O congestionamento em uma rede de computadores pode ocorrer devido à carga
excessiva nesta rede, ou seja, se a quantidade de pacotes enviados para rede for superior à
capacidade que ela tem de controlá-los, ocorre o congestionamento. Para evitar esse
congestionamento, é necessária a utilização de técnicas e mecanismos que mantenham a
carga na rede, a níveis em que ela possa controlar os pacotes recebidos (KUROSE, et al.,
2009).
Os elementos centrais de uma rede de computadores, como, por exemplo,
roteadores e switches, possuem filas de dados. Essas filas são, na verdade, buffers que
armazenam os pacotes nesses elementos de rede antes e após seus processamentos. A
capacidade de armazenamento desses buffers está associada à quantidade de memória
disponível em cada um dos elementos da rede, bem como a capacidade de processamento
Taxa de dados
Segundos
Taxa máxima dados
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dos pacotes armazenados nesses buffers está associada às características do processador
empregado no nesse elemento da rede. Logo, os recursos disponíveis nos elementos
centrais das redes são finitos, por esse motivo, a capacidade que possuem de tratar os
pacotes que trafegam na rede é limitada, o que ocasiona os congestionamentos (KUROSE,
et al., 2009).
A Figura 20 ilustra o funcionamento de um roteador. Esse roteador possui uma
interface de conexão com a WAN, que atua como gateway, e duas interfaces de conexão
com as LANs. Quando um pacote é recebido na interface de conexão com a WAN, esse
passa por três etapas antes de ser direcionado de fato às interfaces de conexão com as
LANs. Essas etapas são: i) pacote é colocado na fila de entrada da interface de conexão
com a WAN, enquanto aguarda a verificação; ii) os pacotes são retirados dessa fila sempre
que chegarem ao início da fila, para isso, o roteador utiliza a tabela de endereçamento e o
endereço de destino do pacote para determinar sua rota; iii) O pacote é encaminhado para a
fila da interface de conexão com a LAN apropriada, até chegar o momento de sua
transmissão.
Figura 20. Tratamento de pacotes em um roteador.
Dois fatores podem causar sobrecarga nesse roteador. O primeiro é quando a taxa
de chegada de pacotes na fila de da interface de conexão com a WAN for maior que a taxa
de processamento, geralmente o conteúdo aumenta, podendo chegar ao limite de sua
capacidade de armazenamento. O segundo fator é quando a taxa de transmissão dos
pacotes nas filas das interfaces de conexão com as LANs é menor que a taxa de
processamento dos pacotes nessas interfaces, o que leva também ao esgotamento da
capacidade de armazenamento da fila.
60
O desempenho de uma rede de computadores é medido por meio de dois fatores, o
atraso e a vazão. O atraso, ou delay, em uma rede de computadores especifica o tempo que
um bit de dados leva para trafegar nessa rede de um computador a outro. O atraso é medido
em segundos, ou frações de segundo, ou seja, é uma medida quantitativa. A vazão, ou
throughput, também medido quantitativamente, geralmente em bps (bits por segundo),
mede a taxa em que podem ser enviados os dados por meio da rede (KUROSE, et al.,
2009).
Um tipo de atraso em uma rede de computadores é o de propagação, associado ao
tempo que um sinal precisa para viajar por meio de uma fibra ótica ou fio, por exemplo. Já
o segundo é chamado de atraso de comutação, geralmente introduzido por dispositivos
como hubs, bridges ou switches de pacotes, por exemplo. Esse segundo tipo de atraso está
relacionado à capacidade de processamento desses dispositivos, já que levam uma fração
de tempo para receber todos os bits de um pacote, para então processá-los.
Ainda em relação ao atraso, pode existir o atraso de acesso, já que os meios de
comunicação em uma rede são compartilhados entre diversos computadores, assim, eles
devem aguardar a disponibilidade do meio. Outro atraso possível está relacionado com as
filas de pacotes, existentes nos elementos centrais das redes, como os switches, por
exemplo. Nesse tipo de atraso, um pacote que chega em uma fila, precisa aguardar
enquanto o elemento da rede processa os pacotes que já estavam na fila.
