Capa Física OSI

La capa física de OSI proporciona los medios de transporte para los bits que conforman la trama de la capa de Enlace de datos a través de los medios de red. Esta capa acepta una trama completa desde la capa de Enlace de datos y lo codifica como una secuencia de señales que se transmiten en los medios locales. Un dispositivo final o un dispositivo intermedio recibe los bits codificados que componen una trama.

El envío de tramas a través de medios de transmisión requiere los siguientes elementos de la capa física:

  • Medios físicos y conectores asociados.
  • Una representación de los bits en los medios.
  • Codificación de los datos y de la información de control.
  • Sistema de circuitos del receptor y transmisor en los dispositivos de red.

El objetivo de la capa física es crear la señal óptica, eléctrica o de microondas que representa a los bits en cada trama. Luego, estas señales se envían por los medios una a la vez.

Otra función de la capa física es la de recuperar estas señales individuales desde los medios, restaurarlas para sus representaciones de bit y enviar los bits hacia la capa de Enlace de datos como una trama completa.

Existen tres tipos básicos de medios de red en los cuales se representan los datos (La presentación de los bits depende del tipo de medio):

  • Cable de cobre
  • Fibra
  • Inalámbrico

Cuando la capa física codifica los bits en señales para un medio específico, también debe distinguir dónde termina una trama y dónde se inicia la próxima. De lo contrario, los dispositivos de los medios no reconocerían cuándo se ha recibido exitosamente una trama. En tal caso, el dispositivo de destino sólo recibiría una secuencia de señales y no sería capaz de reconstruir la trama correctamente. Como se describió en el capítulo anterior, indicar el comienzo de la trama es a menudo una función de la capa de Enlace de datos. Sin embargo, en muchas tecnologías, la capa física puede agregar sus propias señales para indicar el comienzo y el final de la trama.

las tecnologías de la capa física se definen por diferentes organizaciones, tales como:

  • La Organización Internacional para la Estandarización (ISO)
  • El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE)
  • El Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI)
  • La Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU)
  • La Asociación de Industrias Electrónicas/Asociación de la Industria de las Telecomunicaciones (EIA/TIA)
  • Autoridades de las telecomunicaciones nacionales, como la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) en EE.UU.

Las tecnologías definidas por estas organizaciones incluyen cuatro áreas de estándares de la capa física:

  • Propiedades físicas y eléctricas de los medios
  • Propiedades mecánicas (materiales, dimensiones, diagrama de pines) de los conectores
  • Representación de los bits por medio de las señales (codificación)
  • Definición de las señales de la información de control

Las tres funciones esenciales de la capa física son:

  • Los componentes físicos: son los dispositivos electrónicos de hardware, medios y conectores que transmiten y transportan las señales para representar los bits.
  • Codificación de datos: método utilizado para convertir un stream de bits de datos en un código predefinido. Los códigos son grupos de bits utilizados para ofrecer un patrón predecible que pueda reconocer tanto el emisor como el receptor.
  • Señalización: método de representación de bits.

Los bits se representan en el medio al cambiar una o más de las siguientes características de una señal:

  • Amplitud
  • Frecuencia
  • Fase

amplitud-frecuencia-fase

Señalización NRZ

En NRZ, el stream de bits se transmite como una secuencia de valores de voltaje.

Un valor de bajo voltaje representa un 0 lógico y un valor de alto voltaje representa un 1 lógico. El intervalo de voltaje depende del estándar específico de capa física utilizado.

Este método simple de señalización sólo es adecuado para enlaces de datos de velocidad lenta. La señalización NRZ no utiliza el ancho de banda de manera eficiente y es susceptible a la interferencia electromagnética. Además, los límites entre bits individuales pueden perderse al transmitir en forma consecutiva secuencias largas de 1 ó 0. En dicho caso, no se detectan transiciones de voltaje en los medios. Por lo tanto, los nodos receptores no tienen una transición para utilizar al resincronizar tiempos de bit con el nodo transmisor.

