Redes de Comunicação de Dados | Comutação

A Comutação em uma Rede de Comunicação, se refere à alocação dos recursos da rede (meios de transmissão, etc…) para possibilitar a transmissão de dados pelos diversos dispositivos conectados. Este artigo vem explicar de uma forma mais comuns os principais tipos de comutação e suas funções na Comunicação de Dados entre dispositivos conectados em uma Rede.

É importante que já tenha lido ou tenha os conhecimentos repassados no artigo “Redes de Comunicação de Dados: Principais Conceitos“.

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Introdução

Para quem ainda tem dúvidas, a Comutação é basicamente o processo de interligar dois ou mais pontos entre si. Para maior viabilidade de comunicação entre o um grande número de pontos, surge a Rede de Comutação, que nada mais é que um serviço de transferência de informações entre nós ou pontos. Sua origem veio com o desenvolvimento das Redes de Telefonia Pública e significa alocação de recursos da rede para a comunicação entre dois equipamentos conectados àquela rede. (SILVEIRA, 2013).

Antigamente, a conexão para uma ligação telefônica, por exemplo, era feita por meio de uma telefonista que conectava (interligava) um cabo aos terminais de entrada e saída em um painel, manualmente. Porém, hoje esse processo é automatizado pelo equipamento de comutação. Um processo de comutação é aquele que reserva e libera recursos de uma rede para sua utilização. As comutações de circuitos e de pacotes são usadas no sistema telefônico atual. A comutação de circuito particularmente é usada no tráfego de voz, ela é a base para o sistema telefônico tradicional, e a comutação de pacotes é usada para o tráfego de dados, sendo por sua vez, a base para a Internet e para a Voz sobre IP. (RIBEIRO, 2012).

Normalmente classifica-se a comutação em Comutação de Circuitos, de Pacotes, de Mensagem ou de Células. 

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Comutação de Circuitos (Circuit Switching)

É um tipo de alocação de recursos para transferência de informação que se caracteriza pela utilização permanente destes recursos durante toda a transmissão. Antes de ser enviada qualquer informação, procede-se ao estabelecimento de uma ligação “física” ponta-a-ponta entre os terminais que pretendem comunicar, ou seja, estabelece-se um “caminho físico” dedicado. Nesse tipo de comutação, há a garantia da taxa de transmissão, e a informação de voz chegará na mesma ordem desde o transmissor até o receptor. Segue abaixo, uma ilustração deste tipo de comutação, exemplificando um circuito dedicado entre origem e destino:

Como se pode observar na imagem acima, há dois sistemas terminais, telefones, nas pontas. O que há entre esses sistemas são circuitos que estão abertos. Estes possuem N conexões, de modo que cada um possa suportar conexões simultâneas. Quando um usuário realizar uma chamada telefônica, o equipamento de comutação procura um caminho físico desde a transmissor (telefone de origem) até o receptor (telefone de destino). Esse caminho pode conter trechos de fibra óptica ou de microondas, mas a ideia básica funciona: quando a chamada telefônica é estabelecida, haverá um caminho dedicado entre as extremidades até que a ligação termine. (KUROSE; ROSS, 2009).

Na comutação de circuitos, ocorrem três fases (RIBEIRO, 2011):

• Estabelecimento do circuito: antes que os terminais (telefones) comecem a se comunicar, há a reserva de recurso necessário para essa comunicação, esse recurso é a largura de banda.
• Transferência da voz: ocorre depois do estabelecimento do circuito, com a troca de informações entre a origem e o destino.
• Desconexão do circuito: terminada a comunicação, a largura de banda é liberada em todos os equipamentos de comutação.

É interessante citar que na comutação de circuitos, há a necessidade de estabelecer um caminho fim-a-fim (ponta-a-ponta) antes que qualquer informação seja enviada. Na prática, aquele tempo que o telefone do receptor leva para tocar logo depois do número discado, é justamente o momento em que o sistema telefônico procura pela conexão física. Logo o sinal de chamada se propaga por todo o trajeto para que possa ser reconhecido. (TANEMBAUM, 2003).

