Lecture 2: Direct Link Networks Guevara Noubir CS 4700 - - PowerPoint PPT Presentation

Lecture ¡2: ¡Direct ¡Link ¡Networks ¡

Guevara ¡Noubir ¡ CS ¡4700 ¡& ¡CS ¡5700 ¡

Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

Textbook: Computer Networks: A Systems Approach,

• L. Peterson, B. Davie, Morgan Kaufmann

Chapter 2.

Lecture ¡Outline ¡

• Physical ¡Layer ¡

– Links, ¡Capacity, ¡Encoding ¡

• Link ¡Layer ¡

– Framing ¡ – Error ¡DetecIon ¡ – Error ¡recovery ¡-­‑ ¡Sliding ¡Window ¡Algorithm ¡ – Medium ¡Access ¡Control ¡

• ExisIng ¡protocols: ¡Ethernet, ¡Token ¡Rings, ¡WiFi ¡

Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

Link ¡Technologies ¡

• Propagate ¡signals ¡(electromagneIc ¡waves) ¡at ¡speed ¡of ¡light ¡
• ConInuously ¡evolving… ¡
• Cables: ¡ ¡

– Cat ¡5 ¡twisted ¡pair, ¡10-­‑100 ¡Mbps, ¡100m ¡ – Cat ¡6 ¡twisted ¡pair, ¡1-­‑10 ¡Gbps, ¡-­‑ ¡100m ¡ – Thin-­‑net ¡coax, ¡10-­‑100 ¡Mbps, ¡200m ¡ – Thick-­‑net ¡coax, ¡10-­‑100 ¡Mbps, ¡500m ¡ – MulImode ¡fiber, ¡100 ¡Mbps ¡– ¡10 ¡Gbps, ¡ ¡-­‑ ¡2km ¡ – Single-­‑mode ¡fiber, ¡0.1-­‑10 ¡Gbps, ¡-­‑ ¡40km ¡

• Leased ¡Lines: ¡

– Copper ¡based: ¡T1 ¡(1.544Mbps), ¡T3 ¡(44.736Mbps) ¡ – OpIcal ¡fiber: ¡STS-­‑1 ¡(51.84Mbps), ¡STS-­‑N ¡(N*51.84Mbps) ¡

• Last-­‑Mile ¡Links: ¡

– POTS ¡(56Kbps), ¡ISDN ¡(2*64Kbps) ¡ – xDSL: ¡ADSL ¡(16-­‑640Kbps, ¡1.554-­‑8.448Mbps), ¡VDSL ¡(12.96Mbps-­‑55.2Mbps) ¡ – CATV: ¡40Mbps ¡downstream, ¡20Mbps ¡upstream ¡ – ¡Fiber ¡to ¡the ¡home: ¡50Mbps ¡– ¡1Gbps ¡

• Wireless ¡Links: ¡Cellular, ¡WLAN, ¡Satellite ¡

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Link ¡Capacity ¡

• Shannon ¡Capacity ¡Theorem ¡

– Input ¡x, ¡output ¡y, ¡and ¡memoryless ¡channel ¡probability ¡transiIon ¡ funcIon ¡p(y|x) ¡ – Capacity ¡is ¡max ¡mutual ¡informaIon ¡between ¡X ¡and ¡Y ¡over ¡all ¡possible ¡ distribuIons ¡of ¡x ¡

• Case ¡of ¡AddiIve ¡White ¡Gaussian ¡Noise ¡(AWGN) ¡channel: ¡

– C ¡= ¡B*log(1+S/N) ¡ – S: ¡signal ¡power, ¡N: ¡noise ¡power ¡

• Example ¡of ¡telephone ¡line ¡

– B ¡= ¡3,300 ¡– ¡300 ¡Hz ¡= ¡3,000 ¡Hz; ¡ ¡ – S/N ¡= ¡1,000 ¡also ¡wriken ¡as ¡30dB ¡ – C ¡= ¡30 ¡Kbps ¡

