Qué es el Modelo OSI: Capas y Explicación

En este artículo veremos qué es el modelo de red OSI, de qué capas se compone y qué funciones realiza. Así, el tema de esta charla es una especie de modelo de interacción entre los puntos de referencia, que definen la secuencia de intercambio de datos, y los programas.

¿Qué es el Modelo OSI?

El modelo OSI (Open Systems Interconnection) es un modelo de red de la pila de protocolos de red OSI/ISO. Con este modelo, diferentes dispositivos de red pueden comunicarse entre sí. El modelo define diferentes capas de comunicación entre sistemas. Cada capa cumple una función específica en esta comunicación.

En este artículo veremos el propósito de las capas del modelo de referencia OSI, con una descripción detallada de cada una de las siete capas del modelo.

El proceso de organización del principio de interconexión, en las redes informáticas, es una tarea bastante compleja y desafiante, por lo que decidimos utilizar un enfoque bien conocido y versátil -la descomposición- para lograr esta tarea.

La descomposición es un método científico que utiliza la división de una tarea compleja en varias tareas más sencillas: series (módulos) conectadas entre sí.

Enfoque por niveles:

• Todos los módulos se dividen en grupos separados y se ordenan por niveles, creando así una jerarquía;
• Los módulos de un nivel sólo envían peticiones a los módulos del nivel subyacente inmediatamente adyacente para realizar sus tareas;
• Se activa el principio de encapsulación: un nivel proporciona un servicio, ocultando los detalles de su implementación a otros niveles.
• A la Organización Internacional de Normalización (International Standards Organization, ISO, fundada en 1946) se le encomendó la tarea de crear un modelo universal, que definiera y distinguiera claramente los diferentes niveles de interacción de los sistemas, con niveles nombrados y dando a cada nivel su tarea específica. Este modelo se denominó modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI) o modelo ISO/OSI.

El modelo de referencia de Interconexión de Sistemas Abiertos (el modelo OSI de siete niveles) se introdujo en 1977.

Tras la adopción de este modelo, el problema de la interconexión se dividió (descompuso) en siete problemas específicos, cada uno de los cuales puede resolverse independientemente de los demás.

Capas del Modelo OSI

Las capas del modelo de referencia OSI representan una estructura vertical en la que todas las funciones de red se dividen en siete capas. Cabe destacar que cada una de estas capas corresponde a operaciones, equipos y protocolos estrictamente descritos.

Las interacciones entre las capas se organizan de la siguiente manera:

• verticalmente: dentro de un mismo ordenador y sólo con los niveles vecinos.
• horizontalmente – se organiza la interacción lógica – con el mismo nivel de otro ordenador en el otro extremo del canal de comunicación (es decir, el nivel de red de un ordenador interactúa con el nivel de red de otro ordenador).

Dado que el modelo OSI de siete capas consiste en una estructura jerárquica estricta, cualquier nivel superior utiliza las funciones del nivel inferior y reconoce exactamente en qué forma y de qué manera (es decir, a través de qué interfaz) debe enviarse el flujo de datos hacia él.

Ejemplo de Proceso de Capas

Considera cómo se organiza la mensajería en una red informática según el modelo OSI. La capa de aplicación está representada para el usuario por el sistema operativo utilizado y el software con el que se envían los datos. Al principio, es la capa de aplicación la que forma el mensaje, el mensaje pasa luego a la capa de presentación, es decir, desciende por el modelo OSI. La capa de presentación, por su parte, analiza la cabecera de la capa de aplicación, realiza las acciones necesarias y añade al principio del mensaje su información de servicio en forma de cabecera de nivel de presentación, el nivel representativo del nodo destino. El movimiento del mensaje continúa entonces hacia abajo, descendiendo a la capa de sesión, que a su vez también añade sus datos de servicio, en forma de cabecera al principio del mensaje y el proceso continúa hasta llegar a la capa física.

