Comprendiendo las capas TCP/IP

El conjunto de protocolos TCP/IP se basa en un modelo en capas que proporciona un enfoque sistemático para la comunicación de red. Este modelo a menudo se compara con el modelo OSI (interconexión de sistemas abiertos), que consta de siete capas. Si bien el modelo TCP/IP se usa más comúnmente en la práctica, es útil comprender la relación entre las capas TCP/IP y las capas OSI correspondientes. En este artículo, exploraremos las capas de TCP/IP en detalle, destacando las funciones y protocolos asociados con cada capa.

Capa de aplicación

La capa de aplicación es la capa superior del modelo TCP/IP. Es responsable de proporcionar servicios que soporten directamente las aplicaciones de los usuarios. Esta capa abarca una amplia gama de protocolos que permiten actividades como la navegación web, la transferencia de archivos, la comunicación por correo electrónico y la resolución de nombres de dominio. Algunos de los protocolos que operan en esta capa incluyen:

• HTTP (Protocolo de Transferencia de Hipertexto): Se utiliza para transferir páginas web y otros recursos a través de Internet. Utiliza un modelo cliente-servidor, donde el cliente solicita un recurso del servidor y el servidor responde con el recurso o un mensaje de error. HTTP utiliza métodos como GET, POST, PUT y DELETE para especificar las acciones que se realizarán en el recurso. HTTP también usa códigos de estado como 200 OK, 404 Not Found y 500 Internal Server Error para indicar el resultado de la solicitud. HTTP se ejecuta en el puerto 80 de forma predeterminada.
  
  
• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): Se utiliza para enviar y recibir mensajes de correo electrónico. También utiliza un modelo cliente-servidor, donde el cliente envía un mensaje de correo electrónico al servidor y el servidor lo reenvía al servidor de destino o devuelve un mensaje de error. SMTP utiliza comandos como HELO, MAIL FROM, RCPT TO y DATA para especificar los detalles del mensaje de correo electrónico. SMTP también usa respuestas como 250 OK, 550 No existe tal usuario y 554 Transacción fallida para indicar el estado de la entrega del correo electrónico. SMTP se ejecuta en el puerto 25 de forma predeterminada.
  
  
• FTP (File Transfer Protocol): Se utiliza para cargar y descargar archivos de un servidor. También utiliza un modelo cliente-servidor, donde el cliente establece una conexión con el servidor y solicita una operación de transferencia de archivos. FTP utiliza dos conexiones: una conexión de control para intercambiar comandos y respuestas y una conexión de datos para transferir archivos. FTP utiliza comandos como USER, PASS, LIST y RETR para especificar los detalles de la operación de transferencia de archivos. FTP también usa respuestas como 150 Abriendo conexión de datos, 226 Transferencia completa y 530 No conectado para indicar el estado de la operación de transferencia de archivos. FTP se ejecuta en el puerto 20 para datos y 21 para control de forma predeterminada.
  
  
• Telnet (Red de Telecomunicaciones): Se utiliza para acceder a una computadora remota y ejecutar comandos. También utiliza un modelo cliente-servidor, donde el cliente establece una conexión con el servidor y envía comandos para que se ejecuten en el servidor. Telnet utiliza una interfaz simple basada en texto para la comunicación. Telnet no utiliza comandos o respuestas específicos, sino que depende del sistema operativo del servidor para interpretar y ejecutar los comandos. Telnet se ejecuta en el puerto 23 de forma predeterminada.
  
  
• DNS (Domain Name System): Se utiliza para convertir nombres de dominio en direcciones IP. Utiliza un sistema de base de datos distribuido que asigna nombres de dominio a direcciones IP y otra información. DNS utiliza una estructura jerárquica de servidores de nombres que almacenan y actualizan las asignaciones. DNS utiliza consultas y respuestas para la comunicación. Una consulta contiene un nombre de dominio que debe resolverse y una respuesta contiene una dirección IP o un mensaje de error. El DNS se ejecuta en el puerto 53 de forma predeterminada.

