UNIVERSIDADE SALVADOR UNIFACS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E ARQUITETURA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - PDF
UNIVERSIDADE SALVADOR UNIFACS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E ARQUITETURA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
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Ricardo Carreira Caiado
1 UNIVERSIDADE SALVADOR UNIFACS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E ARQUITETURA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA MARCOS PORTNOI ESTUDO DE CARACTERÍSTICAS DE FONTES DE TRÁFEGO PARA REDES DE COMPUTADORES MULTI-SERVIÇO Salvador BA 2003
2 MARCOS PORTNOI ESTUDO DE CARACTERÍSTICAS DE FONTES DE TRÁFEGO PARA REDES DE COMPUTADORES MULTI-SERVIÇO Monografia apresentada ao Curso de graduação em Engenharia Elétrica, Universidade Salvador UNIFACS, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Sergio de Figueiredo Brito Salvador BA 2003
3 AGRADECIMENTOS Ao Núcleo Interdepartamental de Pesquisas em Redes de Computadores (NUPERC) da UNIFACS, pelo apoio e oportunidade dada nos anos em que fui pesquisador em Iniciação Científica. Aos meus professores André Valente, Armando, Adelmo, Leonardo Teixeira, Luciene, Paulo Menezes (outro admirador de Carl Sagan), Milton Sampaio, Paulo Vitor, Maria das Graças, Paulo Pedreira, Marcelo Rios, Maria Olívia, Ricardo Salgueiro, Marise Mota, Maria Ângela, Maria das Graças Almeida, Celso Saibel. Professor José Carlos, com sua visão prática e mente rápida, presenteou-me com o sentimento de orgulho de ser engenheiro. Professor Kleber Freire, sempre disponível a me auxiliar nas minhas constantes buscas por auxílio. Professor Sérgio Bello, um incentivador incansável. Professor Paulo Lobo, que desde o começo alimentou meu espírito pesquisador. Professora Mônica Aguiar, sempre atenciosa. Minha colega de escola e professora Mariana Torres Strauch. Como dizíamos em épocas dantes... Jacobina. Professor Euclério Ornellas, um verdadeiro formador, devorador de livros, querido unanimamente. Professora Alzineide Dantas, por sua seriedade e por ter redespertado meu gosto por vocabulário requintado e nobre. Professor William Giozza, preciso, conhecimento enciclopédico. Professor Joberto Martins, pessoa de conhecimento vasto e impecável, e acima de tudo, de trato e gentileza inabaláveis. Um autêntico gentleman. Uma honra ter podido ser seu aluno. Professor Sergio de Figueiredo Brito. Professor, orientador, estimulador, incentivador, auxiliador, confidente, mentor, mestre e amigo. Seu empenho e sua confiança depositados em mim são muito mais do que eu jamais poderia pedir.
4 When it s my moment in the sun Oh, how beautiful I ll be But in a normal sort of way Like I am you and you are me -- Eef Barzelay (Clem Snide Band)
5 RESUMO Esta monografia tem como objetivo o estudo de quatro tipos de fontes geradoras de tráfego para redes de computadores, com vistas a sua caracterização. Expõe-se modelos descritivos das fontes e, a partir de códigos disponíveis na Internet, inclui-se no escopo deste trabalho programas cujos algoritmos descrevem o processo de geração dos tráfegos. Palavras-chave: fonte, tráfego, gerador, rede de computadores, voip, self-similar, fractal, vbr, mpeg, pareto, poisson, lan, ethernet.
6 ABSTRACT This work intends to study four types of traffic sources for computer networks, aiming at the characterization of such sources. Descriptive models of the sources are presented and, based on code available in the internet, this work includes algorithms that describe the process of generating the traffic. Keywords: source, network traffic, generator, computer network, voip, self-similar, fractal, vbr, mpeg, pareto, poisson, lan, ethernet.
