Introdução a sockets, TCP e UDP

O que é a camada de transporte?

A camada de transporte, no modelo OSI (Open Systems Interconnection), é a quarta camada e tem como principal função a comunicação fim-a-fim entre dispositivos numa rede. Esta camada garante que os dados sejam transmitidos de forma fiável e eficiente de uma aplicação num computador para outra aplicação noutro computador, mesmo que estes estejam em redes diferentes. Atua como intermediária entre a camada de rede e a camada de aplicação.

As principais responsabilidades da camada de transporte incluem:

• Transmissão de dados fiável: garante que os dados sejam entregues na ordem correta e sem erros.
• Multiplexagem e desmultiplexagem: permite que várias aplicações num mesmo dispositivo utilizem a rede simultaneamente.
• Controlo de fluxo e congestão: evita que um emissor sobrecarregue o recetor ou a rede.

Explicar o que é um pacote TCP e um UDP

• TCP (Transmission Control Protocol): é um protocolo orientado à conexão, o que significa que estabelece uma ligação antes de transmitir dados e garante a entrega fiável e ordenada dos pacotes. Cada pacote TCP inclui informações de controlo, como números de sequência, confirmação de recebimento (ACK), e controlo de erros. Exemplo: Usado em aplicações que requerem entrega garantida, como transferência de ficheiros (FTP) ou navegação web (HTTP).
• UDP (User Datagram Protocol): é um protocolo não orientado à conexão, ou seja, não há uma ligação estabelecida antes da transmissão dos dados, e não há garantia de entrega ou ordem dos pacotes. Por isso, é mais rápido e eficiente em termos de overhead. Exemplo: Usado em aplicações onde a velocidade é mais importante que a fiabilidade, como streaming de vídeo ou jogos online.

Tamanho máximo dos pacotes e MTU

O tamanho máximo de um pacote (datagrama) depende do MTU (Maximum Transfer Unit), que define o maior tamanho de pacote que pode ser transmitido numa rede sem ser fragmentado. No caso do IP (Internet Protocol), o MTU é de 1500 bytes na Ethernet. Quando um pacote excede o tamanho do MTU, ele é fragmentado em pacotes menores.

Funções da camada de transporte

• Segmentação (TCP/UDP): a camada de transporte divide os dados em segmentos (TCP) ou datagramas (UDP), que são posteriormente enviados pela rede.
• Controlo de erros (TCP): o TCP deteta e corrige erros nos pacotes, através de mecanismos como checksums, retransmissões e confirmações de recebimento (ACK).
• Entrega ordenada (TCP): garante que os pacotes sejam entregues pela rede e reagrupados na ordem correta.
• Controlo de congestão (TCP): o TCP ajusta a taxa de envio de pacotes com base nas condições da rede, evitando congestionamentos e perda de pacotes.
• Entrega em tempo útil (UDP): o UDP, por ser mais simples, é usado em aplicações onde a rapidez é mais importante que a fiabilidade, como transmissão de áudio ou vídeo em tempo real.
• Garantia de largura de banda: algumas implementações podem garantir uma largura de banda mínima para a comunicação, embora isso seja mais comum em protocolos específicos de qualidade de serviço (QoS).

Fragmentação de pacotes

O tamanho ideal para fragmentar um pacote depende da eficiência e do risco de erros:

• Pacotes grandes:
  • Podem requerer nova fragmentação.
  • Aumenta o risco de o pacote ser descartado em caso de erro.
• Pacotes pequenos:
  • Causam overhead (sobrecarga), devido ao processamento extra necessário para lidar com muitos pacotes pequenos.
  • Reduzem a eficiência da transmissão.

Os tamanhos máximos dos pacotes variam com o protocolo IP:

• IPv4: até 64 KB.
• IPv6: pode atingir até 5 GB, o que aumenta a flexibilidade para transmissões futuras.

Multiplexagem e desmultiplexagem

• Multiplexagem: a camada de transporte recebe dados de várias aplicações e encapsula-os em pacotes para serem enviados pela rede. Permite que várias comunicações ocorram simultaneamente num único canal de comunicação.
• Desmultiplexagem: no destino, a camada de transporte reencaminha os pacotes para as aplicações corretas, com base em identificadores como os números de porta.

Estados de um socket

Um socket pode estar em vários estados durante uma comunicação. Alguns dos principais estados são:

• LISTENING: o socket está à espera de conexões de entrada (estado usado em servidores).
• CONNECTED: o socket está num estado de conexão ativa, pronto para enviar e receber dados.
• Outros estados incluem CLOSED, SYN_SENT, SYN_RECEIVED, FIN_WAIT, entre outros, que fazem parte do processo de estabelecimento e encerramento de conexões TCP.

Orientado à conexão vs não orientado à conexão

• Orientado à conexão (TCP): antes de transmitir dados, é estabelecida uma ligação entre o emissor e o recetor, através de um processo de handshake (aperto de mão) de três vias. Garante entrega fiável, ordenada, e inclui mecanismos para controlo de erro e fluxo. Exemplo: HTTP, FTP.
• Não orientado à conexão (UDP): não há ligação estabelecida, o que resulta em menor overhead. Os pacotes são enviados independentemente uns dos outros, sem garantias de entrega ou ordem. Exemplo: DNS, streaming.

Questão: Porque usar não orientado à conexão (UDP)?

• Overhead muito pequeno: como o UDP não precisa de estabelecer e manter uma conexão, o seu overhead é muito menor que o do TCP.
• Rapidez e eficiência: o UDP é muito mais rápido em aplicações onde a perda de alguns pacotes é aceitável, como em jogos online e chamadas VoIP.
• Aplicação decide o tamanho do datagrama: a aplicação pode escolher o tamanho do datagrama, sem a necessidade de fragmentação pelo protocolo.

Funções do TCP vs UDP

• TCP:
  • Conexão fiável.
  • Entrega ordenada.
  • Retransmissão em caso de erro.
  • Controlo de fluxo e congestão.
• UDP:
  • Comunicação rápida e simples.
  • Sem garantias de entrega ou ordem.
  • Adequado para aplicações onde o tempo real é mais importante que a fiabilidade (ex: streaming).