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C = maxI(X;Y)

p(x)

I(X;Y) = H(Y) − H(Y | X) H(X) = − p(x)log2 p(x)

x

∑

Encoding ¡

• Signals ¡propagate ¡over ¡a ¡physical ¡medium ¡

– Modulate ¡electromagneIc ¡waves ¡ – e.g., ¡vary ¡voltage ¡

• Encode ¡binary ¡data ¡onto ¡signals ¡

– e.g., ¡0 ¡as ¡low ¡signal ¡and ¡1 ¡as ¡high ¡signal ¡ – known ¡as ¡Non-­‑Return ¡to ¡zero ¡(NRZ) ¡

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Bits NRZ 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0

Problem: ¡ConsecuIve ¡1s ¡or ¡0s ¡

• Low ¡signal ¡(0) ¡may ¡be ¡interpreted ¡as ¡no ¡signal ¡
• High ¡signal ¡(1) ¡leads ¡to ¡baseline ¡wander ¡

– Receiver ¡compares ¡rx_signal ¡to ¡avg_signal ¡

• Unable ¡to ¡recover ¡clock ¡

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AlternaIve ¡Encodings ¡

• Non-­‑return ¡to ¡Zero ¡Inverted ¡(NRZI) ¡

– Make ¡a ¡transiIon ¡from ¡current ¡signal ¡to ¡encode ¡ a ¡one; ¡stay ¡at ¡current ¡signal ¡to ¡encode ¡a ¡zero ¡ – Solves ¡the ¡problem ¡of ¡consecuIve ¡ones ¡

• Manchester ¡

– Transmit ¡XOR ¡of ¡the ¡NRZ ¡encoded ¡data ¡and ¡the ¡ clock ¡ – Only ¡50% ¡efficient! ¡

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Encodings ¡(cont) ¡

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Bits NRZ Clock Manchester NRZI 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0

Encodings ¡(cont) ¡

• 4B/5B ¡

– Every ¡4 ¡bits ¡of ¡data ¡encoded ¡in ¡a ¡5-­‑bit ¡code ¡ – 5-­‑bit ¡codes ¡selected ¡to ¡have ¡no ¡more ¡than ¡one ¡leading ¡0 ¡ and ¡no ¡more ¡than ¡two ¡trailing ¡0s ¡ ¡ – Thus, ¡ ¡never ¡get ¡more ¡than ¡three ¡consecuIve ¡0s ¡ – ResulIng ¡5-­‑bit ¡codes ¡are ¡transmiked ¡using ¡NRZI ¡ ¡ – Achieves ¡80% ¡efficiency ¡

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4b data 5b code 4b data 5b code 0000 11110 1000 10010 0001 01001 1001 10011 0010 10100 1010 10110 0011 01010 1011 10111 0100 01011 1100 11010 0101 01110 1101 11011 0110 10010 1110 11100 0111 10011 1111 11101

Framing ¡

• The ¡physical ¡layer ¡provide ¡a ¡mean ¡to ¡transmit ¡a ¡sequence ¡
• f ¡bits ¡ ¡
• How ¡can ¡one ¡determine ¡the ¡beginning/end ¡of ¡a ¡frame? ¡
• SoluIons: ¡

– Character-­‑based ¡framing ¡(use ¡special ¡control ¡characters) ¡ – Bit-­‑oriented ¡framing ¡with ¡flags ¡ – Length ¡counts ¡ – Clock ¡based ¡

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Character ¡Based ¡Framing ¡

• BISYNC: ¡BInary ¡SYNchronous ¡CommunicaIon ¡

– SYN: ¡Synchronous ¡idle, ¡SOH: ¡Start ¡of ¡Header, ¡STX: ¡Start ¡of ¡text, ¡ETX: ¡End ¡of ¡text ¡

