８．ネットワーク

応用情報 まとめ ネットワーク

ＯＳＩ参照モデル

覚えかた：アプセトネデブ

アプリケーション層 アプリケーションの通信規格 - アプリケーション HTTP,FTP,Telnet,SMTP,POP,SNTP
プレゼンテーション層 符号化、コード変換など表現形式の規格 - 〃 〃
セッション層 論理的なコネクションの接続・切断、通信の同期 - 〃 〃
トランスポート層 正確な通信のための規格（データ分割、到達確認、誤り検出・回復） ポート番号 ＯＳ TCP,UDP
ネットワーク層 ルーティングにより宛先までの中継と経路選択 ＩＰアドレス ルータ IP,ICMP
データリンク層 接続ノード間の伝送、タイミング同期、誤り制御 ＭＡＣアドレス ブリッジ、スイッチ、ＮＩＣ CSMA/CD,ARP,RARP,PPP
物理層 伝送路の物理的・電気的な規格 - リピータ、ハブ -

ＬＡＮの規格

種類、規格、符号化方式、通信媒体、最大距離

10BASE-T Ethernet マンチェスタ符号化方式 UTP/STP 100m
10BASE-2 Ethernet マンチェスタ符号化方式 同軸ケーブル 185m
10BASE-5 Ethernet マンチェスタ符号化方式 同軸ケーブル 500m
10BASE-F Ethernet 4B5B/NRZ1 光ファイバ 500m
100BASE-TX First Ethernet 4B5B/MLT-3 UTP 100m
100BASE-FX First Ethernet 4B5B/NRZ1 光ファイバ 10km
1000BASE-T Gigabit Ethernet 4B5B/MLT-3 UTP 100m
1000BASE-TX Gigabit Ethernet 4B5B/MLT-3 UTP 100m
1000BASE-LX Gigabit Ethernet 4B5B/NRZ1 光ファイバ 5km
1000BASE-SX IEEE 802.3z 4B5B/NRZ1 光ファイバ 5km

符号化方式

  • NRZ符号
    • １のときHigh、０のときLow
  • NRZI符号
    • １のときHighとLowが入れ替わる
  • マンチェスタ符号
    • １のときLow→High、０のときHigh→Low（周期の真ん中で切り替え）
  • Mlt-3符号
    • High、Middle、Lowの３値を使う符号方式
  • 4B5B符号化（4B5B以外の方式もある）
    • 4bitのデータを5bitに変換
    • 5bitすべて同じ符号が続くことがないようにする

ネットワーク構成

  • 物理トポロジ（構成）
    • バス型（魚の骨）
    • リング型（円陣）
    • スター型（ハブで分ける）
    • 拡張スター型（ハブから別ハブへ）
    • 階層型トポロジ（木構造）
    • メッシュ型（互いに接続；冗長性あり）
  • 論理トポロジ（構成）
    • ブロードキャスト方式（ＣＳＭＡ／ＣＤ方式）
      • バス型、Ethernetなど
      • 全員が受信して正しい受信者以外は破棄
      • 衝突を検出する
    • トークンパッシング方式
      • リング型、TokenRingなど
      • 発言権を得たノードだけ発信できる

CSMA/CD

  • Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection
  • キャリア検知多重アクセス／衝突検出
    • Carrier Sense；他ホストが送信していないか確認
    • Multiple Access：回線があいていれば誰がアクセスしてもよい
    • Collision Detection：衝突が起きた場合は検出
    • ランダムな時間Sleepし、先に起きたほうが送信

トークンパッシング

  • 送信したいホストはトークンが流れてくるのを待つ
  • 相手ホストは受け取り、受け取り印をつける
  • 送信ホストは受け取り印を確認し、通信終了

ＭＡＣアドレス（データリンク層用）＝物理アドレス

  • ＮＩＣ固有のアドレス
  • 48bit：ベンダコード24bit＋ベンダ割り当てコード24bit
  • ユニークだが、アドレスからどこにあるか特定できない（郵便における氏名のようなもの）