7 LISTA DE FIGURAS Figura 1: Amostragem, quantização e codificação de um sinal analógico (PCM). Um código binário é designado para cada nível quantizado (000, 001, 010, etc.), que é assumido de acordo com a amplitude medida do sinal original analógico, aproximando-o para o nível quantizado mais próximo Figura 2: (a) VoIP fim-a-fim. A figura ainda mostra a possibilidade de conexão com a PSTN, através de um gateway. (b) VoIP híbrido, com centrais PABX e telefones convencionais nas pontas. O gateway encarrega-se de converter telefonia convencional em VoIP Figura 3: Pilha de protocolos H.323 (fonte h323_basics.htm) Figura 4: Comportamento de uma fonte de voz típica. Durante os períodos ativos, ou seja, quando o interlocutor está falando, o codec gera pacotes de tamanho fixo em intervalos de tempo regulares, indicados pelas setas verticais. Nos períodos de silêncio, não há geração de pacotes Figura 5: Modelo de dois estados para fonte de voz Figura 6: Redundância espacial. O destaque mostra um grupo de pixels similares na imagem [SANTOS, 2003] Figura 7: Redundância temporal. As mudanças entre os quadros 950, 951 e 952 resumem-se basicamente a movimentos faciais, enquanto que o resto da cena permanece inalterado [SANTOS, 2003] Figura 8: Estrutura GoP de tamanho 15 (N = 15) e distância entre I e P, M, igual a 3. As setas mostram as referências preditivas de cada quadro [SANTOS, 2003] Figura 9: Variação típica da taxa de tráfego de uma fonte VBR, aqui mostrada para a seqüência codificada, em preto-e-branco, de duas horas do filme Star Wars [GARRETT, 1994] Figura 11: (a) Construção do Triângulo de Sierpinski (Fonte: (b) Contorno de nuvem revelando um fractal auto-afim [CRUZ, 2003] Figura 12: (Coluna esquerda) Tráfego real Ethernet; (coluna central) tráfego simulado gerado por modelagem tradicional (Poisson); (coluna direita) tráfego simulado gerado por modelagem auto-similar. Cinco diferentes escalas de tempo são usadas. As gradações de cor indicam os mesmos segmentos de tráfego nas diferentes escalas de tempo. Legenda: (eixo vertical) Packets/Time Unit: pacotes/unidade de tempo; (eixo horizontal) Time Unit: unidade de tempo. [TAQQU, 1997] Figura 13: Transferência de arquivos entre sistemas de arquivo remoto e local
8 LISTA DE TABELAS Tabela 1: Características de codecs de voz (G.xxx são definidos pelo ITU; IS-xxx são definidos pela TIA). [GOODE, 2002] Tabela 2: Recomendação G.144 ITU-T para VoIP [GOODE, 2002] Tabela 3: Efeitos perceptivos na qualidade causados pelo jitter, para VoIP [MIRAS, 2002]. 34 Tabela 4: Parâmetros de modelo para geração de tráfego de voz (exponencial On/Off) Tabela 5: Parâmetros típicos MPEG [SANTOS, 2003] Tabela 6: Desempenho típico da compressão MPEG [SANTOS, 2003] Tabela 7: Largura de banda utilizada pelos formatos de vídeo mais usados [MIRAS, 2002]. 46
9 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ATM B-ISDN CBR DCT DTMF F-ARIMA FDM ffgn FFT HDTV ISDN ITU Asynchronous Transfer Mode Broadband Integrated Services Digital Network Constant Bit Rate Discrete Cosin Transform Dual Tone Multi Frequency Fractional Autoregressive Integrated Moving Average Process Frequency Division Multiplexing Fast Fractional Gaussian Noise Fast Fourier Transform High Definition Television Integrated Services Digital Network International Telecommunications Union ITU-T Telecommunication Standardization Sector of the International Telecommunications Union JPEG LAN LRD MCU MPEG OTcl PABX PAL PBX PCM PDU PSTN QoS RDSI RMD RTCP RTP Joint Photographic Experts Group Local Area Network Long Range Dependence Multipoint Control Units Moving Picture Experts Group Object Tool Command Language Private Automatic Branch exchange Phase Alternation Line Private Branch exchange Pulse Code Modulation Protocol Data Unit Public Switched Telephone Network Quality of Service Rede Digital de Serviços Integrados Random Midpoint Displacement Real Time Control Protocol Real-Time Transport Protocol
