건국대학교 컴퓨터네트워크 강의노트
Computer Networking: A Top down Approach

Chapter 1: Introduction

  • 인터넷, 프로토콜
  • 네트워크 엣지: 엔드시스템, 액세스 망, 링크
  • 네트워크 코어: 패킷스위칭, 서킷스위칭, 네트워크 구조
  • 성능: 딜레이, 손실, throughput
  • 프로토콜 레이어, 서비스 모델
  • 보안

1. 인터넷

IMAGE

  • 수십 억대의 컴퓨팅 디바이스.
    • PC, Server, wireless laptop, smartphone
    • 호스트: end systems
    • 네트워크 앱을 실행한다. (apache, nginx … )
  • 커뮤니케이션 링크
    • fiber, copper, radio, satlelite
    • 전송율: bandwidth
  • 패킷 스위치
    • 라우터, 스위치
  • 인터넷: “network of networks”
    • ISP가 서로 연결되어 있음
  • 프로토콜: Control sending/receiving of messages
    • TCP, IP, HTTP - 국제표준 오픈 프로토콜, 소유권 x
    • Skype - Property 프로토콜.
  • 인터넷 표준
    • RFC
    • IETF
  • Service View
    • 애플레키에션에 서비스를 제공하는 인프라
      Web, VoIP, email, gaems, e-commerce, social nets, …
    • 애플레키에션에 프로그래밍 인터페이스를 제공
  • 프로토콜이란
    packet -> header | payload
    header -> dest, source …
    • format 정의
    • 메세지 전송/수신 순서 정의
    • 어떤 메세지를 받았을 때 취하는 액션 정의 IMAGE

2. 네트워크 엣지

IMAGE

  • 네트워크 엣지:
    • 호스트: 클라이언트와 서버
    • 서버는 보통 데이터센터
  • 액세스 네트워크, 물리 매체
    • wired/wireless communication links
  • 네트워크 코어
    • Interconnected routers
    • “network of networks”
  • 엣지 시스템을 엣지라우터에 연결?
    • residential access nets
    • institutional access networks
    • mobile access networks
  • Keep in mind
    • Bandwidth(bits/second) of access network?
    • Shared of dedicated?
      • shared: 공유
      • dedicated: 각자의 bandwidth

Access network: digital subscriber line (DSL)

IMAGE

  • ADSL: Asymetrical. 다운로드 > 업로드. common case.
  • SDSL: Symetrical. 다운로드 = 업로드. ex) Youtube streamer

Access network: cable network

IMAGE

Access network: home network

IMAGE

Access network: Enterprise (Ethernet)

IMAGE

  • 라우터를 통해 L3로
  • 왼쪽 Ethernet switch
    • 부분적으로 보면 Access network
    • 전체적으로 보면 Edge network
  • 서버
    • 클라우드나 데이터센터에 위치
    • 메일 서버, 웹서버
  • L3 라우터
  • L2 스위치

Access network: Wireless

  • shared wireless acess network는 엔드시스템을 라우터에 연결 시킨다.

  • WireLess LAN IMAGE

    • 공유기

  • Wide-area wireless access IMAGE

    • 기지국
    • 3G, 4G:LTE

Hosts: 데이터 패킷을 보낸다

  • 패킷 전송지연 $$ (패킷전송delay) = (L-bit패킷전송에 필요한시간) = L(bits) / R(bits/sec) $$
  • R: transmission rate, bandwidth
    • ex) 10G, 1G/s => 10초 걸린다.

물리 매체

  • bit
  • physical link
  • wired
    • guided media: 유선
      • 구리, 광섬유, 동축케이블(coax)
      • twisted pair
        • 절연 구리줄, 구리줄 8개
        • 꼬아놔야 간섭을 안한다.
        • category 5: 100Mbps, 1Gbps
        • category 6: 10Gbps
    • ungided media: 무선
      • 라디오
  • coax, coaxical cable
    • 동축케이블
    • broadband라고 불린다. 주파수 분할을 하므로
    • HFC. 가까이 올때까지 fiber, 와서는 copper
    • 구리줄 -> 전파장. 간섭 및 에러율 증가.
  • fiber optic cable
    • 광섬유 -> 빛. 에러율 감소.
      • 중간에 세기가 약하진다.
      • 리피터가 필요하다.
      • 노이즈가 적다
  • radio
    • 양방향
    • 소리를통해
    • 반사 때문에 작은신호(노이즈)가 이따금씩
    • 장애물, 간섭
    • types
      • 지상파 microwave
      • LAN
      • wide-area: 4G
      • satelite: 인공위성
        • kbps ~ 45Mbps
        • 270ms e2e delay.
        • 전자위성 vs 저궤도 위성

