¿En qué consiste la capa 2 del modelo OSI? Enlace de datos

Hace casi un mes, comencé una serie de entradas sobre el modelo OSI partiendo de la definición de la capa 1. Ahora escribiré sobre la capa dos o capa de enlace de datos. Disfrútenlo.

Modelo OSI de nuevo

Antes de comenzar, hay que recordar que el modelo OSI define un conjunto de operaciones sobre los datos que van a ser comunicados, éstas operaciones se clasifican por capas y cada una se respalda en lo que hace la capa inferior, en otras palabras, el modelo en capas implica un trabajo acumulativo sobre los datos. En el sentido de bajada por la pila, es decir, de la información del usuario hacia bits en el medio, se dice que los datos se encapsulan, debido a que las operaciones de cada capa con frecuencia implican agregar a porciones de los datos, encabezados y finalizaciones que es como hacer un emparedado de datos con datos de otra naturaleza (encabezados y finalizaciones). Cuando los datos son transformados de esta forma, transitan el medio y llegan a su destino ahí sufren el proceso contrario: de bits a información, en ese caso la palabra para ese proceso se llama desencapsulación.

La primera aclaración, a la que se acostrumbrarán quienes decidan estudiar comunicaciones, es que el término encapsulación es un término con múltiples significados muy diferentes entre sí, por ejemplo, acabo de describir un significado de encapsulación: convertir información a bits pasándolos por cada capa del modelo OSI. Pero encapsulación también es un término que define la estructura de una trama en el medio, es decir, qué campos adicionales (en los encabezados) tienen las porciones de datos que viajan por un medio particular. Ésto produce mucha confusión porque siempre se insiste en el primer significado de la palabra encapsulación, pero la segunda pasa muy desapercibida y existe una pregunta muy frecuente ¿a qué capa corresponde la encapsulación?. Muchos estudiantes asumen que la pregunta simplemente está equivocada y con cierta razón: la encapsulación es un proceso general que no debe corresponder a ninguna capa, pero cuando recuerdan que ésta también consiste en el formato de la trama saben que la respuesta es a la capa 2 del modelo OSI.

Antes de entrar en materia, recordemos también que el término PDU significa unidad de paquete de datos y es el término genérico para las porciones de datos en cada capa. Para la capa física la PDU se llama bits, es decir, la unidad básica reconocible en la capa física es un bit, para la capa de dos la PDU se denomina Trama (o Frame en inglés y en una mala  traducción marco).

Funciones de la capa de enlace de datos

La clave para comprender el modelo OSI y cada capa es recordar que son operaciones acumulativas, recordando que la primera capa sólo define bits, la segunda capa debe definir una primera estructura llamada trama que depende directamente de la tecnología en particular. Por ejemplo, la trama más famosa y más usada hoy en día debería ser (no lo puedo asegurar) Ethernet y ésta consiste en unos bits iniciales que se usaban para sincronizar los circuitos de la tarjeta llamados preámbulo y son 7 Bytes (56 bits), luego un par de direcciones llamadas direcciones físicas (origen y destino), un campo de longitud/tipo de datos, los datos mismos (llamados carga o payload), una suma de verificación y finalmente un campo de finalización que indica que lo que siga de ésta secuencia debería ser una trama nueva. Definir la primera estructura de datos es responsabilidad de la capa dos y parte del supuesto de que los nodos que se comunican tienen acceso directo, es decir, que es como si estuvieran en un medio compartido y así se comporta todo lo de la capa dos o capa de enlace de datos.

Personalmente encuentro a la capa 2 como la capa que define la tecnología de transporte (otro término confuso). Ésta es dependiente de la tecnología y del medio, por ejemplo, para fibra existe una tecnología cuya trama considera las condiciones del medio, igual con las redes inalámbricas, los principios físicos de estos medios tan distintos definen cómo tiene que comportarse la capa 2. De lo anterior se deduce la razón del nombre de la capa: enlace de datos. Si se reflexiona un momento, en ésta capa se depende directamente del medio pero se usan controladores para implementar la transmisión y sus servicios, es decir, en ésta capa se unen los medios físicos y el software. De esta capa en adelante todo lo define estrictamente el software, en ésta se sondea el medio y se usa el software para interpretarlo y controlar la transmisión: se enlaza la representación física de los datos y su representación lógica.

