Arquitetura e Camadas de Rede

A arquitetura de rede é a organização de um sistema de comunicação em camadas de protocolos, cada uma fornecendo serviços à camada superior e construindo sobre a camada inferior, de modo que o complexo problema de mover dados entre hosts seja decomposto em partes gerenciáveis e bem definidas.

Definition

Uma arquitetura de rede é um conjunto estruturado de camadas e protocolos, juntamente com os serviços que cada camada oferece e as interfaces entre as camadas, que juntos definem como os dados são comunicados através de uma rede.

Scope

Esta área abrange os princípios estruturais das redes de computadores: as pilhas de protocolo em camadas (o modelo de referência OSI de sete camadas e o modelo Internet/TCP-IP de cinco camadas), a distinção entre a borda da rede (hosts e redes de acesso) e o núcleo da rede (comutadores e roteadores), as duas estratégias fundamentais de comutação de pacotes e comutação de circuitos, e as métricas usadas para caracterizar o desempenho da rede, como taxa de transferência, atraso e perda de pacotes. Ela trata a arquitetura como o contexto de enquadramento para todos os mecanismos de camadas inferiores e superiores abordados em áreas irmãs, em vez dos mecanismos detalhados em si.

Sub-topics

• Network Edge and Core
• Network Performance Metrics
• Packet Switching and Circuit Switching
• Protocol Layering and Reference Models

Core questions

• Por que a funcionalidade da rede é organizada em camadas, e quais são os custos e benefícios do uso de camadas?
• Como o modelo de sete camadas OSI e o modelo de cinco camadas da Internet diferem, e por que o modelo da Internet prevaleceu na prática?
• O que distingue a borda da rede do núcleo da rede?
• Como a comutação de pacotes e a comutação de circuitos diferem no compartilhamento de recursos, atraso e confiabilidade?
• Quais métricas — taxa de transferência, latência, jitter e perda — caracterizam o desempenho que uma rede oferece?

Key concepts

• camadas de protocolo
• modelo de referência OSI
• modelo TCP/IP (Internet)
• encapsulamento
• borda e núcleo da rede
• comutação de pacotes
• comutação de circuitos
• multiplexação estatística
• taxa de transferência, atraso e perda
• o argumento fim a fim

Key theories

Camadas de protocolo e a abstração de interface de serviço

As redes são organizadas como uma pilha de camadas onde cada camada oferece um serviço definido à camada superior através de uma interface, ocultando a implementação abaixo; essa modularidade permite que as camadas evoluam independentemente, desde que as interfaces sejam preservadas.

O argumento fim a fim

Funções como entrega confiável e segurança são melhor implementadas nos hosts finais comunicantes, em vez de no núcleo da rede, porque o núcleo muitas vezes não consegue completá-las corretamente e imporia custos a fluxos que não precisam delas; esse princípio moldou o design da Internet.

Multiplexação estatística na comutação de pacotes

A comutação de pacotes compartilha a capacidade do link sob demanda entre muitos fluxos, alcançando alta utilização quando o tráfego é intermitente, ao custo de atraso de enfileiramento variável e possível perda — em contraste com a capacidade reservada, mas potencialmente ociosa, da comutação de circuitos.

Clinical relevance

A arquitetura em camadas é o princípio organizador por trás de essencialmente toda a rede moderna: ela permite que um navegador da web, um adaptador Wi-Fi e um link de fibra submarino interoperem sem que nenhum componente conheça os detalhes internos dos outros. Compreender a distinção entre borda e núcleo e entre comutação de pacotes e comutação de circuitos é fundamental para o planejamento de capacidade, o design de data centers em nuvem e o raciocínio sobre aplicações sensíveis à latência, como videoconferência e jogos online.

History

A arquitetura de comunicação em camadas cristalizou-se na década de 1970 com a ARPANET e o desenvolvimento paralelo do modelo de referência OSI, formalizado por Zimmermann em 1980. O conjunto de protocolos TCP/IP de Cerf e Kahn, e a filosofia de design articulada por Clark em 1988, estabeleceram o modelo de Internet mais simples que acabou por dominar. A tensão entre a pilha OSI abrangente e a pilha TCP/IP pragmática definiu grande parte do debate formativo das redes.

Debates

Modelo de sete camadas OSI versus o modelo TCP/IP

O modelo OSI é uma referência pedagógica mais rica com camadas de sessão e apresentação distintas, mas o modelo TCP/IP de cinco camadas, mais enxuto, correspondeu às implementações reais da Internet e prevaleceu na prática; os livros didáticos ainda ensinam ambos porque o OSI esclarece funções que a pilha da Internet agrupa.

Key figures

• Hubert Zimmermann
• David D. Clark
• Vinton Cerf
• Robert Kahn
• Andrew S. Tanenbaum

Seminal works

• kurose2021
• tanenbaum2010
• clark1988

Frequently asked questions

Por que as redes são construídas em camadas em vez de como um sistema monolítico?

O uso de camadas decompõe um problema difícil em problemas menores com interfaces limpas, de modo que cada camada pode ser projetada, implementada e substituída independentemente. Um novo meio físico pode ser adicionado sem alterar as aplicações, e uma nova aplicação pode ser executada sobre qualquer rede que forneça os serviços de camada inferior esperados.

A Internet é comutada por pacotes ou por circuitos?

A Internet é fundamentalmente comutada por pacotes: os dados são divididos em pacotes que são encaminhados salto a salto e compartilham a capacidade do link estatisticamente. Algumas tecnologias de acesso e transporte emulam circuitos ou reservam recursos, mas a camada IP central usa comutação de pacotes.