Capitulo 4

4.1 Funciones de la capa de Transporte

La capa de Transporte permite la segmentación de datos y brinda el control necesario para re ensamblar las partes dentro de los distintos streams de comunicación.

Seguimiento de Conversaciones individuales.

Cualquier host puede tener múltiples aplicaciones que se están comunicando a través de la red. Cada una de estas aplicaciones se comunicará con una o más aplicaciones en hosts remotos.

Segmentación de datos.

Debido a que cada aplicación genera un stream de datos para enviar a una aplicación remota, estos datos deben prepararse para ser enviados por los medios en partes manejables.

Re ensamble de segmentos.

En el host de recepción, cada sección de datos puede ser direccionada a la aplicación adecuada. Además, estas secciones de datos individuales también deben reconstruirse para generar un stream completo de datos que sea útil para la capa de Aplicación.

Identificación de las aplicaciones.
Para poder transferir los streams de datos a las aplicaciones adecuadas, la capa de Transporte debe identificar la aplicación de destino. Para lograr esto, la capa de Transporte asigna un identificador a la aplicación. Los protocolos TCP/IP denominan a este identificador número de puerto. A todos los procesos de software que requieran acceder a la red se les asigna un número de puerto exclusivo en ese host.

Los requerimientos de datos varían.

En las redes convergentes actuales, las aplicaciones con distintas necesidades de transporte pueden comunicarse en la misma red. Los distintos protocolos De la capa de Transporte poseen distintas reglas que permiten que los dispositivos gestionen los diversos requerimientos de datos.

Separación de comunicaciones múltiples.
Considere una computadora conectada a una red que recibe y envía e-mails y mensajes instantáneos, explora sitios Web y realiza una llamada telefónica de VoIP de manera simultánea.

La división de los datos en partes pequeñas y el envío de estas partes desde el origen hacia el destino permiten que se puedan entrelazar (multiplexar) distintas comunicaciones en la misma red.

La segmentación de los datos, que cumple con los protocolos de la capa de Transporte, proporciona los medios para enviar y recibir datos cuando se ejecutan varias aplicaciones de manera concurrente en una computadora. Sin segmentación, sólo una aplicación, la corriente de vídeo por ejemplo, podría recibir datos. No se podrían recibir correos electrónicos, chats ni mensajes instantáneos ni visualizar páginas Web y ver un vídeo al mismo tiempo. 

En la capa de Transporte, cada conjunto de secciones en particular que fluyen desde una aplicación de origen a una de destino se conoce como conversación. Para identificar todos los segmentos de datos, la capa de Transporte agrega un encabezado a la sección que contiene datos binarios. Este encabezado contiene campos de bits. Son los valores de estos campos los que permiten que los distintos protocolos de la capa de Transporte lleven a cabo las diversas funciones. 

4.1.2 Control de las conversaciones

Multiplexación de conversaciones:

Pueden existir varias aplicaciones o servicios ejecutándose en cada host de la red. A cada una de estas aplicaciones o servicios se les asigna una dirección conocida como puerto para que la capa de Transporte pueda determinar con qué aplicación o servicio se identifican los datos.

Algunos protocolos de la capa de Transporte proveen: 

• Conversaciones orientadas a la conexión.
• Entrega confiable, 
• Reconstrucción ordenada de datos, y 
• Control del flujo. 

Establecimiento de una sesión La capa de Transporte puede brindar esta orientación a la conexión creando una sesión entre las aplicaciones. Estas conexiones preparan las aplicaciones para que se comuniquen entre sí antes de que se transmitan los datos. Dentro de estas sesiones, se pueden gestionar de cerca los datos para la comunicación entre dos aplicaciones. 

Entrega confiable Por varias razones, es posible que una sección de datos se corrompa o se pierda por completo a medida que se transmite a través de la red. La capa de Transporte puede asegurar que todas las secciones lleguen a destino al contar con el dispositivo de origen para volver a transmitir los datos que se hayan perdido. 

