An Introduction to Computer Networks
An Introduction to Computer Networks
Release 2.0.5 Peter L Dordal
Sep 03, 2021
CONTENTS
0 Preface
3
0.1 Second Edition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
0.2 Licensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
0.3 Classroom Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
0.4 Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
0.5 Progress Notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
0.6 Technical considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
0.7 A Note On the Cover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
0.8 Recent Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1 An Overview of Networks
13
1.1 Layers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 Data Rate, Throughput and Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3 Packets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Datagram Forwarding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6 Routing Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.7 Congestion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.8 Packets Again . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.9 LANs and Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.10 IP - Internet Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.11 DNS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.12 Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.13 Firewalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.14 Some Useful Utilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.15 IETF and OSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.16 Berkeley Unix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.17 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.18 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2 Ethernet Basics
45
2.1 10-Mbps Classic Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2 100 Mbps (Fast) Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.3 Gigabit Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4 Ethernet Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
i
2.5 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3 Advanced Ethernet
67
3.1 Spanning Tree Algorithm and Redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2 Virtual LAN (VLAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3 TRILL and SPB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.4 Software-Defined Networking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.5 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4 Wireless LANs
89
4.1 Adventures in Radioland . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2 Wi-Fi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3 WiMAX and LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.4 Fixed Wireless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.5 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5 Other LANs
129
5.1 Virtual Private Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.2 Carrier Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.3 Token Ring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.4 Virtual Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.5 Asynchronous Transfer Mode: ATM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.6 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6 Links
143
6.1 Encoding and Framing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.2 Time-Division Multiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.3 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.4 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
7 Packets
155
7.1 Packet Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
7.2 Packet Delay Variability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.3 Packet Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.4 Error Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7.5 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
8 Abstract Sliding Windows
173
8.1 Building Reliable Transport: Stop-and-Wait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
8.2 Sliding Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
8.3 Linear Bottlenecks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
8.4 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
ii
9 IP version 4
195
9.1 The IPv4 Header . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9.2 Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
9.3 Special Addresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
9.4 Fragmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
9.5 The Classless IP Delivery Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
9.6 IPv4 Subnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
9.7 Network Address Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
9.8 Unnumbered Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
9.9 Mobile IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
9.10 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
9.11 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
10 IPv4 Companion Protocols
223
10.1 DNS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
10.2 Address Resolution Protocol: ARP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
10.3 Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
10.4 Internet Control Message Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
10.5 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
10.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
11 IPv6
247
11.1 The IPv6 Header . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
11.2 IPv6 Addresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
11.3 Network Prefixes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
11.4 IPv6 Multicast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
11.5 IPv6 Extension Headers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
11.6 Neighbor Discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
11.7 IPv6 Host Address Assignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
11.8 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
11.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
12 IPv6 Additional Features
267
12.1 Globally Exposed Addresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
12.2 ICMPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
12.3 IPv6 Subnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
12.4 Using IPv6 and IPv4 Together . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
12.5 IPv6 Examples Without a Router . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
12.6 IPv6 Connectivity via Tunneling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
12.7 IPv6-to-IPv4 Connectivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
12.8 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
12.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
13 Routing-Update Algorithms
285
13.1 Distance-Vector Routing-Update Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
13.2 Distance-Vector Slow-Convergence Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
13.3 Observations on Minimizing Route Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
13.4 Loop-Free Distance Vector Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
iii
................
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