Velocidades sem limite: a evolução da banda larga

Quando o assunto é internet, algo que todos concordam é que, quanto maior a largura de banda disponível, melhor a experiência do usuário. Afinal, uma maior capacidade de transmissão de dados significa downloads mais rápidos e acesso a uma quantidade vasta de conteúdos em menos tempo.

O que nem todos sabem é que todos os aumentos de velocidade testemunhados nas últimas décadas são resultados de um trabalho iniciado na década de 1970. Falar da evolução das velocidades de conexão é contar a história do padrão Ethernet, criado há mais de 30 anos com o objetivo de facilitar a comunicação entre múltiplos computadores.

Neste artigo, expomos alguns detalhes sobre a tecnologia, sua história e os desenvolvimentos futuros. Note que as informações contidas são apresentadas de forma resumida, já que diversos pontos da tecnologia possuem detalhes suficientes para justificar a criação de artigos específicos.

Um produto Xerox

O padrão Ethernet foi desenvolvido no centro de pesquisa da Xerox em Palo Alto, na Califórnia. O responsável pelo projeto é Bob Metcalfe, que em 1973 enviou um memorando a seus chefes no qual destaca o potencial da tecnologia para redes locais.

O nome Ethernet tem como origem o éter luminoso presente na natureza, considerado por físicos do século XIX como o meio pelo qual as ondas eletromagnéticas se propagavam.

Somente em 1980 a tecnologia ganhou força, após a empresa unir esforços com a DEC e a Intel no desenvolvimento de uma especificação Ethernet de 10 Mbps. Além de aumentar a velocidade com que os dados eram enviados, o novo padrão corrigia vários dos bugs presentes na versão anterior, que possui velocidade de somente 3 Mbps.

Na época, a tecnologia possuía dois grandes competidores: a token ring e a ARCNET. Os fatores mais importantes para o sucesso da Ethernet foram o apoio de empresas de renome e o fato de que a tecnologia apresentava uma maior velocidade, acompanhada por um número menor de restrições em relação aos concorrentes.

Como funciona a tecnologia?

O padrão Ethernet é baseado na ideia de diversos pontos de uma rede enviando mensagens entre si. Cada ponta dos cabos utilizados possui uma chave de 48 bits globalmente única, conhecida como endereço MAC, forma de garantir que todos os sistemas da rede possuam endereços distintos.

Para evitar a colisão de pacotes, o padrão checa se o canal está inativo, para só então iniciar a transmissão dos dados. Caso mesmo assim ocorra algum problema, o sistema envia um sinal alertando sobre o acúmulo excessivo de informações na rede.

A partir desse momento, todos os lados envolvidos na colisão iniciam novamente o envio dos pacotes. Para evitar que novos problemas ocorram, a Ethernet usa um sistema que determina um tempo de espera para que o processo ocorra novamente nas máquinas conectadas à rede.

Caso os pacotes colidam novamente, o sistema determina intervalos de tempo que se multiplicam por dois a cada nova tentativa. Por exemplo: na primeira colisão, os tempos de espera são de 0 e 1 segundos, o que resulta em chances de 50% do problema voltar a ocorrer. Caso isso aconteça, são determinados tempos de espera de 0, 1, 2 e 3 segundos, o que aumenta as chances de sucesso para 75%.

Após 16 colisões seguidas, a rede desiste do processo e joga fora o pacote. No começo, havia muitas dúvidas quando à efetividade da tecnologia, porém, já em 1976 um trabalho de Bob Metcalfe e David Boggs provou que a eficiência na transmissão de dados chegava a 95%, mesmo em redes com um grande número de máquinas.

Cabeamento

No início, a Ethernet utilizava cabos coaxiais de 9,5 mm para estabelecer as conexões entre diferentes computadores. Devido à necessidade de se adaptar a redes domésticas e aproveitar o cabeamento já existente, foi desenvolvido um novo padrão mais fino, semelhante ao utilizado para o acesso à televisão a cabo.

Durante a história da tecnologia, diversas adaptações tiveram que ser feitas para possibilitar uma maior velocidade no avanço dos cabos. Atualmente, a maioria dos sistemas Ethernet utiliza o padrão 100BASE-T, que permite o uso de switches com velocidades variadas e comunicações Full Duplex, que possibilitam o envio e recebimento de dados em dois sentidos.