Capa de transporte

Los protocolos de la capa de transporte son los protocolos que brindan servicios de comunicación de extremo a extremo para aplicaciones a través de Internet y otras redes. Son la segunda capa más alta del modelo TCP/IP e interactúan con la capa de aplicación y la capa de Internet. Son los encargados de establecer una conexión fiable y de extremo a extremo entre los equipos de origen y de destino, garantizar que los datos se entreguen en el orden correcto y sin errores, e implementar mecanismos de control de flujo y control de congestión. Algunos protocolos comunes de la capa de transporte son:

• TCP (Transmission Control Protocol): Es un protocolo orientado a la conexión que proporciona una entrega de datos confiable y ordenada. TCP divide los datos en segmentos y les asigna números de secuencia. También utiliza reconocimientos y retransmisiones para garantizar que no se pierdan ni se dupliquen datos. TCP también implementa mecanismos de control de flujo y control de congestión para evitar sobrecargar al receptor o la red. TCP se ejecuta en números de puerto asignados por los protocolos de la capa de aplicación, como 80 para HTTP, 25 para SMTP y 21 para FTP.
  
  
• UDP (Protocolo de datagramas de usuario): es un protocolo sin conexión que proporciona una entrega de datos rápida y eficiente. UDP no divide los datos en segmentos ni utiliza números de secuencia. Tampoco utiliza acuses de recibo ni retransmisiones para garantizar la fiabilidad. UDP tampoco implementa mecanismos de control de flujo o control de congestión. UDP es adecuado para aplicaciones que requieren baja latencia y pueden tolerar cierta pérdida de datos, como transmisión de video o juegos en línea. UDP se ejecuta en números de puerto asignados por los protocolos de la capa de aplicación, como 53 para DNS, 69 para TFTP y 123 para NTP.
  
  
• DCCP (Protocolo de control de congestión de datagramas): es un protocolo orientado a la conexión que proporciona una entrega de datos no confiable con control de congestión. DCCP es similar a UDP en que no garantiza la confiabilidad ni el ordenamiento de los datos, pero se diferencia de UDP en que implementa mecanismos de control de congestión para evitar congestionar la red. DCCP es adecuado para aplicaciones que necesitan control de congestión pero que no requieren confiabilidad ni ordenamiento, como transmisión multimedia o juegos en línea. DCCP se ejecuta en números de puerto asignados por los protocolos de capa de aplicación, como 33 para RTP.
  
  
• SCTP (Protocolo de transmisión de control de flujo): es un protocolo orientado a la conexión que proporciona una entrega de datos confiable y desordenada con múltiples flujos. SCTP es similar a TCP en que garantiza la confiabilidad de los datos, pero se diferencia de TCP en que permite múltiples flujos de datos dentro de una sola conexión, cada uno con su propio número de secuencia y control de flujo. SCTP es adecuado para aplicaciones que necesitan confiabilidad pero no requieren pedidos o pueden beneficiarse de múltiples flujos, como voz sobre IP o navegación web. SCTP se ejecuta en números de puerto asignados por los protocolos de la capa de aplicación, como 5060 para SIP.

Capa de Internet

La capa de Internet es una capa en el modelo TCP/IP que es responsable de enrutar y direccionar paquetes de datos a través de diferentes redes. Es la tercera capa del modelo e interactúa con la capa de transporte superior y la capa de interfaz de red inferior. La capa de Internet realiza las siguientes funciones:

• Empaquetado: La capa de Internet divide los datos recibidos de la capa de transporte en unidades más pequeñas llamadas paquetes. Cada paquete tiene un encabezado que contiene información como las direcciones IP de origen y destino, el tipo de protocolo, la longitud del paquete y otros campos. El encabezado también tiene un campo de suma de verificación que se usa para detectar errores en la transmisión. El paquete también tiene una carga útil que contiene los datos reales que se envían.
• Direccionamiento: la capa de Internet asigna una dirección numérica única a cada dispositivo en la red, llamada dirección IP. Una dirección IP consta de dos partes: un prefijo de red y un identificador de host. El prefijo de red identifica la red a la que pertenece el dispositivo y el identificador de host identifica el dispositivo dentro de esa red. La capa de Internet utiliza un esquema de direccionamiento jerárquico que permite el enrutamiento eficiente de paquetes a través de diferentes redes.
• Enrutamiento: la capa de Internet reenvía los paquetes al destino apropiado según las direcciones IP en los encabezados de los paquetes. La capa de Internet utiliza tablas de enrutamiento que contienen información sobre las mejores rutas para llegar a diferentes redes. Las tablas de enrutamiento se mantienen mediante dispositivos especiales llamados enrutadores, que están conectados a varias redes y pueden intercambiar información de enrutamiento con otros enrutadores mediante protocolos de enrutamiento. La capa de Internet utiliza varios algoritmos para determinar la mejor ruta para cada paquete, como la ruta más corta, el menor costo o el equilibrio de carga.

