NTU CSIE CN

NTU Computer Network Ch.1 Introduction

edge networks

circuit switch

去連接需要單獨建立連線，直到斷掉前都會佔用資源在那邊，但可以保證網路頻寬不會被搶走

packet switching

以 packet 為單位去傳輸資料，會跟其他人搶頻寬，但不會佔用資源，但也有頻寬搶不到時，會有微小機率 drop 掉封包

store-and-forward

要等整個 packet 都收到後才會傳送到下一個節點，會產生 processing delay 跟 queuing delay

processing delay

確定封包要送給誰，要對封包進行處理的 delay

queuing delay

封包在 queue 中等待傳送的 delay（因位進來的封包可以有多個，但出去只有一個）

FDM(Frequency Division Multiplexing)

頻分多工，把頻寬切成很多小頻寬，分給不同的人使用

TDM(Time Division Multiplexing)

時分多工，把時間切成很多小時間，分給不同的人使用

packet switching vs. circuit switching

當使用者數量少時，circuit switching 比較好，傳輸會比較穩定，比較適合 “bursty” data（只在一段時間有傳輸），但會遇到當同時太多人使用，會需要考量 packet delay 跟 buffer overflow 的問題，所以需要設計一些辦法
當使用者數量多時，packet switching 比較好，因為不會因沒有搶到頻寬而需要長時間等待。

example

  • 1 Gb/s link
  • each user:
    • 100 Mb/s when “active”
    • active 10% of time

Q: how many users can use this network under circuit-switching and packet switching?

  • circuit-switching: 10 users

  • packet switching: with 35 users, probability > 10 active at same time is less than .0004

1. Circuit-switching (電路交換) 的計算

  • 概念：在電路交換中，每個用戶都必須獨佔一條固定頻寬的「circuit」。
  • 計算：
    • 鏈路總容量 = 1 Gb/s = 1000 Mb/s
    • 每個用戶需要的容量 = 100 Mb/s
    • 最大用戶數 = (總容量) / (每個用戶需要的容量)
    • 最大用戶數 = 1000 Mb/s / 100 Mb/s = 10 users
  • 結論：在電路交換下，無論用戶是否 active (active 10% of time)，系統都必須為他保留 100 Mb/s 的頻寬。因此，最多只能有 10 個用戶。

2. Packet-switching (封包交換) 的計算

  • 概念：在封包交換中，所有用戶共享鏈路。只有當用戶「active」時，他們才會發送封包並使用頻寬。這利用了「統計多工 (statistical multiplexing)」的優勢。
  • 問題：鏈路容量只有 1 Gb/s (1000 Mb/s)。如果超過 10 個用戶同時 active（例如 11 個用戶），他們總共會需要 $11 \times 100 \text{ Mb/s} = 1100 \text{ Mb/s}$ 的頻寬，這會超過鏈路負荷，導致網路壅塞。
  • 目標：我們要計算的是：如果我們讓 35 個用戶 (N=35) 使用這個網路，發生壅塞（即超過 10 人同時 active）的機率有多低？

這是一個典型的二項分佈 (Binomial Distribution) 機率問題。

  • $N$ (總試驗次數) = 35 (總用戶數)
  • $p$ (單次成功的機率) = 10% = 0.1 (單一用戶處於「active」狀態的機率)
  • $k$ (成功次數) = 同時 active 的用戶數

我們要計算的是「超過 10 人同時 active」的機率，即 $P(k > 10)$。 $P(k > 10) = P(k=11) + P(k=12) + \dots + P(k=35)$

直接計算這個總和很複雜，所以我們計算它的補集（complement），也就是「最多 10 人 (含) 同時 active」的機率，再用 1 去減。 $P(k > 10) = 1 - P(k \le 10)$ $P(k > 10) = 1 - \sum_{k=0}^{10} P(k)$

二項分佈的機率公式為： $P(k) = \binom{N}{k} \cdot p^k \cdot (1-p)^{N-k}$ $P(k) = \binom{35}{k} \cdot (0.1)^k \cdot (0.9)^{35-k}$

我們需要計算從 $k=0$ 到 $k=10$ 的機率總和： $P(k \le 10) = P(k=0) + P(k=1) + \dots + P(k=10)$

（使用機率計算器或軟體計算）

  • $P(k=0) \approx 0.0253$
  • $P(k=1) \approx 0.0975$
  • $P(k=10) \approx 0.0007$

將以上機率相加： $P(k \le 10) \approx 0.99963$

最後，計算我們想要的「超過 10 人同時 active」的機率： $P(k > 10) = 1 - P(k \le 10) \approx 1 - 0.99963 = \mathbf{0.00037}$

這意味著，如果使用封包交換，我們可以讓 35 個用戶共享這條鏈路，而發生網路壅塞（即超過 10 人同時需要頻寬）的機率非常非常低（僅約 0.037%）。這就是封包交換相較於電路交換的效率優勢。

Cable based access

使用 同軸電纜 (coaxial cable) 來提供網際網路服務

  • 須透過 Cable Modem Termination System (CMTS) 與 ISP 核心網路連接
  • 傳輸速率取決於共享使用者數量與 ISP 分配的頻寬

