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Sistemas Computacionais e Redes

Princípios de Ciência da Computação do AP · Tópico 4

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7:47

Sistemas Computacionais e Redes

As pessoas chamam isso de nuvem. Não é uma nuvem. Esta caixa está na casa de alguém: um roteador, recebendo dados do seu celular e repassando-os. Esta tomada é a outra…

Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas

4.1

A Internet

Programa

Compreensão Duradoura (CSN-1): Sistemas computacionais e redes facilitam a transferência de dados.

Objetivo de Aprendizagem CSN-1.A: Explicar como dispositivos computacionais trabalham juntos em uma rede. [Habilidade 5.A]

  • CSN-1.A.1 Um dispositivo computacional é um artefato físico que pode executar um programa. Alguns exemplos incluem computadores, tablets, servidores, roteadores e sensores inteligentes.
  • CSN-1.A.2 Um sistema computacional é um grupo de dispositivos computacionais e programas trabalhando juntos para um propósito comum.
  • CSN-1.A.3 Uma rede de computadores é um grupo de dispositivos computacionais interconectados capazes de enviar ou receber dados.
  • CSN-1.A.4 Uma rede de computadores é um tipo de sistema computacional.
  • CSN-1.A.5 Um caminho entre dois dispositivos computacionais em uma rede de computadores (um remetente e um destinatário) é uma sequência de dispositivos computacionais diretamente conectados que começa no remetente e termina no destinatário.
  • CSN-1.A.6 Roteamento é o processo de encontrar um caminho do remetente ao destinatário.
  • CSN-1.A.7 A largura de banda de uma rede de computadores é a quantidade máxima de dados que pode ser enviada em um período fixo de tempo.
  • CSN-1.A.8 A largura de banda geralmente é medida em bits por segundo.

Objetivo de Aprendizagem CSN-1.B: Explicar como a Internet funciona. [Habilidade 5.A]

  • CSN-1.B.1 A Internet é uma rede de computadores composta por redes interconectadas que usam protocolos de comunicação padronizados e abertos (não proprietários).
  • CSN-1.B.2 O acesso à Internet depende da capacidade de conectar um dispositivo computacional a um dispositivo conectado à Internet.
  • CSN-1.B.3 Um protocolo é um conjunto de regras acordado que especifica o comportamento de um sistema.
  • CSN-1.B.4 Os protocolos usados na Internet são abertos, o que permite que os usuários conectem facilmente dispositivos computacionais adicionais à Internet.
  • CSN-1.B.5 O roteamento na Internet geralmente é dinâmico; não é especificado com antecedência.
  • CSN-1.B.6 A escalabilidade de um sistema é a capacidade do sistema de mudar de tamanho e escala para atender a novas demandas.
  • CSN-1.B.7 A Internet foi projetada para ser escalável.

Objetivo de Aprendizagem CSN-1.C: Explicar como os dados são enviados pela Internet via pacotes. [Habilidade 5.A]

  • CSN-1.C.1 As informações são passadas pela Internet como um fluxo de dados. Fluxos de dados contêm pedaços de dados, que são encapsulados em pacotes.
  • CSN-1.C.2 Pacotes contêm um fragmento de dados e metadados usados para rotear o pacote entre a origem e o destino na Internet, bem como para o reensamblamento de dados.
  • CSN-1.C.3 Os pacotes podem chegar ao destino em ordem, fora de ordem ou não chegar em absoluto.
  • CSN-1.C.4 IP, TCP e UDP são protocolos comuns usados na Internet.

Objetivo de Aprendizagem CSN-1.D: Descreva as diferenças entre a Internet e a World Wide Web. [Habilidade 5.A]

  • CSN-1.D.1 A World Wide Web é um sistema de páginas, programas e arquivos interligados.
  • CSN-1.D.2 HTTP é um protocolo usado pela World Wide Web.
  • CSN-1.D.3 A World Wide Web usa a Internet.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Um conector Ethernet RJ45 — enlaces físicos transportam pacotes pela Internet
Um conector Ethernet RJ45 — enlaces físicos transportam pacotes pela Internet

A Internet 互联网 é uma rede global de redes. Os dados viajam como pacotes 数据包 – pequenos fragmentos que são enviados separadamente e remontados no destino. Duas ideias a tornam funcional em escala:

A internet é a rede mundial; a web é um serviço rodando sobre ela
A internet é a rede mundial; a web é um serviço rodando sobre ela
  • Protocolos 协议 são regras acordadas para comunicação. Endereços IP (Protocolo de Internet) roteiam pacotes; TCP os remontam em ordem e solicitam perdidos; HTTP transporta páginas da web; DNS traduz um nome como example.com em um endereço IP.
  • Redundância 冗余 e roteamento: existem muitos caminhos possíveis entre dois pontos, então se um caminho falhar, os pacotes tomam outro. Isso torna a Internet tolerante a falhas 容错.

