目次
4. コンピュータ ネットワーク アーキテクチャと参照モデル
1. コンピュータネットワークとは
1.1 コンセプト
コンピュータネットワーク＝通信技術＋コンピュータ技術
コンピュータネットワークは、通信技術とコンピュータ技術の密接な組み合わせの産物であり、相互接続された自律的なコンピュータの集まりです。
- 相互接続: 通信リンクによる相互接続
- 自律性：主従関係なし
長距離および大規模ネットワークの場合、ホストはスイッチング ネットワークを介して相互接続されます。
一般的に言えば、私たちが話しているコンピュータ ネットワークは、主にパブリック インターネット( The Public Internet )を指します。
1.2 インターネットの具体的な構成
構成の観点から
インターネットは世界規模のコンピューター ネットワークです。つまり、ラップトップ、スマートフォン、タブレット、テレビ、ゲーム コンソール、サーモスタット、ホーム セキュリティ システム、家庭用電化製品、時計、メガネ、自動車、交通管制システムなど
これらのデバイスをホストまたはエンドシステムと呼びます。
ホストは、通信リンクとパケットスイッチを介して相互に接続されます
- 通信リンク: 同軸ケーブル、銅線、光ファイバー、無線スペクトルなどのさまざまな物理メディアで構成され、その伝送速度は 1 秒あたりのビット数 (bit/s または bps) で測定されます。
- パケット スイッチ: あるリンクから受信したパケットを別のリンクに転送します. 典型的なデバイスには、ネットワーク層で動作するルーターとリンク層で動作するスイッチが含まれます(リンク層スイッチ)
ホストがインターネットに接続したい場合、インターネット サービス プロバイダー(インターネット サービス プロバイダー、ISP )を使用してネットワークにアクセスし、ネットワーク サービスを利用する必要があります(後述)。
サービスの観点から
ネットワーク アプリケーションに通信サービスを提供する通信インフラストラクチャ:
- Web、VoIP、電子メール、オンライン ゲーム、e コマース、ソーシャル ネットワーク、…
Web アプリケーション用のアプリケーション プログラミング インターフェイス (API) を提供します。
- アプリケーションがインターネットに「接続」し、データを送受信できるようにします
- 郵便と同様のデータ通信サービスを提供
合意とは
プロトコルはルールの集まりです. ネットワーク内のデータ交換の正確性を確保するために, 事前に合意されたいくつかの合意に従う必要があります.ネットワーク内のデータ交換のために確立されたこれらのルール、標準、または規則は、ネットワーク プロトコル ( と略される)と呼ばれます。 "プロトコル"）
議定書は一連の規則に似ており、通常の対話 (コミュニケーション) ができるようにするには、対話の両当事者がこの一連の規則に従わなければなりません。先生に質問するときは、まず手を挙げて、先生の同意を得てから質問してください。先生は質問に答えます。
ネットワーク通信の対象は、人ではなく「機械」であり、「電子」または「デジタル」メッセージのみを交換できます. したがって、コンピュータ ネットワーク内のすべての通信プロセスは、特定の/いくつかの規則 (プロトコル) に従う必要があります。
In a computer network, a network protocol control a set of rules for communication between two (or more) peer entities. これは水平方向であり、構文 、セマンティクス、およびタイミングで構成されます。
文法:
- データおよび制御情報の構造または形式
- 信号レベル
セマンティクス:
- どのような制御情報を送信する必要があるか
- どのようなアクションが実行され、どのような応答が行われるか
- エラー制御
タイミング:
- 一連の出来事
- スピードマッチ
将来のさまざまなプロトコルの研究では、プロトコルがネットワーク内のすべての情報を送受信するプロセスをどのように規制するかを確認します. プロトコルの学習は、コンピューターネットワークの学習の重要な部分です.
