Comunicação

Uma rede 网络 é um conjunto de dispositivos computacionais conectados para que possam se 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 de área local 局域网 (LAN) cobre uma área pequena — uma casa, escritório ou escola, geralmente pertencente à organização, com altas taxas de transferência de dados e baixa latência 延迟.

Uma rede de área ampla 广域网 (WAN) cobre uma grande área — uma cidade, país ou o mundo (a internet é a maior WAN). Usa infraestrutura de empresas de telecomunicações — frequentemente a Public Switched Telephone Network 公共交换电话网 (PSTN), linhas alugadas ou fibra óptica — com taxas de transferência de dados menores e latência mais alta. Uma WAN conecta várias LANs entre si.

Para "dê duas características de uma LAN": ela cobre uma área geográfica pequena (um único local ou prédio); o hardware é propriedade da organização, não alugado de uma empresa de telecom; ela se conecta através de seus próprios switches, cabos e pontos de acesso. Para "duas maneiras pelas quais uma WAN é diferente": ela cobre uma grande área geográfica; usa infraestrutura de terceiros (alugada ou pública); as taxas de transferência de dados são menores e a latência maior; geralmente conecta 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 com base na área coberta e de quem são os enlaces.

Cliente-servidor

• máquinas poderosas atuam como servidores 服务器, fornecendo serviços (arquivos, páginas web, e-mail).
• outras máquinas são clientes 客户端 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 对等网络).
• 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 fino 瘦 cliente faz pouco processamento local e depende de um servidor poderoso (terminais web, áreas de trabalho remotas). Um cliente pesado 胖 cliente possui forte processamento local e armazenamento e roda aplicativos completos sozinho (um PC desktop normal).

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 拓扑 é como os nós e enlaces estão organizados.

• total 总线 — todos os dispositivos em um único cabo compartilhado. Barata; toda a LAN falha se a total falhar; o desempenho cai conforme mais dispositivos compartilham a largura de banda 带宽.
• estrela 星形 — cada dispositivo se conecta a um switch central. A falha de um dispositivo não afeta os outros; a falha do switch derruba todos. Mais comum hoje.
• malha 网状 — cada dispositivo se conecta diretamente aos outros, com vários caminhos. Muito tolerante a falhas 容错 (o tráfego é redirecionado), mas exige muito cabo.
• 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: uma estrela para uma sala de aula ou escritório (um cabo falhado afeta apenas um dispositivo; um dispositivo é fácil de adicionar; com um switch não há colisões); uma malha onde a confiabilidade importa mais (um hospital, o backbone da internet); uma total apenas onde o custo importa e poucos dispositivos a compartilham. "Desenhe a topologia estrela" significa: o switch no meio, uma linha do switch para cada computador, e o servidor (e o roteador, se houver) em suas próprias linhas para o switch.

Computação em nuvem 云计算 entrega serviços de computação (servidores, armazenamento, software) através da internet, hospedados por uma terceira parte. Benefícios: escalabilidade 可扩展性 (pague pelo que precisar), menor custo, acesso de qualquer lugar e data centers confiáveis e redundantes. Desvantagens: requer internet, seus dados são mantidos por uma terceira parte e possível bloqueio de fornecedor.

Para a definição de uma marca: computação em nuvem é serviços de computação sob demanda (armazenamento, processamento, software) fornecidos através da internet por uma terceira parte. Uma nuvem pública 公有云 é propriedade de um provedor e compartilhada por muitos clientes pela internet; uma nuvem privada 私有云 é dedicada a uma única organização, em seu próprio hardware ou hospedada exclusivamente para ela. Benefícios que o esquema aceita: os arquivos são acessíveis de qualquer dispositivo com conexão à internet; o armazenamento escala para cima e para baixo conforme necessário; o provedor cuida do hardware, backups e atualizações de segurança; não há servidor local para comprar ou manter. Desvantagens: sem acesso sem conexão à internet; os dados estão no hardware de uma terceira parte, então segurança e privacidade dependem do provedor; custo de assinatura recorrente; o provedor pode falhar ou ser atacado; arquivos grandes podem demorar para transferir. Uma resposta "por que a empresa usa uma nuvem pública" diz que eles não precisam de seu próprio hardware, pagam apenas pelo que usam, e seus usuários podem acessá-lo de qualquer lugar.

• com fio (Ethernet 以太网 sobre par trançado 双绞线 ou fibra óptica 光纤): maior velocidade, menor latência, 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 网络接口卡 (NIC) — permite que um dispositivo envie e receba dados na rede; possui um endereço MAC único MAC地址 (um endereço de hardware de 48 bits). Um dispositivo sem fio usa uma placa de interface de rede sem fio 无线网络接口卡 (WNIC).
• interruptor 交换机 — encaminha apenas quadros Ethernet para a porta correspondente ao endereço MAC de destino.
• hub 集线器 — dispositivo mais simples que copia o tráfego para todas as portas (hoje obsoleto).
• ponto de acesso sem fio 无线接入点 (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 网桥 — une dois segmentos LAN em uma única rede, passando o tráfego entre eles.
• repeater 中继器 — recebe um sinal enfraquecido e o retransmite em força total, estendendo 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 router 路由器 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 IP地址 de cada pacote 数据包 e o envia pela porta correta, usando uma tabela de roteamento 路由表.
• tradução de endereços de rede 网络地址转换 (NAT) — permite que muitos endereços privados de LAN compartilhem um único IP público.
• DHCP 动态主机配置协议 — atribui endereços IP privados a dispositivos LAN.
• firewall 防火墙 — bloqueia tráfego indesejado entrante.