ＩＰアドレス（ネットワーク層用）＝論理アドレス

  • 32bit：ネットワーク部とホスト部からなる
    • クラスＡ
      • 0＋ネットワーク7bit＋ホスト24bit（先頭8bit：0〜127）
      • ネット数2^7、ホスト数2^{24} - 2
    • クラスＢ
      • 10＋ネットワーク14bit＋ホスト16bit（先頭8bit：128〜191）
      • ネット数2^{14}、ホスト数2^{16} - 2
    • クラスＣ
        • 110＋ネットワーク21bit＋ホスト8bit（先頭8bit：192〜255）
      • ネット数2^{21}、ホスト数2^8 - 2
  • 階層的なアドレスで、同一ネットワークのPCはすべて同一ネットワークアドレスをもつ（郵便における住所のようなもの）
  • 特別なIPアドレス
    • ネットワークアドレス
    • ブロードキャストアドレス
      • ホスト部のbitがすべて１＝特定のネットワークの全ホスト
      • 全bitが１＝ネットワークが特定できないとき
  • プライベートIPアドレス
    • ネットワーク内部で自由に使ってよい
    • クラスＡ：10.*.*.*
    • クラスＢ：172.16.*.*〜172.31.*.*
    • クラスＣ：192.168.*.*
CIDR（サイダー）
  • サブネットワーク
    • １つのネットワークを複数に分割
  • スーパーネットワーク
    • 複数のネットワークを１つに統合

ポート番号（トランスポート層用）

  • 通信先のプログラムを特定するための番号
  • 0〜65535のうち、0〜1023は特定のアプリケーションに割り当てられている（well-known port)

ネットワーク機器

レイヤ１
  • リピータ
    • 劣化した信号を再生する（延長コードの役割）
  • ハブ
    • あるポートに届いたデータを前ポートに送出（たこ足配線）
レイヤ２
  • ブリッジ
    • MACアドレスを調べて転送すべきか判断
    • 橋を越えないと届かない宛先だけ橋の向こう側へ転送
  • スイッチ
    • MACアドレスを調べて適切なポートに転送
    • ポートとMACアドレスの対応表を持ち、更新している
    • 衝突が減り、各ホストが帯域を活用できる
  • ポートＶＬＡＮ
    • スイッチの複数のポートを１つの仮想的なグループとして構成
  • 物理的な構成と無関係に論理的に切り離されたＬＡＮを実現
レイヤ３
  • ルータ
    • IPアドレスを調べて適切なポートに転送
    • ネットワークセグメント同士を接続する
    • 周囲のネットワークのルーティングテーブルを持つ
    • 特に、ハードウェア処理によりルーティングを行う高速ルータをレイヤ３スイッチという
ルーティングテーブル
  • 静的ルーティング
  • 動的ルーティング
    • ＲＩＰ（Routing Information Protocol）
      • 経由するルート数最小に
    • ＯＳＰＦ（Open Shortest Path First）
      • 帯域幅などの情報を共有し、最短経路選択
    • ＢＧＰ（Border Gateway Protocol）
      • （大規模）自立システム間（ＩＳＰなど）で利用するルーティングプロトコル

通信

  • 宛先と送信元のＭＡＣアドレスとＩＰアドレスが必要
ＭＡＣアドレス ＩＰアドレス
送信元 ＮＩＣから入手 ＲＡＲＰ、ＤＨＣＰ、管理者
宛先 ＡＲＰ ＤＮＳ
  • ＩＰアドレスの割り当て
    • 静的アドレッシング
    • 動的アドレッシング
      • ＲＡＲＰ：逆アドレス解決　ＭＡＣ→ＩＰ
        • 全ホストに「私のＩＰアドレスは？」と質問、ＲＡＲＰサーバが回答。他ホストは「しらね」と無視
      • ＤＨＣＰ：動的ホスト構成
        • アドレス空間を指定しておくとＤＨＣＰサーバが動的に割り当ててくれる
  • 宛先ＩＰの入手
    • ＤＮＳ
      • 各ドメイン名の階層構造ごとにＤＮＳサーバを持ち、管轄のＤＮＳサーバにＩＰアドレスを教えてもらう
    • 管轄のＤＮＳサーバがどこにあるかは上位のＤＮＳサーバが知っている
  • 宛先ＭＡＣの入手
    • ＡＲＰ：アドレス解決（ＩＰ→ＭＡＣ）
      • 送信元ホストのＡＲＰテーブル（アドレス帳）に宛先ホストが乗っていなければ宛先ＩＰアドレス宛にＭＡＣアドレスを質問する。回答きたらＡＲＰテーブルに書き込み。
      • しかし、ルータはブロードキャストメッセージを転送しない
      • デフォルトゲートウェイ（転送依頼するルータ）を使用して外のネットワークに転送させる

グローバルＩＰとプライベートＩＰの変換

  • ＮＡＴ（Network Address Translation）
    • プライベートアドレスとグローバルアドレスを１対１で相互変換
    • グローバルアドレスと対応付いているプライベートアドレスをルータ内に持ち、割り当てられているホストだけが部通信可能
  • ＰＡT（ＩＰマスカレード）（Port Address Translation）
    • ポート番号変換

