コンピュータネットワーク基盤の要点

第1章概要

コンピュータネットワーク

コンピュータネットワークは、主にいくつかの汎用のプログラム可能なハードウェアによって相互接続されており、これらのハードウェアは特定の目的を達成するために特に使用されていません。
コンピューターが提供するサービス

接続と共有
パケット転送

メッセージはグループ化され、ヘッダーが追加され、ルーターによって保存および転送され、宛先でマージされます。
回線交換、メッセージ交換、パケット転送の違い
- 回線交換：合意された通信リソースにより、エンドツーエンドの通信品質が確実に保証され、連続する大量のデータに対して効率が高くなります。
- メッセージ交換：伝送ブロードバンドを予約する必要はなく、セグメントごとの伝送ブロードバンドの動的な使用は、バーストデータに対して非常に効率的です。
- パケット転送：高効率、高速、小さなパケット、柔軟なルーティング、優れたネットワークの存続可能性
インターネットとインターネット
- インターネット：インターネット、特定のプロトコルなしで、複数のコンピュータネットワークによって形成されたネットワーク
- インターネット：インターネット、特にTCP / IPプロトコル
コンピュータネットワークの種類
- ワイドエリアネットワーク、メトロポリタンエリアネットワーク、ローカルエリアネットワーク、パーソナルネットワーク
- 公共のネットワーク
コア部分とエッジ部分
- コア部分：ルーターで構成され、エッジ部分にサービスを提供します
- エッジ部分：ホストで構成され、ユーザーは情報を直接処理して共有します
なぜ階層化されたネットワークアーキテクチャ
- 各層は独立しており、上位層は実装方法を気にせずに次の層が提供するサービスを利用できます。
- 優れた柔軟性。1つのレイヤーが変更されても、インターフェイスの関係は変更されず、他のレイヤーは影響を受けません。
- 構造を分離することができ、各層は最適な技術によって実現することができます
- 実装と保守が簡単
- 標準化を促進できる
契約とサービス
- プロトコルの実装により、サービスが上位層に提供され、上位層は下位層のサービスを確認できますが、合意は確認できません。
- プロトコルは「水平」であり、プロトコルは2つのピアエンティティ間の通信を制御するルールです。サービスは「垂直」であり、下位層は上位層にサービスを提供します。
ネットワークプロトコル
- 構文：データおよび制御情報の構造または形式
- セマンティクス：送信する必要のある制御情報の種類、完了するためのアクションと応答の種類
- 同期：イベントが実装される順序の説明
5層プロトコルアーキテクチャ
- 物理層：ビットストリームの透過的な伝送
- データリンク層：2つの隣接ノードの回線上のエラーのない伝送フレーム
- ネットワーク層：適切なルートを選択し、パケットを転送します
- トランスポート層：上位層プロセスとの通信に信頼性の高いエンドツーエンドサービスを提供します
- アプリケーション層：ユーザーのアプリケーションプロセスにサービスを直接提供します

第2章物理層

用語集
- データ：情報を運ぶエンティティ
- 信号：データの電気的または電磁的表現
- 単方向通信：通信の一方向のみで、逆方向はありません
- 半二重通信：受信者は同時に送信と受信を行うことはできません
- 全二重通信：両方の受信機が同時に送信および受信できます
- ベースバンド信号：ソースから、さまざまなテキスト画像を表す出力データ信号
- バンドパス信号：キャリア変調後のベースバンド信号
物理層インターフェースの特徴
- 機械的性質
- 電気的特性：電圧範囲
- 機能特性：特定のレベルの意味
- 手順の特徴
伝送メディア
- ツイストペア：STPシールド付きツイストペア、UTPシールドなしツイストペア
- 同軸ケーブル
- 光ケーブル
- ワイヤレス伝送
チャネル多重化技術

チャネルを共有するには、チャネルの使用率を最大化します

周波数分割、時分割、コード分割、波分割
ADSLテクノロジー、HFC、FTTxアクセステクノロジー

ADSLはデジタル技術を使用して既存のアナログ電話を変換し、低コストで簡単に実装できるブロードバンドサービスを提供できるようにします。HFCは非常に広い周波数帯域を持ち、FTTxは高コストです。

第3章データリンク層

データリンクとリンクの違い

リンクは、ノードから隣接ノードへの物理的な線です。

データリンクには、いくつかの実装手順、プロトコルハードウェアおよびソフトウェアも必要です。
データリンク層のリンク制御にはどのような機能が含まれていますか？データリンク層で信頼性の高いリンクを作成することの長所と短所について話し合います
- フレームにカプセル化、透過送信、エラーチェック

