โต๊ะทบทวน รายวิชาทั้งหมด
ITDS231 · Faculty of ICT, Mahidol University

Computer Networks

สรุปจากสไลด์ 3 ไฟล์ — Chapter 1 (Kurose & Ross), Internet Architecture และ Network Topography อ่านเนื้อหา ทบทวนสูตรใน cheat sheet แล้วลองทำแบบฝึกหัด 20 ข้อ

เนื้อหาแยกตามไฟล์สไลด์

อินเทอร์เน็ตคืออะไร (What is the Internet?)

มุมมอง "nuts and bolts" — ส่วนประกอบของอินเทอร์เน็ต:

  • Hosts = end systems อุปกรณ์หลายพันล้านเครื่อง รันแอปพลิเคชันเครือข่ายอยู่ที่ "ขอบ" (edge) ของอินเทอร์เน็ต
  • Packet switches (routers, switches) ส่งต่อ packets (ข้อมูลเป็นก้อนๆ)
  • Communication links — fiber, copper, radio, satellite · อัตราการส่ง (transmission rate) = bandwidth
  • Networks — กลุ่มของอุปกรณ์ เราเตอร์ และลิงก์ ที่องค์กรหนึ่งดูแล
  • อินเทอร์เน็ตคือ "network of networks" — ISP หลายรายเชื่อมต่อกัน ไม่มีศูนย์กลางใดควบคุม แต่ขับเคลื่อนด้วยชุดโปรโตคอลมาตรฐาน (TCP/IP)
  • โปรโตคอลอยู่ทุกที่ ควบคุมการรับ-ส่งข้อความ เช่น HTTP (Web), streaming video, Skype, TCP, IP, WiFi, 4G/5G, Ethernet
  • มาตรฐานอินเทอร์เน็ต: RFC (Request for Comments), IETF (Internet Engineering Task Force)

มุมมอง "services" — โครงสร้างพื้นฐานที่ให้บริการแก่แอปพลิเคชัน (Web, streaming video, multimedia teleconferencing, email, games, e-commerce, social media ฯลฯ) และมี programming interface ("hooks") ให้แอปที่รับ-ส่งข้อมูลใช้บริการ transport ของอินเทอร์เน็ต เปรียบได้กับบริการไปรษณีย์ที่มีตัวเลือกบริการหลายแบบ

ส่วนประกอบ 3 ส่วน (สไลด์ภาษาไทย): Network Core โครงข่ายของเราเตอร์และสายสัญญาณระดับภูมิภาคที่เชื่อม ISP เข้าด้วยกัน · Network Edge อุปกรณ์ปลายทาง เช่น เซิร์ฟเวอร์ คอมพิวเตอร์ สมาร์ทโฟน · Communication Links ตัวกลางส่งข้อมูล (fiber optics, copper, radio) ที่รวมข้อมูลเป็น packets

แนวคิดการออกแบบ: การเชื่อมทุกจุดเข้าหากันโดยตรง (fully interconnected) มีขีดจำกัด · รูปแบบเชิงทฤษฎีมี Centralized, Decentralized, Distributed — อินเทอร์เน็ตจริงทำงานแบบกระจาย (Distributed) · เปรียบเทียบ Dedicated links (สิ้นเปลืองความจุ) กับ Multiplexing (ใช้ประโยชน์สูง แต่มีความเสี่ยงชนกัน)

โปรโตคอลคืออะไร (What's a protocol?)

Protocols define the format, order of messages sent and received among network entities, and actions taken on message transmission, receipt
  • Human protocols: "what's the time?", "I have a question", การแนะนำตัว — มีข้อความเฉพาะที่ส่ง และการกระทำเฉพาะเมื่อได้รับข้อความ
  • Network protocols: ใช้กับอุปกรณ์แทนมนุษย์ · ทุกกิจกรรมการสื่อสารในอินเทอร์เน็ตถูกควบคุมด้วยโปรโตคอล
  • ตัวอย่าง: Hi → Hi → Got the time? → 2:00 เทียบกับ TCP connection request → TCP connection response → GET http://gaia.cs.umass.edu/kurose_ross → <file>
  • หากไม่มีมาตรฐาน (Standards) กำหนดลำดับ อุปกรณ์จากผู้ผลิตต่างค่ายจะสื่อสารกันไม่ได้ (Interoperability)

Network edge และ Access networks

  • Network edge: hosts ได้แก่ clients และ servers (servers มักอยู่ใน data centers)
  • Access networks, physical media: ลิงก์สื่อสารแบบมีสายและไร้สาย
  • Network core: เราเตอร์ที่เชื่อมต่อกัน, network of networks

จะเชื่อม end systems เข้ากับ edge router อย่างไร? — residential access nets, institutional access networks (โรงเรียน บริษัท), mobile access networks (WiFi, 4G/5G)

Access networkรายละเอียดจากสไลด์
Cable-based (HFC)HFC: hybrid fiber coax (เช่น Cable TV) · ใช้ FDM ส่ง data และ TV คนละความถี่บนสายที่แชร์กัน · asymmetric: downstream 40 Mbps – 1.2 Gbps, upstream 30–100 Mbps · บ้านหลายหลังแชร์ access network ไปยัง cable headend (CMTS: cable modem termination system)
DSLใช้สายโทรศัพท์เดิมไปยัง DSLAM (DSL access multiplexer) ที่ central office · data → Internet, voice → telephone net · dedicated downstream 24–52 Mbps, upstream 3.5–16 Mbps
Home networkcable/DSL modem + router, firewall, NAT (มักรวมอยู่ในกล่องเดียว) · wired Ethernet (1 Gbps) · WiFi access point (54, 450 Mbps)
Wireless LAN (WLAN)ภายใน/รอบอาคาร (~100 ft) · 802.11b/g/n (WiFi): 11, 54, 450 Mbps · เชื่อมผ่าน base station หรือ "access point"
Wide-area cellularให้บริการโดยผู้ให้บริการเครือข่ายมือถือ (ระยะ 10's km) · 10's Mbps · 4G/5G
Enterpriseบริษัท มหาวิทยาลัย · ผสม switches และ routers · Ethernet: 100 Mbps, 1 Gbps, 10 Gbps · WiFi: 11, 54, 450 Mbps
Data centerลิงก์แบนด์วิดท์สูง (10s – 100s Gbps) เชื่อมเซิร์ฟเวอร์หลักร้อยถึงหลักพันเครื่องเข้าด้วยกันและกับอินเทอร์เน็ต

Host: ส่ง packets อย่างไร — รับ application message → แบ่งเป็นก้อนเล็กเรียกว่า packets ยาว L bits → ส่งเข้า access network ด้วยอัตรา R (link transmission rate หรือ link capacity หรือ link bandwidth)

packet transmission delay = L (bits) / R (bits/sec)

Links: Physical media

  • bit เดินทางระหว่างคู่ transmitter/receiver · physical link คือสิ่งที่อยู่ระหว่าง transmitter กับ receiver
  • Guided media: สัญญาณเดินทางในสื่อของแข็ง — copper, fiber, coax
  • Unguided media: สัญญาณแพร่กระจายอย่างอิสระ เช่น radio
สื่อคุณสมบัติ
Twisted pair (TP)สายทองแดงหุ้มฉนวน 2 เส้น · Category 5: 100 Mbps, 1 Gbps Ethernet · Category 6: 10 Gbps Ethernet
Coaxial cableตัวนำทองแดง 2 ชั้นที่มีจุดศูนย์กลางร่วมกัน (concentric) · bidirectional · broadband: หลายช่องความถี่บนสาย 100's Mbps ต่อช่อง (เช่น cable internet, ระบบกล้องวงจรปิด)
Fiber optic cableใยแก้วนำพัลส์แสง แต่ละพัลส์คือ 1 bit · ความเร็วสูง point-to-point (10's–100's Gbps) · error ต่ำ: repeater ห่างกันได้ไกล, ไม่ถูกรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
Wireless radioสัญญาณอยู่ใน "bands" ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า · ไม่มีสาย · broadcast, "half-duplex" · ผลกระทบ: reflection, obstruction by objects, interference/noise

