Comunicação

Uma rede é um conjunto de dispositivos de computação conectados para poderem comunicar e compartilhar recursos. Benefícios:

• compartilhamento de recursos (impressoras, servidores de arquivos, internet) — mais barato do que equipar cada computador.
• compartilhamento de dados — muitos usuários acessam os mesmos arquivos.
• gerenciamento centralizado — instalar software, gerenciar usuários e fazer backup uma única vez no servidor.
• comunicação — e-mail, chamadas de vídeo, mensagens.
• acesso remoto — trabalhar de qualquer lugar.

Uma rede local (LAN) cobre uma área pequena — casa, escritório ou escola, geralmente pertencente à organização, com altas taxas de dados e baixa latência.

Uma rede de longa distância (WAN) cobre uma área extensa — cidade, país ou mundo (a internet é a maior WAN). Usa infraestrutura de provedores de telecomunicações — frequentemente a Rede Telefônica Comutada Pública (PSTN), linhas alugadas ou fibra óptica — com taxas de dados menores e latência maior. Uma WAN conecta LANs entre si.

Para “apresente duas características de uma LAN”: ela abrange uma pequena área geográfica (um local ou edifício); o hardware pertence à organização, em vez de ser alugado de uma empresa de telecomunicações; ela se conecta por meio de seus próprios switches, cabos e pontos de acesso. Para “duas diferenças de uma WAN”: ela abrange uma grande área geográfica; usa infraestrutura de terceiros (alugada ou pública); as taxas de transmissão são menores e a latência é maior; geralmente interliga várias LANs. Uma escola em um único local é uma LAN; uma empresa com escritórios em duas cidades precisa de uma WAN, com uma linha alugada ou a internet entre os locais. Justifique a escolha pela área coberta e por quem é proprietário das conexões.

Cliente-servidor

• Máquinas potentes atuam como servidores, fornecendo serviços (arquivos, páginas web, e-mail).
• Outras máquinas são clientes que solicitam serviços.
• Centralizado e fácil de gerenciar, mas o servidor é um ponto único de falha, a menos que haja backup.

Par-a-par (P2P)

• Todas as máquinas são pares iguais; cada uma pode ser tanto cliente quanto servidor (peer-to-peer).
• os recursos estão distribuídos entre os pares — sem servidor central. Robusta contra uma falha, mas mais difícil de manter segura e consistente.

Escolhendo um modelo. Cliente-servidor adequa-se a uma escola ou empresa: os arquivos são armazenados e feitos backup centralmente, um usuário faz login com uma única conta de qualquer máquina, software e segurança são gerenciados uma única vez, e o servidor pode ser uma máquina poderosa. As desvantagens são o custo do servidor e de um técnico, e que o servidor é um ponto único de falha. Par-a-par adequa-se a poucos amigos compartilhando arquivos ou a um jogo: nenhum servidor para comprar, fácil de configurar, e cada usuário mantém controle de sua própria máquina. As desvantagens que o esquema lista: os arquivos estão espalhados por muitas máquinas, então são difíceis de fazer backup e um arquivo está indisponível quando a máquina do seu proprietário está desligada; cada máquina deve ser protegida separadamente; e um par que serve aos outros diminui a velocidade. Um jogo online jogado através de um navegador web com outros usuários é o modelo cliente-servidor: o navegador é o cliente, e o jogo e seu mundo virtual compartilhado rodam no servidor da empresa, que mantém a visão de cada jogador consistente.

Um cliente leve faz pouca processamento local e depende de um servidor poderoso (terminais web, desktop remoto). Um cliente pesado possui forte processamento e armazenamento locais e executa aplicativos completos sozinho (um PC de mesa comum).

