Пропускна здатність мереж з комутацією пакетів

Одною 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, пов'язаної з встановленням каналу, починають передаватися на максимальній для каналу швидкості (рис.4.7, а). Час передачі повідомлення в мережі з комутацією каналів Тц.к. дорівнює сумі затримки поширення сигналу по лінії зв'язку ta.p. і затримки передачі повідомлення 1з.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 у секунду.

Рис.4.7. Затримки передачі даних у мережах з комутацією каналів і пакетів

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 рис.4.7, б показаний приклад передачі в мережі з комутацією пакетів. Передбачається, що в мережу передається повідомлення того ж обсягу, що й повідомлення на рис.4.7., а, однак воно розділено на пакети, кожний з яких має заголовок. Час передачі повідомлення в мережі з комутацією пакетів позначено на малюнку Тк.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 tп.з., плюс до цього додаються затримки tинт, 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 із часу буферизации пакета tб.п. (комутатор не може почати передачу пакета, не прийнявши його повністю у свій буфер) і часу комутації tк. Час буферизації дорівнює часу прийому пакета з бітовою швидкістю протоколу. Час комутації складається із часу очікування пакета в черзі й 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 поточного 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, становить 200 Кбайт. Відправник перебуває від одержувача на відстані 5000 км. Пропускна здатність ліній зв'язку становить 2 Мбіт/с.

Час передачі даних по мережі з комутацією каналів складається із часу поширення сигналу, що для відстані 5000 км можна оцінити приблизно в 25 мс, і часу передачі повідомлення, що при пропускній здатності 2 Мбіт/з і довжині повідомлення 200 Кбайт дорівнює приблизно 800 мс, тобто всього передача даних зайняла 825 мс.

Оцінимо додатковий час, що буде потрібно для передачі цього повідомлення по мережі з комутацією пакетів. Будемо вважати, що шлях від відправника до одержувача пролягає через 10 комутаторів. Вихідне з розбивається на пакети в 1 Кбайт, усього 200 пакетів. Спочатку із затримки, що виникає у вихідному вузлі. Припустимо, що частка службової інформації, розміщеної в заголовках пакетів, стосовно загального обсягу повідомлення становить 10 %. Отже, додаткова затримка, пов'язана з передачею заголовків пакетів, становить 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 пропускній 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.

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 зпрогнозувати заздалегідь неможливо, тому що він залежить від кількості інших додатків, з якими ділить процесор даний додаток.

На ефективність роботи мережі істотно впливають розміри пакетів, які передає мережа. Занадто великі розміри пакетів наближають мережу з комутацією пакетів до мережі з комутацією каналів, тому ефективність мережі при цьому падає. Занадто малі пакети помітно збільшують частку службової інформації, тому що кожний 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 розроблювачі протоколів для мереж з комутацією пакетів вибирають межі, у яких може перебувати 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 користувальницьких даних, а верхня межа не перевищує 4-х кілобайт. Додатки 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.