การสลับกลุ่มข้อมูล (Packet Switching) และการสลับวงจร (Circuit Switching)

การสลับกลุ่มข้อมูลจะส่งต่อข้อมูลในรูปแบบกลุ่มข้อมูลที่ถูกกำหนดเส้นทางอย่างอิสระและใช้ความจุของลิงก์ร่วมกันตามความต้องการ ในขณะที่การสลับวงจรจะสำรองเส้นทางเฉพาะที่มีความจุคงที่ตลอดระยะเวลาของการเชื่อมต่อ ทั้งสองวิธีนี้เป็นทางเลือกพื้นฐานในการเคลื่อนย้ายข้อมูลผ่านเครือข่าย

Definition

การสลับกลุ่มข้อมูลเป็นวิธีการที่ข้อมูลถูกแบ่งออกเป็นกลุ่มข้อมูลที่ถูกส่งต่ออย่างอิสระและใช้ความจุของลิงก์ร่วมกันในเชิงสถิติ ในขณะที่การสลับวงจรเป็นวิธีการที่สร้างเส้นทางเฉพาะแบบต้นทางถึงปลายทางพร้อมความจุที่สำรองไว้ตลอดระยะเวลาของการสื่อสารทั้งหมด

Scope

หัวข้อนี้เปรียบเทียบกระบวนทัศน์การสลับข้อมูลทั้งสองแบบ สำหรับการสลับกลุ่มข้อมูล จะครอบคลุมถึงการส่งข้อมูลแบบเก็บแล้วส่งต่อ (store-and-forward transmission), การมัลติเพล็กซ์เชิงสถิติ (statistical multiplexing), การจัดคิว (queueing) และความเป็นไปได้ที่จะเกิดความล่าช้าและการสูญหายของข้อมูล สำหรับการสลับวงจร จะครอบคลุมถึงการตั้งค่าการเชื่อมต่อ (connection setup), การสำรองทรัพยากรเฉพาะ และรูปแบบการมัลติเพล็กซ์ เช่น การแบ่งเวลา (time-division) และการแบ่งความถี่ (frequency-division) นอกจากนี้ยังอธิบายว่าทำไมอินเทอร์เน็ตจึงเลือกใช้การสลับกลุ่มข้อมูล และข้อดีข้อเสียที่ตามมา อย่างไรก็ตาม หัวข้อนี้ไม่รวมถึงโปรโตคอลการกำหนดเส้นทางที่ใช้ในการคำนวณเส้นทาง และอัลกอริทึมการจัดการคิวภายในเราเตอร์

Core questions

• การส่งข้อมูลแบบเก็บแล้วส่งต่อ (store-and-forward packet transmission) ทำงานอย่างไร และทำให้เกิดความล่าช้าอะไรบ้าง?
• การมัลติเพล็กซ์เชิงสถิติ (statistical multiplexing) คืออะไร และเหตุใดจึงช่วยเพิ่มการใช้ประโยชน์สำหรับข้อมูลแบบเป็นช่วงๆ (bursty traffic)?
• การสลับวงจรสำรองทรัพยากรอย่างไร และการตั้งค่าการเชื่อมต่อเกี่ยวข้องกับอะไรบ้าง?
• ภายใต้เงื่อนไขการจราจรแบบใดที่แต่ละกระบวนทัศน์ใช้ความจุได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่ากัน?
• เหตุใดอินเทอร์เน็ตจึงนำการสลับกลุ่มข้อมูลมาใช้ แทนที่จะเป็นการสลับวงจร?

Key concepts

• การสลับกลุ่มข้อมูล (packet switching)
• การสลับวงจร (circuit switching)
• เก็บแล้วส่งต่อ (store-and-forward)
• การมัลติเพล็กซ์เชิงสถิติ (statistical multiplexing)
• ความล่าช้าในการส่งและแพร่กระจาย (transmission and propagation delay)
• การจัดคิวและการสูญหายของกลุ่มข้อมูล (queueing and packet loss)
• การมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งเวลาและแบ่งความถี่ (time-division and frequency-division multiplexing)
• การตั้งค่าและการยกเลิกการเชื่อมต่อ (connection setup and teardown)

Key theories

การสลับกลุ่มข้อมูลแบบเก็บแล้วส่งต่อ (Store-and-forward packet switching)

สวิตช์กลุ่มข้อมูลจะรับกลุ่มข้อมูลทั้งหมดก่อนที่จะส่งต่อ ทำให้เกิดความล่าช้าในการส่งที่แต่ละฮอป กลุ่มข้อมูลจะใช้ลิงก์ร่วมกันในเชิงสถิติ ดังนั้นการใช้ประโยชน์จึงสูงภายใต้ภาระงานแบบเป็นช่วงๆ แต่ความล่าช้าในการจัดคิวและการสูญหายอาจเกิดขึ้นได้เมื่อความต้องการเกินความจุ