3. 네트워크 코어

  • 패킷 스위칭

    • 애플리케이션 layer 메세지를 패킷으로 쪼갠다.
    • store-and-forward IMAGE
      • 링크가 available일 시 전송
      • 라우터는 목적지 계산 (라우팅)
        • 링크가 available 될 떄까지 저장 - store
        • 링크가 available 일 시 전송 - forward
    • queueing delay, loss IMAGE
      • 큐: 저장
      • 전송 속도가 따라가지 못해서 버퍼가 가득 차면 패킷 드랍
      • UDP라면 다시 보내지 않는다. error
      • TCP라면 다시 보낸다.
    • routing, forwarding IMAGE
      • routing: source-destination 경로 결정
      • forwarding: router input을 적절한 output으로 packet을 옮긴다.

  • 서킷 스위칭 IMAGE

    • 사용중인 회선은 다른 곳에서 쓸 수 없다.
    • 대신 bandwidth가 다 자기꺼.
    • traditional telephone networks
      • 요즘은 VoIP
    • FDM vs TDM IMAGE
      • FDM: 주파수 분할 다중화
      • TDM: 시분할 다중화

  • 패킷 스위칭 vs 서킷 스위칭 IMAGE

    • 패킷 스위칭이 더 많은 유저를 쓸 수 있게 해준다.
    • ex)
      • 1Mb/s link
      • each user
        • 100kb/s when “active”
        • active 10% of time
      • circuit switching
        • 10 users
      • packet switching
        • 10명이 넘어가도 store and forward
        • 35명의 유저라도 10개선을 동시에 쓸 확률은 낮다. (0.0004 ?)

  • 패킷 스위칭이 승자다.

    • bursty data
      • 리소스 sharing
      • 간단, UDP의 경우 call setup이 없다.
    • excessive congesting possbile
      • 패킷 지연, 손실 가능성
      • 프로토콜이 packet switching을 염두에 두어야 한다.
        • error, retry
    • circuit-like behavior?
      • VoIP, video transfer
      • bandwidth 보장이 필요

  • Internet structure: network of networks

    • 액세스 망, access ISP
    • 경제, 국가 정책에 따라 발전
    • 각 ISP마다 connect? IMAGE
      • O(n^2)연결
    • Global ISP? IMAGE
      • 각 나라마다 정책
      • 전세계 cover ISP는 불가능
    • 지역별 ISP IMAGE
      • ISP끼리 연결이 안된다.
    • 지역별 Interconnected ISP - IXP IMAGE
      • 같은 계층에 속한 라우터 - peering
      • ISP가 복잡해지면?
      • Internet exchange point
        • 2개 이상 ISP연결. 다자간 연결
        • IXP 센터
        • 서울 POP, 대전 POP …
    • 아직 전세계 cover는 되지 않는다. + regional net. IMAGE
      • 미국, 러시아, 동남아시아 …
      • 미국 서부 regional net + 미국 동부 regional net
      • 미국 전역 cover ISP
      • 아시아 전역 cover ISP
      • 동북아시아 regional net
      • (+) backbone 망. 고속도로 역할
    • (+) Content provider network. CDN IMAGE
      • Google, Microsoft, Akamai

4. loss와 delay는 어떻게 발생하는가

  • 라우터 buffer에서 packet queue IMAGE
    • 전송 중 패킷 -> delay
    • 패킷 queueing -> delay
    • 버퍼 -> loss
    • output link capacity.
      • 나가는 양보다 들어오는 양이 많으면.

IMAGE
$$ d(nodal) = d(proc) + d(queue) + d(trans) + d(prop) $$

  • d(proc) : nodal processing

    • 어느 라우터에 보낼 것인지 판단

  • d(queue) : queueing delay

    • 버퍼에 쌓여서 전송을 기다리는 시간
    • congestion이 있다면 delay up, 없다면 delay down

  • d(trans) : transmission delay

    • L: packet length
    • R: link bandwidth
    • d(trans): L/R

  • d(prop) : propagation delay

    • 빛의 속도로 전파.
    • d: length of physical link
    • s: propagation speed (빛의 속도. 2x10^8m/s)
    • d(prop): d/s
    • d(prop)과 d(trans)는 많이 다르다.

