情報ネットワーク ( 基礎編 )

情報ネットワーク(基礎編) 岡村耕二 http://okaweb.ec.kyushu-u.ac.jp/lectures/in/

講義の進め方と単位認定について • Power Point と必要に応じて板書 • Power Point は配布する（インターネットからDownload もできる。) • Power Point にも、板書にも書かれない口頭のみの説明、話も多い。（特に最新のトピックスなど。） • 時々、演習問題を出す。演習問題に答えられるかどうかで理解度を自分で考えてほしい。 • 自習 • 図書館 • インターネットの検索エンジンの活用 • 誤った情報もあるので、３つくらいのサイトから調べること。 • 単位認定 • 試験のみで評価する。 • インターネットの基本的な知識を習得できていること • インターネットの仕組みついて、まま、正確に説明できること • インターネットについて考察ができること情報ネットワーク

インターネットの基本的な知識を習得できていることインターネットの基本的な知識を習得できていること • 7階層の知識 • イーサネット動作原理 (第２層） • IP　一般 (第３層） • 歴史 • アドレス • 経路制御 • TCP/UDP (第４層) 情報ネットワーク

インターネットの仕組みついて、まま、正確に説明できることインターネットの仕組みついて、まま、正確に説明できること • 例えば、、、、 • 郵便物が配送される仕組みは説明できると思う。 • 同様に、電子メールが配送される仕組み、Web でデータを取得できる仕組みを、基礎知識による用語を用いて説明できるはず。情報ネットワーク

インターネットについて考察ができること • 基本的な知識があって、仕組みが理解できていれば、 • インターネットアクセスがどうして速かったり、遅かったりするのか • インターネットのセキュリティ問題はどうしてたびたび取り上げられるのか • などの説明、考察ができるはず。情報ネットワーク

目次 • 階層とプロトコル • インターネットの歴史 • データリンク・ネットワーク層での通信の仕組み情報ネットワーク

通信（伝達）における階層モデルとプロトコル通信（伝達）における階層モデルとプロトコル • 階層モデル • 上下、上～より具体的、下～より抽象的 • カプセル化 • プロトコル • 同じ階層間の約束プロトコル CD・DVD・本 CD・DVD・本プロトコルケース・包装ケース・包装プロトコル封筒封筒情報ネットワーク

プロトコル アプリケーション層アプリケーション層プロトコルプレゼンテーション層プレゼンテーション層プロトコルセッション層セッション層プロトコルトランスポート層トランスポート層プロトコルネットワーク層ネットワーク層プロトコルデータリンク層データリンク層プロトコル物理層物理層階層とプロトコル　（ＯＳＩ　参照モデル）情報ネットワーク

7層の概略(IT辞典 http://e-words.jp) • アプリケーション層 • データ通信を利用した様々なサービスを人間や他のプログラムに提供する。 • プレゼンテーション層 • 第5層から受け取ったデータをユーザが分かりやすい形式に変換したり、第7層から送られてくるデータを通信に適した形式に変換したりする。 • セッション層 • 通信プログラム同士がデータの送受信を行なうための仮想的な経路(コネクション)の確立や解放を行なう。 • トランスポート層 • 相手まで確実に効率よくデータを届けるためのデータ圧縮や誤り訂正、再送制御などを行なう。 • ネットワーク層 • 相手までデータを届けるための通信経路の選択や、通信経路内のアドレス(住所)の管理を行なう。 • データリンク層 • 通信相手との物理的な通信路を確保し、通信路を流れるデータのエラー検出などを行なう。 • 物理層 • データを通信回線に送出するための電気的な変換や機械的な作業を受け持つ。ピンの形状やケーブルの特性なども第1層で定められる。情報ネットワーク

