Modelo de Referencia OSI para Redes de Comunicación

Por: Internet Working Technology, Handbook-Cisco 5ystems Inc. (www.cisco.com)
ISA InTech México,
Edición Abril – Junio 2008.

La globalización del mundo moderno requiere que la información de las empresas fluya con rapidez, eficiencia y seguridad entre diferentes redes de comunicación, y llegue oportunamente a los dirigentes que toman las decisiones del negocio. Las primeras redes se basaban en el concepto de tiempo-compartido (time-sharing). IBM y Digital fueron pioneros en estas arquitecturas. Con la llegada de las PC fue necesario desarrollar un protocolo que contribuyera a intercambiar mensajes, archivos, y recursos, tales como impresoras y servidores.

Fue así como se desarrolló una red de comunicación con un alcance geográfico limitado, esto es, dentro de una oficina, y se acuño el término de Red de Área Local (LAN por sus siglas en inglés). Luego, fue necesario interconectar estas redes LAN con otras ubicadas en áreas geográficas remotas, y se crearon las Redes de Área Amplia 0/VAN por sus siglas en inglés). Algunas de las tecnologías que se utilizan para conectar las redes LAN incluyen a T1, T3, ATM, ISDN, Frame Relay, ADSL y enlaces de radiofrecuencia, entre otros.

Gracias a los conceptos de interconexión de redes, ya no se tienen islas de información ni se duplica el uso de los recursos. Continuamente siguen apareciendo nuevos métodos para conectar LAN remotas. Las redes de comunicación LAN de alta velocidad y banda ancha permiten que las aplicaciones de multimedia y videoconferencias sean una realidad. Antes de operar una red se deben satisfacer plenamente los conceptos de seguridad, configuración, desempeño y velocidad, entre otros muchos factores. La figura 1 muestra un esquema de interconexión de redes disímbolas.

Figura 1. Interconexión de redes distintas.

La interconexión de redes de comunicación no ha sido una tarea sencilla, sobre todo por las tecnologías tan diferentes que utiliza cada una de ellas. Por este motivo, fue necesario crear un marco común de referencia que permitiera la comunicación abierta entre diferentes tecnologías de comunicación. Fue por este motivo que en 1984 la Organización Internacional para Normalización (ISO por sus siglas en inglés) desarrolló el modelo de referencia para la Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI por sus siglas en inglés).

Este modelo describe la manera como fluye la información desde una aplicación de software en una computadora, hacia un entorno de red, y luego, hacia una aplicación de software en otra computadora. Este modelo es tan importante que todos los protocolos de comunicación industriales lo toman como referencia, entre estos, Ethernet/IP, ControlNet, DeviceNet, CompoNet, Profibus, HART y FF Foundation, por mencionar algunos. El modelo de Referencia OSI tiene siete capas: (1) Física, (2) Enlace de Datos, (3) Red, (4) Transporte, (5) Sesión, (6) Presentación, (7) Aplicación. El modelo se divide en dos categorías: capas superiores y capas inferiores. Las capas superiores se implementan generalmente en software. La capa superior más alta es la de Aplicación, y es la que está más cerca del usuario final. Las capas inferiores manejan los aspectos de transporte de datos. La Capa Física es la más baja, y está más cerca al medio físico de la red, por ejemplo, el cable de red. La figura 2 muestra este arreglo de capas.

Figura 2. Modelo OSI mostrando las capas superiores e inferiores.

El modelo OSI provee un marco conceptual para comunicarse entre diferentes protocolos de comunicación. Por sí mismo, el modelo OSI no es un método de comunicación. La comunicación real se realiza mediante protocolos de comunicación. Un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas que gobierna la manera como los equipos de cómputo intercambian información sobre un medio de red.

La información que se transfiere desde una aplicación de software en una computadora hacia la aplicación de software en otra computadora debe pasar a lo largo de las capas del modelo OSI. En otras palabras, si una aplicación de software en el sistema A tiene que trasmitir información a la aplicación de software en el sistema B, el programa de aplicación en el sistema A pasará su información a la Capa de Aplicación (Capa 7) del sistema A.

Luego la capa de aplicación pasará la información a la capa de presentación (Capa 6), luego a la Capa de Sesión (Capa 5), y así hasta la capa física (Capa 1). En la capa física la información se coloca en el medio de red físico para enviarse al sistema B. La capa física del sistema B toma la información del medio físico y la pasa hacia la capa de Enlace de Datos (Capa 2), luego a la capa de red (Capa 3), y así hasta que llega a la capa de aplicación (capa 7) del sistema B. Para terminar, la capa de aplicación del sistema B pasa la información al programa de aplicación receptor, y el proceso de comunicación se concluye (ver Figura 3).

Figura 3. Modelo OSI de comunicación con otra capa remota.

Una Capa OSI se comunica con otra capa para utilizar sus servicios. Estos servicios le permiten a una capa OSI comunicarse con sus capas pares en las computadoras de otros sistemas. Son tres los elementos que se involucran en estos servicios: el usuario del servicio, el proveedor del servicio y el punto de acceso del servicio (SAP por sus siglas en ingles). Estos tres elementos interactúan en las capas de red y liga de datos (ver figura 4).

Para comunicarse con sus capas pares en las computadoras de otros sistemas las 7 capas OSI utilizan varios tipos de información de control, entre estas los encabezados (headers) y las colas (trails). El primero es un prefijo que se agrega al principio de los datos que bajan de las capas superiores. Los segundos son sufijos o agregado al final de los datos que bajan de las capas superiores. Una capa cualquiera puede tener encabezados, colas y datos de las capas superiores. Esto se le conoce como encapsulación. La figura 5 muestra cómo se encapsulan el encabezado y el dato de una capa en el encabezado de la capa siguiente inferior.

