¿Qué es el modelo OSI?

El modelo OSI surgió como una solución a las incompatibilidades de comunicación entre la diversa gama de protocolos de red en uso a principios de siglo. Las capas de OSI proporcionaron a los desarrolladores e ingenieros un marco para crear hardware y software interoperables en las redes, al proporcionar un enfoque categórico de las redes.

En cada capa de la pila, que suele mostrarse en orden inverso para ilustrar cómo se mueven los datos a través de una red, el modelo OSI proporciona directrices y criterios para los componentes de la red y sus funciones informáticas únicas.

Las capas son:

• Capa 7: la capa de aplicación inicia la comunicación con la red, incluidos los protocolos y los procesos de manipulación de datos que convierten los datos de red legibles por ordenador en respuestas legibles por el usuario.

• Capa 6: la capa de presentación prepara los datos para la capa de aplicación, incluyendo la traducción de datos, la compresión y el cifrado.

• Capa 5: la capa de sesión inicia y termina las conexiones entre dos dispositivos que interactúan en la red, asegurándose de que los recursos no se utilicen en exceso ni se infrautilicen.

• Capa 4: la capa de transporte transmite datos de extremo a extremo entre dos dispositivos que interactúan en la red, asegurándose de que los datos no se pierdan, no estén mal configurados ni se dañen.

• Capa 3: la capa de red gestiona los procesos de dirección, enrutamiento y reenvío de datos para los dispositivos que interactúan en diferentes redes. Si los dispositivos están en la misma red, no necesitan la capa de red para interactuar.

• Capa 2: a diferencia de la capa de red, la capa de enlace de datos gestiona el enrutamiento de datos entre dos dispositivos que interactúan en la misma red.

• Capa 1: la capa física comprende los activos físicos, como enrutadores y cables USB, que convierten los datos en cadenas de 1 y 0 para su transmisión a capas superiores.

El modelo OSI se centra en proporcionar una lista de tareas para que los ingenieros completen la construcción de cada capa de una arquitectura de red, en lugar de especificar protocolos para la comunicación entre capas. Su enfoque teórico permite a los desarrolladores visualizar y construir redes informáticas muy complejas, incluso sin conocimientos previos del propio sistema de redes. También ayuda a los equipos a comprender mejor cómo atraviesan los datos una red y a adaptar las funciones de red con codificación específica de capa.

Aunque el modelo OSI no es la base directa de las tecnologías modernas de redes informáticas, ha tenido un profundo impacto en el desarrollo de estándares informáticos, ayudando a dar forma a la comprensión contemporánea de la arquitectura de red.

A finales de los 70 y principios de los 80, los sistemas informáticos estaban cada vez más interconectados, pero los fabricantes solían desarrollar sus propias soluciones de red, creando un mosaico de sistemas propietarios y no interoperables.

Varias de las primeras iniciativas de creación de redes intentaron resolver problemas de compatibilidad con ARPANET (que sentó las bases de la Internet moderna) y el conjunto de protocolos TCP/IP (encargado por el Departamento de Defensa). Ambos representaron avances significativos, pero también pusieron de manifiesto la necesidad de un enfoque más exhaustivo y universalmente aceptado.

Tras reconocer la creciente importancia de las redes y la necesidad de un marco universal, la Organización Internacional de Normalización (ISO) y el Comité Consultivo Internacional Telegráfico y Telefónico (CCITT) iniciaron el desarrollo de un modelo de red estandarizado.

La ISO publicó formalmente el modelo OSI, un marco seminal para el desarrollo de soluciones de red interoperables, en 1984. A diferencia de los intentos de estandarización anteriores, la configuración en capas de OSI permite que los sistemas dispar se comuniquen a pesar de las diferencias en sus arquitecturas y protocolos subyacentes.

El modelo OSI sigue siendo parte integral de la comprensión de la arquitectura de red incluso a medida que las tecnologías evolucionan y surgen nuevos modelos. Tanto si un equipo diseña una red de área local (LAN) sencilla como si gestiona una red global compleja, los principios del modelo OSI proporcionan un enfoque claro y estructurado de las redes.

