แพ็กเกตสวิตชิง

แพ็กเกตสวิตชิง (อังกฤษ: packet switching) วิธีการสื่อสารข้อมูลในเครือข่ายดิจิทัลที่รวมกลุ่มข้อมูลที่จะส่งทั้งหมด-ไม่ว่าจะเป็นเนื้อหา, ชนิดหรือโครงสร้าง- จัดให้เป็นบล็อกที่มีขนาดเหมาะสมเรียกว่าแพ็กเกต ถูกนำเสนอครั้งแรกสำหรับการใช้งานทางทหารในช่วงต้นทศวรรษ 1960 และนำไปใช้บนเครือข่ายขนาดเล็กในปี 1968 วิธีการส่งข้อมูลในลักษณะนี้กลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีระบบเครือข่ายพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังอินเทอร์เน็ตและแลนส่วนใหญ่

แพ็กเกตสวิตชิงส่งมอบกระแสข้อมูล(ลำดับของแพ็กเกต)ต่อเนื่องแบบ variable-bit-rate ผ่านทางเครือข่ายที่ใช้ร่วมกัน เมื่อข้อมูลไหลไปตามเนทเวิร์คอะแดปเตอร์, สวิตช์, เราเตอร์และโหนดเครือข่ายอื่น ๆ แพ็กเกตจะถูกพักเอาไว้และเข้าคิว ซึ่งเป็นผลทำให้เกิดความล่าช้าและทรูพุทที่แปรไปตามปริมาณการจราจรในเครือข่าย

แพ็กเกตสวิตชิงแตกต่างไปจากกระบวนทัศน์ของเครือข่ายที่สำคัญอื่นอย่างเช่นเซอร์กิตสวิตชิง วิธีนั้นจะจำกัดจำนวนจุดเชื่อมต่อหรือเส้นทางเฉพาะระหว่างโหนดต่อโหนดด้วยอัตราความเร็วและความล่าช้าที่คงที่สำหรับการใช้งานพิเศษในช่วงเซสชั่นการสื่อสาร ในกรณีที่มีค่าธรรมเนียมในการใช้งาน (ตรงข้ามกับอัตราคงที่) เช่นในการให้บริการการสื่อสารเคลื่อนที่ เซอร์กิตสวิตชิงคิดค่าธรรมเนียมต่อหน่วยเวลาของการเชื่อมต่อ, แม้ในขณะที่ไม่มีข้อมูลที่เชื่อมต่อ, ในขณะที่แพ็กเกตสวิตชิงคิดค่าธรรมเนียมต่อหน่วยของข้อมูล

การสื่อสารโหมด Packet อาจจะนำมาใช้โดยมีหรือไม่มีโหนดส่งต่อช่วงกลาง (แพ็กเกตสวิตช์หรือเราเตอร์). ในทุกโหมดการสื่อสารแบบแพ็กเกต, ทรัพยากรเครือข่ายถูกบริหารโดยจัดสรรแบนด์วิดท์มัลติเพล็กสถิติหรือแบบไดนามิก ในที่ซึ่งช่องทางการสื่อสารจะถูกแบ่งออกเป็นช่องทางหรือกระแสข้อมูลที่มีจำนวนตามใจชอบของตัวแปรอัตราความเร็วแบบตรรกะ การมัลติเพล็กสถิติ, การแยกและส่งแพ็กเกตและการเก็บและส่งต่ออื่น ๆทำให้การส่งผ่านข้อมูลเกิดเวลาแฝงและทรูพุทที่เปลี่ยนแปรไป แต่ละกระแสข้อมูลป​​ระกอบด้วยลำดับของแพ็กเกตซึ่งโดยปกติจะถูกส่งต่อโดย multiplexers และโหนดเครือข่ายช่วงกลางแบบไม่พร้อมกันด้วยวิธีเข้าก่อนออกก่อน หรือในทางเลือกอื่น แพ็กเกตอาจถูกส่งต่อไปตามกรรมวิธีที่มีหมายกำหนดการณ์ไว้เแล้ว เพื่อเข้าคิวอย่างยุติธรรม, เพื่อ traffic shaping หรือเพื่อให้ได้คุณภาพที่แตกต่างหรือการรับประกันในการให้บริการ เช่นการเข้าคิวยุติธรรมแบบถ่วงน้ำหนักหรือแบบอื่น ในกรณีที่ใช้สื่อทางกายภาพร่วมกัน, แพ็กเกตอาจถูกนำส่งตามวิธีการเข้าถึงแพ็กเกตโหมดแบบทวีคูณ

