¿Cómo podemos organizar la arquitectura de redes de forma ordenada?
1. Layered Architecture
Una layered architecture nos permite discutir una parte específica y definida de un sistema grande y complejo. Esta simplificación aporta mucho valor, ya que provee modularización. Nos permite fácilmente cambiar la implementación del servicio proporcionado por cada capa.
Protocol Layering
Para proveer una estructura al diseño de protocolos de red, los protocolos se organizaron en capas o layers. Cada protocolo pertenece a una capa particular de la arquitectura. Los servicios que ofrece una capa a su capa superior son denominados el service model de la capa. Cada capa provee su servicio (1) realizando ciertas acciones dentro de esa capa y (2) usar los servicios de su capa inferior.
Estas capas pueden ser tanto implementadas en hardware como en software. Los application-layer protocols (como HTTP y SMTP) son generalmente implementados por software dentro de los hosts, así como los transport-layer protocols. Debido a que la physical layer y la data link layer son los responsables por manejar la comunicación en un link particular, son implementados por hardware en la placa de red. La network-layer suele tener una implementación mixta, tanto con software como con hardware.
Algunas personas se oponen a esta arquitectura, ya que en este enfoque algunas capas duplican comportamiento de capas inferiores, como la recuperación de errores. Otra desventaja es que algunas capas requieren información disponible en otra capa, rompiendo encapsulamiento.
Cuando se combinan, las varias capas de protocolo con conocidas como el stack protocol. El IP stack consiste en cinco capas: physical, link, network, transport, y las application layers.
Application Layer
Aquí es donde residen las aplicaciones de red. En el internet, esta capa incluye muchos protocolos, como el HTTP (transferencia y pedido de documentos de web), SMPT (transferencia de emails), FTP (transferencia de archivos).
Estos protocolos se distribuyen en múltiples hosts para poder intercambiar información entre múltiples sistemas. En esta capa nos referimos a estos packets de información como message.
Transport Layer
Esta capa se encarga de transferir los messages de la capa anterior entre los endpoints. Hay dos protocolos principales.
- TCP: Provee un servicio orientado a conexiones. Garantiza el envío y el flujo de control del mismo desde un end-point al siguiente. También se encarga de separar mensajes largos en pequeños segments y provee mecanismos de control de congestión.
- UDP: Provee un servicio no orientado a conexiones: Este servicio no provee confianza, ni ningún tipo de control.
En esta capa nos referimos a los packets de información como segment.
Network Layer
Esta capa se encarga de mover los segments (denominados datagrams) entre los hosts. Esta capa recibe el segment y una dirección de envío y se encarga de enviar el segmento al destino correcto.
Esta capa incluye el conocido protocolo IP (de hecho, esta capa es muchas veces conocida como la capa IP). Define los campos del datagram así como la forma de interactuar con ellos. También contiene protocolos de rutina que se encargan de determinar las rutas que toman los datagrams para llegar a destino. Cada administrador de red decide cuál protocolo usar.
Link Layer
Para mover un packet de un nodo al siguiente, se utiliza la link layer. En cada nodo, la network layer le da el paquete a la link layer, el cual se encarga de enviar el mensaje al siguiente nodo. Esta capa provee confianza de envío de un nodo al siguiente.
Ejemplos de algunos protocolos en esta capa son: Ethernet, Wi-Fi, entre otros. Un mismo packet puede ser manejado por múltiples de estos protocolos a lo largo de su ruta.
Physical Layer
A diferencia de la capa anterior que se encarga del envío de packets, el trabajo de esta capa es el del envío de bits individuales desde un nodo al siguiente.
El protocolo utilizado en esta capa dependen del medio del link utilizado
The OSI Model
El IP stack protocol no es el único que se utiliza. El modelo OSI (Open Systems Interconnection) se utilizaba en los inicios del internet.
Este protocolo se separa en siete capas: application layer, presentation layer, session layer, transport layer, network layer, data link layer, y la physical layer.
Es un protocolo similar al IP stack protocol, con dos capas adicionales:
- Presentation Layer: Provee servicios que permiten que las aplicaciones en comunicación puedan interpretar correctamente los datos enviados. Estos servicios proveen encriptación, compresión y descripción de los datos. Libera a la aplicación de la preocupación de conocer el formato interno de los datos.
- Session Layer: Provee delimitación y sincronización de los datos intercambiados. Esto permite recuperar datos faltantes y construir checkpoints.
2. Encapsulation
Los packet switches no implementan todas las capas del protocol stack, suelen implementar las capas inferiores. Link-layer switches suelen implementar las capas 1 y 2 (physical y link), mientras que los routers además implementan la capa 3 (network). En otras palabras, las link-layer switches no son capaces de detectar direcciones IP como los routers, sino únicamente direcciones de protocolos de capa 2 (Ethernet, Wi-Fi). Los hosts implementan las 5 capas, esto se debe a que la mayoría de la complejidad de la red se encuentra en los extremos.
Cada capa le agrega información al mensaje que luego va a ser analizada por su contraparte. El application-layer message con el transport-layer header information forman un segment. La transport layer le pasa el segment a la network-layer, la cual le agrega la network-layer header information, formando un datagram. Este a su vez es pasado a la link-layer la cual le agrega su propio información de cabecera. De esta forma, el mensaje en cada etapa se puede separar en header fields y payload field (este último es usualmente el packet de la capa anterior). Esta información agregada va a ser analizada por su contraparte en el extremo receptor del link.
Este proceso de encapsulamiento puede ser más complejo. Un gran mensaje puede ser dividido en múltiples segmentos por la transport layer (a su vez, transformados en datagrams). Los cuales serán nuevamente reconstruidos en el extremo receptor.