Connectivity และการสวิตช์ (Switching)

1คำศัพท์พื้นฐาน: Node, Link, Topology

หากมองจากด้านนอก เครือข่ายอาจดูเหมือนกล่องหลายใบกับเส้นหลายเส้น แต่เส้นแต่ละเส้นไม่ได้มีความหมายเท่ากัน และกล่องแต่ละใบก็ไม่ได้ทำหน้าที่เหมือนกันทั้งหมด ก่อนเรียนว่า packet เดินทางอย่างไร เราจึงต้องตั้งชื่อสิ่งที่มันเดินผ่านให้ชัดเสียก่อน

Node คือจุดที่ข้อมูลเริ่มต้น สิ้นสุด หรือถูกส่งต่อ

Node หมายถึงอุปกรณ์หรือจุดหนึ่งในเครือข่าย หากเป็นเครื่องปลายทางที่สร้างหรือรับข้อมูล เช่น คอมพิวเตอร์ โทรศัพท์ server หรือ sensor เรามักเรียกว่า host หรือ end system แต่ถ้า node นั้นมีหน้าที่รับข้อมูลจาก link หนึ่งแล้วส่งต่อไปอีก link หนึ่ง เราอาจเรียกว่า switch หรือ router ตามหน้าที่และระดับที่ทำงาน

การแยก host ออกจากอุปกรณ์ส่งต่อสำคัญ เพราะ host สนใจความหมายของข้อมูล ส่วน switch และ router โดยทั่วไปสนใจข้อมูลที่จำเป็นต่อการส่งต่อมากกว่า เปรียบเหมือนผู้รับจดหมายที่อ่านเนื้อหาข้างใน กับศูนย์คัดแยกที่อ่านเฉพาะหน้าซอง ศูนย์คัดแยกไม่จำเป็นต้องรู้ว่าในซองเป็นจดหมายรัก ใบแจ้งหนี้ หรือข้อสอบกลางภาค—และบางทีทุกฝ่ายก็น่าจะสบายใจกว่าถ้ามันไม่รู้ครับ

Link คือช่องทางระหว่าง node

Link คือช่องทางที่เชื่อม node เข้าด้วยกัน อาจเป็นสายทองแดง ใยแก้วนำแสง คลื่นวิทยุ หรือแม้แต่การเชื่อมต่อเชิงตรรกะที่สร้างอยู่บนเครือข่ายอีกชั้นหนึ่ง Link แต่ละแบบมีข้อจำกัดต่างกัน เช่น อัตราการส่ง ระยะทาง ความหน่วง โอกาสเกิดข้อผิดพลาด และจำนวนอุปกรณ์ที่ใช้งานร่วมกัน

ดังนั้นเส้นหนึ่งเส้นในแผนภาพไม่ได้บอกทุกอย่าง มันบอกเพียงว่า node สองฝั่งมีช่องทางติดต่อกัน แต่ยังไม่บอกว่าช่องทางนั้นเร็วแค่ไหน ส่งได้พร้อมกันทั้งสองทิศหรือไม่ มีใครแชร์อยู่บ้าง หรือข้อมูลต้องรอนานเท่าไร

ในระดับพื้นฐาน เราแบ่งลักษณะของ link ได้สองแบบ:

• Point-to-point — link เชื่อมปลายสองฝั่งเข้าหากันโดยตรง เช่น ลิงก์ใยแก้วระหว่าง router สองตัว หรือสายที่เชื่อมคอมพิวเตอร์กับ switch หนึ่งตัว
• Multiple access — node หลายตัวใช้สื่อกลางร่วมกัน เช่น Wi-Fi ที่หลายอุปกรณ์ส่งผ่านช่องสัญญาณเดียวกัน หรือ Ethernet แบบ bus ในอดีต จึงต้องมีกติกาว่าใครส่งได้เมื่อไร

Direct connectivity กับ indirect connectivity

ถ้า A มี link ต่อถึง B โดยตรง เราเรียกว่าเชื่อมต่อแบบตรง แต่ในเครือข่ายขนาดใหญ่ A แทบไม่เคยมี link ตรงถึงทุกปลายทาง A อาจต่ออยู่กับ switch ตัวหนึ่ง แล้วอาศัย node ระหว่างทางส่งข้อมูลต่อไปหา B อีกหลายทอด นี่คือ indirect connectivity

