FRAMETALK: SIMULADOR PARA O ENSINO DE PROTOCOLOS ELEMENTARES E DE JANELA DESLIZANTE DA CAMADA DE ENLACE DE DADOS

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1 1 FRAMETALK: SIMULADOR PARA O ENSINO DE PROTOCOLOS ELEMENTARES E DE JANELA DESLIZANTE DA CAMADA DE ENLACE DE DADOS MOREIRA, Albert Menezes 1 RESUMO: No âmbito educacional, a informática vem se tornando uma boa solução para o melhoramento do ensino e aprendizado. Este artigo visa discorrer uma abordagem holística acerca da camada de enlace de dados e dos seus protocolos Elementares e de Janela Deslizante. Apresenta também o FrameTalk, um software educacional da área de Redes de Computadores, cujo objetivo é simular protocolos elementares e de janela deslizante. PALAVRAS-CHAVE: Redes de Computadores, Educação, Camada de Enlace de Dados, Protocolos Elementares, Protocolos de Janela Deslizante. 1. INTRODUÇÃO A utilização da informática aplicada a Educação vem crescendo nos últimos anos. O homem sempre procurou o aperfeiçoamento de suas ferramentas por meio do aprimoramento da tecnologia. Assim está embasada a história dos computadores: era descomunal a complexidade relacionada à operação de um computador, seja na parte física, seja na lógica. Cientistas especificamente capacitados eram selecionados para designar tarefas que, em suma, obtinham resultados simples em comparação ao poder de processamento de nossas máquinas atuais. Estudiosos da área educacional consideram a informática como um meio para o desenvolvimento da capacidade cognitiva, levando também a um aprendizado mais colaborativo, tendo em vista que ocorre um rompimento da relação vertical entre aluno e professor. O aprendizado com o auxílio da ferramenta computacional se torna mais prazeroso e simplificado (RIT, 2007). A área de Redes de Computadores possui diversos procedimentos que necessitam de abstração por parte do aluno para que ocorra o entendimento. A Camada de Enlace de Dados é o foco do software desenvolvido. Os protocolos Elementares e de Janela Deslizante são assuntos que os estudantes mostram dificuldade de compreensão devido aos diversos fluxos de controle. Desta maneira, objetiva-se o desenvolvimento de um software com interface simplificada e ilustrativa que sirva para o ensino e aprendizado de protocolos Elementares e de Janela Deslizante. 1 Albert Menezes Moreira é graduando do curso de Bacharelado em Sistemas de Informação da Faculdade Ruy Barbosa e realizou este artigo sob a orientação do professor Cristiano Aguiar, especialista em redes pela UNIFACS.

2 2 Este artigo propõe uma breve explicação dos conceitos relacionados a este campo do saber, a apresentação do FrameTalk como ferrramenta de ensino. Ao final, a conclusão sobre o futuro da educação aliada à informática. 2. PROTOCOLOS Ao se imaginar o número de pessoas se comunicando ao redor do mundo, a diversidade de idiomas, arquiteturas de computadores, meios de transmissão dados e softwares diferentes, seria complicado estabelecer uma ordem se não houvessem padrões, ou seja, conjuntos de regras, que por sua vez estabelecem a maneira pela qual os dados são transferidos nas rede, como são comprimidos, como são apresentados na tela e assim por diante. Existem muitos protocolos, cada um gerenciando a maneira pela qual uma tecnologia funciona. Abaixo segue a definição de protocolo na visão de Tanenbaum (2003): A camada n de uma máquina se comunica com a camada n de outra máquina. Coletivamente, as regras e convenções usadas nesse diálogo são conhecidas como protocolo da camada n. Basicamente, um protocolo é um acordo entre partes que se comunicam, estabelecendo com se dará a comunicação (TANENBAUM, 2003). No contexto deste artigo, são apresentados seis protocolos de complexidade crescente que possuem regras próprias para lidar com as estruturas de armazenamento e transporte de dados na camada de Enlace de Dados, denominadas quadros Protocolos Elementares Os três primeiros protocolos a serem apresentados são denominados elementares. Suas aplicações são voltadas para o entendimento de protocolos mais complexos, que possuem particularidades relacionadas à qualidade do canal de comunicação, meio de transmissão, disponibilidade do receptor para o envio imediato, dentre outras. Vale ressaltar também que numa situação mais realista, a camada de enlace de dados não ficará em um loop, simplesmente esperando por um evento, como será abordado nestes protocolos iniciais. Ao invés disso, receberá uma interrupção que ordena a parada de quaisquer atividades a fim de voltar as atenções para o quadro que acabou de chegar (STALLINGS, 1997) Protocolo Simplex Sem Restrições A transmissão de dados é feito em uma única direção, por isto o nome simplex. Mais à frente serão mostrados protocolos que fazem comunicação por duas vias. As camadas de rede do transmissor e receptor estão sempre prontas para receber. Isto quer dizer que não haverá possibilidade de ocorrência de transmissões que não possam ser recebidas imediatamente. O tempo de processamento é ignorado, o que quer dizer que este não influenciará, neste caso, no congestionamento de quadros no canal de comunicação. O buffer de armazenamento é infinito, descartando a possibilidade de perda de quadros por falta de espaço para guardá-los. Por fim, o canal de comunicação é perfeito: neste protocolo não há possibilidade de erros de quadros danificados nem estouro do tempo de espera (TANENBAUM, 2003).