• O circuito dedicado pode ser composto por:
  • Enlaces Físicos Dedicados;
  • Canais de Frequência (canal FDM);
  • Canais de Tempo (canal TDM).

• Vantagens:
  • Garantia de recursos;
  • Não há congestionamentos (encaminhamento dedicado – exclusivo);
  • Disputa pelo acesso somente na fase de conexão;
  • Não há processamento nos nós intermediários (menor tempo de transferência);
  • Controle nas extremidades.
• Desvantagens:
  • Desperdício de banda durante períodos de silêncio (problema para transmissão de dados);
  • Sem correção de erros;
  • Pode existir atraso no estabelecimento da rota de encaminhamento caso todos os caminhos estejam ocupados;
  • Fraco aproveitamento da largura de banda, visto que a rota se vai encontrar ocupada durante toda a conversação mesmo que não exista troca de informação;
  • Probabilidade de bloqueio (Circuitos ocupados em um instante).

A tarifa do serviço com comutação de circuito é baseada pela distância entre os terminais e o tempo da ligação.

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Comutação de Mensagens (Message Switching)

Na comutação de mensagem não é estabelecido um caminho dedicado entre os dois equipamentos que desejam trocar informações como ocorre na comutação de circuitos. Sistemas de comutação de mensagens são hoje em dia geralmente implementados sobre comutação de pacotes ou de circuitos. Como principal exemplo temos o E-mail.

A mensagem que tem que ser enviada é transmitida a partir do equipamento de origem para o primeiro elemento de comutação, que armazena a mensagem e a transmite para o próximo elemento (store-and-forward). Assim, a mensagem é transmitida pela rede até que o último elemento de comutação entregue-a ao equipamento de destino. Neste tipo de comunicação, a rede não estabelece o tamanho da mensagem, podendo esta ser ilimitada. Na imagem abaixo, é possível verificar um exemplo deste tipo de comutação:

• Principais características:
  • Não é estabelecido nenhum caminho físico dedicado entre o emissor e o receptor, ou seja, o canal não é dedicado e sim compartilhado;
  • O emissor coloca a mensagem de forma INTEGRAL no meio físico de TX junto com o endereço do destinatário;
  • A mensagem é então passada de nó em nó de forma integral até atingir o destino. As mensagens só seguem para o nó seguinte após terem sido integralmente recebidas do nó anterior;
  • Cada nó memoriza a mensagem temporariamente e em seguida envia para o próximo nó que repete o processo até o destinatário, este processo é conhecido como Store-And-Forward. 

• Vantagens:
  • Maior aproveitamento das linhas de comunicação;
  • Uso otimizado do meio;
  • Congestionamentos reduzidos porque cada nó guarda temporariamente as mensagens recebidas;
  • Podem estabelecer-se esquemas de prioridade, permitindo atrasar o envio das mensagens de baixa prioridade e reenvio imediato das mensagens prioritárias.
• Desvantagens:
  • Aumento do tempo de transferência das mensagens;
  • Não é bom para aplicações de tempo real nem para aplicações que exijam interatividade:
    • Atrasos no tempo de memorização;
    • O tempo gasto na busca do próximo nó não é determinístico.
  • Os nós envolvidos no percurso tem de ser máquinas com grande capacidade de armazenamento, visto que, necessitam armazenar as mensagens inteiras temporariamente.

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Comutação de Pacotes (Packet Switching)

Na comutação de pacotes, os pacotes são transmitidos através dos elementos de comutação da rede até o seu destino, semelhante ao que ocorre com a comutação de mensagens. Porém, a principal diferença entre as duas é que, na comutação de pacotes o tamanho dos bloco de transmissão é definido pela rede. Em conseqüência, a mensagem a ser transmitida deve ser quebrada em unidades menores.

A comutação de circuitos e a comutação de pacotes diferem em muitos aspectos. Para iniciar, a comutação de circuitos exige que um circuito seja configurado de ponta a ponta antes de se iniciar a comunicação. Já a comutação de pacotes não exige qualquer tipo de configuração antecipada (KUROSE; ROSS, 2009).

