Capa de Transporte: TCP 3-Way Handshake, Puertos y Sockets

La Capa de Transporte (Capa 4 OSI) es la responsable de la comunicación extremo a extremo (end-to-end) entre aplicaciones que se ejecutan en diferentes hosts. Mientras que la Capa de Red entrega paquetes entre máquinas, la Capa de Transporte los entrega al proceso o servicio específico correcto dentro de cada máquina.

1. Puertos de Red (Addressing en Capa 4) #

Un puerto es un identificador numérico de 16 bits (valores de 0 a 65535) que permite multiplexar múltiples servicios en una misma dirección IP.

La IANA (Internet Assigned Numbers Authority) clasifica los puertos en tres rangos:

1. Puertos Bien Conocidos (Well-Known Ports, 0 – 1023):

   • Reservados para servicios estándar del sistema y privilegios de administrador.
   • Ejemplos: 20/21 (FTP), 22 (SSH), 25 (SMTP), 53 (DNS), 80 (HTTP), 443 (HTTPS).

2. Puertos Registrados (Registered Ports, 1024 – 49151):

   • Asignados a aplicaciones específicas de terceros o bases de datos.
   • Ejemplos: 1433 (SQL Server), 3306 (MySQL), 5432 (PostgreSQL), 6379 (Redis), 8080 (HTTP alternativo).

3. Puertos Dinámicos o Efímeros (Dynamic / Private Ports, 49152 – 65535):

   • Asignados automáticamente por el sistema operativo al cliente cuando inicia una conexión saliente y liberados al terminar.

2. Concepto y Anatomía de un Socket #

Un Socket de red es el punto final (endpoint) de una comunicación bidireccional. A nivel de red se define mediante la combinación de una dirección IP y un número de puerto:

$\text{Socket} = \text{Dirección IP} : \text{Número de Puerto} \quad (\text{ej: } 192.168.1.50:51234)$

Una conexión de red activa queda unívocamente definida por la tupla de 5 elementos (5-tuple):

• Protocolo de transporte (TCP o UDP).
• IP de Origen.
• Puerto de Origen.
• IP de Destino.
• Puerto de Destino.

3. TCP a Fondo: El 3-Way Handshake (Apretón de Manos) #

TCP (Transmission Control Protocol) es un protocolo orientado a conexión y fiable. Antes de transmitir un solo byte de datos, cliente y servidor deben sincronizarse mediante el protocolo de saludo en tres fases:

Cliente                                   Servidor
       │                                         │
       │ ── 1. [SYN] (Seq = x) ────────────────► │  (Cliente solicita conexión)
       │                                         │
       │ ◄─ 2. [SYN-ACK] (Seq = y, Ack = x+1) ── │  (Servidor acepta y sincroniza)
       │                                         │
       │ ── 3. [ACK] (Seq = x+1, Ack = y+1) ───► │  (Cliente confirma conexión)
       │                                         │
       ▼ ====== CONEXIÓN ESTABLECIDA ======      ▼
       │ ── [DATOS HTTP/TLS...] ───────────────► │

Explicación de los Flags: #

1. Paso 1 (SYN): El cliente envía un paquete con el flag SYN activo y un número de secuencia inicial aleatorio (Seq = x).
2. Paso 2 (SYN-ACK): El servidor responde con SYN y ACK, confirmando el número del cliente (Ack = x + 1) y enviando su propio número de secuencia inicial (Seq = y).
3. Paso 3 (ACK): El cliente confirma la recepción (Ack = y + 1). La conexión pasa al estado ESTABLISHED.

4. Finalización de Conexión y Control de Flujo #

Cierre de Conexión (4-Way Teardown): #

Para cerrar una conexión de forma ordenada se utiliza el flag FIN (Finish):

• Cliente $\rightarrow$ [FIN] $\rightarrow$ Servidor
• Servidor $\rightarrow$ [ACK] $\rightarrow$ Cliente
• Servidor $\rightarrow$ [FIN] $\rightarrow$ Cliente
• Cliente $\rightarrow$ [ACK] $\rightarrow$ Servidor (Si ocurre un error grave o corte forzado, se envía un flag RST - Reset).

Control de Flujo y Congestión: #

• Ventana Deslizante (Sliding Window): El receptor indica cuántos bytes está dispuesto a recibir antes de que el emisor deba esperar un acuse (ACK).
• Retransmisión (ARQ): Si un segmento se pierde o llega corrupto, se vuelve a transmitir automáticamente tras agotar el temporizador (timeout).

5. Comparativa Rápida: TCP vs UDP #