学習ガイド:

インターネット
コンピュータネットワークのパフォーマンス指標
コンピュータネットワークアーキテクチャ

インターネット

基本的な考え方

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ネットワーク、インターネット、インターネット

ネットワーク: ネットワーク (ネットワーク) は、複数の **ノード (Node)とこれらのノードを接続するリンク (Link)**で構成されます。

インターネット（インターネット）：複数のネットワークがルータを介して相互接続され、より広い範囲のネットワーク、すなわちインターネット（インターネット）を形成します。したがって、インターネットは「ネットワークのネットワーク」とも呼ばれます。

インターネット: インターネット (インターネット) は、世界最大の相互運用可能なネットワーク (数億のユーザーと数百万の相互接続ネットワーク) です。

インターネットとインターネットの違い

インターネット（インターネット、またはインターネット）とは、複数のコンピュータネットワークを相互接続して形成されるネットワークを総称したものです。これらのネットワーク間の通信プロトコルは任意です。
インターネット (Internet) は特別な用語です。多くのネットワークが相互接続されて形成される、現在世界最大のオープンな特定のコンピュータネットワークを指します。通信ルールとして TCP/IP プロトコルファミリを使用します。その前身は米国の ARPANET です。州。

複数のコンピュータネットワークを任意に相互接続し (使用するプロトコルに関係なく)、相互に通信できることは、インターネット (インターネット) ではなく、インターネット (インターネット) を構成します。

開発段階

ISP

ISPインターネットサービスプロバイダーI_ _SP

一般のユーザーはどのようにしてインターネットにアクセスするのでしょうか?

回答: ISP を介したインターネットへのアクセス

ISPはインターネット管理機関にIPアドレスのブロックを申請し、同時に通信回線やルーターなどのネットワーク機器を保有することができます。どの組織や個人も、料金を支払うだけで ISP から必要な IP アドレスを取得できます。

インターネット上のすべてのホストは通信するために IP アドレスを持っている必要があるため、ホストは ISP 経由でインターネットにアクセスできます。

中国のビッグ 3 ISP: チャイナテレコム、チャイナユニコム、チャイナモバイル

ISPの3層構造によるインターネット

ユーザーはインターネットにアクセスできるようになると、モデムやルーターなどの機器を購入するだけで他のユーザーが接続できるようになり、ISP になることもできます。

標準化された作業

インターネットの標準化作業は、インターネットの発展において非常に重要な役割を果たしてきました。
標準を指定する際のインターネットの優れた特徴は、それが一般に公開されていることです。
- インターネット上のすべてのRFC (Request For Comments) 技術文書は、インターネットから無料でダウンロードできます。
- 誰でも、いつでもドキュメントに関するコメントや提案を電子メールで送信できます。
Internet Society ISOC は、インターネットの全体的な管理と、世界中での開発と使用の促進を担当する国際組織です。
- Internet Architecture Board (IAB) は、インターネット関連プロトコルの開発を管理する責任を負います。
- インターネットエンジニアリング部門である IETF は、主にプロトコルの開発と標準化に関する短期および短期のエンジニアリング問題の研究を担当しています。
- インターネット研究ユニットである IRTF は、理論的な研究を実施し、長期的な検討が必要な問題を開発します。

インターネットの正式な標準は4 つの段階を経ます。

1. Internet-Draft (現段階では RFC 文書ではありません)

2. 標準案（この段階からRFC文書となる）

3. 規格案

4. インターネット標準

成分

エッジ部分

インターネットに接続されているすべてのホスト(デスクトップ、大型サーバー、ラップトップ、タブレット、スマートフォンなど) で構成されます。この部分は、通信(データ、オーディオ、またはビデオの送信) およびリソース共有のためにユーザーによって直接使用されます。
コア部分

多数のネットワークと、それらのネットワークを接続するルーターで構成されます。この部分はエッジ部分として機能します(接続とスイッチングを提供します)。

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ルーターは専用のコンピュータですが、ホストとは呼びません。ルーターはパケット交換の重要な構成要素です。その役割は、受信したパケットを転送することです。これはネットワークコアの最も重要な部分です。