El modelo OSI incluye siete capas distintas. La capa de aplicación (capa 7), la capa de presentación (capa 6) y la capa de sesión (capa 5) comprenden las capas de software de un OSI, donde ocurren todas las transmisiones hacia y desde las aplicaciones de software (incluidos los sistemas operativos y servicios, como navegadores web y clientes de correo electrónico).

La capa de transporte (capa 4) es el "corazón de OSI", ya que se encarga de toda la comunicación de datos entre redes y sistemas. Por último, la capa de red (capa 3), la capa de datos (capa 2) y la capa física (capa 1) comprenden las capas de hardware de OSI, donde los datos se mueven a través de los componentes físicos de la red a medida que se procesan.

Los datos se mueven bidireccionalmente a través del modelo OSI; cada capa se comunica con las capas inferiores y superiores de la pila. Además, tanto los dispositivos de envío como los de recepción transmiten datos a través de las capas de datos; y los remitentes y los destinatarios suelen intercambiar roles en el proceso.

Por ejemplo, si un usuario desea enviar un correo electrónico a otra persona, primero deberá escribir el correo electrónico y enviarlo. Cuando el usuario presiona “enviar”, su correo electrónico pasa a la capa de aplicación, que elegirá el protocolo correcto (normalmente SMTP) y enviará el correo electrónico a la capa de presentación. Luego, la capa de presentación comprime los datos del mensaje y los envía a la capa de sesión, que inicia una sesión de comunicación y envía los datos a la capa de transporte para su segmentación.

Dado que el correo electrónico va a otra red, los datos del correo electrónico deben ir a la capa de red, donde se dividen en paquetes y luego a la capa de enlace de datos, donde se dividen en marcos. Esas tramas se transmiten posteriormente a través de la capa física (la wifi del destinatario), momento en el que el dispositivo del destinatario recibe el flujo de bits y los datos del correo electrónico atraviesan las mismas capas a la inversa. Al final del proceso, los datos del correo electrónico llegan a la capa de aplicación del dispositivo del destinatario, donde se entregan, en forma legible, a la bandeja de entrada del destinatario.

El modelo OSI es fundamental para el desarrollo de protocolos, ya que cada capa del marco gestiona procesos de red específicos.

La capa de aplicación es la capa OSI más cercana al usuario final. Proporciona servicios de red directamente a las aplicaciones de los usuarios y facilita la comunicación entre los endpoints de la API y las capas inferiores del modelo OSI. En otras palabras, las aplicaciones de software utilizan la capa de aplicación para iniciar la comunicación con la red y enviar datos a la capa de presentación.

Las aplicaciones en sí no son parte de esta capa. Más bien, la capa de aplicación proporciona los protocolos (HTTP, FTP, DNS y SMTP, por ejemplo) que permiten al software enviar y recibir datos. Es responsable de procesos como:

• Transferencia de archivos. La capa de aplicación toma archivos de datos legibles por humanos del dispositivo del usuario y los transmite a la capa de presentación.

• Comunicación y autenticación. La capa de aplicación se asegura de que el dispositivo receptor pueda aceptar los datos y de que existan las interfaces de comunicación necesarias para la transferencia. También se puede utilizar para autenticar los dispositivos implicados en la transferencia.

• Acceso remoto. La capa de aplicación permite a los usuarios acceder a navegadores web, clientes de correo electrónico y otros servicios desde varias ubicaciones geográficas. También permite a los usuarios acceder y gestionar archivos en un ordenador remoto.

• Servicios de directorio. La capa de aplicación proporciona servicios de directorio (una base de datos compartida de información sobre dispositivos de red y usuarios) para facilitar la gestión de recursos de red.

La capa de presentación transforma los datos en un formato que la capa de aplicación puede aceptar para su transmisión a través de la red (de un archivo de texto codificado en EBCDIC a un archivo en código ASCII, por ejemplo). Debido a su función en la conversión de datos y gráficos a un formato visualizable para la capa de aplicación, a veces se la denomina capa de sintaxis.

