¿Qué es el Modelo TCP IP? Capas y comparación con el modelo OSI (capítulo 9)

El modelo TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) es un modelo de referencia práctico, desarrollado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD) en la década de 1970, para el diseño de ARPANET, la precursora de Internet.

9.1. Introducción al modelo TCP/IP

A diferencia del modelo OSI, que es un modelo teórico y descriptivo, el modelo TCP/IP se basa en protocolos reales y operativos que se utilizan hoy en día en todas las redes modernas. Es el modelo que se implementa de facto en sistemas operativos como Windows, Linux, macOS y en todos los dispositivos de red.

Características principales

• Modelo pragmático y abierto: no está vinculado a ningún fabricante.
• Es escalable: funciona desde redes locales pequeñas hasta Internet a nivel mundial.
• Es independiente del hardware: funciona sobre Ethernet, Wi-Fi, fibra, satélite, etc.
• Está orientado a la interconexión de redes (internetworking).
• Utiliza una arquitectura cliente/servidor en la capa de aplicación.

Origen histórico:

• ARPANET necesitaba un conjunto de protocolos robustos que permitieran la comunicación entre redes heterogéneas.
• El protocolo TCP/IP se convirtió en el estándar obligatorio para ARPANET en 1983.
• Desde entonces, TCP/IP es la base de Internet y de prácticamente todas las redes locales.

9.2. Las 4 capas del modelo TCP/IP

El modelo TCP/IP clásico se estructura en 4 capas (aunque a veces se divide la capa de acceso a la red en dos, dando lugar a 5 capas). A continuación se describe cada una:

a) Capa de Acceso a la Red (o Host a Red)

También conocida como: Capa de Enlace, Capa de Interfaz de Red o Capa de Acceso al Medio.

Función:

Esta capa abarca todo lo necesario para que un equipo se conecte físicamente a la red y transmita tramas de bits por un medio concreto. Combina las funciones de las capas 1 y 2 del modelo OSI (Física y Enlace de Datos).

Tareas:

• Definir las características físicas del medio (cables, conectores, niveles de señal).
• Controlar el acceso al medio (MAC).
• Direccionamiento físico mediante direcciones MAC.
• Delimitación y verificación de tramas (CRC).
• Transmisión de bits.

Tecnologías y protocolos:

• Ethernet (IEEE 802.3).
• Wi-Fi (IEEE 802.11).
• PPP (Point-to-Point Protocol).
• HDLC.
• ARP (Address Resolution Protocol): aunque se considera de capa 2,5, opera en esta zona para resolver direcciones IP a MAC.

Unidades de datos: Tramas (frames) y bits.

Dispositivos: Tarjetas de red, switches, concentradores, cables, conectores, puntos de acceso.

Ejemplo: Cuando tu PC se conecta a un switch mediante cable UTP y tarjeta Ethernet, la capa de acceso a la red se encarga de convertir los paquetes IP en tramas Ethernet y transmitirlas como pulsos eléctricos.

b) Capa de Internet

También conocida como: Capa de Red.

Función:

Es el corazón del modelo TCP/IP. Se encarga del direccionamiento lógico (IP) y del enrutamiento de paquetes entre redes diferentes. Permite la interconexión de múltiples redes heterogéneas (de ahí el nombre de “Internet”).

Tareas:

• Direccionamiento lógico mediante direcciones IP (IPv4 e IPv6).
• Enrutamiento: selección de la mejor ruta para enviar cada paquete hasta su destino.
• Fragmentación y reensamblado de paquetes.
• Control de errores básico (ICMP).
• No es fiable: no garantiza la entrega (esa función corresponde a la capa de transporte).

Protocolos principales:

• IP (Internet Protocol): IPv4, IPv6.
• ICMP (Internet Control Message Protocol): diagnóstico (ping, traceroute).
• IGMP (Internet Group Management Protocol): multicast.
• Protocolos de enrutamiento: OSPF, BGP, RIP, EIGRP.

Unidades de datos: Paquetes (o datagramas IP).

Dispositivos: Routers (encaminadores), switches multicapa (capa 3), firewalls.

Ejemplo: Cuando un paquete debe viajar desde tu red local hasta un servidor en otro país, la capa de Internet de cada router por el que pasa decide cuál es el siguiente salto.

c) Capa de Transporte

Función:

Proporciona comunicación extremo a extremo entre aplicaciones de dos equipos. Se encarga de la segmentación de datos, control de flujo, control de errores y multiplexación mediante puertos.