A Internet é projetada para ser aberta e escalável — baseada em padrões que qualquer um pode usar, para que continue funcionando à medida que bilhões de dispositivos se conectam. Largura de banda 带宽 é a quantidade de dados que uma conexão pode transportar por segundo.

Explorar

Como os dados cruzam a Internet em pacotes

A Internet divide uma mensagem em pacotes numerados, cada um endereçado e roteado independentemente (muitas vezes por caminhos diferentes), e depois remontados no destino. Esse design a torna tolerante a falhas — se uma rota falhar, os pacotes seguem outra.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
Internet/ˈɪntənet/ 互联网 hù lián wǎng
packets/ˈpækɪts/ 数据包 shù jù bāo
Protocols/ˈprəʊtəkɒlz/ 协议 xié yì
Redundancy/rɪˈdʌndənsi/ 冗余 rǒng yú
fault-tolerant/fɒlt ˈtɒlərənt/ 容错 róng cuò
Bandwidth/ˈbændwɪdθ/ 带宽 dài kuān
reliability/rɪˌlaɪəˈbɪlɪti/ 可靠性 kě kào xìng
Sequential computing/siːˈkwenʃl kəmˈpjuːtɪŋ/ 顺序计算 shùn xù jì suàn
Parallel computing/ˈpærəlel kəmˈpjuːtɪŋ/ 并行计算 bìng xíng jì suàn
Distributed computing/ˈdɪstrɪbjuːtɪd kəmˈpjuːtɪŋ/ 分布式计算 fēn bù shì jì suàn
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4.2

Tolerância a Falhas

Programa

Compreensão Duradoura (CSN-1): Sistemas computacionais e redes facilitam a transferência de dados.

Objetivo de Aprendizagem CSN-1.E: Para sistemas com tolerância a falhas, como a Internet: a. Descreva os benefícios da tolerância a falhas. [Habilidade 1.D] b. Explique como um dado sistema é tolerante a falhas. [Habilidade 5.A] c. Identifique vulnerabilidades a falhas em um sistema. [Habilidade 1.D]

  • CSN-1.E.1 A Internet foi projetada para ser tolerante a falhas, com abstrações para roteamento e transmissão de dados.
  • CSN-1.E.2 Redundância é a inclusão de componentes extras que podem ser usados para mitigar falhas de um sistema se outros componentes falharem.
  • CSN-1.E.3 Uma maneira de alcançar redundância de rede é ter mais de um caminho entre quaisquer dois dispositivos conectados.
  • CSN-1.E.4 Se um dispositivo ou conexão específico na Internet falhar, os dados subsequentes serão enviados por uma rota diferente, se possível.
  • CSN-1.E.5 Quando um sistema pode suportar falhas e ainda continuar funcionando, ele é chamado de tolerante a falhas. Isso é importante porque elementos de sistemas complexos falham em momentos inesperados, frequentemente em grupos, e a tolerância a falhas permite que os usuários continuem usando a rede.
  • CSN-1.E.6 A redundância dentro de um sistema geralmente requer recursos adicionais, mas pode oferecer o benefício da tolerância a falhas.
  • CSN-1.E.7 A redundância de opções de roteamento entre dois pontos aumenta a confiabilidade da Internet e ajuda ela a escalar para mais dispositivos e mais pessoas.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Um roteador Wi-Fi: o gateway local que encaminha pacotes para a Internet mais ampla
Um roteador Wi-Fi: o gateway local que encaminha pacotes para a Internet mais ampla

Um sistema é tolerante a falhas se continua funcionando mesmo quando parte dele falha. A Internet alcança isso através de conexões redundantes: como pacotes podem ser roteados por múltiplos caminhos, a falha de um roteador ou cabo não interrompe a comunicação — o tráfego simplesmente é redirecionado. A tolerância a falhas custa recursos extras (os caminhos redundantes) mas melhora muito a confiabilidade 可靠性. Um único caminho sem backup não é tolerante a falhas.

Comutação por pacotes envia pacotes por rotas independentes, permitindo que a rede tolera um enlace falho
Comutação por pacotes envia pacotes por rotas independentes, permitindo que a rede tolera um enlace falho
4.3

Computação Paralela e Distribuída

Programa

Compreensão Permanente (CSN-2): A computação paralela e distribuída utiliza múltiplos computadores para resolver problemas complexos mais rapidamente ou processar grandes conjuntos de dados.

