Midterm review CSCI 466: Networks Keith Vertanen - - PowerPoint PPT Presentation

Midterm ¡review ¡

CSCI ¡466: ¡Networks ¡• ¡ ¡Keith ¡Vertanen ¡

Network ¡architecture ¡

2 ¡

Encapsula8on ¡

• High-­‑level ¡messages ¡encapsulated ¡in ¡low-­‑level ¡

messages ¡

– headers/footer ¡get ¡added ¡by ¡each ¡layer ¡

3 ¡

OSI ¡7-­‑layer ¡model ¡

4 ¡

OSI ¡7-­‑layer ¡model ¡

5 ¡

• Physical ¡layer ¡

– Transmission ¡of ¡raw ¡bits ¡

• Data ¡link ¡layer ¡

– Aggregate ¡bits ¡into ¡frames ¡ – Network ¡adapter ¡+ ¡device ¡driver ¡

• Network ¡layer ¡

– Message ¡called ¡a ¡packet ¡ – Routes ¡in ¡a ¡packet-­‑switched ¡network ¡

¡ ¡

These ¡three ¡layers ¡are ¡implemented ¡on ¡all ¡network ¡nodes! ¡

Internet ¡architecture ¡

• Popular ¡4-­‑layer ¡model ¡
• All ¡roads ¡go ¡through ¡IP ¡

6 ¡

Internet ¡protocol ¡graph ¡ ¡ Another ¡view ¡of ¡the ¡ Internet ¡architecture. ¡ ¡ Subnetwork ¡is ¡oAen ¡called ¡ network ¡or ¡link ¡layer. ¡

Network ¡performance ¡

7 ¡

Bandwidth ¡

• Bandwidth ¡-­‑ ¡measure ¡of ¡the ¡frequency ¡band ¡

– e.g. ¡voice ¡telephone ¡line ¡supports ¡frequencies ¡ from ¡300 ¡Hz ¡-­‑ ¡3300 ¡Hz, ¡bandwidth ¡= ¡3000 ¡Hz ¡

• Bandwidth ¡-­‑ ¡bits ¡transmiUed ¡per ¡unit ¡8me ¡

– 1 ¡Mbps ¡= ¡1 ¡x ¡106 ¡bits/second ¡ – e.g. ¡802.11g ¡wireless ¡has ¡a ¡bandwidth ¡of ¡54 ¡Mbps ¡

• Bandwidth, ¡mega ¡= ¡1 ¡x ¡106 ¡= ¡1000000 ¡
• File ¡size, ¡mega ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡220 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡1048576 ¡
• Throughput ¡-­‑ ¡actual ¡obtainable ¡performance ¡

– e.g. ¡802.11g ¡wireless ¡has ¡a ¡throughput ¡~22 ¡Mbps ¡

8 ¡

Latency ¡

• Latency ¡or ¡delay ¡-­‑ ¡how ¡long ¡it ¡takes ¡a ¡message

¡ to ¡go ¡from ¡one ¡end ¡of ¡network ¡to ¡other ¡

– Measured ¡in ¡units ¡of ¡8me ¡(o]en ¡ms) ¡

• Round-­‑trip ¡;me ¡(RTT) ¡-­‑ ¡how ¡long ¡from ¡source ¡

to ¡des8na8on ¡and ¡back ¡to ¡source ¡

• Ji?er ¡-­‑ ¡variance ¡in ¡latency ¡(affects ¡8me ¡sensi8ve ¡applica8ons) ¡

9 ¡

Latency ¡

• latency ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡propaga8on ¡+ ¡transmit ¡+ ¡queue ¡
• propaga8on ¡= ¡distance ¡/ ¡speed ¡of ¡light ¡
• transmit ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡size ¡/ ¡bandwidth ¡

¡

10 ¡

latency ¡ propaga6on ¡ transmit ¡ queue ¡

Queuing ¡delays ¡ inside ¡the ¡ network ¡ More ¡important ¡for ¡ short ¡messages ¡ More ¡important ¡ for ¡long ¡messages ¡

Delay ¡x ¡Bandwidth ¡

• O]en ¡we ¡consider ¡RTT ¡as ¡the ¡delay ¡

– Takes ¡RTT ¡= ¡2 ¡x ¡latency ¡to ¡hear ¡back ¡from ¡receiver ¡

• If ¡sender ¡wants ¡to ¡keep ¡pipe ¡full: ¡

– Delay ¡x ¡Bandwidth ¡= ¡# ¡bits ¡transmiUed ¡before ¡ hearing ¡from ¡receiver ¡all ¡is ¡well, ¡“bits ¡in ¡flight” ¡ – Delay ¡x ¡Bandwidth ¡= ¡# ¡bits ¡sent ¡before ¡wai8ng ¡for ¡ signal ¡from ¡receiver ¡

11 ¡

Link ¡capacity ¡

– Signal-­‑to-­‑noise ¡ra8o ¡(SNR), ¡expressed ¡in ¡decibels ¡ ¡ ¡ ¡ ¡SNR ¡= ¡10 ¡log10(S/N) ¡ – Example: ¡

• Channel ¡capacity ¡of ¡a ¡voice-­‑grade ¡phone ¡line ¡
• Frequencies ¡of ¡300 ¡Hz ¡to ¡3300 ¡Hz ¡ ¡
• SNR ¡of ¡30 ¡dB, ¡30 ¡= ¡10 ¡log10(S/N) ¡

¡

C ¡= ¡B ¡log2(1 ¡+ ¡S/N) ¡ B ¡= ¡3000 ¡Hz ¡ S/N ¡= ¡1000 ¡ C ¡= ¡3000 ¡log2(1001) ¡= ¡30 ¡kbps ¡

¡

¡

12 ¡

Connec8ng ¡and ¡sending ¡bits ¡

13 ¡

Physical ¡connec8vity ¡

Encoding ¡bits ¡

• Non-­‑return ¡to ¡zero ¡(NRZ) ¡

– Use ¡the ¡obvious ¡mapping: ¡

• Data ¡value ¡1 ¡high ¡signal ¡
• Data ¡value ¡0 ¡low ¡signal ¡

15 ¡

Problems ¡with ¡NRZ ¡

• Non-­‑return ¡to ¡zero ¡(NRZ) ¡

– Problem ¡1: ¡baseline ¡wander ¡

• Receiver ¡keeps ¡average ¡of ¡signal ¡seen ¡thus ¡far ¡
• Uses ¡average ¡to ¡determine ¡high ¡versus ¡low ¡
• Too ¡many ¡consecu8ve ¡0s ¡or ¡1s, ¡biases ¡average ¡

– Problem ¡2: ¡clock ¡recovery ¡

• Encoding ¡and ¡decoding ¡driven ¡by ¡clock ¡
• Synchroniza8on ¡required ¡between ¡sender ¡and ¡receiver ¡

– Adjust ¡clock ¡on ¡transi8on ¡from ¡high-­‑to-­‑low ¡or ¡low-­‑to-­‑high ¡ ¡

• Too ¡many ¡consecu8ve ¡0s ¡or ¡1s, ¡clocks ¡diverge ¡

16 ¡

Manchester ¡encoding ¡

• Manchester ¡encoding ¡

– XOR ¡bits ¡with ¡clock ¡signal ¡ – 0 ¡bit ¡is ¡low-­‑to-­‑high ¡transi8on ¡ – 1 ¡bit ¡is ¡high-­‑to-­‑low ¡transi8on ¡ – Disadvantage: ¡requires ¡twice ¡the ¡bit ¡rate ¡ – Used ¡in ¡10 ¡Mbps ¡Ethernet ¡

17 ¡

Non-­‑return ¡to ¡zero ¡inverted ¡

• Non-­‑return ¡to ¡zero ¡inverted ¡(NRZI) ¡

– To ¡send ¡a ¡1: ¡transi8on ¡from ¡current ¡level ¡ – To ¡sent ¡a ¡0: ¡stay ¡at ¡current ¡level ¡ ¡ – Solves ¡consecu8ve ¡1s ¡problem ¡ – S8ll ¡have ¡problem ¡for ¡consecu8ve ¡0s ¡ ¡