  • Queueing delay

    • R: link bandwidth (bps)
    • L: packet length (bits)
    • a: average packet arrival rate
    • La/R ~ 0: avg.queueing delay small
    • La/R -> 1: avg.queueing delay large
    • La/R > 1: 전송할 수 있는 양보다 더 많이 오고있다. delay infinite.

  • “Real” Internet delays and routes

    • 진짜 Internet delay & loss 는?
    • traceroute: delay 측정. 네트워크 디버깅
      • 목적지까지 가는 경로의 모든 라우터에 3개의 패킷을 전송
      • 3개 보낼때 마다 i번째 라우터가 현재 받은 시간을 보낸다.

  • Packet loss IMAGE

    • 쌓이다 넘치면 drop.

  • Throughput IMAGE

    • 시작점과 목적지 사이에 단위시간당 처리한 양. rate (bits / time unit)
      • instaneous: 한 순간의 throughput
      • average: 평균
    • R(s) < R(c)
      • R(s) 1초. R(c) 10초 -> 10초
    • R(s) > R(c)
      • R(s) 10초, R(c) 1초 -> 10초
    • bottle enck link.
      • bottleneck 용량이 전체 용량.
      • bottleneck을 찾아서 해결하는 게 중요하다.
    • Internet scenario. IMAGE
      • Connection 별 end-end throughput은
        • min(R(c), R(s), R/10)
        • R(c) 또는 R(s)가 보통 bottleneck.

5. 프로토콜 레이어

  • 네트워크는 복잡하고, 많은 조각들이 존재
    • hosts
    • routers
    • links of various media
    • applications
    • protocols
    • hardware, software
    • 어떻게 구성해서 네트워크를 형성하지?
      • 복잡한 문제를 해결하기 위해 “divide and conquer”
      • layering, 각 층마다 identification
      • “change in gate procedure doesn't affect rest of system”
        한 모듈 바꾸는 게 다른 시스템에 영향을 주지 않는다.
  • Internet protocol stack IMAGE
    • Application
      • FTP, SMTP,
    • Transport: 전송계층
      • TCP, UDP
    • Network: 망계층
      • IP, routing protocols
    • link
      • 이더넷
    • physical
      • bits “on the wire”
  • ISO/OSI reference model IMAGE
    • presentation: 표현계층
      • 암호화, 압축
      • machine-specific conventions
    • session
      • synchronization
      • checkpointing: 영화 다운로드, recovery of data exchange
    • 이런건 application에서 구현하자.
  • Encapsulation / Decapsulation IMAGE

6. 보안

  • 네트워크 보안
    • 침입자가 어떻게 공격할 것인가.
    • 어떻게 방어할 것인가
    • 어떻게 면역있게 설계할 것인가.
    • 다시 설계는 안되고 …
      • block chain.
      • 단점도 있다.
    • 필요할 때마다 필요한 계층에 security를 고려할 것
  • Bad guy: 인터넷을 통해 호스트에 malware를 넣었다.
    • virus: 이메일… 사람이 직접 클릭해야 한다.
    • worm: 자가복제로 감염. 수동적으로 또는 자동적으로 수행
    • spyware: 패스워드, 크레딧카드,
    • botnet: span, DDos
  • Bad guy: 서버, 네트워크 인프라 공격 IMAGE
    • Dos (Denial of Service)
      • 타겟을 고르고
      • botnet
      • 타겟에게 패킷을
  • Bad guy: 패킷 스니핑 IMAGE
    • wireshark
  • Bad guy: fake address 사용 IMAGE

Chapter 2: Application Layer

  • principle
  • web, http
  • SMTP, POP3, IMAP
  • DNS
  • P2P
  • Video Streaming, CDN
  • TCP, UDP

