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

Lecture ¡2: ¡Direct ¡Link ¡Networks ¡ Guevara ¡Noubir ¡ CS ¡4700 ¡& ¡CS ¡5700 ¡ Textbook: Computer Networks: A Systems Approach, L. Peterson, B. Davie, Morgan Kaufmann Chapter 2. Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

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 ¡ • Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

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 ¡ I ( X ; Y ) = H ( Y ) − H ( Y | X ) C = max I ( X ; Y ) ∑ H ( X ) = − p ( x )log 2 p ( x ) p ( x ) 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 ¡ Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

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) ¡ Bits 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 NRZ Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

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 ¡ Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

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! ¡ Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

Encodings ¡(cont) ¡ Bits 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 NRZ Clock Manchester NRZI Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

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 ¡ 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 Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

Framing ¡ • The ¡physical ¡layer ¡provide ¡a ¡mean ¡to ¡transmit ¡a ¡sequence ¡ of ¡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 ¡ Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

Character ¡Based ¡Framing ¡ • BISYNC: ¡BInary ¡SYNchronous ¡CommunicaIon ¡ SYN SYN SOH Header STX Packet ETX CRC SYN – 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. ¡ Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

Bit ¡Based ¡Framing ¡ • SenInel-­‑based ¡(Bit ¡oriented) ¡ – Delineate ¡frame ¡with ¡ ¡special ¡pakern: ¡01111110 ¡ – e.g., ¡HDLC, ¡SDLC ¡ 8 16 16 8 Beginning Ending Header Body CRC sequence sequence – 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% ¡ Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

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 ¡ Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

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) ¡ Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

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) ¡ Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks

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 ¡ Fundamentals of Computer Networks Direct Link Networks