Um artigo para entender a comutação de circuitos, comutação de mensagens e comutação de pacotes

1. Explicação detalhada da comutação de circuitos

(1) Princípio

(1) Uma conexão deve ser estabelecida antes da comunicação e a conexão deve ser liberada após a conclusão da comunicação. Em outras palavras, a comunicação deve ter três estágios: estabelecer conexão, comunicar e liberar conexão.

(2) Durante todo o processo de comunicação, ambas as partes ocupam o canal físico utilizado do início ao fim. Portanto, para comunicações de computador, uma vez que os dados do computador são interrompidos, a eficiência da comutação de circuitos é relativamente baixa quando se considera a taxa de utilização das linhas de comunicação. Além disso, quando a linha de comunicação ocupada por ambas as partes em comunicação consiste em muitos links (esses links são conectados através de vários switches), a comunicação só pode ser conectada se cada link puder ser conectado (cada link possui recursos de canal livres). outros usuários, ou seja, existem recursos disponíveis), todo o estabelecimento da conexão pode ser concluído (mesmo que haja apenas um link sem canal livre para utilização, o estabelecimento da conexão não pode ser concluído). Quando o volume de tráfego da rede de comunicação está muito ocupado, a comutação de circuitos não pode garantir que todas as chamadas do usuário possam ser conectadas. Se a primeira fase de estabelecimento da ligação não puder ser concluída, então é claro que a fase subsequente do processo de comunicação não será possível. No processo de comunicação comutada por circuito, desde que um link em toda a conexão (como um determinado link ou switch) falhe, toda a conexão deixa de existir e então a comunicação é interrompida. Para restabelecer a comunicação, a conexão deve ser restabelecida. Se uma nova conexão puder ser estabelecida ignorando o link ou switch com falha, uma nova comunicação poderá começar. Isso significa que os sistemas comutados por circuito não podem se recuperar automaticamente de falhas. Mas uma das principais vantagens da comutação de circuitos é que, desde que a conexão possa ser estabelecida, a largura de banda de transmissão necessária para a comunicação entre as duas partes foi alocada e não será alterada. Isso é chamado de alocação estática de largura de banda de transmissão. Ambas as partes comunicantes podem ocupar recursos de comunicação desde que estejam dispostas a fazê-lo (para redes públicas, desde que paguem de acordo com os regulamentos), não serão afetadas por outros usuários da rede. Quando ocorre congestionamento de rede, é provável que outros usuários na rede não consigam estabelecer uma conexão apesar de chamadas repetidas, mas essas ações não afetarão a qualidade da comunicação dos usuários que ocuparam recursos de comunicação (a menos que haja uma falha na rede de comunicação que afeta a conexão atual para comunicação).

(2) Exemplo

Você pode entender como funciona a comutação de circuitos ao fazer uma chamada telefônica tradicional. Aqui está um exemplo para lhe dar uma ideia de como funciona a comutação de circuitos:

1. Processo de discagem : Suponha que você queira ligar para seu amigo. Primeiro, você pega o telefone e disca o número de telefone do seu amigo. Neste ponto, o sistema telefônico começará a comutação de circuitos.

2. Estabelecendo uma conexão : O número discado é enviado para a central telefônica, que é um dispositivo da rede telefônica à qual você está conectado. A central telefônica usará o número que você discar, encontrará a localização do telefone do seu amigo e tentará estabelecer uma conexão de circuito dedicado entre o seu telefone e o telefone do seu amigo.

3. Chamada em andamento : Assim que a conexão for estabelecida, a chamada entre você e seu amigo poderá começar. Neste momento, o circuito da linha telefônica está reservado exclusivamente para vocês dois conversarem, e ninguém mais pode falar neste circuito.

4. Fim da chamada : Quando você e seu amigo desligam o telefone, a conexão é liberada e o circuito é fechado. Isto significa que os recursos anteriormente ocupados podem agora ser utilizados para outras chamadas telefónicas.

