Comunicación tcp ip

JEREZ NERI PEDRO IVAN
PÉREZ HERNÁNDEZ IÑIGO

Internet no es un nuevo tipo de red física, sino un
conjunto de tecnologías que permiten interconectar
redes muy distintas entre sí. Internet no es
dependiente de la máquina ni del sistema operativo
utilizado. De esta manera, podemos transmitir
información entre un servidor Unix y un ordenador
que utilice Windows 98. O entre plataformas
completamente distintas como Macintosh, Alpha o
Intel. Es más: entre una máquina y otra generalmente
existirán redes distintas: redes Ethernet, redes Token
Ring e incluso enlaces vía satélite.

Como vemos, está claro que no podemos utilizar
ningún protocolo que dependa de una arquitectura en
particular. Lo que se busca es un método de
interconexión general que sea válido para cualquier
plataforma, sistema operativo y tipo de red. La
familia de protocolos que se eligieron para permitir
que Internet sea una Red de redes es TCP/IP. Nótese
aquí que hablamos de familia de protocolos ya que
son muchos los protocolos que la integran, aunque en
ocasiones para simplificar lo llamaremos
sencillamente protocolo TCP/IP.

El protocolo TCP/IP tiene que estar a un nivel
superior del tipo de red empleado y funcionar de
forma transparente en cualquier tipo de red. Y a
un nivel inferior de los programas de aplicación
(páginas WEB, correo electrónico…) particulares
de cada sistema operativo. Todo esto nos
sugiere el siguiente modelo de referencia:

Capa de aplicación (HTTP, SMTP, FTP, TELNET...)
Capa de transporte (UDP, TCP)
Capa de red (IP)
Capa de acceso a la red (Ethernet, Token
Ring...)
Capa física (cable coaxial, par trenzado...)

El nivel más bajo es la capa física. Aquí nos referimos
al medio físico por el cual se transmite la
información. Generalmente será un cable aunque no
se descarta cualquier otro medio de transmisión
como ondas o enlaces vía satélite.

La capa de acceso a la red determina la manera en
que las estaciones (ordenadores) envían y reciben la
información a través del soporte físico
proporcionado por la capa anterior. Es decir, una vez
que tenemos un cable, ¿cómo se transmite la
información por ese cable? ¿Cuándo puede una
estación transmitir? ¿Tiene que esperar algún turno
o transmite sin más? ¿Cómo sabe una estación que
un mensaje es para ella? Pues bien, son todas estas
cuestiones las que resuelve esta capa.

Las dos capas anteriores quedan a un nivel inferior
del protocolo TCP/IP, es decir, no forman parte de
este protocolo. La capa de red define la forma en
que un mensaje se transmite a través de distintos
tipos de redes hasta llegar a su destino. El principal
protocolo de esta capa es el IP aunque también se
encuentran a este nivel los protocolos ARP, ICMP e
IGMP. Esta capa proporciona el direccionamiento IP
y determina la ruta óptima a través de los
encaminadores (routers) que debe seguir un
paquete desde el origen al destino.

La capa de transporte (protocolos TCP y UDP) ya no
se preocupa de la ruta que siguen los mensajes
hasta llegar a su destino. Sencillamente, considera
que la comunicación extremo a extremo está
establecida y la utiliza. Además añade la noción de
puertos, como veremos más adelante.

Supongamos que el ordenador 200.3.107.200 (D) envía
un mensaje al ordenador con 200.3.107.73 (C). Como
ambas direcciones comienzan con los mismos números,
D sabrá que ese ordenador se encuentra dentro de su
propia red y el mensaje se entregará de forma directa.
Sin embargo, si el ordenador 200.3.107.200 (D) tuviese
que comunicarse con 10.10.0.7 (B), D advertiría que el
ordenador destino no pertenece a su propia red y
enviaría el mensaje al router R2 (es el ordenador que le
da salida a otras redes). El router entregaría el mensaje
de forma directa porque B se encuentra dentro de una
de sus redes (la Red 2).

El datagrama IP es la unidad básica de transferencia
de datos entre el origen y el destino. Viaja en el
campo de datos de las tramas físicas de las distintas
redes que va atravesando. Cada vez que un
datagrama tiene que atravesar un router, el
datagrama saldrá de la trama física de la red que
abandona y se acomodará en el campo de datos de
una trama física de la siguiente red. Este
mecanismo permite que un mismo datagrama IP
pueda atravesar redes distintas: enlaces punto a
punto, redes ATM, redes Ethernet, redes Token
Ring, etc. El propio datagrama IP tiene también un
campo de datos: será aquí donde viajen los
paquetes de las capas superiores.

