Fundamentos de Transmisión de Datos: Un Recorrido por Segmentos, Paquetes y Más
Esta guía es un recurso educativo que describe cómo los datos se transmiten a través de redes, utilizando diferentes protocolos y modelos como OSI y TCP/IP. Se explica conceptos como la encapsulación, Unidades de Datos de Protocolo (PDU), y Unidades de Datos de Servicio (SDU), y cómo estos se relacionan con segmentos, datagramas, paquetes, marcos, celdas y bits, cada uno con funciones específicas en la transferencia de datos. Veamos a continuación:
Transmisión de datos
Cuando los datos se envían de una computadora a otra o de un nodo a otro, se dividen en pequeños fragmentos de datos.
Los datos que enviamos en una red se denominan generalmente mensajes.
A medida que pasamos de una capa a otra en el modelo OSI o en el modelo TCP/IP, el nombre del mensaje cambiará.
Los diferentes nombres de mensajes dependen del tipo de protocolo que utiliza la capa y de las tecnologías en las que se basa la capa.
Por el contrario, el nombre del mensaje aclara el tipo de protocolos utilizados en una capa diferente del modelo OSI o modelo TCP/IP.
¿Qué es la encapsulación?
La encapsulación es el proceso de agregar encabezados y finales alrededor de los datos.
Encontrará el uso de la encapsulación en el modelo TCP/IP de cuatro capas y el modelo de referencia OSI.
Cómo funciona la encapsulación en redes (Concepto básico)
Para comprender el proceso de encapsulación, supongamos que está enviando un correo electrónico utilizando un cliente de correo electrónico como Outlook o Thunderbird.
Los datos enviados a través de una aplicación como Outlook primero pasarán de la capa de aplicación a la capa de transporte.
La capa de transporte primero encapsulará los datos con su propia información y la pasará a la capa de Internet.
Los datos recibidos se encapsulan nuevamente con esta capa de información en la capa de Internet y se pasan a la capa de acceso a la red.
En la capa de acceso a la red, los datos recibidos se encapsulan nuevamente con la información de la capa y, por último, se pasan al enlace de la red física.
Además, con respecto al modelo OSI, los datos en cada capa se denominan Unidad de datos de protocolo (PDU), y la PDU de una capa se convierte en Unidad de datos de servicio (SDU) de otra capa.
Además, la PDU en cada capa del modelo OSI o modelo TCP/IP se nombra por separado correspondiente al protocolo en esa capa.
Primero, entenderemos qué son la Unidad de datos de protocolo (PDU) y la Unidad de datos de servicio (SDU).
A continuación, revisaremos los mensajes o datos en cada capa denominada Segmento, Datagrama, Paquetes, Marco, Bit y Celda.
¿Qué es la Unidad de datos de protocolo (PDU) en redes?
Una unidad de datos de protocolo (PDU) es una sola unidad de información o un bloque específico de información transferida a través de una red.
Se compone de información de control específica del protocolo y datos de usuario.
Se utiliza en la referencia del modelo OSI, que define el estado de los datos cuando se transfieren de una capa a otra.
En otras palabras, podemos decir que la unidad de datos de protocolo (PDU) se usa como un término genérico para el bloque de información en el modelo OSI.
¿Qué es la Unidad de datos de servicio (SDU) en redes?
La Unidad de datos de servicio (SDU) es el bloque de información o datos recibidos de la capa superior del modelo OSI.
Generalmente, la PDU de una capa se convierte en la SDU de otra capa cuando se transfiere de una capa a otra.
Las unidades de datos de protocolo (PDU) del modelo OSI son:
- La PDU de la capa de transporte (capa 4) es el segmento o el datagrama
- La PDU de capa de red (capa 3) es el paquete
- La PDU de la capa de enlace de datos (capa 2) es la trama
- La PDU de la capa física (capa 1) es el bit.
Las unidades de datos de protocolo (PDU) de Internet Protocol Suite (modelo TCP/IP) son:
- La PDU de la capa de transporte es el segmento para TCP o el datagrama para UDP
- La PDU de la capa de Internet es el paquete
- La PDU de la capa de enlace o de la capa de acceso a la red es la trama.