1. principle

  • Creating a network app
    • 엔드시스템에 올라가는 프로그램
    • network에서 통신
    • network-core device를 위한 소프트웨어를 작성할 필요는 없다.
      • network-core device는 user application을 실행하지 않는다.
  • Client-Server architecture
    • server
      • always-on host
      • 고정 IP
      • 데이터센터. 수십개의 논리적 1서버
    • clients
      • 서버와 통신
      • 붙었다가 끊어졌다가.
      • Dynamic IP addresses
      • 클라이언트끼리 직접 통신 x
        • 화상회의 -> 중간에 controller가 있다.
  • P2P
    • always-on server가 없다.
    • peer가 서버도 되고 클라이언트도 되고.
    • self-scalable
    • intermittently connected, and change IP addresses
      • 복잡한 management
  • process: host에서 실행되는 프로그램
    • 동일 호스트에서 2개 이상 프로세스와 통신 - IPC
      • client process: 연결을 맺는다.
      • server process: 연결을 기다린다.
  • Addressing processes IMAGE
    • 서로 다른 호스트
    • 클라이언트가 서버를 찾아야 한다. (IP)
    • 소켓
      • IP를 알아야한다. 32 bit address
      • port도 알아야한다. -> TCP/UDP. 80(http), 25(mail)
  • App-layer protocol defines
    • types
      • ex) request, response
    • message syntax
    • message sementics
    • rules
      • 언제 어떻게 프로세스가 메세지를 전송/수신 할 것인가.
    • open protocols
      • RFC
      • interoperability (상호 운용성)
      • ex) HTTP, SMTP
    • proprietary protocol
      • ex) skype
  • App에서 필요한 transport service?
    • data integrity
      • 앱에 따라 100% reliable data transfer를 필요로 한다.
      • 어떤 앱은 손실이 있어도 괜찮다.
    • timing
      • 앱에 따라 low delay를 요구 (Internet telephony, interactive games)
    • throughput -> bandwidth
      • multimedia 앱은 throughput 양을 좀 많이 필요
      • ftp, email은 좀 기다려도 된다.
    • security
      • encryption, data integrity, …

2. Web and HTTP

  • Web page
    • object로 구성
    • object -> HTML, JPEG, Java applet, audio file, …
    • URL로 접근
www.someschool.edu/someDept/pic.gif

host name : www.someschool.edu
path name : /someDept/pic.gif
  • HTTP: hypertext transfer protocol IMAGE
    • Web의 application layer protocol
    • client: browser. request
    • server: response. reply
    • TCP 사용
      • reliable. 80 port
      • client - initiate TCP connection to server
      • server - accept TCP connection
      • HTTP 메세지 교환
      • TCP Connection closed.
    • statless - request, response
      • 어떤 state도 기억하지 않음
      • <-> stateful. 복잡하다
        • 과거의 상태를 기억
        • 돌아가는 point (check point), sync.
        • 관리가 복잡하다
  • HTTP connections
    • non-persistent HTTP
      • one object - one connection
      • object 보내고 끊고, 보내고 끊고…
      • 10 object - 10 connection
    • persistent HTTP
      • single TCP connection
  • Non-persistent HTTP: response time IMAGE
    • RTT (Round Trip Time)
    • HTTP response time: 2 RTT + file transmission time
    • 2 RTT per object
  • Persistent HTTP
    • server - connection
    • subsequent HTTP messages
    • 1 RTT
  • HTTP Request messages
    • request, response
    • ASCII
GET /index.html HTTP/1.1\r\n
Host: www-net.cs.umass.edu\r\n
User-Agent: Firefox/3.6.10\r\n
Accept: text/html,application/xhtml+xml\r\n
Accept-Language: en-us,en;q=0.5\r\n
Accept-Encoding: gzip,deflate\r\n
Accept-Charset: ISO-8859-1,utf-8;q=0.7\r\n
Keep-Alive: 115\r\n
Connection: keep-alive\r\n
  • general format IMAGE
  • Uploading form input
    • POST
      • 보통 form input을 포함
      • input은 모두 body에.
  • Method types
    • HTTP/1.0
      • GET. POST, HEAD
    • HTTP/1.1
      • GET, POST, HEAD
      • PUT: server upload
      • DELETE: delete file
  • HTTP response message
HTTP/1.1 200 OK\r\n
Date: Sun, 26 Sep 2010 20:09:20 GMT\r\n
Server: Apache/2.0.52 (CentOS)\r\n
Last-Modified: Tue, 30 Oct 2007 17:00:02
GMT\r\n
ETag: "17dc6-a5c-bf716880"\r\n
Accept-Ranges: bytes\r\n
Content-Length: 2652\r\n
Keep-Alive: timeout=10, max=100\r\n
Connection: Keep-Alive\r\n
Content-Type: text/html; charset=ISO-8859-
1\r\n
\r\n
data data data data data ...
  • HTTP response status codes
    • 200 OK
    • 301 Moved Permanently
    • 400 Bad Request
    • 404 Not Found
    • 505 HTTP Version Not Supported
  • User-server state: cookies
    • authorization (뭘 할 수 있나) (유의. authentication - 신분 확인)
    • shopping cart
    • recommendation
    • user session state
    • cookies and privacy. 보안문제
  • Web caches IMAGE
    • 있으면 proxy에서 가져온다. (cache)
    • (+) bandwidth 절약
    • (-) proxy 병목. SPoF
    • Why web caching?
      • response time down
      • bandwidth / traffic down
      • Content provider에게 유리
    • Proxy
      • client / server 역할
  • Conditional GET IMAGE
    • If-modified-since: <date>