18 ¡

4B/5B ¡encoding ¡

• 4B/5B ¡encoding ¡

– Every ¡4 ¡bits ¡encoded ¡as ¡5 ¡bits ¡ – Avoid ¡runs ¡of ¡0s, ¡choose ¡code ¡words ¡smartly: ¡

• No ¡more ¡than ¡one ¡leading ¡0 ¡
• No ¡more ¡than ¡two ¡trailing ¡0s ¡
• Thus ¡no ¡pair ¡of ¡code ¡words ¡has ¡> ¡three ¡consecu8ve ¡0s ¡

– Transmit ¡using ¡NRZI ¡(avoids ¡runs ¡of ¡1s) ¡ ¡ ¡ – 80% ¡efficiency ¡ – Used ¡in ¡100 ¡Mbps ¡Ethernet ¡

19 ¡

Sen8nel-­‑based ¡

• PPP, ¡Point-­‑to-­‑Point ¡Protocol ¡

– Common ¡on ¡Internet ¡links, ¡e.g. ¡dialup ¡& ¡DSL ¡

• PPPoE ¡(PPP ¡over ¡Ethernet), ¡PPPoA ¡(PPP ¡over ¡ATM) ¡

– Special ¡flag ¡value, ¡0111 ¡1110 ¡ – Address, ¡control ¡→ ¡uninteres8ng ¡default ¡values ¡ – Protocol ¡code, ¡e.g. ¡IP/IPX/LCP ¡ – Payload ¡nego8ated ¡via ¡LCP ¡(link ¡control ¡protocol) ¡ – Checksum ¡→ ¡error ¡detec8on ¡

20 ¡

Byte-­‑coun8ng ¡

• Byte-­‑coun8ng ¡approach ¡

– Instead ¡of ¡sen8nels, ¡include ¡count ¡of ¡items ¡ – DDCMP ¡(Digital ¡Data ¡Communica8ons ¡Message ¡ Protocol) ¡

• Created ¡by ¡DEC ¡in ¡1974 ¡

– If ¡count ¡corrupted, ¡causes ¡framing ¡error ¡ ¡

• May ¡result ¡in ¡incorrect ¡back-­‑to-­‑back ¡frames ¡
• Sen8nel-­‑based ¡approaches ¡have ¡same ¡problem ¡

21 ¡

Clock-­‑based ¡framing ¡

• SONET ¡-­‑ ¡Synchronous ¡Op8cal ¡Network ¡

– Dominant ¡standard ¡for ¡long ¡haul ¡data ¡ – No ¡bit ¡stuffing, ¡fixed ¡frame ¡size, ¡125 ¡µs ¡ – First ¡two ¡bytes ¡of ¡frame ¡contain ¡special ¡bit ¡paUern ¡ – Look ¡for ¡special ¡paUern ¡every ¡810 ¡bytes ¡ – Payload ¡XOR ¡scrambled ¡to ¡ensure ¡bit ¡transi8ons ¡

22 ¡

Reliable ¡transmission ¡

23 ¡

Error ¡detec8on ¡

• Error ¡detec8on ¡

– Parity ¡checking ¡ – Checksum ¡ – Cyclic ¡Redundancy ¡Check ¡

• Error ¡correc8on ¡

– Retransmission ¡ – Forward ¡error ¡correc8on ¡(ECC) ¡

• Hamming ¡codes, ¡Reed-­‑Solomon ¡codes, ¡low-­‑density ¡

parity ¡check ¡code ¡(LDPC) ¡

• Examples: ¡DVDs, ¡WiMax, ¡802.11n ¡

24 ¡

Parity ¡checking ¡

• One ¡dimensional ¡parity ¡

– Set ¡parity ¡bit ¡so ¡number ¡of ¡1s ¡odd ¡or ¡even ¡ – Detects ¡all ¡single ¡bit ¡errors ¡ – Example ¡(7 ¡bits ¡data, ¡1 ¡bit ¡data): ¡

25 ¡

data ¡ even ¡parity ¡

• dd ¡parity ¡

0010 ¡101 ¡ 0010 ¡1011 ¡ 0010 ¡1010 ¡ 1100 ¡110 ¡ 1100 ¡1100 ¡ 1100 ¡1101 ¡ 0000 ¡000 ¡ 0000 ¡0000 ¡ 0000 ¡0001 ¡

Checksum ¡

• Internet ¡checksum ¡algorithm ¡

– Add ¡up ¡16-­‑bit ¡words ¡and ¡transmit ¡result ¡ – Not ¡used ¡in ¡link-­‑layer ¡

• Used ¡in ¡higher ¡layers ¡like ¡TCP ¡and ¡UDP ¡

– Advantages: ¡

• Small ¡number ¡of ¡redundant ¡bits ¡
• Easy ¡to ¡implement ¡ ¡

– Disadvantages: ¡

• Weak ¡protec8on ¡

26 ¡

Common ¡CRC ¡polynomials ¡

27 ¡

Name ¡ Used ¡in ¡ C(x) ¡ Generator ¡ CRC-­‑8 ¡ ATM ¡ x8 ¡+ ¡x2 ¡+ ¡x1 ¡+ ¡1 ¡ ¡ 1 ¡0000 ¡0111 ¡ CRC-­‑10 ¡ ATM ¡ x10 ¡+ ¡x9 ¡+ ¡x5 ¡+ ¡x4 ¡+ ¡x1 ¡+ ¡1 ¡ ¡ 110 ¡0011 ¡0011 ¡ CRC-­‑12 ¡ Telecom ¡systems ¡ x12 ¡+ ¡x11 ¡+ ¡x3 ¡+ ¡x2 ¡+ ¡x1 ¡+ ¡1 ¡ ¡ 1 ¡1000 ¡0000 ¡1111 ¡ CRC-­‑16 ¡ USB, ¡Bisync ¡ x16 ¡+ ¡x15 ¡+ ¡x2 ¡+ ¡1 ¡ ¡ 1 ¡1000 ¡0000 ¡0000 ¡0011 ¡ CRC-­‑CCITT ¡ Bluetooth, ¡X.25, ¡SD, ¡HDLC ¡ x16 ¡+ ¡x12 ¡+ ¡x5 ¡+ ¡1 ¡ ¡

1 ¡0001 ¡0000 ¡0010 ¡0001 ¡

CRC-­‑32 ¡ Ethernet, ¡SATA, ¡MPEG-­‑2, ¡ Gzip, ¡PKZIP, ¡PNG, ¡ATM ¡ x32 ¡+ ¡x26 ¡+ ¡x23 ¡+ ¡x22 ¡+ ¡x16 ¡+ ¡x12 ¡+ ¡x11 ¡+ ¡ x10 ¡+ ¡x8 ¡+ ¡x7 ¡+ ¡x5 ¡+ ¡x4 ¡+ ¡x2 ¡+ ¡x1 ¡+ ¡1 ¡

¡

1 ¡0000 ¡0100 ¡1100 ¡0001 ¡ 0001 ¡1101 ¡1011 ¡0111 ¡

• CRC ¡will ¡detect: ¡

– All ¡single-­‑bit ¡errors, ¡if ¡xk ¡and ¡x0 ¡are ¡nonzero ¡ – All ¡double-­‑bit ¡errors, ¡if ¡C(x) ¡has ¡a ¡factor ¡with ¡3 ¡or ¡more ¡terms ¡ – Any ¡odd ¡number ¡of ¡errors, ¡if ¡C(x) ¡contains ¡the ¡factor ¡(x+1) ¡ – Any ¡burst ¡error, ¡if ¡burst ¡is ¡less ¡than ¡k ¡bits ¡