El tipo de mensaje o PDU en una capa diferente del modelo OSI o TCP/IP.
- Datos
- Segmentos
- datagrama
- Paquetes
- Marco
- Celúla
- bits
¿Qué son los segmentos?
Un segmento es la unidad de datos utilizada en el TCP (Transmission Control Protocol) de la capa de transporte.
Además, el segmento es la PDU para TCP en la capa de transporte.
Cuando la aplicación proporciona el flujo de datos, primero se divide en varios fragmentos de datos llamados segmentos.
Además, un segmento transporta datos junto con el acuse de recibo recibido de otro segmento.
Un segmento contiene información múltiple que transmite diferentes funciones y controles (llamados encabezados).
No entraremos en muchos detalles sobre el segmento, pero nos ocuparemos de algunos de los componentes más comunes del segmento.
- Puerto de origen (que puede ser 59365 y superior)
- Puerto de destino (principalmente 80 y superior)
- Banderas (tiene una larga lista de banderas que transmiten diferentes significados)
- Checksum (verifica la integridad del segmento)
- Número de secuencia (útil para realizar un seguimiento e identificar diferentes segmentos)
- Opciones (cualquier otra configuración importante)
¿Qué son los datagramas?
Los datagramas son muy similares a los paquetes y también son utilizados por el protocolo de capa de red del modelo de referencia OSI.
La única diferencia entre datagrama y paquete es que los datagramas no requieren ninguna confirmación en el extremo receptor.
Los datagramas son ideales para sitios de transmisión o llamadas de voz donde el flujo constante de datos es más importante que el 100 % de precisión.
El datagrama también se conoce como “datagramas IP” cuando se utiliza el Protocolo de Internet (IP) en la capa de red.
Un datagrama es la PDU que se utiliza para UDP en la capa de transporte.
¿Qué son los paquetes?
Un paquete es un bit de datos transmitidos a través de una red de conmutación de paquetes a través de múltiples rutas desde el origen hasta el destino.
Un paquete es una PDU (Unidad de datos de protocolo) utilizada en la capa de red del modelo OSI y la capa de Internet del modelo TCP/IP.
El dispositivo en una red TCP/IP divide los datos en una pequeña unidad y, cuando llega a la capa de red, se denominan paquetes.
Además, el tamaño del paquete puede variar según el ancho de banda de la red.
Un segmento recibido de la capa de transporte se agrega con una dirección IP adicional y un paquete.
A veces también se le llama “Paquetes IP» o «paquete de red.”
Similar a un segmento, el paquete tiene su propio campo junto con un segmento dentro de él. Los campos importantes agregados en la parte superior del segmento cuando llega a la capa de red se mencionan a continuación.
- Dirección IP origen
- Dirección IP de destino
- TTL
- Identificación
Cada paquete puede tomar su propia ruta y, si los paquetes se interrumpen o se pierden, se retransmitirán a una red.
Cuando los paquetes llegan al destino, se vuelven a ensamblar para formar un solo archivo u otros bloques de datos contiguos.
Además, también encontrará que los paquetes se denominan genéricamente como cualquier mensaje.
¿Qué son los marcos?
Los marcos pueden ser un bloque fijo o variable de datos o información formateado o codificado para transmisión digital a través de una red.
Además, las tramas son la PDU en la capa de enlace de datos del nivel de referencia OSI y una capa de interfaz de red del modelo TCP/IP.
Cuando se produce alguna comunicación entre dos ordenadores o dos dispositivos de red, se hace mediante una dirección MAC.
La dirección MAC es simplemente la dirección física del dispositivo asociado con la tarjeta de interfaz de red.
Cuando se envía cualquier mensaje de un nodo a otro, buscará la dirección física del dispositivo. Este proceso se lleva a cabo asignando la dirección IP y la dirección MAC correspondiente.
El mapeo o traducción de la dirección IP a la dirección MAC se realiza a través de ARP (Protocolo de resolución de direcciones).
Al igual que los segmentos y los paquetes, Frame tiene su propio encabezado y el paquete IP de la capa de red.