3. 전자 메일

  • Three major components
    • user agents -> 웹브라우저, outlook
    • mail server - mail.konuk.ac.kr, gmail.com
    • SMTP: simple maill transfer protocol IMAGE
  • User agent
    • “mail reader”
    • composing, editing, reading mail
  • Mail server
    • mail box
    • message queue
    • SMTP
      • client: sending mail server
      • “server”: receiving mail server
  • SMTP [RFC 2821]
    • TCP, port 25
    • direct transfer
    • persistent. 100개 있으면 다 받고 connection을 끊는다.
      • handshaking
      • transfer of message
      • closure.
    • command/response interaction (HTTP 처럼)
      • command: ASCII text
      • response: status code
    • 시나리오 IMAGE
    • SMTP interaction
S: 220 hamburger.edu
C: HELO crepes.fr
S: 250 Hello crepes.fr, pleased to meet you
C: MAIL FROM: <alice@crepes.fr>
S: 250 alice@crepes.fr... Sender ok
C: RCPT TO: <bob@hamburger.edu>
S: 250 bob@hamburger.edu ... Recipient ok
C: DATA
S: 354 Enter mail, end with "." on a line by itself
C: Do you like ketchup?
C: How about pickles?
C: .
S: 250 Message accepted for delivery
C: QUIT
S:221 hamburger.edu closing connection
  • SMTP와 HTTP 비교
    • HTTP: pull
    • SMTP: push. 서버가 먼저 요청
    • 둘다 ASCII command / response interaction, status code
  • SMTP: final words
    • persistent connection
    • message (header & body) in 7 bit ASCII
    • CRLF.CRLF - end of message
  • Mail message format IMAGE
    • RFC 822
      • TO:
      • From:
      • Subject:
      • SMTP 시스템이 만들어주는 커맨드 FROM, RCPT TO와는 다르다.
      • Body: the “message” . ASCII only. (요즘은 멀티미디어 확장)
  • Maill access protocols IMAGE
    • POP [RFC 1939]. authorization
    • IMAP [RFC 1730]. 정교한 메세지 조작.
  • POP3 protocol IMAGE
    • authorization phase
      • client commands:
        • user
        • pass
      • server
        • +OK
        • -ERR
    • transaction phase
      • list: list message numbers
      • retr: retrieve message
      • dele
      • quit
  • POP3 vs IMAP
    • POP3
      • “download and delete”
      • “download and keep”
      • stateless
    • IMAP
      • mail box에 폴더를 많이, manipulation
      • stateful

