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Protocolos de red, la base de la transmisión electrónica de datos

Imaginemos una situación que sucede más frecuentemente de lo deseado: enciendes el ordenador y abres el navegador, pero, en lugar de la página de inicio, aparece una página de error que informa de que no se pudo establecer la conexión con Internet. Al comprobar el router y el cable de conexión no se observan irregularidades y solo llevando a cabo un diagnóstico de errores se encuentra dónde radica el problema: uno de los protocolos de red del equipo, como mínimo, está defectuoso. En muchos casos basta la reparación automática y el defecto se corrige reiniciando la computadora, pero también ocurre que, a menudo, el mismo protocolo vuelve a fallar transcurrido un tiempo. Entre las causas más comunes se encuentran un controlador obsoleto o complicaciones con el antivirus o el cortafuegos. Ahora bien, ¿por qué intervienen de forma tan relevante los protocolos de red en el establecimiento de la conexión con Internet? Para entenderlo, echemos un vistazo a los distintos tipos de protocolos de red y a sus funciones.

Qué es un protocolo de red

Parecería que para integrar un equipo a una red de ordenadores bastaría con interconectarlos entre sí con ayuda de un cable de LAN, pero los sistemas informáticos no tienen la capacidad de intercambiar paquetes de datos sin ayuda, y no pueden, por ello, establecer ninguna conexión de datos. Esta tarea le corresponde a los protocolos de red, que, en conjunto con sus respectivas familias de protocolo, actúan en la llamada capa de mediación o de red, el nivel 3 en el modelo OSI y establecen una serie de acuerdos para el intercambio de datos, regulando, así, las condiciones para el transporte, el direccionamiento, el enrutamiento (camino del paquete) y el control de fallos. Esto significa que, para que dos ordenadores se puedan comunicar entre sí, han de utilizar los mismos protocolos de red, de forma que acuerdan las mismas condiciones para la transmisión, que se añaden al paquete en el encabezado o como anexo:

  • Tamaño del paquete o de los paquetes de datos
  • Tipo de paquete
  • Emisor y destinatario
  • Otros protocolos implicados

Por qué existen diferentes protocolos de red

No todas las conexiones de datos entre sistemas de ordenadores están cortadas por el mismo patrón. No es lo mismo interconectar dos ordenadores en una red doméstica que conectar un ordenador a Internet, formando parte de una unión gigantesca de computadoras y enviando datos a varios destinatarios. De igual forma, las jerarquías de los participantes también juegan un papel destacado en la comunicación, lo que origina que se den distintos protocolos de red para cada una de las formas de comunicación, diferenciados entre sí en función de los siguientes aspectos y escenarios posibles de aplicación:

  1. Número de participantes en la comunicación: los protocolos de red se diferencian por el número de ordenadores que puede participar de la conexión. Si los datos que se transmiten solo tienen un destinatario, esta transferencia se conoce como unicast, si el intercambio se produce entre dos o más sistemas se habla entonces de conexiones multicast, y si el envío de paquetes de datos implica a todos los participantes se denomina broadcasting, un tipo de conexión típico de la emisión de radio y de televisión.

  2. Modo de transmisión de los datos: la dirección en la que circulan los datos también permite diferenciar los protocolos de red entre sí. Los protocolos con transferencia símplex (sx) o unidireccional solo admiten la comunicación unilateral, en la cual un ordenador funciona únicamente como emisor y el otro como receptor, en la transmisión semi-dúplex (half-duplex, hdx) ambos ordenadores intercambian los roles de emisor y receptor pero no simultáneamente y, por último, el modo dúplex completo (full-duplex, fdx) permite el envío de datos en ambas direcciones simultáneamente.

  3. Jerarquía de los participantes: ciertos tipos de conexión como el modelo cliente-servidor se basan en unas estructuras jerárquicas claramente definidas. En este caso concreto varios clientes pueden iniciar la conexión con un único servidor, el cual procesa las solicitudes. La forma opuesta de esta comunicación asimétrica la constituye la simétrica, también denominada red entre iguales o peer to peer. En esta conexión todos los ordenadores están en igualdad de condiciones y pueden proporcionar servicios y utilizarlos.