A comutação de pacotes é a técnica que envia uma mensagem de dados dividida em pequenas unidades chamadas de pacotes. Ela não exige o prévio estabelecimento de um caminho físico para a transmissão dos pacotes de dados. Os pacotes podem ser transmitidos por diferentes caminhos e chegar fora da ordem em que foram transmitidos. Por esse motivo, a comutação de pacotes é mais tolerante a falhas em relação a comutação de circuitos, pois os pacotes podem percorrer caminhos alternativos até o destino de forma a contornar os equipamentos de comutação inativos. (TANEMBAUM, 2003).

Em redes de computadores modernas, a origem fragmenta mensagens longas em porções de dados menores, que são chamados de pacotes. Entre a origem e destino, cada um desses pacotes percorre enlaces de comunicação e comutadores de pacotes, os roteadores. 

“Pacotes são transmitidos por cada enlace de comunicação a uma taxa igual à de transmissão total do enlace (KUROSE; ROSS, 2009, p. 14)”.

Segue abaixo uma imagem com breve exemplo da comutação de pacotes:

Ao quebrar a mensagem em pacotes, a rede pode transmitir os pacotes de uma mesma mensagem por vários caminhos diferentes, otimizando os recursos da rede. A desvantagem é que os pacotes podem chegar na ordem trocada, necessitando da criação de mecanismos de ordenamento. Nesse tipo de comutação, não há a reserva prévia de largura de banda, e assim, também não há o desperdício de recursos. A largura de banda é fornecida sob demanda. (RIBEIRO, 2011). 

Na comutação de pacotes é utilizado o mesmo tipo de transmissão que a comutação por mensagens, a store-and-forward, onde o pacote é recebido e armazenado por completo pelo equipamento e depois encaminhado para o próximo destino. Em cada um desses equipamentos, o pacote recebido tem um endereço de destino, que possibilita indicar o caminho correto para o qual ele deve ser encaminhado.  (RIBEIRO, 2011).

Diferente da comutação por circuitos, a tarifa na comutação de pacotes é feita pelo volume do tráfego de dados, mensalmente.

• Principais características:
  • Os pacotes são comutados individualmente e enviados de nó para nó entre a origem e o destino (store and forward);
  • Pacotes pertencentes a mesma mensagem podem seguir caminhos diferentes até chegar ao destino;
  • O enlace de ligação entre dois nós consecutivos é agora compartilhado por pacotes de outras proveniências e com outros destinos;
  • Subdivide-se em:
    • Comutação por datagramas;
    • Comutação por circuitos virtuais.
• Vantagens:
  • Uso otimizado dos recursos de forma livre, a medida que for necessário, sem reserva prévia;
  • Ideal para dados;
  • Erros recuperados no enlace onde ocorreram;
  • Dividir uma mensagem em pacotes e transmiti-los simultaneamente reduz o atraso de transmissão total da mensagem;
  • Utilizam a largura de banda total disponível para transferir os pacotes (otimização da largura de banda).
• Desvantagens:
  • Sem garantias de banda, atraso e variação do atraso (jitter);
  • Quando a demanda é maior que os recursos oferecidos há congestionamento com uma geração de fila, podendo haver falha e perda de pacote;
  • Por poder usar diferentes caminhos, atrasos podem ser diferentes. Ruim para algumas aplicações tipo voz e vídeo;
  • Overhead de cabeçalho;
  • Disputa nó-a-nó;
  • Atrasos de enfileiramento e de processamento a cada nó.

Como vimos, esta pode ser efetuada de 02 maneiras distintas: Com Ligação (Circuito Virtual) ou Sem Ligação (Datagrama).

Comutação por Datagramas (Sem Ligação)

Os pacotes são encaminhados independentemente, ou seja, cada pacote tem um tratamento independente, sem qualquer ligação com o tratamento dado nos nós aos pacotes anteriores, oferecendo flexibilidade e robustez superiores, já que a rede pode reajustar-se mediante a quebra de um link de transmissão de dados.

Desta forma, os pacotes, devidamente numerados com número de sequência pelo emissor, transportam sempre consigo informação relativa ao endereço do destinatário e do remetente da mensagem. É necessário enviar sempre o endereço de origem. Ex: endereço IP.

