An Introduction to Computer Networks
An Introduction to Computer Networks
Release 2.0.6 Peter L Dordal
Feb 05, 2022
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
10.3 Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
10.4 Internet Control Message Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
10.5 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
10.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
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
13.5 Link-State Routing-Update Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 13.6 Routing on Other Attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 13.7 ECMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 13.8 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 13.9 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
14 Large-Scale IP Routing
313
14.1 Classless Internet Domain Routing: CIDR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
14.2 Hierarchical Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
14.3 Legacy Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
14.4 Provider-Based Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
14.5 Geographical Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
14.6 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
14.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
15 Border Gateway Protocol (BGP)
327
15.1 AS-paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
15.2 AS-Paths and Route Aggregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
15.3 Transit Traffic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
15.4 BGP Filtering and Routing Policies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
15.5 BGP Table Size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
15.6 BGP Path attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
15.7 BGP and Traffic Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
15.8 BGP and Anycast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
15.9 BGP for Interior Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
15.10 BGP Relationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
15.11 Examples of BGP Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
15.12 BGP Security and Route Registries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
15.13 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
15.14 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
16 UDP Transport
355
16.1 User Datagram Protocol ? UDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
16.2 Trivial File Transport Protocol, TFTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
16.3 Fundamental Transport Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
16.4 Other TFTP notes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
16.5 Remote Procedure Call (RPC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
16.6 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
16.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
17 TCP Transport Basics
385
17.1 The End-to-End Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
17.2 TCP Header . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
17.3 TCP Connection Establishment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
17.4 TCP and WireShark . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
17.5 TCP Offloading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
17.6 TCP simplex-talk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
17.7 TCP and bind() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
iv
17.8 TCP state diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 17.9 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 17.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
18 TCP Issues and Alternatives
411
18.1 TCP Old Duplicates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
18.2 TIMEWAIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
18.3 The Three-Way Handshake Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
18.4 Anomalous TCP scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
18.5 TCP Faster Opening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
18.6 Path MTU Discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
18.7 TCP Sliding Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
18.8 TCP Delayed ACKs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
18.9 Nagle Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
18.10 TCP Flow Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
18.11 Silly Window Syndrome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
18.12 TCP Timeout and Retransmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
18.13 KeepAlive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
18.14 TCP timers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
18.15 Variants and Alternatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
18.16 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
18.17 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
19 TCP Reno and Congestion Management
435
19.1 Basics of TCP Congestion Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
19.2 Slow Start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
19.3 TCP Tahoe and Fast Retransmit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
19.4 TCP Reno and Fast Recovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
19.5 TCP NewReno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
19.6 Selective Acknowledgments (SACK) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
19.7 TCP and Bottleneck Link Utilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
19.8 Single Packet Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
19.9 TCP Assumptions and Scalability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
19.10 TCP Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
19.11 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
19.12 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
20 Dynamics of TCP
463
20.1 A First Look At Queuing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
20.2 Bottleneck Links with Competition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
20.3 TCP Reno Fairness with Synchronized Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
20.4 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
20.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
21 Further Dynamics of TCP
485
21.1 Notions of Fairness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
21.2 TCP Reno loss rate versus cwnd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
21.3 TCP Friendliness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
v
21.4 AIMD Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491 21.5 Active Queue Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493 21.6 The High-Bandwidth TCP Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498 21.7 The Lossy-Link TCP Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500 21.8 The Satellite-Link TCP Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500 21.9 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501 21.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
22 Newer TCP Implementations
507
22.1 Choosing a TCP on Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
22.2 High-Bandwidth Desiderata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
22.3 RTTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
22.4 A Roadmap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
22.5 Highspeed TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
22.6 TCP Vegas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
22.7 FAST TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
22.8 TCP Westwood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
22.9 TCP Illinois . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
22.10 Compound TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
22.11 TCP Veno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
22.12 TCP Hybla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
22.13 DCTCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
22.14 H-TCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
22.15 TCP CUBIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
22.16 TCP BBR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
22.17 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
22.18 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
23 Queuing and Scheduling
543
23.1 Queuing and Real-Time Traffic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
23.2 Traffic Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
23.3 Priority Queuing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
23.4 Queuing Disciplines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
23.5 Fair Queuing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
23.6 Applications of Fair Queuing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
23.7 Hierarchical Queuing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561
23.8 Hierarchical Weighted Fair Queuing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
23.9 Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
23.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
24 Token Bucket Rate Limiting
575
24.1 Token Bucket Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
24.2 Token-Bucket Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578
24.3 Multiple Token Buckets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
24.4 GCRA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
24.5 Guaranteeing VoIP Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
24.6 Limiting Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
24.7 Token Bucket Through One Router . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
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