回線交換、メッセージ交換、パケット交換を理解するための記事

1. 回線切替の詳細説明

(1) 原則

(1) 通信前にコネクションを確立し、通信終了後にコネクションを解放する必要があります。つまり、通信には、接続の確立、通信、接続の解放という 3 つの段階が必要です。

(2) 通信プロセス全体を通じて、両方の当事者が最初から最後まで使用される物理チャネルを占有します。このため、コンピュータ通信では、コンピュータデータがバースト的であるため、通信回線の利用率を考慮すると回線交換の効率が相対的に低くなります。また、通信双方が占有する通信回線が多数のリンクで構成されている場合（これらのリンクは複数のスイッチを介して接続されている）、各リンクが接続可能（各リンクに空きチャネルリソースがある）場合にのみ通信を接続できます。他のユーザー、つまり使用可能なリソースがある場合）、接続の確立全体を完了できます（使用できる空きチャネルがないリンクが 1 つしかない場合でも、接続の確立は完了できません）。通信ネットワークのトラフィック量が非常に混雑している場合、回線交換ではユーザーのすべての通話に接続できることを保証できません。接続確立の最初のフェーズを完了できない場合、当然、通信プロセスの次のフェーズは不可能になります。回線交換通信プロセスでは、接続全体の 1 つのリンク (特定のリンクやスイッチなど) に障害が発生すると、接続全体が存在しなくなり、通信は中断されます。通信を再確立するには、接続を再確立する必要があります。障害が発生したリンクまたはスイッチをバイパスして新しい接続を確立できれば、新しい通信を開始できます。これは、回線交換システムが障害から自動的に回復できないことを意味します。しかし、回線交換の主な利点の 1 つは、接続が確立できる限り、2 者間の通信に必要な伝送帯域幅が割り当てられており、変更されないことです。これを送信帯域幅の静的割り当てと呼びます。通信する双方の当事者は、その意思がある限り (公衆ネットワークの場合は、規制に従って料金を支払う限り) 通信リソースを占有することができ、ネットワーク内の他のユーザーの影響を受けません。ネットワークの輻輳が発生すると、ネットワーク内の他のユーザーが繰り返し通話しても接続を確立できない可能性がありますが、通信リソースを占有しているユーザーの通信品質には影響しません（通信ネットワークに障害が発生しない限り）。現在の通信接続に影響します)。

(2) 例

従来の電話をかけるときに回線交換がどのように機能するかを理解できます。回線交換がどのように機能するかを理解するための例を次に示します。

1. ダイヤルプロセス: 友人に電話をかけたいとします。まず、受話器を取り、友人の電話番号にダイヤルします。この時点で、電話システムは回線交換を開始します。

2. 接続の確立: ダイヤルした番号は、接続されている電話ネットワーク内のデバイスである電話交換機に送信されます。電話交換機は、あなたがダイヤルした番号を使用して友人の電話の位置を見つけ、あなたの電話と友人の電話の間に専用回線接続を確立しようとします。

3. 通話中: 接続が確立されると、あなたと友達の間で通話を開始できます。現時点では、電話回線上の回線は二人だけが通話できるように予約されており、他の人はこの回線で通話することはできません。

4. 通話終了: あなたと友人が電話を切ると、接続が解放され、回線が閉じられます。これは、以前に占有されていたリソースを他の通話に使用できることを意味します。

この例では、回線交換の重要な点は、専用回線接続が通話の開始前に確立され、通話が終了するまで開いたままになることです。この方法では、リアルタイム性と通話品質が保証されますが、通話中に回線を他の通話に使用できないことも意味します。これが回線交換の基本的な仕組みであり、現代の通信ではデジタル技術とパケット交換がより一般的になっていますが、回線交換は依然として従来の電話ネットワークで使用されています。

(3) メリット

回線交換は、2 つ以上の端末間でデータまたは音声を送信するための通信パスを確立および維持するために使用される通信方法です。これは、データを小さなチャンクに分割し、ネットワーク上の不確実なパスに送信するパケット スイッチングとは異なります。

1. 固定パスの確立: 回線交換では、通話が開始される前に通信パスが確立されます。このパスは、通話が終了するまで開いたままになる物理回線です。これは、通話中、パスがこの通話専用に予約され、他の通話では使用されないことを意味します。

2. リソース割り当て: 回線交換では、良好な通話品質を確保するために、各通話に十分な帯域幅とその他のリソースを割り当てる必要があります。これは、通話中はこれらのリソースを他の通話に使用できないことを意味します。

3. 低遅延: 通信経路が固定されているため、回線交換は一般に遅延が低く、通話がリアルタイムで発生するため、音声通話などの即時応答が必要なアプリケーションに適しています。

4. 従来の電話網: 回線交換の最も一般的なアプリケーションは、従来の電話網 (PSTN、公衆交換電話網) です。このタイプのネットワークでは、電話は交換機を介して回線接続を確立し、2 者が双方向で通話できるようにします。

