Коммутация пакетов отличается от коммутации сообщений лишь тем, что каждое сообщение в сети разбивается на блоки фиксированной длины Ln= const (кроме последнего блока: LK<Ln), называемых пакетами (рис. 1.29), каждый из которых имеет структуру аналогичную структуре сообщений: заголовок, текст и, возможно, концевик. При этом, заголовки всех пакетов одного и того же сообщения содержат одни и те же адреса назначения и источника. Каждый пакет сообщения передаётся в сети как независимый блок данных в соответствии с адресом назначения, указанным в заголовке.
Коммутация пакетов по сравнению с коммутацией сообщении позволяет реализовать более эффективную передачу данных за счёт следующих присущих ей достоинств:
• меньшее время доставки сообщения в сети;
• более эффективное использование буферной памяти в узлах;
• более эффективная организация надёжной передачи данных;
• среда передачи не монополизируется одним сообщением на длительное время;
• задержка пакетов в узлах меньше, чем задержка сообщений. Рассмотрим каждое из перечисленных достоинств более подробно. Уменьшение времени доставки сообщенийпри коммутации пакетов достигается за счёт параллельной передачи пакетов по каналам связи. Покажем это на следующем примере.
Положим, что сообщение длиной L передаётся от абонента А1 к абоненту А2 в сети с коммутацией сообщений так, как это показано на рис.1.28. В процессе передачи сообщение проходит через К каналов связи с одинаковыми пропускными способностями промежуточных узла. Время передачи сообщения длиной L в одном канале с пропускной способностью Скс будет равно: .
Пренебрегая временем распространения сигнала в канале связи и задержкой сообщения в узлах, определим время доставки сообщения от абонента А1 к абоненту А2:Положим теперь, что в рассматриваемой сети реализован принцип коммутации пакетов, и передаваемое от абонента А1 к абоненту А2 сообщение длиной L разбивается на п пакетов, длина каждого из которых равна Тогда время передачи пакета в канале с пропускной способностью Скс будет равно: Как и ранее, пренебрегая временем распространения сигнала в канале связи и задержкой сообщения в узлах, определим время доставки сообщения от абонента А1 к абоненту А2. Очевидно, что первый пакет будет доставлен к абоненту А2 за время На момент доставки к абоненту А2 первого пакета П1 остальные пакеты П2, П3, П4 сообщения, двигаясь по тому же маршруту, окажутся в промежуточных узлах, как это показано на рис. 1.30, а пакеты П5, ..., Пn будут находиться в исходном узле у абонента А1.
Дальнейшее перемещение пакетов приведёт к тому, что пакет П2
окажется у абонента А2 через время . Аналогично,
пакет П3 окажется у абонента А2 через время и т.д..
Последним к абоненту А2 придёт пакет Пn через время
Таким образом, все п пакетов, а, следовательно, всё сообщение будут доставлены к абоненту А2 за время
Сравнивая времена доставки сообщения при использовании коммутации пакетов и коммутации сообщении ,
можно убедиться, что при , т.е. время доставки сообщения
при коммутации сообщений больше времени доставки сообщения при использовании коммутации каналов в раз.
Для значений К = 4 и п = 5 (четыре канала связи, как на рис. 1.30, и пять пакетов) получим, что время доставки сообщения при коммутации пакетов уменьшится в k = 2,5 раза по сравнению с коммутацией сообщений, а при разбиении исходного сообщения на 17 пакетов - в k = 3,4 раз. Легко убедиться, что при выигрыш k во времени доставки стремится к К: k ->К, то есть максимально возможный выигрыш при коммутации пакетов определяется количеством каналов связи, через которые проходят пакеты. Этот вывод очевиден, если учесть, что выигрыш во времени доставки обусловлен тем, что разные пакеты сообщения одновременно (параллельно) друг за другом перемещаются в последовательных каналах (рис. 1.31): когда пакет П1 находится в канале КС4, пакет П2 передаётся по каналу КС3, пакет П3 - по каналу КС2 и пакет П4 - по каналу КС1 что обеспечивает в процессе передачи пакетов уровень параллелизма, равный четырём. Ясно, что чем больше каналов связи на пути пакетов, тем выше уровень параллелизма и, следовательно, тем больше выигрыш.