4. DNS

  • DNS: domain name system
    • Internet hosts, routers
      • IP address (32 bit). 외우기 어렵다
        • addressing datagram 에 쓰인다.
      • “name”
    • 분산 DB
      • 계층적으로
    • application layer
      • name server와 통신해서 resolve
      • application-layer protocols
      • network edge
  • DNS services
    • hostnames -> IP address translation. 주요한 기능
    • host aliasing
      • canonical -> 정식이름, aliase -> 별명
    • mail server aliasing
    • load distribution
      • replicated web servers (google.com)
        많은 IP address가 있는데, 딱 1개의 name
    • Why not centralize?
      • Single point of failure
      • traffic volume -> 호스트가 무진장 많을거고, 요청도 무진장 많을거고
      • distant centralized database. 요청자와의 거리 고려
      • maintance
  • DNS: distributed hierarchical database IMAGE
    • client -> www.amazon.com
      • client queries root server to find .com DNS
      • client queries .com DNS server to get amazon.com DNS
      • client queries amazon.com DNS server to get IP address for www.amazon.com
    • 13개의 root name server
      • UDP 패킷사이즈… 13이 maximum
      • 복사판은 수십개
    • top-level domain (TLD) servers
      • CCTLD: .uk, .fr, .ca, .jp
      • gTLD: .com, .org, .net
      • Network solutions이 .com을 관리한다
      • Educase가 .edu를 관리한다
    • authoritative name server
      • 수많은 host.
        • engineering.konkuk.ac.kr
        • cse.konkuk.ac.kr
      • organization이 관리한다.
      • 등록해놓은 authoritative name server.
        • ns.konkuk.ac.kr
        • 이를 외부에 알린다.
  • Local DNS name server
    • 내부적으로도 운용할 수 일다. (hierarchy를 엄격히 지키지 않는다)
    • 각 지역 ISP(residential, company, university)는 1개 갖고 있다
      • “default name server”
    • local DNS Server에 제일 처음으로 물어본다
      • local cache를 한다. (TTL 존재, 지나면 expire)
      • proxy로 작요
  • DNS name resolution example
    • iterated IMAGE
      • 처음에 contact 하는 DNS는 local DNS server
      • 많이 쓰인다.
    • recursive query IMAGE
      • root에 큰 load가 걸린다.
  • DNS caching, updating reords
    • cache timeout after some time (TTL)
    • TLD는 local name server에 캐시되어 있다. root를 방문할 필요가 잘 없다.
    • 호스트 IP가 바뀌어도 TTL expire까지는 모른다.
  • DNS records
    • DNS: store resource records (RR)
    • RR Format: (name, value, type, ttl)
    • type=A:
    • type=NS: name server
      • (konkuk.ac.kr, ns.konkuk.ac.kr, ns, 24)
      • name: domain
      • value: host name
    • type=CNAME:
    • type=MX: mail server
      • (konkuk.ac.kr, mail.konkuk.ac.kr, MX, 24)
  • DNS protocol, messages IMAGE
    • query and reply
    • identification
    • flags
      • query or reply
      • recursion
      • recursion available
      • reply is authoritative
  • Inserting records into DNS
    • ex) new startup “Network Utopia”
      • DNS registrar에 networkutopia.com 등록
        • 2개의 RR이 등록된다.
          • (networkutopia.com, dns1.networkutopia.com, NS)
          • (dns1.networkutopia.com, 212.212.212.1, A)
      • type A: www.networkuptopia.com
      • type MX: mail.networkuptopia.com
      • 더 필요하다면 authoritative server에 등록
  • Attacking DNS
    • DDoS attacks
      • root server
      • 많이 쓰는 TLD는 캐싱된다.
      • 많이 쓰는 TLD가 더 위험하다.
    • redirect attacks
      • main-in-middle
        • 가로채서 변환해서 query
        • 가로채서 reply
      • 이상한 사이트에 접속되고, 크레딧 카드를 훔쳐간다..
    • exploit DNS for DDoS
      • spoofed source
    • DNS는 공격을 많이받는다.

5. P2P application

  • Pure P2P architecture
    • no always-on server.
      • 항상 켜져있는 서버는 없다.
      • 어떤 node건 서버가 된다.
    • arbitrary end system directly communicate
      • 임의의 end system이 통신이 가능하다.
    • peers are intermittently connected
      • 연결되었다가 끊어졌다가. IP가 바뀔수도 있다.
    • examples
      • BitTorrent -> file distribution
      • KanKan -> Streaming
      • Skype -> VoIP
  • File distribution: client-server vs P2P IMAGE
    • size F file을 1서버에서 N개의 peer에게 보낼 때 시간이 얼마나 걸릴까?
    • client-server
      • server 전송
        • one copy: F/u(s)
        • N copies: N * F / u(s)
      • client
        • d(min): min client download rate
        • F/d(min)
      • N에 비례하여 느려진다. $$ D(c~s) >= max(N*F/u(s), F/d(min) $$
    • P2P
      • 처음 one copy: F/u(s)
      • min client download: F/d(min)
      • upload: NF/(u)
      • N에 비례하여 업로드도 늘어난다. $$ D(P2P) >= max{F/u(s), F/d(min), N*F/(u(s)+\sum_{i=1}^nu(i))} $$ IMAGE
  • P2P file distribution: BitTorrent IMAGE
    • 파일을 256kb Chunk로 나눈다.
      • chunk단위로 file을 공유 (send/receive)
    • 토렌트에 참여하는 peer
      • 처음에는 chunk가 없지만 시간이 지나면서 자기가 없는 chunk를 받는다.
      • tracker를 통해서 neighbor를 찾고, chunk를 upload/download
      • churn. 피어가 올 수도, 떠날 수도
      • peer가 전체 파일을 받으면
        • (selfishishly) 떠나거나
        • (altruistically) 공유를 위해 토렌트에 남거나
  • BitTorrent: requesting, sending file chunks
    • requesting chunks
      • 주어진 시간에 다른 피어가 다른 파일 chunkset을 가지고 있다.
      • 주기적으로, Alice가 각 peer에게 chunk를 요청
      • 요청은 rarest first. 희귀한거 먼저.
    • sending chunks: tit-for-tat
      • chunk를 보낼 땐 아무한테나 주는게 아닌, 자신한테 가장 많이준 4개 peer에게 전송 (10초마다 바뀜)
      • 30초마다 임의의 다른 peer를 고르고 chunk를 보낸다.
    • 줄때와 받을 때의 policy가 다르다

