Arquitetura e serviços da Internet

1.1.1 Uma descrição dos componentes da rede

A Internet é uma interconexão de dispositivos de computação em todo o mundo. Inicialmente eram comuns PCs, estações de trabalho e servidores, mas hoje vemos uma explosão de dispositivos conectados: smartphones, tablets e diversos "hospedeiros" como TVs, automóveis, relógios, eletrodomésticos e muito mais. Esses hospedeiros formam a base da Internet, conectados por enlaces (links) de diferentes tipos de mídia, como cabos, fibras ópticas e ondas de rádio.

Os hospedeiros enviam dados para outros hospedeiros através de pacotes. Esses pacotes percorrem a rede por meio de nós de comutação (roteadores e switches) que encaminham os pacotes ao destino. Enlaces diferentes podem ter taxas de transmissão diferentes, medidas em bits por segundo. O caminho que um pacote percorre é a rota ou caminho através da rede.

As redes são conectadas por ISPs (provedores de serviços de Internet). Existem ISPs residenciais, corporativos e de dados móveis. Cada ISP usa a Internet Protocol (IP) para endereçamento e encaminhamento, e todos os ISPs devem se interconectar para permitir o tráfego global. Padrões da Internet são padronizados por organizações como IETF (RFCs) e IEEE 802 (Ethernet, WiFi, etc.).

1.1.2 Uma descrição do serviço

Além dos componentes, a Internet oferece serviços a aplicações. Aplicações distribuídas rodam em hospedeiros e se comunicam através de uma interface socket, que define como enviar dados para uma aplicação remota. Exemplos de aplicações distribuidas são mensagens instantâneas, navegação na Web, videoconferência e serviços de localização em tempo real.

As aplicações são executadas em sistemas finais, enquanto os nós de comutação apenas ajudam a transportar os dados. A Internet utiliza o conjunto de protocolos TCP/IP (TCP para transporte confiável ou UDP para datagramas não orientados à conexão). Protocolos de aplicação como HTTP, SMTP, FTP, DNS etc., também fazem parte da pilha de protocolos. Padrões de rede são detalhados pela IETF (RFCs). Padrões IEEE 802 especificam, entre outras coisas, Ethernet e WiFi.

Observação: a ideia central é que a Internet é uma plataforma de serviços para aplicações, mas a implementação e execução ficam, em grande parte, nas extremidades (horas finais) da rede.

1.5 Camadas de protocolo e seus modelos de serviço

Para gerenciar a complexidade da Internet, os projetistas organizam protocolos e hardware/software de rede em camadas. Cada camada oferece serviços para a camada superior e utiliza os serviços da camada inferior. A pilha típica da Internet tem cinco camadas: física, enlace, rede, transporte e aplicação.

Uma camada de aplicação contém protocolos como HTTP, SMTP e DNS. A camada de transporte (TCP/UDP) leva mensagens da aplicação entre os extremos. A camada de rede (IP) movimenta datagramas entre hospedeiros, enquanto a camada de enlace depende do protocolo do enlace (Ethernet, WiFi etc.) para entregar quadros entre vizinhos. A camada física cuida da transmissão dos bits sobre o meio físico.

Encapsulamento: uma mensagem de aplicação é envolvida pela camada de transporte para formar um segmento, que por sua vez recebe um datagrama na camada de rede, que por fim vira um quadro na camada de enlace e é transmitido pela camada física. No receptor, o caminho é percorrido de forma reversa para remontar a mensagem original.

1.5.1 Arquitetura de camadas

As camadas promovem modularidade: cada camada oferece serviços à camada acima e utiliza serviços da camada abaixo. Se a implementação de uma camada muda, o restante do sistema pode permanecer funcionando desde que o serviço fornecido permaneça o mesmo. Por outro lado, um ponto negativo é a duplicação de funções entre camadas, ou a necessidade de informações entre camadas que nem sempre estão disponíveis de forma isolada.

1.5.2 Encapsulamento

O encapsulamento descreve como uma mensagem da camada de aplicação é convertida em uma estrutura que pode ser transmitida pela rede. O processo envolve a adição de cabeçalhos de cada camada, onde cada camada carrega a carga útil da camada superior. Um exemplo simples é o envio de um memorando entre escritórios, passando por envelopes internos (camada de transporte), envelopes postais (camada de rede) e o serviço de correio (camada de enlace/físico).

Observação: na prática, pacotes podem ser divididos em fragmentos ao longo da rota e depois remontados na recepção.