干渉が激しいチャネルの場合、信頼できるリンク層は再送信範囲をローカルリンクに制限できます
- 高品質のチャネルの場合、信頼性の高いリンクを使用すると、リソースのオーバーヘッドが増加し、伝送効率に影響します。
データリンク層は信頼性の高いリンク層になります。つまり、送信元ホストから宛先ホストまでの通信パス全体の各リンクの通信は信頼できます。これの利点は、ネットワーク内の特定のノードが送信のエラーをできるだけ早く見つけることができるため、データリンク層での再送信によってエラーを修正できることです。データリンク層が信頼できるリンク層として作成されていない場合、ネットワーク内のノードが受信フレームにエラーがあることを検出すると（データリンク層が信頼できるように作成されているかどうかに関係なく、このエラーチェック手順は次のようになります。常にはい）、エラーのあるフレームのみが破棄され、エラーのあるフレームを再送信するように送信ノードに通知されません。宛先ホストの高レベルプロトコル（たとえば、トランスポート層プロトコルTCP）がこのエラーを検出した場合にのみ、エラーのあるデータを再送信するように送信元ホストに通知します。ただし、現時点では手遅れであり、より多くのデータ（エラーのないデータを含む）が再送信される可能性があり、これはネットワークリソースの浪費です。

ネットワークアダプタの役割
- アダプターとローカルエリアネットワーク間の通信は、ケーブルまたはツイストペアを介したシリアル伝送で実行されますが、アダプターとコンピューター間の通信は、コンピューターのマザーボード上のIOバスを介したパラレル伝送です。したがって、アダプタの重要な機能は、データのシリアル伝送とパラレル伝送の変換を実行することです。
- データリンク層と物理層での作業
PPPプロトコルの機能
- シンプル（CRCチェック、正しい場合は受け入れる、エラーがある場合は破棄）、信頼性の低いデータグラムサービスの提供、エラー検出、エラー訂正なし、シリアル番号なし、フロー制御なし、複数のタイプのリンクのサポート
- 全二重リンク
- 回線品質がそれほど悪くない状況に適しています
LANの特徴
- 共有伝送チャネル
- 限られた地理的領域と限られた数のユーザー
- 放送
- タイプ：スターネットワーク、バスネットワーク、リングネットワーク
CSMA / CDプロトコルと時分割多重化の長所と短所

キャリアセンスマルチポイントアクセス/衝突検出
- 時分割多重化は、静的なタイムスロット割り当て、高負荷、低負荷のリソースの浪費の下での均一で高いチャネル使用率です。
- CSMA / CDは動的に使用され、負荷が低いとチャネル使用率が高くなり、負荷が高いと競合が大きくなります。
- ネットワークの負荷が軽い場合、CSMA / CDプロトコルは非常に柔軟で、いつでも送信でき、衝突の可能性は非常に低くなります。時分割多重TDMを使用する場合、効率は比較的低くなります。多くのステーションに送信する情報がない場合、割り当てられたタイムスロットも無駄になります。ただし、ネットワーク負荷が大きい場合は、CSMA / CDプロトコルによる衝突が多く、再送が多いため、効率が大幅に低下します。しかし、現時点では、TDMの効率は非常に高いです。
イーサネットスイッチの機能
- リンク層機器
- VLANは、いくつかのローカルエリアネットワークセグメントで構成される論理グループであり、物理的な場所とは関係ありません。タグを挿入します（どの仮想ローカルエリアネットワークを指定します）
- イーサネットスイッチは本質的にマルチインターフェイスブリッジであり、物理層で機能するリピータやハブとは大きく異なります。さらに、イーサネットスイッチの各インターフェイスは、単一のホストまたは別のハブに直接接続されており、通常は全二重モードで動作します。ホストが通信する必要がある場合、スイッチは同時に多くのインターフェースのペアに接続できるため、相互に通信するホストの各ペアは、専用の伝送媒体のように衝突することなくデータを送信できます。
- 一般的な10Mbit / s共有イーサネットの場合、ユーザーは伝送メディアの帯域幅を他のネットワークユーザーと共有するのではなく通信を独占するため、Nペアのインターフェイスを備えたスイッチの総容量はN×10Mbit / sです。
イーサネットスイッチは仮想ローカルエリアネットワークを形成します