Cabe destacar que, además de añadir información de servicio en forma de cabecera al principio del mensaje, las capas también pueden añadir información de servicio al final del mensaje, lo que se denomina “tráiler“.

Una vez que el mensaje ha llegado a la capa física, el mensaje ya está completamente formado para su transmisión por el canal de comunicación al host de destino, lo que significa que contiene toda la información de servicio añadida por las capas del modelo OSI.

Además del término “datos” (data) que se utiliza en el modelo OSI en las capas de aplicación, presentación y sesión, se utilizan otros términos en otras capas del modelo OSI para que sea posible identificar inmediatamente en qué capa del modelo OSI tiene lugar el procesamiento.

Las normas ISO utilizan un término genérico, Unidad de Datos de Protocolo (PDU, Protocol Data Unit), para referirse a la porción de datos que es manejada por los protocolos en varias capas del Modelo de Referencia OSI. A menudo se utilizan nombres especiales, como trama, paquete o segmento, para denotar bloques de datos a determinados niveles.

Las capas inferiores, de la uno a la tres, se encargan de la entrega física de los datos a través de la red, denominadas capas de medios.

Las capas restantes facilitan la entrega precisa de datos entre los ordenadores de la red, y se denominan capas de host.

Las 7 Capas del Modelo OSI y sus Funciones

1. Capa Física

Esta etapa es comparativamente más sencilla que las demás, porque aparte de los unos y los ceros no tiene ningún otro sistema de medida, no analiza la información y, por tanto, es el más bajo de los niveles. Es el principal responsable de la transmisión de información. El principal parámetro de la carga es el bit.

El objetivo principal de la capa física es representar el cero y el uno como señales, transmitidas a través del medio de transmisión de datos.

Por ejemplo, hay un canal de comunicación (CW), un mensaje a enviar, un emisor y un receptor correspondientes. La capa física tiene sus propias características:

• El ancho de banda, medido en bps, es decir, la cantidad de datos que podemos transmitir por unidad de tiempo.
• Latencia, el tiempo que tarda un mensaje en llegar al emisor y al receptor.
• Tasa de error, si los errores son frecuentes, los protocolos deben proporcionar corrección de errores. Si se producen con poca frecuencia, pueden corregirse a un nivel superior, por ejemplo, la capa de transporte.

La capa física consta de circuitos electrónicos, medios y conectores desarrollados por ingenieros.

Funciones a nivel de capa física:

• Este nivel estandariza los tipos de conectores y la asignación de pines;
• Se define la forma de representar “0” y “1”;
• Es la interfaz entre el medio de red y el dispositivo de red (transmite señales eléctricas u ópticas al cable o a la radio, las recibe y las convierte en bits de datos);
• Las funciones de la capa física se implementan en todos los dispositivos conectados a la red;
• Equipos que operan en la capa física: Repetidor, Hub Ethernet, Módem.
• Ejemplos de interfaces de red pertenecientes a la capa física: conectores RS-232C, RJ-11, RJ-45, AUI, VNC.

2. Capa de Enlace de Datos

La siguiente estación que visitará la información recordará a la aduana. A saber, se comparará la dirección IP para comprobar su compatibilidad con el medio de transmisión. También identifica y corrige las deficiencias del sistema. Para facilitar más operaciones, los bits se agrupan en tramas.

Funciones a nivel de enlace de datos:

• Los bits cero y uno de la capa física se organizan en tramas. Una trama es un trozo de datos que tiene un valor lógico independiente;
• Organización del acceso al medio de transmisión;
• Tratamiento de los errores de transmisión de datos;
• Define la estructura de los enlaces entre los nodos y la forma en que se dirigen;
• Equipos que operan en la capa de enlace de datos: Switches, Bridges (puentes de red);
• Ejemplos de protocolos de capa de enlace: Ethernet, Token Ring, FDDI, Bluetooth, Wi-Fi, Wi-Max, X.25, FrameRelay, ATM.