Radio link types: Wireless LAN (WiFi) 10–100's Mbps ระยะ 10's เมตร · wide-area (4G/5G cellular) 10's Mbps (4G) ระยะ ~10 km · Bluetooth: ใช้แทนสาย ระยะสั้น อัตราจำกัด · terrestrial microwave: point-to-point ช่องละ 45 Mbps · satellite: downlink สูงสุด < 100 Mbps (Starlink), end-end delay 270 msec (geostationary)

Network core: Packet switching vs Circuit switching

Network core คือ mesh ของเราเตอร์ที่เชื่อมต่อกัน · packet-switching: hosts แบ่ง application-layer messages เป็น packets แล้วเครือข่ายส่งต่อ packets จากเราเตอร์หนึ่งไปยังอีกตัวตามเส้นทางจากต้นทางถึงปลายทาง

Forwarding local

หรือ "switching" — การย้าย packet ที่เข้ามาทาง input link ของเราเตอร์ ไปยัง output link ที่เหมาะสม โดยดูจาก destination address ใน header กับ local forwarding table

Routing global

การกำหนดเส้นทาง source–destination ที่ packets ใช้ ด้วย routing algorithms

  • Store-and-forward: packet ต้องมาถึงเราเตอร์ครบทั้งก้อนก่อนจึงส่งต่อไปลิงก์ถัดไปได้ · ใช้เวลา L/R วินาทีในการส่ง L-bit packet ที่ R bps · ตัวอย่าง L = 10 Kbits, R = 100 Mbps → one-hop transmission delay = 0.1 msec
  • Queueing: เกิดเมื่องานเข้ามาเร็วกว่าที่ให้บริการได้ — ถ้า arrival rate (bps) > transmission rate ของลิงก์ช่วงหนึ่ง packets จะเข้าคิวรอ และถูก drop (lost) ถ้า buffer ของเราเตอร์เต็ม

Circuit switching — จองทรัพยากร end-end ไว้ให้ "call" ระหว่างต้นทางและปลายทาง · dedicated resources ไม่แชร์ → ประสิทธิภาพแบบรับประกัน (circuit-like) · ถ้า call ไม่ใช้ช่วงนั้นก็ว่างทิ้งไว้ · ใช้ในเครือข่ายโทรศัพท์แบบดั้งเดิม

  • FDM (Frequency Division Multiplexing): แบ่งความถี่เป็นแถบแคบ แต่ละ call ได้แถบของตัวเอง ส่งได้เต็มอัตราของแถบแคบนั้น
  • TDM (Time Division Multiplexing): แบ่งเวลาเป็น slots แต่ละ call ได้ slot เป็นรอบ ส่งได้เต็มอัตราของแถบความถี่ (กว้าง) เฉพาะช่วง slot ของตัวเอง
ตัวอย่าง: ลิงก์ 1 Gb/s ผู้ใช้แต่ละคนใช้ 100 Mb/s เมื่อ "active" และ active 10% ของเวลา → circuit-switching: 10 users · packet switching: ที่ 35 users ความน่าจะเป็นที่ > 10 คน active พร้อมกันน้อยกว่า .0004

Packet switching เหมาะกับข้อมูลแบบ "bursty" (บางช่วงมีข้อมูล บางช่วงไม่มี) — แชร์ทรัพยากร, ง่ายกว่า ไม่ต้อง call setup · แต่อาจเกิด congestion มากเกินไป: packet delay และ loss จาก buffer overflow → ต้องมีโปรโตคอลสำหรับ reliable data transfer และ congestion control

สไลด์ภาษาไทยเปรียบ: การสลับสาย (โทรศัพท์เดิม) = จองโต๊ะไว้ล่วงหน้า (Reserved) ไม่ส่งข้อมูลก็เสียเปล่า · การสลับแพ็กเก็ต (อินเทอร์เน็ต) = ทางด่วนที่แชร์กัน (Shared Highway) ข้อมูลถูกแบ่งเป็นชิ้นเล็กแทรกตัวไป ใช้ทรัพยากรได้เต็มประสิทธิภาพ แต่อาจ "รถติด" (Queuing Delay) ถ้าข้อมูลมาพร้อมกันมากเกินไป

Internet structure: "network of networks"

  1. hosts เชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตผ่าน access ISPs และ access ISPs ต้องเชื่อมถึงกัน เพื่อให้สองโฮสต์ใดๆ ส่ง packets หากันได้ (วิวัฒนาการขับเคลื่อนด้วยเศรษฐศาสตร์และนโยบายแห่งชาติ)
  2. เชื่อม access ISP ทุกคู่เข้าหากันโดยตรง ไม่ scale: O(N²) connections
  3. เชื่อมแต่ละ access ISP กับ global transit ISP — customer และ provider ISP มีข้อตกลงทางเศรษฐกิจ
  4. ถ้า global ISP ทำกำไรได้ ก็จะมีคู่แข่ง (ISP A, B, C) ซึ่งต้องเชื่อมถึงกันผ่าน peering link และ IXP (Internet exchange point)
  5. เกิด regional networks เชื่อม access nets เข้ากับ ISPs
  6. content provider networks (Google, Microsoft, Akamai) สร้างเครือข่ายของตัวเอง เพื่อนำบริการและเนื้อหาไปใกล้ผู้ใช้

ที่ "ศูนย์กลาง": เครือข่ายใหญ่จำนวนน้อยที่เชื่อมต่อกันดี — "tier-1" commercial ISPs (เช่น Level 3, Sprint, AT&T, NTT) ครอบคลุมระดับประเทศและนานาชาติ · content provider networks (เช่น Google, Facebook) เครือข่ายส่วนตัวที่เชื่อม data centers เข้ากับอินเทอร์เน็ต มักข้าม (bypass) tier-1 และ regional ISPs

ลำดับชั้น (ISP Hierarchy)บทบาท
Tier 1 ISPsผู้ให้บริการระดับโลก (เช่น AT&T, Sprint) มีเครือข่ายใยแก้วนำแสงข้ามทวีป เชื่อมต่อกันเองโดยไม่คิดค่าบริการ (Settlement-free)
Regional ISPsผู้ให้บริการระดับภูมิภาคหรือระดับประเทศ เชื่อมเครือข่ายท้องถิ่นเข้ากับ Tier 1
Access ISPsผู้ให้บริการระดับท้องถิ่น (เครือข่ายบ้าน/องค์กร)
  • POP (Point of Presence): จุดที่ลูกค้าหรือ ISP ย่อยนำเราเตอร์มาเชื่อมกับเครือข่ายของ ISP รายใหญ่
  • IXP (Internet Exchange Point): อาคารศูนย์กลางที่ผู้ให้บริการหลายรายมาเชื่อมต่อกัน — Peering ผ่าน IXP ทำให้แลกเปลี่ยนข้อมูลกันโดยตรง ลดความหน่วง (Latency) และหลีกเลี่ยงการจ่ายเงินให้ Tier-1 ISP
  • Content Provider Network: บริษัทยักษ์ใหญ่ (Google, Microsoft) สร้างเครือข่ายส่วนตัวครอบคลุมทั่วโลก ข้ามลำดับชั้น (Bypass) นำเซิร์ฟเวอร์ไปใกล้ผู้ใช้ผ่าน IXP หรือ Access ISP โดยตรง → ควบคุมคุณภาพได้ ลดต้นทุนส่งผ่านข้อมูล ให้บริการเนื้อหา (YouTube, Search) ได้รวดเร็ว

ติดตามการเดินทางของ 1 แพ็กเก็ต: (1) Edge — แอปบนสมาร์ทโฟนสร้างคำขอ HTTP และถูก Encapsulate ผ่าน TCP/IP → (2) Access — วิ่งผ่าน 5G หรือ WiFi เข้าเครือข่ายผู้ให้บริการ → (3) Core — เราเตอร์อ่าน IP ปลายทางและ Forwarding ตามสายไฟเบอร์ → (4) Peering — อาจผ่าน IXP ตัดตรงเข้าเครือข่ายผู้ให้บริการเนื้อหา → (5) Edge ปลายทาง — Data Center แกะข้อมูล (Decapsulation) และประมวลผล

The Invisible Infrastructure: (1) Intelligence is at the Edge — ความซับซ้อนอยู่ที่อุปกรณ์ปลายทาง แกนกลางมีหน้าที่แค่ส่งของให้เร็วที่สุด (2) Network of Networks — กระจายศูนย์ ไม่มีใครควบคุมเบ็ดเสร็จ เชื่อมกันด้วยข้อตกลงทางธุรกิจและ IXP (3) The Spanning Layer (IP) — IP ที่เรียบง่ายเป็นกาวใจผสานฮาร์ดแวร์ทุกยุค