 VERS (4 bits). Indica la versión del protocolo IP que
se utilizó para crear el datagrama. Actualmente se
utiliza la versión 4 (IPv4) aunque ya se están
preparando las especificaciones de la siguiente
versión, la 6 (IPv6).
 HLEN (4 bits). Longitud de la cabecera expresada en
múltiplos de 32 bits. El valor mínimo es 5,
correspondiente a 160 bits = 20 bytes.

Los siguientes tres bits indican cómo se prefiere
que se transmita el mensaje, es decir, son
sugerencias a los encaminadores que se encuentren
a su paso los cuales pueden tenerlas en cuenta o no.
 TIPO DE SERVICIO (Type Of Service). Los 8 bits de
este campo se dividen a su vez en:
 Prioridad (3 bits). Un valor de 0 indica baja prioridad
y un valor de 7, prioridad máxima.

 Bit D (Delay). Solicita retardos cortos (enviar
rápido).
 Bit T (Throughput). Solicita un alto rendimiento
(enviar mucho en el menor tiempo posible).
 Bit R (Reliability). Solicita que se minimice la
probabilidad de que el datagrama se pierda
o resulte dañado (enviar bien).
 Los siguientes dos bits no tienen uso.

 Longitud total (16 bits). Indica la longitud total del
datagrama expresada en bytes. Como el campo tiene
16 bits, la máxima longitud posible de un datagrama
será de 65535 bytes.
 Identificación (16 bits). Número de secuencia que
junto a la dirección origen, dirección destino y el
protocolo utilizado identifica de manera única un
datagrama en toda la red. Si se trata de un
datagrama fragmentado, llevará la misma
identificación que el resto de fragmentos.

 Banderas o indicadores (3 bits). Sólo 2 bits de los 3
bits disponibles están actualmente utilizados. El
bit de Más fragmentos (MF) indica que no es el
último datagrama. Y el bit de No fragmentar (NF)
prohíbe la fragmentación del datagrama. Si este
bit está activado y en una determinada red se
requiere fragmentar el datagrama, éste no se
podrá transmitir y se descartará.

 Desplazamiento de fragmentación (13 bits).
Indica el lugar en el cual se insertará el
fragmento actual dentro del datagrama
completo, medido en unidades de 64 bits. Por
esta razón los campos de datos de todos los
fragmentos menos el último tienen una
longitud múltiplo de 64 bits. Si el paquete no
está fragmentado, este campo tiene el valor de
cero.

 Tiempo de vida o TTL (8 bits). Número máximo de
segundos que puede estar un datagrama en la red
de redes. Cada vez que el datagrama atraviesa un
router se resta 1 a este número. Cuando llegue a
cero, el datagrama se descarta y se devuelve un
mensaje ICMP de tipo "tiempo excedido" para
informar al origen de la incidencia.

 Protocolo (8 bits). Indica el protocolo utilizado en el
campo de datos: 1 para ICMP, 2 para IGMP, 6 para
TCP y 17 para UDP.
 CRC cabecera (16 bits). Contiene la suma de
comprobación de errores sólo para la cabecera del
datagrama. La verificación de errores de los datos
corresponde a las capas superiores.
 Dirección origen (32 bits). Contiene la dirección IP
del origen.

 Dirección destino (32 bits). Contiene la dirección IP del
destino.
 Opciones IP. Este campo no es obligatorio y especifica
las distintas opciones solicitadas por el usuario que
envía los datos (generalmente para pruebas de red y
depuración).
 Relleno. Si las opciones IP (en caso de existir) no
ocupan un múltiplo de 32 bits, se completa con bits
adicionales hasta alcanzar el siguiente múltiplo de 32
bits (recuérdese que la longitud de la cabecera tiene
que ser múltiplo de 32 bits).

 El protocolo TCP (Transmission Control Protocol,
protocolo de control de transmisión) está basado en IP
que es no fiable y no orientado a conexión, y sin
embargo es:
 Orientado a conexión. Es necesario establecer una
conexión previa entre las dos máquinas antes de poder
transmitir ningún dato. A través de esta conexión los
datos llegarán siempre a la aplicación destino de forma
ordenada y sin duplicados. Finalmente, es necesario
cerrar la conexión.
 Fiable. La información que envía el emisor llega de
forma correcta al destino.

 El protocolo TCP permite una comunicación fiable
entre dos aplicaciones. De esta forma, las
aplicaciones que lo utilicen no tienen que
preocuparse de la integridad de la información: dan
por hecho que todo lo que reciben es correcto.

 El flujo de datos entre una aplicación y otra viajan por un
circuito virtual. Sabemos que los datagramas IP pueden
seguir rutas distintas, dependiendo del estado de los
encaminadores intermedios, para llegar a un mismo
sitio. Esto significa que los datagramas IP que
transportan los mensajes siguen rutas diferentes aunque
el protocolo TCP logré la ilusión de que existe un único
circuito por el que viajan todos los bytes uno detrás de
otro. Para que esta comunicación pueda ser posible es
necesario abrir previamente una conexión. Esta
conexión garantiza que los todos los datos lleguen
correctamente de forma ordenada y sin duplicados.

