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連耀南院長:很難得今天我們請到台大電機系廖婉君廖教授給我們演講,他是台大電機系有史以來第一位女教授,非常的難得,也是十大傑出女青年.他以前是交大電機系畢業,到南加大.廖教授主要就是在於網路方面的研究,國內做網路方面的專家.我們今天特地請到他講TCP方面的performance的研究,好,我們就開始了,請鼓掌歡迎.

廖婉君教授:謝謝連院長,各位老師各位同學大家好,我是台大電機系廖婉君,這是我們今天要講的題目,可是我在想在座有很多位同學對這個題目,一看,基本上每個字都認識,可是兜不起來這時麼意思.那這個題目其實是這個樣子啦,我上個月才去清大通訊所演講過,那就是這個題目,所以就是為了方便起見,我並沒有再重新準備,那去清大其實也是前幾個月才去日本,所以就直接拿它投影片來演講.那今天有這個題目呢,還有另外一個原因是因為,我是這樣想,因為連院長還有蔡教授還有很多我比較熟識的老師,都是wireless上面的專家,既然很多專家就不應該講那樣子的題目,免的講錯他們就知道,所以就選一個不是wireless的,就沒有人知道.我們先看一下這個題目,這個,CATV,大概是很多人都聽過,Cable TV.現在所謂的有線電視網路,不再是傳統的有線電視網路,而是由fiber和cable兩個混合起來的,叫做hybrid fiber coax.網路的形狀長的像這樣,這種網路呢,基本上目前cable網路的長相,他是一個tree and branch一個樹狀的結構,他這個樹狀的結構呢,這個基本的,我們叫做頭端,k end,然後這一段,從k end到這個地方叫做fiber node,這段是光纖網路,往後,基本上是coax cable,那你家裡頭是在後半段這邊,那這個只畫一條線,每一條線都長的一樣,運作都完全一樣,那我們今天只會講一條線而已.那以前呢,cable tv 網路是broadcast用的,就是你在家裡面,就broadcast tv給你看,那現在呢,你講到cable網路,你就想到cable modem,cable modem幹麻用的?上網用的.所以基本上,是有雙向運作這種特性,那我們今天講的,基本上就是從寬頻上網這個角度切入,我們看到這整個問題.是大概這個的用處.所以我們這個先看一下,這整個題目的第一個,就是這個CATV,我們基本上看的,不是從整個cable網路,而是這個hybrid fiber coax有線電視網路.那接下來看第二個,這個倒數第二個字大寫,這個叫做DOCSIS,那DOCSIS是什麼東西?目前在有線電視網路上,有兩個standard,一個呢?就是這個.這個呢?就是目前的facto standard.目前的cable industry用這個方式.那等一下我會告訴你他大概簡單的運作,另外一個呢?也許大家比較有聽過,他是IEEE 802系列定出來的,802.14.一聽到IEEE,好像覺得比較重要.可是呢?基本上cable industry沒有人用那個.用的都是這個.那我們就挑這個出來跟大家作簡介.那這個還有什麼重要性呢?現在還有一個東西get important的,叫做IEEE 802.16,就是所謂的wireless lan,也就是說你在家裡,你可以supply那個cable modem的service,你可以直接申請無線的上網.那剛剛講的未來要走的就是802.16,那802.16他的mac,我們的mechanism,基本上就是這個,DOCSIS,所以我覺得這個蠻具代表性的協定來跟大家做簡介的.我們看了後面這個網路的環境,我們基本上是以DOCSIS-based的cable tv網路.那我們在這個問題我們從什麼地方開始切入呢?我們基本上從寬頻上網這個議題開始切入.那寬頻上網呢?也就是我們今天要做這個application應該是web.那web呢?他下面run的protocal就是TCP,所以我們就從這個地方開始來跟大家介紹這整個問題.那我知道也許有人對整個TCP的運作其實不是很熟析.我們大概花一分鐘還跟大家介紹一下.那這個大概是今天的outline.我們不會講的太detail,只是告訴你,我們的問題在哪裡,特別是,如果今天你要做寬頻上網的時候,遇到DOCSIS的時候會有怎樣的問題.那接下來呢?這個問題的solution.那這個呢?就很簡單跟大家講一講,那有了solution之後,就跟你講說,這個好處大概顯示出來的效果大概在哪裡,順便做一下統計.那這大概就是今天整個演講的outline大概是這個樣子.那我們剛才看過了喔,告訴你現在的cable tv長的是這樣.