インターネットプロトコル規格
- RFC: コメントのリクエスト
- IETF: インターネット エンジニアリング タスク フォース
2. コンピュータネットワークの構造
2.1ネットワークエッジ
インターネットに接続されたコンピュータやその他のデバイスは、インターネットの端にあるため、エンド システムと呼ばれることがよくあります。インターネット エンド システムには、デスクトップ コンピューター (デスクトップ PC、Mac、Linux アプライアンスなど)、サーバー (Web サーバーや電子メール サーバーなど)、およびモバイル コンピューター (ラップトップ、スマートフォン、タブレットなど) が含まれます。
エンド システムは、Web ブラウザ プログラム、Web サーバー プログラム、電子メール クライアント プログラム、または電子メール サーバー プログラムなどのアプリケーション プログラムを格納 (実行) するため、ホストとも呼ばれます。ホストは、クライアント( client ) とサーバー( server )の 2 つのカテゴリにさらに分けられる場合があります。
2.1.1 アクセスネットワーク
アクセスネットワークの機能は、ネットワークのエッジとネットワークのコア（エッジルーター）を接続することです
アクセス ネットワーク: エンド システムをエッジルーターに物理的に接続するネットワーク。
エッジ ルーター: エンド システムから他のリモート エンド システムへのパス上の最初のルーターです。
1. ホーム アクセス – DSL、ケーブル、FTTH、ダイヤルアップ、衛星
現在、家庭用ブロードバンド アクセスには、デジタル加入者線( DSL ) とケーブルの 2 種類が最も一般的です。
居住者は通常、市内の電話アクセスを提供している地元の電話会社からDSL インターネット アクセスを取得します。したがって、DSL を使用する場合、ユーザーの地域の電話会社も ISP になります。既存の電話回線を使用してセントラル オフィスの DSLAM に接続します。通常、アップリンク伝送速度は 2.5 Mbps 未満 (通常の速度は 1 Mbps 未満) で、上りリンクの伝送速度は 24 Mbps 未満 (通常の速度は 1 Mbps 未満) です。 10)
DSL モデムは、従来の電話信号とデータ信号が家庭の電話回線で共存できるように、周波数分割多重化に従って異なる周波数で信号をエンコードします。
- 50 kHz ～ 1 MHz 帯域の高速ダウンストリーム チャネル
- 4 kHz ～ 50 kHz 帯域の中速アップストリーム チャネル
- 0 ～ 4 kHz 帯域の通常の双方向電話チャネル
この方法では、1 つの DSL 回線を電話とインターネット接続で共有できます。
ケーブル インターネット アクセスは、 ケーブル会社の既存のケーブル インフラストラクチャを活用します。家庭は、ケーブル テレビを提供する会社からケーブル インターネット アクセスを取得します。これには、ケーブル モデムと呼ばれる特別なモデムも必要です。
DSL と同様に、ケーブル インターネット アクセスは周波数分割多重化技術を使用します. ケーブル モデムは、HFC ネットワーク (ハイブリッド ファイバー同軸) を上流と下流の 2 つのチャネルに分割します. これらの 2 つのチャネルは非対称です.速度
各家族（機器）は、DSLの局局への専用アクセスとは異なり、ケーブルネットワーク→光ファイバーを介してISPにアクセスし、各家族は家庭からケーブルヘッドエンドへのアクセスネットワークを共有します
もう 1 つの高速テクノロジは、Fiber to the Home ( FTTH ) です。FTTH は、ローカル セントラル オフィスから家庭まで直接ファイバー パスを提供します。
2. ビジネス (およびホーム) アクセス - イーサネットと WIFI
企業や大学のキャンパスでは、ローカル エリア ネットワーク(LAN) を使用してエンド システムをエッジ ルーターに接続する家庭環境が増えています。
その中で、イーサネットは企業、大学、家庭で最も普及している LAN 技術であり、エンド システムは通常、イーサネット スイッチに直接接続されています。
無線アクセスネットワークは端末システムとルーター間を共有の無線アクセスネットワークで接続し、基地局（基地局）または「アクセスポイント」（アクセスポイント）を介して、通称IEEE802.11技術に基づく無線LANアクセスを行います。 WI-FI
ワイヤレス LAN 環境では、ワイヤレス ユーザーはアクセス ポイントとの間でブランチを送受信します。アクセス ポイントは企業ネットワーク (ほとんどの場合、有線イーサネットを使用) に接続されており、さらにアクセス ポイントは有線インターネットに接続されています。ワイヤレス LAN ユーザーは、通常、802.11b/g (WiFi) 伝送速度: 11Mbps、54Mbps を使用して、アクセス ポイントから数十メートル以内にいる必要があります。
一般的なホーム アクセス ネットワーク
3. 広域無線アクセス - 3G および LTE
iPhone や Android などのデバイスは、移動中にメッセージを送信したり、ソーシャル ネットワークで写真を共有したり、ビデオを見たり、音楽をストリーミングしたりするためにますます使用されています。これらのデバイスは、携帯電話と同じワイヤレス インフラストラクチャを採用しており、セルラー ネットワーク プロバイダーが運営する基地局を介してパケットを送受信します。WiFi とは異なり、ユーザーは基地局から (数十メートルではなく) 数万メートル以内にいれば十分です。
2.1.2 物理メディア
送信機と受信機のペアごとに、物理媒体を介して電磁波または光パルスを伝搬することによってビットが送信されます。