Reliable ¡transmission ¡

• Main ¡mechanisms ¡for ¡reliable ¡delivery: ¡

– Acknowledgements ¡(ACK) ¡

• Control ¡frame, ¡informs ¡peer ¡frame(s) ¡received ¡okay ¡
• Different ¡types ¡

– Selec8ve ¡acknowledgement, ¡specifies ¡received ¡frame ¡ – Cumula8ve ¡acknowledgement, ¡received ¡this ¡frame ¡and ¡all ¡ previous ¡ – Nega8ve ¡acknowledgement ¡(NACK), ¡frame ¡was ¡corrupt ¡or ¡out ¡

• f ¡buffer ¡space ¡

– Timeouts ¡

• Only ¡wait ¡so ¡long ¡for ¡ACK ¡(frame ¡or ¡ACK ¡may ¡be ¡MIA) ¡

28 ¡

Stop-­‑and-­‑wait ¡

• Stop-­‑and-­‑wait ¡algorithm: ¡
• 1. Send ¡a ¡frame, ¡start ¡a ¡8mer ¡
• 2. Wait ¡for ¡an ¡ACK ¡
• 3. If ¡8meout ¡before ¡ACK, ¡goto ¡1 ¡
• 4. If ¡ACK, ¡get ¡next ¡frame, ¡goto ¡1 ¡

29 ¡

Stop-­‑and-­‑wait ¡

30 ¡

Problem ¡1: ¡ Receiver ¡thinks ¡the ¡ retransmission ¡is ¡a ¡ new ¡frame, ¡ corrup8ng ¡data ¡ passed ¡up ¡to ¡ network ¡layer. ¡

a) ¡ACK ¡received ¡before ¡8meout ¡ b) ¡original ¡frame ¡is ¡lost ¡ c) ¡ACK ¡is ¡lost ¡ d) ¡8meout ¡triggered ¡too ¡soon ¡

Stop-­‑and-­‑wait ¡

31 ¡

Solu6on ¡1: ¡ Use ¡1-­‑bit ¡sequence ¡

• number. ¡

¡

Receiver ¡can ¡now ¡ determine ¡if ¡received ¡ frame ¡is ¡a ¡duplicate. ¡

hUp://www.net-­‑seal.net/anima8ons.php?aid=37 ¡

1 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 0 ¡

Sliding ¡window ¡

• Sliding ¡window ¡protocol ¡

– BeUer ¡solu8on ¡to ¡bandwidth ¡u8liza8on ¡problem ¡

• Put ¡mul8ple ¡frames ¡in ¡flight ¡
• Best ¡known ¡algorithm ¡in ¡networking ¡
• Several ¡varia8ons ¡on ¡this ¡idea ¡
• Used ¡in ¡TCP ¡

32 ¡

Go-­‑back-­‑n ¡

33 ¡

hUp://www.eecis.udel.edu/~amer/450/TransportApplets/GBN/GBNindex.html ¡ hUp://www.net-­‑seal.net/anima8ons.php?aid=38 ¡

• Problem: ¡

– Go-­‑back-­‑n ¡wastes ¡bandwidth ¡re-­‑sending ¡frames ¡ that ¡may ¡have ¡been ¡received ¡okay ¡

Sliding ¡window: ¡Selec8ve ¡repeat ¡

• Selec8ve ¡repeat ¡

– Sender: ¡

• Tracks ¡which ¡frames ¡have ¡been ¡ACK'd ¡
• Unacknowledged ¡frames ¡must ¡remain ¡in ¡buffer ¡un8l ¡

acknowledged ¡

• Timer(s) ¡track ¡if ¡frame ¡needs ¡resending ¡

– Receiver: ¡

• Hold ¡out-­‑of-­‑order ¡frames ¡un8l ¡in ¡order ¡sec8on ¡can ¡be ¡

passed ¡up ¡to ¡network ¡layer ¡

34 ¡

hUp://www.eecis.udel.edu/~amer/450/TransportApplets/SR/SRindex.html ¡ hUp://www.net-­‑seal.net/anima8ons.php?aid=39 ¡

Mul8ple ¡access ¡networks ¡

35 ¡

Ethernet ¡addressing ¡

• Media ¡Access ¡Control ¡address ¡(MAC) ¡

– 48-­‑bit ¡globally ¡unique ¡address ¡

• 281,474,976,710,656 ¡possible ¡addresses ¡
• Should ¡last ¡8ll ¡2100 ¡
• e.g. ¡01:23:45:67:89:ab ¡

– Address ¡of ¡all ¡1's ¡is ¡broadcast ¡

• FF:FF:FF:FF:FF:FF ¡

36 ¡

Ethernet ¡frame ¡format ¡

• Frame ¡format ¡

– Manchester ¡encoded ¡ – Preamble ¡products ¡10-­‑Mhz ¡square ¡wave ¡

• Allows ¡clock ¡synch ¡between ¡sender ¡& ¡receiver ¡

– Pad ¡to ¡at ¡least ¡64-­‑bytes ¡(collision ¡detec8on) ¡

37 ¡

Ethernet ¡ 802.3 ¡ AlternaIng ¡0's ¡ and ¡1's ¡(except ¡ SoF ¡of ¡11) ¡ 48-­‑bit ¡MAC ¡ addresses ¡

Ethernet ¡receivers ¡

• Hosts ¡listens ¡to ¡medium ¡

– Deliver ¡to ¡host: ¡

• Any ¡frame ¡with ¡host's ¡MAC ¡address ¡
• All ¡broadcast ¡frames ¡(all ¡1's) ¡
• Mul8cast ¡frames ¡(if ¡subscribed ¡to) ¡
• Or ¡all ¡frames ¡if ¡in ¡promiscuous ¡mode ¡

38 ¡

MAC ¡sublayer ¡

• Media ¡Access ¡Control ¡(MAC) ¡sublayer ¡

– Who ¡goes ¡next ¡on ¡a ¡shared ¡medium ¡ – Ethernet ¡hosts ¡can ¡sense ¡if ¡medium ¡in ¡use ¡ – Algorithm ¡for ¡sending ¡data: ¡

• 1. Is ¡medium ¡idle? ¡ ¡If ¡not, ¡wait. ¡
• 2. Start ¡transmiwng ¡data, ¡listen ¡for ¡collision. ¡
• 3. If ¡collision ¡detected, ¡transmit ¡32-­‑bit ¡jamming ¡
• sequence. ¡ ¡Stop ¡transmiwng ¡and ¡go ¡to ¡backoff ¡
• procedure. ¡

39 ¡

Backoff ¡procedure ¡

• Binary ¡exponen8al ¡backoff ¡

– First ¡collision ¡

• Wait ¡0-­‑1 ¡8meslots ¡(chosen ¡at ¡random) ¡

– Second ¡collision ¡

• Wait ¡0-­‑3 ¡8meslots ¡

– In ¡general, ¡ith ¡collision ¡

• Wait ¡a ¡random ¡number ¡of ¡8meslots ¡between ¡0 ¡and ¡2i ¡-­‑ ¡

1 ¡(max ¡of ¡1023 ¡slots) ¡

– Give ¡up ¡a]er ¡16 ¡or ¡so ¡retries ¡ – Timeslot ¡= ¡51.2 ¡µs ¡

¡

40 ¡

Switched ¡Ethernet ¡

• Hubs ¡

– Made ¡network ¡easier ¡to ¡manage ¡ – But ¡did ¡not ¡address ¡capacity ¡problem ¡

• Switches ¡

– High-­‑speed ¡backplane ¡connec8ng ¡all ¡ports ¡ – Only ¡output ¡frame ¡to ¡des8na8on ¡port ¡ – Isolates ¡traffic, ¡no ¡collisions, ¡beUer ¡security ¡

41 ¡

Ethernet ¡retrospec8ve ¡

• Why ¡so ¡popular? ¡

– Easy ¡to ¡administer, ¡no ¡rou8ng ¡or ¡config ¡tables ¡ – Cheap ¡hardware ¡and ¡wiring ¡ – Plays ¡nice ¡with ¡TCP/IP ¡