• Problem: ¡ ¡

– If ¡control ¡characters ¡appear ¡within ¡the ¡header, ¡or ¡CRC: ¡

• these ¡are ¡known ¡locaIon, ¡one ¡can ¡skip ¡control ¡characters ¡in ¡these ¡fields ¡

– If ¡control ¡characters ¡appear ¡in ¡the ¡packet ¡

• use ¡a ¡Data ¡Link ¡Escape ¡(DLE) ¡character ¡before ¡ETX ¡when ¡it ¡appears ¡within ¡the ¡

packet ¡

• if ¡DLE ¡appears ¡within ¡the ¡packet ¡replace ¡it ¡with ¡DLE ¡DLE ¡
• This ¡mechanism ¡is ¡called ¡character ¡stuffing ¡
• Same ¡mechanism ¡in ¡Point-­‑to-­‑Point ¡Protocol ¡(PPP) ¡

– widely ¡used ¡over ¡modems, ¡DSL, ¡PPPoE, ¡PPPoA, ¡cellular, ¡etc. ¡

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SYN SYN SOH Header Packet ETX CRC SYN STX

Bit ¡Based ¡Framing ¡

• SenInel-­‑based ¡(Bit ¡oriented) ¡

– Delineate ¡frame ¡with ¡ ¡special ¡pakern: ¡01111110 ¡ – e.g., ¡HDLC, ¡SDLC ¡ – Problem: ¡special ¡pakern ¡appears ¡in ¡the ¡payload ¡ – SoluIon: ¡bit ¡stuffing ¡

• sender: ¡insert ¡0 ¡ater ¡five ¡consecuIve ¡1s ¡
• receiver: ¡delete ¡0 ¡that ¡follows ¡five ¡consecuIve ¡1s ¡
• Disadvantage: ¡potenIally ¡increases ¡the ¡length ¡by ¡20% ¡

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Header Body 8 16 16 8 CRC Beginning sequence Ending sequence

Counter ¡Based ¡Framing ¡

– Include ¡payload ¡length ¡in ¡header ¡ – e.g., ¡Digital ¡Data ¡CommunicaIons ¡Message ¡Protocol ¡ ¡(DDCMP) ¡ ¡ – Problem: ¡count ¡field ¡corrupted ¡ – SoluIon: ¡catch ¡when ¡CRC ¡fails ¡

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Clock ¡Based ¡Framing ¡

– e.g., ¡SONET: ¡Synchronous ¡OpIcal ¡Network, ¡ dominant ¡standard ¡for ¡long-­‑distance ¡data ¡ transmission ¡over ¡opIcal ¡networks ¡ – STS-­‑n ¡(STS-­‑1 ¡= ¡51.84 ¡Mbps) ¡

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Error ¡DetecIon ¡

• Assume ¡that ¡we ¡know ¡the ¡beginning/end ¡of ¡

the ¡frames ¡

• How ¡can ¡we ¡detect ¡if ¡one/several ¡bits ¡changed

¡ during ¡their ¡transmission? ¡

• Since ¡all ¡the ¡frames ¡can ¡potenIally ¡be ¡

received ¡then ¡we ¡have ¡to ¡add ¡some ¡ redundancy ¡bits ¡to ¡detect ¡errors ¡(checksum) ¡

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Basic ¡Error ¡DetecIon ¡ Parity ¡Checks ¡

• Single ¡parity ¡checks: ¡

– For ¡every ¡string ¡of ¡data ¡bits ¡append ¡a ¡single ¡bit: ¡parity ¡bit ¡ – If ¡the ¡number ¡of ¡1’s ¡in ¡the ¡string ¡is ¡even ¡then ¡the ¡parity ¡= ¡ 0; ¡otherwise ¡1. ¡ – E.g., ¡ASCII ¡characters ¡of ¡7 ¡bits ¡+ ¡1 ¡parity ¡bit. ¡ – Number ¡of ¡1’s ¡in ¡an ¡encoded ¡string ¡is ¡always ¡even. ¡ – This ¡encoding ¡allows ¡to ¡detect ¡all ¡single ¡errors ¡and ¡no-­‑two ¡ errors, ¡etc. ¡ – Not ¡sufficiently ¡reliable ¡specially ¡when ¡errors ¡occur ¡in ¡ bursts ¡

