Пакетная коммутация и коммутация каналов

Пакетная коммутация пересылает данные в независимо маршрутизируемых пакетах, которые совместно используют пропускную способность канала по требованию, в то время как коммутация каналов резервирует выделенный путь с фиксированной пропускной способностью на время соединения; эти два подхода представляют собой фундаментальные альтернативы для перемещения данных по сети.

Definition

Пакетная коммутация — это метод, при котором данные делятся на пакеты, которые пересылаются независимо и статистически совместно используют пропускную способность канала; коммутация каналов — это метод, при котором для всей продолжительности связи устанавливается выделенный сквозной путь с зарезервированной пропускной способностью.

Scope

Эта тема сравнивает две парадигмы коммутации. Для пакетной коммутации рассматриваются передача с промежуточным хранением, статистическое мультиплексирование, очереди и возможность задержек и потерь. Для коммутации каналов рассматриваются установка соединения, резервирование выделенных ресурсов и схемы мультиплексирования, такие как временное и частотное разделение. Объясняется, почему Интернет выбрал пакетную коммутацию и какие компромиссы это влечет за собой. Исключаются протоколы маршрутизации, которые вычисляют пути, и алгоритмы управления очередями внутри маршрутизаторов.

Core questions

• Как работает пакетная передача с промежуточным хранением и какие задержки она вызывает?
• Что такое статистическое мультиплексирование и почему оно повышает утилизацию для пульсирующего трафика?
• Как коммутация каналов резервирует ресурсы и что включает в себя установка соединения?
• При каких условиях трафика каждая парадигма использует пропускную способность более эффективно?
• Почему Интернет принял пакетную коммутацию, а не коммутацию каналов?

Key concepts

• пакетная коммутация
• коммутация каналов
• промежуточное хранение и передача
• статистическое мультиплексирование
• задержка передачи и распространения
• очереди и потеря пакетов
• временное и частотное мультиплексирование
• установка и разрыв соединения

Key theories

Пакетная коммутация с промежуточным хранением

Пакетный коммутатор принимает весь пакет перед его пересылкой, что приводит к задержке передачи на каждом переходе; пакеты совместно используют каналы статистически, поэтому утилизация высока при пульсирующей нагрузке, но задержка в очереди и потери могут произойти, когда спрос превышает пропускную способность.

Коммутация каналов и резервирование ресурсов

Коммутация каналов устанавливает выделенный путь с гарантированной пропускной способностью посредством временного или частотного мультиплексирования, обеспечивая предсказуемую производительность без конкуренции за пакеты, но растрачивая зарезервированную пропускную способность в периоды простоя.

Распределенные пакетные сети для живучести

Ранние работы по распределенной, блочно-сообщенческой связи утверждали, что разбиение данных на пакеты, маршрутизируемые независимо по избыточной сетке, создает сеть, которая выживает при потере отдельных узлов или каналов, что является ключевым обоснованием пакетной коммутации.

Clinical relevance

Выбор между пакетной коммутацией и коммутацией каналов определяет, как сети обеспечиваются ресурсами и как они ведут себя под нагрузкой. Эффективность пакетной коммутации при пульсирующем трафике является причиной того, что на ней построен Интернет данных, в то время как предсказуемость зарезервированной пропускной способности объясняет длительное использование коммутации каналов в традиционной телефонной сети и привлекательность методов резервирования пропускной способности для потоков, чувствительных к задержкам.

History

Телефонная сеть исторически использовала коммутацию каналов, выделяя линию на каждый вызов. В начале 1960-х годов Пол Баран и, независимо, Дональд Дэвис предложили разбивать данные на пакеты, маршрутизируемые по распределенной сети, при этом анализ очередей Леонарда Клейнрока обеспечил теоретическое обоснование. ARPANET продемонстрировала пакетную коммутацию в масштабе, и она стала основой современного Интернета.

Key figures

• Paul Baran
• Donald Davies
• Leonard Kleinrock

Seminal works

• baran1964
• kurose2021

Frequently asked questions

Почему пакетная коммутация более эффективна, чем коммутация каналов для передачи данных?

Трафик данных обычно является пульсирующим, с периодами затишья между передачами. Пакетная коммутация позволяет многим потокам совместно использовать пропускную способность канала по требованию, поэтому моменты простоя одного потока используются другим. Коммутация каналов резервирует пропускную способность для всего соединения независимо от того, используется оно или нет, что приводит к растрате пропускной способности для пульсирующего трафика.

Существует ли коммутация каналов до сих пор?

Да, в концепции. Традиционная телефонная сеть использовала коммутацию каналов, и эта идея сохраняется в технологиях, которые резервируют пропускную способность или создают виртуальные каналы для предсказуемого обслуживания с низкой задержкой. Тем не менее, современная голосовая связь и большинство данных теперь передаются по пакетным IP-сетям.