物理層 • 隣接しているシステムは通常、ツイストペアケーブル、同軸ケーブル、光ファイバなどで結合されてる。上位層から渡されてきたデータは最数的にこれらの伝送メディアを通る信号に変換される。物理層は、隣接しているシステム間で、これらの伝送メディアを利用して、デジタルで表現されたデータ（０と１からのビット列）の伝送機能を提供する。物理層のプロトコルでは、ビット列をどのような電気的信号に変換するかという規則や、ピンやケーブルの特性・形状などが規定されている。 • 代表的なプロトコルとして、モデムの規格を規定した ITU-TのVシリーズ(56Kモデムの標準規格 V.90 など)、モデムなどのデータ回線終端装置(DCE: Data Circuit-terminate Equipment)とパソコンなどのデータ端末装置 (DTE: Data Terminal Equipment) の規格である RS-232C などがある。情報ネットワーク

データリンク層 • 通信相手のシステムが隣接している場合には、一般に公衆パケット交換網や専用線などで直接的に一対一でつながっている場合と、LAN　の場合のように他の多くのシステムと伝送メディアを共有している場合がある。データリンク層は、どちらの場合においても、隣接しているシステム間で上位層から見て透過的な伝送路を提供する。 • 確実な伝送のために、ビット列をフレームに分解し、先頭部分にデータを元通りに復元するための情報を付加する。このヘッダ情報を利用して、伝送路上で誤りが発生したときに、それを検出して再送によって誤りを回復したり、データの順序の制御やフロー（データの転送）の制御を行う。 • 代表的なプロトコルとしては、公衆パケット交換網や専用線などの広域網によるコンピュータ通信を想定した　HDLC (High-Level Data Link Control Procedure) や LANに用いられる LAN LLC/ MAC (Logical Link Control. Media Access Control)がある。情報ネットワーク

ネットワーク層 • 通信相手のシステムが隣接していない場合は、中継開放型システムを利用して通信を行う必要がある。ネットワーク層では、一つあるいはそれ以上の数のネットワークを介して、実際にデータを交換する終端システム間の通信路の提供を行う。基本的には、相手を指定するアドレッシングと伝達経路を決めるルーティングの二つの機能を持つ。また、誤り検出・順序制御・フロー制御の機能も持つ。 • 代表的なプロトコルに IP (Internet Protocol)や ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication standardization sector)の X.25パケットレベルがある。情報ネットワーク

トランスポート層 • セッション層より上位では，個々の応用プロセスが処理を実現するのに必要な情報が、メッセージ単位まで分割される。トランスポート層以下は、このメッセージを通信相手の応用プロセスまで、詳細な伝達手段を意識せずに、確実に送り届ける機能を果たしている。 • トランスポート層では、両端のコンピュータシステム内で機能してるアプリケーションプロセス間で、データ送信の保証をすることができる。データ通信の保証のために、通信エラーの検出や回復の機能を持つ。また、上位層が要求するスループットや伝送遅延などのサービス品質(QoS: Quality of Service)　を保証する。 • 代表的なプロトコルに、インターネットにおける誤りのないコネクション型サービスTCP (Transmission Control Protocol) や、動画像などを伝送するための効率の良いコネクションレス型サービス UDP (User Datagram Protocol) などがある。情報ネットワーク

セッション層 • 通信を利用する応用プロセス間では、送信側が受信側に簡単なデータを転送して、それで処理が終了するという場合はほとんどない。応用プロセス間では相互に頻繁に、場合によっては同時にデータを交換する必要が生じてくるので、送信順序や同期の制御を行う機能が必要である。セッション層では、このような応用プロセス間の対話の制御を行う。 • 会話型の応用では、受信処理と送信処理が入れ替わって行われるが、接続しているアプリケーションプロセスのどちらかがそれぞれ実行する順番であるかを明らかにしたり、交互に半二重で行うか、全二重で行うのか、どちらあコネクションを開放するのかなどを制御する。情報ネットワーク

セッション層(続き） • また、ファイル転送のように、一方向に大量のデータを転送する場合に、転送エラーに備えて、転送データの途中に同期店を挿入し、誤りが起きた場合にその同期点から転送をやり直す機能を提供する。情報ネットワーク