Padrão em constante evolução

Apesar de 10 Mbps representarem uma velocidade absurda na década de 1980, 10 anos depois não parecia mais algo tão interessante e rápido. Felizmente, na época já havia sido desenvolvida uma tecnologia dez vezes mais rápida, a Fiber Distributed Data Interface (FDDI).

O FDDI é uma rede em forma de anel capaz de alcançar velocidades de até 100 Mbps, com suporte a um segundo anel redundante que entra em ação caso o principal deixe de funcionar. Apesar de se diferenciar bastante do padrão Ethernet, a troca de pacotes entre as duas tecnologias é possível através do uso de pontes de comunicação.

Tais pontes são conectadas a múltiplos segmentos LAN, e são capazes de detectar os endereços usados por cada um deles. Uma das principais vantagens da tecnologia é o fato de que comunicações e colisões locais ficam restritas às redes em que acontecem, sem prejudicar a estrutura geral. Além disso, os pacotes enviados possuem liberdade total para trafegar livremente entre os diferentes locais conectados.

Apesar de ser útil para conectar múltiplos segmentos e servidores, a FDDI sofria com os mesmos problemas dos cabos coaxiais: se um ponto fosse desconectado, toda a rede caía. Somado aos custos elevados, foi necessário o desenvolvimento de um novo padrão, conhecido como Fast Ethernet.

Fast Ethernet

Emprestando a codificação 4B/5B MLT-3 da CDDI, em 1995 foi lançada a norma 802.3u, resultando no padrão 100BASE-T de Ethernet a 100 Mbps. A principal vantagem da tecnologia é manter intactas características como tamanho máximo dos pacotes enviados e o mecanismo de controle de acesso CSMA/CD.

A principal diferença está na taxa de transmissão de dados, que podem ser enviados com velocidades 10 vezes mais rápidas do que o padrão original. Outro destaque é a capacidade de alcançar até 200 Mbps na Fast Ethernet Full Duplex, algo que só é possível caso o tráfego de dados entre dois pontos seja totalmente simétrico.

Gigabit Ethernet

Em 1997, a Fast Ethernet foi superada por um novo padrão capaz de entregar velocidades de conexão de 1 Gbps. Assim como a tecnologia que a precede, a Gigabit Ethernet pega emprestadas características de um competidor para possibilitar tamanho salto tecnológico.

A escolhida dessa vez foi a Fibre Channel, tecnologia usada principalmente em redes de armazenamento de dados. A migração para a tecnologia Gigabit não exige grandes investimentos, já que as especificações técnicas se mantêm as mesmas das versões anteriores.

A rede Gigabit Ethernet suporta transmissões tanto no modo Half Duplex quanto em Full Duplex, dependendo do modo como é configurada. A principal mudança da tecnologia foi a introdução de um recurso conhecido como frame burst, através da qual uma estação pode transmitir diversos pacotes para o meio físico sem perder o controle.

O que o futuro nos reserva?

Atualmente, já está sendo desenvolvido o padrão Gigabit Ethernet de 100 Gbps, algo que se mostra especialmente desafiador devido à dificuldade em manter a forma dos pulsos de lasers transmitidos por fibra ótica. Dessa forma, a tecnologia está em um estado em que só funciona de forma eficiente em curtas distâncias e ainda está longe de ficar disponível ao grande público.

O principal problema enfrentado para o avanço da Ethernet é sua retrocompatibilidade. Como durante os anos o tamanho máximo dos pacotes enviados permaneceu exatamente o mesmo, uma mudança nesse sentido faria com que milhões de pessoas perdessem o acesso à internet. Isso traz como consequência o subaproveitamento das velocidades de conexão disponíveis atualmente, que perdem muito tempo com o envio de milhões de pacotes que atualmente são considerados minúsculos.

O futuro aponta para um caminho semelhante ao usado no desenvolvimento de CPUs modernas, com o uso de cabos capazes de enviar sinais de forma paralela. Outra esperança é o uso da tecnologia DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing), que usa uma única fibra ótica para a transmissão de dados através de lasers com comprimentos de onda ligeiramente diferentes entre si, técnica amplamente usada pelos cabos de transmissão submarinos.