2003年度 情報通信ネットワーク 第１章 ネットワーク基礎知識 編集者 東京理科大学 工学部 経営工学科 4401044 清水 良太 4401091 山本 博人 1 目次（１） 1.1 コンピュータネットワーク登場の背景 担当：清水 良太 1.2 コンピュータとネットワークの発展の６つの段階 担当： 山本 博人 1.3 プロトコルとは 担当：山腰 諒一 1.4 プロトコルの標準化 担当：山腰 諒一 2 目次（２） 1.5 プロトコルの階層化とOSI参照モデル 担当：杉山 崇則 1.6 OSI参照モデルによる通信処理の例 担当：伊藤 正人 1.7 通信方式の種類 担当：村山 徹之 1.8 ネットワークの構成要素 担当：田島 紀幸 関 洋平 3 １．１ コンピュータネットワーク 登場の背景 学籍番号 氏名 4401044 清水 良太 4 コンピュータ普及と多様化 技術発展 小型化 高性能化 低価格化 多様化 一般家庭にも普及 5 コンピュータの多様化 大型汎用コンピュータ スーパーコンピュータ ミニコンピュータ パーソナルコンピュータ ワークステーション ノートブックコンピュータ 6 スタンドアロンから ネットワーク利用へ スタンドアロン ⇒ コンピュータネットワーク WAN , LANの発達 プリンターなどハードの共有 データなどの共有 ※スタンドアロン ・・・ コンピュータを単独で使用すること 7 コンピュータ通信から 情報通信環境へ 1980年以前 1980年代後半 私的ネットワーク 私的ネットワーク間の相互接続 1990年代 インターネットの普及 8 情報ネットワークの役割 人間の神経のような役割 情報の伝達媒体 9 １.２ コンピューターとネットワーク 発展の6つの段階 学籍番号 氏名 4401091 山本 博人 10 コンピューターとネットワーク 発展の6つの段階 バッチ処理(Batch processing) タイムシェアリングシステム(TSS) コンピュータ間通信 コンピュータネットワークの登場 インターネットの普及 インターネット技術中心の時代へ 11 バッチ処理(Batch processing) 処理すべきプログラムなどを一定時間蓄積し，ま とめて一括処理する方法 多くの人がコンピュータを利用できるようになった が，誰もが手軽にコンピュータを扱えるというわけ ではなく，ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑやデータを持って計算機セン ターに行き，専門のオペレーターに依頼しなけれ ばならなかった。 12 タイムシェアリングシステム(TSS) １台のコンピュータに複数の端末が接続（1960年代） OSが複数のﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑを短い時間で切り替えながら処理する 仮想的に１人１台のコンピュータを専有することが可能となる インタラクティブ（対話的）な操作も可能となる コンピュータと対話的にプログラミングを行うBASICというプロ グラミング言語が開発され，より多くの人がプログラミングを 学ぶようになった。 13 コンピュータ間通信 コンピュータ間で通信を行う技術が開発される （TSSはコンピュータと端末が回線で結ばれていただ け） コンピュータ間のデータ転送が瞬時で可能となる 複数のコンピュータによる分散処理も行われる 利用者の目的や規模にあった柔軟なシステムの構築 や運用が可能となる 14 コンピュータネットワークの登場 1970年代初期 パケット交換技術によるコンピュータネットワークの実験が行われる 異なるメーカのコンピュータ同士でも相互通信を可能にする技術が 研究されるようになった 1980年代 色々な種類のコンピュータが相互に接続できるコンピュータネットワーク が登場 複数のﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑなどをウィンドウごとに割り付け，次々と切り替えて実行 できる，｢ウィンドウシステム｣が登場 ウィンドウシステムとネットワークが結びついたことにより，自分の机の 前にいながらあちこちに散在するコンピュータ資源を活用できるように なった。 