Na comutação de pacotes 分组交换, uma mensagem é dividida em pacotes enviados independentemente. Cada router 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 tomar rotas diferentes e são reagrupados na ordem correta no destino. Um router recebe pacotes, os encaminha entre redes e distribui endereços IP; ele não descobre o IP associado a uma URL (isso é feito pelo DNS) e não armazena páginas web. Um router doméstico também contém o modem e o ponto de acesso sem fio, então um único aparelho conecta a LAN à internet.

Ethernet é o padrão (protocolo) para LANs cabeadas: dispositivos são unidos por cabo par trançado ou fibra, os dados são enviados em quadros que contêm endereços MAC de origem e destino, e um meio compartilhado usa CSMA/CD para lidar com colisões. Em meios compartilhados, uma colisão 冲突 pode ocorrer quando dois dispositivos transmitem simultaneamente. O protocolo é CSMA/CD 载波侦听多路访问/冲突检测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection):

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 caso de colisão, ambos param, enviam um sinal de "jam" breve, depois esperam um tempo de backoff aleatório 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.

A Ethernet comutada moderna usa enlaces ponto a ponto full-duplex 全双工, portanto colisões já não ocorrem.

Bit streaming 流式传输 envia multimídia como um fluxo contínuo que o receptor reproduz à medida que 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). É possível pausar e rebobinar; o servidor pode bufferizar 缓冲 adiante.

O streaming em tempo real funciona como um curto pipeline:

1. capturar e amostrar a fonte (câmera ou microfone).
2. codificar, usando compressão 压缩 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.

Compressão com perda 有损 compression é usada aqui: imagens em movimento ocultam pequenas perdas, e o stream deve ser pequeno o suficiente para caber na largura de banda.

Por que um vídeo é comprimido antes do streaming em tempo real: o stream sem compressão precisaria de mais largura de banda do que a conexão oferece, fazendo com que os frames chegassem atrasados e a reprodução travasse. A compressão reduz o número de bits, mantendo a taxa de bits 比特率 abaixo da velocidade da banda larga, o atraso pequeno e menos armazenamento e custo em ambas as extremidades. A taxa de bits deve ser menor que a velocidade da conexão: uma taxa mais alta dá melhor qualidade, mas exige conexão mais rápida; se os dados chegarem mais devagar do que são reproduzidos, o buffer esvazia e o vídeo congela. O streaming sob demanda pode bufferizar mais do arquivo adiante, lidando bem com conexões lentas; o streaming em tempo real não consegue.

A internet 互联网 é uma rede de redes global usando um conjunto comum de protocolos 协议 (TCP/IP). A World Wide Web 万维网 (WWW) é um serviço que roda sobre ela: documentos hiperlinkados 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 调制解调器 — converte o sinal digital do computador em sinal analógico para uma linha telefônica, e vice-versa na outra extremidade (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 专线 — uma linha alugada entre uma organização e seu ISP: sempre ativa, com largura de banda fixa que não é compartilhada, sendo mais rápida e confiável, mas cara.
• rede de celular 蜂窝网络 — o telefone envia dados por rádio para a torre celular mais próxima (estação base); as torres estão ligadas à rede da operadora, que roteia os dados para a internet; à medida que o telefone se move, ocorre handover 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.

Sub-redes

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

As duas partes de um endereço numa sub-rede: o ID de rede (os primeiros bits, os mesmos para todos os dispositivos naquela sub-rede, dados pelos uns na máscara) e o ID de host (os bits restantes, únicos para cada dispositivo). Benefícios da subdivisão, para "descrever dois benefícios": menos tráfego em cada parte, pois as transmissões permanecem dentro da sua sub-rede; melhor segurança, porque o tráfego de um departamento é mantido fora dos outros; gestão mais fácil e diagnóstico de falhas; 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 único e roteável, atribuído por um ISP 互联网服务提供商.

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.

Uma URL 统一资源定位符 (Uniform Resource Locator) localiza um recurso na WWW:

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

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

O Sistema de Nomes de Domínio 域名系统 (DNS, também chamado de Serviço de Nomes de Domínio) é um conjunto distribuído de servidores que converte nomes de domínio em endereços IP. Quando você digita uma URL, o navegador pede ao resolveror DNS o IP, que consulta servidores DNS (raiz → nível superior → autoritativo) até encontrá-lo; o navegador então se conecta a esse IP e solicita o caminho. O DNS poupa os humanos de memorizar endereços IP e permite que um site mude de servidor sem mudar 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 ISP 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 relata que o servidor não pôde ser encontrado.

*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 interruptor 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.
• Dar "mais rápido" como a única comparação entre cabeadas e sem fio. Diga mais rápido e mais confiável e mais seguro, e dê o lado sem fio (mobilidade, sem fiação) quando a pergunta 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.