Os papéis: em um modelo de cliente fino, o servidor faz o processamento e armazena os dados, e o cliente apenas envia entrada e mostra a saída. Um terminal barato é suficiente, e tudo é feito backup e atualizado no servidor, mas nada funciona se a rede ou o servidor falhar. Em um modelo de cliente pesado, o cliente roda o software e armazena arquivos sozinho, então pode funcionar sem conexão de rede e sobrecarrega menos o servidor, às custas de clientes mais poderosos (e caros) que devem ser atualizados e protegidos individualmente. Uma sala de informática escolar pode usar clientes finos (baratos, gerenciados centralmente); um editor de vídeo precisa de um cliente pesado.

A topologia é a disposição dos nós e enlaces.

• ** barramento** — todos os dispositivos em um único cabo compartilhado. Barato; se o barramento falhar, toda a LAN cai; o desempenho diminui conforme mais dispositivos compartilham a largura de banda.
• estrela — cada dispositivo se conecta a um switch central. Falha de um dispositivo não afeta os demais; falha do switch derruba todos. Mais comum hoje.
• malha — cada dispositivo se conecta diretamente aos outros, com múltiplos caminhos. Muito tolerante a falhas (tráfego é rerotado) mas exige muito cablagem.
• híbrida — uma mistura (uma estrela em cada escritório, enlaces em malha entre escritórios).

Como os pacotes viajam em cada topologia

Total: o dispositivo remetente coloca o pacote no cabo compartilhado; todos os dispositivos o veem, e apenas aquele cujo endereço corresponde o aceita. Apenas um dispositivo pode transmitir por vez, então colisões ocorrem (CSMA/CD, abaixo). Estrela: o remetente passa o pacote para o switch central, que lê o endereço de destino e o encaminha apenas pelo cabo até esse dispositivo; dois outros dispositivos podem conversar ao mesmo tempo. Malha: o pacote é passado de nó a nó ao longo de um dos vários rotas possíveis até chegar ao destino; se um enlace falhar, outra rota é usada.

Para justificar uma topologia: estrela para uma sala de aula ou um escritório (uma falha em um cabo afeta um dispositivo; é fácil adicionar um dispositivo; com um switch não há colisões); malha quando a confiabilidade é o mais importante (um hospital, o núcleo da internet); barramento apenas quando o custo é importante e poucos dispositivos o compartilham. “Desenhe a topologia em estrela” significa: o switch no centro, uma linha do switch para cada computador e o servidor (e o roteador, se houver um) conectados ao switch por linhas próprias.

Computação em nuvem entrega serviços de computação (servidores, armazenamento, software) pela internet, hospedados por terceiros. Benefícios: escalabilidade (pague pelo que precisa), custo reduzido, acesso de qualquer lugar e centros de dados confiáveis e redundantes. Desvantagens: requer internet, seus dados são mantidos por terceiros e possível bloqueio do fornecedor.

Para a definição que vale um ponto: computação em nuvem são serviços de computação sob demanda (armazenamento, processamento, software) fornecidos pela internet por terceiros. Uma nuvem pública pertence a um provedor e é compartilhada por muitos clientes pela internet; uma nuvem privada é dedicada a uma organização, em seu próprio hardware ou hospedada exclusivamente para ela. Benefícios aceitos pelo gabarito: os arquivos são acessíveis em qualquer dispositivo com conexão à internet; o armazenamento aumenta ou diminui conforme a necessidade; o provedor cuida do hardware, dos backups e das atualizações de segurança; não é necessário comprar ou manter um servidor local. Desvantagens: não há acesso sem conexão à internet; os dados ficam no hardware de terceiros, portanto a segurança e a privacidade dependem do provedor; há um custo contínuo de assinatura; o provedor pode sofrer uma falha ou um ataque; a transferência de arquivos grandes pode ser lenta. Uma resposta a “por que a empresa usa uma nuvem pública” afirma que ela não precisa de hardware próprio, paga apenas pelo que usa e seus usuários podem acessá-la de qualquer lugar.

• cabeado (Ethernet sobre par trançado ou fibra óptica): velocidade maior, latência menor, menos erros, mais seguro.
• sem fio (Wi-Fi, Bluetooth, celular): sem cabos, dispositivos podem se mover, mas mais lento, propenso a interferência e escuta clandestina.

