Mas o que é a Internet?

Para responder essa pergunta podemos utilizar de duas estratégias:

1.  Porcas e parafusos (Nuts-and-bolts)
2. Descrição por serviço (Services description)

Porcas e parafusos

• A internet é uma rede de computadores que interconecta milhões de dispositivos que são divididos em classes como Hosts e End Systems
• End Systems são conectados uns aos outros por comutadores de pacotes (switchers) e links (communication links)

• Quando um End System deseja se comunicar com outro, ele segmenta os dados a serem enviados em pacotes e adiciona bytes para serem Headers para serem identificadores
• Quando outro End System recebe esses dados todos os pacotes são identificados, reorganizados e reestruturados

Como os End Systems se comunicam?

• O conjunto de comutadores e links envolvidos é chamado de Rota ou caminho (routes ou path)
• Os End Systems se conectam com a Internet por meio dos Provedores de serviço de internet (ISPs)

Por onde essa comunicação se dá?

• End Systems e comutadores de pacotes funcionam baseados em protocolos como o Transmission Control Protocol (TCP) e o Internet Protocol (IP)
• Todos os sistemas conectados com a internet devem se submeter às regras de padronização desenvolvidas pelo Engineering Task Force que definiu protocolos como: TCP, IP, HTTP, SMTP

Como tudo isso é padronizado?

Descrição por Serviço

• Podemos descrever a internet como uma infraestrutura que presta serviços a aplicações
• Os End Systems ligados a internet devem disponibilizar uma interface de aplicação (API) com especificações rígidas e condizentes com os padrões para que a troca de dados ocorra corretamente

A borda da rede de computadores

• Daqui em diante chamaremos os End Systems simplesmente de Hosts
• Os Hosts podem ser dividios em dois tipos, clientes e servidores (clients and servers)
• Um programa cliente é um End System que requer informações de outro, chamado de programa servidor

Redes de acesso

Nessa seção veremos diversos exemplos de conexões para a rede

Imagem coletada em: https://www.ispblog.com.br/2019/04/24/redes-opticas-de-acesso/

Dial-Up

• Esse termo surgiu pois o software literalmente discava para um número da ISP e fazia uma conexão telefônica
• Nesse modelo o PC era conectado a um modem que era ligado na rede telefônica, com par-trançado. O sinal emitido pelo PC era convertido para sinal analógico e enviado pela linha
• Seus principais problemas são a lentidão e o bloqueio da linha telefônica enquanto estivesse conectado na rede

DSL

• Sendo o mais utilizado, o Digital Sub­scriber Line (DSL) utiliza da mesma estratégia de uso da linha telefônica, entretanto, devido ao uso de um multiplexador (DSLAM), tanto os dados do PC como os da chamada telefônica podem ser transmitidos ao mesmo tempo, em frequências diferentes
• Downstream: 50kHz - 1MHz
• Upstream: 4kHz - 50 kHz
• Telefone: 0 - 4kHz

Coaxial

• Enquanto o DSL e Dial-up utilizam a insfraestrutura telefônica da ISP, o coaxial utiliza a da televisão
• Assim como o DSL, necessita de um modem
• Separa os canais de forma assimétrica, assim como o DSL, o downstream recebe uma taxa de transmissão maior que a de upstream

Fibra Ótica (FTTH)

• Esse sistema oferece uma taxa de transmissão muito maior do que a de par trançado ou coaxial
• Existe um modelo de conexão em que cada fibra liga a central de distribuição a uma casa, mas o mais comum é que a fibra seja ligada a mais de uma casa

Ethernet

• Em corporações e campus universitários, sua rede é classificada como Local Area Network, dos muitos tipos de LANs, Ethernet é a mais utilizada
• Utiliza par trançado para fazer suas conexões, a taxa de acesso de usuários é em média 100Mbps, enquanto a de servidores está entre 1Gbps e 10Gbps

WiFi

• WireLess LAN é uma tecnologia amplamente disceminada e, portanto, fortemente presente no nosso cotidiano em universidades, aeroportos, casas, etc...
• Os equipamentos necessários em geral consistem apenas em um aparelho com placa de conexão WiFi e uma base de conexão que emite e recebe os pacotes
• Aumenta a mobilidade do usuário que está acessando a rede, pois não utiliza cabos