• Ethernet ¡and ¡IP ¡are ¡connec8onless ¡protocols ¡
• Alternates ¡like ¡ATM ¡were ¡not ¡

– Speed ¡increased ¡by ¡order ¡of ¡magnitude ¡periodically ¡ without ¡throwing ¡away ¡exis8ng ¡infrastructure ¡ – Borrowed ¡good ¡ideas ¡from ¡other ¡(failed) ¡networking ¡ technologies ¡(FDDI, ¡Fiber ¡Channel) ¡

42 ¡

Wireless ¡

• Shared ¡medium ¡using ¡wireless ¡

– Bit ¡errors ¡more ¡prevalent ¡than ¡wired ¡ – Limits ¡on ¡transmit ¡power ¡

• BaUery ¡life, ¡government ¡regula8on ¡

– Difficult ¡to ¡transmit ¡and ¡listen ¡for ¡collisions ¡ – Undirected ¡signal ¡

• Interference ¡ ¡
• Security ¡ ¡

43 ¡

Wireless ¡topology ¡

• Base ¡sta8on ¡topology ¡

– Typically ¡all ¡clients ¡talk ¡to ¡base ¡sta8on ¡ – No ¡direct ¡communica8on ¡between ¡clients ¡

44 ¡

Wireless ¡topology ¡

• Ad ¡hoc ¡/ ¡mesh ¡topology ¡

– Nodes ¡are ¡peers ¡ – No ¡special ¡base ¡sta8on ¡ – Advantages: ¡

• More ¡fault ¡tolerant ¡
• Extends ¡range ¡

– Disadvantages: ¡

• Nodes ¡are ¡more ¡complex ¡
• Nodes ¡may ¡be ¡asked ¡to ¡expend ¡

limited ¡resources ¡(e.g. ¡power) ¡

45 ¡

One ¡Laptop ¡per ¡Child, ¡uses ¡ 802.11s ¡mesh ¡dra] ¡standard. ¡

802.11 ¡collision ¡avoidance ¡

• Collision ¡avoidance ¡

– Can’t ¡transmit ¡and ¡listen ¡for ¡collision ¡

• Transmission ¡power ¡swamps ¡receiving ¡circuit ¡
• Collision ¡detec8on ¡(CD) ¡as ¡in ¡Ethernet ¡not ¡possible ¡

– Not ¡everyone ¡can ¡hear ¡everything ¡

• Hidden ¡node ¡problem: ¡

46 ¡

A ¡and ¡C ¡both ¡want ¡to ¡send ¡to ¡B. ¡ ¡ ¡ ¡ A ¡and ¡C ¡can’t ¡hear ¡each ¡other ¡ so ¡can’t ¡detect ¡their ¡ transmissions ¡collided. ¡

802.11 ¡collision ¡avoidance ¡

• Collision ¡avoidance ¡

– Lack ¡of ¡global ¡informa8on ¡about ¡who ¡is ¡in ¡range ¡

• f ¡who ¡
• Exposed ¡node ¡problem: ¡

47 ¡

C ¡wants ¡to ¡send ¡to ¡D. ¡ ¡ But ¡C ¡can ¡hear ¡B ¡transmiwng ¡to ¡A. ¡ But ¡D ¡cannot ¡hear ¡B, ¡ and ¡A ¡cannot ¡hear ¡C. ¡ ¡ So ¡C ¡could ¡safely ¡transmit ¡to ¡D. ¡

Carrier ¡Sense, ¡Mul8ple ¡Access ¡w/ ¡Collision ¡ Avoidance ¡

• CSMA/CA ¡

– Don’t ¡send ¡if ¡you ¡hear ¡transmission ¡ – If ¡you ¡sent ¡recently, ¡don’t ¡be ¡greedy ¡

• Use ¡random ¡backoff ¡

– Explicit ¡ACK ¡from ¡receiver ¡to ¡sender ¡

• Exponen8al ¡backoff ¡if ¡bad/missing ¡ACK ¡

48 ¡

802.11 ¡frame ¡format ¡

• Source ¡and ¡des8na8on ¡addresses ¡

– Four ¡48-­‑bit ¡MAC ¡addresses: ¡

• Allows ¡for ¡frame ¡going ¡via ¡distribu8on ¡system: ¡

– Addr1 ¡– ¡ul8mate ¡des8na8on ¡ – Addr2 ¡– ¡immediate ¡sender, ¡AP ¡that ¡forwarded ¡to ¡ul8mate ¡ des8na8on ¡ – Addr3 ¡– ¡intermediate ¡des8na8on, ¡AP ¡that ¡accepted ¡frame ¡ from ¡sender ¡ – Addr4 ¡– ¡original ¡sender ¡ ¡

49 ¡

Node ¡communica8on ¡

• Node-­‑to-­‑node ¡communica8on ¡

– Simple ¡case: ¡

• A ¡wants ¡to ¡talk ¡to ¡C ¡
• Send ¡via ¡AP-­‑1 ¡

– Complex ¡case: ¡

• A ¡wants ¡to ¡talk ¡to ¡F ¡
• Send ¡to ¡AP-­‑1 ¡ ¡
• Goes ¡through ¡distribu8on ¡system ¡
• AP-­‑3 ¡sends ¡to ¡F ¡

50 ¡

Switching ¡

51 ¡

Hardware ¡terminology ¡

52 ¡

Analog ¡devices, ¡clean ¡up ¡signal, ¡amplify, ¡put ¡out ¡

• n ¡another ¡cable ¡

Operates ¡on ¡frames, ¡looks ¡at ¡MAC ¡addresses ¡ Operates ¡on ¡packets, ¡uses ¡IP ¡addresses ¡ Connect ¡different ¡connec8on-­‑oriented ¡ protocols, ¡e.g. ¡TCP/IP ¡to ¡SCTP ¡ Understands ¡format ¡and ¡contents ¡of ¡data, ¡e.g. ¡ translate ¡Internet ¡message ¡to ¡SMS ¡message ¡

Connec8onless ¡approach ¡

• Datagram ¡model ¡

– Each ¡frame ¡has ¡enough ¡info ¡to ¡get ¡it ¡to ¡ des8na8on ¡(its ¡MAC ¡address) ¡ – To ¡forward, ¡switch ¡consults ¡a ¡forwarding ¡table ¡

53 ¡

Des8na8on ¡Port ¡

• ­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑-­‑ ¡

A ¡ ¡ ¡3 ¡ B ¡ ¡ ¡0 ¡ C ¡ ¡ ¡3 ¡ D ¡ ¡ ¡3 ¡ E ¡ ¡ ¡2 ¡ F ¡ ¡ ¡1 ¡ G ¡ ¡ ¡0 ¡ H ¡ ¡ ¡0 ¡ Forwarding ¡Table ¡for ¡Switch ¡2 ¡

Connec8on-­‑oriented ¡approach ¡

• Virtual ¡circuit ¡switching ¡

– Establish ¡a ¡virtual ¡circuit ¡(VC) ¡ – Requires ¡ini8al ¡setup ¡from ¡host ¡to ¡des8na8on ¡ – e.g. ¡ATM, ¡Frame ¡relay ¡X.25 ¡

54 ¡

A ¡wants ¡to ¡send ¡data ¡to ¡B. ¡ ¡ Establish ¡a ¡connec8on ¡state ¡ (VC ¡table) ¡in ¡each ¡switch ¡ between ¡A ¡and ¡B. ¡ ¡ VC ¡table ¡entry ¡has ¡a ¡virtual ¡ circuit ¡iden8fier ¡(VCI) ¡that ¡ will ¡be ¡in ¡frames ¡belonging ¡to ¡ this ¡connec8on. ¡ ¡ ¡

Backward ¡learning ¡

• Switch ¡starts ¡knowing ¡nothing ¡

– Promiscuous ¡mode, ¡listens ¡to ¡all ¡traffic ¡on ¡all ¡ports ¡ – Hash ¡table, ¡des8na8on ¡→ ¡output ¡port ¡

