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

vi

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