Lección 4 — Modelo TCP/IP: Encapsulación y Recorrido de los Datos
El modelo TCP/IP organiza las funciones que permiten comunicar dispositivos mediante una familia de protocolos. Comprender sus capas te ayudará a seguir el recorrido de los datos, interpretar la encapsulación y distinguir qué información utilizan las aplicaciones, los equipos finales y los dispositivos de interconexión.
En la lección anterior estudiaste el modelo OSI como referencia para organizar responsabilidades. Ahora relacionarás esas ideas con protocolos y tecnologías utilizados en las redes: HTTP, TCP, UDP, IP y Ethernet, entre otros.
Trabajaremos con un ejemplo: una computadora de la pequeña empresa consulta un servidor ubicado en otra red. Seguirás la solicitud desde la aplicación hasta el medio de transmisión, observarás qué sucede al atravesar un router y comprenderás cómo se interpreta la información en el destino.
El objetivo es explicar qué contiene cada unidad de datos, para qué sirve y qué cambia durante el recorrido, sin memorizar cabeceras completas ni configurar todavía los equipos.
¿Qué es el modelo TCP/IP?
El modelo TCP/IP describe una organización por capas de las funciones de comunicación asociadas con la familia de protocolos de internet.
Su nombre reúne dos protocolos fundamentales:
- TCP: proporciona un servicio de transporte basado en un flujo de bytes, con mecanismos de ordenamiento, retransmisión y control.
- IP: proporciona direccionamiento y transferencia de paquetes entre redes.
La familia incluye muchos otros protocolos. Por eso, TCP/IP no es un único protocolo ni significa que toda comunicación utilice TCP. Una aplicación también puede utilizar UDP u otros mecanismos de transporte.
En esta especialización utilizaremos la representación de cuatro capas:
- Aplicación.
- Transporte.
- Internet.
- Acceso a la red.
Algunos materiales presentan cinco capas al separar acceso a la red en enlace y física. Es una diferencia de organización del modelo; no implica que una red cambie su funcionamiento.
Capas del modelo TCP/IP y sus funciones
| Capa | Función principal | Referencias para estudiarla |
|---|---|---|
| Aplicación | Define intercambios y servicios utilizados por las aplicaciones. | HTTP, DNS y otros protocolos de aplicación. |
| Transporte | Proporciona comunicación entre extremos y distingue sus conversaciones. | TCP, UDP y puertos. |
| Internet | Direcciona y transfiere paquetes entre redes. | IPv4, IPv6 y enrutamiento. |
| Acceso a la red | Permite transmitir información sobre el enlace y el medio correspondiente. | Ethernet, Wi-Fi y sus funciones físicas. |
Cada capa se apoya en servicios de la inferior. La aplicación no necesita gestionar directamente las señales eléctricas del cable; utiliza mecanismos que permiten delegar esas responsabilidades.
La separación también facilita estudiar un problema. Una aplicación puede fallar aunque el enlace físico esté activo, porque depende de otras funciones además de la conexión.
Capa de aplicación: significado del intercambio
La capa de aplicación define cómo se expresan solicitudes, respuestas y otros mensajes de un servicio.
Por ejemplo:
- HTTP establece reglas para intercambios web.
- DNS permite consultar información sobre nombres.
- Los protocolos de correo organizan distintos intercambios relacionados con mensajes.
Cuando solicitas un recurso web, la aplicación prepara información que tiene significado para el servicio: qué recurso requiere, qué operación desea realizar y otros datos pertinentes.
La capa de aplicación del modelo no equivale a todo el programa. Una aplicación también tiene funciones de interfaz, almacenamiento o lógica de negocio que no describen por sí mismas un protocolo de red.
Un servicio puede depender de varios intercambios. Antes de comunicarse con un servidor mediante su dirección IP, un cliente podría necesitar resolver su nombre utilizando DNS.
Capa de transporte: conversaciones entre extremos
La capa de transporte permite comunicar extremos de aplicaciones y distinguir sus intercambios mediante información como los puertos.
TCP y el flujo de bytes
TCP proporciona un flujo de bytes entre extremos. Incorpora mecanismos para ordenar la información, detectar pérdidas y retransmitir cuando corresponde.
También utiliza confirmaciones y controles de flujo y congestión.
Una característica importante es que TCP no conserva necesariamente los límites de los mensajes de aplicación. Un mensaje puede distribuirse entre varios segmentos, y un segmento puede transportar bytes que la aplicación interprete como partes de diferentes mensajes.
La aplicación utiliza sus propias reglas para reconocer el contenido recibido.