  4. Sincronización de la comunicación: la transmisión de datos también se puede diferenciar en función de si se sincronizan los bits entre emisor y receptor (comunicación síncrona) o no (comunicación asíncrona).

  5. Tipo de conexión: por último, los protocolos de red se pueden dividir en aquellos orientados a la conexión y aquellos que no lo están. Los primeros requieren una conexión entre emisor y receptor durante la transmisión e intentan garantizar que los paquetes lleguen a su destino en un orden determinado y que, en caso de entrega fallida, se envíen nuevamente. Los segundos no establecen ni interrumpen una conexión, por lo que los paquetes que se envían contienen bastante menos información adicional, aunque pueden llegar en una secuencia arbitraria al destinatario y no se vuelven a enviar en caso de una transmisión fallida.

Aparte de las consideraciones de índole técnica, la gran diversidad de protocolos de red existente resulta, asimismo, de que muchos fabricantes desarrollaron en el pasado sus propios protocolos para sus dispositivos.

¿Cuántos protocolos de red existen?

Para la capa de red, de la misma forma que para el resto de capas, también se da una serie de protocolos estandarizados y propietarios, indicados para diversos ámbitos de aplicación y en parte restringidos a ciertos sistemas operativos y dispositivos, algunos ya, incluso, obsoletos. Muchos de estos protocolos de red ya no se usan a día de hoy, como consecuencia, sobre todo, de la creciente expansión de la familia de protocolos de Internet, un conjunto de más de 500 protocolos entre los que también se incluye el más importante y popular protocolo de red IP o Internet Protocol, que constituye el fundamento de Internet.

El protocolo de Internet tiene la misión de transportar los paquetes de datos de un emisor a un receptor a través de varias redes. Con esta finalidad, este protocolo fija las directrices de direccionamiento y de enrutamiento, es decir, del itinerario que han de seguir los paquetes de datos. IP no es solo el protocolo de red estándar para redes WAN (Wide Area Network), las únicas redes globales que interconectan Internet, sino también para redes locales. Todos los fabricantes y sistemas operativos soportan el protocolo de Internet, aunque presupone contar con la experiencia técnica necesaria en configuración, así como con el hardware (router) adecuado.

La siguiente tabla muestra una visión general de los protocolos de red históricamente más relevantes:

