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⚡ Comutação de Circuitos e Pacotes

Como os Dados Viajam pelas Redes

Aula 02
Do telefone tradicional à Internet moderna
Duas formas de transportar informação

👨‍🏫 Autor da Apresentação

César Azevedo
📧 cesar.augusto@ifrn.edu.br

📋 Tópicos da Aula

🔌 Comutação de Circuitos

O que é comutação
Sistema telefônico tradicional
Multiplexação (FDM, TDM, WDM)
3 fases do processo
Vantagens e desvantagens

📦 Comutação de Pacotes

Base da Internet
Store-and-forward
Tolerância a falhas
Uso eficiente de recursos

⚖️ Comparação e Aplicações

Circuitos vs Pacotes
TCP vs UDP na prática
QoS - Quality of Service
Quando usar cada um

🚀 Performance e Futuro

Tipos de atraso
Latências em números reais
Perda de pacotes e vazão
5G e convergência
Softswitch

🎯 Objetivo Final

Entender como telefones e Internet transportam dados
e escolher a tecnologia ideal para cada aplicação

❓ O que é Comutação?

Processo que reserva e libera recursos de uma rede
Define como os dados são transportados
Duas formas principais: circuitos e pacotes

📞 Da Telefonista Manual ao Automático

Antigamente: Telefonista conectava cabos manualmente
Hoje: Processo automatizado por equipamentos
Mesmo conceito: criar caminho para comunicação

🔌 Comutação de Circuitos

Telefonia tradicional
Caminho dedicado
Recursos reservados

📦 Comutação de Pacotes

Internet moderna
Caminhos variáveis
Recursos compartilhados
COMUTAÇÃO = Como os dados "viajam" de A até B

🔌 Comutação de Circuitos

Base do sistema telefônico tradicional
Estabelece caminho físico dedicado
Recursos reservados exclusivamente
Caminho mantido durante toda a comunicação

📞 Como Funciona uma Ligação Telefônica

Você disca → Sistema procura caminho → Telefone toca
Aquele caminho fica "seu" até desligar
Ninguém mais pode usar aqueles recursos

✅ Garantias

Taxa de transmissão constante
Ordem dos dados preservada
Qualidade previsível
Sem interferência externa

⚠️ Características

Configuração obrigatória
Caminho físico dedicado
Largura de banda fixa
Tarifação por tempo + distância

🛣️ Analogia da Estrada

Como reservar uma estrada inteira só para você
Garantido que chegará, mas caro e pode desperdiçar espaço

🔀 Multiplexação em Circuitos

💡 Como Otimizar o Uso dos Recursos

Um cabo pode carregar múltiplas conversas simultâneas
Cada conversa fica "isolada" das outras
Três técnicas principais de separação

📻 FDM - Frequency

Cada conversa em frequência diferente
Como estações de rádio FM
Usado em telefonia analógica

⏰ TDM - Time

Cada conversa fala em momento diferente
Como semáforo com fases
Usado em telefonia digital

🌈 WDM - Wavelength

Cada conversa em "cor" diferente
Como cores do arco-íris
Usado em fibra óptica

🚗 Analogias Práticas

FDM: Estrada com faixas para carros, motos, caminhões
TDM: Cruzamento onde cada direção tem sua vez
WDM: Feixe de luz branca separado em cores

🎯 Resultado

Um único cabo físico pode carregar centenas ou milhares
de conversas simultâneas, cada uma com qualidade garantida

📋 3 Fases da Comutação de Circuitos

1️⃣ Estabelecimento do Circuito
Antes da comunicação, sistema reserva largura de banda
Procura e define o caminho físico completo
2️⃣ Transferência de Dados
Comunicação acontece pelo caminho estabelecido
Dados fluem com qualidade garantida
3️⃣ Desconexão do Circuito
Terminada a comunicação, largura de banda é liberada
Recursos ficam disponíveis para outras conexões

☎️ Exemplo Prático: Ligação Telefônica

Fase 1: Você disca, sistema busca caminho até o destinatário
Fase 2: Telefone toca, conversa acontece
Fase 3: Alguém desliga, linha fica livre para outros

⏰ Detalhe Importante

O tempo entre discar e o telefone tocar é a Fase 1
Sistema está procurando e reservando o caminho!