Performance: Delay, Loss, Throughput

packets เข้าคิวใน buffer ของเราเตอร์รอส่ง · คิวยาวขึ้นเมื่อ arrival rate สูงกว่า output link capacity ชั่วคราว · packet loss เกิดเมื่อหน่วยความจำที่เก็บคิวเต็ม

dnodal = dproc + dqueue + dtrans + dprop
Delayคืออะไรขึ้นกับ
dproc nodal processingตรวจ bit errors, หา output linkปกติ < microsecs
dqueue queueingเวลารอที่ output link ก่อนได้ส่งระดับ congestion ของเราเตอร์
dtrans transmissiondtrans = L/RL: ความยาว packet (bits), R: link transmission rate (bps)
dprop propagationdprop = d/sd: ความยาวลิงก์, s: ความเร็วสัญญาณ (~2x108 m/sec)

Caravan analogy (car ~ bit, caravan ~ packet, toll service ~ link transmission): toll booth ใช้ 12 วินาทีต่อคัน, รถ "propagate" 100 km/hr, ระยะ 100 km, ขบวน 10 คัน → ดันทั้งขบวนผ่านด่าน = 12×10 = 120 sec = 2 นาที, คันสุดท้ายเดินทางถึงด่านที่ 2 = 100km/(100km/hr) = 1 ชม. → คำตอบ 62 นาที · ถ้ารถวิ่ง 1000 km/hr และด่านใช้ 1 นาทีต่อคัน: รถจะถึงด่านที่ 2 ก่อนที่ด่านแรกบริการครบทุกคัน — หลัง 7 นาทีคันแรกถึงด่านที่ 2 ขณะที่ยังเหลือ 3 คันที่ด่านแรก

Traffic intensity (a: average packet arrival rate, L: packet length, R: link bandwidth)

traffic intensity = La / R
  • La/R ~ 0: queueing delay เฉลี่ยน้อย
  • La/R → 1: queueing delay เฉลี่ยมาก
  • La/R > 1: "งาน" เข้ามามากกว่าที่ให้บริการได้ — delay เฉลี่ย infinite!

traceroute: วัด delay จากต้นทางไปยังเราเตอร์ตามเส้นทางสู่ปลายทาง — สำหรับทุก i ส่ง 3 packets ไปถึงเราเตอร์ตัวที่ i (ค่า time-to-live = i) เราเตอร์ส่งกลับ ผู้ส่งวัดช่วงเวลา · * * * หมายถึงไม่มีการตอบ (probe lost หรือเราเตอร์ไม่ตอบ) · ในตัวอย่าง gaia.cs.umass.edu → www.eurecom.fr delay กระโดดจาก ~22 ms เป็น ~104 ms ที่ trans-oceanic link

Packet loss: คิว (buffer) หน้าลิงก์มีความจุจำกัด · packet ที่มาถึงตอนคิวเต็มจะถูก drop (lost) · packet ที่หายอาจถูกส่งซ้ำโดย node ก่อนหน้า, โดย source end system หรือไม่ส่งซ้ำเลย

Throughput: อัตรา (bits/time unit) ที่ bits ถูกส่งจาก sender ถึง receiver — instantaneous (ณ ขณะหนึ่ง) และ average (ช่วงเวลายาว) · ลิงก์ที่จำกัด throughput end-end เรียกว่า bottleneck link

Rs < Rc → Rs  ·  Rs > Rc → Rc  ·  10 connections แชร์ R: min(Rc, Rs, R/10)

ในทางปฏิบัติ Rc หรือ Rs มักเป็น bottleneck

Network security

อินเทอร์เน็ตไม่ได้ออกแบบมาโดยคำนึงถึงความปลอดภัยมากนัก — วิสัยทัศน์เดิมคือ "a group of mutually trusting users attached to a transparent network" ผู้ออกแบบโปรโตคอลจึงต้องไล่ตาม และต้องพิจารณาความปลอดภัยในทุกเลเยอร์

การโจมตีคำอธิบาย
Packet sniffingบน broadcast media (shared Ethernet, wireless) · network interface แบบ promiscuous อ่าน/บันทึกทุก packet ที่ผ่าน (รวมถึงรหัสผ่าน!) · Wireshark เป็น packet-sniffer ฟรีที่ใช้ในแล็บ
IP spoofingการปลอมแปลง IP: แทรก packet ที่มี source address ปลอม — ผู้โจมตีสร้างแพ็กเก็ตโดยปลอม IP ผู้ส่งเป็นของเครื่องอื่น เพื่อหลอกปลายทางว่ามาจากแหล่งที่น่าเชื่อถือ
DoSDenial of Service: ทำให้ทรัพยากร (server, bandwidth) ใช้งานไม่ได้ ด้วย traffic ปลอมจำนวนมาก — โจมตีจากเครื่องเดียวหรือแหล่งเดียว
DDoSDistributed DoS: โจมตีจากหลายเครื่องพร้อมกัน มักใช้ botnet ที่กระจายทั่วโลก รับมือยากกว่ามาก · ขั้นตอน: 1. select target 2. break into hosts around the network (botnet) 3. send packets to target from compromised hosts
Self-replicating malwareมัลแวร์ (เช่น Worms) แพร่และคัดลอกตัวเองไปยัง Host อื่นที่มีช่องโหว่โดยอัตโนมัติ ไม่ต้องพึ่งการกระทำของผู้ใช้ (Architecture)
Man-in-the-Middleผู้ไม่หวังดี (Trudy) แทรกระหว่างการสื่อสาร Alice–Bob เพื่อดักอ่าน ปลอมแปลง หรือแก้ไขข้อมูล (Architecture)

Lines of defense:

  • authentication — พิสูจน์ว่าคุณคือคนที่อ้าง (cellular มี hardware identity ผ่าน SIM card; อินเทอร์เน็ตแบบเดิมไม่มี)
  • confidentiality — ผ่าน encryption
  • integrity checks — digital signatures ป้องกัน/ตรวจจับการแก้ไข
  • access restrictions — password-protected VPNs
  • firewalls — "middleboxes" ใน access และ core networks: off-by-default กรอง packets ขาเข้าเพื่อจำกัด senders, receivers, applications และตรวจจับ/รับมือ DoS

Protocol layers, Encapsulation และ OSI

ทำไมต้องแบ่งเลเยอร์? ระบบเครือข่ายซับซ้อน (hosts, routers, links, applications, protocols, hardware, software) · ตัวอย่างการเดินทางด้วยเครื่องบิน: ticket → baggage → gates → runway → airplane routing แต่ละเลเยอร์ทำบริการหนึ่งอย่างผ่าน action ภายในของตัวเอง และพึ่งบริการจากเลเยอร์ด้านล่าง

  • โครงสร้างชัดเจน ช่วยระบุส่วนต่างๆ และความสัมพันธ์ (layered reference model)
  • modularization ช่วยให้ดูแลและอัปเดตง่าย — เปลี่ยน implementation ของเลเยอร์หนึ่งโดยไม่กระทบส่วนอื่น (เช่นเปลี่ยนขั้นตอนที่ gate ไม่กระทบระบบที่เหลือ)
Layerหน้าที่ตัวอย่างโปรโตคอลPDU
5. Applicationรองรับแอปพลิเคชันเครือข่ายHTTP, IMAP, SMTP, DNSMessage
4. Transportprocess-process data transferTCP, UDPSegment
3. Networkrouting datagrams จากต้นทางถึงปลายทางIP, routing protocolsDatagram
2. Linkส่งข้อมูลระหว่าง network elements ที่อยู่ติดกันEthernet, 802.11 (WiFi), PPPFrame
1. Physicalbits "on the wire"—Bits

Encapsulation (เหมือนตุ๊กตาแม่ลูกดก Matryoshka):

  1. Application สร้าง message M
  2. Transport ใส่ header Ht (หมายเลขพอร์ตต้นทาง/ปลายทาง) → segment [Ht | M]
  3. Network ใส่ Hn (IP address เหมือนจ่าหน้าซองจดหมาย) → datagram [Hn | [Ht | M]]
  4. Link ใส่ Hl บรรจุลงกรอบเพื่อส่งผ่านสายเฉพาะหน้า → frame [Hl | [Hn | [Ht | M]]]