UDP y los datagramas
UDP transporta datagramas e incluye puertos para identificar sus extremos.
Por sí mismo no proporciona entrega ordenada ni retransmisión. Una aplicación puede implementar funciones adicionales cuando las necesita.
No debemos concluir que UDP siempre es más rápido o que TCP siempre es más adecuado. La elección depende del servicio y de sus requisitos.
¿Para qué sirven los puertos?
Los puertos ayudan a distinguir extremos de comunicación.
Por ejemplo, un servicio puede escuchar en un puerto conocido y el cliente utilizar otro puerto para su extremo de la conversación.
Un puerto de transporte es una identificación lógica. No es el conector físico donde insertas un cable.
Capa de internet: direcciones y rutas
La capa de internet proporciona funciones para transferir paquetes entre redes.
IP incluye información como las direcciones de origen y destino. Los routers utilizan sus tablas de rutas para determinar cómo reenviar los paquetes.
IP no proporciona por sí mismo garantías de entrega, orden ni ausencia de duplicados. Cuando se necesitan determinadas garantías, deben intervenir otros mecanismos.
Para comprender esta capa, distingue:
- Destino final del paquete: el extremo al que se dirige.
- Siguiente salto: el participante al que se entrega el paquete para continuar su recorrido.
Si el destino está en otra red, la computadora suele entregar el tráfico al router correspondiente, habitualmente mediante su puerta de enlace predeterminada.
El router será el siguiente salto, pero eso no convierte su dirección en el destino final de la solicitud.
Capa de acceso a la red: entrega sobre el enlace
La capa de acceso a la red reúne las funciones necesarias para utilizar el enlace y el medio correspondiente.
En un enlace Ethernet se trabaja con tramas, que incluyen direcciones MAC y mecanismos de comprobación de errores.
Las señales físicas representan los bits mediante las condiciones propias del medio.
En Wi-Fi también existen funciones de enlace y transmisión física, pero sus tramas y mecanismos no son idénticos a los de Ethernet.
Un paquete IP puede transportarse mediante tecnologías de enlace diferentes durante su recorrido.
Encapsulación: incorporar información de control
La encapsulación de datos consiste en incorporar la información que necesitan los protocolos para realizar sus funciones.
En un ejemplo con TCP, IPv4 y Ethernet, la relación conceptual es la siguiente:
| Unidad | Contenido simplificado |
|---|---|
| Datos de aplicación | Solicitud o contenido definido por la aplicación. |
| Segmento TCP | Cabecera TCP y bytes de aplicación. |
| Paquete IPv4 | Cabecera IPv4 y contenido de transporte. |
| Trama Ethernet | Cabecera Ethernet, paquete IP y elementos de cierre correspondientes. |
| Transmisión física | Señales que representan los bits de la trama. |
La cabecera contiene información de control situada antes del contenido que transporta el protocolo. Algunos protocolos también utilizan información al final, denominada tráiler o campo de cierre.
En Ethernet, la comprobación de integridad de la trama utiliza un campo de cierre.
Una unidad dentro de otra
Puedes imaginar un segmento TCP transportado dentro de un paquete IP y este, a su vez, dentro de una trama Ethernet.
Esta representación ayuda a visualizar la relación, pero no significa que todo el archivo o toda la conversación viajen en una única trama.
El tamaño de los mensajes, la segmentación y los límites del enlace determinan cómo se distribuye la información.
Escenario: una computadora consulta otra red
Para seguir el recorrido utilizaremos un caso ficticio y simplificado.
| Elemento | Dirección del ejemplo |
|---|---|
| Computadora de operación | 192.168.10.20/24 |
| Router en la red de operación | 192.168.10.1/24 |
| Router en la red del servidor | 192.168.20.1/24 |
| Servidor | 192.168.20.10/24 |
El router conecta ambas redes. La computadora utiliza 192.168.10.1 como puerta de enlace predeterminada.
Para este ejercicio asumimos:
- Comunicación IPv4 sobre Ethernet.
- Un servicio HTTP de laboratorio que utiliza TCP.
- Puerto 80 en el servidor.
- Puerto 52000 elegido para el extremo cliente.
- Rutas y permisos adecuados.
- Ausencia de NAT.
El puerto cliente indicado es una elección del ejemplo, no un valor que debas configurar siempre.
Utilizamos HTTP sin cifrado únicamente para simplificar la explicación. Los servicios reales pueden incorporar cifrado y otras funciones.
La computadora prepara la solicitud
La aplicación genera una solicitud HTTP para el servidor.