Entrega en el mismo orden Ya que las redes proveen rutas múltiples que pueden poseer distintos tiempos de transmisión, los datos pueden llegar en el orden incorrecto. Al numerar y secuenciar los segmentos, la capa de Transporte puede asegurar que los mismos se re ensamblen en el orden adecuado. 

Control del flujo Los hosts de la red cuentan con recursos limitados, como memoria o ancho de banda. Cuando la capa de Transporte advierte que estos recursos están sobrecargados, algunos protocolos pueden solicitar que la aplicación que envía reduzca la velocidad del flujo de datos. Esto se lleva a cabo en la capa de Transporte regulando la cantidad de datos que el origen transmite como grupo. El control del flujo puede prevenir la pérdida de segmentos en la red y evitar la necesidad de retransmisión.

4.1.3 Soporte de comunicación confiable

Un protocolo de la capa de Transporte puede implementar un método para asegurar la entrega confiable de los datos. En términos de redes, confiabilidad significa asegurar que cada sección de datos que envía el origen llegue al destino. 

En la capa de Transporte, las tres operaciones básicas de confiabilidad son: 

• Seguimiento de datos transmitidos, 
• Acuse de recibo de los datos recibidos, y 
• Retransmisión de cualquier dato sin acuse de recibo.

4.1.4 TCP y UDP

Protocolo de datagramas de usuario (UDP) UDP es un protocolo simple, sin conexión, descrito en la RFC 768. Cuenta con la ventaja de proveer la entrega de datos sin utilizar muchos recursos. Las porciones de comunicación en UDP se llaman datagramas.

Entre las aplicaciones que utilizan UDP se incluyen:

• Sistema de nombres de dominios (DNS), 
• Streaming de vídeo, y 
• Voz sobre IP (VoIP).

Protocolo de control de transmisión (TCP) TCP: es un protocolo orientado a la conexión, descrito en la RFC 793. TCP incurre en el uso adicional de recursos para agregar funciones. Las funciones adicionales especificadas por TCP están en el mismo orden de entrega, son de entrega confiable y de control de flujo.

Las aplicaciones que utilizan TCP son: 

• Exploradores Web, 
• e-mail, y 
• Transferencia de archivos

4.1.5 Direccionamiento del puerto

Puertos bien conocidos (Números del 0 al 1 023): estos números se reservan para servicios y aplicaciones. Por lo general, se utilizan para aplicaciones como HTTP (servidor Web), POP3/SMTP (servidor de e-mail) y Telnet.

Puertos Registrados (Números 1024 al 49151): estos números de puertos están asignados a procesos o aplicaciones del usuario. Estos procesos son principalmente aplicaciones individuales que el usuario elige instalar en lugar de aplicaciones comunes que recibiría un puerto bien conocido.

Puertos dinámicos o privados (Números del 49 152 al 65 535): también conocidos como puertos efímeros, suelen asignarse de manera dinámica a aplicaciones de cliente cuando se inicia una conexión.

Utilización de los dos protocolos TCP y UDP Algunas aplicaciones pueden utilizar los dos protocolos: TCP y UDP. Por ejemplo, el bajo gasto de UDP permite que DNS atienda rápidamente varias solicitudes de clientes.

4.1.6 Segmentación y re ensamblaje: Divide y vencerás 

No puede transmitirse ningún otro tráfico de red mientras se envían estos datos. Una gran sección de datos puede tardar minutos y hasta horas en enviarse. Además, si hubiera algún error, el archivo de datos completo se perdería o tendría que ser reenviado. Los dispositivos de red no cuentan con buffers de memoria lo suficientemente grandes como para almacenar esa cantidad de datos durante la transmisión o recepción. El límite varía en función de la tecnología de la red y del medio físico específico que se utiliza.

Dividir los datos de aplicación en secciones garantiza que los datos se transmitan dentro de los límites del medio y que los datos de distintas aplicaciones puedan ser multiplexados en el medio. TCP y UDP gestionan la segmentación de forma distinta. Con TCP, cada encabezado de segmento contiene un número de secuencia. 