3 Protocolo Simplex Stop-And-Wait Neste protocolo, algumas características apontadas anteriormente prevalecem, com a exceção das descritas a seguir. O buffer passa a ser finito. Desta forma, o emissor deve enviar um quadro e aguardar resposta, daí o nome Stop-And-Wait. O problema que há neste protocolo é que o emissor não tem como saber, à principio, se o receptor pode receber ou não um quadro. Para tal situação existem duas soluções: a primeira delas é a inserção de um retardo no protocolo, fazendo com que o emissor não enviasse pacotes até que este tempo se esgotasse. O problema resultante é a perda de largura de banda, visto que o meio ficará ocioso neste meio tempo. A segunda solução é o envio de um quadro para o emissor contendo apenas dados ligados à confirmação (MIR, 2006) Protocolo Simplex em um Canal com Ruído Este protocolo possui como principal característica o meio de transmissão passivo a erros. Sendo assim, pode ser que quadros enviados pelo canal de comunicação sejam danificados ou perdidos. Poderia se considerar a implementação da mesma solução utilizada no protocolo Stop-And- Wait, todavia, o quadro de confirmação poderia se perder no meio, mesmo que o quadro enviado pelo emissor tivesse sido recebido com sucesso. A maneira mais simples de resolver este problema é a inclusão de um número de seqüência em cada quadro enviado. Deste modo, o receptor verifica este número para saber se o quadro é novo ou deve ser descartado Protocolos de Janela Deslizante Nos protocolos anteriores, os quadros eram transmitidos em apenas uma direção. Em situações reais existe a necessidade de transmissão em ambas as direções. Uma maneira de alcançar a transmissão de dados full-duplex é tendo dois canais de comunicação separados, um para envio de informações e outro para confirmações. Neste caso, a banda do segundo canal é quase toda desperdiçada. Outra solução é adicionar as confirmações no quadro de envio seguinte, já que estas não podem mais ser descartadas, levando em consideração a propensão a erros do canal de comunicação. Este recurso é chamado de piggybacking, cuja vantagem é o fato de deixar o meio físico livre, acarretando em melhor utilização da largura de banda (TANENBAUM, 2003). Uma das principais características dos protocolos de janela deslizante é que o transmissor mantém um conjunto de números de seqüência que indicam os quadros, reunidos na janela de transmissão, que este pode enviar. Da mesma maneira, o receptor mantém uma janela de recepção correspondente aos dados aptos a serem aceitos. Para melhor entendimento, segue um modelo de janela deslizante:

4 4 Figura 1: Modelo de janela deslizante. Adaptado de: TANENBAUM, A figura acima representa as quatro fases da janela deslizante com base em um quadro enviado com sucesso. No estágio a, o emissor está não tem ninguém para enviar, ao passo que o receptor já aguarda o envio do quadro 0. Na fase b, depois que o quadro 0 é enviado, o emissor prossegue com este quadro para reenvio, ao passo que o receptor ainda aguarda a recepção, alcançada na letra c. Neste momento o emissor ainda aguarda a confirmação e o receptor já indica a disponibilidade de recepção do quadro 1. Na letra d, o emissor volta ao mesmo estágio da letra a, enquanto o receptor continua no mesmo estágio da letra c, aguardando o envio do quadro Protocolo de Janela Deslizante de Um Bit Este protocolo é assim chamado pois o tamanho máximo da janela é de um bit, ou seja, só são aceitos os valores 0 ou 1. Utiliza o protocolo Stop-And-Wait, ou seja, envia um quadro e aguarda a confirmação para enviar o seguinte. Outra característica é que não há combinação de erros no pacote ou por estouro de tempo que resultem na duplicação ou chegada de pacotes fora de ordem para a camada de rede (TANENBAUM, 2003) Protocolo de Janela Deslizante Volte a N Infelizmente, a solução apresentada pelo protocolo de janela deslizante de um bit possui um problema de desempenho, visto que o canal de comunicação fica ocioso enquanto não chega a confirmação. Para tal situação, o protocolo de volte a n e o de retransmissão seletiva, explicado no tópico seguinte, deixam o transmissor enviar n quadros antes que o primeiro seja confirmado. Este valor será proporcional ao tempo em que se pode enviar quadros completos antes que a janela fique cheia (MIR, 2006). Neste protocolo, todos os quadros enviados após um quadro com erro serão descartados. Por exemplo, se forem transmitidos quadros com numeração de 0 a 7 e o 4 for danificado ou perdido, o 5, 6 e 7 serão automaticamente descartados, mesmo que cheguem íntegros.

5 Protocolo de Janela Deslizante Retransmissão Seletiva Outra estratégia para ligar com os erros é permitindo que o receptor aceite e armazene os quadros subseqüentes a um quadro danificado ou perdido. Este protocolo não descarta quadros apenas porque um quadro anterior foi danificado ou perdido. Se for utilizado o exemplo do capítulo anterior, no qual o quadro 4 é danificado na transmissão, os quadros 5, 6 e 7 seriam preservados, evitando uma retransmissão. 3. O PROJETO O FrameTalk foi desenvolvido para a auxiliar na compreensão das abstrações dos protocolos elementares e de janela deslizante da camada de enlace de dados. Ele simula as ações dos protocolos citados anteriormente, bem como seus respectivos resultados por meio de uma interface auto-explicativa. O projeto de desenvolvimento está embasado no paradigma orientado a objetos, possuindo atualmente vinte e uma estruturas divididas entre os seguintes pacotes: Simples: Sete classes (incluindo uma classe abstrata) e uma interface para representar a estrutura dos protocolos simplex. JD: Oito classes (incluindo uma classe abstrata) e uma interface para representar a estrutura dos protocolos de janela deslizante. Util: Três classes utilitárias com métodos que dão suporte à implementação de ambas as classes de protocolos. Frames: Três classes que compõem a interface gráfica. App: Uma classe que possui o método que executa a aplicação. Todas as ações desempenhadas pelo FrameTalk são simuladas, por isso, não se faz necessária o estabelecimento de conexão entre dois pontos. O objetivo é simplesmente passar as informações necessárias para o entendimento do conteúdo. Para a implementação do software foi utilizada a linguagem de programação Java por possuir as seguintes características: concisa, simples, portável, compilada e orientada a objetos. O NetBeans foi selecionado como ambiente de desenvolvimento, devido à facilidade de refatoração, manipulação de código e componentes da interface gráfica. O FrameTalk foi desenvolvido no sistema operacional Windows, ainda que tenham sido feitos testes em ambientes diversificados, como Linux e FreeBSD, reafirmando a portabilidade do software. Para o melhor entendimento do FrameTalk, a abaixo enumera os componentes que formam a interface gráfica. Vale ressaltar que esta interface gráfica é referente à versão 1.5, estando sujeita a alterações posteriores.

