¿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 procesos de manipulación de datos que convierten los datos de red legibles por computadora en respuestas legibles por el usuario.

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

• 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 subutilizan.

• Capa 4: la capa de transporte transmite datos de extremo a extremo entre dos dispositivos que interactúan en la red, cerciorar de que los datos no se pierdan, se configuren mal o se corrompan.

• Capa 3: la capa de red gestiona los procesos de dirección, encaminamiento y reenvío de datos para los dispositivos que interactúan a través de distintas 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 administra el enrutamiento de datos entre dos dispositivos que interactúan en la misma red.

• Capa 1: la capa física comprende los activos físicos, como routers 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 altamente complejas, incluso sin un conocimiento previo del propio sistema de red. También ayuda a los equipos a comprender mejor cómo atraviesan los datos una red y a adaptar las funciones de red con programación 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 la década de 1970 y principios de la de 1980, los sistemas informáticos estaban cada vez más interconectados, pero los fabricantes a menudo desarrollaban sus propias soluciones de red, creando un mosaico de sistemas patentados 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 la suite 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 todas las transmisiones hacia y desde aplicaciones de software (incluidos los sistemas operativos y empresas de servicios públicos, como navegadores web y clientes de correo electrónico) ocurren.

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. Las capas son las siguientes:

• Capa 7: la capa de aplicación
• Capa 6: la capa de presentación
• Capa 5: la capa de sesión
• Capa 4: la capa de transporte
• Capa 3: La capa de red
• Capa 2: la capa de enlace de datos
• Capa 1: la capa física

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 mismas no forman parte de esta capa. Más bien, la capa de aplicación proporciona los protocolos (HTTP, FTP, DNS y SMTP, por ejemplo) que permiten que el software envíe y reciba datos. Es responsable de procesos tales 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 involucrados 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 administrar archivos en una computadora remota.

• Servicios de directorio. La capa de aplicación proporciona servicios de directorio (una base de datos compartida de información sobre los dispositivos y usuarios de la red) para facilitar la gestión de los recursos de la 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 (desde un archivo de texto codificado EBCDIC a un archivo codificado ASCII, por ejemplo). Debido a su función 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 seguridad de la capa de conexión segura/capa de transporte (SSL/TLS), los protocolos JPEG (para la compresión de imágenes) y los protocolos MPEG (para video). 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 (desde un archivo de texto codificado EBCDIC hasta un archivo codificado ASCII, por ejemplo). Debido a su función en la conversión de datos y gráficos en un formato visualizable para la capa de aplicación, a veces se denomina capa de sintaxis.

Admite protocolos de seguridad de capa de sockets seguros/capa de transporte (SSL/TLS), protocolos JPEG (para compresión de imágenes) y protocolos MPEG (para compresión de video). 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 cifra los datos para una transmisión segura y los descifra 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 del usuario (establecimiento) y el cierre de sesión del usuario (terminación), 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 maneja los puntos de recuperación (puntos de control que permiten que los dispositivos reanuden una sesión desde un punto específico, si se interrumpe).

• Recuperación de sesión. La capa de sesión gestiona las fallas 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 video 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 mensajes completos. Toma 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 maneja:

• Direccionamiento de puntos de servicio. La capa de transporte ayuda a garantizar que los mensajes se entregan al proceso correcto anexando una cabecera de capa de transporte (que incluye un punto de servicio o 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, cerciorar de que los dispositivos emisores transmiten datos a los receptores (y viceversa) a la velocidad adecuada.

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

Al final del remitente, la capa de transporte recibe datos formateados de las capas superiores, realiza la segmentación e implementa el control de flujo y errores para garantizar una transmisión de datos precisa. Agrega números de puerto de origen y destino al encabezado y luego 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 maneja la secuenciación y el reensamblaje de los datos segmentados y retransmite datos si se detectan errores.

La capa de transporte proporciona 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 confiable 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 el mejor camino (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 su transporte y los vuelve a ensamblar en el extremo receptor.

Una red sirve como un medio donde se pueden conectar múltiples nodos (cada uno con una dirección única). La capa de red permite que los nodos envíen mensajes a nodos en 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 enrutamiento a través de nodos intermedios).

La capa de red utiliza principalmente el Internet Protocol v4 (IPv4) e Internet Protocol v6 y es responsable de:

• Fragmentación y reensamblaje de paquetes. La capa de red divide los paquetes grandes (aquellos que exceden los límites de tamaño de la capa de enlace de datos) en paquetes 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 el flujo de datos eficiente. 

La confiabilidad no está garantizada en la capa de red; si bien muchos protocolos de capa de red ofrecen una entrega de mensajes confiable, algunos no lo hacen. Además, los reportes 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, se encarga del control de flujo, la sincronización y la multiplexación (cuando dos o más flujos de datos comparten una única conexión con el host). La capa MAC controla cómo los dispositivos acceden a los medios de red y transmiten datos.

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

Las funciones DLL incluyen:

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

• Dirección física. El archivo DLL emplea el protocolo de resolución de direcciones (ARP) para convertir las direcciones IP en direcciones MAC y, a continuación, agrega las direcciones MAC del remitente y del receptor al encabezado de cada trama una vez completado el enmarque.

• 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 la corrupción, la DLL dicta la cantidad de datos que un remitente puede enviar antes de recibir un acuse de recibo, manteniendo la velocidad de datos constante 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 de red física responsables de transmitir datos sin procesar, en forma de “bits” o cadenas de 1s y 0s, entre dispositivos (conectores, routers, repetidores y cables de fibra óptica, por ejemplo) y un medio físico (como wi-fi).

La capa física es responsable de:

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

• Sincronización de bits. La capa física impone un reloj en los flujos de bits, asegurando que el emisor y el receptor estén sincronizados en el 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 red (en topologías de bus, estrella o malla, por ejemplo). 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 (usando voltaje eléctrico, 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 manera 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 de enlace de datos y físicas del modelo OSI. Maneja la transmisión física de datos (mediante el uso de Ethernet (para redes 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 la dirección y el 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 confiable entre las capas superior e inferior. Mediante 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 valor principal del modelo OSI radica en su utilidad educativa y su función como marco conceptual para diseñar nuevos protocolos, cerciorarse de que puedan operar con los sistemas y tecnologías existentes.

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