[Lecture Notes] CMU 14-740 Fundamentals of Telecommunication Networks

Lec 1. Intro

Network Protocols: Define the format (of a message), order of messages sent and received among network entities, and actions taken on message transmission or receipt.

所有Internet的通信活动都由protocol管。

Reliable: 发送到的和接收到的数据一致，顺序一致。要reliable就会有overhead，需要trade-off.

• circuit switching
  • 每一个connection都由一个channel, connection-oriented
  • 在没有connection/call/user使用的时候会导致资源浪费
  • 每一个信号都有time和frequency，同一时刻有不同频率的信号频段都可以传输。如何切分？
    • FDM (Frequency Division Multiplexing) 频分复用
    • TDM (Time Division Multiplexing) 时分复用
• packet switching
  • Connectionless, 没有channel，用多个paths
  • 数据切分成小块，称为packets
  • 所有用户都可以使用完整的带宽，没有FDM、TDM等，statistical sharing
  • Store and forward model: 一条link上有好多个节点，节点必须接收到完整packet才会继续发送给下一个节点
  • 缺点是会有congestion，数据包太多会导致竞争

Lec 2. Architecture

packet switching: 每一个packet都能占用全部的bandwidth，需要queue

如果queue满了，新的packet会被drop（aka lost, 丢包）

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4 Sources of packet delay

• processing delay (nodal processing)
  • Router接收到packet时需要：①检查bit errors ②决定转发给谁
  • 与router的处理速度有关
• queueing delay
  • router一次只能发一个packet，需要排队等待
  • 与router的congestion level （拥堵情况）、buffer size都有关
  • 范围可以从0到无穷（无穷代表丢包）
  • Traffic intensity $\rho = L \times \lambda / R$ (=输入除以输出)
    • L = Packet Length (bits/pkt)
    • R = Link Speed / Data Rate (bps)
    • $\lambda$ = Average Packet Arrival Rate (pkt/s)
• transmission delay
  • $T_t$ = $L/R$ = Packet Length / Link Bandwidth
• propagation delay
  • 第一个bit发送需要的延迟时间。取决于光速（或物理介质速度）
  • $T_p = d / s$ = Length of physical link / Propagation speed in physical medium

Traceroute：发送给第i个node来回的时间

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Layered Network Architecture

• Layer的优点

  • 每个layer里面的protocol可以分开设计，互不干扰，简化设计、实现和测试流程

• Layer的缺点

  • duplication：每个layer都做了一些reliability的设计，导致重复
  • 每层layer之间隐藏了信息，可能影响性能（完成某些操作可能需要底层layer的信息）

• ISO OSI reference model / TCP/IP

  • 1970s的时候不同的网络架构互不兼容，无法互相通信，所以ISO搞出了OSI来实现 interoperability

  • ISO: International Standard Organization

  • OSI: Open Systems Interconnection

  • 然后 TCP/IP 把OSI protocol给取代了

  • OSI有7层layer，TCP/IP有5层layer。顶上两个是end-to-end，底下的是hop-by-hop.