6 6 Figura 2: Interface gráfica do FrameTalk Segue abaixo a explicação de cada um dos itens: Item 1: se refere à escolha do protocolo, estando disponíveis as seis opções explicadas nas subseções do capítulo 2. Ao clicar nesta estrutura, aparecerão abaixo as opções possíveis. Item 2: número de quadros que serão simulados pelo protocolo escolhido. Item 3: porcentagem de erro de frame. Característico de todos os protocolos que possuem um canal de comunicação sujeito a erros. Aplicável para todos depois do Simplex Stop-And-Wait. Como se trata de porcentagem, só são aceitos valores de 0 a 100.

7 7 Item 4: porcentagem de erro de propagação. Peculiar de todos os protocolos nos quais existe a possibilidade de perda do quadro, mesmo que este esteja íntegro. Item 5: abstração de dados. Recurso que desabilita a porcentagem de erros de frame ou perda de quadros, passando esta responsabilidade para o software. Quando esta opção está setada, as porcentagens são escolhidas automaticamente. Item 6: botão simular tudo. Componente que desencadeia a ação do protocolo de uma só vez. Utilizado depois que os dados sobre o protocolo são preenchidos. Item 7: botão simular passo a passo. Componente que possui características parecidas com a do botão simular tudo, mas desencadeia a ação do protocolo mostrando uma mensagem na tela a cada vez que um quadro é simulado. Item 8: quantidade de quadros enviados. Mostra a quantidade de quadros que já foram enviados desde o início da simulação. Este valor vai oscilar de acordo do o quadro que está sendo simulado. Item 9: quantidade de quadros a enviar. Apresenta características do item 8, além de apresentar na tela a quantidade de quadros que ainda devem ser enviados até que a simulação chegue ao fim. Item 10: valor do quadro atual. Mostra a numeração do quadro no dado momento. É um recurso melhor utilizado quando a simulação ocorre passo a passo. Item 11: status da transmissão e recepção. Lista que mostra toda a ação do protocolo. Item 12: interface da janela de transmissão. Demonstra as nuances da janela de transmissão, característica própria de protocolos de janela deslizante. Item 13: interface de janela de recepção. Apresenta as variabilidades da janela de recepção. É também uma peculiaridade dos protocolos de janela deslizante. Item 14: características do protocolo selecionado. Mostra na tela uma lista de particularidades do protocolo que está sendo simulado. Item 15: menu arquivo. Disponibiliza exemplos de protocolos com variáveis já preenchidas, como número de quadros e porcentagem de erros de quadro e timeout. Item 16: menu ajuda. Possui tópicos de ajuda e informações sobre o autor e a versão do software. Com a ciência dessas informações o usuário precisa preencher os campos necessários e clicar em seguida no botão simular tudo ou simular passo a passo. No caso de um protocolo que não seja de janela deslizante, alguns componentes ficarão inativos. Se por exemplo, a opção escolhida for um protocolo simplex sem restrições, os itens 3, 4, 12 e 13 estarão desabilitados. O exemplo da figura 2 é a simulação de um protocolo de Janela Deslizante de Um Bit. Depois de selecionar o protocolo, preencher o número de quadros, a porcentagem de erro de frame e timeout, o botão simular tudo foi clicado.

