.

Protocolos de la capa física del modelo:

CSMA/CD: Se ocupa de gestionar la velocidad de transmisión de datos.
Ethernet: Enlaza el mensaje para poderlo conectar con la capa de red.

Capa de Internet del modelo TCP/IP

La función de la capa de acceso a red del modelo tcp/ip o capa IP es proporcionar el paquete de datos (datagrama)

Sus protocolos asociados más importantes son los siguientes:

IP (Internet Protocol): Es el núcleo de todo el modelo. Usado para especificar la dirección IP, determinando así la ruta que tiene que seguir el paquete. Y lo fragmenta y reensambla para que se pueda transmitir sin perder información.
ICMP (Internet Control Message Protocol): Proporciona mensajes de diagnóstico y notificación de errores cuando fallan los datagramas IP.
ARP (Adress Resolution Protocol): Ayuda al protocolo IP a dirigir los datos. resolviendo la dirección hardware o MAC.
RARP (Reverse Adress Resolution Protocol): Lo mismo que el ARP pero al revés, es decir, dada la MAC te devuelve la IP.
NAT (Network Adress Translation): Traduce la dirección Ip privada a una pública.
RIP (Rounting Information Protocol): Usado por los routers para intercambiar información de las distintas redes y encaminar con mayor eficiencia los paquetes.

Capa de Transporte (TCP)

La función de la capa de transporte del modelo tcp/ip es garantizar que los paquetes lleguen sin errores y en secuencia, uno después de otro (si llegan 2 o más paquetes a la vez se produce una colisión, gracias a esta capa evitamos que esto pase. A eso se le llama multiplexación de datagramas)

UDP (User Datagram Protocol): Implementa una transmisión no fiable, es decir, que no está libre de errores. Usada en aplicaciones de streaming y con actualizaciones en tiempo real donde no importa tanto que el mensaje llegue sí o sí en su totalidad: vídeos, peliculas, streamings, conferencias, etc. (si no llegan todos los mensajes se perderá calidad de imagen).
TCP (Transmission Control Protocol): Implementa una transmisión fiable de datos. Es mucho más complejo ya que incluye detección de errores y formas de recuperar los datos perdidos.

Capa de Aplicación

La función depende de la aplicación que se use, pero se podría resumir en proporcionar servicios de red que proporcionan la interfaz con el sistema operativo para que el usuario pueda interactuar acorde con la máquina ya sea enviando correos y datos o descargando información.

FTP (File Transfer Protocol): Transferencia interactiva de archivos.
TELNET: Iniciación de la sesión de forma remota en máquinas de la red.
HTTP (Hypertext Transfer Protocol): Transferir archivos que forman las páginas web de la World Wide Web.
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): Transferencia de mensajes de correo electrónico y archivos adjuntos.
DNS (Domain Name System): Resolución del nombre de un host a la dirección IP.

Ejemplo del funcionamiento del modelo TCP IP

Un ordenador, el PC A, se quiere conectar a un servidor web a través de HTTP, PC B. El hardware de la topología de red está indicado arriba mientras el software o protocolos usados está indicado en la parte de abajo. Veamos desde el punto de vista del modelo TCP IP cómo ejemplificaríamos dicha conexión:

Los círculos morados indican el principio y el final de la conexión. Como vemos, El mensaje va pasando por las diferentes capas del PC A hasta llegar a la capa física. Lo mismo con el switch ethernet, pero este solamente trabaja en el nivel más bajo. El router en cambio sí que trabaja en la capa IP, por lo que el mensaje se desencapsula hasta dicho nivel.

Se sigue este patrón hasta que el PC B retira todas las cabeceras y lee el contenido de este.

Hay muchos más ejemplos de TCP IP que te podría mostrar. Sin embargo lo importante es captar la esencia de este: La independencia entre niveles y la comunicación horizontal entre estos.

Para resumir y acabar de entender ideas, a continuación puedes ver el siguiente vídeo, cortesía de la Universitat Politècnica de València.

Comparación entre los modelos TCP/IP y OSI

La diferencia consiste en cómo presentan sus capas. Mientras El modelo OSI tiene 7, el modelo TCP/IP las agrupa en solamente 4. De esta forma:

Las capas TCP e IP se quedan igual
La capa aplicación de TCP/IP agrupa las capas de Sesión, Presentación y Aplicación de OSI.
La capa de acceso a la red de TCP/IP comprende las capas física y de enlace del modelo ISO de OSI.

¿Quién fue el creador del protocolo TCP/IP? ¿Cómo nació el protocolo TCP/IP?

Dicho modelo fue creado por Vint Cerf y su equipo durante el 1974 en Stanford.

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