Cuando los dispositivos de red intercambian datos entre sí, deben seguir un conjunto de reglas: estas reglas se conocen como protocolos. Internet utiliza muchos protocolos distintos; sin estas reglas, los diferentes dispositivos no podrían comunicarse entre sí.
Los protocolos de red se organizan como una secuencia de capas por las que pasan los datos. Estas capas pueden imaginarse unas sobre otras, formando una pila. Esto se denomina pila de protocolos.
La pila de protocolos TCP/IP es la pila que se usa en Internet. Está dividida en cuatro capas que se sitúan una sobre otra:
- Capa de aplicación
- Capa de transporte
- Capa de Internet (a veces denominada capa de red)
- Capa de enlace (a veces denominada capa de enlace de datos)
Los protocolos funcionan conjuntamente de modo que el fabricante o el desarrollador de software pueda centrarse en su producto. Mientras cumplan los estándares necesarios e implementen los protocolos correspondientes, los componentes serán capaces de interactuar con los otros niveles para lograr una comunicación eficaz.
Interacción de tecnologías en Internet
La comunicación a través de Internet implica el uso de muchas tecnologías diferentes. Para cada mensaje concreto se selecciona un subconjunto de tecnologías que proporcionan la conexión entre dos aplicaciones que se ejecutan en dispositivos distintos. Esos dispositivos pueden estar próximos, conectados por cable, o en extremos opuestos del planeta. Pueden estar conectados mediante diversas tecnologías: por ejemplo, Wi‑Fi, Ethernet, ADSL, fibra óptica, UHF y satélite.
Los dispositivos de una red intercambian información sobre sus enlaces para encontrar las mejores rutas entre redes. Los datos que deben enviarse se representan en la red y los dispositivos los encaminan por la mejor ruta hasta el destino. Los dispositivos de red deben trabajar en conjunto para transportar los datos a lo largo de todo el trayecto. En una red local, la mayor parte del tráfico la gestionan los conmutadores. En Internet, el tráfico lo gestionan los enrutadores.
La ruta seleccionada debe adaptarse en tiempo real a situaciones cambiantes, como enlaces saturados o dañados. Además, los dispositivos deben afrontar la posibilidad de pérdida de datos en la red o de que estos lleguen en un orden distinto al de su envío. En distintos tramos del trayecto o a lo largo de todo él, los datos pueden requerir cifrado y descifrado. Finalmente, todo el sistema debe ser capaz de emplear una amplia variedad de soportes para cada segmento del trayecto de transmisión y adaptarse con facilidad a nuevas tecnologías a medida que se desarrollan e integran en la infraestructura de Internet.
Protocolos y sus funciones
Para que esto ocurra, cada una de las tecnologías utiliza un conjunto de reglas denominadas «protocolos», que definen el «lenguaje» que debe usarse y el orden en que deben realizarse determinadas acciones. Cada protocolo está diseñado para una tarea concreta y todos los protocolos deben funcionar conjuntamente para garantizar un camino fluido por el que los datos puedan transmitirse. Esta separación permitió desarrollar nuevas tecnologías y servicios que encajan en el modelo existente y, por tanto, funcionan con los protocolos ya establecidos. Un ejemplo es la migración constante de los datos móviles a través de 2G, 3G, 4G y ahora 5G. Nuevas tecnologías como Bluetooth, las generaciones 4G y 5G, y los nuevos estándares de Wi‑Fi ofrecen velocidades de transmisión cada vez mayores.
Implementación de los protocolos en el dispositivo
En un dispositivo que desea comunicarse en la red deben implementarse los protocolos correspondientes. Estos protocolos se usarán para formatear los datos de la aplicación que se quiere enviar y convertirlos en bits codificados como una señal óptica, eléctrica o de radiofrecuencia adecuada. Esa señal se transmite entonces al medio (cualquier tecnología cableada o inalámbrica por la que puedan transmitirse datos). En el extremo receptor debe realizarse la conversión inversa para que los bits vuelvan a convertirse en datos y se entreguen a la aplicación receptora.
Este conjunto complejo de requisitos se logra organizando el proceso en una serie de capas funcionales y garantizando que los datos se transmitan de capa en capa para su procesamiento antes de ser enviados al medio para su transmisión.
Estas capas sucesivas pueden visualizarse como un conjunto de procesos dispuestos uno sobre otro, formando una pila. Conceptualmente, los datos descienden por la pila cuando se envían desde una aplicación en el dispositivo y se dirigen al medio para su transmisión. En el extremo receptor, los datos ascienden desde el medio de transmisión por la pila hasta llegar a la aplicación del dispositivo receptor.
Modelo de cuatro capas TCP/IP
Capa de aplicación
La capa de aplicación es la capa en la que los datos se envían desde el software hacia la pila de protocolos. En el otro extremo de la comunicación, la capa de aplicación entrega los datos a la aplicación receptora.