8 8 Os dados foram avaliados e o FrameTalk não apresentou problema algum. Em seguida foi mostrado no item 8 que três quadros foram enviados, no 9 que não falta quadro algum para ser enviado e no 10 que o valor do quadro atual era 2, já que a contagem começa de 0. Como mostrado no item 5, s porcentagens não foram abstraídas, sendo assim, o usuário deve preenchê-las. Os itens 12 e 13 mostram todas as nuances das janelas. No que pode ser visto pela figura 2, tudo ocorreu sem problemas. O item 14 retornou as características principais do protocolo de Janela Deslizante de Um Bit. No que diz respeito ao item 11 da figura 2, o canal de comunicação é bilateral, o que possibilita o envio de dados de A para B e vice-versa. Na primeira linha está sendo mostrado o estabelecimento da conexão entre o transmissor A e o receptor B. Em seguida, o quadro 0 chega ao destino sem erros, ou seja, as informações estão íntegras. Um bit de confirmação do quadro anterior, neste caso o quadro -1, é enviando com o quadro 0 por meio de piggybacking. Vale ressaltar que o valor -1 foi colocado propositadamente, embora não haja um quadro com essa numeração na simulação. Na segunda situação, expressa entre a quinta e oitava linha, B envia o quadro 1 para A e não ocorrem problemas. Entre as linhas 9 e 12 ocorre um erro de quadro. Já nas quatro linhas seguintes, ocorre um erro de timeout. Nas quatro linhas finais, o quadro 2 é transmitido e recebido com sucesso. A fim de simular os erros de quadro e timeout foi utilizado um objeto da classe Random, nativa da linguagem de programação Java. A implementação foi desenvolvida do seguinte modo: cada um dos dois tipos de erro possui uma porcentagem estipulada pelo usuário e armazenada em uma variável. Se o valor sorteado for menor ou igual à porcentagem estipulada, ocorrerá sucesso. Caso contrário, o protocolo acusará erro e o quadro deverá ser retransmitido. Já está sendo desenvolvida a versão web do FrameTalk, a fim de encurtar ainda mais as barreiras tecnológicas e captar um maior número de usuários. Desta maneira, será necessário apenas um navegador com suporte à máquina virtual Java. O desenvolvimento do FrameTalk baseia-se em padrões de projeto, visando a escalabilidade e reusabilidade do código para melhoramentos e incrementos futuros. O padrão Action já está sendo implementado. Trata-se de um encapsulamento de solicitação de comando na forma de um objeto, o que simplifica ainda mais a parte do cliente e contribui para a divisão bem definida da aplicação em modelo, controle e visão (GAMMA et al, 1994). Planeja-se também criar um módulo que propicie a comunicação entre aluno e professor, mesmo que estejam dispersos geograficamente. Será apresentada uma tela de login pela qual se definirá o tipo de usuário. Se for um professor, poderá disponibilizar um questionário a respeito dos conceitos que estão sendo tratados. O aluno, por sua vez, poderá respondê-las e reenviá-las como um mecanismo de feedback do que foi aprendido. Ao final serão gerados gráficos de desempenho baseados nas respostas. Desta maneira, o ensino poderá ser aperfeiçoado levando em consideração aquilo que os alunos mais sentem dificuldade.

9 9 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Este artigo apresentou um software que pode propiciar um maior aprendizado no que diz respeito a algumas abstrações da matéria Redes de Computadores. O FrameTalk provê subsídios para que o aluno compreenda a maneira pela qual os protocolos elementares e de janela deslizante desempenham suas funções na camada de enlace de dados. Embora os livros possuam esquemas que simplificam o entendimento, uma aplicação que simula desde o estabelecimento da conexão até o envio da confirmação (caso haja) dá uma visão mais ampla e ao mesmo tempo completa do processo. A informática na educação é uma realidade. O conhecimento torna-se um bem da sociedade e por meio deste outros surgirão. O projeto mostra o potencial que um instrumento computacional pode ter para o auxílio na elaboração de atividades que permitam ao aluno passar por um processo exploratório de construção do conhecimento. Enfim, o FrameTalk fornece técnicas inovadoras de ensino que visam tornar o ensino mais dinâmico e motivador. 5. AGRADECIMENTOS O autor agradece àqueles que contribuíram até então para a construção dessa ferramenta. Aos professores da Faculdade Ruy Barbosa Cristiano Aguiar, Edeyson Gomes, Frederico Barboza, José Maria David e Márcio Rosa, ao professor da Escola de Idiomas Yesky Fabián Trascierra, ao professor da Alliance Française Salvador Fábio Araujo, à Barbara Veloso da UFRJ e por último, mas não menos importante, Patrícia Régia Nicácio da UFMA. 6. REFERÊNCIAS GAMMA, E. Design patterns: elements of reusable object-oriented software. Addison- Wesley, KUROSE, J. F., Ross K. W. Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet. Second Edition. Addison-Wesley MIR, N. F. Computer and Communication Networks. First Edition. Prentice-Hall STALLINGS, W. Local and Metropolitan Area Networks. Prentice Hall, Fifth Edition TANENBAUM, A. Computer Networks. Fourth Edition, Prentice Hall Java 2 Standard Edition Disponível em: < Acesso em: 23/05/07. Revista de Informação e Tecnologia da UNICAMP - RIT Disponível em: < Acesso em: 22/05/07.