Protocolos principales:

• TCP (Transmission Control Protocol): orientado a conexión, fiable, con acuse de recibo, control de flujo y retransmisión de segmentos perdidos. Garantiza la entrega ordenada y sin errores.
• UDP (User Datagram Protocol): no orientado a conexión, no fiable, sin acuses de recibo ni retransmisiones. Rápido y ligero, apto para aplicaciones en tiempo real o donde la velocidad prima sobre la fiabilidad.

Tareas:

• Segmentación y reensamblado.
• Identificación de aplicaciones mediante puertos (16 bits).
• Control de errores extremo a extremo (TCP).
• Control de flujo y congestión (TCP).
• Multiplexación de múltiples aplicaciones sobre la misma conexión IP.

Unidades de datos: Segmentos (TCP) o datagramas (UDP).

Dispositivos: Se implementa en los sistemas finales; los firewalls y balanceadores pueden inspeccionar esta capa.

Ejemplo: Al visitar una página web HTTPS, tu navegador utiliza TCP en el puerto 443 para establecer una conexión fiable con el servidor web y transferir los datos sin errores.

d) Capa de Aplicación

Función:

Proporciona los servicios de red directamente a las aplicaciones del usuario. Incluye todos los protocolos de alto nivel que las aplicaciones utilizan para comunicarse.

Tareas:

• Definir los protocolos de intercambio de información (HTTP, FTP, SMTP, DNS, etc.).
• Representar los datos de forma comprensible para las aplicaciones.
• Gestionar sesiones y autenticación.
• Incluye las funciones de las capas 5, 6 y 7 del modelo OSI (Sesión, Presentación y Aplicación).

Protocolos principales:

• HTTP/HTTPS: navegación web.
• FTP/SFTP: transferencia de archivos.
• SMTP/POP3/IMAP: correo electrónico.
• DNS: resolución de nombres de dominio.
• DHCP: asignación automática de direcciones IP.
• SSH/Telnet: acceso remoto.
• NTP: sincronización de relojes.
• SNMP: gestión de red.
• SMB/CIFS: compartición de archivos en Windows.
• NFS: compartición de archivos en Linux.

Unidades de datos: Datos o mensajes.

Dispositivos: PCs, servidores, smartphones, impresoras de red, cualquier dispositivo que ejecute aplicaciones de red.

Ejemplo: Cuando abres un cliente de correo, este utiliza SMTP para enviar un mensaje al servidor de correo saliente.

9.3. Encapsulación en el modelo TCP/IP

La encapsulación en TCP/IP es similar a la del modelo OSI, pero con menos capas. El proceso es:

1. Capa de Aplicación: crea los datos y los pasa a la capa de transporte.
2. Capa de Transporte: añade una cabecera TCP o UDP (puertos, números de secuencia) → Segmento (TCP) o Datagrama (UDP).
3. Capa de Internet: añade una cabecera IP (direcciones IP origen y destino) → Paquete (o datagrama IP).
4. Capa de Acceso a la Red: añade una cabecera de trama (direcciones MAC) y un tráiler (CRC) → Trama.
5. El medio físico transmite los bits.

Proceso inverso (receptor):

• La capa de acceso a la red recibe los bits, forma la trama, verifica CRC y extrae el paquete.
• La capa de Internet examina la cabecera IP y extrae el segmento.
• La capa de transporte reordena y comprueba los segmentos, entregando los datos a la aplicación.

Tabla de PDU en TCP/IP:

9.4. Comparación entre el modelo OSI y el modelo TCP/IP

a) Tabla comparativa de capas

Observación: Las capas 5, 6 y 7 del modelo OSI se fusionan en una sola capa de Aplicación en TCP/IP. Las capas 1 y 2 del OSI se fusionan en la capa de Acceso a la Red en TCP/IP.

b) Diferencias principales

c) Similitudes

• Ambos son modelos en capas con funciones jerárquicas.
• Cada capa proporciona servicios a la capa superior y utiliza los de la inferior.
• Ambos encapsulan los datos añadiendo cabeceras en cada capa.
• Las capas de Transporte e Internet/Red son equivalentes en funciones.
• Ambos permiten la interoperabilidad entre equipos de distintos fabricantes.