⚖️ Circuitos: Prós e Contras

✅ Vantagens

Qualidade garantida
Taxa constante de transmissão
Dados chegam em ordem
Previsibilidade total
Ideal para voz em tempo real
Baixa latência (depois de estabelecido)

❌ Desvantagens

Desperdício de recursos
Ineficiente durante silêncios
Recursos "presos" mesmo sem uso
Custo elevado
Setup necessário antes de transmitir
Falha no caminho = perda total

💸 O Problema do Desperdício

Durante uma ligação telefônica, há muitos momentos de silêncio
Mesmo assim, a largura de banda fica reservada
É como alugar uma estrada e não usar sempre
Recursos ficam "trancados" até alguém desligar

📊 Eficiência Real

Em conversas normais, cada pessoa fala ~40% do tempo
Ou seja, 60% da largura de banda é desperdiçada!
Mas a qualidade de voz é sempre perfeita
Conversação: "Alô" → [silêncio] → "Como vai?" → [silêncio] → "Bem!"
Largura de banda: RESERVADA durante todo o tempo!

📦 Comutação de Pacotes

Base da Internet e redes de dados
Mensagem dividida em pequenos pacotes
Não exige caminho físico dedicado
Recursos compartilhados dinamicamente

📮 Como Funciona

Dados divididos em "pacotinhos"
Cada pacote viaja independentemente
Podem seguir caminhos diferentes
Reagrupados no destino

🎯 Características

Sem reserva prévia de recursos
Largura de banda sob demanda
Store-and-forward
Tolerante a falhas

💰 Vantagens Econômicas

Melhor uso dos recursos
Sem desperdício
Tarifação por volume
Mais barato para dados

📬 Analogia dos Correios

Como enviar uma carta em várias partes
Cada parte pode seguir rota diferente, chegam fora de ordem
No destino, você reorganiza as partes

📥 Processo Store-and-Forward

Técnica fundamental da comutação de pacotes
Cada roteador recebe pacote completo
Armazena temporariamente
Decide melhor próximo destino
Encaminha para próximo roteador
1. STORE (Armazenar):
Roteador recebe pacote inteiro e guarda na memória
2. ANALYZE (Analisar):
Examina endereço de destino do pacote
3. FORWARD (Encaminhar):
Decide melhor rota e envia para próximo roteador

🏃‍♂️ Analogia da Corrida de Revezamento

Cada corredor recebe o bastão completo
Para, analisa o melhor caminho
Passa para o próximo corredor
Processo se repete até o destino final

🗺️ Roteamento Inteligente

Cada roteador tem tabela de rotas
Conhece "vizinhos" e caminhos possíveis
Escolhe rota baseada em algoritmos
Pode contornar equipamentos com problemas

⚖️ Pacotes: Prós e Contras

✅ Vantagens

Uso eficiente de recursos
Sem desperdício de largura de banda
Tolerante a falhas de equipamentos
Roteamento dinâmico
Custo menor
Escalabilidade
Flexibilidade de protocolos

❌ Desvantagens

Sem garantia de entrega imediata
Pacotes podem chegar fora de ordem
Possibilidade de atrasos (jitter)
Perda de pacotes em congestionamento
Qualidade variável
Overhead de cabeçalhos

🚦 Tolerância a Falhas

Se um roteador falha, pacotes encontram rota alternativa
Internet continua funcionando mesmo com problemas locais
Redundância natural do sistema

🛣️ Analogia do Trânsito

Como dirigir pela cidade em horário de pico
Se uma rua está congestionada, você desvia
Pode demorar mais, mas sempre há alternativa
Melhor uso das ruas disponíveis
Rota A bloqueada → Pacotes desviam para Rota B
Internet continua funcionando!