5. 効率の問題: 回線交換では、通話中は固定回線が維持されますが、実際には通話は一部の時間しか行われないため、回線交換にはリソース割り当てに関する効率の問題があります。これは、ネットワーク リソースをより柔軟に共有できるパケット スイッチングと比較しますが、遅延が発生する可能性があります。

(4) 開発

徐々に IP ネットワークに置き換わる: IP (インターネット プロトコル) ネットワークの発展に伴い、VoIP (ボイス オーバー インターネット プロトコル) 通話やビデオ会議など、パケット交換に基づくデジタル通信がますます多くの通信に移行しています。これらのテクノロジーはより柔軟であり、ネットワーク リソースをより効率的に利用できます。

一般に、回線交換は特定のアプリケーション シナリオに適した従来の通信方法ですが、現代の通信ではパケット交換技術やデジタル通信技術に徐々に置き換えられています。

2.メッセージ交換

(1) 原則

メッセージ スイッチングでもストア アンド フォワード テクノロジが使用されますが、異なる点は、メッセージ スイッチングではメッセージを小さなグループに分割するのではなく、メッセージ全体をネットワークのノードに格納してから転送することです。このようにして、小さなパケットを分割するステップが省略され、エンドポイントでパケットをメッセージに再組み立てするプロセスが省略されます。ただし、メッセージ交換はパケット交換ほど柔軟ではなく、データ送信の遅延が大きくなります。もともとメッセージ交換は電報の送信に使用されていました。今では電報を打つ人も少なくなったので、メッセージのやり取りはほとんど行われなくなりました。

(2) 申請

1. Web 通信: HTTP (Hypertext Transfer Protocol) は、Web ブラウザと Web サーバー間で HTML Web ページ、画像、ビデオ、その他の Web リソースを送信するために使用されるメッセージ交換プロトコルです。ブラウザで Web ページをリクエストすると、ブラウザは HTTP リクエスト メッセージをサーバーに送信し、サーバーが Web ページのコンテンツを含む応答メッセージを送信するのを待ちます。

2. 電子メール: SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) は、電子メールの送信に使用されるメッセージ交換プロトコルです。電子メールを送信すると、電子メール クライアントは電子メールの内容をメッセージにパッケージ化し、SMTP 経由でメール サーバーに送信します。その後、メール サーバーはメッセージを受信者のメール サーバーに送信し、最終的に受信者はメール クライアントを通じて電子メールを取得します。 . 読みやすいメールにまとめます。

3. ファイル転送: FTP (ファイル転送プロトコル) は、あるコンピュータから別のコンピュータにファイルを転送するために使用されるメッセージ交換プロトコルです。ユーザーは FTP クライアントを使用してファイル転送メッセージを作成し、FTP サーバーにファイルをアップロードまたはダウンロードできます。

4. インスタント メッセージング: チャット アプリケーションやソーシャル メディア プラットフォームなどのインスタント メッセージング アプリケーションでは、ユーザーが送信したメッセージがメッセージにパッケージ化され、ネットワークを通じて受信者に送信され、リアルタイムまたは遅延通信が実現されます。

5. Web 検索: 検索エンジンにクエリを入力すると、クエリはパケットにパッケージ化されて検索エンジン サーバーに送信され、サーバーは検索結果を含むパケットを返します。

6. リモート プロシージャ コール: 分散コンピューティングでは、メッセージ交換を使用して、異なるコンピュータ上でリモート プロシージャ コール (RPC) を実行します。クライアントは通話要求をメッセージにパッケージ化してネットワーク経由でリモート サーバーに送信し、サーバーは要求された操作を実行し、結果をメッセージにパッケージ化してクライアントに返します。

7. マルチメディア ストリーミング送信: オンライン音楽ストリーミングやビデオ ライブ ブロードキャストなどのオーディオおよびビデオ ストリーミング アプリケーションでは、通常、オーディオおよびビデオ データは、リアルタイム マルチメディア ストリーミングを実現するためにパケットの形式で送信されます。

全体として、メッセージ交換は、Web ブラウジングや電子メールからインスタント メッセージングやマルチメディア ストリーミングに至るまで、さまざまなアプリケーションに適した多用途の通信方法です。アプリケーションごとに、特定のニーズを満たすために異なるメッセージ交換プロトコルが使用されます。この通信方法の柔軟性と広範な使用により、この通信方法は現代のコンピュータ ネットワークの基礎となっています。

3. パケット交換

(1) 原則

現在最も一般的に使用されているパケット交換では、コネクションレス IP プロトコルが使用されます。この種類のパケット スイッチングでは、パケットを送信単位として使用し、ストア アンド フォワード技術を使用し、接続の確立と接続の解放の 2 段階がないため、データを高速に送信します。データの送信プロセス中、送信帯域幅は動的に割り当てられ、通信リンクはセグメントごとに占有されます。つまり、あるリンクの帯域幅が大きければパケットの送信速度は速くなり、別のリンクの帯域幅が小さければパケットの送信速度は遅くなります。回線交換とは異なり、送信元から宛先までの伝送速度は同じです。パケット交換は各リンクの伝送帯域幅を合理的かつ効果的に利用できることがわかります。