Codificación Manchester

En el esquema de codificación Manchester, los valores de bit se representan como transiciones de voltaje, una transición desde un voltaje bajo a un voltaje alto representa un valor de bit de 1. Una transición desde un voltaje alto a un voltaje bajo representa un valor de bit de 0.

manchester

Un grupo de códigos es una secuencia consecutiva de bits de código que se interpretan y asignan como patrones de bits de datos. Por ejemplo, los bits de código 10101 pueden representar los bits de datos 0011.

Entre las ventajas de utilizar grupos de códigos se incluyen:

  • Reducción del nivel de error en los bits
  • Limitación de la energía efectiva transmitida a los medios
  • Ayuda para distinguir los bits de datos de los bits de control
  • Mejoras en la detección de errores en los medios

Fuente: Exploration: Aspectos básicos de networking (CISCO).

Capa de Red OSI

Los protocolos de la capa de Red del modelo OSI especifican el direccionamiento y los procesos que permiten que los datos de la capa de Transporte sean empaquetados y transportados. La encapsulación de la capa de Red permite que su contenido pase al destino dentro de una red o sobre otra red con una carga mínima.

La Capa de red o Capa 3 de OSI provee servicios para intercambiar secciones de datos individuales a través de la red entre dispositivos finales identificados. Para realizar este transporte de extremo a extremo la Capa 3 utiliza cuatro procesos básicos:

  • Direccionamiento.
  • Encapsulamiento.
  • Enrutamiento.
  • Desencapsulamiento.

 Los servicios de capa de Red implementados por el conjunto de protocolos TCP/IP son el Protocolo de Internet (IP). La versión 4 de IP (IPv4) es la versión de IP más ampliamente utilizada. Es el único protocolo de Capa 3 que se utiliza para llevar datos de usuario a través de Internet.

La versión 6 de IP (IPv6) está desarrollada y se implementa en algunas áreas. IPv6 operará junto con el IPv4 y puede reemplazarlo en el futuro. Los servicios provistos por IP, así como también la estructura y el contenido del encabezado de los paquetes están especificados tanto por el protocolo IPv4 como por el IPv6. Estos servicios y estructura de paquetes se usan para encapsular datagramas UDP o segmentos TCP para su recorrido a través de una internetwork.

El Protocolo de Internet fue diseñado como un protocolo con bajo costo. Provee sólo las funciones necesarias para enviar un paquete desde un origen a un destino a través de un sistema interconectado de redes. El protocolo no fue diseñado para rastrear ni administrar el flujo de paquetes. Estas funciones son realizadas por otros protocolos en otras capas. Características básicas de IPv4:

  • Sin conexión: No establece conexión antes de enviar los paquetes de datos.
  • Máximo esfuerzo (no confiable): No se usan encabezados para garantizar la entrega de paquetes.
  • Medios independientes: Operan independientemente del medio que lleva los datos. 

Existe, no obstante, una característica principal de los medios que la capa de Red considera: el tamaño máximo de la PDU que cada medio puede transportar. A esta característica se la denomina Unidad máxima de transmisión (MTU). Parte de la comunicación de control entre la capa de Enlace de datos y la capa de Red es establecer un tamaño máximo para el paquete. La capa de Enlace de datos pasa la MTU hacia arriba hasta la capa de Red. La capa de Red entonces determina de qué tamaño crear sus paquetes.

En algunos casos, un dispositivo intermediario, generalmente un router, necesitará separar un paquete cuando se lo envía desde un medio a otro medio con una MTU más pequeña. A este proceso se lo llama fragmentación de paquetes o fragmentación.

Encabezado del Paquete IPv4

Como se muestra en la figura, un protocolo IPv4 define muchos campos diferentes en el encabezado del paquete. Estos campos contienen valores binarios que los servicios IPv4 toman como referencia a medida que envían paquetes a través de la red.

campos-del-encabezado-ipv4

Dirección IP destino

El campo de Dirección IP destino contiene un valor binario de 32 bits que representa la dirección de host de capa de red de destino del paquete.

Dirección IP origen

El campo de Dirección IP origen contiene un valor binario de 32 bits que representa la dirección de host de capa de red de origen  del paquete.

