Redes e a Internet

Um portátil pede um ficheiro a um servidor. Os dados seguem em pacotes, que os routers encaminham entre redes. O portátil pode usar TCP para recuperar perdas, mas o serviço IP que transporta os pacotes não garante chegada, ordem ou ausência de duplicados.

Um bit é um 0 ou 1, e um byte são 8 bits. Aqui usamos kbit/s e Mbit/s decimais; $10^3$ e $10^6$ bits por segundo.

Circuitos e pacotes

Na comutação de circuitos, reservas capacidade antes de transmitir. FDM reserva bandas de frequência e TDM reserva intervalos de tempo. A reserva dá débito previsível, mas fica ocupada mesmo quando a origem não envia.

Na comutação de pacotes, os fluxos partilham capacidade conforme a necessidade. Um router liga redes e escolhe o caminho de cada pacote; recebe um pacote, escolhe a saída e espera que fique livre. Na multiplexagem estatística, a capacidade da saída não fica reservada a um fluxo, por isso quando um fica sem dados outro pode usá-la; em compensação, pode criar filas e perdas quando a procura excede o serviço.

Uma rede de pacotes pode usar datagramas, com decisão de encaminhamento por pacote, ou circuitos virtuais, com estado de ligação no caminho. IP usa datagramas. Uma ligação TCP entre aplicações não transforma a rede IP numa rede de circuitos virtuais: o TCP corre nos terminais, por cima de datagramas independentes.

Num circuito virtual, a tabela pode associar (porta de entrada, identificador do circuito) a (porta de saída, novo identificador). A associação (1, 12) → (3, 22) manda um pacote que entra na porta 1 com identificador 12 sair na porta 3 com identificador 22. A consulta é exata e os identificadores podem mudar por ligação, ao contrário do endereço IP de destino, que cada router consulta por prefixo sem alterar. Um circuito virtual também não implica, por si só, capacidade reservada: isso depende do serviço estabelecido, não do mecanismo de consulta.

Store-and-forward e segmentação

Em store-and-forward, um equipamento só começa a enviar um pacote depois de o receber inteiro. Para $N$ pacotes iguais de $L$ bits, através de $H$ ligações iguais de débito $R$, sem propagação, filas ou processamento:

$$T = (H+N-1)\frac{L}{R}.$$

O primeiro pacote ocupa $H$ tempos de transmissão. Os restantes chegam espaçados de $L/R$, porque as ligações trabalham em paralelo.

Exemplo. Divide 3 Mbit em três pacotes de 1 Mbit. Há duas ligações de 1 Mbit/s. O primeiro chega em 2 s, o segundo em 3 s e o terceiro em 4 s. Sem divisão, o pacote único demoraria 6 s. Com mais cabeçalhos ou pacotes menores, muda a quantidade transmitida.

Cada bloco mostra a transmissão completa de um pacote numa ligação. Entre 1 e 2 s, a origem envia P2 enquanto o router envia P1, porque já o recebeu inteiro; esta sobreposição entre ligações mantém o store-and-forward, pois nenhuma segunda transmissão começa antes de terminar a primeira.

Neste modelo, cada transmissão demora $L/R=1$ s. O primeiro pacote precisa de $H=2$ intervalos para atravessar as duas ligações e cada um dos $N-1=2$ pacotes restantes acrescenta um intervalo até à última chegada; por isso, contamos $H+N-1=2+3-1=4$ intervalos, e não $H\times N=6$ transmissões feitas uma de cada vez.

Para um circuito com capacidade de 1 Mbit/s, estabelecimento de 0,5 s e propagação desprezável, a mensagem demoraria $0{,}5+3=3{,}5$ s. O circuito ganha neste exemplo isolado. Isso não prova que aproveite melhor uma rede com muitos utilizadores intermitentes.

Se os débitos forem diferentes, desenha início e fim de cada transmissão, porque a expressão acima exige ligações iguais. A transmissão seguinte começa quando o pacote já chegou inteiro e a saída está livre; usa o mais tardio desses dois instantes.

Camadas, unidades e endereços

Camada	Unidade habitual	Identificação e função
Aplicação	Mensagem	Nomes e operações, como um pedido HTTP
Transporte	Segmento TCP ou datagrama UDP	Portas e entrega entre processos
Rede	Pacote ou datagrama IP	Endereços IP e encaminhamento entre redes
Ligação	Trama	Endereços MAC quando usados, entrega no salto local
Física	Bits e símbolos	Representação do sinal no meio

O modelo OSI separa ainda sessão e apresentação entre aplicação e transporte. O modelo TCP/IP não exige essa separação em camadas distintas. Não confundas os modelos com protocolos concretos.

No encapsulamento, o TCP acrescenta o seu cabeçalho aos dados, o IP envolve o segmento e a Ethernet envolve o pacote com verificação de erros. O destino desfaz estas etapas. Um router retira a trama, processa IP e constrói outra para a ligação seguinte. O cabeçalho de ligação muda por salto; os IP de origem e destino mantêm-se, salvo traduções como NAT.

Ponto do percurso	O que muda	O que se mantém
Host origem	Cria segmento, pacote e trama	Dados da aplicação
Router	Retira a trama, baixa TTL, refaz checksum IPv4, cria nova trama	IP de origem e destino, conteúdo TCP
Host destino	Retira trama, pacote e segmento	Dados, entregues por ordem se o transporte o garantir

Equipamentos e topologias

Terminais, ligações e equipamentos distinguem-se pela função. Um concentrador repete sinais, um comutador encaminha tramas e um router encaminha pacotes IP; um aparelho doméstico pode combinar os três sem tornar iguais estas funções. Uma rede de comutadores Ethernet oferece comutação de pacotes baseada apenas em endereços MAC: não é uma rede de circuitos, nem consulta endereços IP para escolher a porta.

Uma ligação Bluetooth entre o portátil e um periférico é uma rede pessoal, PAN. A rede local de uma casa ou edifício é uma LAN; redes de âmbito metropolitano e alargado são designadas MAN e WAN. Estas designações descrevem o âmbito, não garantem um débito ou um protocolo. A Internet interliga redes de vários âmbitos.

Distingue topologia física de topologia lógica, isto é, cabos de percursos permitidos; uma VLAN pode separar duas redes lógicas no mesmo comutador. Distingue também débito da ligação de débito útil, porque o segundo conta só dados entregues à aplicação.