🔗 TCP vs UDP: Protocolos na Prática

💡 Como os Protocolos Implementam as Filosofias

TCP tenta dar "qualidade de circuitos" aos pacotes
UDP mantém a eficiência pura dos pacotes
Cada um serve para aplicações diferentes

🛡️ TCP - Confiável como Circuitos

Garante entrega e ordem
Retransmite pacotes perdidos
Controla fluxo e congestionamento
Conexão estabelecida antes de enviar

🎯 Usado em:

Navegação web (HTTP/HTTPS)
E-mail (SMTP, POP, IMAP)
Transferência de arquivos (FTP)
SSH, Telnet

⚡ UDP - Rápido como Pacotes Puros

Sem garantias, mas veloz
Não retransmite perdas
Sem controle de ordem
Envio direto, sem conexão

🎯 Usado em:

Jogos online
Streaming ao vivo
DNS (consultas de nomes)
Videoconferências

🎮 Exemplo Prático: Por que Games Usam UDP?

Em um jogo, se você perdeu onde estava há 100ms,
não adianta retransmitir - o importante é saber onde está AGORA!
Melhor perder um pacote do que ter atraso

🤔 Quando Usar Cada Um?

TCP: Quando dados precisam chegar completos e corretos
UDP: Quando velocidade é mais importante que perfeição

🎯 QoS: Dando "Qualidade de Circuito" aos Pacotes

💡 O Melhor dos Dois Mundos

Como dar prioridade e garantias em redes de pacotes
Simula características de circuitos quando necessário
Eficiência dos pacotes + qualidade dos circuitos

🚦 Técnicas de QoS

Priorização: Voz > vídeo > email > download
Reserva de banda: Garantir mínimo para aplicações críticas
Traffic Shaping: Suavizar rajadas de dados
MPLS: "Túneis" dedicados sobre redes de pacotes

🎯 Aplicações que PRECISAM de QoS

🎮 Jogos online: >100ms = lag insuportável
🏥 Cirurgia remota: Atraso pode ser fatal
💹 Trading financeiro: Milissegundos = milhões
🥽 VR/AR: >20ms = enjoo
📞 VoIP: Conversas empresariais

🚨 Analogia do Hospital

Emergência tem prioridade sobre consulta de rotina
UTI sempre tem leitos reservados
Ambulância não pega trânsito (faixa exclusiva)
QoS faz o mesmo com dados da rede

🌐 QoS na Prática

Seu roteador doméstico pode priorizar Netflix sobre downloads
Empresas garantem que Zoom funcione mesmo com rede congestionada

📊 Comparação: Circuitos vs Pacotes

Aspecto Comutação de Circuitos Comutação de Pacotes
Configuração inicial Obrigatória Não necessária
Caminho físico dedicado Sim Não
Pacotes mesmo caminho Sim Não
Ordem garantida Sim Não (mas TCP garante)
Reserva de largura Fixa Dinâmica
Desperdício de recursos Sim (60% em conversas) Não
Falha é fatal Sim Não
Tarifação Tempo + Distância Volume de dados
QoS Nativo Precisa ser implementado

🎯 Em Resumo

Circuitos: Qualidade garantida, mas caro e rígido
Pacotes: Eficiente e flexível, mas precisa de QoS para qualidade

🤔 Quando Usar Cada Tecnologia?

🔌 Use Comutação de Circuitos Para:

Comunicação de voz em tempo real
Videoconferências críticas
Transmissões que exigem qualidade constante
Aplicações sensíveis a atraso
Quando qualidade > custo
Ambientes controlados (empresas)

📦 Use Comutação de Pacotes Para:

Navegação na web
E-mails e mensagens
Transferência de arquivos
Redes sociais
Quando eficiência > qualidade garantida
Internet pública

🌐 Mundo Real: Convergência

VoIP: Voz sobre pacotes (Skype, WhatsApp, Teams)
Video streaming: Netflix usa pacotes + buffering
5G: Network slicing combina ambas tecnologias
SD-WAN: Redes empresariais inteligentes

🔮 Tendência Atual

Mundo caminha para "tudo sobre pacotes"
Melhorias em QoS compensam limitações
Protocolos inteligentes simulam circuitos
Custo e flexibilidade vencem na maioria dos casos

📊 Latências em Números Reais

⚡ Para Contextualizar Performance

Latência = tempo que leva para um bit sair de A e chegar em B
Medida fundamental para aplicações em tempo real
Cada tecnologia tem suas limitações físicas

📡 Latências Típicas por Tecnologia:

🌟 Fibra óptica (100km): ~0.5ms
0.5ms
📶 WiFi doméstico: ~2-5ms
5ms
📱 Bluetooth: ~40ms
40ms
📲 4G: ~50ms
50ms
🚀 5G: ~1ms
1ms