仮想ローカルエリアネットワークVLANは、いくつかのローカルエリアネットワークセグメントで構成される論理グループであり、物理的な場所とは関係ありません。これらのネットワークセグメントには、特定の共通の要件があります。各VLANフレームには、フレームを送信するワークステーションが属するVLANを示す明確な識別子があります。仮想ローカルエリアネットワークプロトコルを使用すると、VLANタグと呼ばれる4バイトの識別子をイーサネットフレーム形式に挿入して、フレームを送信するワークステーションが属する仮想ローカルエリアネットワークを示すことができます。

第4章ネットワーク層

ネットワーク層によって提供されるサービス
- 仮想回線サービス
  - 通信はネットワークによって保証されています
  - コネクション型
  - 接続時にのみ宛先アドレスを使用する
  - パケットは同じルートに従って転送されます
  - 障害が発生し、仮想回線が正常に機能しなくなります
  - 送信順に最後まで到達
- データグラムサービス
  - 通信はホストによって保証されています
  - 接続なし
  - 各パケットは個別にルーティングおよび転送されます
  - 失敗、パケット損失が発生する可能性があります
  - 最後に到着するのは必ずしも順調ではありません
中間機器
- 物理層：リピーター
- データリンク層：ブリッジまたはブリッジ
- ネットワーク層：ルーター
- ネットワーク層の上：ゲートウェイ
IPアドレスの分類、特性
- ABCDE5種類
- 分類（ネットワーク番号、ホスト番号）
- ルーターには少なくとも2つの異なるIPアドレスが必要です
- リピーターとブリッジで接続されたネットワークは同じネットワークのままです
- IPアドレスは同等に扱われます
IPアドレスとMACアドレス
- IPアドレスは、インターネットに接続されている各ホストに世界で一意の識別子を割り当てることです。
- MACアドレスは物理学に基づいており、特定のリンク通信オブジェクトを識別できます
最大伝送ユニットMTU
- データリンク層で定義されたフレーム形式のデータフィールドの最大長
- IPデータグラムヘッダーの全長フィールドに関連

IGPとEGPの2種類のルーティングプロトコルの主な違い

IGP（RIP和OSPF）
- 自律システム内で使用されるルーティングプロトコルは、最適なルーティングを目指して努力します
- 内部ゲートウェイプロトコルは、自律システムがデータグラムを送信する方法のみを考慮し、他のシステムは考慮しません。
EGP（BGP）
- さまざまな自律システムでルーティングプロトコルを使用し、より良いルーティングを目指します（円を描くことはありません）
- その他の要因、帯域幅、時間などを考慮する必要があります
- 外部ゲートウェイプロトコルは、自律システムの内部を気にしません

RIP、OSPF、BGP

	RIP	OSPF	BGP
ゲートウェイプロトコル	内部	内部	外部
ルーティングテーブルの内容	宛先ネットワーク、次の停車地、距離	宛先ネットワーク、次の停車地、距離	宛先ネットワーク、フルパス
最適なパスの基礎	ホップ数	費用	複数の戦略
アルゴリズム	距離ベクトル	リンクステータス	距離ベクトル
配送方法	トランスポート層UDP	IPデータグラム	TCP接続
その他	シンプルで効率が低く、良いニュースはすぐに広がり、悪いニュースはゆっくりと広がります	高効率、ルーティングによる頻繁な情報交換、一貫性の維持が難しい	大規模で統一された測定は到達可能性です

第5章トランスポート層

トランスポート層での通信とネットワーク層での通信の違いは何ですか
- トランスポート層は、アプリケーションプロセス間のエンドツーエンドの論理通信を提供します（論理通信は水平仮想通信です）
- ネットワーク層は、ホスト間の論理通信を提供します
アプリケーションプロセスがコネクション型TCPとコネクションレスIPを使用する場合、この送信がコネクション型かコネクションレスかを問わず
- さまざまなレベルから、トランスポート層はコネクション型ですが、ネットワーク層はコネクションレス型です
UDPはメッセージ指向であり、TCPはバイト指向です
- UDPは、ヘッダーを追加した後、マージや分割を行わずに、アプリケーションから渡されたパケットをIP層に配信します。
- TCPは、アプリケーションによって渡されたメッセージデータブロックを非構造化バイトストリームとして扱います
港の役割
- TCP / IPシステムのアプリケーションプロセスに統一的にマークを付けて、異なるオペレーティングシステムを実行しているコンピューターのアプリケーションプロセスが相互に通信できるようにします。
- サーバー側-既知のポート、登録済みポート
- クライアント-エフェメラルポート
TCPヘッダーの最初の4バイトにTCPポート番号を入れるのはなぜですか？
- ICMPエラーメッセージには、Pヘッダーの後の8バイトの内容が含まれている必要があり、TCPヘッダーには送信元ポートと宛先ポートがあります。TCPがICMPエラーメッセージを受信すると、これら2つのポートを使用して、どちらの接続にエラーがあるかを判断する必要があります。
TCPヘッダーの固定長に加えて、オプションがあるため、TCPヘッダーの長さは可変です。