Objetivo de Aprendizagem CSN-2.A: Para computação sequencial, paralela e distribuída: a. Compare soluções de problemas. [Habilidade 1.D] b. Determine a eficiência das soluções. [Habilidade 1.D]

  • CSN-2.A.1 Computação sequencial é um modelo computacional no qual as operações são realizadas em ordem, uma de cada vez.
  • CSN-2.A.2 Computação paralela é um modelo computacional onde o programa é dividido em várias operações menores de computação sequencial, algumas das quais são realizadas simultaneamente.
  • CSN-2.A.3 Computação distribuída é um modelo computacional no qual vários dispositivos são usados para executar um programa.
  • CSN-2.A.4 Comparar a eficiência das soluções pode ser feito comparando o tempo que elas levam para realizar a mesma tarefa.
  • CSN-2.A.5 Uma solução sequencial leva tanto tempo quanto a soma de todas as suas etapas.
  • CSN-2.A.6 Uma solução de computação paralela leva tanto tempo quanto suas tarefas sequenciais mais a mais longa de suas tarefas paralelas.
  • CSN-2.A.7 O "ganho de velocidade" de uma solução paralela é medido pelo tempo que levou para completar a tarefa sequencialmente dividido pelo tempo que levou para completar a tarefa quando feita em paralelo.

Objetivo de Aprendizagem CSN-2.B: Descreva benefícios e desafios da computação paralela e distribuída. [Habilidade 1.D]

  • CSN-2.B.1 A computação paralela consiste em uma parte paralela e uma parte sequencial.
  • CSN-2.B.2 Soluções que usam computação paralela podem escalar mais eficazmente do que soluções que usam computação sequencial.
  • CSN-2.B.3 A computação distribuída permite resolver problemas que não poderiam ser resolvidos em um único computador devido ao tempo de processamento ou necessidades de armazenamento envolvidos.
  • CSN-2.B.4 A computação distribuída permite resolver problemas muito maiores mais rápido do que poderia ser feito usando um único computador.
  • CSN-2.B.5 Ao aumentar o uso de computação paralela em uma solução, a eficiência da solução ainda é limitada pela parte sequencial. Isso significa que, em algum momento, adicionar partes paralelas não aumentará significativamente a eficiência.

Fonte: College Board AP Course and Exam Description

Racks de servidores de centro de dados: computação distribuída espalha trabalho entre muitas máquinas
Racks de servidores de centro de dados: computação distribuída espalha trabalho entre muitas máquinas
  • Computação sequencial 顺序计算 executa uma operação por vez.
  • Computação paralela 并行计算 divide uma tarefa em partes que são executadas ao mesmo tempo em vários processadores, terminando mais rápido.
  • Computação distribuída 分布式计算 usa muitos computadores conectados por uma rede para trabalhar em um único problema — essencial para problemas grandes demais para uma máquina única.
Computação paralela: muitos processadores trabalham ao mesmo tempo
Computação paralela: muitos processadores trabalham ao mesmo tempo

O speedup 加速比 de uma solução paralela é o tempo sequencial dividido pelo tempo paralelo. O speedup é limitado: partes que devem ser executadas em sequência não podem ser aceleradas adicionando processadores, então dobrar os processadores raramente dobra a velocidade.

Exemplo resolvido. Uma tarefa possui uma parte que deve ser executada sequencialmente, levando $40$ segundos, mais uma parte paralelizável que leva $60$ segundos em um único processador — portanto, em um único processador a tarefa inteira leva $40+60=100$ segundos. Distribuir a parte paralela por $3$ processadores e ela levará $\tfrac{60}{3}=20$ segundos, então o tempo total paralelo é $40+20=60$ segundos e o ganho de velocidade é $\tfrac{100}{60}\approx1.67$. A parte sequencial de $40$ segundos é um piso: mesmo com infinitos processadores, a tarefa nunca poderá terminar em menos de $40$ segundos.

Habilidade para prova: dadas as tempos das partes sequenciais e paralelas de uma tarefa, ser capaz de calcular o tempo total paralelo e o ganho de velocidade.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
speedup/ˈspiːdʌp/ 加速比 jiā sù bǐ
4.3

Dicas de prova

  • Descrever como os dados viajam em pacotes através de uma rede redundante e tolerante a falhas de roteadores independentes.
  • Saber que protocolos (IP, TCP, HTTP) são regras acordadas, e que padrões abertos permitem a interoperabilidade entre sistemas diferentes.
  • Explicar escalabilidade e como a Internet cresce sem controle central.
  • Contrastar largura de banda (taxa) com latência (atraso), e descrever a consulta de nome para endereço do DNS.
  • Discutir a divisão digital e conceitos básicos de segurança (criptografia, autenticação) em termos simples.

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