 El protocolo TCP envía un flujo de información no
estructurado. Esto significa que los datos no tienen
ningún formato, son únicamente los bytes que una
aplicación envía a otra. Ambas aplicaciones deberán
ponerse de acuerdo para comprender la información que
se están enviando.
 Cada vez que se abre una conexión, se crea un canal de
comunicación bidireccional en el que ambas aplicaciones
pueden enviar y recibir información, es decir, una
conexión es full-dúplex.

¿Cómo es posible enviar información fiable
basándose en un protocolo no fiable? Es decir, si
los datagramas que transportan los segmentos
TCP se pueden perder, ¿cómo pueden llegar los
datos de las aplicaciones de forma correcta al
destino?

 Una conexión son dos pares dirección IP: puerto. No
puede haber dos conexiones iguales en un mismo
instante en toda la Red. Aunque bien es posible que
un mismo ordenador tenga dos conexiones distintas
y simultáneas utilizando un mismo puerto. El
protocolo TCP utiliza el concepto de conexión para
identificar las transmisiones.

Para que se pueda crear una conexión, el extremo del servidor debe
hacer una apertura pasiva del puerto (escuchar su puerto y quedar a la
espera de conexiones) y el cliente, una apertura activa en el puerto del
servidor (conectarse con el puerto de un determinado servidor).

El flujo de bytes que produce una determinada
aplicación se divide en uno o más segmentos TCP
para su transmisión. Cada uno de estos segmentos
viaja en el campo de datos de un datagrama IP. Para
facilitar el control de flujo de la información los
bytes de la aplicación se numeran. De esta manera,
cada segmento indica en su cabecera el primer byte
que transporta. Las confirmaciones o acuses de
recibo (ACK) representan el siguiente byte que se
espera recibir (y no el número de segmento
recibido, ya que éste no existe).

 Puerto fuente (16 bits). Puerto de la máquina origen. Al
igual que el puerto destino es necesario para identificar
la conexión actual.
 Puerto destino (16 bits). Puerto de la máquina destino.
 Número de secuencia (32 bits). Indica el número de
secuencia del primer byte que trasporta el segmento.
 Número de acuse de recibo (32 bits). Indica el número
de secuencia del siguiente byte que se espera recibir.
Con este campo se indica al otro extremo de la conexión
que los bytes anteriores se han recibido correctamente.

 HLEN (4 bits). Longitud de la cabecera medida en
múltiplos de 32 bits (4 bytes). El valor mínimo de este
campo es 5, que corresponde a un segmento sin datos
(20 bytes).
 Reservado (6 bits). Bits reservados para un posible uso
futuro.
 Bits de código o indicadores (6 bits). Los bits de
código determinan el propósito y contenido del
segmento. A continuación se explica el significado de
cada uno de estos bits (mostrados de izquierda a
derecha) si está a 1.

 URG. El campo Puntero de urgencia contiene
información válida.
 ACK. El campo Número de acuse de recibo contiene
información válida, es decir, el segmento actual lleva un
ACK. Observemos que un mismo segmento puede
transportar los datos de un sentido y las confirmaciones
del otro sentido de la comunicación.
 PSH. La aplicación ha solicitado una operación push
(enviar los datos existentes en la memoria temporal sin
esperar a completar el segmento).

 RST. Interrupción de la conexión actual.
 SYN. Sincronización de los números de secuencia. Se
utiliza al crear una conexión para indicar al otro extremo
cual va a ser el primer número de secuencia con el que
va a comenzar a transmitir (veremos que no tiene
porqué ser el cero).
 FIN. Indica al otro extremo que la aplicación ya no tiene
más datos para enviar. Se utiliza para solicitar el cierre
de la conexión actual.
 Ventana (16 bits). Número de bytes que el emisor del
segmento está dispuesto a aceptar por parte del
destino.

 Suma de verificación (24 bits). Suma de comprobación
de errores del segmento actual. Para su cálculo se
utiliza una pseudo-cabecera que también incluye las
direcciones IP origen y destino.
 Puntero de urgencia (8 bits). Se utiliza cuando se están
enviando datos urgentes que tienen preferencia sobre
todos los demás e indica el siguiente byte del campo
Datos que sigue a los datos urgentes. Esto le permite al
destino identificar donde terminan los datos urgentes.
Nótese que un mismo segmento puede contener tanto
datos urgentes (al principio) como normales (después
de los urgentes).

 Opciones (variable). Si está presente únicamente se
define una opción: el tamaño máximo de segmento
que será aceptado.
 Relleno. Se utiliza para que la longitud de la
cabecera sea múltiplo de 32 bits.
 Datos. Información que envía la aplicación.

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