🌍 Distâncias Geográficas

Brasil - EUA: ~150ms
Brasil - Europa: ~200ms
Brasil - Japão: ~300ms
Satélite geoestacionário: ~500ms

👀 Para Comparação

Piscar de olhos: ~300ms
Reflexo humano: ~200ms
Fala humana: pause ~100ms
Limite perceção: ~20ms

🎯 Impacto nas Aplicações

Games competitivos: >50ms é desvantagem
Videoconferência: >200ms é desconfortável
Navegação web: >500ms é lento

🐌 Tipos de Atraso em Redes de Pacotes

Atrasos são inevitáveis na comutação de pacotes
Quatro tipos principais de atraso
Cada um tem causa específica

🧠 Atraso de Processamento

Tempo para examinar o pacote
Verificar erros
Decidir próximo destino
Típico: < 1ms

⏰ Atraso de Fila

Tempo esperando na fila
Depende do congestionamento
Varia muito
Pode ser: 0ms a 100ms+

📡 Atraso de Transmissão

Tempo para "empurrar" bits no cabo
Tamanho do pacote ÷ Velocidade do link
Previsível
Ex: 1500 bytes a 1Mbps = 12ms

🏃‍♂️ Atraso de Propagação

Tempo da viagem física
Distância ÷ Velocidade da luz
Limitado pela física
Ex: São Paulo-Rio = ~1ms

🏪 Analogia do Supermercado

Processamento: Caixa scaneando produtos
Fila: Esperando sua vez
Transmissão: Passando produtos pelo scanner
Propagação: Caminhando até a saída

💀 Perda de Pacotes

Roteadores têm memória limitada (buffers)
Quando buffer fica cheio, pacotes são descartados
Perda aumenta com congestionamento
Aplicações devem lidar com perdas

🔥 Causas da Perda

Buffer lotado
Congestionamento na rede
Falha de equipamentos
Interferência no meio físico
Ataques DDoS

🛠️ Como Lidar

Retransmissão automática (TCP)
Protocolos de confirmação
Controle de congestionamento
Buffering no destinatário
Forward Error Correction (FEC)

🏥 Analogia do Hospital

Sala de espera tem capacidade limitada
Se lotou, novos pacientes são dispensados
Em emergência, podem voltar depois
Hospital aumenta atendimento para reduzir fila

📊 Taxa de Perda Típica

Internet residencial: 0,1% a 1%
Redes corporativas: < 0,1%
WiFi congestionado: pode chegar a 5%
Streaming ao vivo: tolerável até 2%
Pacotes chegando → [Buffer cheio] → Pacote descartado
Aplicação detecta perda → Retransmite (TCP) ou ignora (UDP)

🚀 Vazão (Throughput)

Taxa de transferência de dados entre dois pontos
Medida em bits por segundo (bps)
Diferente da velocidade do link
Limitada pelo "gargalo" do caminho

🎯 Vazão Instantânea

Taxa em um momento específico
Varia conforme congestionamento
Pode oscilar muito
Usada para diagnóstico

📊 Vazão Média

Taxa ao longo do tempo
Mais relevante para usuários
Medida em downloads
Base para SLAs

🚰 Lei do Gargalo

Vazão fim-a-fim = velocidade do link mais lento
Como água em um cano: fluxo limitado pela parte mais estreita
Não adianta ter fibra se WiFi é lento

🏠 Exemplo Doméstico Atualizado

Internet contratada: 500 Mbps
Cabo Ethernet: 1 Gbps
WiFi 6: 300 Mbps (gargalo!)
Vazão real no WiFi: máximo 300 Mbps
Compartilhado entre todos os dispositivos
Servidor [10 Gbps] → Internet [500 Mbps] → WiFi [300 Mbps] → Seu PC
Vazão real: 300 Mbps (limitado pelo WiFi)

🚀 5G e a Convergência das Tecnologias

🌟 O Futuro que Combina Ambos os Mundos

5G usa pacotes, mas oferece garantias de circuitos
Network Slicing: múltiplas redes virtuais em uma infraestrutura
Edge Computing: processamento próximo ao usuário