プレゼンテーション層 • アプリケーション層で交換される情報は、ファイルの操作や仮想的な端末の機能などのいわゆる意味を扱うものである。特定の意味を担うメッセージが通信相手に伝送されるためには、共通の形式を決めておく必要がある。プレゼンテーション層の役割は、この形式を定め、意味を表現しているアプリケーションやユーザが可読なデータ形式から、伝送に適したデータ形式への変換（および逆変換）を行うことである。（抽象構文、転送構文） • 抽象構文は意味内容を示すセマンティックスに関連するものであり、プレゼンテーション層で伝達する転送構文は、意味には関与せずに、形式だけを扱うシンタックスに関連するものである。情報ネットワーク

物理層 情報ネットワーク

データリンク 情報ネットワーク

ネットワーク 情報ネットワーク

トランスポート 一度に複数の人としゃべったり相手によってゆっくりしゃべったり、一度にたくさんしゃべったり情報ネットワーク

セッション 情報ネットワーク

プレゼンテーション 日本語ドイツ語英語情報ネットワーク

典型的な構成（近距離） アプリケーションプレゼンテーションセッショントランスポートネットワークデータリンク物理情報ネットワーク

典型的な構成(長距離) アプリケーションプレゼンテーションセッショントランスポートネットワークデータリンク・物理データリンク・物理情報ネットワーク

典型的な構成(広域) 情報ネットワーク

物理層 • ビット列 • 64Kbps, 1Gbps • 電圧などの電気的条件 • リンクがあがる情報ネットワーク

物理層 (RJ45) 情報ネットワーク

物理層 • ケーブルそのものではない • 物理層　→　ビット列 • 001000111100010001001110 • 標準化された物理層の規格にあったケーブル • デジタルであることが前提 • メタルケーブルは必ずしも物理層ではない • アナログケーブルは通信とは関係ない情報ネットワーク

Protocol for Ethernet 作成: 中村遼 (大学院情報科学府)

データリンク層 • ビットパターンをフレーム • 8ビット＝１バイト • 001000111100010001001110 • 00100011 11000100 01001110 • 23 C4 4E • 送り元・あて先という概念 • イーサネット • MAC アドレス(48bit) • 00:50:56:8A:00:00 • ベンダ固有　24bit • 最初の 24bit を見ればメーカの察しがつく • 同一物理ネットワーク間のみ • スイッチングハブ • Ｌ２　スイッチ情報ネットワーク

ＵＮＩＸの　ifconfig　コマンド $ ifconfig vmnet1 vmnet1 Link encap:Ethernet HWaddr 00:50:56:8A:00:00 inet addr:192.168.34.1 Bcast:192.168.34.255 Mask:255.255.255.0 UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1 RX packets:223989 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:247923 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:100 ＭＡＣアドレスは、ＬＡＮアダプタ固有である。情報ネットワーク

ＭＡＣ　アドレスからベンダを調べる • http://coffer.com/mac_find/ 情報ネットワーク

データリンク層通信 • MAC アドレス：　イーサネットカード固有 • イーサネットカードは自分の　MAC アドレスのフレームのみを受信する • ハードによる処理 • ＯＳ　によらない情報ネットワーク

CSMA/CA (Carrier Sence Multiple Access with Collision Avoidance) • 搬送波感知多重アクセス/衝突回避方式の略で、無線LANに用いられているアクセス制御方式 • 通信が行われていなければ、DIFS(Distributed coordination function Initial interFrame Space) ＋ランダム時間待ち、送信を開始する • 送信データを受け取ったときにack(応答メッセージ)を送信することで、データの送信エラー(衝突)を検出する • ackメッセージを受け取らなかった場合、再送する資料作成者：原田義明

データリンク層通信 • 通信容量：フレームの流量 • ＣＳＭＡ／ＣＤ • スイッチによって関係ない部分にフレームが出ないようにできる。 • 関係ない部分→　MAC アドレスで判断情報ネットワーク

