Comutação por Pacotes e Comutação por Circuitos

A comutação por pacotes encaminha dados em pacotes roteados independentemente que partilham a capacidade do link sob demanda, enquanto a comutação por circuitos reserva um caminho dedicado com capacidade fixa pela duração de uma conexão; os dois representam as alternativas fundamentais para mover dados através de uma rede.

Definition

Comutação por pacotes é um método no qual os dados são divididos em pacotes que são encaminhados independentemente e partilham a capacidade do link estatisticamente; comutação por circuitos é um método no qual um caminho dedicado de ponta a ponta com capacidade reservada é estabelecido para toda a duração de uma comunicação.

Scope

Este tópico compara os dois paradigmas de comutação. Para a comutação por pacotes, aborda a transmissão "store-and-forward" (armazenar e encaminhar), a multiplexação estatística, o enfileiramento e a possibilidade de atraso e perda. Para a comutação por circuitos, aborda a configuração da conexão, a reserva de recursos dedicados e os esquemas de multiplexação, como divisão por tempo e por frequência. Explica por que a Internet escolheu a comutação por pacotes e as compensações que isso implica. Exclui os protocolos de roteamento que calculam caminhos e os algoritmos de gerenciamento de fila dentro dos roteadores.

Core questions

• Como funciona a transmissão de pacotes "store-and-forward" e quais atrasos ela acarreta?
• O que é multiplexação estatística e por que ela melhora a utilização para tráfego em rajadas?
• Como a comutação por circuitos reserva recursos e o que a configuração da conexão envolve?
• Sob quais condições de tráfego cada paradigma utiliza a capacidade de forma mais eficiente?
• Por que a Internet adotou a comutação por pacotes em vez da comutação por circuitos?

Key concepts

• comutação por pacotes
• comutação por circuitos
• armazenar e encaminhar (store-and-forward)
• multiplexação estatística
• atraso de transmissão e propagação
• enfileiramento e perda de pacotes
• multiplexação por divisão de tempo e por divisão de frequência
• configuração e encerramento de conexão

Key theories

Comutação por pacotes "store-and-forward"

Um comutador de pacotes recebe um pacote inteiro antes de encaminhá-lo, introduzindo um atraso de transmissão em cada salto; os pacotes partilham os links estatisticamente, de modo que a utilização é alta sob carga em rajadas, mas o atraso de enfileiramento e a perda podem ocorrer quando a demanda excede a capacidade.

Comutação por circuitos e reserva de recursos

A comutação por circuitos estabelece um caminho dedicado com capacidade garantida via multiplexação por divisão de tempo ou frequência, proporcionando desempenho previsível sem contenção por pacote, mas desperdiçando capacidade reservada durante períodos de inatividade.

Redes de pacotes distribuídas para sobrevivência

Trabalhos iniciais sobre comunicação distribuída por blocos de mensagens argumentaram que dividir os dados em pacotes roteados independentemente sobre uma malha redundante resulta em uma rede que sobrevive à perda de nós ou links individuais, uma justificativa chave por trás da comutação por pacotes.

Clinical relevance

A escolha entre comutação por pacotes e por circuitos molda como as redes são provisionadas e como se comportam sob carga. A eficiência da comutação por pacotes sob tráfego "bursty" (em rajadas) é a razão pela qual a Internet de dados é construída sobre ela, enquanto a previsibilidade da capacidade reservada explica o longo uso da comutação por circuitos na rede telefônica tradicional e o apelo das técnicas de reserva de capacidade para fluxos sensíveis à latência.

History

A rede telefônica foi historicamente comutada por circuitos, dedicando uma linha por chamada. No início da década de 1960, Paul Baran e, independentemente, Donald Davies propuseram dividir os dados em pacotes roteados por uma rede distribuída, com a análise de enfileiramento de Leonard Kleinrock fornecendo a base teórica. A ARPANET demonstrou a comutação por pacotes em escala, e esta se tornou a base da Internet moderna.

Key figures

• Paul Baran
• Donald Davies
• Leonard Kleinrock

Seminal works

• baran1964
• kurose2021

Frequently asked questions

Por que a comutação por pacotes é mais eficiente que a comutação por circuitos para dados?

O tráfego de dados é tipicamente em rajadas, com períodos de inatividade entre as transferências. A comutação por pacotes permite que muitos fluxos partilhem a capacidade do link sob demanda, de modo que os momentos ociosos de um fluxo são usados por outro. A comutação por circuitos reserva capacidade para toda a conexão, seja ela utilizada ou não, o que desperdiça capacidade para tráfego em rajadas.

A comutação por circuitos ainda existe?

Sim, em conceito. A rede telefônica tradicional era comutada por circuitos, e a ideia persiste em tecnologias que reservam capacidade ou constroem circuitos virtuais para um serviço previsível e de baixa latência. Mesmo assim, a voz moderna e a maioria dos dados agora trafegam por redes IP comutadas por pacotes.