Figura 5. Encabezado y Datos Encapsulados.

PROCESO DE INTERCAMBIO DE INFORMACIÓN

El proceso de intercambio de información ocurre entre capas OSI pares. Cada capa en el sistema fuente agrega información de control al dato, y cada capa en el sistema de destino analiza y remueve la información de control de dicho dato.

Si el sistema A tiene datos del software de aplicación para enviarlo al sistema B, el dato pasa a la capa de aplicación. La capa de aplicación en el sistema A comunica cualquier información de control que necesita la capa de aplicación en el sistema B agregando un encabezado al dato. La unidad de información resultante (encabezado y dato) pasa a la capa de presentación, la que le agrega su propio encabezado con la información de control que necesita la capa de presentación en el sistema B. La unidad de información crece en tamaño ya que cada agrega su propio encabezado que contiene la información de control que utilizará su capa par en el sistema B. En la capa física, el total de la unidad de información se coloca sobre la media de red.

La capa física en el sistema B recibe la unidad de información y la pasa a la capa de Liga de Datos. La capa de la Liga de Datos en el sistema B lee la información de control contenida en el encabezado agregado por la capa de liga de datos en el sistema A. Entonces, se quita el encabezado y se pasa el resto de la unidad de información a la capa de red. Cada capa desarrolla la misma acción: la capa lee el encabezado de su capa par, la quita y pasa el resto de la unidad de información a la siguiente capa superior. Después que la capa de aplicación desarrolla estas acciones, el dato pasa al software de aplicación receptor en el sistema B, exactamente en la forma en que fue transmitido por la aplicación en el sistema A.

CAPA DEL MODELO OSI

CAPA FÍSICA

La Capa física define las especificaciones eléctricas, mecánicas, de procedimiento y funcionales para activar, mantener y desactivar el enlace físico entre los sistemas de red. Las especificaciones de la capa física definen características tales como niveles de voltaje, velocidad de transmisión de datos, máxima distancia de transmisión y conectores físicos. En la figura 6 se muestran algunas implementaciones LAN y WAN en la capa física.

Figura 7. Subcapas de la Capa de Enlace de Datos.

CAPA DE ENLACE DE DATOS

Esta capa provee el tránsito confiable de datos a través de la red física. El Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrónica (IEEE) subdivide la Capa de Enlace en dos subcapas: Control de Enlace Lógico (LLC) y Control de Acceso al Medio (MAC por sus siglas en inglés). La primera administra las comunicaciones entre dispositivos sobre un enlace sencillo de la red y se encuentra definida en la norma IEEE 802.2. La norma define un número de campos en las estructuras de la capa de enlace para que múltiples protocolos en las capas más altas compartan un enlace de datos físico simple. La segunda, administra el acceso del protocolo al medio de red físico para que múltiples dispositivos se identifiquen con una dirección única en la capa de enlace de datos.

Figura 7. Subcapas de la Capa de Enlace de Datos.

CAPA DE RED

En esta capa se define la dirección de la red, que es diferente a la dirección MAC. En el protocolo de Internet (IP por sus siglas en inglés) se definen direcciones de red de forma que la selección de la ruta se puede determinar sistemáticamente mediante la comparación de la dirección de la red fuente con la dirección de la red de destino. En esta capa se define el esquema de red lógico, por lo mismo, los ruteadores pueden utilizar esta capa para determinar cómo canalizar los paquetes.

CAPA DE TRANSPORTE

La capa de transporte acepta datos de la capa de sesión y segmenta los datos para transportarlos a través de la red. La capa de transporte es responsable de asegurarse que el dato se envía libre de errores y en la secuencia apropiada. El control del flujo se lleva a cabo en esta capa para administrar la transmisión de datos entre dispositivos, de manera que el dispositivo transmisor no envíe más datos que los que el dispositivo receptor puede procesar. Aquí se realiza también la verificación de errores de transmisión mediante diversos mecanismos y, en caso de ser necesario, se solicita la repetición del envío de los datos para corregirlos. Los protocolos de transporte que se utilizan en Internet son TCP y UDP.

CAPA DE SESIÓN

En la Capa de Sesión se establece, administran y se terminan las sesiones de comunicación. Las sesiones consisten en solicitudes y respuestas de servicio que ocurren entre aplicaciones ubicadas en diferentes dispositivos de red.

CAPA DE PRESENTACIÓN

Esta capa provee una variedad de funciones de codificación y conversión que se aplican a los datos en la Capa de Aplicación. Estas funciones aseguran que la información enviada por la capa de aplicación de un sistema pueda leerse en la capa de aplicación de otro sistema. Los formatos para representación de datos, imágenes, sonido y video, permiten el intercambio de datos de aplicación entre diferentes tipos de sistemas de computación. Algunos esquemas de conversión son EBCDIC y ASCII, aunque también hay esquemas de compresión y de encriptación de datos. Algunos ejemplos de implementación en esta capa son los formatos para video QuickTime y MPEG; y los formatos de imágenes GIF, JPEG Y TIFF.

CAPA DE APLICACIÓN

Por su cercanía entre ellos, la capa de aplicación y el usuario interactúan directamente con la aplicación del software. Las funciones de esta capa son la identificación de un compañero de comunicación, determinación de los recursos disponibles y la sincronización de la comunicación. Para que se puedan transmitir los datos de una aplicación la capa identifica la identidad y disponibilidad del destinatario; luego, se determinan los recursos disponibles para saber si son suficientes para que la comunicación solicitada exista. Algunos ejemplos de implementación en esta capa son Telnet, FTP y SMTP.

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