จุดเปลี่ยนสำคัญอยู่ตรงนี้: เมื่อไม่ได้เชื่อมกันโดยตรง เราต้องมีคำตอบอย่างน้อยสองเรื่อง หนึ่ง จะส่งข้อมูลออกทาง link ใด และสอง node ถัดไปจะรู้ได้อย่างไรว่าควรส่งต่อไปทางไหน คำถามแรกพาเราไปสู่ switching ส่วนคำถามที่สองจะพาไปสู่ addressing และ routing

Topology คือรูปแบบความสัมพันธ์ ไม่ใช่เพียงรูปที่วาด

Topology อธิบายว่า node และ link เชื่อมโยงกันในรูปแบบใด เช่น bus, ring, star, tree หรือ mesh รูปร่างเหล่านี้มีผลต่อจำนวน link ที่ต้องใช้ จุดที่อาจกลายเป็นคอขวด และสิ่งที่จะเกิดขึ้นเมื่อบาง node หรือบาง link เสีย

ควรแยก physical topology ออกจาก logical topology ด้วย รูปแบบการต่อสายจริงอาจเป็น star แต่พฤติกรรมการส่งข้อมูลอาจเหมือนใช้สื่อกลางร่วมกัน หรือเครือข่ายจริงอาจมีโครงสร้างซับซ้อน แต่ application มองเห็นเพียงช่องทางเชื่อมต่อเดียว รูปที่เห็นจึงขึ้นอยู่กับว่าเรากำลังมองระบบในระดับใด

2Circuit Switching vs Packet Switching

เมื่อข้อมูลต้องเดินผ่าน node กลาง ระบบจะต้องเลือกว่าจะจัดสรรเส้นทางและทรัพยากรให้การสื่อสารแต่ละครั้งอย่างไร แนวคิดสำคัญมีสองแบบ แบบหนึ่งเตรียมทางไว้ก่อน ส่วนอีกแบบให้ข้อมูลแต่ละก้อนเดินทางร่วมกับข้อมูลของคนอื่น

Circuit Switching: จัดโต๊ะไว้ก่อนแขกมา

Circuit switching มักประกอบด้วยสามช่วง ได้แก่ setup เพื่อสร้างเส้นทางและจองทรัพยากร, data transfer เพื่อส่งข้อมูลผ่านวงจรที่เตรียมไว้ และ teardown เพื่อคืนทรัพยากรเมื่อสื่อสารเสร็จ

ข้อดีคือหลังจากตั้งวงจรสำเร็จแล้ว การสื่อสารไม่ต้องแข่งขันแย่งทรัพยากรส่วนที่จองไว้กับการสื่อสารอื่นในลักษณะเดียวกับ packet ทั่วไป จึงคาดการณ์อัตราการส่งและความหน่วงได้ง่ายขึ้น แต่ต้องเสียเวลาตั้งวงจรก่อน และหากผู้ใช้เงียบ ทรัพยากรที่เตรียมไว้ก็อาจไม่ได้ทำงานอะไร

Packet Switching: ส่งเมื่อมีข้อมูล และแชร์ทางกับคนอื่น

คอมพิวเตอร์มักส่งข้อมูลเป็นช่วง ๆ เราอาจอ่านหน้าเว็บอยู่นานแล้วคลิกเพียงครั้งเดียว หรือพิมพ์ข้อความอยู่หนึ่งนาทีก่อนกดส่ง หากจองช่องทางเต็มไว้ตลอดช่วงที่เงียบ ทรัพยากรส่วนใหญ่จะถูกปล่อยว่าง Packet switching จึงแบ่ง message ออกเป็น packet แล้วเปิดให้ผู้ใช้หลายรายสลับกันใช้ link ตามเวลาที่มีข้อมูลจริง แนวคิดนี้เรียกว่า statistical multiplexing ซึ่งจะอธิบายต่อในบทถัดไป

เมื่อ packet มาถึง switch มันอาจถูกเก็บไว้ใน buffer ระหว่างรอ link ขาออก หาก link ว่างก็ส่งต่อได้ทันที แต่หากมี packet อื่นรออยู่ก่อนก็ต้องเข้าคิว หาก buffer เต็ม packet ใหม่อาจถูกทิ้ง ดังนั้นความหน่วงของ packet switching ไม่ได้มาจากระยะทางเพียงอย่างเดียว แต่ขึ้นอยู่กับคนอื่นที่แชร์เครือข่ายในเวลานั้นด้วย

