Commutazione di circuito e commutazione di pacchetto
Esistono due approcci fondamentali per muovere i dati nella rete di collegamenti e switch: la commutazione di circuito e la commutazione di pacchetto.
Nelle reti a commutazione di circuito, le risorse richieste lungo un percorso (buffer e sequenza di trasmissione), per consentire la comunicazione tra sistemi terminali sono riservate per l’intera durata della sessione di comunicazione.
Nelle reti a commutazione di pacchetto, tali risorse non sono riservate. I messaggi di una sessione utilizzano le risorse su richiesta e, di conseguenza, potrebbero dover attendere per accedere a un collegamento, come succede nel caso delle code.
Le reti telefoniche sono esempi di reti a commutazione di circuito. Nel caso in cui una persona voglia telefonare (o mandare un fax) a un altro soggetto, per prima cosa bisogna stabilire una connessione tra mittente e destinatario.
Una volta stabilita tale connessione i commutatori sul percorso tra mittente e destinatario, mantengono lo stato della connessione per tutta la durata della comunicazione. In ambito telefonico questa connessione viene chiamata circuito.
Quando la rete stabilisce un circuito, riserva anche una frequenza di trasmissione costante nei collegamenti di rete per la durata della connessione.
Dato che per questa connessione è stata riservata una certa lunghezza di banda, il mittente può trasferire i dati a una frequenza costante garantita.
Un esempio clamoroso di rete a commutazione di pacchetto è Internet.
Si consideri il caso della comunicazione tra due host che vogliono trasferire dei dati. Come per la commutazione di circuito, un pacchetto viene trasmesso attraverso una serie di collegamenti di comunicazione, ma senza che gli sia riservata alcuna frazione di banda.
Se uno dei collegamenti è congestionato perchè altri pacchetti richiedono contemporaneamente la trasmissione sul collegamento, allora il nostro pacchetto trasmesso dovrà attendere (solitamente in un buffer) e subirà un ritardo di trasmissione.
Internet fa il massimo sforzo possibile (best effort) per consegnare i pacchetti in modo temporizzato, ma non garantisce il successo!
Non tutte le reti di telecomunicazioni possono essere classificate in modo preciso come appartenenti al “gruppo” di commutazione di circuito o di pacchetto.
Ciò non toglie che questa suddivisione fondamentale, costituisce un ottimo punto di partenza per comprendere la tecnologia delle reti di telecomunicazioni.
Confronto tra i due approcci
Come spesso accade quando esistono due soluzioni per uno stesso problema, si aprono delle diatribe riguardo quale metodo di risoluzione sia il più efficace rispetto ad un altro.
I denigratori della commutazione di pacchetto hanno spesso sostenuto che il metodo non è adatto ai servizi in tempo reale (chiamate telefoniche o videoconferenze) a causa dei suoi ritardi end-to-end variabili e non determinabili a priori (dovuti principalmente alla variabilità e imprevedibilità dei ritardi di coda).
I sostenitori della commutazione di pacchetto, rispondono che quest’ultima, non solo offre una migliore condivisione della larghezza di banda rispetto alla commutazione di circuito, ma è anche più semplice, più efficiente e meno costosa da implementare.
Vediamo di chiarire le idee con qualche esempio: supponiamo che gli utenti condividano un collegamento da 1Mbps, e che ciascun utente alterni periodi di attività, nei quali genera dati a frequenza costante di 100Kbps, a momenti durante i quali non vengono generati dati. Ipotizziamo inoltre che l’utente sia attivo solo per il 10% del tempo.
Con la commutazione di circuito, è necessario riservare 100Kbps per ciascun utente in ogni istante. Pertanto, il collegamento può supportare simultaneamente solo 10 utenti (1Mbps/100Kbps).
Con la commutazione di pacchetto, la probabilità che un determinato utente sia attivo è pari a 0,1. Se sono presenti 35 utenti, la probabilità di avere 11 o più utenti attivi in contemporanea è approssimativamente di 0,0004.
Quando ci sono meno di 10 utenti attivi contemporaneamente (il che avviene con probabilità 0,9996), il tasso di arrivo dei dati è minore o uguale a 1Mbps, cioè la frequenza di output del collegamento.
Quindi, nel caso in cui ci siano meno di 10 utenti attivi, il flusso dei pacchetti attraverso il collegamento avviene senza ritardo come nel caso della commutazione di cricuito.
Se, invece ci sono più di 10 utenti attivi contemporaneamente, la frequenza aggregata di arrivo dei dati supera la capacità di output del collegamento, e la coda di output comincerà a crescere fino a quando la frequenza aggregata di ingresso scende sotto 1Mbps, momento in cui la lunghezza della coda inizierà a diminuire.
Dal momento che la probabilità di avere più di 10 utenti contemporaneamente attivi è (in questo caso) molto limitata, la commutazione di pacchetto fornisce sostanzialmente le stesse prestazioni della commutazione di circuito, ma consentendo più del triplo degli utenti!
Consideriamo un altro esempio: abbiamo 10 utenti e, improvvisamente, un utente genera 1000 pacchetti da 1000 bit, mentre gli altri rimangono quiescenti senza generare traffico.
Con la commutazione di circuito TDM e 10 slot da 1000 bit per frame, l’utente attivo può utilizzare soltanto il proprio slot temporale per trasmettere i dati, mentre i restanti nove slot del frame rimangono inutilizzati (perchè gli altri utenti non sono attivi).
Trascorreranno dieci secondi prima che il milione di bit dell’utente attivo sia stato completamente trasmesso!
Nel caso di commutazione di pacchetto, l’utente attivo può continuamente inviare i propri pacchetti alla massima frequenza del collegamento dato che nessun altro utente genera pacchetti che richiedono di essere trasmessi assieme a quelli dell’utente attivo.
In questo caso il milione di bit verrà trasmesso in un solo secondo!
I due esempi trattati mostrano come, sebbene la commutazione di pacchetto e di circuito siano entrambe presenti negli odierni sistemi di telecomunicazioni, la tendenza è certamente in direzione della commutazione di pacchetto.
Perfino molte delle reti telefoniche a commutazione di circuito stanno migrando verso la commutazione di pacchetto, utilizzata in particolare per le costose parti internazionali delle chiamate.