10 SECAM SRD TDM WAN WWW Système Electronique Couleur Avec Mémoire Short Range Dependence Time Division Multiplexing Wide Area Network World Wide Web
11 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO FONTE DE VOZ TELEFONIA E SISTEMAS DE COMUTAÇÃO Comutação de Circuitos: conceitos Digitalização Pulse Code Modulation (PCM) O Canal PCM Comutação de Pacotes: conceitos Comutação de Circuitos x Comutação de Pacotes VOZ SOBRE IP (VOIP) Atraso Modelagem da Fonte VoIP FONTE DE VÍDEO VÍDEO NÃO COMPRIMIDO Modelagem da Fonte de Vídeo Não Comprimido MPEG Modelagem da Fonte MPEG Geração Do Tráfego MPEG VBR FONTES DE TRÁFEGO AUTO-SIMILAR OU FRACTAL FRACTAIS AUTO-SIMILARIDADE EM TRÁFEGOS DE REDES MULTI-SERVIÇO MODELAGEM DA FONTE AUTO-SIMILAR GERAÇÃO DO TRÁFEGO AUTO-SIMILAR FONTE DO TIPO FILE TRANSFER PROTOCOL (FTP) MODELAGEM DA FONTE FTP GERAÇÃO DO TRÁFEGO FTP CONCLUSÃO REFERÊNCIAS ANEXO A Modelagem de Fluxos MODELO DE POISSON MODELO ON/OFF EXPONENCIAL... 72
12 PROCESSOS MARKOVIANOS MODELO DE FLUXOS (STOCHASTIC FLUID FLOW MODEL) MODELO AUTO-SIMILAR (SELF-SIMILAR) MODELO ON/OFF PARETO ANEXO B Exemplo de Código para Fonte Exponencial On/Off ANEXO C Exemplo de Código para Fonte de Tráfego VBR ou MPEG ANEXO D Exemplo de Código para Gerador de Tráfego Auto-Similar ANEXO E Exemplo de Código para Gerador de Tráfego FTP ÍNDICE
13 13/ INTRODUÇÃO A engenharia freqüentemente é chamada a propor melhorias para processos vigentes ou para apresentar soluções para problemas. A Avaliação de Desempenho de Sistemas oferece técnicas para abordagem; uma delas consiste em modelar um determinado sistema, contendo as variáveis de interesse para análise, de forma que este modelo possa ser tratado matematicamente. O tratamento do modelo resultará em diversos resultados de acordo com as situações desejadas, visualizados através das variáveis de interesse. Num sistema de redes de computadores, estas variáveis podem ser: o atraso fim-a-fim, pacotes perdidos, vazão, dentre outras [PORTNOI, 2002]. Uma vez proposto de forma matemática, o modelo pode ser resolvido através de métodos analíticos ou simulação [JAIN, 1991]. O método analítico, ou algébrico, requer profundo conhecimento matemático, mas confere exatidão nas respostas. A resolução, dependendo do modelo matemático, pode tornar-se extenuante, o que obriga a simplificações do modelo. Estas simplificações podem culminar em imperfeições na representação do modelo. O método por simulação, por outro lado, permite a confecção de modelos complexos e a resolução destes com menor desenvolvimento matemático. Emprega-se, aqui, poder computacional para as iterações numéricas. A depender dos resultados desejados, este poder computacional pode ser significativo. O ponto importante é que, para confecção de um modelo eficiente para ser tratado pelo simulador, é preciso estudar o fenômeno ou sistema de modo a bem compreendê-lo. Aqui, usa-se das ferramentas da Estatística ou Processos Estocásticos, de forma a produzir as equações matemáticas.
