Atraso em redes de comutação de pacotes

Lembre-se de que um pacote começa em um sistema final (a origem), passa por uma série de roteadores e termina sua jornada em um outro sistema final (o destino). Quando um pacote viaja de um nó (sistema final ou roteador) ao nó subsequente (sistema final ou roteador), sofre, ao longo desse caminho, diversos tipos de atraso em cada nó existente no caminho. Os mais importantes deles são o atraso de processamento nodal, o atraso de fila, o atraso de transmissão e o atraso de propagação; juntos, eles se acumulam para formar o atraso nodal total. Para entender a fundo a comutação de pacotes e redes de computadores, é preciso entender a natureza e a importância desses atrasos.

Tipos de atraso

Vamos examinar esses atrasos no contexto da figura abaixo como parte de sua rota fim a fim entre origem e destino, um pacote é enviado do nó anterior por meio do roteador A até o roteador B. Nossa meta é caracterizar o atraso nodal no roteador A. Note que este tem um enlace de saída que leva ao roteador B. Esse enlace é precedido de uma fila (também conhecida como buffer). Quando o pacote chega ao roteador A, vindo do nó anterior, o roteador examina o cabeçalho do pacote para determinar o enlace de saída apropriado e então o direciona ao enlace. Nesse exemplo, o enlace de saída para o pacote é o que leva ao roteador B. Um pacote pode ser transmitido por um enlace somente se não houver nenhum outro pacote sendo transmitido por ele e se não houver outros pacotes à sua frente na fila. Se o enlace estiver ocupado, ou com pacotes à espera, o pacote recém-chegado entrará na fila.

Atraso de processamento 

O tempo requerido para examinar o cabeçalho do pacote e determinar para onde direcioná-lo é parte do atraso de processamento, que pode também incluir outros fatores, como o tempo necessário para verificar os erros em bits existentes no pacote que ocorreram durante a transmissão dos bits desde o nó anterior ao roteador A. Atrasos de processamento em roteadores de alta velocidade normalmente são da ordem de microssegundos, ou menos. Depois desse processamento nodal, o roteador direciona o pacote à fila que precede o enlace com o roteador B.

Atraso de fila

O pacote sofre um atraso de fila enquanto espera para ser transmitido no enlace. O tamanho desse atraso para um pacote específico dependerá da quantidade de outros pacotes que chegarem antes e que já estiverem na fila esperando pela transmissão. Se a fila estiver vazia, e nenhum outro pacote estiver sendo transmitido naquele momento, então o tempo de fila de nosso pacote será zero. Por outro lado, se o tráfego estiver pesado e houver muitos pacotes também esperando para ser transmitidos, o atraso de fila será longo. Em breve, veremos que o número de pacotes que um determinado pacote provavelmente encontrará ao chegar é uma função da intensidade e da natureza do tráfego que está chegando à fila. Na prática, atrasos de fila podem ser da ordem de micro a milissegundos.

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Atraso de transmissão

Admitindo-se que pacotes são transmitidos segundo a estratégia de “o primeiro a chegar será o primeiro a ser processado”, como é comum em redes de comutação de pacotes, nosso pacote somente poderá ser transmitido depois que todos aqueles que chegaram antes tenham sido enviados. Denominemos o tamanho do pacote como L bits e a velocidade de transmissão do enlace do roteador A ao roteador B como R bits/s. A velocidade R é determinada pela velocidade de transmissão do enlace ao roteador B. Por exemplo, para um enlace Ethernet de 10 Mbps, a velocidade é R . 10 Mbps; para um enlace Ethernet de 100 Mbps, a velocidade é R . 100 Mbps. O atraso de transmissão (também denominado atraso de armazenamento e reenvio, como discutimos na Seção 1.3) é L/R. Esta é a quantidade de tempo requerida para empurrar (isto é, transmitir) todos os bits do pacote para o enlace. Na prática, atrasos de transmissão são comumente da ordem de micro a milissegundos.

Atraso de propagação

Assim que é lançado no enlace, um bit precisa se propagar até o roteador B. O tempo necessário para propagar o bit desde o início do enlace até o roteador B é o atraso de propagação. O bit se propaga à velocidade de propagação do enlace, a qual depende do meio físico do enlace (isto é, fibra ótica, par de fios de cobre trançado e assim por diante) e está na faixa de

2 . 108 m/s a 3 . 108 m/s

que é igual à velocidade da luz, ou um pouco menor. O atraso de propagação é a distância entre dois roteadores dividida pela velocidade de propagação. Isto é, o atraso de propagação é d/s, onde d é a distância entre o roteador A e o roteador B, e s é a velocidade de propagação do enlace. Assim que o último bit do pacote se propagar até o nó B, ele e todos os outros bits precedentes do pacote serão armazenados no roteador B. Então, o processo inteiro continua, agora com o roteador B executando a retransmissão. Em redes WAN, os atrasos de propagação são da ordem de milissegundos.