スイッチ • ブリッジ • MACアドレスを記憶し、通信を制御（CAMテーブル） • フレーム読み取りの分だけ遅延が発生する • ブロードキャストを止めることはできない • スイッチ • ストア＆フォワード形式 • スイッチ内のメモリにデータをストアし、データの衝突を防ぐ • フレーム読み取りの分だけ遅延が発生する • ブロードキャストを止めることはできない • 全二重回線（送信・受信の回線を分ける）が可能資料作成者：原田義明

データリンク層通信 • ブロードキャストフレーム • 無条件に受信する。 • 受信したあと • ＯＳ　によって吟味され不要なら破棄される • 他のコンピュータのＣＰＵを浪費させる情報ネットワーク

データリンク層通信 • ＭＡＣアドレスの登録 • 登録されたＭＡＣアドレスだけ通過する設定により許可されていないホストの通信を防ぐことができる。情報ネットワーク

ＶＬＡＮ • スイッチの技術発展により、大きなネットワークの構築が可能になった • ブロードキャストドメインの巨大化ブロードキャストドメインを仮想的に分割したい VLAN (Vertial LAN) 資料作成者：原田義明

ＶＬＡＮ • 仮想的にネットワークを構築する技術 • レイヤ２スイッチでブロードキャストドメインを分割ＶＬＡＮ１ＶＬＡＮ２資料作成者：原田義明

ダイナミックＶＬＡＮとトランクリンク • Cisco独自のものと、IEEE標準のものがある • ISL(Inter-Switch Link) • Cisco独自のカプセル化プロトコル • IEEE802.1Q • IEEE標準のタギングプロトコル ISL IEEE802.1Q 資料作成者：原田義明

ネットワーク層 • インターネットの重要な階層 • IPv4、IPv6 • 通信の単位：　パケット • スイッチング・ルータ、L3スイッチ情報ネットワーク

ルータとスイッチングルータ • ルータ • ネットワーク層でパケット交換 • スイッチングルータ • 2.5層でフレーム交換 • L3スイッチ • 機能（経路制御など）は変わらない。情報ネットワーク

ネットワーク層 • 経路制御 • 同一物理ネットワークを越えた通信 • ルータ • IP アドレス • IPv4: 32bit • 133.5.1.1 • IPv6:128bit • 3ffe:501:2c24:a00:202:e3ff:fe00:10c5 • 2001:248:180:300:202:e3ff:fe00:14ea • IP アドレス • ネットワークアドレス＋ホストアドレス情報ネットワーク

ＩＰアドレス • 九州大学内のサブネットマスクは基本的に、２４ビット • ネットマスク　255.255.255.0 • １３３．５．Ｘ．０ • ネットワーク識別子 • １３３．５．Ｘ．２５５ • ブロードキャスト識別子 • １３３．５．Ｘ．１　～　２５４ • ホスト識別子情報ネットワーク

ＩＰアドレス • 32ビット • １３３．５．１．２ • １３３＊２５６＾３＋５＊２５６＾２＋１＊２５６＋２ • 2231697666 $ ping 2231697666 PING 2231697666 (133.5.1.2): 56 data bytes 64 bytes from 133.5.1.2: icmp_seq=0 ttl=249 time=106.0 ms http://2231697666 情報ネットワーク

クラス A,B,C クラスA 01000000101010000000101000100001 クラスB 10000000101010000000101000100001 クラスC 11000000101010000000101000100001 情報ネットワーク

クラス A クラスA 01000000101010000000101000100001 • ネットワークアドレス • 1.0.0.0 – 127.0.0.0 • ホストアドレス • 1.0.0.1 – 1.255.255.254 情報ネットワーク

クラス B クラスB 10000000101010000000101000100001 • ネットワークアドレス • 128.0.0.0 – 191.255.0.0 • ホストアドレス • 128.0.0.1 – 128.0.255.254 情報ネットワーク

クラス C クラスC 11000000101010000000101000100001 • ネットワークアドレス • 192.0.0.0 – 223.255.255.0 • ホストアドレス • 192.0.0.1 – 192.0.0.254 情報ネットワーク

情報ネットワーク ( 基礎編 )

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