TCP/IP & Sockets

O que é TCP/IP?

TCP/IP é o conjunto de protocolos que sustenta a internet. O IP é responsável pelo endereçamento e roteamento de pacotes entre hosts; o TCP atua acima dele, transformando esses pacotes não confiáveis em um fluxo de bytes ordenado e confiável. Juntos, eles formam a camada de transporte sob o HTTP, bancos de dados, e-mail, WebSockets e quase tudo mais que seu servidor faz.

Raramente você escreverá código TCP diretamente, mas entendê-lo explica muita coisa: por que as conexões são caras, por que o keep-alive é importante, por que um pool de banco de dados tem um limite de tamanho e por que parte do tráfego utiliza UDP em vez disso.

O modelo de camadas

O networking geralmente é descrito em camadas, onde cada uma cuida de uma função específica:

Cada camada utiliza a camada logo abaixo dela. O HTTP não sabe se está trafegando via Ethernet ou Wi-Fi; ele confia no TCP para entregar os bytes, que por sua vez confia no IP para mover os pacotes. Essa separação é o motivo pelo qual a internet consegue suportar tantos tipos diferentes de tráfego.

Endereços IP e portas

Um endereço IP identifica um host, e uma porta identifica um serviço nesse host. Juntos, eles formam um endereço de socket, como 203.0.113.10:443.

• Endereços IPv4 possuem 32 bits (203.0.113.10); endereços IPv6 possuem 128 bits e são escritos em hexadecimal.
• Portas abaixo de 1024 são reservadas para serviços conhecidos (well-known services).
• Clientes recebem uma porta efêmera durante o tempo de vida de uma conexão.
• Uma conexão é identificada de forma única pela tupla completa: endereço de origem, porta de origem, endereço de destino e porta de destino.

Essa tupla é o motivo pelo qual um servidor consegue aceitar milhares de conexões na porta 443 simultaneamente: a porta de origem de cada cliente é diferente.

O three-way handshake

Antes que qualquer dado flua, o TCP estabelece uma conexão em três etapas:

1. O cliente envia um SYN com seu número de sequência inicial.
2. O servidor responde com um SYN-ACK, confirmando o recebimento do cliente e enviando seu próprio número de sequência.
3. O cliente envia um ACK, e a conexão é estabelecida.

Isso custa um round trip antes do primeiro byte de dados da aplicação, o que representa um custo real de latência. O TLS adiciona outro round trip (ou dois), e o DNS pode adicionar mais um antes disso. O reuso de conexão existe especificamente para evitar pagar esses custos repetidamente.

Confiabilidade e controle de fluxo

O TCP garante a confiabilidade por meio de alguns mecanismos:

• Números de sequência ordenam os bytes, permitindo que o receptor os remonte corretamente.
• Acknowledgements confirmam o recebimento, e dados não confirmados são retransmitidos.
• Checksums detectam corrupção de dados.
• Controle de fluxo utiliza uma janela de recebimento para que um remetente rápido não sobrecarregue um receptor lento.
• Controle de congestionamento adapta a taxa de envio à rede, evitando o colapso.

O resultado é um fluxo de bytes que chega completo e em ordem, ao custo de certa latência e overhead.

UDP: a alternativa rápida

O UDP não é orientado à conexão. Ele envia datagramas sem handshake, sem ordenação e sem retransmissão. Isso pode parecer pior, mas para algumas cargas de trabalho é a melhor opção:

• A latência importa mais do que a perfeição: vídeo ao vivo, voz e jogos preferem um frame perdido a um frame atrasado.
• A aplicação gerencia a confiabilidade: o QUIC, que alimenta o HTTP/3, constrói sua própria camada de confiabilidade sobre o UDP.
• Consultas pequenas e stateless: o DNS tradicionalmente usa UDP porque uma única requisição e resposta cabem em um único datagrama.

Escolha TCP quando a precisão e a ordenação forem fundamentais, e UDP quando você precisar de velocidade e puder tolerar perdas.

Sockets no Node.js

O Node expõe TCP através do node:net e UDP através do node:dgram. Um servidor TCP fornece a você um socket por conexão.

// echo.js
import { createServer } from "node:net";

const server = createServer((socket) => {
  socket.setKeepAlive(true, 10_000);
  socket.setTimeout(30_000);
  socket.on("timeout", () => socket.destroy());

  socket.on("data", (data) => socket.write(data));
  socket.on("error", (err) => console.error(err));
});

server.listen(9000);

Sockets são streams: você lê eventos data e escreve com socket.write(). Como o TCP é um fluxo de bytes sem limites de mensagem, os protocolos de aplicação devem definir seu próprio enquadramento (framing), e é por isso que o HTTP possui headers com comprimentos de conteúdo e o WebSockets possui frames.

Ciclo de vida e ajuste de conexão

• Keep-alive reutiliza conexões, evitando o handshake em cada requisição.
• Pools limitam o número de conexões simultâneas a um banco de dados ou serviço.
• Timeouts fecham conexões ociosas ou travadas para que os recursos sejam liberados.
• TIME_WAIT é um estado normal após o fechamento, mas o excesso de conexões de curta duração pode esgotar as portas.
• Backpressure: socket.write() retorna false quando o buffer está cheio, e você deve aguardar por drain.

A maior parte do ajuste em produção consiste em reutilizar conexões e limitar a concorrência, e não em alterar parâmetros do kernel.

Melhores práticas

• Reutilize conexões com keep-alive ou um pool.
• Configure timeouts e keep-alive em conexões de longa duração.
• Limite a concorrência para não esgotar sockets ou descritores de arquivo (file descriptors).
• Trate erros e backpressure em cada socket.
• Use TCP, a menos que tenha um motivo específico para usar UDP.
• Entenda que o TCP é um fluxo de bytes (byte stream) e defina seu próprio framing.
• Monitore o TIME_WAIT e a contagem de conexões como um sinal de rotatividade de conexões (connection churn).

Erros comuns

• Abrir uma nova conexão para cada requisição.
• Presumir que o TCP preserva os limites das mensagens (message boundaries).
• Ignorar o backpressure de socket.write() e fazer o buffering de dados ilimitados.
• Manter conexões de longa duração sem keep-alive ou timeouts.
• Definir tamanhos de pool muito maiores do que o banco de dados consegue suportar.
• Optar por UDP quando a confiabilidade é realmente importante.

Próximos passos

O TCP/IP é a camada sobre a qual tudo mais é construído. Avance com o guia de HTTP, entenda os fundamentos de rede em Como a Internet Funciona e explore conexões persistentes com WebSockets. Depois, inspecione conexões reais na sua máquina com ss ou netstat enquanto seu servidor processa o tráfego.