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La commutazione di pacchetto è una tecnica di accesso multiplo a ripartizione nel tempo, utilizzata per condividere un canale di comunicazione tra più stazioni in modo non deterministico, utilizzata generalmente per realizzare reti di calcolatori. Si distingue dalla commutazione di circuito, che è tipicamente usata nelle comunicazioni telefoniche.
Tali tecniche non comportano l'attivazione di una linea di comunicazione dedicata fra un elaboratore ed un altro, ma consentono lo svolgimento simultaneo di più comunicazioni fra computer, massimizzando così l'utilizzazione dei mezzi trasmissivi impiegati.
Indice |
Pacchetti
In una rete a commutazione di pacchetto (PBN, Packet Based Network) l'informazione da trasmettere viene suddivisa in pacchetti di dimensione abbastanza piccola; ad ognuno di essi viene aggiunta un'intestazione che contiene tutta l'informazione necessaria affinché il pacchetto possa venire inoltrato alla sua destinazione finale e sulla sua posizione all'interno dell'informazione che viene trasferita. I pacchetti vengono inviati individualmente attraverso la rete e vengono poi riassemblati nella loro forma originale quando arrivano sul computer di destinazione.
L'intera capacità trasmissiva disponibile viene impegnata per la trasmissione di ciascun pacchetto. Se vi sono più pacchetti da trasmettere contemporaneamente, questi vengono memorizzati in una coda, subendo un ritardo di accodamento e rischiando di essere scartati in caso di esaurimento della memoria disponibile per la coda.
Commutatori
Quando un nodo intermedio detto commutatore di pacchetto, generalmente un router o uno switch, riceve un pacchetto, esso decide quale è il percorso migliore che il pacchetto può prendere per raggiungere la sua destinazione. Questa strada può cambiare da pacchetto a pacchetto dipendentemente dalle condizioni della rete, per cui pacchetti appartenenti ad uno stesso messaggio possono intraprendere anche percorsi distinti.
Ritardi
Un pacchetto che attraversa una rete subisce un ritardo, legato in parte alle caratteristiche del percorso ed in parte allo stato di carico della rete.
Le componenti del ritardo sono:
- ritardo di elaborazione - il tempo necessario a ciascun commutatore per processare il pacchetto. Se un commutatore agisce a diversi livelli, ciascun livello aggiungerà una sua componente di ritardo.
- analizzare l'intestazione del pacchetto e determinare il relativo instradamento
- controllo degli errori a livello di bit nel pacchetto, tipicamente attraverso uno o più algoritmi di checksum
- ritardo di trasmissione - il tempo necessario per trasmettere il pacchetto alla velocità della linea di trasmissione. È dato dal rapporto tra lunghezza del pacchetto e velocità della linea.
- Molti commutatori utilizzano la tecnica store-and-forward, ovvero ricevono tutto il pacchetto, lo elaborano, e poi lo accodano per la ritrasmissione. Pertanto il ritardo di trasmissione dei commutatori attraversati devono essere sommati tra loro.
- In alcuni casi si usa invece la tecnica cut-through, per cui il commutatore, appena ha ricevuto informazioni sufficienti ad instradare il pacchetto, inizia a trasmetterlo sulla porta in uscita, se questa non è già impegnata. In questo caso, quando il pacchetto trova la porta di uscita libera, il ritardo di trasmissione non si accumula.
- ritardo di propagazione - il tempo necessario al segnale fisico per propagarsi lungo una linea di trasmissione. Nei mezzi trasmissivi come rame o fibra ottica, i segnali si propagano ad una frazione della velocità della luce nello specifico mezzo trasmissivo, indicativamente 200.000 km/s. Quindi il ritardo di trasmissione è stimabile grossolanamente in 5 μs/km.
- ritardo di coda (queuing delay), dovuto al fatto che i pacchetti in uscita non sempre vengono trasmessi immediatamente. Infatti la linea in uscita può essere occupata da altri pacchetti in corso di trasmissione. In questo caso, il pacchetto viene salvato in una memoria temporanea del commutatore detta coda, per venir trasmesso appena possibile. Il tempo atteso dal pacchetto nella coda è appunto detto ritardo di coda, e non è possibile stabilire a priori quanto ritardo di coda un pacchetto subirà. Il ritardo di coda può essere però caratterizzato statisticamente, e di questo si occupa la teoria delle code.
- Se vengono applicate tecniche di qualità di servizio, alcune classi di pacchetti otterranno un trattamento preferenziale alla coda in uscita, per cui avranno diverse distribuzioni del ritardo di coda.
È anche possibile che i pacchetti inviati tra due stessi host in momenti diversi subiscano ritardi differenti. La variazione del ritardo subito dai pacchetti è detta jitter.
Perdita di pacchetti
La perdita di pacchetti può avvenire in diverse occasioni. Un pacchetto può perdersi in quanto viene ricevuto con un errore e quindi scartato, oppure quando il buffer di un commutatore, sia nelle porte di ingresso che in quelle di uscita, risulta saturo e quindi si trova costretto a scartarlo.
Per questa ragione, una rete a pacchetto non può generalmente garantire che tutti i pacchetti inviati arrivino a destinazione.
TCP risolve questo problema reinviando i pacchetti persi (i pacchetti per i quali non riceve un ACK positivo).
Commutazione di pacchetto e commutazione di circuito
Mentre in una rete a commutazione di circuito la capacità del canale trasmissivo è interamente dedicata ad una specifica comunicazione, la commutazione di pacchetto si rivela molto più efficiente nonostante la maggior quantità di dati inviata, in quanto i canali fisici sono utilizzati solo per il tempo strettamente necessario. Inoltre, poiché ogni pacchetto porta con sé la sua identificazione, una rete può trasportare nello stesso tempo pacchetti provenienti da sorgenti differenti.
La commutazione di pacchetto permette quindi a più utenti di inviare informazioni attraverso la rete in modo efficiente e simultaneo, risparmiando tempo e costi mediante la condivisione di uno stesso canale trasmissivo (cavo elettrico, etere, fibra ottica ecc.).
Storicamente la commutazione di pacchetto poneva qualche problema nel caso fosse necessaria una disponibilità garantita di banda o nelle trasmissioni real time: si pensi a una trasmissione video, dove le immagini arrivano con un flusso costante. Al giorno d'oggi è però possibile aggiungere una "priorità" ai pacchetti per garantire che un numero sufficiente di essi venga inviato, a scapito di altri pacchetti che non abbiano un'urgenza specifica - ad esempio, un file da trasferire.
La commutazione di pacchetto è uno dei possibili metodi di multiplazione, ovvero è una tecnica per suddividere la capacità trasmissiva di un canale tra diversi utilizzatori. Vedi anche Multiplazione.
Bibliografia
- (EN) Paul Baran, On Distributed Communications
- (EN) Paul Baran, On Distributed Communications Networks (IEEE Transactions on Communications Systems, March 1964)
- (EN) Leonard Kleinrock, Information Flow in Large Communication Nets, (MIT, Cambridge, May 31, 1961) Proposal for a Ph.D. Thesis
- (EN) Leonard Kleinrock, Communication Nets: Stochastic Message Flow and Design (McGraw-Hill, 1964)
- (EN) Katie Hafner, Where Wizards Stay Up Late (Simon and Schuster, 1996)
