PDU em Cada Camada (Bits, Quadros, Pacotes, Segmentos, Dados)

1. O que é uma PDU

PDU (Protocol Data Unit) é a unidade de dados trocada entre entidades pares (peer entities) de uma mesma camada. Toda PDU é composta por:

Onde:

• PCI (Protocol Control Information): o cabeçalho (e às vezes trailer) que a camada N adiciona.
• SDU (Service Data Unit): o payload vindo da camada superior (N+1), que é a PDU_{N+1}.

Em linguagem simples: a PDU é o "envelope" completo que cada camada manipula, contendo tanto os dados do usuário quanto os metadados de controle daquela camada.

2. Nomenclatura das PDUs por Camada OSI

As camadas 5, 6 e 7 não agregam cabeçalhos em formatos de rede comuns (TCP/IP), então suas PDUs continuam chamadas genericamente de Dados. Em pilhas OSI puras (X.25, X.400), cada uma tem seu cabeçalho, mas isso é raro hoje.

3. PDU na Camada 1 — Bit

A unidade fundamental da comunicação: o bit (0 ou 1). Na camada física, bits são codificados como sinais elétricos (tensão), ópticos (pulso de luz) ou de rádio (modulação).

Codificações de Linha

• NRZ (Non-Return to Zero): nível alto = 1, nível baixo = 0. Problema: longas sequências de 0s ou 1s perdem sincronismo de clock.
• Manchester: transição no meio do bit: 0 = low→high, 1 = high→low. Usado em Ethernet 10BASE-T.
• 4B/5B: cada 4 bits codificados em 5, garantindo transições suficientes. Usado em Fast Ethernet 100BASE-TX.
• 8B/10B: 8 bits → 10 bits, com balanceamento DC. Gigabit Ethernet (1000BASE-X).
• 64B/66B: usado em 10G+ Ethernet.
• PAM-5: múltiplos níveis por símbolo. 1000BASE-T usa PAM-5 em 4 pares.

4. PDU na Camada 2 — Quadro (Frame)

O quadro é a unidade básica de entrega em um segmento local (LAN). Estrutura genérica Ethernet:

+---------+---------+---------+----------+--------+---------+
| Preâmb. | SFD 8B  | Dest 6B | Origem 6B | Tipo   | Dados   | FCS |
| 7 bytes | 1 byte  | MAC     | MAC       | 2 bytes| 46-1500 | 4B  |
+---------+---------+---------+----------+--------+---------+-----+

Campos do Quadro Ethernet (IEEE 802.3)

MTU Ethernet: 1500 bytes de payload. Frames jumbo (até 9000 bytes) são comuns em datacenters. Outros tipos de quadro: Wi-Fi 802.11 (4 endereços MAC), PPP (links seriais), Frame Relay/HDLC/ATM (WANs legadas).

5. PDU na Camada 3 — Pacote (Packet)

O pacote IP é a unidade de roteamento na internet. Estrutura do cabeçalho IPv4 (RFC 791):

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|Version|  IHL  |    TOS/DS     |         Total Length          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|         Identification        |Flags|    Fragment Offset      |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  TTL  |    Protocol           |       Header Checksum         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       Source Address                          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    Destination Address                       |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Campos do Cabeçalho IPv4

Em IPv6, o cabeçalho é fixo de 40 bytes, sem checksum de cabeçalho, sem fragmentação no roteador intermediário.

6. PDU na Camada 4 — Segmento (TCP)

Cabeçalho TCP (RFC 793), mínimo 20 bytes, com portas, seq/ack, flags (URG/ACK/PSH/RST/SYN/FIN), window, checksum e urgent pointer. Estrutura simplificada:

+--------+--------+--------+--------+
| Source Port    | Destination Port |
+--------+--------+--------+--------+
| Sequence Number                 |
+--------+--------+--------+--------+
| Acknowledgment Number           |
+--------+--------+--------+--------+
| DataOffset|Flags| Window          |
+--------+--------+--------+--------+
| Checksum       | Urgent Pointer  |
+--------+--------+--------+--------+
| Options (if any) ...             |
+--------+--------+--------+--------+

7. PDU na Camada 4 — Datagrama (UDP)

Cabeçalho UDP (RFC 768), fixo em 8 bytes:

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          Source Port          |       Destination Port        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|            Length             |           Checksum            |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                             Data                             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

UDP é simples: 4 campos de 2 bytes. Sem confiabilidade, sem controle de fluxo, sem retransmissão.

8. Encapsulamento Prático

Quando uma aplicação envia dados via TCP/IP sobre Ethernet:

[App] Dado = "Hello"
   v  [TCP] adiciona cabeçalho (20B) -> Segmento TCP
   v  [IP]  adiciona cabeçalho (20B) -> Pacote IP
   v  [Eth] adiciona cabeçalho (14B) + trailer (4B FCS) -> Quadro
   v  [PHY] bits no cabo

Para uma mensagem HTTP GET de 500 bytes sobre TCP/IP/Eth, o quadro Ethernet carrega 500 + 20 + 20 + 18 = 558 bytes (mais preâmbulo se contar L1).

9. Desencapsulamento no Receptor

Cada camada lê seu cabeçalho, age conforme necessário, e entrega o payload à camada superior:

[PHY] bits -> quadro
   v  [Eth] verifica MAC destino e FCS -> descarta trailer -> entrega payload a IP
   v  [IP]  verifica IP destino e checksum -> decrementa TTL (no router) -> entrega a TCP
   v  [TCP] processa flags (ACK, SYN), reordena por seq -> entrega dados à app
   v  [App] recebe "Hello"

10. Tabela Completa de PDUs

11. Conclusão

Compreender as PDUs é a chave para entender qualquer captura de rede. Quando um tcpdump ou Wireshark mostra um pacote, está mostrando o resultado do desencapsulamento em camadas: quadro Ethernet contém pacote IP, que contém segmento TCP, que contém dados HTTP. Saber que cada camada agrega 20-60 bytes de overhead permite calcular overhead, escolher MTU adequada e otimizar comunicações — especialmente importantes em IoT, satélite e redes móveis onde cada byte conta.