El Marco contiene la siguiente información como se menciona a continuación.
- Dirección Mac de origen
- Dirección Mac de destino
- Carga útil (el paquete de datos que se recibe de la capa de red)
- Longitud (longitud total de los datos)
- Suma de verificación
¿Qué es una célula en redes?
Una celda es un mensaje de longitud fija de 53 bytes utilizado por la red de modo de transferencia asíncrona (ATM).
Tiene el mismo propósito que el Marco. Además, es utilizado por tecnologías que operan en las capas inferiores del modelo OSI, como en las redes Ethernet y Frame Relay.
¿Qué son los Bits o Bits de Datos en redes?
Bits es la PDU (Unidad de datos de protocolo) en la capa física del modelo OSI y la capa de interfaz de red del modelo TCP/IP.
Los bits generalmente se codifican usando señales eléctricas y pulsos de luz, luego se transfieren a través de un medio físico en una red informática.
Ejemplos prácticos de cómo estos conceptos afectan el rendimiento de la red y la experiencia del usuario
Ejemplos prácticos de cómo los conceptos de segmentos, paquetes, datagramas, tramas, celdas y bits afectan el rendimiento de la red y la experiencia del usuario incluyen:
- Streaming de video: Los datagramas son usados para transmitir video en tiempo real. Si los datagramas llegan fuera de orden o se pierden, podría resultar en una baja calidad de imagen o interrupciones, afectando la fluidez del streaming.
- Transferencia de archivos: Durante una transferencia de archivos, la división de datos en segmentos permite una transferencia más eficiente. Si los segmentos no se manejan correctamente, podría haber una transmisión lenta o errores en los archivos recibidos.
- Juegos en línea: La entrega rápida de paquetes es crucial en juegos en línea para mantener la sincronización con otros jugadores. Un manejo inadecuado de paquetes puede causar retrasos o «lag».
- VoIP: En llamadas de voz sobre IP, el uso de datagramas ayuda a mantener una conversación fluida sin interrupciones, aunque pueden tolerarse algunas pérdidas de datos sin afectar significativamente la comunicación.
- Navegación web: Las tramas llevan datos a través de la red local. Si las tramas se pierden o tienen errores, podrían causar tiempos de carga más largos o fallos al cargar una página web.
Comparativas entre los modelos OSI y TCP/IP con escenarios de uso reales.
Los modelos OSI y TCP/IP son dos marcos fundamentales utilizados para entender y diseñar sistemas de comunicación en red. Aquí te presento unas comparativas con escenarios de uso reales:
- OSI en Redes Corporativas: En una gran corporación, con múltiples departamentos y servicios de TI, el modelo OSI puede ser útil para diagnosticar problemas de red a nivel de capa. Por ejemplo, un problema de conectividad puede ser identificado en la capa de enlace de datos para problemas con switches, o en la capa de aplicación si es un problema con un software específico.
- TCP/IP en Internet: La mayoría de las comunicaciones en Internet se basan en el modelo TCP/IP debido a su diseño simplificado y su robustez. Por ejemplo, cuando envías un correo electrónico, tu mensaje se divide en paquetes en la capa de Internet y es confiablemente transmitido a través de la capa de transporte utilizando TCP.
- OSI para Formación y Educación: El modelo OSI, con sus 7 capas claramente definidas, se utiliza ampliamente en la educación y la formación de profesionales de redes para enseñar cómo fluyen los datos a través de una red, incluso si la implementación práctica se inclina más hacia el modelo TCP/IP.
- TCP/IP para el Desarrollo de Aplicaciones: Los desarrolladores que trabajan en aplicaciones que requieren comunicación a través de la red a menudo utilizan el modelo TCP/IP para entender cómo manejar la transmisión de datos, como asegurar la entrega de paquetes con TCP o elegir UDP cuando la velocidad es más crítica que la fiabilidad.
La seguridad de la red
La seguridad de la red es un aspecto crítico que se intercala en las diferentes capas del modelo OSI y TCP/IP. En cada capa, hay medidas de seguridad específicas que pueden aplicarse:
- Capa de Aplicación (OSI) / Capa de Aplicación (TCP/IP): Aquí se implementan protocolos de seguridad como HTTPS, utilizando SSL/TLS para cifrado de datos, garantizando la privacidad y la integridad de la información que las aplicaciones envían a través de Internet.