ปลายทางแกะออกทีละชั้น (Decapsulation) จนเหลือข้อมูลเดิม · ระหว่างทาง switch ประมวลผลถึงชั้น link และ router อ่านถึงชั้น Network (IP) เพื่อตัดสินใจเส้นทาง โดยไม่แตะเนื้อหาของแอปพลิเคชัน · เลเยอร์ระดับล่าง (node-to-node): เทคโนโลยีในชั้น Link เปลี่ยนไปตามช่วงทาง (เช่น WiFi → Fiber optic → ISP core switch) และฮาร์ดแวร์ชั้น Physical แปลงเฟรมเป็นสัญญาณแสง คลื่นวิทยุ หรือกระแสไฟฟ้า

ISO/OSI reference model (7 layers): application · presentation · session · transport · network · link · physical

  • presentation: ให้แอปตีความหมายของข้อมูล เช่น encryption, compression, machine-specific conventions
  • session: synchronization, checkpointing, recovery of data exchange
  • Internet stack "ขาด" 2 เลเยอร์นี้ — ถ้าต้องการ ต้อง implement ในแอปพลิเคชันเอง

Logical vs Physical network diagram: Logical = แสดงหน้าที่และการไหลของข้อมูล (how data flows) · Physical = แสดงฮาร์ดแวร์จริงและการเชื่อมต่อทางกายภาพ (what it looks like) — เครือข่ายสมัยใหม่ใช้ทั้งสองแบบ

Wireshark: packet capture (pcap) รับสำเนาของทุก Ethernet frame ที่รับ-ส่ง แล้ว packet analyzer แสดงข้อมูลแต่ละเลเยอร์

Internet history

  1. 1961–1972Early packet-switching principles — 1961 Kleinrock: queueing theory แสดงประสิทธิภาพของ packet-switching · 1964 Baran: packet-switching ในเครือข่ายทหาร · 1967 ARPAnet ถูกคิดขึ้นโดย Advanced Research Projects Agency · 1969 ARPAnet node แรกทำงาน · 1972 ARPAnet public demo, NCP (Network Control Protocol) host-host protocol แรก, โปรแกรม e-mail แรก, ARPAnet มี 15 nodes
  2. 1972–1980Internetworking, new and proprietary networks — 1970 ALOHAnet satellite network ในฮาวาย · 1974 Cerf and Kahn: สถาปัตยกรรมเชื่อมเครือข่าย (minimalism, autonomy; best-effort service model; stateless routing; decentralized control — กำหนดสถาปัตยกรรมอินเทอร์เน็ตปัจจุบัน) · 1976 Ethernet ที่ Xerox PARC · ปลายยุค 70 proprietary architectures: DECnet, SNA, XNA · 1979 ARPAnet มี 200 nodes
  3. 1980–1990New protocols, a proliferation of networks — 1982 smtp e-mail protocol · 1983 deployment of TCP/IP · 1983 DNS (name-to-IP-address translation) · 1985 ftp · 1988 TCP congestion control · เครือข่ายใหม่: CSnet, BITnet, NSFnet, Minitel · 100,000 hosts
  4. 1990, 2000sCommercialization, the Web, new applications — ต้นยุค 90 ARPAnet ถูกปลดระวาง · 1991 NSF ยกเลิกข้อจำกัดการใช้ NSFnet เชิงพาณิชย์ (ปลดระวาง 1995) · ต้นยุค 90 Web: hypertext [Bush 1945, Nelson 1960's], HTML, HTTP: Berners-Lee, 1994 Mosaic ต่อมาเป็น Netscape, ปลายยุค 90 Web เชิงพาณิชย์ · ปลาย 90s–2000s: instant messaging, P2P file sharing, network security, ~50 million hosts, 100 million+ users, backbone ระดับ Gbps
  5. 2005–presentScale, SDN, mobility, cloud — broadband home access (10–100's Mbps) · 2008 software-defined networking (SDN) · 4G/5G, WiFi · Google, FB, Microsoft สร้างเครือข่ายของตัวเอง · องค์กรใช้ cloud (AWS, Microsoft Azure) · 2017 อุปกรณ์มือถือมากกว่าอุปกรณ์ประจำที่ · ~15B devices (2023, statista.com)

End Systems และ Protocols & Standards

  • ปลายทางของเครือข่าย (End Systems / Hosts): อุปกรณ์ทุกชนิดที่เชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต ตั้งแต่เซิร์ฟเวอร์ขนาดใหญ่ไปจนถึงอุปกรณ์ IoT ถือเป็น Host หรือ End System ทั้งสิ้น
  • กฎเกณฑ์ทางการทูตดิจิทัล (Protocols & Standards): การสื่อสารต้องการ Protocol (เช่น HTTP, TCP) เปรียบเสมือนธรรมเนียมปฏิบัติทางการทูต หากปราศจากมาตรฐานที่กำหนดลำดับ อุปกรณ์ต่างผู้ผลิตจะสื่อสารกันไม่ได้ (Interoperability)

Access Networks Matrix

เทคโนโลยีประเภทสื่อกลางแบนด์วิดท์ความเร็วโดยประมาณ
FTTHHome AccessFiber OpticDedicated100 Mbps – 1 Gbps+
HFC (Cable)Home AccessCoaxialShared10s – 100s Mbps
DSLHome AccessCopper WireDedicated<10 Mbps – 10s Mbps
EthernetEnterpriseCopper / FiberDedicated10 Mbps – 100 Gbps
Wi-FiHome / EnterpriseWireless (Unlicensed)SharedHigh speed, short range
4G / 5GWide-AreaWireless (Licensed)SharedModerate speed, high mobility

สรุปภาษาไทย (Access Networks: เส้นทางแรกเข้าสู่มหานครดิจิทัล): FTTH ใยแก้วนำแสง ส่วนตัว ความเร็วสูงมาก · Cable (HFC) สายโคแอกเชียล (ทองแดง/แสง) แชร์พื้นที่ อสมมาตร ดาวน์โหลดเร็วกว่าอัปโหลด · DSL สายโทรศัพท์ (ทองแดง) ส่วนตัว จำกัดตามระยะทางจากตู้ชุมสาย · 5G/Wireless คลื่นวิทยุ แชร์พื้นที่ เน้นความคล่องตัว (Mobility)

แกนกลางเครือข่าย: Circuit vs Packet Switching

Circuit Switching
  • รับประกันทรัพยากร (Bandwidth) คงที่ตลอดการเชื่อมต่อ (Dedicated path, TDM slots)
  • ประสิทธิภาพคาดการณ์ได้แน่นอน แต่สูญเปล่าหากไม่มีการส่งข้อมูล
  • ตัวอย่าง: ลิงก์ 2 Mbps หากผู้ใช้ใช้คนละ 1 Mbps จะรองรับได้สูงสุดเพียง 2 คนถ้วน
Packet Switching
  • แชร์ทรัพยากรร่วมกัน (Store-and-forward) เหมาะกับข้อมูลที่มาเป็นระลอก (Bursty)
  • อนุญาตให้ผู้ใช้เข้าถึงเครือข่ายได้มากกว่า แต่มีความเสี่ยงเกิดคิวสะสม (Queuing Delay)
  • ตัวอย่าง: ลิงก์ 2 Mbps รองรับผู้ใช้ได้มากกว่า 3 คน หากไม่ได้ส่งข้อมูลพร้อมกันตลอดเวลา

โครงสร้างพื้นฐานอินเทอร์เน็ต (Internet Backbone)

พีระมิดลำดับชั้น: Tier-1 ISP → Regional ISP → Access ISP โดยมี IXP อยู่ระหว่าง Tier-1

  • Peering เพื่อลดต้นทุน: ISP ระดับเดียวกันมักเชื่อมต่อกันเอง (Peer) หรือผ่าน IXP เพื่อหลีกเลี่ยงการจ่ายค่าผ่านทาง (Transit fee) ให้ ISP ระดับบน
  • Google's Private Network: ผู้ให้บริการเนื้อหารายใหญ่สร้างโครงข่ายส่วนตัวเชื่อมโยง Data Center ทั่วโลก เพื่อลดต้นทุนค่า Transit และนำข้อมูลเข้าใกล้ผู้ใช้ปลายทางมากที่สุด (Content Provider Network)