Esta capa utiliza protocolos específicos según el tipo de aplicación utilizada. Por ejemplo, un navegador web emplea HTTP o HTTPS (HTTPS es la versión cifrada de HTTP, usada para transacciones web seguras). Un cliente de correo utiliza SMTP junto con IMAP o POP3.
La capa de aplicación añade el encabezado correspondiente a los datos según el protocolo empleado antes de enviarlos a la capa siguiente.
Capa de transporte
La capa de transporte divide los datos de la aplicación en paquetes. Se asignan números de orden y se añaden los números de puerto de origen y destino en el encabezado.
En este nivel existen dos opciones:
- Los datos pueden enviarse usando el protocolo TCP. Es un protocolo de transporte fiable: si el extremo receptor detecta que faltan datos, solicitará su retransmisión.
- Los datos pueden enviarse usando el protocolo UDP. Es un protocolo de transporte no fiable: el extremo receptor puede limitarse a detectar que faltan datos y transmitir esa información al nivel de aplicación.
Capa de Internet
La capa de Internet prepara los datos para Internet. En esta fase se añaden las direcciones IP de origen y destino al encabezado. Los datos resultantes se denominan paquete IP.
Para que cada paquete IP llegue a su destino, los enrutadores utilizan la dirección de destino que figura en el encabezado del paquete IP para seleccionar la ruta a través de Internet.
Capa de enlace
La capa de enlace se encarga de transportar los paquetes IP a través de cada uno de los canales individuales que conforman la ruta entre dos equipos. Estos canales pueden ser una combinación de Ethernet, Wi‑Fi, 4G, satélite o fibra.
El paquete IP se desplazará por muchos canales físicos y/o inalámbricos distintos entre el origen inicial y el destino final. Cada tipo de canal físico emplea una tecnología diferente y tiene su propio protocolo. Cada uno de esos protocolos añade sus encabezados a los paquetes IP, creando tramas. Esas tramas se usan para transportar los paquetes IP a través de un canal concreto.
Ethernet es un protocolo común de capa de enlace utilizado en redes locales. Regula la forma en que se transmiten los paquetes de datos por un canal compartido.
El nivel de enlace en un extremo del canal se comunica con el nivel de enlace en el otro extremo convirtiendo la trama en una señal eléctrica, electromagnética (inalámbrica) o lumínica, y enviándola al medio.
Modelo OSI
En las primeras fases del desarrollo de Internet, el gobierno de Estados Unidos y el Departamento de Defensa dividieron la funcionalidad necesaria en siete capas. Esa estructura aún existe como el modelo OSI de siete niveles. Sin embargo, con el crecimiento de Internet la comunidad definió nuevos estándares operativos y, con el objetivo de simplificar, algunas capas se fusionaron y se adoptó un modelo más sencillo de cuatro capas. El nombre del modelo proviene de los dos protocolos más usados: TCP e IP; por ello se denomina modelo TCP/IP o pila TCP/IP.
Al enviar datos, cada una de las capas del modelo TCP/IP recibe datos de la capa superior (o de un programa en el caso de la capa de aplicación) y añade información adicional necesaria para realizar las tareas de esa capa. En algunos casos, los datos originales pueden procesarse antes de añadirse la información adicional, por ejemplo, pueden cifrarse. A continuación, la capa transmite estos datos a la capa inferior (o al medio de transmisión en el caso de la capa de enlace).
La llegada de datos desde la capa superior puede provocar el envío de mensajes adicionales al extremo receptor. Por ejemplo, si los datos deben cifrarse, la capa que realiza el cifrado deberá intercambiar mensajes iniciales de establecimiento con el receptor para acordar el método de cifrado y las claves antes de que puedan transmitirse los datos cifrados.
En el extremo receptor el proceso ocurre en orden inverso: cada capa recibe los datos de la capa inferior, verifica y elimina la información adicional añadida por la capa correspondiente en el extremo emisor antes de transmitirlos a la capa superior.
Los datos se transmiten desde un proceso en el equipo emisor a un proceso en el equipo receptor utilizando los servicios de la capa inferior. Solo la última capa es la que realmente transmite los datos al medio de transmisión (por ejemplo, un cable).
La comunicación entre las cuatro capas se logra pasando los datos hacia abajo por las capas, a través del medio de transmisión y volviéndolos a pasar hacia arriba por las capas en el otro extremo.
Este método de comunicación modular se denomina encapsulación. Puede compararse con poner los datos de la capa superior en un sobre, escribir información adicional en el sobre y luego entregarlo a la capa inferior. En el extremo receptor, la capa recibe el sobre de la capa inferior, comprueba la información del sobre para decidir qué hacer con su contenido, abre el sobre y entrega los datos contenidos a la siguiente capa. El proceso inverso se llama desencapsulación.