Cable modem

透過 有線電視網路 傳輸

  • 下行頻寬通常比上行大 (asymmetric)
  • 頻寬較寬，但同一區域用戶需 共享頻寬 (可能發生擁塞)
  • 實際速率取決於使用者數量與網路負載

DSL (Digital Subscriber Line)

利用 現有電話線 (twisted pair) 提供數據傳輸

  • 每個使用者有獨立的「最後一哩」線路，不必和鄰居共享頻寬
  • 須透過 DSL Access Multiplexer (DSLAM) 匯入 ISP 網路

ADSL (Asymmetric DSL)

  • 下行速率 > 上行速率 (適合下載需求為主)
  • 頻寬較小，但不會與同區使用者競爭
  • 傳輸速率與距離有關，距離越遠速率越低

VDSL (Very-high-bit-rate DSL)

  • 速率比 ADSL 快得多，但距離限制更嚴格
  • 常搭配光纖到社區 (FTTC) 使用

Wireless access networks

透過 無線電波 提供存取

  • 特性：傳輸速率與傳輸距離、頻率範圍存在權衡

Wireless local area networks (WLANs)

WiFi

Wide-area cellular access networks

3G, 4G, 5G, satellite

data center networks

high-bandwidth links 去連接很多的 server

data center

冷熱通道（舊型） 新型通常用水冷式加上氣冷式（新型）如 H100

packets

把資料切成 L bits 的 packet，transmission rate R bps（不考慮其他 delay 的情況下）
packet transmission delay = $\frac{L(bits)}{R(bits/sec)}$ seconds

media

guided media

透過實體媒介傳輸，如 copper, fiber（光纖）, coax（同軸電纜）

Coaxial cable

100 Mbps

fiber

錯誤率只有 $10^{-9} ~ 10^{-12}$，速度快，10~100 Gbps

unguided media

透過無線媒介傳輸，如 radio，目前也有技術是會對指定角度傳輸增價速率跟降低耗電率

radio

錯誤率到 $10^{-3} ~ 10^{-9}$，速度慢，10~100 Mbps

internet core

forwarding

routing 會決定要走哪一條路（透過 routing algorithms），forwarding(switching) 會決定在 router 中要走哪一個 output link 來達成 routing 的決定

core network

internet

network of networks

ISP

Internet Service Providers(ISPs)
hosts 透過 access ISP 來連上 internet

global ISP

ISP 會再去連到 regional ISP，再去連到的 global ISP， global ISP 中間再去透過 IXP（internet exchange point）或是 peering point（兩家關係較好時）連接， 不過因為同一家 ISP 中間連線處理的節點較 IXP 或 peering point 多，所以通常相同 ISP 的內部的連接會比較便宜。\

content provider network

跟 global ISP 同一層，像 google 這些，或是可以提供服務 archive 服務在上面的公司

performance

packet delay and packet loss occur(wire networks)

在 packet queue 中排隊會造成 delay，當 queue 滿了就會造成 loss

delay

processing delay

在節點處理封包的時間，包含檢查錯誤、決定路由等

queuing delay

在 queue 中等待的時間

  • a: average arrival rate (packets/sec)
  • L: packet length(bits/packets)
  • R: link bandwidth (bit transmission rate) (bits/sec)

traffic intensity $\rho = \frac{L \times a}{R} = \frac{\text{arrival rate of bits}}{\text{service rate of bits}}$

$\rho \approx 0$: avg queuing delay small
$\rho \rightarrow 1$: avg queuing delay large
$\rho > 1$: 幾乎是 infinity delay

transmission delay

把 L bits 的 packet 傳送到 R bps 的 link 上所需要的時間
= $\frac{L(bits)}{R(bits/sec)}$ seconds

propagation delay

在媒介中傳播的時間，取決於距離和傳播速度 = $\frac{length\ of\ physical\ link}{propagation\ speed\ in\ medium}$ 跟 transmission delay 不同

total nodal delay

$d_{nodal} = d_{proc} + d_{queue} + d_{trans} + d_{prop}$

end-to-end delay

traceroute

測試 delay 的工具，每次送出 3 個封包再往外一個 hub 然後接收回傳（但商用網路有時候不會回），重複直到到目的地（最多往外 30 個 hub）

loss

可能會由前面一個節點、來源重送，或是沒有動作。

throughput

從 sender 到 receiver 的 rate(bits/time)，要考量每個節點中間的傳輸量（取最低） $R_{Server}, R_{Client}, R$ 這三個通常是瓶頸

security

packet “sniffing”

在 broadcast 的網路去抓封包（Ethernet, wireless）

ip spoofing

去偽造 IP src

Denial of Service(DoS)

瘋狂送請求去塞爆某一臺流量

lines of defense

authentication

confidentiality

integrity checks

access restrictions

firewalls

layer

每一層都會加一個 header，可以從 header 判讀是跟哪一層溝通

application

$\rightarrow$message
supporting network applications
ex: HTTP, IMAP, SMTP, DNS

transport

$\rightarrow$segment
process-process data transfer
ex: TCP, UDP

networks

$\rightarrow$datagram
routing of datagrams
ex: IP, routing protocol

$\rightarrow$frame
data transfer between neighboring network elements
ex: Ethernet, 802.11 (WiFi), PPP

physical

bits “on the wire”