是所謂tree and branch的架構,這個東西呢,還有一個沒有跟大家講清楚的,就是我們在k end,如果我們從整個DOCSIS來看,那k end我們不是講k end, k end是講給一般的,不是technical的人來講,是末端.末端裡面最重要的一個component是叫做CMTM,也就是說這整個connection是到這個地方.從這往外接,就接到internet出去了,往下就接到家家戶戶裡面去了,那所以說呢?等一下要看的就是,怎麼在兩個k end解決CMTM,假如那些cable modem呢我們就會告訴你那個家就會用cable modem來表示.我們整個簡單看是這個樣子喔.那這剛才講過喔,root在CMTM leaf是所謂的cable modem,那這種HMT這種網路他有個特性,就是他是一個非對稱網路,也就是他的頻寬是不一制的.上下行不一制.那這個什麼呢?基本上是你想想你家的cable modem就知道,或是AP就知道,他下傳快上傳慢.特別是說你要上網的話,應該是屬於這種.這個叫做非對稱網路.那這有個數據你可以簡單感受一下.她的下行大概是27個megabit per second左右.上行大概是三左右,這個基本上是差蠻大的.那我們所謂上下行的意思呢?downstream,就是從CMTM就是從頭端到你家,這樣子叫做下行.那上行呢?就是從你家往上送,叫做upstram,這整個定義是這樣.那這兩個上下行的channel,他這兩個差非常的遠,他的下行,就是從k end到你家的這段,基本上是個broadcast channel.也就是說這個東西送出去呢?是人人都可以收到的.這叫做broadcast的.那當然呢,不是你的東西你應該不會收才對,因為他是用IP.那這個上行呢?上行是什麼東西,你這個家家戶戶每個人上送.因為這個很多人在送,所以說呢,這還沒講完,那下行是broadcast channel,那上行你說,他的sender送的這個人就是CMTM,他的收的端呢,他的reciver就好多的人,所有的cable modem都變成他的reciver,如果是上行呢?upstream channel剛好是相反,他的sender有好多人,所有cable modem都是他的sender,reciver只有一個,就是這個CMTM.他們兩個的條件不太一樣,那既然這個如果是上行,sender有很多人,到底是誰要送啊,所以呢,不知道誰要送.你就要有一個media access control,就是所謂的MAC mechanism來決定到底這一次換誰送.照理說呢?在整個cable網路裡面,他的MAC mechanism就很重要,因為我要決定這個上行換誰送.這個就是這樣.那剛才講過了,這個整個HFC網路,他有兩個frame,剛才講過就是這兩個.有個簡單名詞大家大概瞄過就可以了,那有了剛才基本的background之後,我們就可以簡單的來告訴你一下,這個DOCSIS簡單運作是什麼,那DOCSIS,就像我們所有學過的802系列一樣.他都訂兩層.一個就是physical layer,那physical layer我們沒什麼好講的,因為我也不是做那一方面的,我們要看的是就是第二層,就是那個data link layer,那data link layer我們也知道,有需要牽扯到share media,你就會一分為二,變成事下層是MAC,就是那個media access controll layer,上面呢是LLC,Logic link control,事實上我們要看的基本上就是MAC這一層,這個大概就是整個DOCSIS裡面,算是蠻重要的一個部份.那MAC怎麼運作呢?我們看一下,下傳沒有什麼好講,因為是broadcast,現在我們要看上傳,上傳才是一個重要的依據,那我們來看一下,基本上他的upstream channel把他model成一個frame,那一個frame呢?基本上你可以把他想成他把他分成很多很多的mini slot,那這個mini slot,我會稱他為contention mini slot,猜都可以猜的出來,這部份大袋是你要送一個ACK就去搶來用的,後面這一大堆呢,我們就稱他做data mini slot,你要送data的時候,就在這邊送,那這個東西是怎樣,所有的cable modem,我今天要去ACK什麼東西,你要上傳,要做這個指令,cable modem他去讀取的時候,這個你要上傳,像這種指令也是上傳,你不可就是說我就是送出去.因為不知道輪到我沒有.這個就去搶,那你怎麼搶呢?如果你就是要去ACK這個channel,你所先要獲得的CMTM同意.那他才可以所有allocate 一個state,你可以在這個時間開始送,是這個意思.
