Пропускна здатність мереж з комутацією пакетів

Однією з відмінностей методу комутації пакетів від методу комутації каналів є невизначеність пропускної здатності з'єднання між двома абонентами. У методі комутації каналів після утворення складеного каналу пропускна здатність мережі при передачі даних між кінцевими вузлами відома — це пропускна здатність каналу. Дані після затримки, зв'язаної з встановленням каналу, починають передаватися на максимальній для каналу швидкості (мал. 2.31, а). Час передачі повідомлення в мережі з комутацією каналів Т_к.к. дорівнює сумі затримки поширення сигналу по лінії зв'язку Т_з.р. і затримки передачі повідомлення Т_з.п.. Затримка поширення сигналу залежить від швидкості поширення електромагнітних хвиль у конкретному фізичному середовищі, що коливається від 0,6 до 0,9 швидкості світла у вакуумі. Час передачі повідомлення дорівнює V/C, де V — обсяг повідомлення в бітах, а С — пропускна здатність каналу в бітах за секунду.

У мережі з комутацією пакетів спостерігається принципово інша картина.

Процедура, встановлення з'єднання в цих мережах, якщо вона використовується, займає приблизно такий же час, як і в мережах з комутацією каналів, тому будемо порівнювати тільки час передачі даних. На мал. 2.31, б показаний приклад передачі в мережі з комутацією пакетів.

Передбачається, що в мережу передається повідомлення того ж обсягу, що і повідомлення, ілюстроване мал. 2.31. а, однак воно розділено на пакети, кожний з який має заголовок. Час передачі повідомлення в мережі з комутацією пакетів позначене на малюнку Т_к.п.. При передачі цього повідомлення, розбитого на пакети, по мережі з комутацією пакетів виникають додаткові тимчасові затримки. По-перше, це затримки в джерелі передачі, що, крім передачі власне повідомлення, витрачає додатковий час на передачу заголовків t_п.з., плюс до цього додаються затримки t_інт, викликані інтервалами між передачею кожного наступного пакета (цей час іде на формування чергового пакета стеком протоколів).

По-друге, додатковий час витрачається в кожному комутаторі. Тут затримки складаються з часу буферизації пакета t_б.п. (комутатор не може почати передачу пакета, не прийнявши його цілком у свій буфер) і часу комутації t_к. Час буферизації дорівнює часу прийому пакета з бітовою швидкістю протоколу. Час комутації складається з часу чекання пакета в черзі і часі переміщення пакета у вихідний порт. Якщо час переміщення пакета фіксований і звичайно невеликий (від декількох мікросекунд до декількох десятків мікросекунд), то час очікування пакета в черзі коливається в дуже широких межах і заздалегідь невідомий, тому що залежить від поточної завантаження мережі пакетами.

Проведемо грубу оцінку затримки в передачі даних у мережах з комутацією пакетів у порівнянні з мережами з комутацією каналів на найпростішому прикладі. Нехай тестове повідомлення, яке потрібно передати в обох видах мереж, складає 200 Кбайт. Відправник знаходиться від одержувача на відстані 5000 км. Пропускна здатність ліній зв'язку складає 2 Мбіт/с. Час передачі даних по мережі з комутацією каналів складається з часу поширення сигналу, що для відстані 5000 км можна оцінити приблизно в 25 мс, і часу передачі повідомлення, що при пропускній здатності 2 Мбіт/с і довжині повідомлення 200 Кбайт дорівнює приблизно 800 мс, тобто всього передача даних займе 825 мс.

Оцінимо додатковий час, що буде потрібен для передачі цього повідомлення по мережі з комутацією пакетів. Будемо вважати, що шлях від відправника до одержувача пролягає через 10 комутаторів. Вихідне повідомлення розбивається на пакети в 1 Кбайт, всього 200 пакетів. Спочатку оцінимо затримку, що виникає у вихідному вузлі. Припустимо, що частка службової інформації, розміщеної в заголовках пакетів, стосовно загального обсягу повідомлення складає 10 %. Отже, додаткова затримка, зв'язана з передачею заголовків пакетів, складає 10% від часу передачі цілого повідомлення, тобто 80 мс. Якщо прийняти інтервал між відправленням пакетів рівним 1 мс, тоді додаткові втрати за рахунок інтервалів складуть 200 мс. Разом, у вихідному вузлі через пакетування повідомлення при передачі виникла додаткова затримка в 280 мс.

Кожний з 10 комутаторів вносить затримку комутації, що може мати великий розкид, від часток до тисяч мілісекунд. У даному прикладі приймемо, що на комутацію в середньому витрачається 20 мс.

Крім того, при проходженні повідомлень через комутатор виникає затримка буферизації пакета. Ця затримка при величині пакета 1 Кбайт і пропускної здатності лінії 2 Мбіт/с дорівнює 4 мс. Загальна затримка, внесена 10 комутаторами, складе приблизно 240 мс. У результаті додаткова затримка, створена мережею з комутацією пакетів, склала 520 мс. З огляду на, що вся передача даних у мережі з комутацією каналів зайняла 825 мс, цю додаткову затримку можна вважати істотною.

Хоча приведений розрахунок носить дуже приблизний характер, по він робить більш зрозумілими ті причини, що приводять до того, що процес передачі для  визначеної пари абонентів у мережі з комутацією пакетів є більш повільним, чим у мережі з комутацією каналів.

Невизначена пропускна здатність мережі з комутацією пакетів — це плата за її загальну ефективність при деякому обмеженні інтересів окремих абонентів. Аналогічно, у мультипрограмній операційній системі час виконання додатка пророчити заздалегідь неможливо, тому що він залежить від кількості інших додатків, з якими поділяє процесор даний додаток.

На ефективність роботи мережі істотно впливають розміри пакетів, що передає мережа. Занадто великі розміри пакетів наближають мережа з комутацією пакетів до мережі з комутацією каналів, тому ефективність мережі при цьому падає. Занадто маленькі пакети помітно збільшують частку службової інформації, тому що кожен пакет несе із собою заголовок фіксованої довжини, а кількість пакетів, на які розбиваються повідомлення, буде різко рости при зменшенні розміру пакета. Існує деяка золота середина, що забезпечує максимальну ефективність роботи мережі, однак її важко визначити точно, тому що вона залежить від багатьох факторів, деякі з них до того ж постійно міняються в процесі роботи мережі. Тому розробники протоколів для мереж з комутацією пакетів вибирають межі, у яких може знаходитися довжина пакета, а точніше його поле даних, тому що заголовок, як правило, має фіксовану довжину. Звичайно нижня межа поля даних вибирається рівним нулю, що дозволяє передавати службові пакети без  даних користувача, а верхня межа не перевищує 4-х кілобайт. Додатка при передачі даних намагаються зайняти максимальний розмір поля даних, щоб швидше виконати обмін даними, а невеликі пакети звичайно використовуються для квитанцій про доставку пакета.

При виборі розміру пакета необхідно враховувати також і інтенсивність бітових помилок каналу. На ненадійних каналах необхідно зменшувати розміри пакетів, тому що це зменшує обсяг повторно переданих даних при перекручуваннях пакетів.