Otra responsabilidad de la capa dos es el llamado método de acceso al medio o MAC por sus siglas en inglés. El método de control de acceso al medio es definir los mecanismos de negociación para acceso al medio, por ejemplo, cómo evitar que dos estaciones transmitan al mismo tiempo o cómo manejarlo una vez que suceda. En ethernet de medio compartido se usaba CSMA/CD por sus siglas en inglés (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) pero en Wi-Fi, debido a la naturaleza del medio se usa CSCMA/CA y la A significa Avoidance o evasión de solisiones, en otras palabras, en medio de cobre se detectan las colisiones y se aplica un procedimiento para arbitrar el problema, en medio inalámbrico se evitan las colisiones. El control de acceso al medio entonces consiste en definir un mecanismo por medio del cual se ofrezca acceso a todos los nodos que comparten el medio.

La modalidad de transmisión (simplex, duplex, full duplex, half duplex), la topología física y la detección de errores son otras responsabildades de la capa 2. Existen unas operaciones que no siempre están asociadas a ésta capa pero que pueden aparecer en algunas tecnologías como autenticación, encriptación y corrección de errores (ojo, la responsabilidad directa es la detección, la corrección es opcional).

Cómo funciona la capa 2

Bueno, teniendo claras las funciones de la capa dos miremos cómo funciona la transmisión de datos hasta este momento. Si cierta información va a ser transmitida, se secciona y se convierte en tramas para la tecnología inmediata a usar. ¿Qué pasa cuando los datos pasan por diferentes tipos de medio?, evidente, la trama se cambia de formato, si una trama sale por un cable UTP la carga está encapsulada en una trama ethernet, cuando llega a un enrutador que debe enviar esa misma información por un cable de fibra, retira los encabezados/finalizaciones propios de ethernet y encapsula los datos que se quieren enviar en una trama con encabezados de FDDI. Eso sucede para cada segmento de tecnología diferente.

Algo que siempre queda en el aire y que muchos estudiantes no logran comprender es lo del direccionamiento físico. Recuerden que la premisa de la capa dos es que los nodos tienen acceso directo entre sí, es decir, que cada trama que se pone en el medio, de alguna manera va a llegar a los nodos conectados a ese medio. Esa premisa tal como se describe sólo aplica a los hubs (que ya no se usan) pero lo switches hacen sólo una función de filtrado que no riñe con la premisa. Lo que confunde acá es que si en Ethernet existen las direcciones MAC como direcciones físicas ¿cuáles son las direcciones físicas de FDDI, PPP, Fram Relay, ATM, etc.? porque el direccionamiento físico es indispensable.  Ethernet es un caso especial de enlace de datos llamado enlace multiacceso, donde los nodos se pueden comunicar arbitrariamente uno con otro y la dirección MAC permite que se hagan esas comunicaciones directas, pero otras tecnologías como PPP no son multiacceso y sus direcciones físicas son triviales, es decir, no son necesarias.

Otra tecnología cuyos enlaces pueden ser multiacceso es Frame Relay, por lo tanto allí existe un equivalente a la dirección MAC. En FR, la MAC no existe y su equivalente se llama DLCI. Éste es un número asignado a un destino, así como la MAC, pero en FR van los datos del usuario dentro de una trama FR con DLCI asignados en vez de direcciones MAC (pero toda la trama es distinta). Para que quede claro: MAC es sólo dirección física para enlaces ethernet (y sus variantes).

Conclusiones

La capa de enlace de datos o capa dos del modelo de referencia OSI es la capa más interesante en términos de telecomunicaciones. Un diseño en capa 2 implica consideraciones de eficiencia relacionados con el medio a usar y prácticamente define la tecnología que se usa. Como siempre, dado que las operaciones del modelo OSI son acumulativas, si la capa de enlace de datos no funciona correctamente nada por encima de ella va a funcionar bien, por lo tanto, se recomienda que el diagnóstico y solución de problemas inicie con las capas inferiores en secuencia: primero capa física y luego capa de enlace, que pueden llegar a ser problemas rápidos de resolver y poco impactantes, ya que suelen involucrar sólo enlaces de pocos dispositivos (otra cosa es que esos dispositivos sean críticos pero eso es otro cuento).

Otra importante conclusión que me gustaría dejar es que la capa dos no es sólo ethernet, muchas veces se habla de los términos de ethernet como si fueran los conceptos de la capa dos, por ejemplo cuando se envían tramas en un enlace FR o HDLC alguien dice se encapsula con la MAC del siguiente enrutador y eso es un craso error: no hay MAC en un enlace HDLC. La única equivalencia válida es comparar y tratar indistintamente MAC y DLCI que son identificadores equivalentes.

[Capa 1 del modelo OSI: capa física][Capa 3 del modelo OSI: Capa de red][Tutorial del modelo OSI]