14 14/112 Em redes de computadores, um dos campos de estudo é a caracterização e modelagem de fontes de tráfego. Pode-se entender como fonte de tráfego, tipicamente, uma aplicação de redes de computadores gerando um conjunto de bits, que por sua vez trafegam pela rede em um dado período. A fonte de tráfego terá características próprias. Neste texto, será possível verificar que, por exemplo, uma fonte do tipo Voz sobre IP alterna períodos de atividade e períodos de dormência; vídeo digital comprimido, por sua vez, exibe característica de taxa de bits variável ao longo do tempo. Uma alternativa à modelagem estatística/matemática das fontes de tráfego em redes de computadores consiste em gravar o tráfego real, através de equipamentos especiais como os analisadores de redes ou sniffers, e então reproduzir a gravação (que recebe o nome de tracing). Os modelos de interesse podem ser simulados através desta reprodução, que espelhará exatamente o comportamento da fonte original. A caracterização eficiente de fontes de tráfego (resultando em bons modelos) é importante para áreas relacionadas à gerência de desempenho de redes de serviços integrados, como por exemplo, garantir que todos os tipos de aplicação recebam a qualidade de serviço apropriada [SCHWARTZ, 1996]. Os modelos estocásticos dos fluxos de tráfego são amplamente usados na predição de desempenho dos sistemas; assim, é essencial descrever cuidadosamente uma fonte de tráfego sob escrutínio de forma a asseverar que os modelos usados de fato levam a resultados úteis de desempenho. O objetivo deste trabalho é, pois, tomar quatro tipos fontes de tráfego encontradas em redes de computadores multi-serviço: (a) Voz sobre IP; (b) Vídeo Digital MPEG; (c) Auto- Similar; e (c) FTP (File Transfer Protocol). O estudo de cada tipo procurará identificar as aplicações responsáveis por sua geração. Então, será feita uma caracterização e apresentação
15 15/112 de uma modelagem para a fonte. Por fim, anexar-se-á um exemplo de código ou programa de computador para geração sintetizada do tráfego, com vistas à simulação da fonte. O escopo das análises será qualitativo. Evitar-se-á desenvolvimentos matemáticos, preferindo-se uma caracterização prática à densidade algébrica. Os códigos inseridos como exemplo, em sua maioria, não são aptos a funcionar de forma independente, mas sim fazem parte de um ambiente de simulação [NS, 2003]. O intuito é ilustrar algoritmos de geração de tráfego simulado. Foge também ao intuito desta monografia prover comentários detalhados sobre os códigos exemplificados. A descrição de fontes de tráfego permite um maior conhecimento de seu comportamento, visando a geração adequada do modelo em questão. O gerador de tráfego faz parte do conjunto de um simulador de redes de computadores, a exemplo de [NS, 2003], e que torna possível aferir o desempenho de um determinado projeto de rede sob um certo tipo de tráfego. Como ilustração, imagine-se uma rede corporativa composta de 500 computadores, montada sob Ethernet a 10Mbps e com um link para a internet de 256kbps. Deseja-se conhecer o comportamento desta rede se submetida a tráfego de videoconferência externa (via internet) e também interna, e quais os atrasos esperados. Com um simulador de redes, montase a topologia e estrutura da rede (que pode ainda nem existir fisicamente) e submete-se este modelo a vários cenários simulados. Para que isso seja possível, torna-se indispensável a figura do gerador de tráfego, que, sob o ponto de vista da teoria de filas, é um gerador de eventos. Com o tráfego gerado corretamente, obtêm-se as estatísticas de interesse. Este trabalho será desenvolvido sob a seguinte forma. Para cada fonte de tráfego eleita, identificar-se-á inicialmente a aplicação geratriz relacionada. Em seguida, caracterizarse-á as fontes sob o aspecto comportamental, apresentando um modelo descritivo. E,
16 16/112 finalmente, disponibilizar-se-á um exemplo de código representando um algoritmo para geração do tráfego da fonte analisada.