6. Video Streaming and CDN

  • Video streaming
    • Youtube, Netflix, hulu, kankan, akamai
    • Video traffic이 점점 늘어난다.
    • 코로나때문에 더 각광
    • zoom, skype, teams, hangout
    • challenge: 10억명의 유저를 scale
      • single-mega-video 서버는 불가능
      • 사용자측에선 1서버라고 생각하게 된다. 1 access point
    • challenge: heterogeneity.
      • 사용자별 bandwidth가 다르다.
      • wifi, LAN …
    • Solution: distributed, application-level infrastructure
  • Multimedia: Video
    • 가장 bandwidth를 많이 먹는다.
    • 해상도도 많다. 4K, 8K, Full HD, standard HD, …
    • 순차적 이미지 display, 24 images / sec
    • 하나하나가 digial image. 1920x1080x24…
    • 압축을 해야한다. lossless, lossy, …
    • coding: image 내, image 간 중복제거
      • spatial: 이미지 내 같은 픽셀, RLE -> 1920b
      • temporal: it1과 it2 이미지의 차이만 저장 (압축에 유리)
    • CBR (constant bit ratio)
      • 단위시간당 encoding율이 동일 (정지화면이건 뛰는 화면이건)
      • bandwidth가 10Mbps로 보장이 되면 CBR해도 괜찮다.
    • VBR (variable bit rate)
      • 단위시간당 encoding율이 가변적 (정지화면이면 압축률 up)
    • examples.
      • MPEG1 -> CBR. 1.5Mbps
      • MPEG2 -> VBR.
      • MPEG4 -> 인터넷에서 많이 쓰임
  • Streaming stored video IMAGE
  • DASH
    • Dynamic Adaptive Streaming over HTTP
    • server
      • video file을 multiple chunk로 나눈다.
      • 각 chunk는 다른 rate로 인코딩
      • manifest file. 다른 chunk의 URL 제공.
        • 사용자가 원할때마다 여기서 찾아가라. => 해상도 변경 등
    • client
      • 주기적으로 server-to-client bandwidth 측정
      • consulting manifest, 한 순간에 한 chunk를 요청
        • 현재 bandwidth에 따라서 알맞은 chunk를 갖고 온다.
        • 시간마다 갖고 오는 coding rate가 달라질 수 있다.
      • “Intelligence” at client. 클라이언트가 결정한다.
        • 클라이언트가 언제 청할지
        • 어떤 encoding rate를 요청할지
        • 어디서 가져올 것인지. (bandwidth에 따라 manifest)
  • Content distribution networks
    • 서버가 분산, 복사판이 많이 있다
    • 클라이언트는 가장 가까운 곳에서 가져온다
    • challenge: 수십만 동시 유저에게 어떻게 스트리밍 하지? 어떻게 분산, 배분하지?
    • Option 1: single, large “mega-server”
      • single point of failure
      • point of network congestion
      • long path to distant clients (미국 서버 - 한국 클라이언트)
      • multiple copies of video sent over outgong link (반복적으로 같은 영상 copy)
    • Option 2: CDN
      • 여러 지리적 복사판을 만들자.
      • enter deep: access network에 CDN 서버를 두자.
        • 사용자에게 가까이
        • used by Akamai
      • bring home: access 망에 가까이 있는 전화국에 CDN 서버를 둔다.
        • access 망보단 느리다.
        • used by Limelight
    • CDN: CDN노드에 컨텐츠 카피를 저장해둔다.
    • Subscriber는 가까운 곳에서 가져온다. IMAGE
    • “OTT”: over the top. OTT 서비스.
      • TV만 볼게 아니라 셋탑박스로 보자.
    • 어떤 원리로 가장 가까운 서버를 찾아주는가? IMAGE

7. Socket programming

IMAGE

  • socket: door between application process end-end transport protocol.
    • UDP: unreliable datagram.
    • TCP: reliable, byte stream-oriented
  • UDP
    • “connection"이 없다
    • no handshaking
    • sender (client) IP port
    • receiver (server) IP port
    • 데이터 손실, 순서가 바뀔 가능성
    • Application viewpoint
      • unreliable transfer. 신뢰성 없는 서비스
    • Interaction IMAGE
  • TCP
    • client must contact server
      • server는 먼저 실행되어야 한다.
      • server는 socket을 만들어둬야 한다.
    • client
      • TCP socket을 만들고 IP, port specify
      • client가 socket을 만들때 client TCP - server TCP connection 성립
      • client가 오면 connection. server TCP는 socket을 만들고 특정 client와 통신
    • application view point
      • reliable
      • in-order byte-stream
    • Interaction IMAGE