Na Figura 21, é possível visualizar os efeitos ocasionados pelo atraso de pacotes em
uma rede de computadores. Se a carga na rede for muito grande, aproximando-se de sua
capacidade, o atraso total dos pacotes cresce de maneira assintótica, já que os tempos de
espera nas filas, por exemplo, de roteadores, influenciarão no atraso total dos pacotes. Um
fato que agrava esse problema é a retransmissão de pacotes, já que, com o atraso, a origem
não recebe a resposta de confirmação de destino e envia o pacote novamente, aumentando
ainda mais o congestionamento (FOROUZAN, 2006).
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O outro fator relevante ao desempenho de uma rede de computadores é a vazão, ou
throughput, que é a quantidade de bits que passa em um determinado ponto da rede em um
intervalo de tempo (FOROUZAN, 2006). A Figura 22 mostra os efeitos da vazão sobre o
congestionamento em uma rede de computadores. Quando a carga na rede está abaixo de
sua capacidade, a vazão aumenta proporcionalmente. Entretanto, quando a carga atinge a
capacidade da rede, essa vazão diminui rapidamente, já que as filas de pacotes, presentes
em roteadores, por exemplo, são esgotadas. Com isso, os pacotes que chegam são
descartados, repercutindo na retransmissão de pacotes, porque as confirmações de
recebimento dos pacotes não são enviadas à origem deles, piorando assim, o
congestionamento nas redes (FOROUZAN, 2006).
É importante notar a distinção entre atraso e throughput, pois o primeiro diz
respeito ao tempo que um bit leva para chegar ao seu destino por meio de uma rede de
computadores. Já o throughput mede a quantidade de pacotes que passam na rede por
unidade de tempo (COMER, 2007).
Figura 22: Capacidade de vazão.
Vazão
Carga
Área sem
congestionamento
congestionada Área
Capacidade
Figura 21: Atraso de pacotes.
Atraso
Carga
Área sem
congestionamento
Área
congestionada
Capacidade
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Apesar das definições distintas entre atraso e vazão, é possível notar a influência da
vazão no atraso. Isso pode ocorrer, por exemplo, em um switch de pacotes, cuja fila não
está vazia, assim, caso chegue outro pacote nesta fila, ele terá que aguardar o switch
encaminhar os pacotes que chegaram primeiro; esse tempo em espera na fila influenciará
no tempo total que o pacote leva para chegar ao seu destino e o atraso será maior. Essa
relação entre atraso e throughput pode ser mostrada na Equação (31).
𝐷 =(1𝐷− 𝑈)0
(31)
A Equação (31), 𝐷 denota o atraso efetivo, 𝐷0 é o atraso quando a rede está ociosa
e 𝑈 é um valor entre 0 e 1 que indica a utilização atual da rede. Assim, se uma rede não
estiver em uso, o valor de 𝑈 é zero e o atraso efetivo é 𝐷0. Quando o tráfego chega
próximo da capacidade da rede, o atraso tende ao infinito. Essa relação permite observar
que o atraso nas redes aumenta à medida que o tráfego chega próximo à capacidade de sua
vazão. Portanto, influenciar na vazão, pode trazer ganhos no atraso da rede (COMER,
2007).
O controle de congestionamento, em uma rede de computadores, pode ser dividido
em duas categorias: controle de malha fechada, que trata o congestionamento após o seu
acontecimento, para minimizá-lo; e controle de malha aberta, que aplica políticas para
evitar a ocorrência de congestionamentos (FOROUZAN, 2006). O sistema proposto nesta
Dissertação de Mestrado pode ser classificado como um sistema de controle de
congestionamento de malha aberta, já que realiza a predição de uma demanda futura de
tráfego, e realiza a realocação da largura de banda necessária para dar manter a fluidez
desse tráfego.
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Elever sin bruk av forkunnskaper i faglige diskusjoner under praktisk arbeid i naturfag
(sider 35-39)