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Hamming ¡Distance ¡for ¡Block ¡Codes ¡

• The ¡Hamming ¡distance ¡between ¡two ¡codewords ¡is ¡

the ¡number ¡of ¡places ¡where ¡they ¡differ ¡

• The ¡Hamming ¡distance ¡of ¡a ¡Block ¡code ¡is ¡the ¡

minimum ¡distance ¡between ¡two ¡codewords ¡

• Allows ¡both ¡error ¡detecIon ¡and ¡error ¡correcIon ¡

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Example ¡of ¡Binary ¡Block ¡Code ¡(7, ¡4) ¡

• Any ¡two ¡different ¡code ¡words ¡are ¡different ¡on ¡at ¡least ¡three ¡different ¡
• coordinates. ¡This ¡code ¡has ¡Hamming ¡distance ¡3. ¡
• Notice that the last 4 bits of the code word are the same as the message

– This is a systematic coding – The other 3 bits are redundancy bits – Detects any two errors, corrects any single error

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Error ¡DetecIon ¡ Cyclic ¡Redundancy ¡Check ¡

• Add ¡k ¡bits ¡of ¡redundant ¡data ¡to ¡an ¡n-­‑bit ¡message ¡

– want ¡k ¡<< ¡n ¡ – e.g., ¡k ¡= ¡32 ¡and ¡n ¡= ¡12,000 ¡(1500 ¡bytes) ¡

• Represent ¡n-­‑bit ¡message ¡as ¡n-­‑1 ¡degree ¡polynomial ¡

in ¡GF(2) ¡

– e.g., ¡MSG=10011010 ¡as ¡M(x) ¡= ¡x7 ¡+ ¡x4 ¡+ ¡x3 ¡+ ¡x1 ¡

• Shiting ¡and ¡polynomial ¡division ¡are ¡easy ¡in ¡HW ¡
• Let ¡k ¡be ¡the ¡degree ¡of ¡some ¡divisor ¡polynomial ¡

– e.g., ¡C(x) ¡= ¡x3 ¡+ ¡x2 ¡+ ¡1 ¡

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CRC ¡(cont) ¡

• Transmit ¡polynomial ¡P(x) ¡that ¡is ¡evenly ¡

divisible ¡by ¡C(x) ¡ ¡

– shit ¡let ¡k ¡bits, ¡i.e., ¡M(x)xk ¡ – subtract ¡remainder ¡of ¡M(x)xk ¡/ ¡C(x) ¡from ¡M(x)xk ¡

• Receiver ¡polynomial ¡P(x) ¡+ ¡E(x) ¡

– E(x) ¡= ¡0 ¡implies ¡no ¡errors ¡

• Divide ¡(P(x) ¡+ ¡E(x)) ¡by ¡C(x); ¡remainder ¡zero ¡if: ¡

– E(x) ¡was ¡zero ¡(no ¡error), ¡or ¡ – E(x) ¡is ¡exactly ¡divisible ¡by ¡C(x) ¡

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SelecIng ¡C(x) ¡

• All ¡single-­‑bit ¡errors, ¡as ¡long ¡as ¡the ¡xk ¡and ¡x0 ¡terms ¡have ¡non-­‑zero ¡

coefficients ¡

• Any ¡odd ¡number ¡of ¡errors, ¡as ¡long ¡as ¡C(x) ¡contains ¡the ¡factor ¡(x ¡+ ¡1) ¡
• Any ¡‘burst’ ¡error ¡(i.e., ¡sequence ¡of ¡consecuIve ¡error ¡bits) ¡for ¡which ¡the ¡

length ¡of ¡the ¡burst ¡is ¡less ¡than ¡k ¡bits ¡

• PrimiIve ¡polynomials ¡allow ¡to ¡detect ¡all ¡double-­‑errors ¡when ¡the ¡frame ¡

length ¡is ¡less ¡than ¡2k-­‑1 ¡

• Most ¡burst ¡errors ¡of ¡larger ¡than ¡k ¡bits ¡can ¡also ¡be ¡detected ¡
• hkp://en.wikipedia.org/wiki/MathemaIcs_of_CRC ¡
• See ¡Table ¡2.6 ¡on ¡page ¡101 ¡for ¡common ¡C(x) ¡