การสลับวงจรและการสำรองทรัพยากร (Circuit switching and resource reservation)

การสลับวงจรจะสร้างเส้นทางเฉพาะที่มีความจุรับประกันผ่านการมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งเวลาหรือแบ่งความถี่ ทำให้ได้ประสิทธิภาพที่คาดการณ์ได้โดยไม่มีการแย่งชิงต่อกลุ่มข้อมูล แต่จะสิ้นเปลืองความจุที่สำรองไว้ในช่วงเวลาที่ไม่มีการใช้งาน

เครือข่ายกลุ่มข้อมูลแบบกระจายเพื่อความอยู่รอด (Distributed packet networks for survivability)

งานวิจัยในยุคแรกเกี่ยวกับการสื่อสารแบบบล็อกข้อความแบบกระจายได้โต้แย้งว่าการแบ่งข้อมูลออกเป็นกลุ่มข้อมูลที่ถูกกำหนดเส้นทางอย่างอิสระผ่านเครือข่ายแบบตาข่ายที่ซ้ำซ้อน จะทำให้ได้เครือข่ายที่สามารถอยู่รอดได้แม้จะมีการสูญเสียโหนดหรือลิงก์แต่ละส่วน ซึ่งเป็นเหตุผลสำคัญเบื้องหลังการสลับกลุ่มข้อมูล

Clinical relevance

การเลือกระหว่างการสลับกลุ่มข้อมูลและการสลับวงจรมีผลต่อวิธีการจัดเตรียมเครือข่ายและพฤติกรรมของเครือข่ายภายใต้ภาระงาน ประสิทธิภาพของการสลับกลุ่มข้อมูลภายใต้การจราจรแบบเป็นช่วงๆ (bursty traffic) เป็นเหตุผลที่อินเทอร์เน็ตข้อมูลถูกสร้างขึ้นบนพื้นฐานนี้ ในขณะที่ความสามารถในการคาดการณ์ของความจุที่สำรองไว้ อธิบายถึงการใช้งานการสลับวงจรมาอย่างยาวนานในเครือข่ายโทรศัพท์แบบดั้งเดิม และความน่าสนใจของเทคนิคการสำรองความจุสำหรับข้อมูลที่มีความอ่อนไหวต่อความล่าช้า (latency-sensitive flows)

History

เครือข่ายโทรศัพท์ในอดีตใช้การสลับวงจร โดยจัดสรรสายเฉพาะสำหรับการโทรแต่ละครั้ง ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 พอล บาราน (Paul Baran) และ โดนัลด์ เดวีส์ (Donald Davies) ได้เสนอแนวคิดแยกข้อมูลออกเป็นกลุ่มข้อมูลที่ถูกกำหนดเส้นทางผ่านเครือข่ายแบบกระจายอย่างอิสระ โดยมีการวิเคราะห์การจัดคิวของ เลโอนาร์ด ไคลน์ร็อก (Leonard Kleinrock) เป็นพื้นฐานทางทฤษฎี เครือข่าย ARPANET ได้แสดงให้เห็นถึงการสลับกลุ่มข้อมูลในขนาดใหญ่ และกลายเป็นรากฐานของอินเทอร์เน็ตสมัยใหม่

Key figures

• Paul Baran
• Donald Davies
• Leonard Kleinrock

Seminal works

• baran1964
• kurose2021

Frequently asked questions

เหตุใดการสลับกลุ่มข้อมูลจึงมีประสิทธิภาพมากกว่าการสลับวงจรสำหรับข้อมูล?

การจราจรของข้อมูลมักจะเป็นแบบเป็นช่วงๆ โดยมีช่วงเวลาที่เงียบสงบระหว่างการถ่ายโอน การสลับกลุ่มข้อมูลช่วยให้การไหลของข้อมูลจำนวนมากสามารถใช้ความจุของลิงก์ร่วมกันตามความต้องการ ดังนั้นช่วงเวลาที่ไม่ได้ใช้งานของการไหลหนึ่งจะถูกใช้โดยการไหลอื่น การสลับวงจรจะสำรองความจุสำหรับการเชื่อมต่อทั้งหมดไม่ว่าจะมีการใช้งานหรือไม่ ซึ่งเป็นการสิ้นเปลืองความจุสำหรับการจราจรแบบเป็นช่วงๆ

การสลับวงจรยังคงมีอยู่หรือไม่?

มีอยู่ ในเชิงแนวคิด เครือข่ายโทรศัพท์แบบดั้งเดิมใช้การสลับวงจร และแนวคิดนี้ยังคงมีอยู่ในเทคโนโลยีที่สำรองความจุหรือสร้างวงจรเสมือนสำหรับบริการที่คาดการณ์ได้และมีความล่าช้าต่ำ อย่างไรก็ตาม เสียงสมัยใหม่และข้อมูลส่วนใหญ่ในปัจจุบันทำงานอยู่บนเครือข่าย IP แบบสลับกลุ่มข้อมูล