TCP organiza el transporte de sus bytes. Antes de enviar los datos de aplicación, establece la conexión mediante su intercambio inicial.
Para esta conversación, distinguimos:
- IP de origen: 192.168.10.20.
- Puerto de origen: 52000.
- IP de destino: 192.168.20.10.
- Puerto de destino: 80.
La solicitud puede requerir uno o varios segmentos. Para seguir el recorrido, observaremos uno de los paquetes que transporta esos datos.
La computadora determina, con su configuración y tabla de rutas, que el destino pertenece a otra red. Por ello, debe utilizar el router como siguiente salto.
La primera trama se dirige al router
La computadora necesita conocer la dirección MAC de la interfaz del router situada en su enlace local.
En este caso IPv4, si no dispone de esa información, puede obtenerla mediante ARP, protocolo que estudiarás con más detalle posteriormente.
La trama Ethernet tendrá:
- MAC de origen: la de la computadora.
- MAC de destino: la de la interfaz local del router.
Dentro de esa trama, el paquete conserva como destino IP 192.168.20.10, la dirección del servidor.
Esta distinción es fundamental:
La MAC de destino identifica al siguiente receptor sobre el enlace; la IP de destino identifica al extremo al que se dirige el paquete.
Si existe un switch entre la computadora y el router, este reenvía la trama según su funcionamiento Ethernet. En una conmutación ordinaria no sustituye la MAC de destino por la suya.
El router procesa y reenvía el paquete
El router recibe la trama dirigida a su interfaz, interpreta la información de enlace y procesa el paquete IP.
Después:
- Consulta la dirección IP de destino.
- Utiliza su tabla de rutas para elegir la salida.
- Reduce el valor TTL del paquete IPv4.
- Actualiza la suma de comprobación de la cabecera IPv4.
- Prepara la entrega mediante el enlace de salida.
El TTL, tiempo de vida, limita la permanencia del paquete en recorridos con saltos. En el reenvío IP se utiliza como un límite que disminuye al atravesar routers.
En nuestro escenario, el servidor está conectado directamente a la red de salida. El router obtiene su MAC si la necesita y construye una nueva trama Ethernet.
Esta nueva trama tendrá:
- MAC de origen: la de la interfaz de salida del router.
- MAC de destino: la del servidor.
El router no necesita interpretar la solicitud HTTP para realizar este reenvío IP ordinario.
Qué cambia y qué se conserva
En el escenario sin NAT, las direcciones IP y los puertos de la conversación se mantienen durante el reenvío. Las direcciones MAC corresponden a cada enlace.
| Campo | Primer enlace | Segundo enlace |
|---|---|---|
| IP de origen | 192.168.10.20 | 192.168.10.20 |
| IP de destino | 192.168.20.10 | 192.168.20.10 |
| Puerto TCP de origen | 52000 | 52000 |
| Puerto TCP de destino | 80 | 80 |
| MAC de origen | Computadora. | Interfaz de salida del router. |
| MAC de destino | Interfaz de entrada del router. | Servidor. |
Aunque las direcciones IP permanezcan, la cabecera IPv4 no queda completamente intacta: el TTL y su suma de comprobación cambian.
En otros escenarios, mecanismos como NAT pueden modificar direcciones y puertos. Los estudiarás cuando corresponda.
Desencapsulación en el servidor
El servidor recibe la trama y procesa la información correspondiente a cada protocolo.
De forma simplificada:
- Su interfaz recibe las señales.
- Las funciones Ethernet comprueban y procesan la trama.
- IP interpreta el paquete y reconoce su destino local.
- TCP procesa el segmento y organiza los bytes recibidos.
- El servicio HTTP interpreta la solicitud.
Este proceso se denomina desencapsulación.
No todos los dispositivos desencapsulan hasta la aplicación. El servidor lo hace para atender el servicio; el router del recorrido procesa las funciones necesarias para reenviar el paquete.
El recorrido de la respuesta
Cuando el servidor responde, los roles de origen y destino se invierten:
- El servidor utiliza su IP y el puerto 80 como origen.
- La computadora y el puerto 52000 identifican el destino de esa respuesta.
- La entrega de enlace utiliza las MAC apropiadas para cada salto.
En redes más complejas, la respuesta no tiene que recorrer exactamente los mismos routers que la solicitud. En nuestro ejemplo existe una única ruta representada.