17 17/ FONTE DE VOZ A voz, ou fonação, é um som produzido pelo ser humano a partir de seu aparelho fonador. Especificamente, o ar é expelido pelo pulmão e é modulado pelas cordas vocais instaladas na faringe; então, é ressonado pelo peito, garganta, fossas nasais e cavidades na boca e articulado pelo palato, língua, lábios e dentes, de forma que os sons resultantes, combinados em unidades fonéticas a fala - sejam inteligíveis como informação para outro interlocutor humano (ainda que o ser humano use da voz para se comunicar com outras formas de vida). Os sons são ondas mecânicas que viajam por um fluido, em geral o ar. Essas ondas são compostas por zonas de compressão e descompressão do ar (ou fluido), ou zonas de maior/menor pressão, trafegando no ar a uma velocidade aproximada de Km/h, ao nível do mar. O som, na verdade, é a interpretação dessas ondas dada pelo cérebro, quando captadas pelo ouvido. Assim, a voz, como som, tem natureza analógica TELEFONIA E SISTEMAS DE COMUTAÇÃO Sistema mais importante de transferência de voz à distância, a telefonia nasceu inteiramente baseada em tecnologia analógica. Em essência, é a captação do som em uma ponta, através de um transdutor analógico como o microfone, que converte as impressões sonoras em sinais elétricos. Os sinais elétricos são então transmitidos à outra ponta, onde são novamente convertidos em ondas sonoras por outro transdutor analógico, tipicamente o altofalante Comutação de Circuitos: conceitos Esse foi o sistema sobre o qual montou-se todo o sistema de telefonia (daí o nome pelo qual o sistema de telefonia é conhecido: PSTN Public Switched Telephone Network, ou
18 18/112 rede pública de telefonia comutada): analógico, baseado em comutação de circuitos, com terminais simples nas pontas e concentração da inteligência nas centrais telefônicas [TELEFONIA IP, 2002]. A comutação de circuitos pode ser entendida como uma reserva de um circuito físico (um fio ) entre a origem e o destino, durante todo o tempo da conexão ou chamada. Uma interpretação mais atual da comutação de circuitos consiste em uma reserva de banda passante, de modo que outras aplicações não possam compartilhar esta banda (ou circuito) enquanto estiver reservada. Assim, haverá um tamanho de banda dedicado para uso de determinada aplicação ou usuário, mesmo que o meio físico (cabo metálico ou fibra ótica, por exemplo) esteja transportando vários circuitos concomitantemente [GUIMARÃES, 1999]. Estes circuitos podem ser denominados circuitos virtuais. O transporte de vários circuitos num mesmo meio físico é possibilitado através do mecanismo da multiplexação. Por exemplo, usando a TDM (Time Division Multiplexing, ou Multiplexação por Divisão de Tempo), uma janela (ou slot) de tempo é reservada para cada usuário, de modo que durante esta janela, o usuário utiliza o meio sozinho. O intervalo de tempo de cada slot é tipicamente bastante reduzido, o que permite que o usuário tenha acesso a ele várias vezes por segundo e que vários usuários também tenham possibilidade de usar o meio. Usando a FDM (Frequency Division Multiplexing, ou Multiplexação por Divisão em Freqüência), a cada usuário é especificada uma freqüência de modulação no espectro, diferente dos demais usuários. Assim, os diversos sinais modulados podem trafegar no mesmo meio e serem demodulados no destino, sem que se misturem. Observar que, no TDM, os usuários alternam-se no tempo, em instantes bem pequenos, mas durante os quais aqueles têm acesso à toda largura de banda do meio. Em FDM, a banda é subdividida no espectro de freqüência em bandas menores, que são então designadas para cada usuário (ou aplicação).