パケット交換では、分散ルーティング プロトコルが使用されます。ネットワーク内のノードまたはリンクに障害が発生した場合、データ送信を継続できるように、パケット送信のルートを適応的かつ動的に変更できます。データを送信する送信元ポイントとデータを受信する宛先ポイントは、ネットワークの障害にさえ気づきません。したがって、パケット交換ネットワークの生存性は良好です。パケット交換にはいくつかの欠点もあります。たとえば、パケットは各ルーターによって保存および転送されるときにキューに入れられる必要があるため、ある程度の遅延が発生します。また、パケット交換ではエンドツーエンドの通信に必要な帯域が確保できないため、パケット交換網のトラフィックが急激に増加すると、ネットワークのどこかで輻輳が発生し、データ伝送時間が長くなる可能性があります。ネットワークの混雑がひどい場合、ネットワーク全体が麻痺する可能性があります。

パケット交換に関するもう 1 つの問題は、各パケットが制御情報を伝送する必要があり、これによってもある程度のオーバーヘッドが発生することです。パケット交換ネットワーク全体にも、特殊な管理および制御メカニズムが必要です。もちろん、回線交換ネットワークでもネットワーク管理が必要ですが、回線交換ネットワークのスイッチは強力なネットワーク管理機能を備えており、ネットワークを効果的に管理できます。パケット交換ネットワークのルーターは比較的単純であり、ネットワーク全体を管理することはできません。ネットワーク全体を管理するには、ネットワーク内の特別なホストで特別なネットワーク管理ソフトウェアを実行する必要があります。

まとめ（3つはそれぞれ異なります）

回線交換、メッセージ交換、パケット交換の長所と短所を以下に説明します。

(1) 回線切替：

アドバンテージ：

1. 高い通話品質: 回線交換では通常、固定帯域幅と通話確立時に割り当てられるリソースにより、高い通話品質と明瞭さが実現されます。

2. リアルタイム: 回線交換は、接続が確立されるとすぐに通信が開始されるため、従来の電話などのリアルタイム通信を必要とするアプリケーションに適しています。

3. シンプル: 回線交換の原理は比較的シンプルで、理解と管理が容易で、従来の電話ネットワークに適しています。

4. ポイントツーポイント通信に適しています: 回線交換により 2 つの端末が直接接続され、ポイントツーポイント通信に適しています。

欠点:

1. リソースの無駄: 通話中に割り当てられたリソースは、通話が非アクティブなときはアイドル状態となり、リソースの無駄が発生します。

2. スケーリングの難しさ: 特に大規模なネットワークにおいて、多数の同時通話をサポートするためのスケーリングが困難です。

3. データ伝送には適さない: 回線交換は主に音声通信に使用され、データ伝送には適していません。

(2) メッセージ交換：

アドバンテージ：

1. データの整合性: メッセージ交換により、メッセージ全体の整合性が保証され、データの損失や損傷が回避されます。

2. 順序付けられた送信: メッセージは通常、送信された順序で送信され、受信側でメッセージが正しく組み立てられて処理されることが保証されます。

3. さまざまなデータタイプに適しています：テキスト、画像、オーディオ、ビデオなどを含むさまざまなデータタイプに適しています。

4. 幅広い用途：Web通信、電子メール、ファイル転送など、インターネットやLANで幅広く使用されています。

欠点:

1. 効率の問題: パケット交換と比較すると、メッセージ交換はメッセージ全体を送信する必要があるため、ネットワーク リソースの使用効率が十分ではない可能性があります。

2. 遅延の問題: メッセージ全体の送信が完了するまで待機する必要があるため、大幅な遅延が発生する可能性があり、これは一部のリアルタイム アプリケーションには適していません。

3. リソースの消費: メッセージ交換のための接続の確立と維持により、より多くのネットワーク リソースが占有される可能性があります。

(3) パケット交換：

アドバンテージ：

1. リソース共有: パケット交換により、複数の通信でネットワーク リソースを同時に共有できるため、ネットワーク リソースの使用率が向上します。

2. 強力な適応性: パケット スイッチングは、データ、オーディオ、ビデオなどのさまざまなデータ タイプに適しており、非常に柔軟です。

3. スケーラビリティ: 大規模なネットワークとより多くのユーザーをサポートするための拡張が比較的簡単です。

4. 異種ネットワークに最適: 異なる種類のデバイスとネットワークを接続する複雑なネットワーク トポロジに適しています。

欠点:

1. 遅延とジッター: パケット スイッチングでは遅延とジッターが発生する可能性があり、極めてリアルタイムなパフォーマンスを必要とする一部のアプリケーションには適していません。

2. データの断片化: データは小さなパケットに断片化されており、受信側で再組み立てする必要がある場合があり、さらに複雑になる可能性があります。

3. 低遅延および高帯域幅の要件には適さない: 高解像度ビデオ送信など、低遅延および高帯域幅の要件を持つ一部のアプリケーションでは、パケット スイッチングにより多くの帯域幅とリソースが必要になる場合があります。