Chapter 3: Transport Layer

  • transport-layer services
  • Multiplexing, demultiplexing (TCP, UDP)
  • reliable data transfer (TCP)
  • Flow control. buffer가 넘치지 않도록 받을 수 있을 만큼만 보낸다.
  • Congestion Control. 패킷 네트워크 성능 저하 방지.

1. transport-layer services

  • Transport services and protocol
    • logical end-to-end communication 제공. (physical은 복잡하다)
    • 긴 message를 짤라서 보낸다. (segment)
    • reassemble. segment를 다시 모은다.
    • TCP, UDP, SCTP
  • Transport vs Network layer
    • host는 1개 (ip), 프로세스는 여러개 (port)
      • host까지 찾아가는 network layer
      • process까지 찾아가는 transport layer.
  • Internet transport-layer protocol
    • reliable, in-order delivery (TCP)
      • congestion control
      • flow control
      • connection setup
    • unreliable, unordered (UDP)
      • IP에서 그닥 더 하는건 없다.
    • not availble
      • delay guarantee
      • bandwidth guarantee

2. Multiplexing / demultiplexing

IMAGE

  • Connection을 2개 이상 만든다.
    • multiplexing.
      • 전송할 때 transport header 추가 (나중에 demultiplexing할때 까볼 header)
    • demultiplexing
      • 들어온 패킷을 까서 header info를 보고 올바른 socket에 데이터 전달 IMAGE

3. UDP

  • UDP: User Datagram Protocol [RFC 768]
    • “no frills”. IP에서 더 해주는 게 거의 없다.
    • “best effort”. 최선을 다하겠다. guarantee 는 못하겠다.
      • lost
      • out of order
    • connectionless
      • no handshaking. 바로 보낸다.
      • UDP segment가 독자적으로 간다. connection 다라 가는게 없다.
    • UDP use
      • streaming multimedia apps.
        • loss tolerant. 패킷이 없어져도 큰 문제는 아니다
        • rate sensitive. 대역폭 guarantee 필요
      • DNS
      • SNMP 망관리프로토콜 (Simple Network Management Protocol)
    • UDP 위의 reliable transfer
      • application layer에서 reliability
      • application-specific error handling
  • UDP segment header IMAGE
    • no connection establishment (connection은 delay 가능성이 있으니)
    • simple: no connection state at sender, receiver
    • small header size (TCP 에 비해서)
    • no congestion control. (빨리 보낼 수 있는대로 보낸다.)
  • UDP checksum
    • 계산이 빨라야한다
    • sender
      • segment content/header를 16비트 단위로 짤라서 계산
      • checksum: 더해서 1의 보수를 취한다.
      • 그리고 header에 put.
    • receiver
      • received segment에서 checksum 계산.
      • 비교해서 값이 다르면 error
        • DNS -> 에러처리
        • VoIP -> 에러가 없어도 크게 지장이 없다.
    • example IMAGE

4. Principles of reliable data transfer

IMAGE

  • sender가 주는 그대로 receiver가 받아야한다.
    • rdt_send()
    • udt_send()
    • rdt_rcv()
    • deliver_data()
  • Finite State Machine (FSM)
    • rdt 1.0: reliable transfer over a reliable channel
      • underlying channel은 완벽히 믿을 수 있다.
        • no bit errors
        • no loss of packets IMAGE
    • rdt 2.0: Channel with bit errors
      • reliable channel이 아니다
      • 에러 발생 가능성
        • checksum으로 에러탐지
        • how to recover?
          • 다시 보내자.
        • ACK: 에러 없음
        • NAK: 에러 있음 IMAGE
      • Fatal flow
        • ACK, NAK가 오는 것도 에러가 있을 수 있다
        • 아니면 ACK duplicate
        • 각 패킷에 seq number를 붙이자
        • Stop and Wait 프로토콜
          • sender가 1 패킷을 보내고 receiver response를 기다린다.
        • ACK -> 다음꺼
        • NAK -> 지금꺼 다시
    • rdt 2.1: sender IMAGE
    • rdt 2.1: receiver IMAGE
    • rdt 2.2: NAK-free protocol
      • 보통 ACK만 쓴다. IMAGE