• Frame ¡arrives ¡on ¡port, ¡add ¡entry ¡based ¡on ¡who ¡sent ¡it ¡

– Topology ¡can ¡change ¡as ¡machine/bridges ¡ powered ¡on ¡and ¡off ¡

• Table ¡entries ¡purged ¡a]er ¡a ¡few ¡minutes ¡

¡

55 ¡

Rou8ng ¡procedure ¡

• Port ¡for ¡des8na8on ¡same ¡as ¡source ¡port ¡ ¡

→ ¡do ¡nothing ¡

• Port ¡for ¡des8na8on ¡different ¡from ¡source ¡port ¡ ¡

→ ¡forward ¡on ¡des8na8on ¡port ¡

• If ¡des8na8on ¡port ¡unknown ¡ ¡

→ ¡flood ¡on ¡all ¡ports ¡except ¡source ¡port ¡ ¡

56 ¡

hUp://www.cisco.com/ image/gif/paws/10607/ lan-­‑switch-­‑transparent.swf ¡ ¡

Spanning ¡tree ¡algorithm ¡

• Algorithm: ¡

– Each ¡bridge ¡has ¡unique ¡iden8fier ¡ ¡

• Based ¡on ¡MAC ¡address ¡of ¡switch ¡

– Root ¡is ¡bridge ¡with ¡smallest ¡ID ¡ – Root ¡forwards ¡all ¡frames ¡over ¡all ¡ports ¡ – Each ¡bridge ¡computes ¡shortest ¡path ¡to ¡root ¡

• This ¡port ¡is ¡the ¡bridge's ¡root ¡port ¡

– Each ¡network ¡segment ¡(mul8-­‑drop/hub) ¡

• Bridge ¡closest ¡to ¡root ¡is ¡that ¡segment's ¡designated ¡port ¡

57 ¡

Spanning ¡tree, ¡no ¡shared ¡segments ¡

58 ¡

1) B1 ¡has ¡the ¡lowest ¡ID, ¡news ¡spreads, ¡all ¡bridges ¡agree ¡B1 ¡is ¡root. ¡ 2) B2 ¡and ¡B3 ¡are ¡directly ¡connect ¡to ¡root, ¡added ¡to ¡tree ¡ 3) B4 ¡can ¡reach ¡B1 ¡in ¡two ¡hops ¡via ¡B3 ¡or ¡B2, ¡B2 ¡wins ¡(lower ¡ID) ¡ 4) B5 ¡can ¡reach ¡B1 ¡in ¡two ¡hops ¡via ¡B3 ¡(other ¡paths ¡are ¡three ¡hops) ¡ 5) Links ¡from ¡B3 ¡to ¡B4 ¡and ¡from ¡B4 ¡to ¡B5 ¡turned ¡off ¡

Example ¡VLAN ¡

59 ¡

• Sewng ¡up ¡a ¡VLAN ¡

– Switches ¡must ¡be ¡VLAN-­‑aware ¡ – Each ¡host ¡given ¡a ¡"color" ¡ – Configura8on ¡tables ¡in ¡the ¡bridges ¡

• What ¡colors ¡aUached ¡to ¡which ¡ports ¡

VLAN ¡details ¡

• Problem: ¡How ¡does ¡bridge ¡know ¡frame ¡color? ¡

– IEEE ¡802.1Q ¡ – Changed ¡Ethernet ¡header ¡to ¡add ¡VLAN ¡iden8fier ¡

60 ¡

Internet ¡Protocol ¡(IP) ¡and ¡ addressing ¡

61 ¡

Internet ¡Protocol ¡(IP) ¡ ¡

• Packet ¡delivery ¡model ¡

– Connec8onless ¡ – Best-­‑effort ¡(unreliable) ¡

• Packets ¡may ¡be ¡lost ¡
• Packets ¡may ¡arrive ¡out ¡of ¡order ¡
• Duplicate ¡packets ¡may ¡occur ¡
• Packet ¡may ¡get ¡delayed ¡
• Global ¡addressing ¡scheme ¡

– How ¡do ¡we ¡iden8fy ¡hosts ¡on ¡the ¡network? ¡

62 ¡

IP ¡packet ¡format ¡

63 ¡

• Version ¡

– "4" ¡IPv4 ¡

• HLen ¡

– # ¡of ¡32-­‑bit ¡words ¡in ¡header ¡ – "5" ¡for ¡typical ¡20-­‑byte ¡IPv4 ¡header ¡

• TOS ¡

– Type ¡of ¡service ¡ – Allows ¡for ¡quality ¡of ¡service ¡ ¡

• Length ¡

– Total ¡length, ¡max ¡size ¡65535 ¡bytes ¡ – Links ¡may ¡have ¡small ¡limits ¡

• Ident ¡/ ¡Flags ¡/ ¡Offset ¡

– Used ¡when ¡packets ¡are ¡split ¡up ¡

IP ¡packet ¡format ¡

64 ¡

• TTL ¡

– Time=to-­‑live ¡ – Iden8fy ¡packets ¡stuck ¡in ¡loop ¡

• Protocol ¡

– Used ¡to ¡demux ¡higher-­‑level ¡ protocol ¡ – e.g. ¡"6" ¡Transmission ¡Control ¡ Protocol ¡(TCP), ¡"17" ¡User ¡Datagram ¡ Protocol ¡(UDP) ¡

• Checksum ¡

– One's ¡complement ¡IP ¡checksum ¡ algorithm ¡ – Not ¡strong ¡protec8on, ¡but ¡cheap ¡to ¡ calculate ¡

Fragmenta8on ¡and ¡reassembly ¡

65 ¡

• Reassembly ¡can ¡be ¡done ¡independent ¡of ¡
• rder ¡of ¡arrival ¡
• Fragments ¡may ¡also ¡be ¡fragmented ¡
• No ¡aUempt ¡to ¡recover ¡if ¡fragment ¡missing ¡
• Hosts ¡can ¡do ¡MTU ¡discovery ¡

– Probe ¡message ¡to ¡determine ¡max ¡packet ¡size ¡

IPv4 ¡address ¡format ¡

66 ¡

• Classful ¡addressing ¡(before ¡1993): ¡

– Class ¡A: ¡128 ¡networks ¡with ¡16 ¡million ¡hosts ¡ – Class ¡B: ¡16,384 ¡networks ¡with ¡65,536 ¡hosts ¡ – Class ¡C: ¡2 ¡million ¡networks, ¡256 ¡hosts ¡

Subnewng ¡examples ¡

67 ¡

CIDR ¡examples ¡

68 ¡

Private ¡IP ¡addresses ¡

• Private ¡networks ¡(home ¡networks, ¡etc.) ¡

– Use ¡specified ¡part ¡of ¡IP ¡address ¡space ¡ – Not ¡globally ¡routable ¡

69 ¡

hUp://xkcd.com/742/ ¡

ARP ¡procedure ¡

• If ¡des8na8on ¡IP ¡in ¡sender's ¡ARP ¡table: ¡

– fire ¡off ¡link-­‑layer ¡packet ¡ – otherwise ¡send ¡ARP ¡query ¡using ¡broadcast ¡address ¡

• ARP ¡query: ¡

– IP ¡address ¡you're ¡looking ¡for ¡ – Your ¡own ¡IP ¡and ¡hardware ¡address ¡ – Des8na8on ¡responds ¡with ¡hardware ¡address ¡ – Other ¡hosts ¡can ¡ignore ¡or ¡refresh ¡their ¡ARP ¡tables ¡

70 ¡

DHCP ¡

• Dynamic ¡Host ¡Configura8on ¡Protocol ¡(DHCP) ¡

– DHCP ¡server ¡provides ¡config ¡info ¡ – Gives ¡out ¡IP ¡addresses ¡and ¡default ¡router ¡

