Capa de Red o Capa 3 del Modelo OSI

La capa de red, también conocida como capa 3 del modelo OSI, proporciona los servicios necesarios para el transporte de datos a través de la red. Para lograr esto, se llevan a cabo cuatro procesos fundamentales:

• 1. Direccionamiento: La capa de red debe proporcionar un mecanismo para asignar direcciones a los dispositivos finales. Si las secciones individuales de los datos se dirigen a un dispositivo final, este debe tener una dirección única. En IPv4, al dispositivo al que se le asigna una dirección se le denomina host.
• 2. Encapsulación: La unidad de datos de protocolo (PDU) de la capa 4 se envía a la capa 3, donde se le añade una etiqueta. Posteriormente, el paquete se envía a la capa de enlace de datos.
• 3. Enrutamiento: La capa de red debe proporcionar los servicios necesarios para que los paquetes lleguen al host de destino. Los routers son los dispositivos intermediarios que conectan las redes y dirigen los paquetes hacia su destino.
• 4. Desencapsulación: Cuando el paquete llega al host de destino, se procesa en la capa 3. Se verifica si la dirección de destino es correcta y, de ser así, la PDU de la capa 4 se pasa a la capa de transporte. Los protocolos de la capa de transporte especifican la estructura y el procesamiento del paquete utilizados para llevar los datos desde un host hasta otro.

Protocolo IPv4

El Protocolo de Internet versión 4 (IPv4) es uno de los protocolos fundamentales de la capa de red. Sus características principales son:

• Máximo esfuerzo (no confiable): No se utilizan encabezados adicionales para garantizar la entrega de los paquetes.
• Sin conexión: No se establece una conexión previa al envío de los paquetes de datos.
• Independiente de los medios: Funciona independientemente de los medios físicos que transportan los datos.

Protocolo IPv4 (Sin conexión)

Los paquetes IP se envían sin notificar al host final que están llegando. El emisor no sabe si el receptor está disponible, si el paquete llegó correctamente ni si el receptor puede leerlo. El receptor, por su parte, no sabe cuándo llegará un paquete.

Protocolo IPv4 (Mejor Intento)

IPv4 no tiene la capacidad de administrar ni recuperar paquetes no entregados o corruptos. Los paquetes se enrutan rápidamente a través de la red, y algunos pueden perderse en el trayecto.

Protocolo IPv4 (Independencia de los Medios)

Los paquetes IP pueden trasladarse a través de distintos medios físicos, como Ethernet de cobre, serial de cobre, fibra óptica o inalámbrico.

Paquete IPv4 (Empaquetado de la PDU de la Capa de Transporte)

Los routers pueden implementar diferentes protocolos de la capa de red para operar concurrentemente en una red hacia y desde el mismo host u otro. El enrutamiento realizado por estos dispositivos intermediarios solo considera el contenido del encabezado del paquete que encapsula el segmento.

Encabezado de Paquetes IPv4

El encabezado de un paquete IPv4 consta de seis campos principales:

• Dirección IP de origen (32 bits)
• Dirección IP de destino (32 bits)
• Tiempo de vida (TTL, 8 bits)
• Tipo de servicio (ToS, 8 bits)
• Protocolo (8 bits)
• Desplazamiento de fragmentos

Redes (Separación de Hosts en Grupos Comunes)

Las redes se pueden agrupar según varios factores, que incluyen:

• Propósito
• Propiedad
• Ubicación geográfica

Mejora de Rendimiento

La sobrecarga en una red puede verse influenciada por los broadcasts. Un broadcast es un mensaje enviado desde un host hacia todos los demás hosts en la red. Son una herramienta necesaria y útil utilizada por los protocolos para permitir la comunicación de datos en las redes.

ARP (Address Resolution Protocol)

ARP es un protocolo de la capa de enlace de datos responsable de encontrar la dirección hardware (Ethernet MAC) que corresponde a una determinada dirección IP. Envía un paquete (ARP request) a la dirección de difusión de la red (broadcast) que contiene la dirección IP por la que se pregunta, y espera a que el host con esa IP responda con la dirección Ethernet que le corresponde.

Capa de Enlace de Datos (Soporte y Conexión)

La capa de enlace de datos realiza dos servicios principales:

• Permite que las capas superiores accedan a los medios utilizando tramas.
• Controla cómo se colocan los datos en los medios y cómo se reciben, teniendo en cuenta la detección de errores y el control de los medios.

Términos para la Capa de Enlace de Datos

• Trama: La PDU de la capa de enlace de datos.
• Nodo: La notación de la capa 2 para dispositivos de red conectados a un medio común.
• Medios/Medio (físico): Los medios físicos para la transferencia de información entre dos nodos.
• Red (física): Dos o más nodos conectados a un medio común.

La capa de enlace de datos es responsable del intercambio de tramas entre nodos a través de los medios de una red física.

Capa de Enlace de Datos (Control de Transferencia)

Los métodos de control de acceso a los medios que se describen en los protocolos de la capa de enlace de datos definen los procesos por los cuales los dispositivos de red pueden acceder a los medios de red y transmitir tramas en diferentes entornos de red.

Capa de Enlace de Datos (Creación de Trama)

La descripción de una trama es un elemento clave de cada protocolo de la capa de enlace de datos. Estos protocolos requieren información de control para funcionar correctamente. La información de control puede indicar:

• Qué nodos están en comunicación entre sí.
• Cuándo comienza y cuándo termina la comunicación entre nodos individuales.
• Qué errores se producen mientras se comunican los nodos.
• Qué nodos se comunicarán después.