Neste exemplo, o ponto principal da comutação de circuitos é que uma conexão de circuito dedicada seja estabelecida antes do início da chamada e permaneça aberta até o término da chamada. Este método garante qualidade de chamada em tempo real, mas também significa que o circuito não pode ser usado para outras chamadas durante a chamada. É assim que funciona basicamente a comutação de circuitos e, embora a tecnologia digital e a comutação de pacotes sejam mais comuns nas comunicações modernas, a comutação de circuitos ainda é usada nas redes telefônicas tradicionais.

(3) Vantagens

A comutação de circuitos é um método de comunicação usado para estabelecer e manter caminhos de comunicação para transmitir dados ou voz entre dois ou mais terminais. Isso difere da comutação de pacotes, que divide os dados em pequenos pedaços e os envia em caminhos incertos pela rede.

1. Estabelecendo um caminho fixo : Na comutação de circuitos, o caminho de comunicação é estabelecido antes do início da chamada. Este caminho é um circuito físico que permanece aberto até o término da chamada. Isso significa que durante a chamada, o caminho fica reservado exclusivamente para esta chamada e não será utilizado por outras chamadas.

2. Alocação de recursos : Na comutação de circuitos, cada chamada precisa receber largura de banda suficiente e outros recursos para garantir uma boa qualidade de chamada. Isso significa que durante a chamada, esses recursos não poderão ser utilizados para outras chamadas.

3. Baixa latência : Como o caminho de comunicação é fixo, a comutação de circuitos geralmente tem baixa latência, o que significa que as chamadas podem ocorrer em tempo real, tornando-a adequada para aplicações que exigem resposta imediata, como chamadas de voz.

4. Rede telefônica tradicional : A aplicação mais comum de comutação de circuitos é a rede telefônica tradicional (PSTN, Public Switched Telephone Network). Neste tipo de rede, as chamadas telefônicas estabelecem uma conexão de circuito através de um switch, permitindo que duas partes falem em ambas as direções.

5. Problemas de eficiência : A comutação de circuitos apresenta problemas de eficiência com a alocação de recursos porque um circuito fixo é mantido durante uma chamada, mas a chamada, na verdade, só acontece durante parte do tempo. Isto se compara à comutação de pacotes, que permite um compartilhamento mais flexível de recursos de rede, mas pode introduzir alguma latência.

(4) Desenvolvimento

Gradualmente substituídas por redes IP : Com o desenvolvimento das redes IP (Internet Protocol), cada vez mais comunicações estão se voltando para comunicações digitais baseadas em comutação de pacotes, como chamadas VoIP (Voice over Internet Protocol) e videoconferências. Essas tecnologias são mais flexíveis e podem utilizar os recursos da rede com mais eficiência.

Em geral, a comutação de circuitos é um método de comunicação tradicional adequado para cenários de aplicação específicos, mas está sendo gradualmente substituída pela comutação de pacotes e pelas tecnologias de comunicação digital nas comunicações modernas.

2. Troca de mensagens

(1) Princípio

A troca de mensagens também usa tecnologia de armazenamento e encaminhamento. A diferença é que a troca de mensagens não divide mais as mensagens em grupos menores, mas armazena a mensagem inteira nos nós da rede e depois a encaminha. Desta forma, a etapa de divisão de pequenos pacotes é omitida e o processo de remontagem dos pacotes em mensagens no ponto final é eliminado. No entanto, a comutação de mensagens não é tão flexível quanto a comutação de pacotes e o atraso na transmissão de dados é grande. Originalmente, a troca de mensagens era usada para transmitir telegramas. Poucas pessoas fazem telegramas hoje em dia, por isso a troca de mensagens raramente é utilizada.

(2) Aplicação

1. Comunicação na Web : HTTP (Hypertext Transfer Protocol) é um protocolo de troca de mensagens usado para transmitir páginas da Web em HTML, imagens, vídeos e outros recursos da Web entre navegadores e servidores da Web. Quando você solicita uma página da web no navegador, o navegador envia uma mensagem de solicitação HTTP ao servidor e aguarda que o servidor envie uma mensagem de resposta, que contém o conteúdo da página da web.

2. E-mail : SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) é um protocolo de troca de mensagens usado para transmitir e-mail. Quando você envia um e-mail, o cliente de e-mail empacota o conteúdo do e-mail em uma mensagem e a envia para o servidor de e-mail via SMTP. O servidor de e-mail então transmite a mensagem para o servidor de e-mail do destinatário e, finalmente, o destinatário recupera o e-mail por meio do cliente de e-mail .e reúna-o em um e-mail legível.