Comparação entre atrasos de transmissão e de propagação

Os principiantes na área de redes de computadores às vezes têm dificuldade para entender a diferença entre atraso de transmissão e atraso de propagação. A diferença é sutil, mas importante. O atraso de transmissão é a quantidade de tempo requerida para o roteador empurrar o pacote para fora; é uma função do comprimento do pacote e da taxa de transmissão do enlace, mas nada tem a ver com a distância entre os dois roteadores. O atraso de propagação, por outro lado, é o tempo que leva para um bit se propagar de um roteador até o seguinte; é uma função da distância entre os dois roteadores, mas nada tem a ver com o comprimento do pacote ou com a taxa de transmissão do enlace.

Podemos esclarecer melhor as noções de atrasos de transmissão e de propagação com uma analogia. Considere uma rodovia que tenha um posto de pedágio a cada 100 quilômetros, como mostrado na Figura 1.17. Imagine que os trechos da rodovia entre os postos de pedágio sejam enlaces e que os postos de pedágio sejam roteadores. Suponha que os carros trafeguem (isto é, se propaguem) pela rodovia a uma velocidade de 100 km/h (isto é, quando o carro sai de um posto de pedágio, acelera instantaneamente até 100 km/h e mantém essa velocidade entre os dois postos de pedágio). Agora, suponha que dez carros viajem em comboio, um atrás do outro, em ordem fixa. Imagine que cada carro seja um bit e que o comboio seja um pacote. Suponha ainda que cada posto de pedágio libere (isto é, transmita) um carro a cada 12 segundos, que seja tarde da noite e que os carros do comboio sejam os únicos na estrada. Por fim, suponha que, ao chegar a um posto de pedágio, o primeiro carro do comboio aguarde na entrada até que os outros nove cheguem e formem uma fila atrás dele. (Assim, o comboio inteiro deve ser ‘armazenado’ no posto de pedágio antes de começar a ser ‘reenviado’.) O tempo necessário para que todo o comboio passe pelo posto de pedágio e volte à estrada é de (10 carros)/(5 carros/minuto) = 2 minutos. Esse tempo é análogo ao atraso de transmissão em um roteador. O tempo necessário para um carro trafegar da saída de um posto de pedágio até o próximo posto de pedágio é de (100 km)/(100 km/h) = 1 hora. Esse tempo é análogo ao atraso de propagação. Portanto, o tempo decorrido entre o instante em que o comboio é ‘armazenado’ em frente a um posto de pedágio até o instante em que é ‘armazenado’ em frente ao seguinte é a soma do atraso de transmissão e do atraso de propagação — nesse exemplo, 62 minutos.

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Vamos explorar um pouco mais essa analogia. O que aconteceria se o tempo de liberação do comboio no posto de pedágio fosse maior do que o tempo que um carro leva para trafegar entre dois postos? Por exemplo, suponha que os carros trafeguem a uma velocidade de 1.000 km/h e que o pedágio libere um carro por minuto. Então, o atraso de trânsito entre dois postos de pedágio é de 6 minutos e o tempo de liberação do comboio no posto de pedágio é de 10 minutos. Nesse caso, os primeiros carros do comboio chegarão ao segundo posto de pedágio antes que os últimos carros saiam do primeiro posto. Essa situação também acontece em redes de comutação de pacotes — os primeiros bits de um pacote podem chegar a um roteador enquanto muitos dos remanescentes ainda estão esperando para ser transmitidos pelo roteador precedente.

Se uma imagem vale mil palavras, então uma animação vale um milhão. O Companion Website apresenta um aplicativo interativo Java que ilustra e contrasta o atraso de transmissão e o atraso de propagação. Recomenda-se que o leitor visite esse aplicativo. 

Se dproc, dfila, dtrans e dprop forem, respectivamente, os atrasos de processamento, de fila, de transmissão e de propagação, então o atraso nodal total é dado por:

dnodal = dproc + dfila + dtrans + dprop

A contribuição desses componentes do atraso pode variar significativamente. Por exemplo, dprop pode ser desprezível (por exemplo, dois microssegundos) para um enlace que conecta dois roteadores no mesmo campus universitário; contudo, é de centenas de milissegundos para dois roteadores interconectados por um enlace de satélite geoestacionário e pode ser o termo dominante no dnodal. De maneira semelhante, dtrans pode variar de desprezível a significativo. Sua contribuição normalmente é desprezível para velocidades de transmissão de 10 Mbps e mais altas (por exemplo, em LANs); contudo, pode ser de centenas de milissegundos para grandes pacotes de Internet enviados por enlaces de modems discados de baixa velocidade. O atraso de processamento, dproc, é quase sempre desprezível; no entanto, tem forte influência sobre a produtividade máxima de um roteador, que é a velocidade máxima com que ele pode encaminhar pacotes.  

ATIVIDADE DE FIXAÇÃO