你怎麼去跟他講呢?這就有兩個不同.如果呢?你是,這個寫錯,應該是writing,如果你是cable modem,你在送之前,我沒有攜帶東西,這樣子的cable modem,我之前沒有在送data,這個叫做攜的cable modem,你要去跟CMTM講,只有一個方法,就是透過這個contention mini slot,搶一個slot,用slot當作是你的upstream,那在這裡面跟他講說,我,哪一個cable modem,我想要送過哪一個data slot出去,所以你就在這個mini slot就去搶,那當然啦,有可能會去跟別人撞在一起,在搶就好了.就變成這個意思了.可是呢,如果你是一直在送data的人,我是一直在傳東西,我在upload一個檔案,這時候呢,我就不用每送一個package還要跟他搶一次,這時候,我就用另一個辦法就是,你去搶之後呢,CMTM就會allocate一個state給你去傳data.這時候,我在傳data的同時,我在後面,一開始就可以了,所以這樣子呢,我的contention就會降低.那他怎麼去運作這個東西呢,這簡單是這樣,這個呢,CMTS會定期送一個control message就做mac,那這個mac呢,不是縮寫來的,他的名稱就叫做mac,mac基本上就是control message,那他這裡面了什麼呢?他就跟你講說,耶,下一次,下一個frame,他的長相是怎樣.從幾秒鐘到幾秒鐘,他是給contention mini slot用的,然後呢,cable modem 1是用幾秒鐘到幾秒鐘,cable modem 2是用多少到多少,cable modem 3用多少到多少,還有一些,management的infornmation等等,他就利用這個mac呢,跟所有的cable modem講,送mac呢,是透過downstream的broadcast channel送下去去跟大家說的.有點是這個樣子.所以人人都收的到,這個很重要.那所有cable modem都可以收到這個infornmation,那這個之後呢,他們就會知道說我如果要去搶這個channel的話,哪一段期間內我可以去搶,因為它會跟你講說,contention mini slot在哪一段期間內,在這一段期間內你可以去搶,就是這個意思.那如果呢,我是在送data的,你送一個request出去,那我會看一看說,這個mac回來了,有沒有告訴我我是在什麼地方,什麼時候可以開始傳,這裡面是這個樣子喔,所以這個mac他所扮演的腳色是這個樣子的.所以說呢,你要去做upstream傳東西往上傳的時候,動作是這樣的,你就先在這個,你就先利用,看看你是新來的,或者是的cable modem,你就用應該用的方法,送一個request出去,那問題是你不知道有沒有成功,這個跟我們在講那個ethernet是不一樣的,因為ethernet他可以一邊送一邊聽,這個不行,因為你送出去之後,我不知道有沒有成功,有沒有跟別人撞在一起你不知道,唯一判斷的機會就是這個時候,就是下一個mac的時候.你如果上一組已經送出去了,等下一個mac來,mac如果來了,我去看一看裡面有沒有我的infornmation,如果,我這個mac來了,然後你發現說,其中有一個欄位,他說你在什麼時間到什麼時間可以傳,那我就會知道我剛才送成功了.如果呢,你一看,裡面沒有我的infornmation,這代表你剛才跟別人發生collition,所以你就要在重送,就是這個意思.那如果呢,很多cable modem再搶這個上傳的頻寬,這個頻寬很小嘛,所以說呢,這個一個frame,就是每一個上傳的upstream frame,就是一個最大最大的size,那萬一呢,太多人要傳,沒有辦法在一次的範圍裏面,來容下所有的人的時候,CMTS要讓cable modem知道說,你不是跟別人撞了,而是要更下一個,所以他會去弄一個方法去告訴,他怎麼告訴他呢?他基本上,他定義了各式各樣的data gram,他有一般的data gram,他是這個information addon,一定的格式,那還有一個叫做 data gram,就是跟你講說,你如果說data gram跟你說你沒有跟別人撞了,而是說下一輪才輪到你,下一個就會有你的infornmation,所以你就不用再重新丟,所以他會利用各種方法去讓你知道.所以這是這個DOCSIS很簡單的上傳的運作.那這些所有的request,包括request,包括pd back request,他們都會在他們最快的期間之內,往上傳,送給CMTM,他們就會request到CMTM之後呢,CMTM就會做個簡單的scheduling來排序說,他這個接下來,下一個frame,誰應該送,誰應該後送.那目前呢,在這個standard裡面,對scheduling沒有描述,也就是說呢,我上傳這個frame,這個frame裡面,data grame怎麼安排並沒有描述.