物理メディアの例には、ツイストペア銅線、同軸ケーブル、マルチモード光ファイバー ケーブル、地上無線スペクトル、および衛星無線スペクトルが含まれます。物理メディアは、ガイド付きメディア(ガイド付きメディア) とガイドなしメディア(ガイドなしメディア)の 2 種類に分けられます。
- ガイド付き媒体 -光ファイバー ケーブル、ツイストペア銅線、同軸ケーブルなどの固体媒体に沿って波が伝わる
- 誘導されていないメディア -ワイヤレス ローカル エリア ネットワークやデジタル衛星チャネルなど、空中または宇宙空間を移動する波
1.ツイストペア銅線
ツイスト ペアは、最も一般的に使用されている古代の伝送媒体であり、2 本の銅線を一定の規則に従って並べて撚り合わせ、互いに絶縁したものです。ねじることにより、隣接するワイヤへの電磁干渉が減少します。ローカル エリア ネットワークと従来の電話ネットワークで広く使用されているツイスト ペア線は、2 つのタイプに分けられます。
- シールドなしツイストペア (シールドなしツイストペア、UTP )
- シールド付きツイストペア (シールド付きツイストペア、STP )、シールドなしのツイストペアの外側に、金属線で編んだシールド層の層が追加されます
2. 同軸ケーブル
同軸ケーブルは、内部導体、絶縁体、メッシュ編組シールド、およびプラスチック外層で構成され、一般に 2 つのカテゴリに分類されます。
- 50Ω同軸ケーブル（ベースバンド同軸ケーブル）、主にベースバンドデジタル信号の伝送に使用
- 75Ω 同軸ケーブル (ブロードバンド同軸ケーブル)、主にブロードバンド信号の伝送に使用され、ケーブル TV システムで使用されます。
3. 光ファイバー
光ファイバーは、それぞれがビットを表す光のパルスを導く、薄く柔軟な媒体です。光ファイバー通信は、光ファイバーを使用して光パルスを伝送して通信することです。光パルスは 1 を表し、光パルスがない場合は 0 を表します。ファイバーは、最大数十または数百Gbpsの非常に高いビットレートをサポートできます
光ファイバーは主にコアとクラッドで構成されています. コアは非常に薄く, わずか 8 ～ 100 ミクロンです. 光波はコアを介して伝送されます. クラッドは低屈折率を持っています. ファイバが屈折率の高い媒質から屈折率の低い媒質に向かうとき、その屈折角は入射角よりも大きくなります。したがって、入射角が特定の臨界角よりも大きい限り、全反射が発生します。つまり、光がクラッドに当たると、屈折してコアに戻り、このプロセスが繰り返され、光がファイバーに沿って伝送
4.地上無線チャンネル
無線チャネルは、電磁スペクトルで信号を伝送します。物理的なワイヤの設置を必要とせず、従来の壁の機能を備え、モバイル ユーザーに接続を提供し、信号を長距離伝送できるため、魅力的な媒体となっています。
5.衛星ラジオチャンネル
通信衛星は、地上局と呼ばれる地球上の 2 つ以上のマイクロ波送受信機を接続します。衛星は、ある周波数帯域で送信を受信し、トランスポンダを使用して信号を再生成し、別の周波数で送信します。一般的に使用される衛星には、静止衛星と低軌道衛星の 2 種類があります。
2.2ネットワークコア
インターネット エンド システムを相互接続するブランチ スイッチとリンクのメッシュ ネットワークであるネットワーク コア
下図の太い網掛け部分がネットワークコア
ネットワーク コアの主要機能:ルーティング+転送
- ルーティング - パケットが送信元から宛先に移動するときに、パケットのエンドツーエンド パスを決定するネットワーク全体のプロセスを指します。
- 転送 - ルーターの入力ポートから正しい出力ポートへのパケットのスイッチング
ネットワーク コアが解決する基本的な問題は、ネットワーク コアを介して送信元ホストから宛先ホストへのデータをどのように実現するかということです。
答えは
データ交換
データ交換には3つの方法があります
- 回線交換
- メッセージ交換
- パケット交換
2.2.1 回線切替
データ送信の前に、専用 (排他的) 物理通信パスを 2 つのノード間に確立する必要があります. このパスは、データ送信全体で排他的に使用され、通信が終了するまで解放されません.
回線交換、データ伝送の過程で、ユーザーは常にエンドツーエンドの固定伝送帯域幅を 占有します
最も典型的な回線交換ネットワークの 1 つは電話網です. まず、接続を確立してから通信するためにダイヤルする必要があります. したがって、回線交換は次の 3 つの段階に分けられます。
- 接続を確立する
- 通信
- リリース会社
周波数分割多重または時分割多重は、リンク共有を実現するために 回線交換で使用されます
2.2.2 多重化
多重化 (多重化) と呼ばれる多重化は、通信技術における基本的な概念です。
多重化の考え方は、リンク/ネットワーク リソース (帯域幅など) を特定の方法で「リソース スライス」に分割し、そのリソース スライスを各呼び出し (呼び出し) に割り当て、各呼び出しは割り当てられたリソースを排他的に割り当てることです。スライス 通信の場合、リソース スライスは「アイドル」( idle ) の場合があります (共有なし)
4 つの典型的なマルチプレックスがあります。
1. 周波数分割多重 (周波数分割多重 - FDM )
周波数帯域幅に従って、 チャンネルを異なる周波数帯域のサブチャンネルに 分割します
周波数分割多重化の各ユーザーは、異なる帯域幅リソースを占有します
ここでの「帯域幅」は周波数帯域幅であり、その単位は Hz であり、データ伝送速度ではありません 。
一般的に言えば、チャネルの周波数帯域幅は0~1000Hzで、そのうち0~100HzはXiao Wangの通信に使用され、100~200HzはXiao Liの通信に使用され、200~300HzはXiao Heの通信に使用されると仮定します。コミュニケーション...