• DHCP ¡server ¡has ¡pool ¡of ¡available ¡IP ¡addresses ¡
• Admin ¡can ¡set ¡DHCP ¡server ¡to ¡give ¡out ¡same ¡IP ¡to ¡given ¡

hardware ¡address ¡

• Addresses ¡leased ¡for ¡a ¡given ¡8me ¡period ¡

– How ¡do ¡hosts ¡discover ¡DHCP ¡server? ¡

• New ¡hosts ¡sends ¡out ¡broadcast ¡DHCPDISCOVER ¡

message ¡

71 ¡

Network ¡error ¡repor8ng ¡

• Internet ¡Control ¡Message ¡Protocol ¡(ICMP) ¡

– Rides ¡on ¡top ¡of ¡IP ¡(like ¡TCP/UDP) ¡ – Error ¡messages ¡sent ¡back ¡to ¡host ¡by ¡routers ¡ – ICMP ¡used ¡by ¡some ¡user ¡u8li8es: ¡ ¡

• traceroute ¡
• ping ¡

72 ¡

Path ¡MTU ¡discovery ¡

• Set ¡Don't ¡Fragment ¡(DF) ¡bit ¡in ¡IP ¡packet ¡flags ¡
• Any ¡router ¡with ¡< ¡MTU ¡

– Drop ¡packet ¡ – Send ¡back ¡ICMP ¡Fragmenta8on ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Required ¡with ¡MTU ¡size ¡ – Host ¡can ¡then ¡reduce ¡its ¡packet ¡size ¡

• Problems: ¡ ¡

– Some ¡routers ¡don't ¡generate ¡ICMP ¡messages ¡ – Intermediate ¡firewalls ¡may ¡filter ¡ICMP ¡messages ¡

73 ¡

Intradomain ¡rou8ng ¡

74 ¡

Distance ¡vector ¡rou8ng ¡

• Each ¡node ¡maintains ¡state ¡

– Cost ¡of ¡direct ¡link ¡to ¡each ¡of ¡your ¡neighbors ¡ – Least ¡cost ¡route ¡known ¡to ¡all ¡des8na8ons ¡

• Routers ¡send ¡periodic ¡updates ¡

– Send ¡neighbor ¡your ¡array ¡ – When ¡you ¡receive ¡an ¡update ¡from ¡your ¡neighbor ¡

• Update ¡array ¡entries ¡if ¡new ¡info ¡provides ¡shorter ¡route ¡

– Converges ¡quickly ¡(if ¡no ¡topology ¡changes) ¡

75 ¡

Distance ¡vector ¡example: ¡step ¡1 ¡

76 ¡

Table for A Dst Cst Hop A A B 4 B C ∞ – D ∞ – E 2 E F 6 F Table for B Dst Cst Hop A 4 A B B C ∞ – D 3 D E ∞ – F 1 F Table for C Dst Cst Hop A ∞ – B ∞ – C C D 1 D E ∞ – F 1 F Table for D Dst Cst Hop A ∞ – B 3 B C 1 C D D E ∞ – F ∞ – Table for E Dst Cst Hop A 2 A B ∞ – C ∞ – D ∞ – E E F 3 F Table for F Dst Cst Hop A 6 A B 1 B C 1 C D ∞ – E 3 E F F

Op6mum ¡1-­‑hop ¡paths ¡

A ¡ E ¡ F ¡ C ¡ D ¡ B ¡ 2 ¡ 3 ¡ 6 ¡ 4 ¡ 1 ¡ 1 ¡ 1 ¡ 3 ¡

Distance ¡vector ¡example: ¡step ¡2 ¡

77 ¡

Table for A Dst Cst Hop A A B 4 B C 7 F D 7 B E 2 E F 5 E Table for B Dst Cst Hop A 4 A B B C 2 F D 3 D E 4 F F 1 F Table for C Dst Cst Hop A 7 F B 2 F C C D 1 D E 4 F F 1 F Table for D Dst Cst Hop A 7 B B 3 B C 1 C D D E ∞ – F 2 C Table for E Dst Cst Hop A 2 A B 4 F C 4 F D ∞ – E E F 3 F Table for F Dst Cst Hop A 5 B B 1 B C 1 C D 2 C E 3 E F F

Op6mum ¡2-­‑hop ¡paths ¡

A ¡ E ¡ F ¡ C ¡ D ¡ B ¡ 2 ¡ 3 ¡ 6 ¡ 4 ¡ 1 ¡ 1 ¡ 1 ¡ 3 ¡

Distance ¡vector ¡example: ¡step ¡3 ¡

78 ¡

Table for A Dst Cst Hop A A B 4 B C 6 E D 7 B E 2 E F 5 E Table for B Dst Cst Hop A 4 A B B C 2 F D 3 D E 4 F F 1 F Table for C Dst Cst Hop A 6 F B 2 F C C D 1 D E 4 F F 1 F Table for D Dst Cst Hop A 7 B B 3 B C 1 C D D E 5 C F 2 C Table for E Dst Cst Hop A 2 A B 4 F C 4 F D 5 F E E F 3 F Table for F Dst Cst Hop A 5 B B 1 B C 1 C D 2 C E 3 E F F

Op6mum ¡3-­‑hop ¡paths ¡

A ¡ E ¡ F ¡ C ¡ D ¡ B ¡ 2 ¡ 3 ¡ 6 ¡ 4 ¡ 1 ¡ 1 ¡ 1 ¡ 3 ¡

Link ¡state ¡rou8ng ¡

• Link ¡state ¡rou8ng ¡

– Second ¡major ¡class ¡of ¡intradomain ¡rou8ng ¡ – Each ¡router ¡tracks ¡its ¡immediate ¡links ¡

• Whether ¡up ¡or ¡down ¡
• Cost ¡of ¡link ¡

– Each ¡router ¡broadcasts ¡link ¡state ¡

• Informa8on ¡disseminated ¡to ¡all ¡nodes ¡
• Routers ¡have ¡global ¡state ¡from ¡which ¡to ¡compute ¡path ¡

– e.g. ¡Open ¡Shortest ¡Path ¡First ¡(OSPF) ¡

79 ¡

• 1. ¡Learning ¡about ¡your ¡neighbors

¡

• Beaconing ¡

– Find ¡out ¡about ¡your ¡neighbors ¡when ¡you ¡boot ¡ – Send ¡periodic ¡"hello" ¡messages ¡to ¡each ¡other ¡ – Detect ¡a ¡failure ¡a]er ¡several ¡missed ¡"hellos" ¡

• Beacon ¡frequency ¡is ¡tradeoff: ¡

– Detec8on ¡speed ¡ – Bandwidth ¡and ¡CPU ¡overhead ¡ – Likelihood ¡of ¡false ¡detec8on ¡

80 ¡

"hello" ¡ "good ¡day ¡fine ¡sir" ¡

• 2. ¡Sewng ¡link ¡costs

¡

• Assign ¡a ¡link ¡cost ¡for ¡

each ¡outbound ¡link ¡

– Manual ¡configura8on ¡ – Automa8c ¡

• Inverse ¡of ¡link ¡bandwidth

¡

– 1-­‑Gbps ¡cost ¡1 ¡ – 100-­‑Mbps ¡cost ¡10 ¡

• Measure ¡latency ¡by ¡

sending ¡an ¡ECHO ¡packet ¡

81 ¡

hUp://xkcd.com/85/ ¡

• 3. ¡Building ¡link ¡state ¡packets

¡

• Package ¡info ¡into ¡a ¡Link ¡State ¡Packet ¡(LSP) ¡

– Iden8ty ¡of ¡sender ¡ – List ¡of ¡neighbors ¡ – Sequence ¡number ¡of ¡packet ¡ – Age ¡of ¡packet ¡

82 ¡

• 4. ¡Distribu8ng ¡link ¡state

¡

• Flooding ¡

– Send ¡your ¡LSP ¡out ¡on ¡all ¡links ¡ – Next ¡node ¡sends ¡LSP ¡onward ¡using ¡its ¡links ¡