ฟิสิกส์ของเครือข่าย: ความหน่วง 4 ประเภท

dend-to-end = dproc + dqueue + dtrans + dprop
Delayลักษณะความหมาย
Processing Delay (d_proc)คงที่เวลาตรวจสอบ Header และตัดสินใจหาเส้นทาง
Queuing Delay (d_queue)แปรผันเวลารอในคิวหากทราฟฟิกหนาแน่น
Transmission Delay (d_trans)คงที่เวลาที่ใช้ดันบิตทั้งหมดของแพ็กเก็ตลงสู่สาย
Propagation Delay (d_prop)คงที่เวลาเดินทางของสัญญาณฟิสิกส์ตามสื่อกลาง (ความเร็วแสง)
Transmission Delay = L / R

L = ความยาวแพ็กเก็ต (Bits), R = อัตราการส่ง/แบนด์วิดท์ (bps)

เปรียบเทียบ: เวลาที่ด่านเก็บเงินใช้ปล่อยรถทีละคันจนครบทั้งขบวน

Propagation Delay = d / s

d = ระยะทาง (Meters), s = ความเร็วสัญญาณ (~2.5 x 10^8 m/s)

กฎเหล็ก: d_prop ไม่ขึ้นอยู่กับขนาดแพ็กเก็ต (L) หรือความเร็วอินเทอร์เน็ต (R) แต่ขึ้นกับระยะทางฟิสิกส์ล้วนๆ

หมายเหตุ: สไลด์ Chapter 1 ใช้ s ≈ 2x108 m/sec และโจทย์ในไฟล์นี้ก็ใช้ 2 × 10^8 m/s ในการคำนวณ

Physical Properties (Fluid Flow Analogy): เทน้ำลงกรวย = Transmission Delay · น้ำไหลไปตามท่อ = Propagation Delay · ลิงก์ 10 Mbps ส่งข้อความเดียวกันใช้ช่วงเวลาสั้นกว่าลิงก์ 1 Mbps 10 เท่า (1 bit = 1 μs เทียบกับ 100 ns)

ปริมาณข้อมูลและคอขวด (Throughput & The Bottleneck)

Throughput แบบ End-to-End คืออัตราที่ข้อมูลส่งถึงปลายทางได้สำเร็จ

Throughput = min(R1, R2, R3)

ผลลัพธ์: Server → R1 = 2 Mbps → R2 = 100 kbps → R3 = 1 Mbps → Client · แม้จะมีอินเทอร์เน็ตแรง 2 Mbps แต่ถ้าลิงก์ระหว่างทางมีคอขวดที่ 100 kbps ความเร็วรวมจะถูกจำกัดที่ 100 kbps เท่านั้น

คิวและการสูญหายของข้อมูล (Queuing & Packet Loss)

I = La / R   (Traffic Intensity)

เมื่อ I > 1 ข้อมูลไหลเข้าเร็วกว่าที่ Router จะระบายออกได้ → คิวยาวขึ้นเรื่อยๆ จนพื้นที่ Buffer เต็ม ทำให้แพ็กเก็ตใหม่ถูกทิ้งเกิดเป็น Packet Loss · กราฟ Queuing Delay พุ่งสูงเมื่อ I เข้าใกล้ 1 (Unstable Region)

โจทย์คำนวณพร้อมเฉลย

โจทย์ 1: เครื่องคอมพิวเตอร์ต้องการส่ง Packet ขนาด 4,000 บิต (bits) ผ่านสายสัญญาณที่มีความเร็ว 2 Mbps จงหาค่า Transmission Delay

  • แปลงหน่วยความเร็ว R = 2 Mbps = 2 × 106 bps (หรือ 2,000,000 bps)
  • แทนค่าในสูตร: Dtrans = 4,000 bits / 2,000,000 bps = 0.002

คำตอบ: 2 ms

โจทย์ 2: โฮสต์ต้นทางต้องการส่งไฟล์รูปภาพขนาด 5 MegaBytes (MB) ผ่านสายเคเบิลแบบ Cable-based access (HFC) ที่มีความเร็วขาขึ้น (Upstream Rate) อยู่ที่ 10 Mbps จะใช้เวลาในการผลักข้อมูลลงสายสัญญาณเท่าใด

  • แปลงขนาดไฟล์ L จาก Bytes เป็น bits: L = 5 × 106 × 8 = 40,000,000 bits
  • แปลงหน่วยความเร็ว R = 10 Mbps = 10,000,000 bps
  • แทนค่าในสูตร: Dtrans = 40,000,000 bits / 10,000,000 bps = 4

คำตอบ: 4 วินาที

โจทย์ 3: คอมพิวเตอร์ A ส่งข้อมูลขนาด 1,000 Bytes ไปยัง Router โดยผ่านสายสัญญาณมีความยาว 2,000 กิโลเมตร มีแบนด์วิดท์ 10 Mbps และสัญญาณเดินทางด้วยความเร็วแสงในสายคือ (2 * 10^8 m/s) จงหาค่า Transmission Delay และ Propagation Delay ว่าต่างกันอย่างไร

  • Dtrans: แปลง L = 1,000 Bytes × 8 = 8,000 bits · แปลง R = 10 Mbps = 10,000,000 bps · คำนวณ 8,000 / 10,000,000 = 0.0008 = 0.8 ms
  • Dprop = Distance / Speed: แปลงระยะทาง 2,000 km = 2,000,000 m · คำนวณ 2,000,000 m / 2×108 m/s = 0.01 = 10 ms

คำตอบ: Dtrans = 0.8 ms, Dprop = 10 ms

สถาปัตยกรรม 5 เลเยอร์ (The Protocol Stack)

Layerหน้าที่ข้อมูลเรียกว่า
5. Application Layerรองรับแอปพลิเคชันเครือข่าย (HTTP, SMTP, DNS)Message
4. Transport Layerส่งข้อมูลโพรเซส-ต่อ-โพรเซส (TCP, UDP)Segment
3. Network Layerกำหนดเส้นทางจากต้นทางถึงปลายทาง (IP)Datagram
2. Link Layerเคลื่อนย้ายข้อมูลระหว่างโหนดที่ติดกันFrame
1. Physical Layerส่งผ่านสัญญาณฟิสิกส์แต่ละบิตลงสื่อกลางBits

การห่อหุ้มข้อมูล (Encapsulation): Host A ห่อ Payload ด้วย H4, H3, H2 → Link-layer Switch แกะซองถึงแค่ชั้น Link (L2) → Router แกะซองถึงชั้น Network (L3) เพื่อหา IP ปลายทาง → Host B

เปรียบเสมือนการเดินทางด้วยเครื่องบิน: การเช็คอินติดป้ายกระเป๋า (Header 1) ประตูขึ้นเครื่องตรวจ Boarding Pass (Header 2) อุปกรณ์แกนกลางไม่ได้อ่านข้อมูลทั้งหมด

พลังของการแบ่งแพ็กเก็ต (Why Segmentation Matters)

ทดสอบส่งข้อความ 10^6 บิต ผ่าน 3 ลิงก์ (5 Mbps) — สถาปัตยกรรมแบบ Packet Switching อาศัยการหั่นข้อมูลเป็นชิ้นเล็กๆ เพื่อทะลวงขีดจำกัดด้านความเร็วของเครือข่าย

ไม่แบ่งแพ็กเก็ต (Store-and-forward)

Large Block (10^6 bits) ใช้ลิงก์ละ 0.2s × 3 ลิงก์ → ใช้เวลา 0.6 วินาที

แบ่งเป็น 100 แพ็กเก็ต (Pipelining)

Small Packet (10^4 bits) ส่งต่อกันเป็นสายพาน → ใช้เวลาเพียง 0.204 วินาที

ภัยคุกคามเครือข่าย (Network Security Threats)