Algunos protocolos de la capa de Internet son:

• IP (Protocolo de Internet): Es el protocolo central del modelo TCP/IP y define cómo se empaquetan, direccionan y transmiten los datos a través de Internet. IP asigna una dirección numérica única a cada dispositivo en la red, llamada dirección IP. IP también divide los datos en unidades más pequeñas llamadas paquetes, que contienen las direcciones IP de origen y destino, junto con otra información. Luego, IP reenvía los paquetes al destino apropiado según las tablas de enrutamiento.
  
  
• ICMP (Internet Control Message Protocol): Es un protocolo que ayuda a diagnosticar y gestionar problemas de red. ICMP envía y recibe mensajes de control y de error, como solicitudes y respuestas de ping, mensajes de destino inalcanzable, mensajes de tiempo excedido y más.
  
  
• ARP (Address Resolution Protocol): Es un protocolo que convierte direcciones IP en direcciones MAC. ARP utiliza mensajes de difusión para solicitar la dirección MAC de un dispositivo que tiene una dirección IP determinada. ARP también mantiene un caché de asignaciones IP-MAC para uso futuro.
  
  
• RARP (Reverse Address Resolution Protocol): Es un protocolo que convierte direcciones MAC en direcciones IP. RARP utiliza mensajes de difusión para solicitar la dirección IP de un dispositivo que tiene una dirección MAC determinada. RARP se utiliza principalmente en estaciones de trabajo sin disco que necesitan obtener una dirección IP en el momento del arranque.
  

Capa de interfaz de red

Los protocolos de la capa de interfaz de red son los protocolos que interactúan con el hardware de la red física, como cables, conmutadores, enrutadores y tarjetas de red. Son la capa más baja del modelo TCP/IP e interactúan con la capa de Internet y la capa física. Son responsables de enmarcar y codificar los paquetes de datos, asignar direcciones físicas a los dispositivos en la red y detectar y corregir errores en la transmisión. Algunos protocolos de capa de interfaz de red comunes son:

• Ethernet: es un protocolo que define cómo se transmiten los datos a través de una red de área local (LAN) cableada. Ethernet utiliza una técnica denominada acceso múltiple con detección de portadora y detección de colisiones (CSMA/CD) para evitar colisiones entre varios dispositivos en la misma red. Ethernet también asigna una dirección física única a cada dispositivo en la red, llamada dirección MAC.
  
  
• Wi-Fi: Es un protocolo que define cómo se transmiten los datos a través de una red de área local inalámbrica (WLAN). Wi-Fi utiliza una técnica llamada acceso múltiple con detección de operador con prevención de colisiones (CSMA/CA) para evitar colisiones entre varios dispositivos en la misma red. Wi-Fi también utiliza métodos de encriptación y autenticación para asegurar la comunicación inalámbrica.
  
  
• Bluetooth: Es un protocolo que define cómo se transmiten los datos a través de una red de área personal (PAN) inalámbrica de corto alcance. Bluetooth utiliza una técnica llamada espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS) para evitar la interferencia de otros dispositivos en la misma banda de frecuencia. Bluetooth también utiliza métodos de emparejamiento y vinculación para establecer conexiones seguras entre dispositivos.
  
  
• PPP: Es un protocolo que define cómo se transmiten los datos a través de un enlace punto a punto, como un módem de acceso telefónico o un cable serie. PPP utiliza una técnica llamada control de enlace de datos de alto nivel (HDLC) para enmarcar y codificar los paquetes de datos. PPP también utiliza métodos de negociación y autenticación para establecer y mantener el enlace.