- Capa de Transporte (OSI y TCP/IP): El cifrado de extremo a extremo se maneja en esta capa, como TLS y SSL, para proteger los datos de segmentos o datagramas que se transmiten.
- Capa de Red (OSI) / Capa de Internet (TCP/IP): Se utilizan protocolos como IPsec para cifrar y autenticar paquetes de datos, lo que asegura que los datos no puedan ser leídos o modificados sin autorización durante su tránsito.
- Capa de Enlace de Datos (OSI) / Capa de Acceso a la Red (TCP/IP): En esta capa se puede implementar seguridad en la red local, como el uso de Ethernet seguro, para proteger los datos que se mueven dentro de la misma red.
Las prácticas de seguridad en cada capa son fundamentales para proteger los datos contra accesos no autorizados, modificaciones y otros tipos de ataques informáticos.
Glosario
- Encapsulación: Proceso de agregar encabezados y pies a los datos a medida que pasan por las capas de una red.
- Segmento: Bloque de datos utilizado en la capa de transporte, especialmente con TCP, que incluye información de control y datos del usuario.
- Datagrama: Unidad de transferencia asociada con protocolos sin conexión, como UDP, donde cada paquete se trata de manera independiente.
- Paquete: Unidad de datos en la capa de red que contiene tanto la dirección de destino como la información del usuario.
- Trama: Datos encapsulados en la capa de enlace de datos con la dirección de la red local y el control de errores.
- Celda: Unidad de datos de tamaño fijo utilizada en tecnologías de red específicas como ATM.
- Bit: La unidad más pequeña de datos en informática, representando un 0 o un 1.
- TCP/IP: Conjunto de protocolos de comunicación utilizado para la Internet y redes similares.
- Modelo OSI: Modelo conceptual que tiene 7 capas y se utiliza para entender y diseñar sistemas de comunicaciones y protocolos de red.
- SSL/TLS: Protocolos para cifrar la información que se transmite en Internet, asegurando la seguridad de los datos.
Estudios de caso o historias de problemas de red comunes
En el mundo de las redes, los problemas pueden surgir en cualquier capa del modelo OSI o TCP/IP.
- Un estudio de caso común es el de una interrupción del servicio de internet en una empresa. Al entender los conceptos de encapsulación y PDUs, el equipo de TI pudo aislar el problema en la capa de enlace de datos, identificando que una trama corrupta causaba colisiones en el switch central. Al reemplazar el switch defectuoso, se restableció la conectividad. Este ejemplo demuestra cómo la comprensión técnica de las capas de red y la encapsulación es crucial para diagnosticar y resolver problemas de red de manera efectiva.
- Otro caso típico es la degradación del rendimiento de una red corporativa. El análisis reveló un elevado número de retransmisiones TCP, lo cual señalaba la pérdida de segmentos. Esto fue atribuido a una configuración incorrecta de control de flujo en algunos routers, que al ajustarse, mejoraron la velocidad de transferencia de datos.
- Un tercer caso involucra la seguridad en la transferencia de datos financieros. Se detectaron intentos de interceptación de datos en la capa de aplicación. Implementando encriptación TLS para los segmentos de datos, se aseguró la confidencialidad e integridad de las transacciones, frustrando los ataques. Estos escenarios muestran cómo el conocimiento técnico de las redes ayuda a identificar y mitigar problemas específicos.
Para terminar, entender los conceptos de segmentos, paquetes, datagramas, tramas, celdas y bits es esencial para comprender cómo se transmiten los datos a través de redes complejas. Estos elementos, trabajando en conjunto dentro de los marcos del modelo OSI y TCP/IP, no solo facilitan la comunicación eficiente y segura entre dispositivos sino que también son la base para solucionar problemas y optimizar el rendimiento de la red. Con la incorporación de medidas de seguridad en cada capa, se garantiza la protección integral de la información en la era digital.