2.時分割多重（Time Division Multiplexing-TDM）
時分割多重とは、時間を同じ長さの時分割多重フレーム(TDMフレーム)に分割することであり、各ユーザーは各TDMフレームで固定のシーケンス番号を持つタイムスロットを占有します。
各ユーザーが占有するタイムスロットは定期的に発生します(周期は TDM フレームの長さです)。
時分割多重化のすべてのユーザーは、異なる時間に同じ周波数帯域幅を占有します
簡単に言うと、0-1 秒で Xiaohong がチャンネルを使用し、1-2 秒で Xiaogreen がチャンネルを使用し、2-3 秒で Xiaozi がチャンネルを使用し、全員が順番にチャンネルを使い切って最初からやり直すまでということです。
3. 波長分割多重 - WDM
波長分割多重は、光の周波数分割多重です。
光には波長があり、光ファイバー中の信号は光の形で伝送されることがわかっているので、信号を波長ごとに区別すれば、波長分割多重が実現できます。
実際の使用プロセスでは、ユーザー 0 の信号は変調器によって特定の波長の光に変調され、送信後、エンド ポイントの光復調器によって正しい波長に対応する情報が復号化されます。
簡単に言えば、あるユーザーは x 波長の光を使用し、別のユーザーは y 波長の光を使用して、異なる波長に従って光を分離し、共有光ファイバー (チャネル) で送信することができ、宛先で区別することができます。開く
4. 符号分割多重 ( Code Division Multiplexing-CDM )
符号分割多重化は、各ユーザーにユーザーを区別するためのチップ シーケンスを与えることであり、各ユーザーは同じ周波数キャリアを使用し、独自のチップ シーケンスを使用してデータをエンコードします。
エンコードされた信号= (生データ) × (チップ シーケンス)
- ビット 1 (+1) を送信する場合は、独自の m ビット チップ シーケンスを送信します。
- ビット 0 (-1) が送信される場合、チップ シーケンスの m ビット チップ シーケンスの逆コードが送信されます。
特に：
各ユーザーには一意の m ビット チップ シーケンス (チッピング シーケンス) が割り当てられます。ここで、"0" は "-1" で表され、"1" は "+1" で表されます
。たとえば、次のようになります。
ステーション S のチップ シーケンス: (–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
各ユーザー チップ シーケンスは互いに直交しています (直交)。 
デコード: チップ シーケンスとコード化された信号の内積
デコードの例を見てみましょう
CDMA ネットワークでは、ステーションが (-111-1 -1-11-1 1-1-1111-11 1-1-1111-11 -111-1-1-11-1)の場合、この局が受信したデータは?
A.1001
B.0001
C.0110
D.1000
このときのチップ列の長さは8ビットなので、バイナリ8ビットで1ビットの有効な情報を送信でき、局が受信するのは
-111-1-1-11-1 1-1-1111-11 1-1-1111-11 -111-1-1-11-1
全長が 32 であることから、4 バイナリ ビットの情報があり、黒い部分は元のサイト コード シーケンスと同じであり、赤い部分は元のサイト コード シーケンスと反対であることがわかります。黒い部分が1、赤い部分が0、全体の情報は1001
コード分割多重化のプロセスを次の図に示します。
暗号分割多重とは、簡単に言えば、利用者ごとにID番号（チップ列）を与え、そのIDカードで切符を購入して同じ電車に乗り、同じ場所に行き、IDカードで本人確認を行うことに相当します。あなたが駅を出るとき。
2.2.3 メッセージ交換
さまざまなネットワーク アプリケーションでは、エンド システムが互いにメッセージを交換し、送信元 (アプリケーション) がすべての情報を送信し、データ交換ユニットがメッセージであり、宛先アドレスと送信元アドレス情報を伝達します。
ルーターがメッセージを受信すると、「ストア アンド フォワード」メカニズムを使用してメッセージを転送する必要があります。メッセージ交換ではメッセージがグループ化されないため、ルーターは転送前に大きなメッセージをすべて受け入れる必要があります。
ストア アンド フォワード送信: スイッチがパケットの最初のビットを出力リンクに送信し始める前に、パケット全体を受信する必要があることを意味します。
2.2.4 パケット交換
パケット交換とは、いわゆるパケットと呼ばれるメッセージ交換に基づいて、メッセージを一連の比較的小さなデータ パケットに分割することです。
- パケットの分割と再構成は、送信元ホストと宛先ホストでそれぞれ完了します。つまり、途中で転送を担当するルーターは、グループ化されたパケットを再構成せず、単に転送します。
- 各小さなパケットにはパケット ヘッダーが必要であり、追加のオーバーヘッドが発生します。
グループ化:
再編：
メッセージ交換とパケット交換
同じポイント: どちらもストアフォワード スイッチングを使用します
違い：
- メッセージ交換は完全なメッセージで「ストア アンド フォワード」です
- より小さいパケットでのパケット交換「ストア アンド フォワード」
効率の観点から、パケット交換では、各ルーターが一度にすべてのデータを処理する必要はなく、パイプラインの動作原理に似たバッチで処理するため、効率を最大化できます。
次のシナリオを検討してください
メッセージ長: M ビット
リンク帯域幅: R bps
パケット長: L ビット
中間ルーターの数: 2
メッセージ交換所要時間:
- パケット送信ごとに M/R 秒が必要です
- ルーターのキャッシュ サイズは少なくとも M ビットです (小さい場合、メッセージは破棄されます)。
合計時間 = 送信者が完全なメッセージを送信する時間 + ルーターが完全なメッセージを転送する時間 × 2 = M/R+(M/R)×2 = 3M/R
パケット交換所要時間：
- 合計n個のグループに分けられます
- 各パケット伝送遅延は L/R 秒
- ルーターキャッシュは少なくとも L ビットです
最初のパケットがルーターを通過した時点で、すでに2番目のパケットが送信されていますが、パイプライン構造により、ルーターは短い時間間隔でパケットを転送しています。
- 最初の L/R 期間中に、最初のパケットがルーター 1 に転送されます。
- 2 番目の L/R 期間中、最初のパケットはルーター 2 に転送され、2 番目のパケットはルーター 1 に転送されます。
- 3 番目の L/R 期間では、1 番目のパケットが受信側に転送され、2 番目のパケットがルータ 2 に転送され、3 番目のパケットがルータ 1 に転送されます。
- ...