* UDPヘッダーの長さは固定されています
トランスポート層での多重化と逆多重化
- 多重化：送信者の異なるアプリケーションプロセスは、同じトランスポート層プロトコルを使用してデータを送信できます
- 共有：受信者のトランスポート層は、メッセージのヘッダーを取り除いた後、データを宛先プロセスに正しく配信できます
TCPとUDPの特徴
- TCP機能
  - コネクション型プロトコル（スリーウェイハンドシェイク）
  - 信頼性のある
  - 大量のデータを転送する
  - スロー
  - 接続はポイントツーポイント（1対1）です
  - 全双工通信
  - バイトストリーム指向
- UDP
  - 接続を確立する必要はなく、データを直接送信します
  - 信頼性の低い、ベストエフォート型の配信
  - 少量のデータ
  - 速い
  - 1対1、1対多、多対1、多対多
  - メッセージ指向

第6章アプリケーション層

DNSサーバータイプ
- ルートネームサーバー
- トップレベルドメインサーバー（TLD）
- 権限ネームサーバー
- ローカルドメインネームサーバー
Simple Mail Transfer Protocol SMTP
- 接続の確立
  送信者のメールが送信者のメールサーバーのメールキャッシュに送信された後、SMTPクライアントは定期的に（たとえば、30分）メールキャッシュをスキャンします。メールが見つかった場合は、既知のSMTPポート番号（25）を使用して、受信者のメールサーバーのSMTPサーバーとのTCP接続を確立します。
- メール送信メールの送信
  はMAILコマンドで始まります。MAILコマンドの後に送信者のアドレスがあります。同じメッセージを1人以上の受信者に送信することに応じて、1つ以上のRCPTコマンドが続きます。RCPTコマンドの機能は、受信者のシステムがメールを送信する前にメールを受信する準備ができているかどうかを確認することです。これの目的は、通信リソースの浪費を回避し、長い電子メールを送信した後にアドレスエラーを発見しないようにすることです。
  以下は、メールの内容の送信を開始することを意味するDATAコマンドです。
- 接続が解放された
  後、SMTPクライアントはQUITコマンドを送信する必要があります。SMTPサーバーがTCP接続の解放に同意すると、メール送信のプロセス全体が終了します。
TFTPとFTPの主な違いは何ですか？
- トリビアルファイル転送プロトコルTFTP、それは小さくて簡単に実装できるファイル転送プロトコルです。TFTPもクライアントサーバー方式を使用しますが、UDPデータグラムを使用するため、TFTPには独自のエラー訂正手段が必要です。FTPはTCPを使用してデータを転送するため、非常に信頼性があります。ただし、このため、FTPはTFTPよりもはるかに複雑です。TFTPはファイル転送のみをサポートし、対話はサポートしません。TFTPには、巨大なコマンドセットがなく、ディレクトリを一覧表示する機能がなく、ユーザーを認証できません。
- TFTPには、主に2つの利点があります。1つは、TFTPをUDP環境で使用できること、もう1つは、TFTPコードが占めるメモリが小さいことです。

用語集

FTP（ファイル転送プロトコル）

異種ネットワーク内の任意のコンピューター間でファイルを転送するのに適しています
クライアントとサーバーを含む
TCP

TFTP（Trivial File Transfer Protocol）

UDPデータグラムを使用します。独自のエラー訂正手段が必要です。
ファイル転送のみをサポートし、相互作用はサポートしません

TELNET（リモートターミナルプロトコル）

TCP経由でリモートで別のホストに接続する

BGP（エクステリアゲートウェイプロトコル）

HTTP（ハイパーテキスト転送プロトコル）

ブラウザがWorldWide Webサーバーにドキュメントを要求する方法、およびサーバーがドキュメントをブラウザに送信する方法を定義します

SMTP（簡易メール転送プロトコル）

相互に通信する2つのSMTPプロセス間で情報を交換する方法

DHCP（動的ホスト構成プロトコル）

SNMP（簡易ネットワーク管理プロトコル）

ARP（アドレス解決プロトコル）

OSPF（Open Shortest Path First）

RIP（ルーティング情報プロトコル）

DNS（ドメインネームシステム）