En el caso de la LAN, la capa de enlace de datos se divide en dos subcapas:

1. LLC (Logical Link Control): responsable de establecer el enlace y de enviar y recibir mensajes de datos sin errores;
2. MAC (Media Access Control): proporciona el acceso compartido de los adaptadores de red a la capa física, la definición de los límites de las tramas y el reconocimiento de las direcciones de destino (por ejemplo, el acceso a un bus compartido).

3. Capa de Red

La etapa es similar al proceso de distribución de información. Por ejemplo, todos los usuarios se dividen en grupos y los paquetes de datos se distribuyen según direcciones IP de 32 bits. Es a través del trabajo de los routers en este punto que se eliminan todas las diferencias de la red. Esto es lo que se conoce como enrutamiento lógico.

La tarea principal es crear redes basadas en diferentes tecnologías de red: Ethernet, Wi-Fi o MPLS. La capa de red es la “columna vertebral” de Internet.

Funciones a nivel de capa de red:

• Determina la ruta de transmisión de datos;
• Define la ruta más corta;
• Conmutación;
• Enrutamiento;
• Control de fallos y la congestión de la red.

Resuelve los problemas:

• Transmisión de mensajes a través de enlaces con una estructura no estándar;
• Conciliación de las diferentes tecnologías;
• Facilitar el direccionamiento en grandes redes;
• Creando barreras al tráfico no deseado entre redes.

Equipo de la capa de red: un router.

Tipos de protocolos de capa de red:

• Protocolos de red (propagación de paquetes a través de la red: IP , ICMP);
• Protocolos de enrutamiento: RIP, OSPF;
• Protocolos de resolución de direcciones: ARP.

4. Capa de Transporte

Tenemos la siguiente tarea, un ordenador que está conectado a una red compleja recibe un paquete, hay muchas aplicaciones de red que se ejecutan en el ordenador (navegador web, Skype, correo), necesitamos entender qué aplicación necesita enviar este paquete. La interacción entre las aplicaciones de la red es gestionada por la capa de transporte.

La capa de transporte se caracteriza por la comunicación directa entre un ordenador y la capa de transporte del otro ordenador, y el resto de las capas se comunican a través de los enlaces de la cadena.

Esta capa proporciona una conexión de extremo a extremo entre dos hosts que se comunican. La capa de transporte es independiente de la red y permite ocultar los detalles de la comunicación de la red a los desarrolladores de aplicaciones.

Los puertos utilizados para el direccionamiento en la capa de transporte son números del 1 al 65535. Los puertos se escriben así: 192.168.1.3:80 (dirección IP y puerto).

Funciones de la capa de transporte:

• Permite a las aplicaciones (o a las capas de aplicación y de sesión) transmitir datos con el grado de fiabilidad requerido, compensando las deficiencias de fiabilidad de las capas inferiores;
• Multiplexación y demultiplexación, es decir, recogida y desmontaje de paquetes;
• Los protocolos están diseñados para la comunicación punto a punto;
• A partir de este nivel, los protocolos se implementan mediante herramientas de software en los nodos finales de la red, componentes de sus sistemas operativos de red;
• Ejemplos: TCP , UDP .

5. Capa de Sesión

Una sesión es un conjunto de interacciones en red centradas en una única tarea.

La creación de redes se ha vuelto más compleja y no consiste en simples preguntas y respuestas como antes. Por ejemplo, al cargar una página web para mostrarla en un navegador, primero hay que cargar el texto de la página web en sí (.html), el archivo de estilo (.css) que describe los elementos de diseño de la página web, la carga de imágenes. Por lo tanto, para completar la tarea, para cargar una página web, es necesario implementar varias operaciones de red separadas.

Basado en la sesión determina si la transmisión de información entre 2 procesos de aplicación será semidúplex (transmitir y recibir datos por turnos); o dúplex (transmitir y recibir información al mismo tiempo).