Para a mesma geração, o com fio vence em velocidade e confiabilidade; o sem fio vence em conveniência.

Meios de transmissão

O exame pede a comparação em ambas as direções. O cabeado supera o sem fio em velocidade, confiabilidade (sem interferência), segurança (um cabo precisa ser fisicamente acessado) e consistência; o sem fio supera o cabeado em mobilidade, custo de instalação e adição de dispositivos sem fiação. Permitir ambos permite que alunos se movam com laptops e telefones enquanto os desktops fixos mantêm a conexão mais rápida e segura, e um dispositivo sem porta de rede ainda pode se conectar. Satélite em vez de cobre alcança lugares onde nenhum cabo chega, mas com mais atraso, interferência climática e maior custo.

• placa de interface de rede (NIC) — permite que um dispositivo envie e receba na rede; possui um endereço MAC único MAC (um endereço de hardware de 48 bits). Um dispositivo sem fio usa uma placa de interface de rede sem fio (WNIC).
• switch — encaminha apenas quadros Ethernet para a porta correspondente ao endereço MAC de destino.
• hub — dispositivo mais simples que copia o tráfego para todas as portas (hoje obsoleto).
• ponto de acesso sem fio (WAP) — permite que clientes sem fio se conectem a uma LAN cabeada.
• fiação — par trançado para curtas distâncias; fibra óptica para distâncias maiores e velocidades mais altas.
• servidor — computador que fornece um serviço aos outros dispositivos: arquivos, impressão, páginas web, armazenamento de e-mail.
• bridge — une dois segmentos de LAN em uma única rede, transmitindo tráfego entre eles.
• repetidor — recebe um sinal enfraquecido e o retransmite com força total, para estender o alcance do cabo.

As funções de uma WNIC, para uma questão de quatro marcas descreva: converte os dados em sinais de rádio e vice-versa; transporta o endereço MAC único do dispositivo; conecta o dispositivo a um ponto de acesso sem fio e segue o protocolo sem fio (qual canal e frequência usar); e decodifica os sinais entrantes para o dispositivo. Dois dispositivos que podem conectar fisicamente trinta computadores com NICs: um switch ou um hub.

Um roteador conecta redes diferentes e encaminha dados entre elas — geralmente na fronteira de uma LAN e da internet. Ele faz:

• encaminhamento — lê o endereço IP de destino de cada pacote e o envia pela porta correta, usando uma tabela de roteamento.
• tradução de endereços de rede (NAT) — permite que muitos endereços privados de LAN compartilhem um único IP público.
• DHCP — atribui endereços IP privados aos dispositivos da LAN.
• firewall — bloqueia tráfego indesejado entrante.

No comutação por pacotes, uma mensagem é dividida em pacotes enviados independentemente. Cada roteador lê o endereço IP de destino de um pacote, consulta o próximo salto em sua tabela de roteamento e o encaminha, então os pacotes de uma mesma mensagem podem seguir rotas diferentes e são reagrupados em ordem no destino. Um roteador recebe e encaminha pacotes entre redes e distribui endereços IP; ele não encontra o IP de uma URL (o DNS faz isso) e não armazena páginas da web. Um roteador doméstico também contém o modem e o ponto de acesso sem fio, assim um único aparelho conecta a LAN à internet.

O Ethernet é o padrão (protocolo) para LANs cabeadas: dispositivos são unidos por cabos par trançado ou fibra, os dados são enviados em quadros que contêm os endereços MAC de origem e destino, e um meio compartilhado usa CSMA/CD para lidar com colisões. Em meios compartilhados, uma colisão pode ocorrer quando dois dispositivos transmitem simultaneamente. O protocolo é CSMA/CD (Detecção de Colisão de Acesso Múltiplo por Sensibilidade de Portadora):

1. detecção de portadora — escutar antes de enviar; esperar se o cabo estiver ocupado.
2. acesso múltiplo — muitos dispositivos compartilham o meio.
3. detecção de colisão — continuar escutando enquanto envia; um choque é uma colisão.
4. Em uma colisão, ambos param, enviam um breve sinal de “congestionamento” e aguardam um tempo aleatório de espera antes de tentar novamente.