Store-and-forward: รับให้ครบก่อนแล้วค่อยส่งต่อ

ในการส่งแบบ store-and-forward switch รับ packet เข้ามาเก็บก่อน แล้วจึงส่งออกทาง link ถัดไป หาก packet มีขนาด L บิต และ link ส่งได้ R บิตต่อวินาที เวลาที่ใช้ผลัก packet ทั้งก้อนลง link หนึ่งเส้นคือ L/R วินาที ซึ่งเรียกว่า transmission delay

หากต้องผ่านหลาย link เวลาส่วนนี้จะเกิดซ้ำในแต่ละช่วง นอกจากนั้นยังมี propagation delay จากการที่สัญญาณต้องเดินทางจริง, processing delay ที่ node ใช้ตรวจและตัดสินใจ และ queueing delay ที่เกิดจากการรอคิว การพูดว่า “ข้อมูลผ่าน switch สามตัว” จึงยังไม่พอจะบอกว่าจะถึงเมื่อไร

Packet ทุกก้อนต้องเดินเส้นทางเดียวกันหรือไม่

ไม่จำเป็นเสมอไป ในเครือข่ายแบบ datagram packet แต่ละก้อนมีข้อมูลปลายทางและอาจถูกตัดสินเส้นทางแยกกัน คล้ายพัสดุแต่ละกล่องที่ศูนย์คัดแยกอ่านที่อยู่แล้วเลือกทางส่ง ส่วน virtual circuit จะสร้างสถานะการเชื่อมต่อเชิงตรรกะไว้ก่อน แล้ว packet ในการสื่อสารนั้นเดินตามข้อมูลวงจรที่กำหนด

คำว่า packet switching จึงไม่ได้แปลว่า “ไม่มีการเตรียมเส้นทางใด ๆ เลย” และคำว่า circuit ก็ไม่ได้แปลว่าต้องมีสายทองแดงเส้นจริงพาดจากต้นทางถึงปลายทางเสมอไป เราต้องแยกทรัพยากรทางกายภาพ ออกจากสถานะการเชื่อมต่อเชิงตรรกะให้ชัด

3Cloud, Internetwork, และการระบุที่อยู่

เมื่อเครือข่ายหนึ่งยังไม่ใหญ่พอ เราไม่ได้สร้างเครือข่ายยักษ์ก้อนเดียวขึ้นมาแทน แต่เชื่อมเครือข่ายหลายชุดเข้าหากัน ปัญหาจึงเปลี่ยนจาก “ส่งภายในเครือข่ายนี้อย่างไร” เป็น “จะข้ามจากเครือข่ายหนึ่งไปอีกเครือข่ายหนึ่งได้อย่างไร”

Internetwork คือเครือข่ายของหลายเครือข่าย

Internetwork คือระบบที่เชื่อมเครือข่ายหลายเครือข่ายเข้าด้วยกัน แม้แต่ละเครือข่ายอาจใช้เทคโนโลยี link ต่างกัน แนวคิดสำคัญไม่ได้อยู่ที่ทำให้ทุกเครือข่ายเหมือนกัน แต่อยู่ที่สร้างข้อตกลงร่วมซึ่งทำให้ข้อมูลข้ามความแตกต่างเหล่านั้นได้ Internet จึงเป็น internetwork ขนาดใหญ่ที่สุด ไม่ใช่เครือข่ายท้องถิ่นก้อนเดียวที่ลากยาวครอบโลก

Router ทำหน้าที่ส่ง packet ระหว่างเครือข่ายโดยพิจารณาที่อยู่และตารางเส้นทาง ส่วนคำว่า gateway ใช้ได้กว้างกว่า และในบางบริบทหมายถึงระบบที่เชื่อมโลกสองฝั่งซึ่งใช้ protocol หรือรูปแบบการทำงานต่างกัน จึงไม่ควรถือว่า router กับ gateway เป็นคำเดียวกันทุกกรณี

Cloud ในแผนภาพคือการบอกว่า “รายละเอียดข้างในยังไม่ใช่ประเด็น”

ในแผนภาพเครือข่าย เรามักวาดส่วนที่ซับซ้อนเป็นรูปก้อนเมฆ คำว่า cloud ในที่นี้ไม่ได้เป็นชื่ออีกคำหนึ่งของ internetwork เสมอไป แต่เป็นสัญลักษณ์ที่บอกว่า ภายในมีระบบบางอย่างทำงานอยู่ เพียงแต่ตอนนี้เราซ่อนรายละเอียดนั้นไว้ก่อน