• Except ¡for ¡link ¡it ¡arrived ¡on ¡

83 ¡

a) LSP ¡arrives ¡at ¡node ¡X ¡ b) X ¡floods ¡LSP ¡to ¡A ¡and ¡C ¡ c) A ¡and ¡C ¡flood ¡LSP ¡to ¡B ¡ (but ¡not ¡X) ¡ d) flooding ¡complete ¡

Shortest ¡path ¡rou8ng ¡

84 ¡

Building ¡rou8ng ¡table ¡for ¡node ¡D. ¡

Scaling ¡up ¡

• How ¡to ¡scale ¡a ¡single ¡company's ¡network? ¡

– Add ¡a ¡level ¡of ¡hierarchy ¡

• Within ¡a ¡single ¡organiza8on ¡(aka ¡autonomous ¡system) ¡

– Rou8ng ¡areas ¡

• Most ¡routers ¡in ¡a ¡single ¡area ¡

– Routers ¡only ¡send ¡informa8on ¡within ¡their ¡area ¡ – Detailed ¡topology ¡for ¡only ¡their ¡area ¡ – Traffic ¡going ¡outside ¡of ¡area, ¡send ¡to ¡backbone ¡

• Area ¡0 ¡= ¡backbone ¡

– Some ¡routers ¡in ¡both ¡backbone ¡and ¡other ¡area(s) ¡ – Area ¡Border ¡Router ¡(ABR) ¡

¡

85 ¡

Rou8ng ¡areas ¡

86 ¡

R1, ¡R2, ¡and ¡R3 ¡are ¡in ¡the ¡ backbone ¡area. ¡ ¡ R1 ¡is ¡an ¡ABR ¡for ¡area ¡1 ¡and ¡2. ¡ R2 ¡is ¡an ¡ABR ¡for ¡area ¡2. ¡ R3 ¡is ¡an ¡ABR ¡for ¡area ¡3. ¡

Interdomain ¡rou8ng ¡

87 ¡

Path-­‑vector ¡rou8ng ¡

• Extension ¡of ¡distance-­‑vector ¡

– Support ¡flexible ¡rou8ng ¡policies ¡ – Avoid ¡count-­‑to-­‑infinity ¡problem ¡

• Key ¡idea: ¡adver8se ¡the ¡en8re ¡path ¡

– Distance ¡vector: ¡send ¡distance ¡metric ¡per ¡des8na8on ¡d ¡ – Path ¡vector: ¡send ¡the ¡enIre ¡path ¡per ¡des8na8on ¡d ¡

88 ¡

d

“d: path (2,1)” “d: path (1)” data traffic data traffic

2 ¡

1 ¡ 3 ¡

AS ¡stub ¡

89 ¡

Stub ¡AS ¡

– Single ¡connec8on ¡to ¡another ¡AS ¡ – AS ¡only ¡carries ¡local ¡traffic ¡ – e.g. ¡Small ¡corpora8on, ¡university ¡

AS ¡mul8homed ¡

90 ¡

Mul8homed ¡AS ¡

– Connected ¡to ¡mul8ple ¡ASes ¡ – Refuses ¡to ¡carry ¡transit ¡traffic ¡ – Improves ¡reliability ¡ ¡

AS ¡transit ¡

91 ¡

Transit ¡AS ¡

– Connected ¡to ¡mul8ple ¡ASes ¡ – Designed ¡to ¡carry ¡transit ¡and ¡local ¡ traffic ¡ ¡

Peering ¡point ¡

92 ¡

Peering ¡point ¡

– Allows ¡ASes ¡to ¡connect ¡directly, ¡ bypassing ¡a ¡transit ¡AS. ¡

Border ¡Gateway ¡Protocol ¡

• Interdomain ¡rou8ng ¡protocol ¡for ¡the ¡Internet ¡

– Prefix-­‑based ¡path-­‑vector ¡protocol ¡ – Policy-­‑based ¡rou8ng ¡using ¡AS ¡paths ¡ – Evolved ¡over ¡the ¡past ¡18 ¡years ¡

93 ¡

• 1989 : BGP-1 [RFC 1105], replacement for EGP
• 1990 : BGP-2 [RFC 1163]
• 1991 : BGP-3 [RFC 1267]
• 1995 : BGP-4 [RFC 1771], support for CIDR
• 2006 : BGP-4 [RFC 4271], update

Incremental ¡Protocol ¡

• Routers ¡form ¡mesh ¡over ¡TCP ¡
• A ¡node ¡learns ¡mul8ple ¡paths ¡to ¡des8na8on ¡

– Stores ¡all ¡routes ¡in ¡rou8ng ¡table ¡ – Applies ¡policy ¡to ¡select ¡single ¡ac8ve ¡route ¡ – May ¡adver8se ¡route ¡to ¡neighbors ¡

• Incremental ¡updates ¡

– Announcement ¡ ¡

• Upon ¡selec8ng ¡new ¡ac8ve ¡route, ¡add ¡node ¡id ¡to ¡path ¡
• Op8onally ¡adver8se ¡to ¡each ¡neighbor ¡

– Withdrawal ¡

• If ¡ac8ve ¡route ¡is ¡no ¡longer ¡available, ¡send ¡message ¡to ¡

neighbors ¡

94 ¡

BGP ¡decision ¡process ¡

• Policy ¡decision ¡by ¡AS, ¡various ¡possibili8es: ¡

– Route ¡via ¡peered ¡network ¡instead ¡of ¡transit ¡ – Shorter ¡AS ¡path ¡beUer ¡

• Debatable ¡since ¡we ¡don't ¡know ¡how ¡many ¡hops ¡in ¡AS ¡

– Lowest ¡cost ¡for ¡your ¡AS ¡

• Get ¡it ¡off ¡your ¡network ¡sooner ¡

– Provide ¡best ¡quality ¡of ¡service ¡for ¡your ¡customer ¡

95 ¡

Rou8ng ¡packet ¡inside ¡your ¡AS ¡

• Hot-­‑potato ¡(early ¡exit) ¡rou8ng ¡

– Each ¡router ¡selects ¡closest ¡exit ¡point ¡from ¡AS ¡ – Minimize ¡your ¡costs ¡in ¡shipping ¡around ¡data ¡ – Based ¡on ¡intra-­‑domain ¡rou8ng ¡(e.g. ¡OSPF) ¡

• Cold-­‑potato ¡(late ¡exit) ¡rou8ng ¡

– Keep ¡packet ¡in ¡your ¡AS ¡as ¡long ¡as ¡possible ¡ – Maximize ¡control ¡and ¡quality ¡of ¡service ¡

96 ¡

Rou8ng ¡security ¡

• Prefix ¡hijacking ¡

– Adver8se ¡you ¡handle ¡a ¡prefix ¡of ¡another ¡AS ¡ – e.g. ¡Pakistan ¡Telecom ¡vs. ¡YouTube, ¡Feb ¡24th ¡2008 ¡

• Government ¡didn't ¡like ¡video, ¡orders ¡ISPs ¡to ¡block: ¡ ¡

97 ¡

Address ¡scarcity ¡

98 ¡

NAT ¡

• Network ¡address ¡transla8on ¡(NAT) ¡

– Quick ¡fix ¡to ¡address ¡scarcity ¡ – Home/business ¡gets ¡one ¡public ¡IP ¡

• Private ¡IP ¡addresses ¡for ¡all ¡hosts ¡inside ¡network ¡

– NAT ¡box ¡translates ¡at ¡boundary ¡to ¡public ¡IP ¡

99 ¡

NAT ¡an ¡abomina8on? ¡

1) Violates ¡the ¡IP ¡model ¡

– Every ¡host ¡should ¡have ¡unique ¡iden8fier ¡

2) Breaks ¡end-­‑to-­‑end ¡connec8vity ¡model ¡

– Any ¡host ¡can ¡send ¡a ¡packet ¡to ¡any ¡other ¡host ¡at ¡ any ¡8me ¡

3) Not ¡connec8onless ¡

– NAT ¡box ¡has ¡state, ¡effec8vely ¡circuit ¡switching ¡ – Single ¡point ¡of ¡failure ¡

