Tecnologias sem Fio: De onde vem a latência da rede ?

Hilton Garcia Fernandes

No texto Latência e largura de banda [1], neste blog Tecnologias sem Fio [2], foi discutido o modelo linear

no qual a latência α é um custo constante em tempo da transmissão de n bytes. O fator β multiplicado pelo número de bytes, é associado à máxima banda disponível na rede. Isto é: 1/β é a banda máxima disponível.

Entendidos os conceitos no modelo linear, falta tentar entender o que causa os custos.

A latência pode ser associada a vários fatores

em uma rede cabeada do tipo Ethernet [3], é necessário evitar colisões [4]. Ou seja: dois pacotes serem enviados ao mesmo tempo na mesma rede. Há um algoritmo chamado CSMA/CD [5], que permite detectar colisões.
Seu custo é aproximadamente fixo para um único pacote;

em uma rede sem fio do tipo Wi-Fi [6], há um problema semelhante. Neste caso, devido a características do meio físico das ondas eletromagnéticas, o algoritmo é chamado de CSMA/CA [7], e busca evitar colisões (ou collision avoidance), em vez de detectá-las.
Aqui, o custo também é relativamente fixo para um único pacote;

outro problema, a cada dia mais relevante no mundo de internets [8], ou redes interconectadas -- e da Internet [9], ou grande rede mundial -- é a transferência entre redes, ou roteamento [10]. Neste caso, os pacotes de informação são reescritos, para levar em conta a entrada em outras rede. E isto tem um custo, de novo a cada pacote;

ainda há um outro componente dos custos fixos: o chamado encapsulamento e desencapsulamento de pacotes de dados -- tanto do ponto de vista teórico da arquitetura OSI [11], ou daquele em geral implementado, a arquitetura TCP/IP [12].
Em um caso ou outro, a rede é dividida em diversos níveis (ou camadas), o que permite, por exemplo, a independência de tecnologias -- redes usando diferentes suportes físicos conseguem comunicar entre si: computadores ligados em redes 3G [13] podem se falar com outros em redes DSL [14]
O custo de de transferir pacotes entre diferentes camadas da rede também ocorre pacote a pacote.

fragmentação de pacotes [15]: pacotes muito grandes podem ter que ser quebrados em pedaços menores, se forem maiores que o tamanho máximo de pacotes naquele segmento de rede, o MTU [16].

Todos estes custos ocorrem pacote a pacote. Sendo assim, se uma mensagem for suficientemente longa para ser quebrada em vários pacotes na rede, sofrerá várias vezes as mesmas negociações de colisão, de roteamento etc. ?

De fato, isto ocorrerá. Mas há efeitos que minoram este poder multiplicativo:

aquisição do meio: quando um computador começa a transmitir pela rede, mantém durante algum tempo o direito de transmitir. Isto está incorporado aos algoritmos de tratamento de colisões justamente para minimizar os custos de seguidas negociações;

pipelining [17], ou efeito "linha de montagem": em uma linha de montagem [18], o fato de haver várias unidades trabalhando em paralelo em diferentes partes de um bem a ser montado garante que o intervalo entre o término de diferentes produtos seja menor do que o tempo total de produção de um produto.
Um velho professor explicava pipelines dizendo que o tempo total para produzir um Volkswagen Sedan (o popular fusca) era de 48 horas. Contudo, o tempo entre um Sedan e outro era de apenas 40 minutos.
No caso de uma transmissão de rede, há pelo menos dois níveis de paralelismo: a CPU, que processa o encapsulamento dos pacotes e a placa de rede, que faz as negociações de nível mais baixo, necessárias para encaminhar a mensagem pela rede, fazendo negociações CSMA/CA, por exemplo.

Em próximas postagens em Tecnologias sem Fio serão apresentados mais detalhes da estimativa dos importantes parâmetros latência e largura de banda, bem como parâmetros complementares -- que podem melhorar a compreensão das redes.

Referências

Tecnologias sem Fio

sábado, 24 de julho de 2010

De onde vem a latência da rede ?

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