Tiempo de vida

El tiempo de vida (TTL) es un valor binario de 8 bits que indica el tiempo remanente de “vida” del paquete. El valor TTL disminuye al menos en uno cada vez que el paquete es procesado por un router (es decir, en cada salto). Cuando el valor se vuelve cero, el router descarta o elimina el paquete y es eliminado del flujo de datos de la red.

Protocolo

Este valor binario de 8 bits indica el tipo de relleno de carga que el paquete traslada. El campo de protocolo permite a la Capa de red pasar los datos al protocolo apropiado de la capa superior. Ej: 01 ICMP, 06 TCP, 17 UDP.

Tipo de servicio

El campo de tipo de servicio contiene un valor binario de 8 bits que se usa para determinar la prioridad de cada paquete. Este valor permite aplicar un mecanismo de Calidad del Servicio (QoS) a paquetes de alta prioridad, como aquellos que llevan datos de voz en telefonía.

Desplazamiento de fragmentos

Como se mencionó antes, un router puede tener que fragmentar un paquete cuando lo envía desde un medio a otro medio que tiene una MTU más pequeña. Cuando se produce una fragmentación, el paquete IPv4 utiliza el campo Desplazamiento de fragmento y el señalizador MF en el encabezado IP para reconstruir el paquete cuando llega al host destino. El campo de desplazamiento del fragmento identifica el orden en el cual ubicar el fragmento del paquete en la reconstrucción.

Señalizador de Más fragmentos

El señalizador de Más fragmentos (MF) es un único bit en el campo del señalizador usado con el Desplazamiento de fragmentos para la fragmentación y reconstrucción de paquetes. Cuando está configurado el señalizador Más fragmentos, significa que no es el último fragmento de un paquete. Cuando un host receptor ve un paquete que llega con MF = 1, analiza el Desplazamiento de fragmentos para ver dónde ha de colocar este fragmento en el paquete reconstruido. Cuando un host receptor recibe una trama con el MF = 0 y un valor diferente a cero en el desplazamiento de fragmentos, coloca ese fragmento como la última parte del paquete reconstruido. Un paquete no fragmentado tiene toda la información de fragmentación cero (MF = 0, desplazamiento de fragmentos = 0).

Señalizador de No Fragmentar

El señalizador de No Fragmentar (DF) es un solo bit en el campo del señalizador que indica que no se permite la fragmentación del paquete. Si se establece el bit del señalizador No Fragmentar, entonces la fragmentación de este paquete NO está permitida. Si un router necesita fragmentar un paquete para permitir el paso hacia abajo hasta la capa de Enlace de datos pero pero el bit DF se establece en 1, entonces el router descartará este paquete.

Versión

Contiene el número IP de la versión (4 o 6).

Longitud del encabezado (IHL).

Especifica el tamaño del encabezado del paquete.

Longitud del Paquete

Este campo muestra el tamaño completo del paquete, incluyendo el encabezado y los datos, en bytes.

Identificación

Este campo es principalmente utilizado para identificar fragmentos de un paquete IP original.

Checksum del encabezado

El campo de checksum se utiliza para controlar errores del encabezado del paquete.

Opciones

Existen medidas para campos adicionales en el encabezdo IPv4 para proveer otros servicios pero éstos son rara vez utilizados.

División de redes

En lugar de tener todos los hosts conectados en cualquier parte a una vasta red global, es más práctico y manejable agrupar los hosts en redes específicas. Históricamente, las redes basadas en IP tienen su raíz como una red grande. Como esta red creció, también lo hicieron los temas relacionados con su crecimiento. Para aliviar estos problemas, la red grande fue separada en redes más pequeñas que fueron interconectadas. Estas redes más pequeñas generalmente se llaman subredes.

Red y subred son términos utilizados indistintamente para referirse a cualquier sistema de red hecho posible por los protocolos de comunicación comunes compartidos del modelo TCP/IP.

Fuente: Exploration: Aspectos básicos de networking (CISCO).