IPv4とIPv6

>>覚えきれそうにないので省略<<

TCPとUDP

トランスポート層のプロトコル

  • TCP
    • コネクション型通信
    • 通信の信頼性保証のため、順序制御と欠損パケットに対する再送要求を行う。
    1. コネクション確立
      • 以下の手順で双方向のコネクション確立させる
      • 通信元→通信先：SYN（コネクション確立要求） シンクロナイズ（同期）
      • 通信先→通信元：ACK（SYNに対する確認応答）　アクノリッジ（承認）
      • 通信先→通信元：SYN（コネクション確立要求）
      • 通信元→通信先：ACK（SYNに対する確認応答）
    2. データ通信
      • データ送信→データ送信確認で信頼性確保する
      • データ送信のたびに確認応答を待っていると遅くなるので、まとめて一定のデータ量をまとめて送信する。（ウィンドウ制御）
    3. コネクション解放
      • 以下の手順で双方向のコネクション解放させる
      • 通信元→通信先：FIN（コネクション確立要求）
      • 通信先→通信元：ACK（FINに対する確認応答）
      • 通信先→通信元：FIN（コネクション確立要求）
      • 通信元→通信先：ACK（FINに対する確認応答）
  • UDP
    • コネクションレス型通信
    • 確認応答や誤り制御は行わないが、そのかわり伝送効率はよい
    • （データの信頼性はアプリケーション側で何とかしようという考え）
    • 音声や動画などのストリーミング配信に用いられる（多少欠落しても人間が補完できる情報）
コネクション型 コネクションレス型
コネクション確立→データ通信→コネクション解放 いきなり送信する
通信の信頼性保証 通信の信頼性保証されない
TCP、フレームリレー、ATMなど IP、UDPなど

障害管理プロトコル、コマンド

  • SNMP
    • 多数のネットワーク機器を効率よく管理するためのネットワーク障害監視用プロトコル
    • 監視対象機器上で動作するソフトウェア（エージェント）から起動、障害などの情報をサーバに通知
  • pingコマンド
    • IPパケットが到達可能か確認するために使用する
    • 内部的には、ICMPエコー要求と、エコー応答を利用している
  • traceroute（tracert）
    • 指定したホストに至るまでに経由したルータの情報、経路、接続までの時間を表示
    • 内部的には、IPパケット上の生存時間（TTL TimeToLive）＝ルーターを越えられる回数を１から順に増やし、各ルータからICMP時間超過メッセージを受信している
  • netstatコマンド
    • サーバとの接続状態や、送受信したパケット総数などネットワークの接続状態を表示する
  • fingerコマンド
    • fingerサービスを実行する指定のホストにおけるログインユーザの情報を表示
    • 最近ではプライバシーやセキュリティ上の理由からほとんど利用されていない

データ交換方式

  • 回線交換方式
    • 送受信間で通信経路を確立する方式（電話回線など）
    • 通信中は回線を占有する
  • 蓄積交換方式
    • 送信単位（パケット、メッセージ）ごとに通信経路を選択する方式
    • パケット交換方式
      • メッセージをパケットという単位で分割。各パケットに宛先情報を付与する。
      • 伝送遅延は大きいが、異なる通信速度や通信手順の端末間でも通信可能
    • メッセージ交換方式
      • メッセージに宛先情報を付与する。パケット単位に分割しない方式。
回線交換 vs パケット交換
送受信間で通信経路を確保 − パケット単位にデータ分割
接続中は回線占有するため回線効率低い ＜ パケット送信時のみ回線を使うので回線効率高い
同期転送 ＞ 非同期転送
大量データを一括伝送できる − 分割して少量ずつ送るが、複数相手と同時に通信可能
通信速度と手順が同一の端末間 ＜ 通信速度や手順が異なる端末間
伝送遅延が小さい ＞ 伝送遅延が大きく変動
伝送の信頼性・品質が高い ＞ 伝送の信頼性・品質が低い

Ethernet以外のプロトコル…

PPP（Point to Point Protocol）
ATM（Asynchronous Transfer Mode）非同期転送モード
  • データを５３バイトの固定長のセル単位のブロックに分割し、高速伝送する方式
  • 物理層、データリンク層、ネットワーク層にまたがるプロトコル。
  • 回線交換とパケット交換の両方の長所を取り入れている
    • 固定長のセルに分割することで回線の占有を会費
    • 通信開始時に仮想的な回線を確率
フレームリレー
  • 光ファイバーなどの高品質回線を使用することで謝り制御を簡略化し、可変長フレームで高速伝送するデータリンク層のプロトコル。
  • 伝送遅延が比較的小さく、フレームの伝送順序もパケットと同様保証される。

回線利用率

回線利用率＝単位時間に転送されたデータ容量／単位時間に転送でいるデータ容量
＝１秒間に転送されたビット数／回線速度