19 19/112 O sistema de telefonia atual em grande parte baseia-se numa mistura de circuitos virtuais com comutação de circuitos físicos. Basicamente, a comutação de circuitos físicos é feita entre os usuários finais e a central telefônica local 1, e os circuitos virtuais são usados na comunicação entre as centrais. Os circuitos virtuais são inteiramente digitais, entretanto, o que obriga a transformação do sinal de voz em um sinal digital, a digitalização (que acontece na primeira central telefônica, que faz a ligação com o usuário) Digitalização Pulse Code Modulation (PCM) A digitalização (transformação de um sinal analógico em um sinal digital) é feita em três etapas: amostragem, quantização e codificação [CARVALHO, 2001; LATHI, 1998, TELEFONIA IP, 2002]. Antes destas etapas, aplica-se também a filtragem, que destina-se a limitar o espectro de freqüências do sinal a ser digitalizado a uma determinada freqüência máxima ou a uma faixa de freqüência. Deste modo, as freqüências fora do espectro limitado são simplesmente descartadas. A amostragem consiste em dividir o tempo em instantes discretos. Durante cada instante discretizado, a amplitude do sinal é então medida. Essa medição é então traduzida segundo uma escala de níveis também discretizada: a quantização. Portanto, as medições são arredondadas para os níveis quantizados mais próximos. Após a amostragem e quantização, o sinal será discreto tanto no tempo, quanto na amplitude. O próximo processo, a codificação, consiste em representar o sinal amostrado e quantizado no formato digital binário, ou seja, usando 0 s e 1 s. Isso é feito considerando-se que existem L níveis quantizados, finitos, possíveis para as amplitudes do sinal discreto. 1 Cada telefone tem um par de fios que vão destes até a central telefônica mais próxima, chamada Central Telefônica Local. Esta conexão entre os usuários e as centrais telefônicas locais é conhecida como local loop (loop ou enlace local).
20 20/112 Estes níveis são então representados por um número binário. Por exemplo, se existem 8 níveis quantizados, pode-se representar cada nível por 3 bits (2 3 = 8). Observar que os níveis em si podem significar qualquer valor de grandeza; o nível 1 pode representar 5 Volts, o nível 2, 7 V e assim por diante. O nível 1 em binário é codificado como 001, o nível 2 como 010, etc. sinal analógico Figura 1: Amostragem, quantização e codificação de um sinal analógico (PCM). Um código binário é designado para cada nível quantizado (000, 001, 010, etc.), que é assumido de acordo com a amplitude medida do sinal original analógico, aproximando-o para o nível quantizado mais próximo. Todo o processo de digitalização descrito acima caracteriza a Modulação por Código de Pulsos, ou PCM (Pulse Code Modulation), que é o sistema mais largamente usado dentre todos os sistemas de modulação de pulsos e é o coração do sistema moderno de telefonia. Neste sistema, a inteligibilidade da voz é mais importante que sua fidelidade. Testes subjetivos mostram que uma banda começando em 300 Hz até 3400 Hz é suficiente para transmissão da voz humana sem perda de compreensão. Assim, para telefonia, a padronização especifica um filtro passa-baixa com freqüência de corte de 3400 Hz.
21 21/112 Pelo Teorema de Nyquist [LATHI, 1998; CARVALHO, 2001], a freqüência de amostragem mínima é de 2B, onde B é a freqüência máxima do sinal amostrado, no caso 3400 Hz. O padrão internacional especifica para telefonia a freqüência de 8 KHz, ou 8000 amostras por segundo. Esta taxa é intencionalmente mantida mais alta que a taxa de Nyquist de 6,8 khz de modo a evitar filtros não realizáveis (não causais) requeridos na reconstrução do sinal. Cada amostra é então quantizada em 256 níveis. Cada nível requer pois 8 pulsos binários ou 8 bits (2 8 = 256) para codificar cada amostra. No receptor, um decodificador interpreta o código recebido e reconstrói uma amostra com tensão igual ao valor médio do intervalo de quantização correspondente àquele código. O conjunto codificadordecodificador é normalmente construído sob um mesmo circuito integrado (ou faz parte de um mesmo programa de computador), denominado codec O Canal PCM Na telefonia, portanto, para amostras por segundo, sendo que cada amostra tem 8 bits, um total de * 8 = bits/seg (bps ou bits per second) ou pulsos binários por segundo são requeridos para transportar uma conexão de voz. Este tamanho de 64Kbps é conhecido como canal PCM e serve de base para vários tamanhos múltiplos de banda passante comerciais utilizados atualmente. Virtualmente todos os intervalos de tempo dentro do sistema telefônico são múltiplos de 125µs (1/8000 amostras por segundo = 125µs/ amostra). A telefonia digital convencional tende a ser digital apenas na conexão entre centrais telefônicas. O desafio é digitalizar também a chamada última milha, ou seja, a conexão entre as centrais telefônicas e os usuários, que ainda se utiliza majoritariamente de par de fios de cobre e aparelhos analógicos simples. Em outras palavras, a conversão analógico/digital