– CRC-­‑16: ¡D16 ¡+ ¡D15 ¡+ ¡D2 ¡+ ¡1 ¡ – CRC ¡CCITT: ¡D16 ¡+ ¡D12 ¡+ ¡D5 ¡+ ¡1 ¡

• Example: ¡

– Link ¡with ¡Bit ¡Error ¡Rate ¡10-­‑7 ¡ – Probability ¡of ¡a ¡single ¡bit ¡in ¡error, ¡two ¡bits ¡in ¡error, ¡and ¡more ¡in ¡a ¡10,000 ¡bits ¡ packet ¡

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Internet ¡Checksum ¡Algorithm ¡

• View ¡message ¡as ¡a ¡sequence ¡of ¡16-­‑bit ¡integers; ¡sum ¡using ¡

16-­‑bit ¡ones-­‑complement ¡arithmeIc; ¡take ¡ones-­‑ complement ¡of ¡the ¡result. ¡

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u_short cksum(u_short *buf, int count) { register u_long sum = 0; while (count--) { sum += *buf++; if (sum & 0xFFFF0000) { /* carry occurred, so wrap around */ sum &= 0xFFFF; sum++; } } return ~(sum & 0xFFFF); }

Reliable ¡Transmission ¡ AutomaIc ¡Repeat ¡reQuest ¡

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Acknowledgements & Timeouts

Stop-­‑and-­‑Wait ¡

• Example: ¡
• Bluetooth ¡
• Problem: ¡keeping ¡the ¡pipe ¡full ¡
• Example ¡

– 1.5Mbps ¡link ¡x ¡45ms ¡RTT ¡= ¡67.5Kb ¡(8KB) ¡ – 1KB ¡frames ¡implies ¡1/8th ¡link ¡uIlizaIon ¡ ¡

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Sender Receiver

Sliding ¡Window ¡

• Allow ¡mulIple ¡outstanding ¡(un-­‑ACKed) ¡frames ¡
• Upper ¡bound ¡on ¡un-­‑ACKed ¡frames, ¡called ¡window ¡

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Sender Receiver T ime

… …

SW: ¡Sender ¡

• Assign ¡sequence ¡number ¡to ¡each ¡frame ¡(SeqNum) ¡
• Maintain ¡three ¡state ¡variables: ¡

– send ¡window ¡size ¡(SWS) ¡ – last ¡acknowledgment ¡received ¡(LAR) ¡ – last ¡frame ¡sent ¡(LFS) ¡

• Maintain ¡invariant: ¡LFS ¡-­‑ ¡LAR ¡<= ¡SWS ¡
• Advance ¡LAR ¡when ¡ACK ¡arrives ¡ ¡
• Buffer ¡up ¡to ¡SWS ¡frames ¡

Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

≤

SWS LAR LFS

… …

SW: ¡Receiver ¡

• Maintain ¡three ¡state ¡variables ¡

– receive ¡window ¡size ¡(RWS) ¡ – largest ¡frame ¡acceptable ¡(LFA) ¡ – last ¡frame ¡received ¡in ¡order ¡(LFR) ¡

• Maintain ¡invariant: ¡LFA ¡-­‑ ¡LFR ¡<= ¡RWS
• Frame ¡SeqNum ¡arrives: ¡

– if ¡LFR ¡< ¡SeqNum ¡< ¡= ¡LFA ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡accept ¡ – if ¡SeqNum ¡< ¡= ¡LFR ¡or ¡SeqNum ¡> ¡LFA ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡discarded ¡

• Send ¡cumulaIve ¡ACKs ¡ ¡

Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks LFR LFA ≤ RWS

Sequence ¡Number ¡Space ¡

• SeqNum ¡field ¡is ¡finite; ¡sequence ¡numbers ¡wrap ¡around ¡
• Sequence ¡number ¡space ¡must ¡be ¡larger ¡then ¡number ¡of ¡
• utstanding ¡frames ¡
• Let ¡MaxSeqNum ¡be ¡the ¡maximum ¡number ¡of ¡sequence ¡

numbers ¡

• SWS ¡<= ¡MaxSeqNum-1 ¡is ¡not ¡sufficient ¡

– suppose ¡3-­‑bit ¡SeqNum ¡field ¡(0..7) ¡=> ¡MaxSeqNum=8 ¡ – SWS=RWS=7 – sender ¡transmit ¡frames ¡0..6 ¡ – arrive ¡successfully, ¡but ¡ACKs ¡lost ¡ – sender ¡retransmits ¡0..6 ¡ – receiver ¡expecIng ¡7, ¡0..5, ¡but ¡receives ¡second ¡incarnaIon ¡of ¡0..5 ¡

• 2*SWS ¡≤ ¡MaxSeqNum is ¡correct ¡rule ¡if ¡SWS ¡= ¡RWS ¡
• IntuiIvely, ¡SeqNum ¡“slides” ¡between ¡two ¡halves ¡of ¡sequence ¡

number ¡space ¡

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Sequence ¡Number ¡Space ¡

• Correct ¡operaIon ¡necessitates ¡that ¡a ¡retransmission ¡is ¡never ¡

confused ¡with ¡a ¡new ¡transmission ¡(i.e., ¡ambiguity) ¡

• Retransmissions ¡corresponds ¡to: ¡ ¡

– LFR ¡– ¡j ¡where ¡0 ¡≤ ¡j ¡< ¡SWS ¡

• New ¡transmissions ¡corresponds ¡to: ¡ ¡

– LFR ¡+ ¡i ¡where ¡0 ¡≤ ¡i ¡≤ ¡RWS ¡

• To ¡avoid ¡ambiguity ¡we ¡should ¡have ¡

– LFR ¡– ¡j ¡≠ ¡LFR ¡+ ¡i ¡mod ¡MaxSeqNum ¡i.e., ¡ ¡i ¡+ ¡j ¡≠ ¡0 ¡mod ¡MaxSeqNum ¡ ¡

• This ¡can ¡be ¡guaranteed ¡if ¡RWS ¡+ ¡SWS ¡≤ ¡MaxSeqNum ¡

– Because ¡i ¡+ ¡j ¡< ¡SWS ¡+ ¡RWS ¡≤ ¡MaxSeqNum ¡

• One ¡can ¡show ¡that ¡violaIng ¡this ¡condiIon ¡can ¡result ¡in ¡

ambiguity ¡as ¡described ¡in ¡the ¡previous ¡slide ¡

Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

Concurrent ¡Logical ¡Channels ¡

• MulIplex ¡8 ¡logical ¡channels ¡over ¡a ¡single ¡link ¡
• Run ¡stop-­‑and-­‑wait ¡on ¡each ¡logical ¡channel ¡
• Maintain ¡three ¡state ¡bits ¡per ¡channel ¡

– channel ¡busy ¡ – current ¡sequence ¡number ¡out ¡ – next ¡sequence ¡number ¡in ¡

• Header: ¡3-­‑bit ¡channel ¡num, ¡1-­‑bit ¡sequence ¡num ¡

– 4-­‑bits ¡total ¡ – same ¡as ¡sliding ¡window ¡protocol ¡for ¡a ¡window ¡of ¡8 ¡

• Separates ¡reliability ¡from ¡order ¡

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