最初のパケットが送信された後の L/R 時間内に、2 番目のパケットが送信されることがわかります. N 個のパケットがあると仮定すると、送信者から最後のパケットが送信される時間は次のとおりです: NL/R, ここで NL = M (パケット数 × パケット長 = メッセージ長) なので、最後のパケットの送信時間は M/R であり、最後のパケットが受信側に到達するには 2×L/R が必要なので、
合計時間 = M/R+2×L/R
より一般的なケースとして、送信側と受信側の間に n 個のルーターがあり、各リンクの帯域幅が R であるとします。
メッセージ交換時間は次のとおりです。
パケット交換時間は次のとおりです。
次の例については、上記のモデルを参照してください。
テレグラムの長さ: M = 7.5 メガビット
リンク帯域幅: R = 1.5 Mbps
パケット長: L = 1500 ビット
中間ルーターの数: 2
メッセージ交換: 15 秒
パケット交換：5.002秒
したがって、パケット交換はメッセージ交換よりも効率的ですが、データ配信の正確性を確保するためにエラー制御が必要であり、この部分は後続のレイヤーと対応するプロトコルで導入されます。
パケット交換と回線交換
| パケット交換 | 回線交換 |
| より多くのユーザーが同時にネットワークを使用できるようにする | 双方がネットワークを使用するための接続を確立できるようにする |
| ネットワーク リソースの完全な共有 | ネットワークリソースが独占されている |
| バーストデータ伝送ネットワークに最適 | リアルタイム サービス (テレフォニーやビデオ会議など) に適しています。 |
| シンプル、低コスト、通話設定不要 | 複雑で、接続を確立するために呼び出しが必要 |
| 輻輳が発生する可能性があり、合意によって解決する必要があります | 輻輳なし、排他的な帯域幅 |
2.2.5 ネットワークのネットワーク
前述のように、エンド システムは ISP を介してインターネットに接続されており、各 ISP はさらに相互接続する必要があり、グローバル ネットワーク構造が複雑になるため、誰もインターネットの構造を正確に説明することはできません。
ISP: 地方のケーブル会社や電話会社、企業の ISP、大学の ISP、空港、ホテル、コーヒー ショップ、その他の公共の場所で WiFi アクセスを提供する ISP、スマートフォンやその他のデバイスのセルラー データ ISP にモバイル アクセスを提供する家庭用 ISP が含まれます。
私たちがインターネットをサーフィンするとき、インターネットに接続するためにチャイナ テレコム、チャイナ モバイル、チャイナ ユニコムなどの仲介業者を利用する必要があることがよくあります.これらの会社は、いわゆるインターネット サービス プロバイダーであり、インターネット アクセス サービスを提供しています.
ISP はどのように機能しますか?
アクセス サービスを提供する仲介者として、ISP は国際チャネルと多数のローカル電話回線をリースし、一連のコンピュータ機器を購入し、集中使用と分散圧力によってローカル ユーザーにアクセス サービスを提供します。
各 ISP は、いくつかのエンド システムにサービスを提供できますが、グローバルな通信を実現するためには、ISP も接続を確立する必要があり、ISP 間の接続関係は複雑なネットワーク構造を構成します。
1 つの方法は、各 ISP を直接相互接続することですが、ネットワークのコストが高くなり、効率が低下します。
ネットワーク構造 1
すべてのアクセス ISP を単一のグローバル トランジット ISP と相互接続します。つまり、インターネット サービス プロバイダーは、世界中のすべてのユーザーにサービスを提供し、
このような大規模なネットワークを構築するには、当然多額の費用がかかります. グローバル ISP が収益を上げるためには、接続ごとにアクセス ISP に課金する必要があるため、アクセス ISP を顧客と見なし、グローバル伝送ISPをプロバイダーと見なされます
ネットワーク構造 2
ネットワーク構造 1 をベースに、競合他社が商業的な観点から参加し、複数のグローバル ISP を形成するネットワーク構造 2 は、グローバル伝送プロバイダーを頂点とする 2 層の階層構造であり、受信側の受信 ISP は最下層にあります。
同時に、これらのグローバル伝送 ISP を相互接続する必要があります。そうしないと、特定のグローバル伝送 ISP に接続されたアクセス ISP が、他のグローバル伝送 ISP のアクセス ISP と通信できない場合があります。
ネットワーク構造 3
ネットワーク構造 2 に基づいて、競合相手はさらに増加し、複数の競合する第 1 層 ISP が存在するだけでなく、1 つのエリア内に複数の競合する地域 ISP が存在する可能性があります。これにより、ネットワーク構造の階層化がより明確になります。
どの地域にも、地域内のアクセス ISP が接続する地域 ISP (地域 ISP ) が存在する場合があります。
例: 中国では、各都市にアクセス ISP があります --> 地方の ISP に接続します --> 国の ISP に接続します --> 最終的に第 1 層の ISP に接続します
ネットワーク構造 4
より今日のインターネットに近いネットワークを構築するには、ネットワーク構造 3 にポイント オブ プレゼンス (Point of Presence)、マルチホーミング、ピアツーピア、およびインターネット交換ポイントを追加し、ネットワーク構造 4 を取得します。
