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NTU-CN 計算機網路 Ch1 Introduction

NTU Computer Networking 計算機網路:Ch1 Introduction
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Introduction#

Roadmap#

  • Internet: Network 的 network
  • Protocol: 定義的訊息傳送 format, order，全世界通用

Network edge#

  • Host: Client, Server (end system)

Cable-based#

  • FDM: Frequency Division Multiplexing，有線傳輸通常用「頻率」來做多工處理，通常使用
  • 是一種 Share network，Cable 雖然很大但會被大家分掉
    • HFC: hybrid fiber coax，40Mbps ~ 1.2Gbps downstream, 30 ~ 100 Mbps upstream

DSL#

  • 單戶用傳輸不遠，但 cable 比較小

Wireless#

  • Wifi
  • 4G, 5G

Host#

  • Packet 必須完整才能傳出
  • Sending packets, 每個 packets 的長度 LL
  • Transmit packets, 這條 link 的 transmit rate 是 RR
packet transmit delay=L (bits)R (bits/sec)\text{packet transmit delay} = \frac{L\ (\text{bits})}{R\ (\text{bits/sec})}
  • 經過 NN 個 router 傳送就會延遲
de2e=∑i=1NLR=NLRd_{\text{e2e}} = \sum_{i=1}^N \frac{L}{R} = N\frac{L}{R}
  • 分爲 Guided 跟 Unguided
    • Guided: Solid media Fiber(光纖), Coax(銅線傳輸)
    • Unguided: Radio
  • TP (Twisted Pair): 雙絞線，可以減少干擾
  • Radio link:
    • Wireless LAN (Wifi)
    • wide-area (4G)
    • Bluetooth

Network Core#

  • Forwarding: Local action 只在自己身上作用，從正確接口接收封包再從正確出口送出
    • Forwarding table 用來確認送出的方向
  • Routing: Global action 在所有 core 上都會作用，決定送出的 source, destination
    • 使用 routing algorithm

Packet-switching#

  • Core 除了會 forward 還有 store 功能，為了要讓送出的 packet 完整
  • Great for bursty (突發) data，data 來的不頻繁大家可以共用
  • 可能會發生 Congestion 導致 Loss 或 Queue

Circuit-switching#

  • 不會發生 Queuing 或是 Loss 因為有預先留了傳輸管道
  • Guarantee 一定有完整的一條 path 上面不會有其他人（圖例：四條中保證一條為空）
    • 如果你那段沒有用到，其他人也不能用
    • Inefficient

    • Circuit-switching

FDM vs TDM#

  • FDM
    • 完整使用那個頻段

    FDM vs TDM 1

-TDM

  • Sharing，但頻寬 (bandwidth) 大，只要在自己的 time slot 都可以用

  • FDM vs TDM 2

Structure#

  • 如果每個人都用互相連結的話，那成本將會極高
∑k ∈ Hostk=O(N2) \sum_{k\ \in\ \text{Host}} k = O(N^2)
  • ISP: Host 會用 Global ISP (Internet Services Provider) 連接 Internet
    • ISP 之間也會互相連接
    • Global ISP 會跟 Regional ISP 連接
  • IXP: Internet exchange point (IXP) 會把 ISP 互相連接
    • 不可能讓 ISP 全部掌握在誰手裡，所以每個地區有自己的 ISP
  • CPN: 大公司也會需要自己的 Global ISP 我們稱為 Content Provider Network (CPN)

Structure 1

  • Tier-1: Commercial ISPs (National or International)

Structure 2

Performance#

也就是分析各種 delay 來源

Packet delay#


Packet delay

  • dprocd_{\text{proc}}: Processing delay (typically < microsec)
    • 檢查 forwarding table
    • forwarding 過程
    • Integrity Check
  • dqueued_{\text{queue}}: Queuing delay
    • Congestion
  • dtransd_{\text{trans}}: Transmission delay
    • LR\frac{L}{R}
  • dpropd_{\text{prop}}: Propagation delay
    • dd : length of physical link
    • ss : propagation speed
    • dprop=dsd_{\text{prop}} = \frac{d}{s}

traceoute

  • Return 到每個 router 的 RTTRTT ，可以藉由設定每個 request 設定 ttl = ?（Time To Live）
  • * * * 表示 no response
  • format 是 128.119.3.154 (128.119.3.154) 0.931 ms 0.441 ms 0.651 ms