UDP también rastrean las conversaciones entre aplicaciones, no tienen en cuenta el orden en el que se transmitió la información ni el mantenimiento de la conexión. No existe número de secuencia en el encabezado UDP.

UDP es un diseño simple y genera menos carga que TCP, lo que produce una transferencia de datos más rápida. La información puede llegar en un orden distinto al que fue transmitida, ya que los paquetes pueden tomar diversas rutas a través de la red. Una aplicación que utiliza UDP debe tolerar el hecho de que los datos no lleguen en el orden en el que fueron enviados.

4.2 Protocolo TCP: Comunicación con confiabilidad

4.2.1 TCP: Como generar conversaciones confiables

La confiabilidad de la comunicación TCP se lleva a cabo utilizando sesiones orientadas a la conexión. Antes de que un host que utiliza TCP envíe datos a otro host, la capa de Transporte inicia un proceso para crear una conexión con el destino. Esta conexión permite el rastreo de una sesión o stream de comunicación entre los hosts. Este proceso asegura que cada host tenga conocimiento de la comunicación y se prepare. Una conversación TCP completa requiere el establecimiento de una sesión entre los hosts en ambas direcciones.

Esta confiabilidad se logra contando con campos en el segmento TCP, cada uno con una función específica, como se muestra en la figura. Estos campos se explicarán más adelante en esta sección.

4.2.2 Procesos del servidor TCP

Un servidor individual no puede tener dos servicios asignados al mismo número de puerto dentro de los mismos servicios de la capa de Transporte.

Una manera de mejorar la seguridad en un servidor es restringir el acceso al servidor a sólo aquellos puertos asociados con los servicios y aplicaciones accesibles a solicitantes autorizados. 

La figura muestra la asignación típica de puertos de origen y destino en operaciones de cliente o servidor TCP.

4.2.3 Establecimiento y finalización de la conexión TCP

Cuando dos hosts se comunican utilizando TCP, se establece una conexión antes de que puedan intercambiarse los datos. Luego de que se completa la comunicación, se cierran las sesiones y la conexión finaliza. Los mecanismos de conexión y de sesión habilitan la función de confiabilidad de TCP.

Cada conexión representa dos streams de comunicación de una vía o sesiones. Para establecer la conexión los hosts realizan un intercambio de señales de tres vías. Los bits de control en el encabezado TCP indican el progreso y estado de la conexión. 

Enlace de tres vías: 

• Establece que el dispositivo de destino esté presente en la red. 
• Verifica que el dispositivo de destino tenga un servicio activo y esté aceptando las peticiones en el número de puerto de destino que el cliente que lo inicia intente usar para la sesión.
• Informa al dispositivo de destino que el cliente de origen intenta establecer una sesión de comunicación en ese número de puerto.

Los tres pasos para el establecimiento de una conexión TCP son:

1. El cliente que inicia la conexión envía un segmento que contiene un valor de secuencia inicial, que actúa como solicitud para el servidor para comenzar una sesión de comunicación. 

2. El servidor responde con un segmento que contiene un valor de reconocimiento igual al valor de secuencia recibido más uno, además de su propio valor de secuencia de sincronización. 

3. El cliente que inicia la conexión responde con un valor de reconocimiento igual al valor de secuencia que recibió más uno. Esto completa el proceso de establecimiento de la conexión.

Dentro del encabezado del segmento TCP, existen seis campos de un bit que contienen información de control utilizada para gestionar los procesos de TCP. 

Estos campos son los siguientes:

URG: Urgente campo de señalizador significativo, 
ACK: Campo significativo de acuse de recibo, 
PSH: Función de empuje, 
RST: Reconfiguración de la conexión, 
SYN: Sincronizar números de secuencia, 
FIN: No hay más datos desde el emisor.