Comutação por Circuitos Virtuais (Com Ligação)

Antes de se iniciar a transmissão dos dados propriamente ditos, tem lugar uma fase conhecida por “call setup”, em que é definida uma rota ou caminho (Circuito Virtual) para os pacotes, ou seja, é estabelecido um caminho virtual fixo (sem parâmetros fixos, como na comutação de circuitos) e todos os pacotes seguirão por esse caminho, através dos vários nós intermediários até o destino final.

Uma grande vantagem é que oferece a garantia de entrega dos pacotes e de uma forma ordenada. Ex: ATM (comutação de células), Frame Relay e X.25.

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Comutação por Células

A comutação de células é semelhante a comutação de mensagens e considerada a evolução técnica assim por se dizer, da comutação de pacotes. Esse tipo de comutação foi criada em um período onde a transmissão digital de longa distância apresentava taxas altas de erro, e com isso, eram requeridos mecanismos de detecção e recuperação de tais erros ao nível da camada de enlace (ponto-a-ponto) e da de rede (fim-a-fim). (SILVEIRA, 2013).

Em tal situação essa tecnologia foi criada, visando taxas de transmissão mais altas e maior facilidade de se obter uma baixa taxa de erros em tais transmissões. Para tanto, utiliza-se de mecanismos de controle de erros bastante simplificados, os quais deixam a cargo dos protocolos superiores residentes nos sistemas finais, a tarefa de exercer o controle mais extensivo.

Esta comutação tem como objetivo operar em quadros de tamanho fixo e atender serviços com quadros de tamanho variável, com altas taxas de transmissão. Tais quadros possuem um tamanho pequeno e são denominados células.

A comutação de células caracteristicamente faz uso da alta confiabilidade dos meios atuais de transmissão, assim como a multiplexação de diversas conexões lógicas sobre uma única física. Devido às células serem de tamanho fixo, o overhead de seu processamento é reduzido. A alocação de banda transmissão tem por base a demanda, portanto, é feita dinamicamente. (SILVEIRA, 2013).

A aplicação da Comutação de Células pode ser exemplificada através da tecnologia ATM (Asynchronous Transfer Mode ou Modo de Transferência Assíncrono). O ATM se trata de uma tecnologia de transmissão, multiplexação e chaveamento de células pequenas, o que permite a integração e transporte de dados, voz, imagens e vídeo sobre uma mesma rede.

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ATM (Asynchronous Transfer Mode)

Utilizada inicialmente nas Redes Digitais de Serviços Integrados Banda Larga. É uma técnica orientada à conexão. Células em uma rede ATM são transportadas através de conexões.

Uma conexão fim-a-fim em redes ATM é conhecida como Conexão com Canal Virtual (VCC – Virtual Channel Connection). O conceito de conexão com canal virtual é semelhante ao conceito tradicional de conexão com circuito virtual. Uma VCC é formada pela concatenação de conexões virtuais estabelecidas nos vários enlaces da rede, da origem até o destino, formando um caminho único através do qual as células são encaminhadas. Cada conexão virtual em um enlace é denominada Enlace de Canal Virtual (VCL – Virtual Channel Link). (MACEDO, 2012).

As redes ATM têm seu próprio modelo de referência, diferente do Modelo OSI e do Modelo TCP/IP. O ATM é um modelo tridimensional, sendo composto não só por camadas, mas também por planos.

• Principais características:
  • Utiliza comutação de células;
  • Largamente utilizado em backbones e interligação de redes;
  • É uma evolução da técnica de comutação de pacotes, suportando voz, dados e imagem em tempo real e em alta velocidade, operando com células de tamanho fix

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Fontes

Livros

• STALLINGS, William. Redes e Sistemas de Comunicação de Dados: teoria e aplicações corporativas. 5. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2005.
• TANENBAUM, Andrew S. Redes de Computadores. 4. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2003.
• KUROSE, J. F.; ROSS, K. W. Redes de Computadores e a Internet Uma abordagem top-down. 3. ed. São Paulo: Person Education, 2009.

Internet

• Blog Diego Macedo
• Teleco
• Computer Networking Simplified
• IFRN: Filipe Aulino
• SlideShare: Andressa J. Silveira