22 22/112 (A/D) dos sinais de voz, ao invés de ser feita nas centrais telefônicas, seria feita já na ponta do usuário, transformando todo o sistema em uma rede puramente digital. Pode-se aqui mencionar a iniciativa da ISDN (Integrated Services Digital Network), ou RDSI (Rede Digital de Serviços Integrados) em português. A princípio, o ISDN (nome do serviço oferecido pelas companhias telefônicas) tencionava digitalizar todo o caminho telefônico, desde entre centrais até o usuário, permitindo também agregar outros serviços na linha telefônica, como transmissão de dados e fax, de forma concomitante e independente, muitos anos antes do fenômeno de popularização da internet. Em função do alto custo e desinteresse por parte dos usuários, este serviço não logrou êxito. Com a explosão da internet, algumas companhias telefônicas, especialmente no Brasil, tentaram ressuscitar o ISDN [TELEMAR, 2001], porém sem sucesso. Sendo uma tecnologia antiga, ela perdeu em chances de competir com formas de acesso à internet em banda larga mais rápidas e baratas, como xdsl, cabo coaxial e rádio. Atualmente, a sigla ISDN (mais especificamente, B-ISDN, de Broadband Integrated Services Digital Network) volta a ser usada por autores como [CHANDRA, 1999; HUANG, 1995b; MENDES F o., 1996] para denominar as próprias redes de computadores, maiores e mais possantes, agregando serviços como voz, vídeo sob demanda e dados, entre outros Comutação de Pacotes: conceitos Uma rede de comutação de pacotes, tipicamente redes de dados digitais, não reserva uma banda passante entre a origem e o destino. Esta tecnologia consiste em colher as mensagens ou dados, já previamente divididas em unidades menores por camadas superiores na pilha de protocolos (chamados pacotes na tecnologia IP e células na tecnologia ATM), de modo que cada pacote trafegue na rede até o destino, podendo tomar rotas diferentes uns dos outros e também compartilhando a rede com pacotes de outros usuários.
23 23/112 Camadas da pilha de protocolos de rede recebem dados da camada superior e agregam-lhe informações de controle, na forma de um cabeçalho, e então remetem o conjunto resultante (denominado PDU Protocol Data Unit, ou unidade de dados do protocolo) para a camada imediatamente abaixo. Do ponto de vista dos dados, este procedimento é transparente. Uma analogia costumeira é o serviço de correios. Uma carta escrita é posta num envelope, que por sua vez recebe a marcação de destino e remetente. O envelope então é colocado num malote, que então é acondicionado em algum outro meio de transporte, como caminhão, aeronave, trem, carteiro, a fim de atingir a central de distribuição de destino. O malote é descarregado da aeronave ou caminhão, e em seguida o malote é esvaziado. O envelope, ao atingir a pessoa de destino, é finalmente aberto, expondo a carta e seu conteúdo. A carta recebeu aqui uma série de cápsulas a fim de permiti-la atingir o destino. Um envelope com endereços, então um malote com mais dados de controle, um caminhão ou aeronave com seus próprios mapas de encaminhamento. Para a carta escrita, todo este processo externo é desconhecido e irrevelevante, assim como, em princípio, o conteúdo do envelope é irrelevante ao próprio envelope, ao malote e às transportadoras de malote. O processo executado por uma camada da pilha de protocolos de rede de tomar a PDU de uma camada superior, agregar um cabeçalho e encaminhar o resultado a uma camada inferior é denominado encapsulamento [TANENBAUM, 1996]. Cada pacote da rede de comutação contém, pois, um cabeçalho com informações de controle como origem e destino e são depois remontados na seqüência correta no destino (serviço este executado por camadas superiores na pilha de protocolos, tipicamente a camada de transporte).