4.2.4 Protocolo TCP de enlace de tres vías

Paso 1 

Un cliente TCP comienza el enlace de tres vías enviando un segmento con el señalizador de control SYN (Sincronizar números de secuencia) establecido, indicando un valor inicial en el campo de número de secuencia del encabezado. Este valor inicial para el número de secuencia, conocido como número de secuencia inicial (ISN), se elige de manera aleatoria y se utiliza para comenzar a rastrear el flujo de datos desde el cliente al servidor para esta sesión. El ISN en el encabezado de cada segmento se incrementa en uno por cada byte de datos enviados desde el cliente hacia el servidor mientras continúa la conversación de datos.

Paso 2 

El servidor TCP necesita reconocer la recepción del segmento SYN del cliente para establecer la sesión de cliente a servidor. Para hacerlo, el servidor envía un segmento al cliente con el señalizador ACK establecido indicando que el número de acuse de recibo es significativo. Con este señalizador establecido en el segmento, el cliente interpreta esto como acuse de recibo de que el servidor ha recibido el SYN del cliente TCP.

Paso 3 

El cliente TCP responde con un segmento que contiene un ACK que actúa como respuesta al SYN de TCP enviado por el servidor. No existen datos de usuario en este segmento. El valor del campo número de acuse de recibo contiene uno más que el número de secuencia inicial recibido del servidor. Una vez establecidas ambas sesiones entre el cliente y el servidor, todos los segmentos adicionales que se intercambien en la comunicación tendrán establecido el señalizador ACK.

4.2.5 Terminación de la sesión TCP 

Para cerrar la conexión se debe establecer el señalizador de control FIN (Finalizar) en el encabezado del segmento. Para finalizar todas las sesiones TCP de una vía, se utiliza un enlace de dos vías, que consta de un segmento FIN y un segmento ACK.

4.3 Administración de las sesiones TCP
4.3.1 Re ensamblaje de segmentos TCP

Cuando los servicios envían datos utilizando TCP, los segmentos pueden llegar a destinos desordenados. Para que el receptor comprenda el mensaje original, los datos en estos segmentos se reensamblan en el orden original. Para lograr esto, se asignan números de secuencia en el encabezado de cada paquete. 

El proceso TCP receptor coloca los datos del segmento en un búfer de recepción. Los segmentos se colocan en el orden de número de secuencia adecuado y se pasa a la capa de Aplicación cuando son reensamblados. Todos los segmentos que llegan con números de secuencia no contiguos se mantienen para su procesamiento posterior. Luego, se procesan los segmentos cuando llegan con los bytes perdidos.

4.3.2 Acuse de recibo de TCP con uso de ventanas 

Confirmación de recepción de segmentos una de las funciones de TCP es asegurar que cada segmento llegue a su destino. Los servicios TCP en el host de destino envían a la aplicación de origen un acuse de recibo de los datos recibidos.

El host receptor de la derecha recibe el segmento en la Capa 4 y determina que el número de secuencia es 1 y que posee 10 bytes de datos. Luego el host envía un segmento de vuelta al host de la izquierda para acusar recibo de estos datos. En este segmento, el host establece el número de acuse de recibo en 11 para indicar que el próximo byte de datos que espera recibir en esta sesión es el byte número 11.

La cantidad de datos que un origen puede transmitir antes de que un acuse de recibo deba ser recibido se denomina tamaño de la ventana. El tamaño de la ventana es un campo en el encabezado TCP que permite la administración de datos perdidos y el control del flujo.

4.3.3 Retransmisión de TCP

Manejo de la pérdida de segmentos

Un servicio de host de destino que utiliza TCP, por lo general sólo reconoce datos para secuencias de bytes contiguas. Si uno o más segmentos se pierden, sólo se acusa recibo de los datos de los segmentos que completan el stream. 

Los hosts actuales también suelen emplear una función opcional llamada Acuses de recibo selectivos. Si ambos hosts admiten el Acuse de recibo selectivo, es posible que el destino reconozca los bytes de segmentos discontinuos y el host sólo necesitará retransmitir los datos perdidos.