As três tarefas, nas palavras do esquema: o dispositivo escuta (detecta a portadora) antes de transmitir; verifica continuamente por colisões durante a transmissão; em caso de colisão, para, envia um sinal jam, espera um tempo aleatório e retransmite.

O Ethernet comutado moderno usa enlaces ponto a ponto full-duplex, então colisões não ocorrem mais.

Transmissão de fluxo de bits envia multimídia como um fluxo contínuo que o receptor reproduz conforme chega, em vez de baixar o arquivo inteiro primeiro.

• em tempo real (ao vivo): capturado e transmitido conforme acontece (esporte ao vivo, videochamadas). Não é possível rebobinar; baixa latência é vital.
• sob demanda: pré-gravado em um servidor (YouTube, Netflix). Você pode pausar e rebobinar; o servidor pode bufferizar adiante.

O streaming em tempo real funciona como um curto pipeline:

1. capturar e amostrar a fonte (câmera ou microfone).
2. codificar o conteúdo, usando compressão para reduzir os dados.
3. enviar pela rede em pacotes.
4. o receptor bufferiza um pouco, depois reproduz ao vivo — descartando qualquer pacote que chegue atrasado, pois um stream ao vivo não pode esperar por ele.

A compressão lossy é usada aqui: imagens em movimento escondem perdas pequenas, e o fluxo deve ser pequeno o suficiente para caber na largura de banda.

Por que um vídeo é comprimido antes da transmissão em tempo real: o fluxo sem compressão exigiria mais largura de banda do que a conexão oferece, fazendo com que os quadros chegassem atrasados e a reprodução travasse. A compressão reduz o número de bits, mantendo a taxa de bits abaixo da velocidade da banda larga, minimizando o atraso e economizando armazenamento e custo em ambas as extremidades. A taxa de bits deve ser inferior à velocidade da conexão: uma taxa maior melhora a qualidade, mas exige uma conexão mais rápida; se os dados chegarem mais devagar do que são reproduzidos, o buffer esvazia e o vídeo congela. A transmissão sob demanda pode bufferizar mais do arquivo adiante, lidando melhor com conexões lentas; a transmissão em tempo real não consegue.

Exemplo resolvido. Uma câmera transmite vídeo ao vivo em 1920 × 1080 pixels, cores de 24 bits, 30 quadros por segundo, sobre uma conexão de 50 Mbit/s. É possível transmitir sem compressão e por qual fator deve ser comprimido?

Bits em um quadro:

Taxa de bits do stream não comprimido:

Compressão necessária:

O stream não comprimido precisa de aproximadamente 30 vezes a velocidade da conexão, logo não pode ser enviado assim: deve ser comprimido para menos de $\frac{1}{30}$ de seu tamanho original, com margem para outros tráfegos e variações de velocidade. É por isso que o vídeo ao vivo usa compressão com perdas. Use $1 \text{ Mbit} = 10^{6}$ bits para taxas de transmissão, a menos que a questão especifique outra coisa.

A internet é uma rede global de redes que utiliza um conjunto comum de protocolos (TCP/IP). A World Wide Web (WWW) é um serviço que opera sobre ela: documentos hipermidiáticos identificados por URLs, visualizados em navegadores via HTTP/HTTPS. E-mail e transferência de arquivos são outros serviços da internet que não fazem parte da WWW.

Webmail usa ambos: a WWW, porque a caixa de entrada é uma página web acessada por uma URL em um navegador via HTTP; e a internet, porque o próprio e-mail viaja pela rede de redes (e-mail é um serviço separado da internet em relação à web).