Throughput#

  • Instantaneous throughput: 瞬時收到的資料量
  • Average throughput: 平均收到的資料量
  • 在這個簡單的 pipe 裡面，前者速率 RSR_S，後者則為 RCR_C
    • 如果 RS>RCR_S > R_C 那 Client 感受到的會是 RCR_C 的傳輸速度，反之亦然
    • 因此一個網路線路的 Throughput 取決於最慢的那條，我們稱這條 link 為 bottleneck link (瓶頸線路)

Throughput 1

  • 在一條正常的網路裡 Bottleneck link 為 ℓB\ell_B
ℓB=arg⁡min⁡i ∈ {1,2,...,n}Ri\ell_B = \arg \min_{i\ \in\ \{1,2,...,n\}} R_i

Throughput 2

  • 而他的速率就是 RBR_B
RB=min⁡i ∈ {1,2,...,n}RiR_B = \min_{i\ \in\ \{1,2,...,n\}} R_i
  • 真實情況還會有這種共用 pipe 的情況，所以我們還要再考慮
R=min⁡{Rs,Rc,RN}R = \min \{R_s, R_c, \frac{R}{N}\}

Throughput 3

  • 真實情況中 RN>Rc,Rs\frac{R}{N} > R_c, R_s，bottleneck 通常都是 edge link

Layering, Encapsulation#

  • 複雜的系統常常需要做 layering 的工作
    • 便於了解每個 system pieces 之間的 relationship
    • 對 system 做了 modularization 便於維護（像是當我們要改變 server implement 我們不需要改變 inference）
  • Layering 時我們會把這個結構叫做 protocol stack 因為他是一層一層解讀/封裝的

Layered Internet Protocol tack#

flowchart TB
    A[Application Layer]
    B[Transport Layer]
    C[Network Layer]
    D[Link Layer]
    E[Physical Layer]
    A --> B --> C --> D --> E
mermaid
  • Application layer (應用層): 實現網路功能，對下層發送 message packet
    • HTTP, SMTP, DNS
  • Transport layer (傳輸層): 在 application endpoint 之間傳送訊息，發送 segment packet (process to process)
    • TCP, UDP
  • Network layer (網路層): 在 host 之間傳送資料，並不保證 reliable transfer 發送 datagram packet (host to host)
    • IP, routing protocol
  • Link layer (連結層): 發送 frame packet 把資料送到下一個節點後，讓下一個節點的 link layer 往上送給 Network layer
    • Wifi, Ethernet, PPP
  • Physical layer (物理層): 真正的傳輸，把一個一個 bit 傳送過去下一個節點

Services, Layering, Encapsulation#


Services, Layering, Encapsulation

  • 每個 layer 會在 Application layer 的 message 前面加上自己需要辨識用的 header 這個過程稱為 Encapsulation
    • 例如 Transport layer 會在 header 中加入他屬於哪個 process，Network layer 會加上 Destination
  • 到了 destination 後一層一層的解讀最終在正確地方獲得正確資料，這個解讀 header 的過程叫 Decapsulation

Security#

Packet “sniffing”#

  • 此處的 C 可以讀到所有 B 要傳送到其他地方的 packet

Packet “sniffing”

  • Wireshark 就是一款免費的 packet-sniffer

IP Snoofing#

  • 對 packet 進行操作，此處 C 假裝自己 send 的 packet 是 B 來的

IP Snoofing

Denial of Service (DoS)#

  • 生成很多假的 http request 讓 server 癱瘓掉
    1. 選擇目標
    2. 侵入很多 host
    3. 從侵入成功的 host 端發送爆量訊息到 server

Defense#

  • Authentication
  • Confidentiality: encryption
  • Integrity Check
  • Access Restriction
  • Firewalls

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NTU Computer Networking

2025 Fall

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NTU-CN 計算機網路 Ch1 Introduction
https://vinsong.csie.org/notes/cn/ch01-intro.html
Author VinSong
Published at 2025年9月15日
Copyright CC BY-NC-SA 4.0
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