  1. Self-Replicating Malware: มัลแวร์ (เช่น Worms) ที่แพร่กระจายและคัดลอกตัวเองไปยัง Host อื่นๆ ที่มีช่องโหว่โดยอัตโนมัติ ไม่ต้องพึ่งพาการกระทำของผู้ใช้
  2. Botnets & DDoS Attack: มัลแวร์ยึดครอง Host จำนวนมากให้กลายเป็น Bot รอคำสั่งจากศูนย์กลาง เพื่อส่งทราฟฟิกขยะปริมาณมหาศาลไปถล่มเป้าหมายเดียวพร้อมกันจนระบบล่ม
  3. Man-in-the-Middle (MITM): ผู้ไม่หวังดีแทรกตัวระหว่างการสื่อสาร (Alice → Trudy → Bob) เพื่อดักอ่าน ปลอมแปลง หรือแก้ไขข้อมูลที่กำลังเดินทางผ่านลิงก์

บทสรุปภาพรวม (The Internet Blueprint)

  • เครือข่ายอินเทอร์เน็ตคือสถาปัตยกรรมวิศวกรรมที่ซับซ้อนแต่น่าทึ่ง
  • ขับเคลื่อนโดย HOSTS ที่ขอบข่าย
  • เชื่อมต่อด้วย PROTOCOLS ที่เป็นมาตรฐานสากล
  • ข้อมูลถูกหั่นและห่อหุ้มผ่าน 5 LAYERS
  • เดินทางแบบ PACKET SWITCHING ผ่านเราเตอร์ที่ต้องต่อสู้กับ 4 DELAYS
  • เพื่อนำส่งข้อมูลจากมุมหนึ่งของโลกไปยังอีกมุมหนึ่งในเสี้ยววินาที

เครือข่ายของเครือข่าย (The Internetwork)

อินเทอร์เน็ตไม่ใช่เพียงเครือข่ายเดียว แต่คือ "เครือข่ายที่เชื่อมต่อเครือข่ายเข้าด้วยกัน" — เครือข่ายระดับภูมิภาค เครือข่ายองค์กร และเครือข่ายมือถือ เชื่อมผ่านโครงข่ายหลัก (Global ISP)

มาตรวัดขนาดของเครือข่าย

ระยะห่างพื้นที่ครอบคลุมประเภทเครือข่ายเทคโนโลยีตัวอย่าง
1 เมตรพื้นที่ส่วนบุคคลPAN (Personal Area Network)Bluetooth
10 ม. - 1 กม.ห้อง / อาคาร / วิทยาเขตLAN (Local Area Network)Ethernet, WiFi
10 กม.เมืองMAN (Metropolitan Area Network)Cable, 802.16
100 กม.+ประเทศ / ทวีปWAN (Wide Area Network)Optical Backbone, 5G
10,000 กม.โลกThe InternetTCP/IP

ตัวอย่างที่ 1: เครือข่ายส่วนบุคคล (PAN)

เครือข่ายไร้สายระยะสั้นรอบตัวบุคคล

  • Master Device: ควบคุมการเชื่อมต่อและจัดสรรความถี่
  • Slave Devices: อุปกรณ์ต่อพ่วงที่เชื่อมต่อแบบ Piconet
  • Technology: Bluetooth (ตัดปัญหาสายสัญญาณทับซ้อน)

ตัวอย่างที่ 2: เครือข่ายในที่พักอาศัย (Home Access Networks)

การหลอมรวมของอุปกรณ์หลากหลายประเภทในพื้นที่อยู่อาศัย

  • Gateway: เราเตอร์หลักที่เชื่อมโยงบ้านเข้ากับ ISP
  • DSL/Cable modem: ที่เชื่อมโยงบ้านเข้ากับ ISP
  • Convergence: รองรับทั้งข้อมูลแบบ Elastic (เว็บเพจ) และ Time-Sensitive (สตรีมมิ่งวิดีโอ)
  • IoT Integration: เซ็นเซอร์และอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ต้องการความเสถียร
กลไกเบื้องหลัง: Network Address Translation (NAT)
เครือข่ายส่วนตัว 10.0.0.1, 10.0.0.2, 10.0.0.3 → NAT Router → 138.76.29.7 → อินเทอร์เน็ตสาธารณะ · IP ภายในมีความหมายแค่ในบ้าน · NAT Router ทำหน้าที่แปลงที่อยู่ · ใช้ IP เดียวเป็นตัวแทนของทั้งบ้าน

ตัวอย่างที่ 3: เครือข่ายองค์กร (Enterprise LAN)

โครงสร้างพื้นฐานแบบมีสายความเร็วสูงสำหรับองค์กร: Institutional Router → Core/Edge Switches → End Systems (Workstations, Servers)

  • Link-Layer Switches: ขจัดปัญหาการชนกันของข้อมูลโดยส่งเฟรมข้อมูลแยกตามพอร์ตอย่างอิสระ
  • High Throughput: รองรับความเร็วระดับ 1 Gbps ถึง 10 Gbps
  • Resource Sharing: การแชร์ข้อมูลและเซิร์ฟเวอร์ส่วนกลางอย่างมีประสิทธิภาพ
Physical LAN

ข้อจำกัดทางภูมิศาสตร์: การจัดกลุ่มถูกกำหนดโดยสายเคเบิล

Logical: Virtual LANs (VLAN)

นิยามใหม่ด้วยซอฟต์แวร์: จัดกลุ่มเครือข่ายตามแผนกหรือความปลอดภัย ไม่ใช่ตามชั้นของอาคาร

ตัวอย่างที่ 4: เครือข่ายไร้สาย (WiFi / 802.11)

Infrastructure Mode

อุปกรณ์ไร้สายสื่อสารผ่าน Access Point (Base Station) ที่เชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ตแบบมีสาย (Wired Network)

Ad-hoc Mode

อุปกรณ์สื่อสารกันเองโดยตรง โดยไม่ต้องใช้โครงสร้างพื้นฐาน

Bandwidth: แชร์ช่องสัญญาณวิทยุร่วมกันภายในรัศมี

ตัวอย่างที่ 5: เครือข่ายมือถือ (Cellular 4G/5G)

เครือข่ายไร้สายระยะไกลที่ครอบคลุมระดับประเทศ

  • Mobile Device (UE): อุปกรณ์เคลื่อนที่ซึ่งมีรหัสยืนยันตัวตนผ่านซิมการ์ด
  • Base Station (eNode-B): เสาสัญญาณที่บริหารจัดการทรัพยากรคลื่นวิทยุในพื้นที่เซลล์
  • Core Network: ศูนย์กลางการจัดการข้อมูลและการเคลื่อนที่ของผู้ใช้งาน

กลไกเบื้องหลัง: Mobility & Handover

  1. Association: อุปกรณ์เชื่อมต่อกับเสาสัญญาณปัจจุบัน (Tower A, Hexagon A)
  2. Coordination: ระบบประเมินความแรงสัญญาณและเตรียมโอนย้าย
  3. Handover: ส่งมอบการเชื่อมต่อไปยังเสาสัญญาณใหม่ (Tower B) โดยไม่ทำให้การดาวน์โหลดสะดุด

ตัวอย่างที่ 6: เครือข่ายศูนย์ข้อมูล (Data Center / The Cloud)

โครงสร้างพื้นฐานขนาดใหญ่เบื้องหลังบริการคลาวด์และสตรีมมิ่ง: Internet → Core Routers → Edge Switches → Server Racks

  • Massive Scale: เชื่อมต่อโฮสต์หลายหมื่นเครื่องภายในศูนย์ข้อมูลเดียว
  • Load Balancing: กระจายภาระงานอย่างชาญฉลาดเพื่อไม่ให้เซิร์ฟเวอร์ใดทำงานหนักเกินไป
  • Purpose: ประมวลผลแบบขนานและให้บริการเนื้อหา (เช่น Netflix, Google)

สรุปเปรียบเทียบ: Wired vs. Wireless Architecture

สถาปัตยกรรมแบบมีสาย (Wired)สถาปัตยกรรมแบบไร้สาย (Wireless)
ตัวกลาง (Medium)สายทองแดง / เคเบิลใยแก้วนำแสงคลื่นวิทยุ (Radio Spectrum)
การจัดการข้อมูล (Collision Mgt.)ใช้สวิตช์แยกช่องสัญญาณ ป้องกันการชนกันของข้อมูลใช้สื่อกลางร่วมกัน ต้องมีกลไกหลีกเลี่ยงการชน
ความคล่องตัว (Mobility)อุปกรณ์อยู่กับที่ (Stationary devices)รองรับอุปกรณ์เคลื่อนที่และการโอนย้าย
เทคโนโลยีตัวอย่างEthernet, Fiber BackboneWiFi (802.11), 4G/5G, Bluetooth

วิถีแห่งข้อมูล: A Day in the Life of a Packet

เมื่อคุณกดสตรีมภาพยนตร์ 1 เรื่อง ข้อมูลเดินทางผ่านเครือข่ายอะไรบ้าง?