Hardware que suporta a internet

• modem — converte o sinal digital do computador em sinal analógico para uma linha telefônica, e vice-versa no outro extremo (modulação e demodulação).
• PSTN — a rede telefônica pública de centrais e linhas; uma conexão dial-up ou DSL transporta dados da internet por ela.
• linha dedicada — uma linha alugada entre uma organização e seu provedor de acesso: sempre ativa, com largura de banda fixa que não é compartilhada, sendo mais rápida e confiável, mas mais cara.
• rede celular — o telefone envia dados por rádio para a torre de célula mais próxima (estação base); as torres estão conectadas à rede da operadora, que encaminha os dados para a internet; à medida que o telefone se move, ocorre a transição de uma célula para a próxima.

Um endereço IP identifica unicamente um dispositivo.

• IPv4 — 32 bits, quatro números decimais de 0 a 255 (192.168.1.10); cerca de $4.3 \times 10^{9}$ endereços (agora esgotados).
• IPv6 — 128 bits, oito grupos de quatro dígitos hexadecimais; cerca de $3.4 \times 10^{38}$ endereços.

O IPv4 é escrito como quatro grupos de números decimais separados por pontos; cada grupo é um número de 8 bits, variando de 0 a 255. O IPv6 é escrito como oito grupos de quatro dígitos hexadecimais separados por dois-pontos, 2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329, e uma sequência de grupos nulos pode ser abreviada para ::. Portanto, 192.168.3.2 não é IPv6: tem quatro grupos, não oito, separados por pontos em vez de dois-pontos, e seus grupos são decimais, não hexadecimais. 256.0.0.A não é um endereço válido de nenhum dos tipos: um grupo IPv4 não pode exceder 255 nem conter letras, e o IPv6 precisaria de dois-pontos e oito grupos.

Exemplo resolvido: válido ou não?

Para expandir um endereço IPv6 abreviado, adicione zeros à esquerda para que cada grupo tenha quatro dígitos e substitua :: por quantos grupos 0000 forem necessários para completar oito.

Sub-redes

Uma rede pode ser dividida em sub-redes. O endereço IP divide-se em parte de rede e parte de host, definidos por uma máscara de sub-rede (ex. 255.255.255.0 = primeiros 24 bits são de rede). A subnetting melhora a gestão, reduz o tráfego de broadcast e aumenta a segurança.

As duas partes de um endereço em uma sub-rede: o identificador de rede (os primeiros bits, iguais para todos os dispositivos da sub-rede, indicados pelos bits 1 da máscara) e o identificador de host (os bits restantes, exclusivos de cada dispositivo). Benefícios da divisão em sub-redes, para “descreva dois benefícios”: menos tráfego em cada parte, pois as transmissões para todos os dispositivos permanecem dentro da própria sub-rede; maior segurança, pois o tráfego de um departamento fica separado dos demais; gerenciamento e localização de falhas mais fáceis; uso mais eficiente dos endereços. Dois dispositivos com a máscara 255.255.255.0 estão em sub-redes diferentes quando seus três primeiros grupos diferem.

Endereços públicos vs privados

• endereços privados são usados dentro de uma LAN e não são roteáveis na internet (ex. 192.168.0.0/16).
• um endereço IP público é globalmente exclusivo e roteável, atribuído por um ISP.

Dispositivos atrás do NAT com endereços privados não são diretamente acessíveis pela internet, oferecendo alguma proteção.

As descrições que as tabelas pedem: um endereço público é visível na internet e único nela, alocado pelo ISP; um endereço privado é visível apenas dentro da LAN, é reutilizado por muitas LANs e precisa de NAT para alcançar a internet. Um endereço estático nunca muda (definido manualmente ou reservado, como um servidor precisa); um endereço dinâmico é alocado pelo DHCP toda vez que o dispositivo se conecta e pode mudar.

Estático vs dinâmico

• um endereço IP estático é fixo; usado para servidores que devem ser encontrados em um endereço conhecido.
• um endereço IP dinâmico é atribuído pelo DHCP e pode mudar; mais fácil para dispositivos clientes e usa eficientemente um pool de endereços limitado.