4.3.4 Control de congestión de TCP: 

Cómo minimizar la pérdida de segmentos

El control del flujo contribuye con la confiabilidad de la transmisión TCP ajustando la tasa efectiva de flujo de datos entre los dos servicios de la sesión. Cuando el origen advierte que se recibió la cantidad de datos especificados en los segmentos, puede continuar enviando más datos para esta sesión.

El mecanismo de retroalimentación de TCP ajusta la tasa de transmisión de datos efectiva al flujo máximo que la red y el dispositivo de destino pueden soportar sin sufrir pérdidas. TCP intenta gestionar la tasa de transmisión de manera que todos los datos se reciban y se reduzcan las retransmisiones. 

Reducción del tamaño de la ventana

Cuando los recursos de la red son limitados, TCP puede reducir el tamaño de la ventana para lograr que los segmentos recibidos sean reconocidos con mayor frecuencia. Esto disminuye de manera efectiva la tasa de transmisión, ya que el origen espera que los datos sean recibidos con más frecuencia. 

El host receptor TCP envía el valor del tamaño de la ventana al TCP emisor para indicar el número de bytes que está preparado para recibir como parte de la sesión. Si el destino necesita disminuir la tasa de comunicación debido a limitaciones de memoria del búfer, puede enviar un valor de tamaño de la ventana menor al origen como parte de un acuse de recibo.

4.4 Protocolo UDP: Comunicación con baja sobrecarga
4.4.1 UDP: Baja sobrecarga vs Confiabilidad

UDP es un protocolo simple que provee las funciones básicas de la capa de Transporte. Genera mucho menos sobrecarga que TCP, ya que no es orientado a la conexión y no cuenta con los sofisticados mecanismos de retransmisión, secuenciación y control del flujo.

Pese a que es relativamente baja la cantidad total de tráfico UDP que puede encontrarse en una red típica, entre los protocolos principales de la capa de 

Aplicación que utilizan UDP se incluyen: 
• Sistema de denominación de dominio (DNS), 
• Protocolo simple de administración de red (SNMP), 
• Protocolo de configuración dinámica de host (DHCP), 
• Protocolo de información de enrutamiento (RIP), 
• Protocolo trivial de transferencia de archivos (TFTP), y 
• Juegos en línea.

4.4.2 Re ensamblaje de datagramas de UDP

Cuando una aplicación posee datos para enviar, simplemente los envía. Muchas aplicaciones que utilizan UDP envían pequeñas cantidades de datos que pueden ocupar un segmento.

La PDU de UDP se conoce como datagrama, pese a que los términos segmento y datagrama a veces se utilizan de manera indistinta para describir una PDU de la capa de Transporte.

Cuando se envían múltiples datagramas a un destino, los mismos pueden tomar rutas distintas y llegar en el orden incorrecto. UDP no mantiene un seguimiento de los números de secuencia de la manera en que lo hace TCP. UDP no puede reordenar los datagramas en el orden de la transmisión.

UDP simplemente re ensambla los datos en el orden en que se recibieron y los envía a la aplicación. Si la secuencia de los datos es importante para la aplicación, la misma deberá identificar la secuencia adecuada de datos y determinar cómo procesarlos.

4.4.3 Procesos y solicitudes del servidor UDP 

Las aplicaciones de servidor basadas en UDP se les asigna números de puerto bien conocidos o registrados. Cuando se ejecutan estas aplicaciones o procesos, aceptan los datos que coincidan con el número de puerto asignado. Cuando UDP recibe un datagrama destinado a uno de esos puertos, envía los datos de aplicación a la aplicación adecuada en base a su número de puerto.

4.4.4 Procesos del cliente UDP

El proceso de cliente UDP selecciona al azar un número de puerto del rango dinámico de números de puerto y lo utiliza como puerto de origen para la conversación. El puerto de destino por lo general será el número de puerto bien conocido o registrado asignado al proceso del servidor. 

Los números de puerto de origen seleccionados al azar colaboran con la seguridad. Si existe un patrón predecible para la selección del puerto de destino, un intruso puede simular el acceso a un cliente de manera más sencilla intentando conectarse al número de puerto que tenga mayor posibilidad de estar abierto.