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Advanced Computer Networks: Lecture 14 - Dr. Amir Qayyum

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CS716
Advanced Computer Networks
By Dr. Amir Qayyum
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Lecture No. 14

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What we know …
• Elements of networks: nodes and links
• Building a packet abstraction on a link
• Transmission, and units of communication 
data
• Detecting transmission errors
• Simulating an error­free, reliable channel
– Sliding window mechanism

• Arbitrating access to a shared medium
• Design issues of direct link networks
– Functionality of network adaptors 3


What Next …?

• Moving on from direct to 
indirect networks


• Introducing switches which 
provide indirect connectivity
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Switching and Forwarding
Outline
Store­and­Forward Switches
Bridges and Extended LANs 
Cell Switching
Segmentation and Reassembly
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Why Switching ?
• Motivation:
– Why not just one direct link network ?

• Basic approach:
– How can we extend the direct link 
abstraction (provide illusion of one 
physical network) ?

• Challenges:
– What problems must we address ?
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Why Switching ?
• Examples:

– Where are these issues addressed in real 
networks ?

• Details of the switch:
– What are the goals in design / how are 
they addressed ?

• Heterogeneity
– switching allows multiple physical 
netwrk
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After Switching – Are We Done ?
• Scale
– direct link networks: O(100) hosts
– packet­switched networks: O(100,000) 
hosts
– Internet: O(2 year­1974) hosts

• Beyond the basics
– quality of service
– congestion and performance analysis
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– network trends and their importance


Connecting Large Networks
• Assert: want to use one direct link network 
• Limitations of directly connected networks:

– Limited Scale ­ number of hosts that can be 
attached
• 1024 in Ethernet; only 2 in point­to­point link
– Limited geographical area that can be covered
• 2500 m in Ethernet; Point­to­point links also 
limited
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Connecting Large Networks
• Alternative: provide illusion of one 
physical network
• Solution: Indirect connectivity by using 
switches
– Packet switches in computer networks 
control frame flow
– Multiple direct link networks, transparent 
to application
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Packet Switches
• A multi­input multi­
output device
• Local star topology
• Performance independent 
of connectivity
– (e.g. adding new host) if 
switch is designed with 
enough aggregate capacity


• Maximum degree < 
physical network limit
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Build Network from Stars
• Switches 
(or stars) 
to build 
networks 
that do 
not 
behave 
like in a 
star 
topology
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Forwarding
• Packets arrive at one of the several inputs and 
have to be  forwarded / switched  to one of the 
available outputs
– Connectionless and connection­oriented approach to 
determine the correct output
First challenge: 
forwarding
Which way should it go ?
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Routing
• Forwarding requires information

Second 
challenge: 
routing

How to maintain forwarding information ?
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Contention and Congestion
• If arrival rate for a certain output is greater than 
the output capacity, then contention occurs
• If arrival rate of packets is too high to cause buffer 
overflow, then congestion occurs

Any one is 
dropped ?

Who 
goes 
first ?
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Challenges for Packet Switching
• Efficient forwarding

– Switch with several output ports
– Decide which output port to use

• Routing in dynamic network

– Need information for forwarding
– Construct and maintain the 
information
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Challenges for Packet Switching

• Handling contention
– Multiple packets destined for 
one output port
– Decide which packet goes first
– Decide what to do with others

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Outline
• Switches and layered perspective
• Efficient forwarding
• Asynchronous transfer mode (ATM) 
example
• Switch fabrics and contention
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Network Layers and Switches
application
User 
level

presentation
session

OS 
kernel

host

transport

switch

network

network

data link

data link

physical

switch 
between 

different 
physical 
layers

One or more nodes

physical

within the network

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Scalable Networks
• Switch
– forwards packets from input port to output port
– port selected based on address in packet header
T3
T3
STS-1
Input ports

Switch

T3
T3
STS-1
Output ports

• Advantages 

– cover large geographic area (tolerate latency)
– support large numbers of hosts (scalable bandwidth)
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Packet Forwarding Analogy
• Process of going from one place to another
• Focus on decision process at intersections
• Path splits, how do you decide which way 
to go?
• How do you navigate at intersections? 3 
scenarios:
– from your office to home
– from home to a friend’s house (with directions)
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– from Airport to the Hotel (without directions)


Packet Switching / Forwarding
• Forwarding: the task of selecting 
an appropriate output port for a 
packet
• Goals
– Require limited information (both 
packet and switch)
– Admit efficient implementation
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Packet Switching / Forwarding

• Three approaches
– Datagram or connectionless 
approach
– Virtual circuit or connection­oriented 
approach
– Source routing

• Important notion: unique global 
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address per host


Datagram Switching / Forwarding
• Every packet contains enough 
information
– Enables switch to decide how to forward it

• Switch translates global address to 
output port
– Maintains forwarding table for 
translations

• Each packet forwarded and travels 
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Datagram Switching / Forwarding
• No connection setup phase 
(connectionless model)
• Analogy:

– Postal system: each packet contains 
complete address for its destination
– Following signs (provided by 
switches) to reach destination
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