Relación entre OSI y TCP/IP
| Modelo TCP/IP de cuatro capas | Correspondencia funcional aproximada con OSI |
|---|---|
| Aplicación | Aplicación, presentación y sesión. |
| Transporte | Transporte. |
| Internet | Red. |
| Acceso a la red | Enlace de datos y física. |
La correspondencia es útil para estudiar, pero no implica una equivalencia exacta entre implementaciones.
OSI proporciona un marco de referencia más desglosado. TCP/IP permite organizar el estudio de la familia de protocolos utilizada en la comunicación que estamos analizando.
Errores frecuentes al seguir el recorrido
- Creer que TCP/IP es un solo protocolo. Es una familia que incluye distintos protocolos.
- Suponer que todo tráfico utiliza TCP. También existen UDP y otros mecanismos.
- Confundir IP de destino con MAC de destino. Cumplen funciones distintas.
- Pensar que la trama Ethernet original atraviesa todos los routers. En el reenvío entre enlaces se construyen las unidades de enlace correspondientes.
- Afirmar que nada del paquete cambia. En IPv4, el router modifica al menos los campos pertinentes al TTL y su comprobación.
- Suponer que un archivo equivale a un segmento. La distribución depende de varios factores.
- Tratar puertos como conectores físicos. Son identificadores lógicos de transporte.
Actividad práctica: completa el recorrido
Propósito: distinguir datos de aplicación, transporte, direccionamiento y entrega local.
Utiliza el escenario de la computadora y el servidor. No necesitas configurar dispositivos.
Instrucciones
- Identifica las cuatro capas TCP/IP utilizadas en el ejemplo.
- Escribe las direcciones IP y los puertos de la solicitud.
- Indica las MAC de origen y destino por su función en cada enlace.
- Explica por qué la primera trama se dirige al router.
- Describe qué procesa el servidor para entregar los datos a HTTP.
- Señala dos condiciones del ejemplo que podrían cambiar en una red diferente.
Respuesta orientativa
Las capas son aplicación, transporte, internet y acceso a la red.
La solicitud utiliza 192.168.10.20:52000 como extremo de origen y 192.168.20.10:80 como extremo de destino.
La primera trama utiliza la MAC de la computadora y la MAC del router local. La segunda utiliza la MAC de la interfaz de salida del router y la MAC del servidor.
La primera entrega se dirige al router porque el servidor está en otra red y la configuración utiliza ese router como siguiente salto.
El servidor procesa enlace, IP, TCP y HTTP para atender la solicitud.
Entre las condiciones que podrían variar están la tecnología de enlace, el transporte, el número de routers, el cifrado y la presencia de NAT.
Ejercicios de aplicación
Comunicación con UDP
Si una aplicación utiliza UDP, ¿sus datos dejan de encapsularse?
Respuesta: no. Se transportan en un datagrama UDP, que puede encapsularse en IP y después en la unidad de enlace correspondiente.
Función del switch
¿Un switch Ethernet debe convertirse en el destino IP del paquete para reenviar una trama?
Respuesta: no. La conmutación Ethernet ordinaria utiliza información de enlace; no exige cambiar el destino IP del paquete.
Destino remoto
Si el servidor está en otra red, ¿la computadora debe utilizar necesariamente su MAC en la primera trama?
Respuesta: no. En el escenario estudiado utiliza la MAC del siguiente salto local: el router.
Información recibida por la aplicación
¿La aplicación HTTP necesita interpretar directamente la cabecera Ethernet?
Respuesta: no. Las funciones correspondientes procesan la información de enlace y entregan el contenido hacia las funciones superiores.
Lo que has aprendido
En esta lección aprendiste a:
- Identificar las cuatro capas del modelo TCP/IP.
- Distinguir una familia de protocolos de un protocolo individual.
- Explicar encapsulación y desencapsulación.
- Relacionar datos, segmentos, paquetes y tramas.
- Diferenciar direcciones IP, direcciones MAC y puertos.
- Seguir una comunicación entre dos redes.
- Reconocer qué cambia durante el reenvío de un paquete.
- Relacionar TCP/IP con OSI sin tratarlos como equivalencias exactas.
Conclusión
El modelo TCP/IP permite comprender cómo colaboran las funciones de aplicación, transporte, internet y acceso a la red.
Durante una comunicación, las unidades de datos se encapsulan para incorporar la información necesaria. Los dispositivos procesan los niveles pertinentes a su función, y el destino interpreta el contenido hasta entregarlo al servicio.
Distinguir destino final, siguiente salto y conversación de transporte será esencial para configurar y diagnosticar redes.
En la siguiente lección estudiarás cómo evaluar su rendimiento mediante ancho de banda, latencia, pérdida y variación del retardo.