  1. Step 1 (PAN/Mobile): สมาร์ทโฟนส่งคำขอผ่านสัญญาณ 5G
  2. Step 2 (Cellular Edge): Base Station รับสัญญาณและส่งเข้าโครงข่ายหลัก
  3. Step 3 (Global WAN): ข้อมูลเดินทางข้ามประเทศผ่าน Optical Backbone
  4. Step 4 (Data Center): Load Balancer ส่งคำขอเซิร์ฟเวอร์ที่เก็บภาพยนตร์

The Network of Networks

วงซ้อน: PAN (1m) ⊂ LAN/Home (10m–1km) ⊂ MAN/Cellular (10km) ⊂ WAN/Internet (Global)

  • เครือข่ายมีหลากหลายขนาดและบริบท แต่ละประเภทถูกออกแบบมาเพื่อแก้ปัญหาเฉพาะทาง
  • จาก 1 เมตรถึง 10,000 กิโลเมตร ทุกเครือข่ายสื่อสารกันได้ผ่านโปรโตคอลมาตรฐาน
  • การหลอมรวมของเทคโนโลยีเหล่านี้คือสถาปัตยกรรมที่ขับเคลื่อนโลกดิจิทัลในปัจจุบัน

Cheat sheet

สูตร ตาราง และคำที่มักออกสอบ รวมไว้ในหน้าเดียว

01 ความหน่วง 4 ประเภท

dnodal = dproc + dqueue + dtrans + dprop
dproc
ตรวจ bit errors + หา output link · < microsecs
dqueue
รอที่ output link · ขึ้นกับ congestion (ตัวเดียวที่แปรผัน)
dtrans = L/R
L = bits, R = bps · ขึ้นกับขนาดแพ็กเก็ตและแบนด์วิดท์
dprop = d/s
d = เมตร, s ≈ 2×108 m/s · ขึ้นกับระยะทางเท่านั้น

02 แปลงหน่วยก่อนคำนวณ

  • 1 Byte = 8 bits → 5 MB = 5×106×8 bits
  • 1 Mbps = 106 bps · 1 kbps = 103 bps
  • 1 km = 1,000 m
  • 0.001 s = 1 ms · 0.000001 s = 1 μs

กับดักที่พบบ่อย: ลืมคูณ 8 ตอนแปลง Bytes → bits

03 Throughput & Queue

Throughput = min(R1, R2, …)

ลิงก์ที่ช้าสุด = bottleneck link · 10 connections แชร์ R: min(Rc, Rs, R/10)

Traffic intensity I = La/R

~0 คิวน้อย · →1 คิวมาก · >1 delay → ∞ buffer เต็ม → packet loss

04 ตัวอย่างคำตอบที่ควรจำ

  • 4,000 bits @ 2 Mbps → 2 ms
  • 5 MB @ 10 Mbps → 4 s
  • 1,000 Bytes, 2,000 km, 10 Mbps → trans 0.8 ms, prop 10 ms
  • 10 Kbits @ 100 Mbps → 0.1 msec / hop
  • 106 bits, 3 ลิงก์ 5 Mbps → 0.6 s (ไม่แบ่ง) / 0.204 s (100 แพ็กเก็ต)
  • Caravan 10 คัน, 12 s/คัน, 100 km @ 100 km/hr → 62 นาที

05 Protocol stack & PDU

Internet (5)OSI (7)PDUโปรโตคอลอุปกรณ์อ่านถึง
ApplicationApplicationMessageHTTP, IMAP, SMTP, DNSHost
Presentation
Session
TransportTransportSegmentTCP, UDPHost
NetworkNetworkDatagramIP, routing protocolsRouter (L3)
LinkLinkFrameEthernet, 802.11, PPPSwitch (L2)
PhysicalPhysicalBits—

ไฮไลต์ = 2 เลเยอร์ของ OSI ที่ Internet stack ไม่มี ต้องทำในแอปพลิเคชันเอง

06 Circuit vs Packet switching

CircuitPacket
ทรัพยากรจอง end-end (dedicated)แชร์ on-demand
ประสิทธิภาพรับประกัน แต่ว่างทิ้งถ้าไม่ใช้ใช้เต็มที่ แต่มี queue delay/loss
เหมาะกับโทรศัพท์แบบดั้งเดิมข้อมูลแบบ bursty
แบ่งช่องFDM / TDMstore-and-forward
1 Gb/s, 100 Mb/s ต่อคน10 users35 users (P < .0004)

07 Forwarding vs Routing

Forwarding
aka switching · local · input link → output link ตาม forwarding table
Routing
global · หาเส้นทาง source → destination ด้วย routing algorithms

08 ขนาดเครือข่าย

ประเภทระยะตัวอย่าง
PAN1 ม.Bluetooth
LAN10 ม. – 1 กม.Ethernet, WiFi
MAN10 กม. (เมือง)Cable, 802.16
WAN100 กม.+Optical Backbone, 5G
Internet10,000 กม.TCP/IP

09 Access networks

เทคโนโลยีสื่อกลางแบนด์วิดท์จุดจำ
FTTHFiber OpticDedicated100 Mbps – 1 Gbps+
HFC (Cable)CoaxialSharedFDM · asymmetric · CMTS ที่ headend
DSLสายโทรศัพท์ทองแดงDedicatedDSLAM ที่ central office · จำกัดตามระยะทาง
EthernetCopper / FiberDedicatedEnterprise · 10 Mbps – 100 Gbps
Wi-FiWireless (Unlicensed)Sharedเร็ว ระยะสั้น · 802.11
4G / 5GWireless (Licensed)Sharedความเร็วปานกลาง mobility สูง

10 Internet structure

  • เชื่อมทุกคู่ตรงๆ = O(N²) ไม่ scale
  • Tier-1 (Level 3, Sprint, AT&T, NTT) peer กันแบบ settlement-free
  • Regional ISP → Access ISP
  • IXP = จุดที่ ISP หลายรายมา peer กัน ลด latency + ค่า transit
  • POP = จุดที่ ISP ย่อยต่อเข้า ISP ใหญ่
  • Content provider network (Google) bypass tier-1

11 Security

Sniffing
อ่าน packet บน broadcast media (promiscuous NIC)
IP spoofing
ปลอม source address
DoS / DDoS
ท่วมด้วย bogus traffic · DDoS ใช้ botnet
MITM
Trudy แทรกกลาง Alice–Bob
Worms
แพร่ตัวเองอัตโนมัติ

ป้องกัน: authentication · encryption · digital signatures · VPN · firewalls

12 Topography keywords

  • PAN: Master / Slave · Piconet · Bluetooth
  • NAT: 10.0.0.x → 1 public IP
  • VLAN: จัดกลุ่มด้วยซอฟต์แวร์ ไม่ใช่ตามสาย/ชั้น
  • WiFi: Infrastructure (ผ่าน AP) vs Ad-hoc (ตรง)
  • Cellular: UE (SIM) · eNode-B · Core Network
  • Handover: Association → Coordination → Handover
  • Data center: Load Balancing · Massive Scale
  • Hidden terminal: ไร้สายใช้ CSMA/CD ไม่ได้

13 ปีที่ควรจำ

1961
Kleinrock queueing theory
1969
ARPAnet node แรก
1972
NCP, e-mail แรก, 15 nodes
1974
Cerf & Kahn internetworking
1976
Ethernet @ Xerox PARC
1983
TCP/IP deployment, DNS
1988
TCP congestion control
2008
SDN

แบบฝึกหัด 20 ข้อ

เลือกคำตอบให้ครบแล้วกด "ตรวจคำตอบ" ด้านล่าง ระบบจะเฉลยพร้อมคำอธิบายทุกข้อ

01ตามนิยามในสไลด์ Chapter 1 โปรโตคอล (Protocol) กำหนดสิ่งใด

"Protocols define the format, order of messages sent and received among network entities, and actions taken on message transmission, receipt"