Protocolo de red Licencia Plataformas Descripción Funciones Puntos débiles
IP (Internet Protocol), protocolo de Internet Libre (RFC 791 / 2460) Todas Sin conexión; longitud de la dirección: 128 bits (IPv6) / 32 bits (IPv4) Enrutamiento, direccionamiento Pila de protocolos muy extensa; las funciones de seguridad no están implementadas desde el principio (IPv4)
ARP (Address Resolution Protocol), protocolo de resolución de direcciones Libre (RFC 826) Todas Interfaz entre las capas 2 y 3 con función propia de memoria caché Resolución de direcciones (encontrar la dirección MAC para la dirección IP correspondiente) en IPv4 No es posible comprobar si la resolución es correcta, lo que implica el riesgo de ARP spoofing o envenenamiento de tablas ARP
NDP (Neighbor Discovery Protocol) Libre (RFC 4861) Todas Enlace entre las capas 2 y 3 con memoria caché propia Resolución de direcciones para IPv6; identificación de direcciones IP dobles La protección contra spoofing no está integrada de forma estándar, sino que necesita la extensión SEND
ICMP (Internet Control Message Protocol) Libre (RFC 792) Todas Componente autónomo de IPv4 Intercambio de notificaciones de información y de errores Puede ser usado para llevar a cabo ataques DoS/DDos
SNA (Systems Network Architecture) Propietario (IBM) Dispositivos IBM Antigua arquitectura de red jerárquica con diferentes protocolos Conecta a los ordenadores y a sus recursos en redes SNA La conexión con redes no SNA era muy complicada; comparativamente alto coste
NBF (NetBIOS Frames Protocol) Propietario (Microsoft) Windows (hasta 2000 incluida) Antiguo protocolo para sistemas Windows Comunicación con la capa de representación (NetBIOS) y la capa de seguridad (LLC) No enrutable; indicado solo para redes pequeñas (hasta 20 ordenadores)
IPX (Internetwork Packet Exchange) Propietario (Novell) NetWare (obsoleto), Linux, Windows Protocolo sin conexión, funcionalmente parecido a IP; longitud de dirección: 80 bits (dirección de host de 48 bits, número de red de 32 bits) Enrutamiento, direccionamiento No indicado para redes WAN muy grandes
DDP (Datagram Delivery Protocol) Propietario (Apple) Dispositivos que soportan AppleTalk (hasta Mac OS X 10.6 incluida) Componente de la pila de protocolos de AppelTalk (ya no es soportado); longitud de dirección: máximo 13 bytes (encabezado) y 587 bytes (datos de uso) Enrutamiento, direccionamiento Riesgo de spoofing de AppelTalk; caudal útil o goodput (tasa de paquetes que llegan a destino por unidad de tiempo) más débil por el tamaño reducido de los paquetes
OSPF (Open Shortest Path First) Libre (RFC 2328) Todas Protocolo de red basado en el algoritmo de Dijkstra, especialmente indicado para grandes redes corporativas Optimiza el routing en relación con los costes de transmisión; distribución dinámica de la carga Procesador con alta capacidad de carga y elevados requerimientos de almacenamiento; configuración y mantenimiento complejos

Los protocolos de transmisión de los paquetes de datos

Una vez establecida la base de la comunicación por parte de los protocolos de la capa de enlace, se requieren otros protocolos que permitan que los paquetes de datos lleguen a las aplicaciones correspondientes. Partiendo del modelo OSI, este proceso se lleva a cabo en la capa de transporte o capa 4. Para ello, cada pila posee también sus propios protocolos. Para la familia de protocolos de Internet estos son, en especial:

  • TCP (Transmission Control Protocol) o protocolo de control de la transmisión
  • UDP (User Datagram Protocol) o protocolo del datagrama del usuario

TCP, al igual que IP, también es considerado el estándar para las conexiones de red, por lo menos desde el gran éxito de Internet, y, en la mayoría de los casos, se construye sobre IP directamente, lo que origina que se hable a menudo de redes TCP/IP. Como protocolo orientado a la conexión, TCP presupone una conexión existente entre los participantes para poder transportar el paquete de datos, garantizando la transmisión fiable de los datos en tanto que los paquetes llegan íntegros y en el orden correcto al destinatario. Para hacer esto posible, el protocolo añade a los paquetes de datos información adicional como un número de secuencia o una suma de verificación (checksum), además de otro tipo de datos.

UDP es su equivalente en la familia de protocolos de Internet para la transmisión simple y rápida de paquetes pequeños sin conexión. Aunque las conexiones UDP no garantizan que el paquete llegue a su destinatario, la reducción de los datos de gestión (información adicional en el encabezado) otorga una mayor velocidad a aquellas transferencias de datos en las cuales se pueda tolerar algún error de transmisión. Es por este motivo que UDP se utiliza en el streaming de vídeo y audio, en peticiones al DNS, así como en conexiones VPN (Virtual Private Network).

Como la familia de protocolos de Internet, hay otras pilas de protocolo que también cuentan con protocolos de transmisión específicos construidos sobre sus protocolos de red y que, en gran parte, se asemejan mucho a TCP. Las redes Novell, por ejemplo, ofrecen el protocolo SPX en la capa de transporte. En el caso de la pila de AppleTalk, la transmisión de los paquetes tiene lugar con ayuda del ATP (AppleTalk Transaction Protocol).

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