🎯 Network Slicing

Fatia da rede para cada tipo de serviço
Slice para carros autônomos: ultra-baixa latência
Slice para IoT: muitos dispositivos, pouco dados
Slice para vídeo: alta largura de banda

📡 Edge Computing

Servidores próximos aos usuários
Reduz latência drasticamente
Possibilita aplicações críticas
Base para carros autônomos

🚗 Exemplo: Carro Autônomo

Precisa de latência < 1ms para frear
5G cria "slice" dedicado com garantias
Edge server no semáforo processa dados
Combina eficiência de pacotes + garantias de circuitos

📊 Comparação de Gerações

4G: 50ms latência, 100 Mbps
5G: 1ms latência, 10 Gbps
WiFi 7: Sub-ms latência, 30+ Gbps
5G = Pacotes + QoS extremo + Edge Computing
"Circuitos virtuais" sobre infraestrutura de pacotes

🌉 Softswitch: Ponte Entre Mundos

Arquitetura que combina circuitos e pacotes
Software especializado em hardware comum
Possibilita VoIP e convergência
Evolução dos sistemas telefônicos

🎭 Dupla Personalidade

Metade computador (pacotes)
Metade comutador telefônico (circuitos)
Traduz entre os dois mundos
Gateway inteligente

⚙️ Componentes

Gateway de mídia (conversão)
Controlador (lógica)
Banco de dados (endereços)
Interface de rede

📞 Funcionamento Prático

Telefone tradicional liga para celular
Softswitch converte voz em pacotes IP
Redes de pacotes transportam a voz
Outro softswitch reconverte para circuito

🔮 Importância Histórica

Permitiu migração gradual para IP
Aproveitamento da infraestrutura existente
Base para VoIP comercial
Convergência de voz e dados
Hoje evolui para SD-WAN e 5G Core
Telefone → [Circuito] → Softswitch → [Pacotes] → Internet → [Pacotes] → Softswitch → [Circuito] → Telefone

🛠️ Exercício Prático: Escolhendo a Tecnologia

🏢 Cenário: Empresa de Telemedicina

Você precisa projetar a rede para uma empresa que oferece:
Consultas por vídeo, cirurgias remotas e armazenamento de exames

📋 Requisitos por Aplicação:

🎥 Consultas: Boa qualidade, tolerante a pequenos atrasos
🏥 Cirurgia remota: Latência < 5ms, sem perda
💾 Upload exames: Grandes arquivos, sem pressa
📊 Prontuários: Dados críticos, confiabilidade total

💡 Suas Decisões:

Que tecnologia para cada aplicação?
TCP ou UDP onde?
Que tipo de QoS implementar?
Como garantir redundância?

🎯 Solução Sugerida:

Consultas: Pacotes + QoS médio + UDP (streaming)
Cirurgia: Slice 5G dedicado + Edge computing
Upload exames: Pacotes + TCP (confiabilidade)
Prontuários: Pacotes + TCP + backup múltiplo

🚨 Prioridades de QoS

1º: Cirurgia remota (crítica)
2º: Consultas (importante)
3º: Prontuários (seguro)
4º: Upload exames (quando sobrar banda)

🎓 Lição: Não existe solução única!
Cada aplicação tem necessidades diferentes e deve usar a tecnologia apropriada.

🎯 Resumo Final

Duas formas fundamentais de transportar dados

🔌 Comutação de Circuitos

Telefonia tradicional
Qualidade garantida
Recursos dedicados
Multiplexação (FDM/TDM/WDM)
Mais cara, menos eficiente

📦 Comutação de Pacotes

Internet moderna
Uso eficiente de recursos
Tolerante a falhas
TCP (confiável) vs UDP (rápido)
Mais barata, qualidade variável

🌉 O Futuro: Convergência Inteligente

QoS • 5G Network Slicing • Edge Computing
Eficiência dos pacotes + Garantias dos circuitos

🎓 Conceitos Dominados

Comutação • Multiplexação • Store-and-Forward • Atrasos
Perdas • Vazão • QoS • TCP vs UDP • Softswitch

🚀 Próximo Passo:
Entender os modelos em camadas (OSI e TCP/IP)
que organizam todos esses conceitos!

🧠 Quiz - Teste seus conhecimentos!