15 インターネットの普及 1990年代 ダウンサイジング，マルチベンダ接続といった，異なるメーカーのコン ピュータを相互に接続し，安価にシステムを構築しようという流れを実 現するためにインターネット技術が使われはじめた WWW（World Wide Web）による情報公開と，そのサービスを受けるweb ブラウザ，インターネットメールが企業や一般家庭に急速に普及し始め た 以前は単独（スタンドアロン）でデータ処理や計算に使う道具だった パーソナルコンピュータも，主にインターネットに接続する道具として使 う人が多くなってきた。 16 インターネット技術中心の時代へ インターネットは別々に発展してきた多くの技術をすべて インターネットに取り込む方向に進んでいる。 例：もともと電話網の上に構築されていたインターネットだが，立場 が逆転し，インターネットの技術を利用したIP網の上に電話や テレビ放送，インターネットが構築されるようになってきている。 インターネットにつながれるのもいわゆる｢コンピュータ｣ だけではなく，携帯電話，家電製品などがつながれるよう になっていき，今後はありとあらゆる物がつながれるよう になっていくだろう。 17 すべての鍵をにぎるTCP/IP TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)すなわち，インターネット技術には，別々に 発展してきた様々な通信技術を一つに統合する応用 性がある。 18 1.3 プロトコルについて 学籍番号 氏名 4401088 山腰 諒一 19 プロトコルについて プロトコルの集合体がコンピュータであると いてよい コンピュータとコンピュータがネットワークを 利用して通信する時の約束事である 20 パケット交換とプロトコル 大きなデータをパケットという小さな単位に 分けて送信する方法です 21 会話とプロトコル プロトコル＝言語（日本語、英語） 通信＝communication データ＝話の内容 違いは人間のように応用力がないので、き ちんとしたルールが必要である 22 1.4 プロトコルの標準化 学籍番号 氏名 4401088 山腰 諒一 23 プロトコルの標準化へ １.コンピュータ会社が独自のプロトコルを 開発したために他社と通信することがで きなくなった ２.ISOがOSIを標準化した 24 1.5 プロトコルの階層化と OSI参照モデル 学籍番号 氏名 4401045 杉山 崇則 25 プロトコルの階層化とは 通信に必要な機能をいくつかの階層に分 けること 複雑なネットワークプロトコルを単純化 26 エンティティ 階層ごとの機能を実現する実態 各階層は下位層から特定のサービスを受 け、上位層に特定のサービスを提供する 27 インタフェースとプロトコル インタフェースとは上位層と下位層の間で の約束事 プロトコルとは通信相手の同位層との約束 事 28 階層化のモデル 29 階層化することの利点と欠点 各階層を独立に扱うことができ、拡張性や 柔軟性に富むシステムを構築できる それぞれの階層のプロトコルの実装が容易 になり、責任と役割が明確になる 処理が重くなったり、似たような処理をする という無駄な作業を行ったりしてしまう 30 OSI参照モデルとは 31 アプリケーション層（第7層） 通信に関するアプリケーションに特化している ファイル転送(FTP)や、電子メール(SMTP,POP3)、 リモートログイン(telnet)などの通信を実現する 32 プレゼンテーション層（第6層） アプリケーションが扱う情報を通信に適した形式 にする 逆に、通信で扱う形式をそれぞれのアプリケー ションに適した形式にする。 33 セッション層(第5層） コネクション（データの流れる論理的な通信路） の確立、切断など、データ転送に関する管理 トランスポート層（第4層）以下の管理 34 トランスポート層（第4層） 両端ノード（終端のPCなどの機器)間のデータ転 送管理と、信頼性の確保 35 ネットワーク層（第3層） 宛先までデータを届ける役割 データを届けるときの経路を決める アドレスの管理 36 データリンク層（第2層） 下位の物理層で直接されたノード間での 通信を可能にする 0,1の数列を意味のあるかたまり（フレー ム）に分けて相手に伝える（フレームの生 成と受信） 37 物理層（第1層） 0,1を電気信号や光信号に変換したり、 もどしたりする。 38 まとめ プロトコルの階層モデルはエンティティ、 インタフェース、プロトコルから成り立っ ている 特に、OSI参照モデルは7つのエンティ ティから成り立っているモデルである。 