Aunque a primera vista parezca que el diseño de un sistema de comunicación parece simple, cuando se aborda resulta mucho más complejo, ya que es necesario resolver una serie de problemas. Algunos de los problemas más importantes a los que se enfrentan los diseñadores de redes de comunicaciones son:
- Encaminamiento: cuando existen diferentes rutas posibles entre el origen y el destino (si la red tiene una topología de malla o irregular), se debe elegir una de ellas (normalmente la más corta o la que tenga un tráfico menor).
- Direccionamiento: puesto que una red normalmente tiene muchos ordenadores conectados, algunos de los cuales tienen múltiples procesos (programas), se requiere un mecanismo para que un proceso en una maquina especifique con quien quiere comunicarse. Como consecuencia de tener varios destinos, se necesita alguna forma de direccionamiento que permita determinar un destino específico. Suele ser normal que un equipo tenga asignadas varias direcciones diferentes, relacionadas con niveles diferentes de la arquitectura. En este caso, también habrá que establecer alguna correspondencia entre esas direcciones.
- Acceso al medio: en las redes donde existe un medio de comunicación de difusión, debe existir algún mecanismo que controle el orden de transmisión de los interlocutores. De no ser así, todas las transmisiones se interfieren y no es posible llevar a cabo una comunicación en óptimas condiciones. El control de acceso al medio en una red es muy similar a una conexión mediante walkie-talkie, donde los dos interlocutores deben evitar hablar a la vez o se producirá una colisión. Esta situación es indeseable en las redes que usan un medio compartido, ya que los mensajes se mezclan y resulta imposible interpretarlos.
- Saturacion del receptor: esta cuestión suele plantearse en todos los niveles de la arquitectura y consiste en que un emisor rápido pueda saturar a un receptor lento. En determinadas condiciones, el proceso en el otro extremo necesita un tiempo para procesar la información que le llega. Si ese tiempo es demasiado grande en comparación con la velocidad con la que llega la información, será posible que se pierdan datos. Una posible solución a este problema consiste en que el receptor envié un mansaje al emisor indicándole que está listo para recibir más datos.
- Mantenimiento del orden: algunas redes de transmisión de datos desordenan los mensajes que envían, de forma que, si los mensajes se envían en una secuencia determinada, no se asegura que lleguen en esa misma secuencia. Para solucionar esto, el protocolo debe incorporar un mecanismo que le permita volver a ordenar los mensajes en el destino. Este mecanismo puede ser la numeración de los fragmentos, por ejemplo.
- Control de errores: todas las redes de conmutación de datos transmiten la información con una pequeña tasa de error, que en ningún caso es nula. Esto se debe a que los medios de transmisión son imperfectos. Tanto emisor como receptor deben ponerse de acuerdo a la hora de establecer que mecanismos se van a utilizar para detectar y corregir errores, y si se va a notificar al emisor que los mensajes llegan correctamente.
- Multiplexación: en determinadas condiciones, la red puede tener tramos en los que existe un único medio de transmisión que, por cuestiones económicas, debe ser compartido por diferentes comunicaciones que no tienen relación entre sí. Así, el protocolo deberá asegurar que todas las comunicaciones que comparten el mismo medio no se interfieran entre sí.