Es compatible con los protocolos de capa de sockets seguros/seguridad de la capa de transporte (SSL/TLS), los protocolos JPEG (para la compresión de imágenes) y MPEG (para vídeo). La capa de presentación transforma los datos en un formato que la capa de aplicación pueda aceptar para su transmisión a través de la red (de un archivo de texto codificado en EBCDIC a un archivo codificado en ASCII, por ejemplo). Debido a su papel en la conversión de datos y gráficos en un formato visualizable para la capa de aplicación, a veces se la denomina capa de sintaxis.

Es compatible con los protocolos de capa de sockets seguros/seguridad de la capa de transporte (SSL/TLS), los protocolos JPEG (para la compresión de imágenes) y los protocolos MPEG (para la compresión de vídeo). La capa de presentación es responsable de:

• Traducción de datos. La capa de presentación convierte los datos al formato correcto (especificado por la capa de aplicación) durante el proceso de encapsulación, a medida que los mensajes salientes mover por la pila de protocolos del remitente al receptor.

• Cifrado y descifrado de datos. La capa de presentación encripta los datos para una transmisión segura y los desencripta en el momento de la entrega.

• Compresión de datos. La capa de presentación reduce el tamaño de un flujo de datos para transmisiones y lo descomprime para su uso.

A veces, el formato y la traducción se invierten durante el proceso de desencapsulación, a medida que los mensajes entrantes se mueven en la pila de protocolos. En esos casos, los mensajes salientes se convierten al formato especificado durante el encapsulado, mientras que los mensajes entrantes se someten a una conversión inversa durante el desencapsulado.

La capa de sesión es responsable de la gestión de sesiones, el proceso de establecer, administrar y finalizar conexiones (llamadas "sesiones") entre dos o más ordenadores. Inicia las conexiones entre aplicaciones locales y remotas, manteniendo la sesión abierta el tiempo suficiente para transmitir los datos necesarios y cerrándolas cuando se completan para preservar los recursos de la red.

Las funciones clave de la capa de sesión incluyen:

• Interacciones de sesión. La capa de sesión gestiona el inicio de sesión de los usuarios (establecimiento) y el cierre de sesión de los usuarios (finalización), incluidos los protocolos de autenticación integrados en el software del cliente.

• Sincronización. La capa de sesión ayuda a garantizar que los flujos de datos estén correctamente sincronizados y gestiona los puntos de recuperación (puntos de control que permiten a los dispositivos reanudar una sesión desde un punto específico, si se interrumpe).

• Recuperación de sesión. La capa de sesión gestiona los fallos de sesión y restablece las conexiones si hay problemas de red.

También establece protocolos para conectar y desconectar sesiones entre flujos de datos relacionados, como audio y vídeo en conferencias web. Por lo tanto, la capa de sesión a menudo se implementa explícitamente en entornos de red que utilizan llamadas a procedimientos remotos.

La capa de transporte utiliza protocolos como el protocolo de control de transmisión (TCP) y el protocolo de datagramas de usuario (UDP) para gestionar la entrega de extremo a extremo de los mensajes completos. Toma los mensajes de la capa de sesión y los divide en unidades más pequeñas (llamadas "segmentos"), cada una con un encabezado asociado. En el destino, la capa de transporte vuelve a ensamblar los segmentos en el orden correcto para reconstruir el mensaje original.

La capa de transporte también gestiona:

• Dirección del punto de servicio. La capa de transporte ayuda a garantizar que los mensajes se entregan al proceso correcto adjuntando una cabecera de capa de transporte (que incluye un punto de servicio o una dirección de puerto).

• Control de flujo. La capa de transporte evita el desbordamiento de datos y gestiona la velocidad de transmisión de datos entre dos dispositivos que interactúan en la red, garantizando que los dispositivos emisores transmiten datos a los dispositivos receptores (y viceversa) a la velocidad adecuada.