39 1.6 OSI参照モデルによる 通信処理の例 学籍番号 氏名 4401011 伊藤 正人 40 ７階層の通信 送信側 上位層から下位層へデータが伝えられる （アプリケーション層 → プレゼンテーション層 → …） 受信側 下位層から上位層へデータが伝えられる （物理層 → データリンク層 →…） 41 各階層での処理 送信側 上位層から渡されたデータに自分の階層のプロ トコル処理に必要な情報をヘッダとしてつける データ ヘッダ → データ ヘッダ 受信側 受信したデータをヘッダと上位層へのデー タに分離してデータを上位層に渡す 42 電子メールを送る場合（アプリケーション層） 「おはようございます」と文章を入力する → 通信に関係ない部分 内容を送信する（送信ボタンを押す） ホストAのアプリケーション層は、ホストBの アプリケーション層と通信して電子メールを 格納するという処理 アプリケーション固有のエラー処理 43 プレゼンテーション層の役割 データ送受信時の問題 → 機種の違うコンピュータや使用するソフトウェア によってデータの表現形式が違うので受信した データが意味の分からないものになる。 異種機種間でもデータの整合性をとる事が必要 「コンピュータ固有の表現形式」から「ネットワー ク全体で共通の表現形式」に変換 プレゼンテーション層間でデータの符号化方式 を識別するために、ヘッダが付けられる 44 セッション層の役割 データを送信するためにホストAからホストBへ 通信路を確保し、幾つもあるデータの送信方法 から１つを選ぶ必要がある 効率よい送信方法を判断して制御したり、コネク ションを確立するタイミングやデータを転送するタイ ミングを管理する プレゼンテーション層間でデータの符号化方式を識 別するために、ヘッダが付けられる 45 トランスポート層の役割 データを確実に相手に届ける 終端のホストの間で仮想的な通信回線をつくるためにコ ネクションの確立や切断の処理を行う 通信するコンピュータ間でデータがきちんと届いたかどう か確認し、届かなかった場合は届かなかったデータの再 送をする パケットの番号などの情報を含むヘッダがデータにつけ られる 46 ネットワークその役割 ネットワークとネットワークが接続された環境で 送信ホストから受信ホストまでパケットを配達する 送信には全世界のネットワークで一意に決まる番号を 使ったアドレスをもとにパケットの配送処理が行われる ネットワーク層の上位層から渡されたデータに、アドレス 情報などを付けてデータリンク層に送る 47 データリンク層と物理層の役割 データリンク層の役割 通信媒体で直接接続された機器同士で、データのやり取りを できるようにする 物理層の役割 データの０や１を電圧やパルスに変換して、物理的な通信 媒体に流し込む 48 １．７ 通信方法の種類 学籍番号 氏名 4401401 山村 徹之 49 １．７．１ コネクション型と コネクションレス型 コネクション型 通信をする前にコネクションというロープを張り、 その ロープを利用してデータを送っている ATM,フレームリレーなどのプロトルコがある 長所・・・相手が通信可能な場合には無駄なパケットを送 らずに済む。信頼性が高い 短所・・・毎回通信の前後にコネクションの確立と切断と 切断の処理を行う必要がある。さまざまな手続 きを踏むので作業負担が大きい。 50 １．７．１ コネクション型と コネクションレス型 コネクションレス型 情報を今から伝えるということを相手に知らせずにデータ を送信している。 イーサネットやIP,UPDなどのプロトコルがある。 長所・・・相手に届かない場合にも通信できる。手続きや 決められたことを省略できる。 短所・・・情報が確かに相手に届くことは保証されないし、 届いたとしても到着順は保証されません。 51 １．７．１ コネクション型と コネクションレス型 コネクション型と コネクションレス型 １、コネクション型 送るよ いいよ 受信者 送信者 データ ロープを張り、データを送信している。 ２、コネクションレス型 受信者 データ 送信者 送信者の都合で突然送信している。 52 １．７．２ ユニキャスト マルチキャスト ブロードキャスト ユニキャスト 相手が１つの場合つまり、１対１で通信する場合。最も基 本的な技術であり、マルチキャストやブロードキャストの 技術のベースとなっている。 短所・・・複数の送信する場合に回線や機器に負荷がか かる。同時に発信することができないため到着時間に差 ができる。 １対１ PC PC 53 １．７．２ ユニキャスト マルチキャスト ブロードキャスト マルチキャスト 特定のグループ内での通信する場合。電子会議などリア ルタイムに作業を行う場合に利用されています。 長所・・・回線やルータの負担が軽減される。 PC 特定のグループ内の通信 PC PC PC 54 １．７．２ ユニキャスト マルチキャスト ブロードキャスト ブロードキャスト データを送信する対象となるのは相手コンピュータは、 ネットワーク上のすべてのコンピュータになります。主に 電光掲示板や広告の配信などに利用されています。 長所・・・ユニキャストに比べて回線への負担が少ない。 短所・・・データを必要としないパソコンにも負担がか かってしまう。 すべてのコンピュ－ター PC （同じデータリンク内に限られる） PC PC PC 55 １．７．３ 回線交換とパケット交換 回路交換 通信を始める前に回線を確保してから情報の伝送を 始める方法。一度コネクションを確立するとコネクショ ンを切断されるまでその回線は占有利用されます。 長所・・・ 送信したデータの順序が守られ受信できる。 途中でデータが無くなることはない。 短所・・・ 交換機関の回線数よりも通信を希望する数 が多くなると通 信ができなくなってしまいま す別の人と回線を接続したい場合、いったん 切って接続しなければならない。 56 １．７．３ 回線交換とパケット交換 パケット交換型 データ通信において、データをある大きさのパケッ ト（ひとかたまりのデータ）に区切り、パケットごと に宛先アドレスやデータ属性、エラーチェックコー ドなどを付けて、通信媒体上へ送出する方法。 長所・・・たくさんの通信で回線を共有できる。 接続の手続きは必要ない。 短所・・・送信したデータの順序は変わる可能性が ある。 途中でデータが無くなることがある。 到着時刻が遅れる。 57 １．７．３ 回線交換とパケット交換 回線交換型とパケット交換型 １、回線交換型 入線 出線 ２、パケット交換型 入線 出線 58 参考文献 TCP/IP コンピューティング入門 オーム社 村山公保著 TCP/IPがわかる本 毎日コミニューケーションズ 栗林 克明著 http://www.katayama.nuee.nagoyau.ac.jp/~okada/lecture/ice2a/aloha/node3.html http://www.soi.wide.ad.jp/class/20020006/slides/01/20. html http://yougo.ascii24.com/gh/12/001240.html 59 1.8 ネットワークの構成要素 ４４０１０４７ ４４０１０５３ 関 田島 洋平 紀幸 60 接続するためのハードウェア 通信媒体 1. 同軸ケーブル 2. ツイストペアケーブル 3. 光ファイバーケーブル ネットワーク機器 1. ネットワークインタフェース 2. リピータ 3. ブリッジ 4. ルータ 5. ゲートウェイ 61 LANに使われるケーブルの特徴 最大速度 同軸ケーブル 伝道距離 適用LAN 数M～数百Mビット/秒 185ｍ～数十ｋｍ 比較的大規模 ツイストペアケーブル １００Mビット/秒 光ファイバーケーブル 数百Mビット/秒 数百ｍ程度 小規模 最大１００ｋｍ程度 大規模、高速 62 ネットワークインタフェース コンピュータをネットワークに接続するため に必要 10BASE-T 100BASE-TXのポート(LANポート) イーサネットのNICを拡張スロットに増設 63 リピーター OSI参照モデルの第1層の物理層の中継 データを増幅して送り出す装置 エラーパケットや同じセグメント内の通信も 中継してしまう 64 ブリッジ/レイヤ２スイッチ OSI参照モデル第２層（データリンク層）の 中継 特徴 種類 変換型ブリッジ レイヤ２スイッチ 65 ルーター/レイヤ３スイッチ OSI参照モデルの第３層(ネットワーク層)の 中継 特徴 レイヤ３スイッチ 66 ゲートウェイ OSI参照モデルのトランスポート層からアプリ ケーション層に位置する 特徴 使用用途 67 まとめ リピーターは物理層 ブリッジはデータリンク層 ルーターはネットワーク層 ゲートウェイはトランスポート、セッション、 プレゼンテーション層、アプリケーション層 68
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