Exemplo resolvido. Um host tem endereço IP 192.168.10.130 com máscara de sub-rede 255.255.255.192. Em qual rede ele está, e 192.168.10.200 está na mesma? O último octeto da máscara, 192, é 11000000 em binário, então os primeiros 26 bits são a parte da rede e os últimos 6 bits endereçam o host. Isso faz com que as sub-redes avançam em blocos de $256 - 192 = 64$: .0, .64, .128, .192. O endereço 130 cai no bloco que começa em .128, então o host está na rede 192.168.10.128/26, cujos hosts utilizáveis vão de .129 a .190 (.191 é o endereço de broadcast). 200 cai no bloco seguinte (.192), então está em uma sub-rede diferente e o tráfego entre os dois deve passar por um roteador. Obtenha o tamanho do bloco primeiro a partir da máscara ($256$ menos o octeto da máscara) — adivinhar pelos três primeiros octetos é o que causa erros nestes exercícios.

Um URL (Localizador Uniforme de Recursos) localiza um recurso na WWW:

https://www.example.com/about/contact.html
protocol     domain name        path

• protocolo: http, https, etc.
• nome de domínio: um endereço de servidor legível.
• caminho: o recurso naquele servidor.

O Sistema de Nomes de Domínio (DNS, também chamado de Serviço de Nomes de Domínio) é um conjunto distribuído de servidores que converte nomes de domínio em endereços IP. Ao digitar um URL, o navegador solicita ao resolver DNS o IP, que consulta servidores DNS (raiz → nível superior → autoritário) até encontrá-lo; o navegador então se conecta a esse IP e solicita o caminho. O DNS pousa os humanos de memorizar endereços IP e permite que um site mude de servidor sem alterar seu nome.

Para “explique como o navegador usa a URL”: o navegador divide a URL em protocolo, nome de domínio e caminho; envia o nome de domínio a um servidor DNS, que retorna o endereço IP correspondente (um cache no computador ou no provedor de internet pode responder primeiro); abre uma conexão com esse endereço IP usando o protocolo (HTTPS na porta 443); envia uma solicitação para o caminho; e o servidor web retorna a página, que o navegador renderiza. Se a consulta DNS falhar, o navegador informa que não foi possível encontrar o servidor.

*Como o DNS encontra o IP de um site antes que o navegador se conecte

Uma questão de definição é marcada contra texto fixo. Aprenda estes exatamente.

• Distinguir LAN vs WAN e cliente-servidor vs par-a-par por quem armazena e controla os recursos.
• Correspondar cada topologia (barra, estrela, malha) a suas vantagens e desvantagens (custo, confiabilidade, colisões).
• Conhecer a função de cada dispositivo: um switch direciona dentro de uma LAN pelo endereço MAC, um roteador roteia entre redes pelo IP.
• Explicar streaming de bits e por que o buffer é necessário (os dados chegam a uma taxa diferente da reprodução).
• Distinguir IPv4 vs IPv6 e endereços públicos vs privados; DNS transforma uma URL em um endereço IP.

Erros comuns

• Dizer que um switch funciona por endereço IP. Um switch encaminha por endereço MAC dentro da LAN; o roteador encaminha por endereço IP entre redes.
• Tratar a internet e a World Wide Web como a mesma coisa. A web é um serviço que roda sobre a internet; email e transferência de arquivos são outros.
• Usar “mais rápida” como toda a comparação entre redes com e sem fio. Diga mais rápida e mais confiável e mais segura, e apresente o lado da rede sem fio (mobilidade, ausência de cabos) quando a questão pedir uma comparação.
• Escrever que um roteador encontra o endereço IP para uma URL. O DNS faz isso; o roteador encaminha pacotes para ele.
• Descrever o IPv6 com pontos e grupos decimais. Oito grupos de quatro dígitos hexadecimais, separados por dois-pontos.
• Desenhar uma topologia estrela como um anel ou corrente. Cada dispositivo tem sua própria linha para o switch no meio.