3. Transferência de arquivos : FTP (File Transfer Protocol) é um protocolo de troca de mensagens usado para transferir arquivos de um computador para outro. Os usuários podem usar um cliente FTP para criar mensagens de transferência de arquivos e depois fazer upload ou download de arquivos para o servidor FTP.

4. Mensagens instantâneas : em aplicativos de mensagens instantâneas, como aplicativos de bate-papo e plataformas de mídia social, as mensagens enviadas pelos usuários são empacotadas em mensagens e depois transmitidas ao destinatário através da rede para obter comunicação em tempo real ou atrasada.

5. Pesquisa na Web : quando você insere uma consulta em um mecanismo de pesquisa, sua consulta é empacotada em um pacote e enviada ao servidor do mecanismo de pesquisa, e o servidor retorna um pacote contendo os resultados da pesquisa.

6. Chamada de Procedimento Remoto : Na computação distribuída, a troca de mensagens é usada para realizar Chamada de Procedimento Remoto (RPC) em diferentes computadores. O cliente empacota a solicitação de chamada em uma mensagem e a envia para o servidor remoto através da rede. O servidor executa a operação solicitada e empacota o resultado em uma mensagem e a retorna ao cliente.

7. Transmissão de streaming multimídia : Em aplicativos de streaming de áudio e vídeo, como streaming de música online e transmissão ao vivo de vídeo, os dados de áudio e vídeo são geralmente transmitidos na forma de pacotes para obter streaming multimídia em tempo real.

No geral, a troca de mensagens é um método versátil de comunicação adequado para uma variedade de aplicações, desde navegação na web e e-mail até mensagens instantâneas e streaming de multimídia. Diferentes aplicações utilizam diferentes protocolos de troca de mensagens para atender às suas necessidades específicas. A flexibilidade e a ampla utilização deste método de comunicação tornam-no fundamental nas redes de computadores modernas.

3. Comutação de pacotes

(1) Princípio

A comutação de pacotes mais comumente usada atualmente usa o protocolo IP sem conexão. Esse tipo de comutação de pacotes usa pacotes como unidade de transmissão, usa tecnologia de armazenamento e encaminhamento e não possui os dois estágios de estabelecimento e liberação da conexão, portanto, transmite dados rapidamente. Durante o processo de transmissão de dados, a largura de banda de transmissão é alocada dinamicamente e o link de comunicação é ocupado segmento por segmento. Ou seja, se a largura de banda de um determinado enlace for maior, a taxa de transmissão do pacote será mais rápida; se a largura de banda de outro enlace for menor, a taxa de transmissão será mais lenta. Ao contrário da comutação de circuitos, a taxa de transmissão é a mesma da origem ao destino. Pode-se observar que a comutação de pacotes pode utilizar de forma razoável e eficaz a largura de banda de transmissão de cada link.

A comutação de pacotes usa um protocolo de roteamento distribuído. Quando um nó ou link na rede falha, a rota para transmissão de pacotes pode ser alterada de forma adaptativa e dinâmica para que a transmissão de dados possa continuar. O ponto de origem da transmissão dos dados e o ponto de destino do recebimento dos dados nem saberão da falha na rede. Portanto, a rede de comutação de pacotes tem boa capacidade de sobrevivência. A comutação de pacotes também tem algumas desvantagens. Por exemplo, os pacotes precisam ser enfileirados quando armazenados e encaminhados por cada roteador, o que causará um certo atraso. Além disso, como a comutação de pacotes não pode garantir a largura de banda necessária para a comunicação ponta a ponta, quando o tráfego na rede de comutação de pacotes aumenta repentinamente, pode ocorrer congestionamento em algum lugar da rede, prolongando assim o tempo de transmissão de dados. Quando o congestionamento da rede é grave, toda a rede pode ficar paralisada.