ネットワーク構造 5
ネットワーク構造５は、ネットワーク構造４を基に、グーグルやマイクロソフトなどのコンテンツプロバイダネットワーク（コンテンツプロバイダネットワーク）を追加したものである。コンテンツ プロバイダーは独自のネットワークを運営し、サービス、コンテンツを提供する場合があります。
ついにインターネットは3層のISP構造を実現
今日のインターネットは、1 ダースを超える第 1 層の ISP と数十万の下位層の ISP で構成される複雑な構造を持つネットワークのネットワークです。通常、ネットワークの中心にあるのは、相互接続された少数の大きなネットワークです。
- 「Tier-1」の商用 ISP (Netcom、Telecom、Sprint、AT&T など) は、国内または国際的なサービスを提供しています。
- コンテンツ プロバイダー ネットワーク(例: Google): データ センターをインターネットに接続するプライベート ネットワークで、通常は Tier 1 ISP や地域の ISP をバイパスします。
3. コンピューターのネットワーク性能
パフォーマンス インジケーターは、コンピューター ネットワークのパフォーマンスをさまざまな側面から測定します。一般的に使用されるパフォーマンス指標は次のとおりです。
レート
レートは、データ レート ( data rate ) またはデータ伝送レートまたはビット レート ( bit rate )です。
- コンピュータネットワークにおける最も重要な性能指標
- 単位時間（秒）あたりの送信情報量（ビット）
- 単位: b/s (または bps)、kb/s、Mb/s、Gb/s
- k=10^3 、M=10^6 、G=10^9
速度は、多くの場合、定格速度または公称速度を指します
帯域幅(帯域幅)
帯域幅は本来、信号の周波数帯域幅、つまりヘルツ (Hz) 単位の最高周波数と最低周波数の差を指します。
コンピュータ ネットワークでは、通常、最高のデータ転送速度を帯域幅と呼びます
単位：b/s（bps）
遅延/遅延(遅延または遅延)
パケット交換でパケット損失や遅延が発生するのはなぜですか?
パケットはルーター キャッシュのキューに入れられます
遅延には次の 4 種類があります。
: ノード処理遅延 (ノード処理遅延)
：待ち行列遅延（待ち行列遅延）
：伝送遅延（伝送遅延）
：伝搬遅延（伝搬遅延）
ノード処理レイテンシ
これは、データの必要な処理が交換ノードで保存および転送されるのにかかる時間を指します。たとえば、パケット ヘッダーを分析し、パケットから部分データを抽出します。エラーチェックの実行や適切なルートの検索など、通常はミリ秒未満
待ち行列遅延
これは、パケットがルーターに入った後、まだ未処理のパケットがルーターに残っていることを意味します。そのため、パケットは入力キューにキューイングする必要があります。ルーターが転送ポートを決定した後、出力されるまで出力キューにキューイングする必要があります。リンクが利用可能です。キューイングの遅延はルーターの輻輳の程度に依存し、実際のキューイングの遅延は通常、ミリ秒からマイクロ秒のオーダーです。
注: 特に明記しない限り、処理の遅延と待ち行列の遅延による影響は無視できます。
伝送遅延
これは、ノードがパケットのすべてのデータ (ビット) を伝送リンクにプッシュするのに必要な時間、つまり、パケットの最初のビットを送信してからパケットの最後のビットに必要な時間までに必要な時間を指します。遅延は、送信遅延とも呼ばれます。
ノード A が送信するパケットのサイズを L ビット、リンク帯域幅を R ビット/秒、ノード A の伝送遅延を L/R と仮定します。
伝搬遅延
これは、電磁波がチャネル内の特定の距離を伝播するのにかかる時間、つまり、リンクの一方の端からもう一方の端までビットが伝播するのに必要な時間を指します。
ノード A とノード B の間のリンク長を d、信号の伝搬速度を s、A と B の間の伝搬遅延を d/s とします。
料金所を通過する車列の例を使用した伝送遅延と伝搬遅延の区別
フリート全体をグループ、各車両をビット、料金所をノードと見なし、次の仮定を行います。
- 車両の速度を時速100kmとすると、この速度は信号の伝搬速度に相当します
- 料金所で車が解放されるまでにかかる時間は12秒で、これはビットの送信時間に相当します。
フリートが料金所を通過する時間＝車両が料金所を通過する時間×車両数＝伝送遅延
第1料金所から第2料金所までの所要時間＝料金所間距離／車速＝伝播遅延
遅延帯域幅積
これは、送信者によって送信された最初のビットが最後に到達しようとしているときに、送信者によって送信されたビット数を指します。これは、伝送遅延とチャネル帯域幅の積に等しくなります。
リンクの遅延帯域幅積は、ビット単位のリンク長とも呼ばれます
パケット損失率
パケット交換では、パケット損失をパケット損失と呼びます。キューイング容量が制限されており、到着したパケットが満杯のキューを見つけた場合、パケットを格納する場所がないため、ルーターはパケットを破棄します。つまり、パケットは破棄されます (失われます)。
- キューのバッファ容量は制限されています
- 満杯のキューに到着したパケットは破棄されます (つまり、パケット損失)。
- 破棄されたパケットは、以前のノードまたはソースによって再送信される場合とされない場合があります
パケット損失率 = 失われたパケット数 / 送信されたパケットの総数
スループット/レート(スループット)
送信側と受信側の間の伝送データレート (b/s) を 2 分割して示します。