02การย้ายแพ็กเก็ตจาก input link ของเราเตอร์ไปยัง output link ที่เหมาะสม โดยดูจาก local forwarding table เรียกว่าอะไร

Forwarding (aka "switching") เป็น local action ย้าย packet จาก input link ไป output link · ส่วน Routing เป็น global action กำหนดเส้นทาง source–destination ด้วย routing algorithms

03เครื่องคอมพิวเตอร์ต้องการส่ง Packet ขนาด 4,000 บิต ผ่านสายสัญญาณที่มีความเร็ว 2 Mbps ค่า Transmission Delay คือเท่าใด

R = 2 Mbps = 2,000,000 bps → Dtrans = L/R = 4,000 / 2,000,000 = 0.002 s = 2 ms

04ส่งไฟล์รูปภาพขนาด 5 MegaBytes (MB) ผ่าน Cable-based access (HFC) ที่มี Upstream Rate 10 Mbps จะใช้เวลาผลักข้อมูลลงสายสัญญาณเท่าใด

L = 5 × 106 × 8 = 40,000,000 bits · R = 10,000,000 bps → 40,000,000 / 10,000,000 = 4 วินาที (ถ้าลืมคูณ 8 จะได้ 0.5 วินาทีซึ่งผิด)

05คอมพิวเตอร์ A ส่งข้อมูล 1,000 Bytes ไปยัง Router ผ่านสายยาว 2,000 กม. แบนด์วิดท์ 10 Mbps สัญญาณเดินทาง 2×108 m/s ค่า Transmission Delay และ Propagation Delay ตามลำดับคือ

Dtrans = 8,000 bits / 10,000,000 bps = 0.0008 s = 0.8 ms · Dprop = 2,000,000 m / 2×108 m/s = 0.01 s = 10 ms

06ความหน่วงประเภทใด "ไม่ขึ้นอยู่กับขนาดแพ็กเก็ต (L) หรือแบนด์วิดท์ (R)" แต่ขึ้นกับระยะทางทางกายภาพล้วนๆ

กฎเหล็กในสไลด์: dprop = d/s ไม่ขึ้นอยู่กับ L หรือ R แต่ขึ้นกับระยะทางฟิสิกส์ล้วนๆ · ส่วน dtrans = L/R ขึ้นกับทั้งสองค่า

07ถ้า traffic intensity La/R มีค่ามากกว่า 1 จะเกิดอะไรขึ้น

La/R ~ 0: delay น้อย · La/R → 1: delay มาก · La/R > 1: "งาน" เข้ามามากกว่าที่ให้บริการได้ average delay infinite — คิวยาวขึ้นจน Buffer เต็ม แพ็กเก็ตใหม่ถูกทิ้ง (Packet Loss)

08Server ส่งข้อมูลถึง Client ผ่าน 3 ลิงก์ R1 = 2 Mbps, R2 = 100 kbps, R3 = 1 Mbps throughput แบบ end-to-end คือเท่าใด

Throughput = min(R1, R2, R3) = 100 kbps — ลิงก์ R2 เป็น bottleneck ความเร็วรวมถูกจำกัดที่ลิงก์ที่ช้าที่สุด

09ลิงก์ 1 Gb/s ผู้ใช้แต่ละคนใช้ 100 Mb/s เมื่อ active (active 10% ของเวลา) ถ้าใช้ circuit switching จะรองรับผู้ใช้ได้กี่คน

Circuit switching จอง 100 Mb/s ให้แต่ละคนตลอด → 1 Gb/s ÷ 100 Mb/s = 10 users · 35 คนคือกรณี packet switching (โอกาสที่ > 10 คน active พร้อมกันน้อยกว่า .0004)

10ส่งข้อความ 106 bits ผ่าน 3 ลิงก์ ลิงก์ละ 5 Mbps ถ้าแบ่งเป็น 100 แพ็กเก็ต (แพ็กเก็ตละ 104 bits) จะใช้เวลาทั้งหมดเท่าใด

แต่ละแพ็กเก็ตใช้ 104 / 5×106 = 2 ms ต่อลิงก์ แพ็กเก็ตสุดท้ายออกจากต้นทางที่ 100 × 2 ms = 0.2 s แล้วผ่านอีก 2 ลิงก์ (+4 ms) = 0.204 s · ถ้าไม่แบ่งจะใช้ 0.2 s × 3 = 0.6 s

11ลำดับชื่อข้อมูลในการห่อหุ้ม (Encapsulation) จาก Application ลงไปถึง Link ข้อใดถูกต้อง

Application: message M → Transport ใส่ Ht: segment → Network ใส่ Hn: datagram → Link ใส่ Hl: frame (ข้อ B คือทิศทาง decapsulation ที่ปลายทาง)

12เลเยอร์ใดใน ISO/OSI reference model ที่ "ไม่มี" ใน Internet protocol stack

Presentation (encryption, compression, machine-specific conventions) และ Session (synchronization, checkpointing, recovery) — ถ้าต้องการต้อง implement ในแอปพลิเคชัน

13ระหว่างทาง Link-layer Switch และ Router "แกะซอง" ข้อมูลถึงชั้นใด ตามลำดับ

Link-layer Switch แกะซองถึงแค่ชั้น Link (L2) · Router แกะซองถึงชั้น Network (L3) เพื่อหา IP ปลายทาง โดยไม่แตะเนื้อหาของแอปพลิเคชัน

14เทคโนโลยี Home Access ใดที่บ้านหลายหลัง "แชร์" แบนด์วิดท์ร่วมกัน (Shared)

ใน Access Networks Matrix: HFC (Cable), Wi-Fi, 4G/5G เป็น Shared · FTTH, DSL, Ethernet เป็น Dedicated — บ้านที่ใช้ cable แชร์ access network ไปยัง cable headend

15DSL ใช้สายโทรศัพท์เดิมส่งข้อมูลไปยังอุปกรณ์ใดที่ central office

DSL ใช้สายโทรศัพท์ไปยัง DSLAM (DSL access multiplexer) ที่ central office · CMTS (cable modem termination system) เป็นอุปกรณ์ของ cable/HFC

16ข้อใดอธิบาย IXP (Internet Exchange Point) ได้ถูกต้อง

IXP คืออาคารศูนย์กลางที่ผู้ให้บริการหลายรายมาเชื่อมต่อกัน การทำ Peering ผ่าน IXP ทำให้แลกเปลี่ยนข้อมูลกันโดยตรง · ข้อ A คือ NAT router, ข้อ C คือ Base Station (eNode-B)

17เครือข่ายที่ครอบคลุมระดับเมือง ระยะประมาณ 10 กม. ใช้เทคโนโลยีเช่น Cable, 802.16 จัดเป็นประเภทใด

MAN (Metropolitan Area Network): 10 กม. ระดับเมือง · PAN 1 ม. · LAN 10 ม.–1 กม. · WAN 100 กม.+

18อุปกรณ์ในบ้านที่มี IP 10.0.0.1, 10.0.0.2, 10.0.0.3 ออกอินเทอร์เน็ตโดยใช้ IP 138.76.29.7 เพียงตัวเดียว เป็นหน้าที่ของกลไกใด

NAT Router ทำหน้าที่แปลงที่อยู่ — IP ภายในมีความหมายแค่ในบ้าน และใช้ IP เดียวเป็นตัวแทนของทั้งบ้าน

19ลำดับขั้นตอน Mobility & Handover ของเครือข่ายมือถือข้อใดถูกต้อง

Step 1 Association: เชื่อมกับเสาปัจจุบัน → Step 2 Coordination: ประเมินความแรงสัญญาณและเตรียมโอนย้าย → Step 3 Handover: ส่งมอบการเชื่อมต่อไปเสาใหม่โดยไม่ทำให้ดาวน์โหลดสะดุด

20การที่ผู้โจมตีสร้างแพ็กเก็ตโดยปลอม source address ให้เป็นของเครื่องอื่น เพื่อหลอกปลายทางว่ามาจากแหล่งที่น่าเชื่อถือ เรียกว่าอะไร

IP spoofing: injection of packet with false source address · Sniffing คือดักอ่าน packet, DDoS คือท่วมเป้าหมายจากหลายเครื่อง, MITM คือแทรกกลางการสื่อสาร

0 / 20 ข้อ