パケット交換と回線交換

パケット交換は、独立してルーティングされるパケットでデータを転送し、オンデマンドでリンク容量を共有する一方、回線交換は、接続期間中、固定容量の専用パスを予約します。これら2つは、ネットワークを介してデータを移動させるための基本的な代替手段を表しています。

Definition

パケット交換とは、データがパケットに分割され、独立して転送され、リンク容量を統計的に共有する方法であり、回線交換とは、通信の全期間にわたって、予約された容量を持つ専用のエンドツーエンドパスが確立される方法です。

Scope

このトピックでは、これら2つの交換パラダイムを比較します。パケット交換については、ストア＆フォワード転送、統計的多重化、キューイング、および遅延と損失の可能性について説明します。回線交換については、接続設定、専用リソース予約、および時分割多重化や周波数分割多重化などの多重化方式について説明します。インターネットがパケット交換を選択した理由と、それがもたらすトレードオフについても説明します。パスを計算するルーティングプロトコルや、ルーター内のキュー管理アルゴリズムは対象外とします。

Core questions

• ストア＆フォワードパケット転送はどのように機能し、どのような遅延が発生しますか？
• 統計的多重化とは何ですか、またバースト性トラフィックの利用率を向上させるのはなぜですか？
• 回線交換はどのようにリソースを予約し、接続設定には何が含まれますか？
• どのようなトラフィック条件下で、各パラダイムは容量をより効率的に使用しますか？
• インターネットはなぜ回線交換ではなくパケット交換を採用したのですか？

Key concepts

• パケット交換
• 回線交換
• ストア＆フォワード
• 統計的多重化
• 伝送遅延と伝播遅延
• キューイングとパケット損失
• 時分割多重化と周波数分割多重化
• 接続設定と切断

Key theories

ストア＆フォワードパケット交換

パケットスイッチは、パケット全体を受信してから転送するため、各ホップで伝送遅延が発生します。パケットはリンクを統計的に共有するため、バースト性負荷の下では利用率が高くなりますが、需要が容量を超えるとキューイング遅延や損失が発生する可能性があります。

回線交換とリソース予約

回線交換は、時分割多重化または周波数分割多重化を介して、保証された容量を持つ専用パスを確立し、パケットごとの競合なしに予測可能なパフォーマンスを提供しますが、アイドル期間中には予約された容量が無駄になります。

生存性のための分散パケットネットワーク

分散型メッセージブロック通信に関する初期の研究では、データをパケットに分割し、冗長なメッシュを介して独立してルーティングすることで、個々のノードやリンクの損失に耐えるネットワークが構築されると主張されており、これはパケット交換の重要な根拠となっています。

Clinical relevance

パケット交換と回線交換の選択は、ネットワークがどのようにプロビジョニングされ、負荷の下でどのように動作するかに影響を与えます。バースト性トラフィック下でのパケット交換の効率性は、データインターネットがパケット交換に基づいて構築されている理由であり、予約された容量の予測可能性は、従来の電話ネットワークにおける回線交換の長年の使用と、低遅延フローに対する容量予約技術の魅力の理由を説明しています。

History

電話網は歴史的に回線交換方式であり、通話ごとに回線を専用に割り当てていました。1960年代初頭、ポール・バランと、独立してドナルド・デイビスが、データをパケットに分割し、分散ネットワークを介してルーティングすることを提案し、レナード・クラインロックのキューイング分析が理論的根拠を提供しました。ARPANETは大規模なパケット交換を実証し、それが現代のインターネットの基盤となりました。

Key figures

• Paul Baran
• Donald Davies
• Leonard Kleinrock

Seminal works

• baran1964
• kurose2021

Frequently asked questions

なぜパケット交換はデータにとって回線交換よりも効率的なのですか？

データトラフィックは通常、転送の間に静止期間があるバースト性です。パケット交換は、多くのフローがオンデマンドでリンク容量を共有することを可能にするため、あるフローのアイドル時間は別のフローによって利用されます。回線交換は、使用されているかどうかにかかわらず、接続全体のために容量を予約するため、バースト性トラフィックにとっては容量が無駄になります。

回線交換はまだ存在しますか？

はい、概念的には存在します。従来の電話網は回線交換方式であり、予測可能で低遅延のサービスのために容量を予約したり仮想回線を構築したりする技術にその考え方が残っています。それでも、現代の音声通信とほとんどのデータは、現在ではパケット交換IPネットワーク上を流れています。