Advanced Computer Networks: Lecture 2 - Dr. Amir Qayyum

CS716
Advanced Computer Networks
By Dr. Amir Qayyum
1


Lecture No. 2 


Multiplexing
• Physical links/switches must be shared among users
– (synchronous) Time­Division Multiplexing (TDM)
– Frequency­Division Multiplexing (FDM)
L1

R1

Multiple flows 
on a single link

L2
L3

R2
Switch 1

Switch 2

R3

Do you see any problem with TDM / FDM ?

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Statistical Multiplexing
•
•
•
•

On­demand time­division, possibly synchronous (ATM)
Schedule link on a per­packet basis
Buffer packets in switches that are contending for the link
Packets from different sources interleaved on link

…

Do you see any problem ?
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Statistical Multiplexing
• An application needs to break­up its message in packets, 
and re­assemble at the receiver
• Fair allocation of link capacity: FIFO, round­robin or 
QoS
• If congestion occurs at a switch ­ buffer may overflow, 
packets may be lost

…

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Enough … ?
• A network is delivering packets among a 
collection of computers
• How application processes communicate in 
a meaningful way ?
• Hide network complexity by implementing 
the common services once
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Inter­Process Communication
• Turn host­to­host connectivity into process­to­process 
communication, making the communication meaningful.
• Fill gap between what applications expect and what the 
underlying technology provides.
Host

Host
Application

Host

Abstraction for 
application­level 
communication

Channel

Application

Host

Host

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IPC Abstractions
• Semantics and interface depend on applications
• Message stream
• Request/Reply
– distributed file systems
• file servers (FTP)
– digital libraries / HTTP
• information retrieval

– video on­demand
– video conferencing

• reliable ?
• prioritized ?
• delay/bandwidth guarantees ?

•
•
•
•

•
•

delay sensitive
two­way frame flow
1/4 NTSC = 352x240 pixels
(352 x 240 x 24)/8=247.5KB
30 fps = 7500KBps = 60Mbps
10fps + compression < 10Mbps
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Abstract Channel Functionality
• What functionality does a channel provide ?
– Smallest set of abstract channel types adequate 
for largest number of applications

• Where the functionality is implemented ?
– Network as a simple bit­pipe with all high­level 
communication semantics at the hosts
– More intelligent switches allowing hosts to be 
“dumb” devices (telephone network)

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What Goes Wrong in the Network?
Reliability at stake
• Bit­level errors (electrical interference)
• Packet­level errors (congestion)

– distinction between lost and late packet

• Link and node failures
– distinction between broken and flaky link
– distinction between failed and slow node

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What Goes Undesirable in the Network?
Required performance at stake
•
•
•
•

Messages are delayed
Messages are delivered out­of­order
Third party’s eavesdrop
The challenge is to fill the gap between 
application expectations and hardware 
capabilities
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Performance Metrics
• … and to do so while delivering 
“good” performance
• Bandwidth (throughput)

– data transmitted per unit time, e.g. 10 Mbps
– link bandwidth versus end­to­end bandwidth
– notation 
• KB = 210 bytes
• Kbps = 103 bits per second
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Performance Metrics
Bandwidth related to “bit width”
1Mbps, 1µs/bit

(a)
1 second

2Mbps, 0.5µs/bit

(b)
1 second

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Performance Metrics
• Latency / delay
– time to send message from point A to point B
– one­way versus round­trip time (RTT)
– components
Latency = Propagation + Transmit + Queue
Propagation = Distance / c

Transmit = Size / Bandwidth

• Note:
• No queuing delay in direct (point­to­point) link
• Bandwidth irrelevant if size = 1 bit
• Process­to­process latency includes software processing overhead 
(dominates over shorter distances)
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Bandwidth versus Latency
• Relative importance, depends on application
• 1­byte character:
– Choice of 1ms vs 100ms dominates 1Mbps vs 
100Mbps

• 25MB file:
– Choice of 1Mbps vs 100Mbps dominates 1ms vs 
100ms

• Large data (file transfer) is bandwidth critical
• Small data (HTTP) is latency critical
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Bandwidth versus Latency
10,000
5000
2000

Perceived latency (ms)

1000
500
1-MB object, 1.5-Mbps link
1-MB object, 10-Mbps link
2-KB object, 1.5-Mbps link
2-KB object, 10-Mbps link
1-byte object, 1.5-Mbps link
1-byte object, 10-Mbps link

200
100
50
20
10
5
2
1
10
RTT (ms)

100

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Delay x Bandwidth Product
• Amount of data “in flight” or “in the pipe”
• Example: 100ms RTT x 45Mbps BW = 560KB

• This much data must be buffered before the sender 
responds to slowdown the request
Delay
Bandwidth

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Infinite Bandwidth
• Latency (RTT) dominates instead of throughput
– Throughput = TransferSize / TransferTime
– TransferTime = RTT + 1/Bandwidth x TransferSize

• 1 MB file over a 1 Mbps network takes around 8 sec
– With RTT of 100ms, it corresponds to 80 RTTs
– Effective throughput is 1MB/8.1s = 0.987Mbps

• 1 MB file over a 1 Gbps network takes 100ms + 8ms
– Effective throughput is 1MB/108ms = 74.1 Mbps

• 1­MB file to 1­Gbps link apears like a 1­KB packet 
to 1­Mbps link
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Bandwidth Requirements
• Request/reply type applications may agree for as 
much bandwidth as is available
• Message stream type applications often require a 
certain bandwidth: not more not less

• Average required bandwidth does not always help 
to design a network
– Upper bound on a burst (peak­rate transfer)

• Queuing delay introduces variation in latency 
(jitter)
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Wrap­up
• Established a comprehensive set of requirements 
for network design
• Networks evolve to accommodate changes in 
underlying technologies and user demands
• However, hardware and user expectations are 
moving targets …
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Network Architecture
• The challenge is to fill the gap between hardware 
capabilities and application expectations, and to 
do so while delivering “good” performance
• Designers cope with this complex task by 
developing a network architecture as a guideline
– Layering, protocols, standards

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Layering
• Use abstractions to hide complexity
• Abstractions naturally lead to layering
• Each layer provides some functionality
Application programs
Process-to-process channels
Host-to-host connectivity
Hardware
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Layering
• Alternative abstractions at each layer
• Manageable network components
• Modify layers independently
Application programs
Request/reply
channel

Message stream
channel

Host-to-host connectivity
Hardware
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Protocols
• Building blocks of a network architecture
• Each protocol object has two different interfaces

– service interface: operations on this protocol
– peer­to­peer interface: messages exchanged with peer 

• Term “protocol” is overloaded
– specification of peer­to­peer interface
– module that implements this interface
– peer modules are interoperable if both accurately 
follow the specifications
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Protocol Interfaces
Host 1

High-level
object

Protocol

Host 2

Service
interface

Peer-to-peer
interface

High-level
object

Protocol

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