La trama de la capa de enlace de datos incluye:

• Datos: El paquete desde la capa de red.
• Encabezado: Contiene información de control, como el direccionamiento, y está ubicado al comienzo de la PDU.
• Tráiler: Contiene información de control agregada al final de la PDU.

Capa de Enlace de Datos (Estándares)

• ISO (HDLC, Control de Enlace de Datos de Alto Nivel)
• IEEE (LLC, Ethernet, Token Ring, Wireless LAN)
• ITU (Frame Relay, HDLC, ISDN)
• ANSI (ADCCP, 3T9.5)

Colocar Tramas en los Medios

La regulación de la colocación de tramas de datos en los medios se conoce como control de acceso al medio.

Control de Acceso al Medio para Medios Compartidos

Existen dos métodos principales:

• Controlado: Cada nodo tiene su propio tiempo para utilizar el medio.
• Basado en la contención: Todos los nodos compiten por el uso del medio.

CSMA/Detección de Colisión

En CSMA/CD (Acceso Múltiple con Detección de Portadora y Detección de Colisiones), el dispositivo controla los medios para detectar una señal de datos. Si no hay una señal de datos, lo que indica que el medio está libre, el dispositivo transmite los datos. Si se detectan señales que indican que otro dispositivo estaba transmitiendo al mismo tiempo, todos los dispositivos dejan de enviar e intentan después.

CSMA/Prevención de Colisión

En CSMA/CA (Acceso Múltiple con Detección de Portadora y Prevención de Colisiones), el dispositivo analiza los medios para detectar la presencia de una señal de datos. Si el medio está libre, el dispositivo envía una notificación a través del medio sobre su intención de utilizarlo. Luego, el dispositivo envía los datos.

Comparación entre la Topología Lógica y la Topología Física

La topología de una red es la configuración o relación de los dispositivos de red y de las interconexiones entre ellos. La topología física es una configuración de nodos y las conexiones físicas entre ellos, y representa cómo se utilizan los medios para interconectar los dispositivos.

Protocolo de Capa de Enlace de Datos (La Trama)

Una trama de la capa de enlace de datos consta de tres partes:

• Datos
• Encabezado
• Tráiler

La Capa Física (Objetivo)

Esta capa acepta una trama completa desde la capa de enlace de datos y la codifica como una secuencia de señales que se transmiten en los medios locales. Un dispositivo final o un dispositivo intermediario recibe los bits codificados que componen una trama.

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 es crear la señal óptica, eléctrica o de microondas que representa a los bits en cada trama.

Capa Física (Funcionamiento)

Los medios no transportan la trama como una única entidad. Los medios transportan señales, una por vez, para representar los bits que conforman la trama.

Tipos de Medios de Red

• Cable de cobre
• Fibra óptica
• Inalámbrico

Identificación de una Trama

El dispositivo emisor envía señales para indicar el comienzo y el final de la trama.

Medios de Cobre

Es el medio más utilizado para las comunicaciones. Forma circuitos a través de una secuencia de alambres de cobre individuales. Estos cables se pueden utilizar para conectar los nodos de una LAN a los dispositivos intermediarios, como routers o switches. Los cables también se utilizan para conectar dispositivos WAN.

Interferencia de Señal Externa

Los tipos de cable con blindaje o trenzado de pares de alambre están diseñados para minimizar la degradación de señales debido al ruido electrónico. La susceptibilidad de los cables de cobre al ruido electrónico también puede limitarse por:

• La selección del tipo o categoría de cable más adecuado para proteger las señales de datos en un entorno de networking determinado.
• El diseño de una infraestructura de cables para evitar las fuentes de interferencia posibles y conocidas en la estructura del edificio.
• El uso de técnicas de cableado que incluyen el manejo y la terminación apropiados de los cables.

Cable de Par Trenzado Blindado (UTP)

El trenzado cancela las señales no deseadas. Este efecto de cancelación ayuda además a evitar la interferencia proveniente de fuentes internas, lo que se denomina crosstalk. El crosstalk es la interferencia ocasionada por campos magnéticos alrededor de los pares adyacentes de alambres en un cable.

Estándares de Cableado UTP

Algunos elementos que se definen en los estándares de cableado UTP son:

• Tipos de cables
• Terminación de los cables
• Conectores
• Métodos para realizar pruebas de cable
• Terminación de los cables

Tipos de Cables UTP

El cableado UTP es un medio común basado en cobre para interconectar dispositivos de red, como computadoras, y dispositivos intermediarios, como routers y switches de red.

Principales Tipos de Cables

• Cruzado Ethernet
• Cable directo de Ethernet

Ejemplo de Direccionamiento IP

Dos PCs

• PC1: 192.168.54.55
• PC2: 192.168.54.56
• Máscara de subred: 255.255.255.0
• Puerta de enlace: 192.168.54.57

Router

• F/E1: 192.168.54.53 / 255.255.255.0
• F/E3: 192.168.60.1 / 255.255.255.0
• F/E2: 192.168.55.62 / 255.255.255.0

Otros dos PCs

• PC3: 192.168.55.60
• PC4: 192.168.55.61
• Máscara de subred: 255.255.255.0
• Puerta de enlace: 192.168.55.62

Un Hub

• IP: 192.168.60.61
• Máscara de subred: 255.255.255.0
• Puerta de enlace: 192.168.60.60

Un DNS

• IP: 192.168.60.60
• Máscara de subred: 255.255.255.0
• Puerta de enlace: 192.168.60.2

Se unen a: 192.168.60.2 / 255.255.255.0

Tabla de Enrutamiento

Para crear una tabla de enrutamiento, se debe tomar la IP, colocar un 0 al final y especificar por qué interfaz (F/E) pasa. Luego, se debe añadir la ruta por defecto 0.0.0.0.