24 24/ Comutação de Circuitos x Comutação de Pacotes É interessante aqui usar uma analogia simplificada para caracterizar as redes de comutação de circuitos e de pacotes, que são as redes de transporte rodoviário e ferroviário. A ferrovia pode ser entendida como uma rede de comutação de circuitos. Há um caminho reservado, onde só um trem pode trafegar a um instante, imperturbável, e para um destino fixo. A rodovia, por sua vez, é compartilhada entre diversas unidades menores (os automóveis), que viajam para destinos diferentes dentre si. Observe-se que a ferrovia é mais imune a atrasos, porém demanda um grande volume de carga para que seja viável (uma vez que um trem só viaja a destinos pré-determinados, obrigando toda sua carga a comparecer aos mesmos destinos). A rodovia permite o tráfego mais flexível de cargas menores e independentes entre si, porém é mais sujeita a congestionamento (= atraso). É factível então inferir que as redes de comutação de circuitos têm como vantagem a existência de uma banda passante dedicada, que por sua vez pode garantir requisitos de qualidade de serviço (QoS Quality of Service) para alguma aplicação, como por exemplo transmissão de vídeo fluida ou voz sem atrasos. Contudo, o estabelecimento de um circuito dedicado pode significar uma utilização ineficiente dos recursos da rede. Os períodos de nãotransmissão (por exemplo, na telefonia, quando os interlocutores estão em silêncio e que são estimados em 60% do tempo total) resultam em desperdício da banda passante, já que esta permanece reservada e não pode ser usada por outras aplicações em transmissão. Algoritmos de compressão buscam justamente eliminar períodos de silêncio ou redundância de informação (ex.: imagens que não mudam ao longo do tempo) de forma a que o meio de transmissão não fique ocioso [GUIMARÃES, 1999].
25 25/112 As redes de comutação de pacotes oferecem como vantagem a utilização mais eficiente dos recursos de rede, pois não há, a princípio, reserva destes recursos 2. Desta característica advém-lhes a desvantagem para aplicações que têm requisitos mais rigorosos de QoS, como aplicações de tempo real. Como o tráfego de pacotes é variável, podem ocorrer congestionamentos e por conseguinte atrasos, que prejudicam as aplicações que necessitam de tempos de transmissão pequenos e/ou constantes. Outra desvantagem é que os pacotes ou quadros de informação devem conter um cabeçalho de controle, com dados de roteamento e seqüência. Este cabeçalho não se constitui em informação útil, pois não faz parte da mensagem original: assim, parte da banda passante do meio é consumida na transmissão de dados de controle, não relevantes para os usuários. Paralelamente às grandes redes de telefonia, surgiram as redes de computadores. Inicialmente as redes de longa distância (WAN Wide Area Networks) cresceram utilizandose da infraestrutura proporcionada pelas empresas de telefonia, coexistindo de maneira independente (e que geraram tecnologias de rede baseadas em circuitos virtuais, como a X.25 e ATM). Mesmo que uma determinada tecnologia de rede compreenda o estabelecimento de circuitos virtuais, as redes de computadores são essencialmente redes de comutação de pacotes (no caso das WAN s). Pela teia de conexão de meios físicos, trafegam dados e aplicações de diversos usuários ao mesmo tempo. De maneira geral, mesmo atualmente, onde a infra-estrutura digital das empresas de telecomunicações é usada tanto para transportar dados como para voz digitalizada, os dois serviços telefonia e redes de computadores são ainda distintos. A telefonia, ou o transporte de voz, pode contudo ser abordada como um serviço oferecido por uma rede de 2 Há propostas de algoritmos para garantia de QoS que prevêem reserva de recursos, a exemplo de RSVP e IP- IntServ [BRITO, 2001].