แพ็กเกตสวิตชิงมีสองโหมดที่สำคัญคือ; แบบ connectionless หรือที่เรียกว่าดาต้าแกรมสวิตชิง, และ แบบ connection-oriented ที่เรียกว่าเซอร์กิตสวิตชิงเสมือน ในโหมดแรกแต่ละแพ็กเกตจะประกอบด้วยข้อมูลที่อยู่หรือเส้นทางทั้งหมด แพ็กเกตจะถูกส่งแยกกันไปในแต่ละเส้นทาง บางครั้งไม่เป็นไปตามลำดับก่อนหลัง ในโหมดที่สองเส้นทางการเชื่อมต่อจะถูกกำหนดล่วงหน้าในโหนดที่ต่อเนื่องกันก่อนที่จะแพ็กเกตใดๆจะถูกส่งออกไป แพ็กเกตจะมี connection identifier -แทนที่จะเป็นข้อมูลแอดเดรสเหมือนแบบ connectionless-และมีการส่งข้อมูลเรียงตามลำดับก่อนหลัง

การให้บริการจริงอาจใช้วิธีการอย่างใดอย่างหนึ่งข้างต้น โพรโทคอล connectionless ได้แก่อีเธอร์เน็ต, IP และ UDP; โพรโทคอล connection oriented ได้แก่ X.25, frame relay, MPLS) และ TCP

ในเครือข่าย connection-oriented แต่ละแพ็กเกตจะมีป้ายรหัสการเชื่อมต่อแทนที่จะเป็นที่อยู่. ข้อมูลที่อยู่จะถูกโอนไปที่แต่ละโหนดในระหว่างขั้นตอนการ set-up เท่านั้น เมื่อเส้นทางไปยังปลายทางถูกค้นหาพบ รายการจะถูกเพิ่มลงในตารางการสวิตช์ในแต่ละโหนดที่มีการเชื่อมต่อ. โพรโทคอลของการส่งสัญญาณจะถูกนำมาใช้เพื่อช่วยให้แอปพลิเคชันทำการระบุความต้องการของมันและเพื่อให้เครือข่ายระบุความสามารถที่ทำได้และระบุค่าที่ยอมรับได้สำหรับพารามิเตอร์บริการที่จะต้องเจรจาต่อรอง การส่งแพ็กเกตไปตามเส้นทางเป็นเรื่องง่ายมากเพราะมันแค่ต้องการให้โหนดทำการค้นหา ID ในตาราง ส่วนหัวของแพ็กเกตจะมีขนาดเล็กเนื่องจากมันแค่ประกอบด้วยข้อมูล ID และข้อมูลอื่นๆ (เช่นความยาว, เวลาประทับหรือหมายเลขลำดับ) ซึ่งแตกต่างกันไปในแต่ละแพ็กเกต

ในเครือข่าย connectionless, แต่ละแพ็กเกตจะมีป้ายบอกที่อยู่ปลายทาง, ที่อยู่ต้นทางและหมายเลขพอร์ต, และอาจจะมีป้ายกำกับเพื่อบอกหมายเลขลำดับของแพ็กเกตด้วย สิ่งนี้ไม่เพียงพอสำหรับเส้นทางที่กำหนดที่จะช่วยให้แพ็กเกตสามารถหาทางไปยังปลายทางของมันได้ ซึ่งหมายความว่าส่วนหัวของแพ็กเกตต้องการข้อมูลมากขึ้นซึ่งจะทำให้มีขนาดใหญ่ขึ้น และข้อมูลนี้จะต้องไป look-up ในหน่วยความจำเก็บเนื้อหา แต่ละแพ็กเกตที่ถูกส่งอาจจะไปผ่านเส้นทางที่แตกต่างกัน เป็นไปได้สูงที่ระบบ connectionless อาจต้องทำงานมากกับทุกแพ็กเกตเท่ากับที่ระบบ connection-oriented ต้องทำในการ set-up แต่ด้วยข้อมูลที่น้อยกว่าตามความต้องการของแอปพลิเคชันเลเยอร์ ที่ปลายทาง, ข้อความ/ข้อมูลต้นฉบับจะถูกประกอบขึ้นใหม่ในลำดับที่ถูกต้องตามลำดับหมายเลขแพ็กเกต ดังนั้นการเชื่อมต่อเสมือน, หรือที่รู้จักกันว่าเป็นวงจรเสมือนหรือ byte stream, ถูกจัดให้กับ end user ใช้โดยโพรโทคอลชั้น transport, ถึงแม้ว่าโหนดเครือข่ายช่วงกลางให้บริการเครือข่ายแบบ connection-oriented ก็ตาม