4) Network ¡layers ¡are ¡not ¡independent ¡

– NAT ¡looks ¡into ¡the ¡payload ¡ ¡ ¡

100 ¡

NAT ¡an ¡abomina8on? ¡

5) Forces ¡use ¡of ¡TCP/UDP ¡protocols ¡

– Anything ¡else, ¡NAT ¡fails ¡to ¡find ¡TCP ¡Source ¡port ¡

6) Breaks ¡if ¡mul8ple ¡TCP/IP ¡or ¡UDP ¡ports ¡

– e.g. ¡FTP ¡and ¡H.323 ¡Internet ¡telephony ¡

7) Limited ¡number ¡of ¡hosts ¡on ¡NAT ¡box ¡

– Only ¡16-­‑bits ¡in ¡TCP ¡Source ¡port ¡ – Can't ¡have ¡> ¡64K ¡machines ¡on ¡a ¡single ¡IP ¡

¡

101 ¡

UDP ¡hole ¡punching ¡

102 ¡

Bob ¡ Alice ¡ Skype ¡server ¡ 3.3.3.3 ¡ 1.1.1.1 ¡ 1234 ¡ 2.2.2.2 ¡ 5678 ¡

• 3. ¡Bob ¡sends ¡Alice ¡UDP ¡packet ¡on ¡port ¡
• 1234. ¡ ¡Alice's ¡firewall ¡drops. ¡

Bob ¡ Alice ¡ Skype ¡server ¡ 3.3.3.3 ¡ 1.1.1.1 ¡ 1234 ¡ 2.2.2.2 ¡ 5678 ¡

• 4. ¡Alice ¡sends ¡Bob ¡UDP ¡packet ¡on ¡port ¡
• 5678. ¡ ¡Bob's ¡firewall ¡thinks ¡it ¡is ¡a ¡

response ¡to ¡his ¡blocked ¡ini8al ¡packet. ¡

IPv6 ¡goals ¡& ¡features ¡ ¡

• 1. Support ¡billions ¡of ¡hosts ¡ ¡ ¡

– 2128 ¡addresses ¡≈ ¡3 ¡x ¡1038 ¡ – If ¡en8re ¡planet ¡covered ¡with ¡computers: ¡

• 7 ¡x ¡1023 ¡IPs/ ¡m2, ¡pessimis8c ¡u8liza8on ¡scenario: ¡1000 ¡IPs ¡/ ¡m2 ¡

– Address ¡format: ¡8 ¡groups ¡of ¡4 ¡hex ¡digits ¡

103 ¡

Full ¡address ¡ 8000:0000:0000:0000:0123:4567:89AB:CDEF ¡ Abbreviated ¡ 8000::0123:4567:89AB:CDEF ¡ IPv4 ¡mapped ¡to ¡IPv6 ¡ ::FFFF:192.31.20.46 ¡ 00...0 ¡(128 ¡bits) ¡ Unspecified ¡ 00…1 ¡(128 ¡bits) ¡ Loopback ¡ 1111 ¡1111… ¡ Mul8cast ¡address ¡ 1111 ¡1110 ¡10… ¡ Link-­‑local ¡unicast ¡ Everything ¡else ¡ Global ¡unicast ¡addresses, ¡99% ¡of ¡the ¡space ¡

IPv6 ¡goals ¡& ¡features ¡ ¡

• 2. Simplify ¡the ¡protocol ¡

– Allow ¡routers ¡to ¡process ¡packets ¡faster ¡ – Support ¡gigabit/terabit ¡rou8ng ¡

• Predictable ¡header ¡size ¡(40 ¡bytes) ¡
• Removed ¡liUle ¡used ¡fields ¡
• No ¡checksum ¡

– Allow ¡future ¡protocol ¡evolu8on ¡ – Extension ¡headers ¡ ¡ ¡

104 ¡

IPv6 ¡fixed ¡40-­‑byte ¡header. ¡

IPv6 ¡goals ¡& ¡features ¡

• 3. Autoconfigura8on ¡of ¡hosts ¡

– Guaranteed ¡unique ¡IPv6 ¡address: ¡prefix ¡+ ¡48-­‑bit ¡MAC ¡ – Avoid ¡users ¡having ¡to ¡read/write ¡16 ¡bytes ¡addresses ¡

105 ¡

192.168.1.3 ¡ 8000:0000:0000:0000:0123:4567:89AB:CDEF ¡

IPv6 ¡goals ¡& ¡features ¡

• 4. Mul8cast/mul8media ¡

– Mul8cast ¡a ¡requirement, ¡no ¡longer ¡op8onal ¡ – IPv4 ¡DiffServ ¡field ¡+ ¡new ¡20-­‑bit ¡traffic ¡flow ¡field ¡ – Anycast, ¡one ¡address ¡for ¡a ¡group ¡of ¡nodes ¡

• Delivery ¡to ¡only ¡one ¡node ¡
• Fault-­‑tolerance, ¡load ¡balancing ¡
• Rou8ng ¡to ¡closest ¡node ¡

¡

106 ¡

Unicast ¡ Broadcast ¡ Mul8cast ¡ Anycast ¡

IPv6 ¡goals ¡& ¡features ¡

• 5. Improved ¡security ¡

– IP ¡security ¡architecture ¡(IPSec) ¡

• End-­‑to-­‑end ¡security ¡at ¡the ¡network ¡layer ¡
• Must ¡be ¡in ¡a ¡IPv6 ¡complaint ¡node ¡
• An ¡op8onal ¡feature ¡of ¡an ¡IPv4 ¡node ¡

– Authen8ca8on ¡header ¡(AH) ¡

• Supports ¡many ¡different ¡authen8ca8on ¡techniques ¡
• Protects ¡against ¡aUacks ¡based ¡on ¡masquerading ¡

– Encapsula8ng ¡security ¡payload ¡(ESP) ¡

• Integrity ¡and ¡confiden8ality ¡of ¡datagram ¡

107 ¡

IPv6 ¡goals ¡& ¡features ¡

• 6. Support ¡for ¡mobile ¡hosts ¡

– Mobile ¡clients ¡likely ¡to ¡be ¡majority ¡of ¡IPv6 ¡hosts ¡ – Mobile ¡IPv6 ¡(RFC ¡3775) ¡ – Use ¡IPv6 ¡features: ¡

• Stateless ¡autoconfigura8on ¡
• Neighbor ¡discovery ¡
• Extension ¡headers ¡such ¡as ¡rou8ng ¡header ¡

108 ¡

Mobile ¡IP ¡

• Rou8ng ¡to ¡mobile ¡hosts ¡

– Home ¡address ¡

• Permanent ¡IP ¡of ¡mobile ¡host ¡

– Home ¡agent ¡

• Router ¡on ¡your ¡home ¡network ¡
• Acts ¡as ¡your ¡agent ¡when ¡you ¡aren't ¡aUached ¡to ¡the ¡home ¡network ¡

– Foreign ¡agent ¡

• Located ¡on ¡network ¡mobile ¡host ¡connected ¡to ¡
• Not ¡always ¡required ¡

109 ¡

Deploying ¡IPv6 ¡

• Dual-­‑stack ¡opera8on ¡

– IPv6 ¡nodes ¡also ¡run ¡IPv4 ¡ – Consult ¡version ¡field ¡in ¡header ¡to ¡decide ¡ – Supported ¡by ¡major ¡OS's ¡for ¡a ¡long ¡8me ¡ ¡

110 ¡

Deploying ¡IPv6 ¡

• Tunneling ¡IPv6 ¡over ¡IPv4 ¡networks ¡

– Route ¡IPv6 ¡traffic ¡over ¡network ¡segment ¡that ¡only ¡ understands ¡IPv4 ¡

111 ¡