那目前default的方法,就是所謂的first come first serve,先來先到,就是公平嘛,要多少就給你多少,不過有個上限,超過那個就不能在上了,就是這個意思.所有的人往上送,基本上目前用的是first come,first serve的方式,那這裡呢,有一個小小的要注意的地方就是,因為這每一個mac,是餵了描述這樣一個frame整個allocation的樣子,所以說呢,這一個mac,我要描述下一個upstrame frame,那我一定要在這個upstrame frame開始之前,這個mac就要送到了.這個一定要在這時候下來,他這裡會有一個小小的問題就是,我如果從這個地方呢,這個mac就送出來了,所以說呢,因為這整個是一個frmae一個frame組合起來的,所以就是說呢,我如果,這些mac會傳到這些人,也就是這些人呢,大家想想看,這所謂的frame,就有所謂的contention mini slot跟data slot,那contention當然在前面啦,那data當然在後面啦.第二個slot比較大,那到後面的呢,基本上就是data mini slot,也都是pb在上去的,這些人根本來不及上去的.因為mac已經送下來了,所以你根本來不及再加一個slot,所以這些的人呢,就要再更下一輪,這邊是這個意思.那這整個呢,是DOCSIS的運作,是這樣子而已喔.那當然,這整個設計,是為了for這個HFT網路的.那剛好呢,802.16他的網路環境也跟他很類似,他也是上下行頻寬不一制.然後呢,他也是有一個類似base station,然後呢,有很多個類似cable modem,那他的不叫做cable modem,叫做subdriver station,就是所謂的ss.那他的也不就做CMTM,他叫做base station.所以他就發現他的環境也很類似,就直接拿DOCSIS來用.那這個呢,等一下就告訴你.那大家就覺得很奇怪,位什麼要選DOCSIS,他IEEE 802系列的,為何不選擇802.14.他整個frame的結構跟802.14比較合呢,為何要選DOCSIS,你可以想一想,因為我這個是出回去給學生想的.結果學生想了一個答案來,聽了很滿意.你回家可以想想看喔.那剛才講的呢,整個DOCSIS的運作呢,那接下來呢,有了整個簡單網路的環境之後,我們接下來看一看,今天你要寬頻上網,你只要讓TCP,他會因為你這個網路的架構,會照成怎樣的引響,那我們要講這個之前,讓大家先熟悉一下,那TCP呢,大家都知道,這個呢,transport control,transport layer的protocol,我們說呢,因為他這protocol送出的就三個,一個是它網路層,叫ip,他在上一層叫做transport layer,兩個:一個叫tcp,一個udp,簡單到不行,就不講了.接下來就看這個tcp,tcp這個比較有趣一點,他有趣的地方在於他提共這所謂的reliable service,那什麼叫做reliable service,他就是告訴你,我今天我sender怎麼送,reciver一定怎麼收,我送個123,你一定收到123,你不會收到什麼321,3321,13,不會收到這一種,也就是說我送123,鐵定reciver一定收123,這樣叫做reliable service,那tcp是目前一個reliable transport protocol,應該是沒什麼問題.這運作原理也相當簡單,用的就是下面這一句話就講完了,他用的是,如果我問你說,我東西送給你,那你要收到,你會怎麼做?我在想你們會很快就猜出來啦,最簡單就是說呢,我送一個給你,你收到就告訴我,那不就知道一定收的到嘛?萬一你沒有告訴我,我就重新傳送就可以了.tcp就是這樣子送的.那這樣的機制呢,是有一個專門的名字的.就不用說什麼重送的.這個東西基本上就叫做positive acknowledgment,送給你,你沒有收到的話,你就..他是一直回,你就送一個ack回來給我.我如果送給你沒有回ack,那當然不是說馬上啦,他會等一段時間.這段時間之內呢,你如果沒有回的話,我就重送.這個東西就是整個tcp運作原理,positive acknowledgment.那再加上這個,一定要這個喔,retransmission.那如果你掉了,我要如何保證你會收的到呢?一定要配合後面這個retransmission.retransmission也是一樣,你如果在時間內沒有回,你就說,又沒收到.你要重送.就是這個意思.如果是送到,你就可以說好了好了不要在送了.這個就可以保證,你收到的就是我要你收到的東西.那tcp呢?基本他是不能這樣,他最難的部份呢,基本上是要配合他的congestion control,不過這個不是我們要討論的範圍,我們就不在講下去了.TCP呢,這整個東西,從1970年代開始,一直到現在已經也沒有很大的改變,我是說如果光看這一點.那他最大的改變呢,基本上都是在他的congestion control,很多很多東西都是從這邊做起,