แพ็กเกตสวิตชิงถูกใช้ในการ optimize ความสามารถของช่องทางที่มีอยู่ในเครือข่ายโทรคมนาคมดิจิทัล เช่นเครือข่ายคอมพิวเตอร์ เพื่อลดความล่าช้าของการส่ง (เวลาที่ใช้สำหรับข้อมูลที่จะส่งผ่านเครือข่าย) และเพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งของการสื่อสาร

การใช้งานแพ็กเกตสวิตชิงที่ดีที่สุดเป็นที่รู้จักกันคืออินเทอร์เน็ตและแลนส่วนใหญ่ อินเทอร์เน็ตดำเนินการโดยชุดโพรโทคอลอินเทอร์เน็ตโดยใช้ความหลากหลายของเทคโนโลยีชั้น link layer ตัวอย่างเช่น Ethernet และFrame Relay เป็นเรื่องธรรมดา เทคโนโลยีใหม่โทรศัพท์มือถือ (เช่น GPRS, I-โหมด) ก็ใช้แพ็กเกตสวิตชิง

X.25 เป็นการใช้งานที่โดดเด่นของแพ็กเกตสวิตชิงในการที่มันให้วงจรเสมือนกับผู้ใช้ วงจรเสมือนดังกล่าวรองรับแพ็กเกตที่ความยาวแปรได้ ในปี 1978, X.25 เป็นเครือข่ายแพ็กเกตนานาชาติและในเชิงพาณิชย์ครั้งแรก มีชื่อว่า International Packet Switched Service (IPSS), ATM (Asynchronous Transfer Mode) ก็เป็นเทคโนโลยีวงจรเสมือนซึ่งใช้เซลล์ถ่ายทอดความยาวคงที่แบบ connection oriented

แพ็กเกตสวิตชิงแบบเดตาแกรมถูกเรียกว่าเครือข่าย connectionless เพราะไม่มีการเชื่อมต่อจริง เทคโนโลยีเช่น MกกฟหกฟหกหกหกหPLS และ RSVP สร้างวงจรเสมือนเหนือเครือข่ายดาต้าแกรม วงจรเสมือนเป็นประโยชน์อย่างยิ่งในการสร้างกลไกการ failover ที่แข็งแกร่งและการจัดสรรแบนด์วิดธ์สำหรับการใช้งานที่ไวต่อความล่าช้า MPLS และต้นตระกูลของมัน, เช่นเดียวกับ ATM, ถูกเรียกว่าเทคโนโลยี "fast packet" จริงๆแล้ว MPLS ถูกเรียกว่า "ATM ที่ไม่มีเซลล์". ถึงอย่างไรก็ตาม เราเตอร์สมัยใหม่ไม่จำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีเหล่านี้เพื่อให้สามารถส่งต่อแพ็กเกตที่ความยาวแปรได้ที่ความเร็วข้ามเครือข่ายเป็น multigigabit

ทั้ง X.25 และ Frame Relay ให้การเชื่อมต่อแบบ connection-oriented หรือที่เรียกว่า virtual circuit switching ความแตกต่างที่สำคัญระหว่าง X.25 และ Frame Relay ก็คือ X.25 เป็นโพรโทคอลที่เชื่อถือได้โดยร้องขอซ้ำอัตโนมัติทีละโหนด ในขณะที่ Frame Relay เป็นโพรโทคอลที่ไม่น่าเชื่อถือและแพ็กเกตสูงสุดคือ 1,000 ไบต์