- 瞬間スループット: 特定の瞬間の速度
- 平均スループット: 経時的な平均レート
宛先パスが受信できるスループットを考慮すると、小容量のパイプによって制限されます。ネットワーク伝送容量が最小のパイプラインが、このリンクのボトルネックになります。このリンクは、ボトルネック リンク と呼ばれることがあります。
したがって、スループットは、データが流れるリンクの伝送速度に依存し、他のトラフィック干渉がない場合は、通常、ボトルネック リンクの帯域幅、つまりリンクの最小伝送速度 が使用されます。
4. コンピュータ ネットワーク アーキテクチャと参照モデル
コンピュータ ネットワークの層とそのプロトコルの集合をネットワークのアーキテクチャと 呼びます。
コンピュータ ネットワークは非常に複雑なシステムです。階層構造を使用して説明します。階層化の基本原則は次のとおりです。
- 各レイヤーは特定のサービス/機能を完成させ、大規模システムの複雑さを軽減します
- 各レイヤー間の構造が明確であり、複雑なシステムにおけるコンポーネントとそれらの関係の識別に役立ちます
- 各レイヤーには異なる機能があり、最適なテクノロジーで実装できます
- 上位層から下位層の独立性を維持し、上位層は下位層のサービスを一方向に使用する
- 階層全体が標準化を推進できる必要があります
コンピュータネットワークの階層構造において、n 層のアクティブな要素は、通常、n 層エンティティ(エンティティ)と呼ばれます。
エンティティは、情報を送受信できるハードウェアまたはソフトウェア プロセスを表し、通常は特定のソフトウェア モジュールです。
- プロトコルは、2 つのピア エンティティ間の通信を管理する規則の集まりであり、プロトコルは「水平」 です。
- 任意の層のエンティティは、下位層のサービスを使用し、この層のプロトコルに従い、この層の機能を実現し、上位層にサービスを提供する必要があります.サービスは「垂直」です.
- 下位層のプロトコルの実装は、上位層のサービス ユーザーに対して透過的です。
- 同じシステムの隣接する層のエンティティは、インターフェイスを介して対話し、ポイントサービス アクセス ポイント SAP (サービス アクセス ポイント)を介してプリミティブを交換し、要求された特定のサービスを指定します。
各層には送信する独自のデータ ユニットがあり、その名前のサイズと意味も異なります。各メッセージは 2 つの部分に分けられます。
- データ部分、つまり SDU - サービス データ ユニットは、データ伝送を完了します。
- 制御情報部、つまりPCIプロトコル制御情報、プロトコルの動作を制御する情報
これら 2 つの部分が一緒になって PDU (プロトコル データ ユニット) を形成し、各層の PDU は次のように異なります。
- 物理層の PDU はビットと呼ばれます
- データリンク層の PDU をフレームと呼ぶ
- ネットワーク層の PDU はパケットと呼ばれます
- トランスポート層の PDU はセグメントと呼ばれます
4.1 OSI参照モデル
Open System Interconnection Reference Model (OSI) は、異種ネットワーク システムの相互接続をサポートするために、1984 年に国際標準化機構 (ISO) によって提案された階層型ネットワーク アーキテクチャ モデルです。
ネットワーク通信を理解するための最良の学習ツール (理論モデル)
でも理論は成功、市場は失敗
OSI 参照モデルは 7 つの層に分割され、各層は特定のネットワーク機能を完了します。
物理層 (物理層) :
単位：ビット
ミッション: ビットストリームを透過的に送信する
機能: 物理メディア上のデータ エンド デバイス用に生のビット ストリームを透過的に送信する
物理層はインターフェースの特性（機械的特性、電気的特性、機能的特性、およびプロトコル特性）を指定し、次の 3 つの伝送モードがあります。
- シンプレックス (シンプレックス)
- 半二重 (半二重)
- 全二重 ( full-duplex )
データリンク層 (データリンク層):
単位：フレーム
タスク: ネットワーク層からの IP データグラムをフレームに組み立てる
機能: フレーミング、エラー制御、フロー制御、伝送管理
データリンク層は、フレームヘッダーに送信側および/または受信側の物理アドレス識別データを追加して、ノード間のデータ伝送を担当します。
ネットワーク層 (ネットワーク層):
単位：データグラム
タスク: ネットワーク層のプロトコル データ ユニット (パケット) を送信元から宛先に転送し、パケット交換ネットワーク上のさまざまなホストに通信サービスを提供する
機能: ルーティング、フロー制御、輻輳制御、エラー制御、およびインターネットワーキング
ネットワーク層は、送信元ホストから宛先ホストへのデータ パケット (パケット) の配信を担当します. このプロセス中に、複数のネットワークを横断して、データ パケットがグローバルに一意の論理アドレスを介して宛先ホストに配信されるようにすることができます. 、IP アドレスなど。ネットワーク層のコア機能はルーティングであり、ルーター (またはゲートウェイ) はネットワークを相互接続し、パケットを最終宛先ホストにルーティングします。
トランスポート層 (トランスポート層):
単位：セグメント（TCP）またはユーザーデータグラム（UDP）
タスク: ホスト内の 2 つのプロセス間の通信を担当
機能: 信頼できる伝送サービスと、フロー制御、エラー制御、サービス品質、エンドツーエンド接続のデータ伝送管理などのサービスを提供します。