9.5. El modelo híbrido de 5 capas

En la práctica, muchos libros de texto y cursos (incluido el de Cisco CCNA) utilizan un modelo de 5 capas que combina lo mejor de ambos modelos:

1. Capa de Aplicación (equivale a OSI 5, 6, 7)
2. Capa de Transporte (equivale a OSI 4)
3. Capa de Red (equivale a OSI 3)
4. Capa de Enlace de Datos (equivale a OSI 2)
5. Capa Física (equivale a OSI 1)

Este modelo es útil porque separa las funciones de enlace y físicas (que en TCP/IP están juntas en “Acceso a la Red”), permitiendo estudiarlas con más detalle. Es el modelo que se suele utilizar en la formación de técnicos de redes.

9.6. Protocolos TCP/IP más importantes

a) En la capa de Aplicación

• HTTP (80) / HTTPS (443): navegación web.
• FTP (21/20): transferencia de archivos.
• SMTP (25/587): envío de correo.
• POP3 (110) / IMAP (143): recepción de correo.
• DNS (53): resolución de nombres.
• DHCP (67/68): asignación de IP.
• SSH (22): acceso remoto seguro.
• Telnet (23): acceso remoto no seguro.
• SNMP (161/162): gestión de red.

b) En la capa de Transporte

• TCP: fiable, orientado a conexión, con control de flujo y errores.
• UDP: rápido, no fiable, sin conexión, apto para voz, vídeo y DNS.

c) En la capa de Internet

• IPv4: direcciones de 32 bits, todavía mayoritario.
• IPv6: direcciones de 128 bits, diseñado para sustituir a IPv4.
• ICMP: diagnóstico (ping, traceroute).
• ARP: resuelve direcciones IP a MAC.
• OSPF, BGP: enrutamiento.

d) En la capa de Acceso a la Red

• Ethernet: 802.3, el estándar dominante en LAN cableadas.
• Wi-Fi: 802.11, LAN inalámbrica.
• PPP: enlaces punto a punto.

9.7. Importancia práctica del modelo TCP/IP

Para un técnico de sistemas microinformáticos y redes, dominar el modelo TCP/IP es imprescindible:

• Configuración de equipos: al asignar IP, máscara, puerta de enlace, DNS (capa Internet) o al configurar aplicaciones y puertos (capa Transporte y Aplicación).
• Diagnóstico de problemas: usar comandos como ipconfig (capa Internet), ping (capa Internet), tracert (capa Internet), nslookup (capa Aplicación), netstat (capa Transporte).
• Seguridad: comprender el funcionamiento de puertos, firewalls (capa Transporte/Internet), cifrado SSL/TLS (capa Aplicación).
• Administración de servicios: instalar y configurar servidores DHCP, DNS, web, correo (capa Aplicación).
• Trabajo con dispositivos: switches (capa Acceso a la Red), routers (capa Internet), firewalls (capas Internet/Transporte/Aplicación).

Resumen de la lección

• El modelo TCP/IP es el modelo práctico utilizado en todas las redes actuales, con 4 capas: Acceso a la Red, Internet, Transporte y Aplicación.
• La capa de Acceso a la Red equivale a las capas 1 y 2 del OSI.
• La capa de Internet equivale a la capa 3 del OSI (direccionamiento IP y enrutamiento).
• La capa de Transporte equivale a la capa 4 del OSI (TCP y UDP).
• La capa de Aplicación integra las capas 5, 6 y 7 del OSI.
• El modelo TCP/IP define protocolos concretos (IP, TCP, UDP, HTTP, etc.), mientras que el OSI es más genérico.
• La encapsulación en TCP/IP es similar a la del OSI, pero con menos capas.
• Conocer TCP/IP es esencial para configurar, administrar y diagnosticar redes reales.

Preguntas de autoevaluación

1. ¿Cuántas capas tiene el modelo TCP/IP? Enuméralas.
2. ¿Qué capas del modelo OSI se fusionan en la capa de Acceso a la Red de TCP/IP?
3. ¿Qué protocolo fundamental opera en la capa de Internet?
4. Explica la diferencia entre TCP y UDP con un ejemplo de aplicación para cada uno.
5. ¿Qué ventaja tiene el modelo TCP/IP sobre el modelo OSI?
6. ¿Cuál es el modelo de 5 capas y por qué se utiliza?
7. Enumera tres protocolos de la capa de Aplicación y su función.
8. ¿En qué capa se encapsulan los datos en tramas?
9. ¿Qué comando utilizarías para comprobar la conectividad en la capa de Internet?
10. ¿Por qué es importante para un técnico dominar el modelo TCP/IP?

Con esto se termina la revisión del Modelo TCP/IP: capas y comparación con OSI. Continuamos con el siguiente, protocolos de nivel físico y enlace (Ethernet, Wi-Fi).