การส่งใหม่ใด ๆ จะต้องดำเนินการโดยโพรโทคอลชั้นที่สูงกว่า โพรโทคอล X.25 เป็น network layer protocol และเป็นส่วนหนึ่งของชุดโพรโทคอล X.25 ที่รู้จักกันว่าเป็นชุดโพรโทคอล OSI มันถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในเครือข่ายสวิตชิงในช่วงทศวรรษ 1980 และปี 1990 ตอนต้น, เช่นเป็นทางเลือกให้วงจร circuit mode terminal switching และสำหรับเครื่องเอทีเอ็ม Frame relay เป็นการพัฒนาต่อจาก X.25 ความเรียบง่ายของ Frame Relay ทำให้มันเร็วกว่าและมีประสิทธิภาพด้านค่าใช้จ่ายดีกว่า X.25 Frame relay เป็น data link layer protocol และไม่ได้จัดหาที่อยู่ตรรกะและกำหนดเส้นทางให้, มันจะถูกใช้สำหรับการเชื่อมต่อ "กึ่งถาวร" เท่านั้น. ในขณะที่ X.25 ยังสามารถที่จะทำการเชื่อมต่อสำหรับแต่ละเซสชั่นการสื่อสารได้ Frame Relay ถูกนำมาใช้ในการเชื่อมต่อระหว่างระบบแลนด้วยกันหรือกลุ่มของ LAN ส่วนใหญ่ในปี 1990 โดยบริษัทขนาดใหญ่ที่มีความต้องการที่จะจัดการจราจรโทรคมนาคมขนาดใหญ่ข้ามเครือข่ายบริเวณกว้าง(แวน)

ถึงแม้ว่า Frame Relay จะมีประโยชน์, บริษัทข้ามชาติจำนวนมากยังยึดติดกับ X.25 ในสหรัฐอเมริกา X.25 ถูกนำมาใช้อย่างมากในเครือข่ายภาครัฐและการเงินที่ใช้โปรแกรมเมนเฟรม หลายบริษัทไม่ได้ตั้งใจจะข้ามไปยัง Frame Relay เพราะมันถูกกว่าบนเครือข่ายที่ช้ากว่า ในบางส่วนของโลกโดยเฉพาะอย่างยิ่งในภูมิภาคเอเชียแปซิฟิกและภูมิภาคอเมริกาใต้, X.25 เป็นเทคโนโลยีเดียวที่มี

เครือข่ายแพ็กเกตสวิตชิงเป็นการรวมเอาข้อดีของเครือข่ายทั้งสองมารวมกัน คือ เครือข่ายเซอร์กิตสวิตชิง (Circuit Switching) และเครือข่ายแมสเสจต์สวิตชิง (Message Switching) เข้าด้วยกัน และกำจัดข้อเสียของเครือข่ายทั้งสองชนิดนี้ด้วย แต่ลักษณะทั่วไปแล้วเครือข่ายแพ็กเกตสวิตชิงจะมีลักษณะคล้ายคลึงกับเครือข่ายแมสเสจสวิตชิงมากกว่า

สำหรับการส่งข้อมูลผ่านเครือข่ายแพ็กเกตสวิตชิง ข้อมูลจะถูกส่งออกไปทีละแพ็กเกตเรียง ลำดับตามกันโดยใช้วิธี (Store-and-forward) ถ้ามีข้อผิดพลาดในแพ็กเกตเกิตขึ้น สวิตช์นั้นก็จะทำการร้องขอให้สวิตช์ก่อนหน้านั้นส่งเฉพาะแพ็กเกตที่มีความผิดพลาดนั้นมาให้ ใหม่ ไม่จำเป็นจะต้องรอให้ผู้ส่งทำการส่งข้อมูลมาให้ครบทุกแพ็กเกตแล้วจึงค่อยส่งข้อมูลไป ให้สถานีอื่นต่อไป การทำงานแบบนี้จะทำให้การส่งข้อมูลในเครือข่ายแพ็กเกตสวิตชิงสามารถ ทำงาน ได้เร็วมากจนดูเหมือนกับไม่มีการเก็บกักข้อมูลเลย แบบนี้ก็ดีนะ

Time Domain Multiplexing ระบบ TDM เป็นการมัลติเพล็กซ์ที่แต่ละช่องสัญญาณมีแบนด์วิดธ์แบบคงที่ (Fixed Bandwidth) ซี่งจะใช้ งานได้ดีมากสำหรับการรับส่งที่ต้องการอัตราบิตที่ต่อเนื่อง (Continous Bit Rate : CBR) เช่น traditional voice and video แต่ถ้าจะใช้งานกับข้อมูลของระบบคอมพิวเตอร์ ที่มีทราฟฟิกเป็นแบบ bursty traffic (ทราฟฟิกที่มีขนาดไม่คงที่คืออาจจะมีการเปลี่ยนแปลงขนาดอย่างฉับพลัน)