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Resumen de capas TCP

Capa	Descripción	Protocolos Comunes
Aplicación	Capa que interactúa con las aplicaciones del usuario y brinda diversos servicios, como transferencia de archivos, correo electrónico, navegación web y más. Identifica a los socios de comunicación, determina la disponibilidad de recursos y sincroniza la comunicación.	HTTP, SMTP, FTP, Telnet, DNS, etc.
Transporte	Capa que establece una conexión fiable y de extremo a extremo entre los equipos de origen y destino. Garantiza que los datos se entreguen en el orden correcto y sin errores. También implementa mecanismos de control de flujo y control de congestión.	TCP, UDP, DCCP, SCTP, etc
Internet	Capa que enruta los paquetes de datos a través de diferentes redes. También maneja el direccionamiento y la fragmentación de los paquetes. Utiliza paquetes basados en IP para la comunicación.	IP, ICMP, ARP, RARP, DNS, etc
Interfaz de red	Capa que interactúa con el hardware de la red física, como cables, conmutadores, enrutadores y tarjetas de red. También maneja el entramado y la codificación de los paquetes de datos. Utiliza diferentes protocolos dependiendo del tipo de red.	Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth, PPP, etc

Un WAF como PowerWAF provee protección para las capas de Aplicación, de Transporte y de Internet.

Capas TCP vs Modelo OSI

El modelo TCP/IP combina la capa de presentación y la capa de sesión del modelo OSI en la capa de aplicación, mientras que el modelo OSI las separa. La capa de presentación maneja el formato, el cifrado y la compresión de datos, mientras que la capa de sesión administra las sesiones y establece conexiones entre las aplicaciones.

El modelo TCP/IP también combina la capa física del modelo OSI con partes de la capa de interfaz de red, ya que se centra en los aspectos lógicos y conceptuales de la comunicación de red en lugar de los medios de transmisión física.

Comprender las capas de TCP/IP es fundamental para los administradores e ingenieros de red, ya que proporciona un marco para solucionar problemas de red e implementar soluciones adecuadas. Al analizar el tráfico de la red y aislar los problemas en capas específicas, los profesionales pueden identificar y abordar los problemas de manera eficiente.

Además, las capas de TCP/IP demuestran la división del trabajo dentro del conjunto de protocolos, lo que permite que múltiples protocolos trabajen juntos en armonía. Esta arquitectura en capas también admite el concepto de encapsulación, donde los datos de las capas superiores se encapsulan dentro de los protocolos de las capas inferiores a medida que atraviesan la red.

Capa TCP/IP	Capa OSI	Descripción
Aplicación	Aplicación	Es la capa que interactúa con las aplicaciones del usuario y brinda varios servicios, como transferencia de archivos, correo electrónico, navegación web y más.
	Presentación	Es la capa que formatea, cifra y comprime los datos para la capa de aplicación.
	Sesión	Es la capa que establece, mantiene y termina sesiones entre aplicaciones.
Transporte	Transporte	Es la capa que establece una conexión confiable y de extremo a extremo entre las computadoras de origen y destino. Garantiza que los datos se entreguen en el orden correcto y sin errores. También implementa mecanismos de control de flujo y control de congestión.
Internet	Red	Es la capa que enruta los paquetes de datos a través de diferentes redes. También maneja el direccionamiento y la fragmentación de los paquetes. Utiliza paquetes basados en IP para la comunicación.
Interfaz de red	Enlace de datos	Es la capa que interactúa con el hardware de la red física, como cables, conmutadores, enrutadores y tarjetas de red. También maneja el entramado y la codificación de los paquetes de datos. Utiliza diferentes protocolos dependiendo del tipo de red.
	Físico	Es la capa que define las características físicas del medio de transmisión, como niveles de voltaje, tasas de bits, conectores y cables. También maneja la transmisión y recepción de bits sobre el medio.

En conclusión, el conjunto de protocolos TCP/IP está organizado en capas, cada una de las cuales cumple funciones específicas en la transmisión de datos a través de redes. Desde la capa de aplicación hasta la capa de interfaz de red, los protocolos y los servicios funcionan juntos para permitir una comunicación confiable, eficiente y segura. Al comprender la función de cada capa, los profesionales de redes pueden solucionar problemas de manera efectiva, optimizar el rendimiento de la red y garantizar una conectividad perfecta.