• Multiplexación. La capa de transporte permite que varias aplicaciones de red utilicen la misma conexión simultáneamente.

En el extremo del remitente, la capa de transporte recibe los datos formateados de las capas superiores, realiza la segmentación e implementa el control de flujo y de errores para garantizar una transmisión precisa de los datos. Añade los números de puerto de origen y destino a la cabecera y, a continuación, reenvía los datos segmentados a la capa de red.

En el extremo del receptor, la capa de transporte lee el número de puerto del encabezado y reenvía los datos recibidos a la aplicación adecuada. También se encarga de la secuenciación y el reensamblaje de los datos segmentados y retransmite los datos si se detectan errores.

La capa de transporte ofrece dos tipos de servicio. 

Con el servicio orientado a la conexión, un proceso de tres partes que incluye el establecimiento de la conexión, la transferencia de datos y la terminación (o desconexión), el receptor de datos envía un acuse de recibo al remitente cuando se entrega el paquete de datos. Sin embargo, el servicio sin conexión solo implica la transferencia de datos. El receptor no confirma la recepción, lo que acelera la comunicación, pero puede ser menos fiable que el servicio orientado a la conexión.

La capa de red del modelo OSI es responsable de facilitar la transferencia de datos de un nodo a otro a través de diferentes redes. La capa de red determina la mejor ruta (enrutamiento) para que los datos viajen entre nodos. Si los segmentos son demasiado grandes, la capa de red los divide en "paquetes" más pequeños para el transporte y los vuelve a ensamblar en el extremo receptor.

Una red sirve de medio donde pueden conectarse varios nodos (cada uno con una dirección única). La capa de red permite a los nodos enviar mensajes a nodos de otras redes proporcionando el contenido del mensaje y la dirección de destino, dejando que la red determine la ruta de entrega óptima (que puede implicar el encaminamiento a través de nodos intermedios).

La capa de red utiliza principalmente el Internet Protocol v4 (IPv4) e IPv6 y es responsable de:

• Fragmentación y reensamblaje de paquetes. La capa de red divide los paquetes grandes (los que superan los límites de tamaño de la capa de enlace de datos) en otros más pequeños para su transmisión y los vuelve a ensamblar en el destino.

• Control de tráfico. La capa de red gestiona el tráfico de red para evitar la congestión y salvaguardar un flujo de datos eficiente. 

La confiabilidad no está garantizada en la capa de red; aunque muchos protocolos de capa de red ofrecen una entrega de mensajes fiable, algunos no lo hacen. Además, los informes de errores no son obligatorios en esta capa de OSI, por lo que los remitentes de datos pueden recibir o no confirmación de entrega.

La función principal de la capa de enlace de datos es gestionar la transferencia de datos sin errores entre varios dispositivos que interactúan en la misma red.

La DLL se divide en dos subcapas.

La capa de control de enlace lógico (LLC), que sirve de interfaz entre la capa de control de acceso al medio (MAC) y la capa de red, gestiona el control del flujo, la sincronización y la multiplexación (en la que dos o más flujos de datos comparten una sola conexión con el host). La capa MAC controla la forma en que los dispositivos acceden a los medios de la red y transmiten los datos.

Cuando la DLL recibe un paquete de la capa de red, divide el paquete en "tramas" de datos, según el tamaño de trama de la tarjeta de interfaz de red (NIC), y lo transmite al host utilizando su dirección MAC.

Las funciones de DLL incluyen:

• Encuadre. La DLL permite al remitente transmitir un conjunto de bits (datos) que son significativos para el receptor adjuntando patrones de bits especiales al principio y al final de la trama.

• Direccionamiento físico. La DLL utiliza el Protocolo de resolución de direcciones (ARP) para convertir las direcciones IP en direcciones MAC y, a continuación, añade las direcciones MAC del remitente y el receptor al encabezado de cada trama una vez que la trama está completa.

• Control de errores. La DLL detecta tramas dañadas o perdidas y gestiona la retransmisión (si es necesario) para garantizar la integridad de los datos.