Outro problema com a comutação de pacotes é que cada pacote deve transportar informações de controle, o que também causa uma certa sobrecarga. Toda a rede de comutação de pacotes também requer mecanismos especializados de gerenciamento e controle. É claro que as redes comutadas por circuito também exigem gerenciamento de rede, mas os switches em redes comutadas por circuito têm fortes funções de gerenciamento de rede e podem gerenciar a rede com eficácia. Os roteadores em redes comutadas por pacotes são relativamente simples e não podem gerenciar toda a rede. Um software especial de gerenciamento de rede deve ser executado por um host especial na rede para gerenciar toda a rede.

Resumo (os três são diferentes)

As vantagens e desvantagens da comutação de circuitos, comutação de mensagens e comutação de pacotes são explicadas abaixo:

(1) Comutação de circuito:

vantagem:

1. Alta qualidade de chamada : A comutação de circuitos normalmente fornece alta qualidade e clareza de chamada devido à largura de banda fixa e aos recursos alocados quando a chamada é estabelecida.

2. Tempo real : A comutação de circuitos é adequada para aplicações que requerem comunicação em tempo real, como chamadas telefônicas tradicionais, pois uma vez estabelecida a conexão, a comunicação começa imediatamente.

3. Simples : O princípio da comutação de circuitos é relativamente simples, fácil de entender e gerenciar e é adequado para redes telefônicas tradicionais.

4. Adequado para comunicação ponto a ponto : A comutação de circuito conecta diretamente dois terminais e é adequada para comunicação ponto a ponto.

deficiência:

1. Desperdício de recursos : os recursos alocados durante uma chamada ficam ociosos quando a chamada está inativa, resultando em desperdício de recursos.

2. Dimensionamento de dificuldade : Dificuldade de dimensionamento para suportar grandes números de chamadas simultâneas, especialmente em redes de grande escala.

3. Não adequado para transmissão de dados : A comutação de circuitos é usada principalmente para comunicação de áudio e não é adequada para transmissão de dados.

(2) Troca de mensagens:

vantagem:

1. Integridade de dados : A troca de mensagens garante a integridade de toda a mensagem para evitar perda ou corrupção de dados.

2. Transmissão ordenada : as mensagens geralmente são transmitidas na ordem em que são enviadas, garantindo que as mensagens sejam montadas e processadas corretamente no destinatário.

3. Adequado para vários tipos de dados : Adequado para vários tipos de dados, incluindo texto, imagens, áudio e vídeo, etc.

4. Ampla aplicação : Amplamente utilizado na Internet e LAN, incluindo comunicação na Web, e-mail, transferência de arquivos, etc.

deficiência:

1. Questões de eficiência : Em comparação com a comutação de pacotes, a comutação de mensagens pode não ser eficiente o suficiente no uso dos recursos da rede porque a mensagem inteira precisa ser transmitida.

2. Problema de latência : Devido à necessidade de aguardar a conclusão da transmissão de toda a mensagem, pode ser introduzido um grande atraso, o que não é adequado para algumas aplicações em tempo real.

3. Consumo de recursos : Estabelecer e manter conexões para troca de pacotes pode ocupar mais recursos de rede.

(3) Comutação de pacotes:

vantagem:

1. Compartilhamento de recursos : A comutação de pacotes permite que múltiplas comunicações compartilhem recursos de rede ao mesmo tempo, melhorando a utilização dos recursos da rede.

2. Forte adaptabilidade : A comutação de pacotes é adequada para vários tipos de dados, incluindo dados, áudio, vídeo, etc., e é muito flexível.

3. Escalabilidade : Relativamente fácil de escalar para suportar redes de grande escala e mais usuários.

4. Adequado para redes heterogêneas : Adequado para topologias de rede complexas conectando diferentes tipos de dispositivos e redes.

deficiência:

1. Atraso e instabilidade : a comutação de pacotes pode introduzir algum atraso e instabilidade, o que não é adequado para algumas aplicações que exigem desempenho extremamente em tempo real.

2. Fragmentação de dados : Os dados são fragmentados em pequenos pacotes, que podem precisar ser remontados na extremidade receptora, o que pode introduzir alguma complexidade adicional.

3. Não é adequado para requisitos de baixa latência e alta largura de banda : Para algumas aplicações com baixa latência e requisitos de alta largura de banda, como transmissão de vídeo de alta definição, a comutação de pacotes pode exigir mais largura de banda e recursos.