Еще больший выигрыш может быть получен, если передача пакетов одного того же сообщения осуществляется параллельно по разным маршрутам.
Представленные выше расчёты выигрыша во времени доставки сообщений при использовании коммутации пакетов по сравнению с коммутацией сообщений естественно являются упрощёнными, поскольку не учитывают задержки пакетов в узлах сети, а также дополнительные накладные расходы на передачу обрамления (заголовков и концевиков) пакетов. Несмотря на это, они достаточно убедительно показывают наличие такого выигрыша.
Более эффективное использование буферной памятипри коммутации пакетов по сравнению с коммутацией сообщений обусловлено тем, что размер буфера строго фиксирован и определяется максимально допустимой (фиксированной) длиной передаваемых пакетов, которая может составлять от нескольких десятков байт до нескольких килобайт. За счёт этого достигается более высокая загрузка одного буфера, которая при передаче длинных сообщений близка к единице и, как следствие, более высокая загрузка всей буферной памяти узла.
Более эффективная организация надежной передачи данных,по сравнению с коммутацией сообщений, обусловлена тем, что контроль передаваемых данных осуществляется для каждого пакета и в случае обнаружения ошибки повторно передается только один пакет, а не всё сообщение.
Среда передачи не монополизируетсяодним сообщением на длительное время, поскольку длинное сообщение разбивается на пакеты ограниченной длины, которые передаются как независимые единицы данных. При этом механизм управления трафиком организуется таким образом, что после пакета одного сообщения по тому же каналу связи могут быть переданы пакеты других сообщений, а затем снова пакет первого сообщения. Это позволяет уменьшить среднее время ожидания пакетами освобождения канала связи и за счёт этого увеличить оперативность передачи данных. При этом, чем меньше предельно допустимая длина пакетов, тем выше указанный эффект.
Задержка пакетов в узлах меньше, чем задержка сообщений,которая складывается из следующих составляющих:
• приём (запись) поступающего блока данных (пакета или сообщения) во входной буфер узла;
• подсчёт и проверка контрольной суммы блока данных;
• передача блока данных из входного буфера в выходной буфер;
• ожидание освобождения выходного канала, занятого передачей ранее поступивших блоков данных;
• передача данных в выходной канал связи и освобождение выходного буфера узла.
Очевидно, что все эти задержки пропорциональны длине блока данных.
Несмотря на очевидные достоинства, коммутации пакетов присущи недостатки, которые состоят в следующем:
• большие накладные расходы на передачу и анализ заголовков всех пакетов сообщения, что снижает эффективную (реальную) пропускную способность канала связи, используемую непосредственно для передачи данных, и, следовательно, увеличивает время доставки сообщения в сети, в том числе и за счёт дополнительных затрат времени на обработку заголовков пакетов в узлах сети;
• необходимость сборки из пакетов сообщения в узле назначения может существенно увеличить время доставки сообщения конечному абоненту за счёт ожидания прихода всех пакетов сообщения, поскольку в случае потери хотя бы одного пакета, сообщение не сможет быть собрано в конечном узле сети; при этом возникает серьёзная проблема, связанная с определением предельно допустимого времени ожидания пакетов для сборки сообщения в конечном узле; при большом значении этого времени в конечном узле может скопиться большое число пакетов разных сообщений, что приведёт к переполнению буферной памяти узла и, как следствие, к потере передаваемых пакетов или к отказу в приёме новых пакетов, что, в свою очередь, не позволит собрать сообщения; маленькое значение предельно допустимого времени ожидания пакетов для сборки сообщения в конечном узле может создавать такую ситуацию, при которой большое количество сообщений не смогут дождаться прихода последнего пакета и, поскольку по истечении этого времени все пакеты таких сообщений будут удалены из буферной памяти, потребуется повторная передача всех пакетов этих сообщений, что приведёт к значительной загрузке оборудования (узлов и каналов) сети и, в пределе, может вызвать перегрузку сети.