Funciones a nivel de capa de sesión:

• Mantenimiento de la sesión, lo que permite que las aplicaciones se comuniquen entre sí durante un período de tiempo prolongado;
• Establecimiento/terminación de la sesión;
• Intercambio de información;
• Sincronización de tareas;
• Definir el derecho a transferir datos;
• Mantenimiento de la sesión durante los períodos de inactividad de la aplicación.
• La sincronización de la transmisión se garantiza colocando puntos de control en el flujo de datos a partir de los cuales se reanuda el proceso en caso de fallos.

6. Capa de Presentación

Para describir esta capa, se utiliza la traducción automática en la red de diferentes idiomas. Por ejemplo, marcas un número de teléfono, hablas en español, la red traduce automáticamente al francés, transmite la información a España y la persona de allí coge el teléfono y escucha tu pregunta en español. Es una tarea que aún no se ha llevado a cabo.

Para proteger los datos enviados a través de la red, se utiliza el cifrado: Secure Sockets Layer (SSL) así como Transport Layer Security (TLS), estas tecnologías permiten cifrar los datos enviados a través de la red.

Los protocolos de la capa de aplicación utilizan TSL/SSL y se distinguen por la letra s al final. Por ejemplo, HTTPS, FTPS y otros. Si ves en el navegador que se utiliza HTTPS y el candado, significa que los datos a través de la red están protegidos por encriptación.

Funciones del nivel de capa de presentación:

• Es responsable de la conversión del protocolo y de la codificación/decodificación de los datos. Convierte las peticiones de las aplicaciones recibidas de la capa de aplicación en un formato para su transmisión por la red, y convierte los datos recibidos de la red en un formato comprensible para las aplicaciones;
• Comprimir/descomprimir o codificar/decodificar los datos;
• Redirigir las peticiones a otro recurso de la red si no se pueden procesar localmente.

Ejemplo: el protocolo SSL (proporciona mensajería secreta para los protocolos de la capa de aplicación TCP/IP).

7. Capa de Aplicación

Esto es esencial para que las aplicaciones en red, como la web, el correo electrónico, Skype, etc., se comuniquen entre sí.

Esencialmente, se trata de un conjunto de especificaciones que permiten a un usuario acceder a páginas para encontrar la información que necesita. En pocas palabras, el trabajo de una aplicación es proporcionar acceso a los servicios de red. El contenido de esta capa es muy variado.

Funciones del nivel de capa de aplicación:

• Es un conjunto de protocolos diversos a través de los cuales los usuarios de la red acceden a recursos compartidos y organizan el trabajo en colaboración;
• Identificación de los usuarios por su nombre de usuario, dirección de correo electrónico, contraseñas, firmas electrónicas;
• Permite la interacción entre la red y el usuario;
• Permite a las aplicaciones de usuario acceder a los servicios de red, como el gestor de consultas de la base de datos, el acceso a los archivos o el reenvío de correo electrónico;
• Es responsable de la transmisión de la información de servicio;
• Proporciona información sobre errores a las aplicaciones;
• Ejemplos: HTTP, POP3, SNMP, FTP.

Palabras Finales

Las siete capas del modelo de referencia OSI pueden clasificarse en uno de los dos grupos en términos de funcionalidad:

• Un grupo en el que las capas dependen de una implementación técnica particular de la red informática. Las capas física, de enlace de datos y de red son todas dependientes de la red, es decir, estas capas están inextricablemente ligadas al hardware específico de la red en uso.
• Un grupo en el que las capas están principalmente orientadas a la aplicación. Capas de sesión, presentación y aplicación: están orientadas a la aplicación y son en gran medida independientes del equipo de red específico utilizado en la red informática, es decir, independientes de la red.

Analizar los problemas utilizando los modelos de red OSI puede ayudarte a encontrarlos y solucionarlos rápidamente. No es casualidad que se haya tardado mucho tiempo en diseñar un programa capaz de detectar fallos en una estructura compleja de puesta en escena. Este modelo es, de hecho, una referencia. De hecho, se estaba trabajando en otros protocolos al mismo tiempo. Por ejemplo, TCP/IP. Hoy en día, su uso es bastante habitual.