O centro da rede

Tendo analisado a borda da rede, vamos entrar mais profundamente em seu núcleo, analisando seus comutadores e base fundamental

Comutadores de Circuitos e de Pacotes

• Na comutação por circuitos todos os recursos necessários são reservados enquanto durar a comunicação
• Na comutação por pacotes os recursos são utilizados por demanda, o que significa que uma fila de espera pelos recursos é formada
• Atualmente a internet é predominantemente formada por comutadores de pacotes
• A internet utiliza da filosofia do "Best effort" para a entrega dos pacotes, mas nada é garantido

Multiplexação em redes comutadas em circuito

• Um circuito pode ser implementado em Frequency-Division Multiplexing (FDM) ou Time-Division Multiplexing (TDM)
• Para os circuitos implementados em FDM a frequência é dividida entre as conexões estabelecidas para que cada uma tenha sua faixa
• No TDM o tempo é dividido em frames de duração fixa, no período daquele frame, apenas ele utiliza-se da conexão

Ilustração TDM vs FDM

Foto retirada de: https://hindi.theindianwire.com/

Comutação de Pacotes

• Em redes atuais de computadores os dados transmitidos são quebrados em pacotes, que são direcionados por comutadores de pacotes
• A maioria desses comutadores utiliza a transmissão Store-And-Forward, o que implica no completo recebimento do pacote antes de enviar qualquer parte dele adiante, o que também implica em um delay

Comutadores de Pacotes vs Circuitos

• Criticos dos comutadores de pacotes alegam que estes não servem para serviços em tempo real como ligações e vídeo-conferências pelo seu delay
• Os defensores do mesmo alegam que este oferece melhor compartilhamento de banda, é mais simples, eficiente e menos oneroso
• Atualmente ambos são dominantes nas redes de comunicação, mas o futuro tende para os comutadores de pacotes

Como os pacotes são direcionados pelos comutadores

• Na internet, cada pacote em trânsito possui o endereço de seu destino em seu Header
• Quando um pacote chega a um roteador o mesmo examina uma tabela que mapeia endereços e o envia adiante
• É importante notar que há uma série de protocolos que regem esses direcionamentos e que ajudam a calcular o menor caminho para um envio otimizado

Atrasos, perdas e taxas de transferência

Idealmente gostariamos que, para qualquer transmissão entre End Systems, todos os dados fossem transmitidos instantaneamente e sem perda de qualquer pacote, entretanto sabemos que isso é impossível e seus atrasos e perdas é o que analisaremos agora

Visão geral sobre atrasos

Os atrasos que veremos aqui são:

1. Atraso de processamento
2. Atraso de enfileiramento
3. Atraso de transmissão
4. Atraso de propagação

Atraso de processamento

O tempo necessário para examinar os headers e determinar para onde redirecionar os pacotes faz parte do atraso de processamento, o tempo de analise por erros nos bits da mensagem também pode ser adicionado neste cálculo

Atraso de enfileiramento

O tempo de enfileiramento depende do tamanho da fila, que é dependente da quantidade de pacotes que chegaram anteriormente. No melhor caso a fila está vazia e o pacote é transmitido, em caso contrário o tempo de espera pode ser muito longo

Atraso de transmissão

Denotemos o tamanho do pacote como L e a taxa de transmissão como R, cuja unidade de medida é bits por segundo. Neste caso, o atraso de transmissão é mensurado por L dividido por R

Atraso de propagação

A velocidade de propagação depende do meio físico em que os bits estão sendo transmitidos, e o atraso de propagação é calculado pela divisão da distância que os bits terão que percorrer pela velocidade de propagação

Perdas de Pacotes

• Idealmente gostariamos que em momento algum os pacotes fossem perdidos, mas isso intuitivamente gera um novo problema, o tempo de enfileiramento pode tender ao infinito
• Se o roteador não suportar mais pacotes ele irá rejeitar o novo pacote e, portanto, são perdidos, o que não é um problema, pois pode ser retransmitido