📝 Questão 1

Qual é a principal vantagem da comutação de circuitos?

A) Uso eficiente de recursos
B) Qualidade e taxa garantidas
C) Tolerância a falhas
D) Baixo custo

🌐 Aplicações do Mundo Real

💡 Como as Tecnologias são Usadas Hoje

Entendendo onde cada conceito se aplica na prática

🔌 Ainda Usam Circuitos:

🏦 Bancos: Transações críticas entre filiais
✈️ Aviação: Controle de tráfego aéreo
🏥 Hospitais: Equipamentos médicos críticos
🎤 Broadcasting: Transmissão ao vivo de TV
🏭 Indústria: Controle de processos críticos

📦 Migraram para Pacotes:

📞 Telefonia: VoIP (Skype, Teams, WhatsApp)
📺 TV: Netflix, YouTube, streaming
🎮 Games: Multiplayer online
🏪 Varejo: Sistemas de PDV e estoque
🎓 Educação: Aulas remotas e EAD

🌟 Casos Híbridos (Pacotes + QoS)

🚗 Carros conectados: 5G com slices dedicados
🏭 Indústria 4.0: IoT com garantias de tempo real
🏥 Telemedicina: Cirurgias remotas sobre IP
🎯 E-sports: Games profissionais com latência garantida

🔮 Tendências 2025-2030

🤖 IA distribuída: Processamento em edge com baixa latência
🥽 Metaverso: Realidade virtual/aumentada em tempo real
🚁 Drones: Controle remoto com precisão
🌐 Internet Starlink: Cobertura global via satélite
💼 Lição para a Carreira:
Entender os trade-offs ajuda a escolher a tecnologia certa
para cada problema de negócio!

📚 Referências Bibliográficas

📖 Fontes Principais:

Capítulos 1.3 e 1.4 - Redes de Computadores e a Internet
Tutorial VoIP I - Comutação de Circuito e de Pacote
Material didático oficial da disciplina

📚 Referências Acadêmicas (ABNT):

KUROSE, J. F.; ROSS, K. W. Redes de computadores e a Internet: uma abordagem top-down. 6. ed. São Paulo: Pearson, 2013.
TANENBAUM, A. S.; WETHERALL, D. Redes de computadores. 5. ed. São Paulo: Pearson, 2011.
STALLINGS, W. Comunicação de dados e redes de computadores. 10. ed. São Paulo: Pearson, 2016.
ITU-T. Recommendation Y.1541: Network performance objectives for IP-based services. Geneva: International Telecommunication Union, 2011.
IEEE. IEEE 802.11 Standard for Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications. New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2020.
POSTEL, J. RFC 793: Transmission Control Protocol. Marina del Rey: Information Sciences Institute, 1981.
POSTEL, J. RFC 768: User Datagram Protocol. Marina del Rey: Information Sciences Institute, 1980.

🌐 Organizações e Padrões:

IETF - Internet Engineering Task Force
ITU-T - International Telecommunication Union
IEEE 802 Standards Committee
3GPP - 3rd Generation Partnership Project

🔗 Conceitos Técnicos:

Quality of Service (QoS)
Voice over IP (VoIP)
Network Slicing (5G)
Software-Defined Networking (SDN)

🎯 Objetivo Educacional

Facilitar a compreensão das diferenças entre comutação
de circuitos e pacotes através de exemplos atuais e relevantes
Conectar teoria clássica com tecnologias emergentes

🎉 Parabéns!

Você Dominou Comutação de Redes!

Conceitos Aprendidos:
Circuitos • Pacotes • Multiplexação • Store-and-Forward
TCP vs UDP • QoS • Performance • 5G • Convergência

🚀 Próximos Tópicos da Disciplina:

Modelo OSI e TCP/IP em camadas
Protocolos de aplicação (HTTP, DNS, SMTP)
Camada de transporte (TCP e UDP detalhados)
Roteamento e algoritmos
Camada física e tecnologias de acesso

💼 Aplicabilidade Profissional

Arquitetura de sistemas distribuídos
Design de aplicações de rede
Troubleshooting de performance
Escolha de tecnologias adequadas

🎯 Continue Estudando!

Estes fundamentos são a base para entender
como toda a Internet funciona hoje