ก้อนเมฆจึงเป็น abstraction ไม่ใช่เวทมนตร์ หากเรากำลังอธิบาย application เราอาจซ่อน router หลายสิบตัวไว้ในก้อนเดียว แต่ถ้ากำลังวิเคราะห์เส้นทางหรือจุดเสีย เราต้องเปิดก้อนเมฆนั้นออกมาดู การวาด cloud ช่วยลดสิ่งที่ต้องคิดพร้อมกัน ไม่ได้ทำให้สิ่งที่อยู่ข้างในหายไป

Address บอกว่าใคร ส่วน routing ตัดสินว่าจะไปทางไหน

การส่งข้อมูลข้ามหลาย node ต้องอาศัย address เพื่อระบุปลายทาง และ routing เพื่อหาเส้นทางไปยังปลายทางนั้น สองคำนี้เกี่ยวข้องกันแต่ไม่ใช่สิ่งเดียวกัน Address คล้ายที่อยู่บนซอง ส่วน routing คล้ายกระบวนการที่แต่ละศูนย์ไปรษณีย์อ่านที่อยู่ แล้วเลือกว่าจะส่งถุงจดหมายขึ้นรถสายใด

ผู้ส่งไม่จำเป็นต้องเขียนรายชื่อถนนทุกสายลงบนซอง เพียงระบุปลายทางให้ถูกต้อง อุปกรณ์ระหว่างทางใช้ข้อมูลในตารางของตนตัดสินใจทีละช่วง กระบวนการส่ง packet จริงตามการตัดสินใจนั้นเรียกว่า forwarding ส่วนกระบวนการเรียนรู้หรือคำนวณเส้นทางที่ควรใช้เรียกว่า routing

การส่งข้อมูลจึงต้องอาศัยแนวคิดต่อไปนี้:

• Address — ตัวระบุปลายทางภายในขอบเขตของระบบนั้น ไม่จำเป็นต้องหมายถึงตำแหน่งทางกายภาพเสมอไป
• Routing — กระบวนการหาเส้นทางจากต้นทางถึงปลายทาง
• รูปแบบการส่ง: Unicast (1 ต่อ 1), Broadcast (1 ต่อทุกตัว), Multicast (1 ต่อกลุ่มที่กำหนด)

หนึ่งผู้ส่ง ไม่ได้แปลว่าต้องมีผู้รับเพียงคนเดียว

Unicast คือการส่งจากต้นทางหนึ่งไปยังปลายทางหนึ่ง Broadcast คือการส่งไปยังทุก node ภายในขอบเขตที่กำหนด และ Multicast คือการส่งไปยังกลุ่มสมาชิกที่สนใจข้อมูลนั้น การเลือกแบบใดมีผลต่อทั้งประสิทธิภาพและขอบเขตของข้อมูล

หากต้องส่งวิดีโอเดียวกันให้ผู้ชมหนึ่งพันคน การส่ง unicast หนึ่งพันชุดทำให้ต้นทางส่งข้อมูลซ้ำจำนวนมาก Multicast พยายามให้เครือข่ายทำสำเนาเฉพาะจุดที่เส้นทางแยกออกจากกัน แต่ต้องมีกลไกจัดการสมาชิกและอุปกรณ์ระหว่างทางรองรับ ส่วน broadcast แม้เรียบง่าย แต่ถ้าใช้โดยไม่จำกัดขอบเขต ทุก node จะต้องรับข้อมูลที่อาจไม่เกี่ยวกับตนเอง

4สรุปและขั้นตอนถัดไป

จากบทนี้ไปสู่บท Multiplexing

บทนี้อธิบายแล้วว่า packet ของผู้ใช้หลายรายสามารถใช้ link ร่วมกันได้ แต่ยังไม่ได้ตอบว่า “จะแชร์กันอย่างไร” บทถัดไปจึงจะพิจารณา Multiplexing ตั้งแต่การแบ่งตามเวลา แบ่งตามความถี่ ไปจนถึงการแชร์ตามความต้องการจริง

คำถามสำคัญไม่ได้มีเพียงว่า link ส่งได้เร็วเท่าไร แต่คือใครได้รับสิทธิ์ใช้ link ในช่วงใด หากผู้ใช้หนึ่งรายเงียบ ทรัพยากรส่วนของเขาควรถูกเก็บว่างไว้ หรือเปิดให้คนอื่นยืมใช้ก่อน? คำถามนี้เป็นจุดที่ประสิทธิภาพ ความยุติธรรม และความแน่นอนเริ่มดึงระบบไปคนละทาง