• Control de flujo. Para evitar que se dañe, la DLL dicta la cantidad de datos que un remitente puede enviar antes de recibir un acuse de recibo, manteniendo la velocidad de datos uniforme en ambos lados.

• Control de acceso. Cuando varios dispositivos comparten un solo canal de comunicación, la subcapa MAC determina qué dispositivo tiene control sobre el canal en un momento dado.

La capa física comprende los componentes físicos de la red responsables de transmitir datos sin procesar, en forma de "bits" o cadenas de 1 y 0, entre dispositivos (conectores, enrutadores, repetidores y cables de fibra OPTIC y cables de fibra óptica, por ejemplo) y un medio físico (como wifi).

La capa física es responsable de:

• Control de velocidad de bits. La capa física define las velocidades de transmisión de datos, a menudo en bits por segundo.

• Sincronización de bits. La capa física impone un reloj a los flujos de bits, lo que garantiza que el emisor y el receptor estén sincronizados a nivel de bits. 

• Modo de transmisión. La capa física define cómo fluirán los datos entre los dispositivos conectados (como transmisión símplex, semidúplex o dúplex completo).

• Topologías físicas. El nivel físico especifica cómo se sitúan los dispositivos y nodos de la red (en topologías de bus, estrella o malla, por ejemplo). Los estándares como USB, Bluetooth y Ethernet incluyen especificaciones de capa física. 

La capa física también define cómo se produce la codificación sobre una señal física (utilizando tensión eléctrica, radio o pulsos de luz, por ejemplo). 

El modelo de referencia OSI proporciona una base teórica que ayuda a los ingenieros y desarrolladores a comprender las complejidades de la comunicación en red. Sin embargo, a veces se compara con otro modelo de red: el modelo de protocolo de control de transmisión/internet protocol (TCP/IP).

A diferencia del modelo OSI, el modelo TCP/IP se basa en protocolos estandarizados que se implementan de forma amplia y directa en redes del mundo real. Consta de cuatro capas, en lugar de siete, pero cada capa corresponde a una o más capas del modelo OSI.

• Capa de acceso a la red. También llamada capa de enlace de datos o capa física, la capa de acceso a la red de una red TCP/IP incluye los componentes de hardware y software necesarios para interactuar con el medio de red, combinando las capas física y de enlace de datos del modelo OSI. Maneja la transmisión física de datos, mediante Ethernet (para LAN) y protocolos ARP, entre dispositivos en la misma red.

• Capa de Internet. Al igual que la capa de red del modelo OSI, la capa de Internet es responsable de la dirección lógica, el enrutamiento y el reenvío de paquetes. Se basa principalmente en el protocolo IP y el Protocolo de mensajes de control de Internet, que gestionan el direccionamiento y enrutamiento de paquetes a través de diferentes redes.

• Capa de transporte. La capa de transporte TCP/IP cumple la misma función que la capa de transporte del modelo OSI; permite una transferencia de datos fiable entre las capas superior e inferior. Al utilizar los protocolos TCP y UDP, también proporciona mecanismos para la comprobación de errores y el control de flujo.

• Capa de aplicación. La capa de aplicación de TCP/IP abarca las capas de sesión, presentación y aplicación del modelo OSI. Utiliza los protocolos HTTP, FTP, Post Office Protocol 3 (POP3), SMTP, DNS y SSH para proporcionar servicios de red directamente a las aplicaciones y gestiona todos los protocolos que admiten las aplicaciones de los usuarios. 

El principal valor del modelo OSI reside en su utilidad educativa y su papel como marco conceptual para diseñar nuevos protocolos y asegurarse de que puedan interoperar con los sistemas y tecnologías existentes.

Sin embargo, el enfoque práctico del modelo TCP/IP y su aplicabilidad en el mundo real lo han convertido en la columna vertebral de las redes modernas. Su diseño sólido y escalable y su enfoque de capas horizontales han impulsado el crecimiento explosivo de Internet, dando cabida a miles de millones de dispositivos y cantidades masivas de tráfico de datos.