トランスポート層は、ソース - 宛先 (エンド - エンド) (プロセス間) の完全なメッセージ送信を担当し、SAP アドレス指定により、完全なメッセージがポート番号などの正しいプロセスに送信されることが保証されます。
セッション層 (セッション層):
セッション層は、異なるホスト上のプロセス間のセッションを許可します。セッション層は、トランスポート層によって提供されるエンドツーエンド サービスを使用して、その付加価値サービスをプレゼンテーション層に提供します。
- ダイアログ制御 (ダイアログ制御) - ダイアログの確立と維持
- 同期 (同期) - データ フローに「同期ポイント」を挿入します。
プレゼンテーション層:
プレゼンテーション層は、主に、ビッグ エンディアンとリトル エンディアンなど、2 つのシステム間で情報を交換するための構文とセマンティクスを扱います。
データ表現変更機能 ホストに依存しないエンコーディングへの変換、データの圧縮/解凍、暗号化/復号化も含む
アプリケーション層 (アプリケーション層):
アプリケーション層は、OSI 参照モデルの最上位層であり、ユーザーとネットワークの間のインターフェイスであり、ユーザー エージェント (ブラウザーなど) またはネットワーク インターフェイスを介してユーザーがネットワーク (サービス) を使用することをサポートします。ユーザーのさまざまな実際のアプリケーションに対して、これにはアプリケーション層が採用する必要があります さまざまなアプリケーションプロトコルがこれらの問題を解決するため、アプリケーション層は最も複雑な層であり、通常は以下を含む最も多くのプロトコルが使用される層です
- FTP - ファイル転送
- SMTP - 電子メール
- HTTP——ウェブ、
- ...
OSI 参照モデル データのカプセル化と通信プロセス:
データのカプセル化とは、一連のプロトコル ヘッダーとトレーラにプロトコル データ ユニット (PDU) をカプセル化するプロセスを指します。OSI 7 層参照モデルでは、各層が主に他のマシン上のピア層との通信を担当します。このプロセスは「プロトコル データ ユニット」（PDU）で実装されます。各層の PDU は、通常、層のプロトコル ヘッダー、プロトコル トレーラ、およびデータ カプセル化で構成されます。
制御情報には主に以下が含まれます。
- アドレス ( Address ): 送信者/受信者を識別します
- エラー検出コード ( Error-detecting code ): エラーの検出または訂正に使用
- プロトコル制御 ( Protocol control ): 優先度 ( priority )、サービス品質 (QoS)、セキュリティ制御などのプロトコル機能を実装するための追加情報。
4.2 TCP/IP 参照モデル
ARPA は ARPAnet の研究時に TCP/IP モデルを提案しました. モデルは下から順にネットワーク インターフェイス層 (OSI の物理層とデータ リンク層に相当)、ネットワーク層、トランスポート層、アプリケーション層 (OSI の物理層とデータ リンク層に相当) です。 OSI 層の OSI) セッション層、プレゼンテーション層、およびアプリケーション層)、
TCP/IP は、その幅広いアプリケーションにより事実上の国際標準になっています (OSI は理論的なサポートにすぎず、TCP/IP は実用的なアプリケーションです)。
TCP/IP モデルと OSI 参照モデルの比較
類似点:
- どちらもレイヤード構造を採用しており、各レイヤーの機能は似ています
- 独立したプロトコルスタックの概念に基づいています
- 異種ネットワークの相互接続を解決し、コンピュータ通信を実現できます
違い：
- OSI はサービス、プロトコル、およびインターフェースの概念を定義しますが、TCP/IP はそれらを明確に区別しません。
- OSI はネットワーク層でコネクションレスおよびコネクション型通信をサポートしますが、トランスポート層ではコネクション型通信のみをサポートします; TCP/IP はネットワーク層でコネクションレス型通信のみをサポートしますが、トランスポート層でコネクションレス型およびコネクション型通信をサポートします
4.3 インターネットプロトコルスタック
OSI と TCP/IP の利点を組み合わせ、プロトコルを層状 (レイヤー) に整理し、これらのプロトコルを実装するネットワーク ハードウェアとソフトウェアを構成して、インターネットの 5 層参照モデルを実現する
各層のすべてのプロトコルは、プロトコル スタック (プロトコル スタック) と呼ばれます。インターネットのプロトコル スタックは、物理層、リンク層、ネットワーク層、トランスポート層、アプリケーション層の 5 つの層で構成されています。
| プロトコル スタック | 実現機能 |
| アプリケーション層 | さまざまなネットワーク アプリケーションをサポート (FTP、SMTP、HTTP) |
| トランスポート層 | プロセス間データ転送 (TCP、UDP) |
| ネットワーク層 | 送信元ホストから宛先ホストへのデータ パケットのルーティングと転送 IP プロトコル、ルーティング プロトコルなど。 |
| データリンク層 | 隣接するネットワーク要素 (ホスト、スイッチ、ルーターなど) 間のデータ転送 (イーサネット、802.11 (WiFi)、PPP) |
| 物理層 | ビット伝送 |
5 層モデルのデータのカプセル化