インターネットの端にある部分は、インターネットに接続されているすべてのホストです。これらのホストはエンドシステムとも呼ばれます。

エンドシステムの機能は大きく異なります。

小規模なエンドシステムには、通常の PC、インターネットアクセスを備えたスマートフォン、さらには小型の Web カメラなども含まれます。

大規模なエンドシステムは、非常に高価なメインフレームコンピューターになる場合があります。

エンドシステムの所有者は、個人、組織 (学校、企業、政府機関など)、またはもちろん ISP の場合があります。

補充:

エンドシステム間の通信への影響

「ホスト A がホスト B と通信する」とは、実際には「ホスト A で実行されているプログラムがホスト B で実行されている別のプログラムと通信する」ことを意味します。つまり、「ホスト A 上のプロセスがホスト B 上の別のプロセスと通信する」ということです。略して「コンピュータ間通信」と呼ばれます。

エンドシステム間の通信方法は、一般に次の 2 つのカテゴリに分類できます。

クライアントサーバーアプローチ:

クライアントとサーバーはどちらも、通信に関与する 2 つのアプリケーションプロセスを指します。
クライアント/サーバーのアプローチは、サービスとサービスを受けるプロセスの関係を表します。
クライアントはサービスの要求者であり、サーバーはサービスのプロバイダーです。

サービス要求者とサービスプロバイダーは両方とも、ネットワークのコア部分によって提供されるサービスを使用します。

ピアツーピア接続方法:

ピアツーピア接続(ピアツーピア、略してP2P ) とは、2 つのホストが通信時にどちらがサービス要求者であるかサービスプロバイダーであるかを区別しないことを意味します。
両方のホストがピアツーピア接続ソフトウェア (P2P ソフトウェア) を実行している限り、同等のピアツーピア接続で通信できます。
双方は、相手がハードディスクに保存した共有ドキュメントをダウンロードできます。

交換方法

ネットワークコアは、インターネットの最も複雑な部分です。

ネットワークのコア部分は、ネットワークエッジの多数のホストへの接続を提供し、エッジ部分のホストが他のホストと通信 (つまり、さまざまな形式のデータを送信または受信) できるようにする必要があります。

ルーターは、ネットワークの中核部分で特別な役割を果たします。

ルーターはパケット交換を実装するための主要なコンポーネントであり、そのタスクは受信したパケットを転送することであり、これはネットワークのコア部分の最も重要な機能です。

回線切り替え

（回線交換）

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従来の 2 対 2 の接続方法は、電話機が多く、電話回線が多い場合には非常に不便です。

したがって、各電話機が別の電話機と簡単に通信できるようにするには、これらの電話機を接続するために中間デバイスを使用する必要があります。この中間デバイスは電話交換機です。

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電話交換機が電話回線を接続する方法は回線交換と呼ばれます。
通信リソース割り当ての観点から見ると、スイッチング (Switching) は、伝送路リソースを特定の方法で動的に割り当てることです。
回線切り替えの 3 つのステップ:

1. 接続の確立（通信リソースの割り当て）

2. 話す（常に通信リソースを占有する）

3. コネクションの解放（通信リソースの返却）

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回線交換を使用してコンピュータデータを送信する場合、回線の送信効率は非常に低いことがよくあります。

これは、コンピュータのデータが伝送路上にバースト的に現れるためです。

したがって、コンピュータは通常、回線交換ではなくパケット交換を使用します。

パケット交換

（パケット交換）

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通常、メッセージを表すデータのブロック全体をメッセージと見なします。

メッセージを送信する前に、各データセグメントの前に、長いメッセージをより小さい同じ長さのデータセグメントに分割します。必要な制御情報からなるヘッダーをいくつか追加した後、パケットが形成されます。これを略して「パケット」と呼ぶこともあり、それに応じてヘッダーを「パケットヘッダー」と呼ぶこともあります。

ヘッダーにはパケットの宛先アドレスが含まれます

パケットは、送信元ホストから宛先ホストまで異なるパスを通ることができます。

差出人

グループの構築
パケットを送信する

ルーター

キャッシュのグループ化
パケットの転送
「パケット転送」と呼ばれます

ルーターの入力ポートと出力ポートの間に直接配線はありません。

ルーターがパケットを処理するプロセスは次のとおりです。

受信したパケットを最初にキャッシュに入れます (一時ストレージ)。

転送テーブルを検索して、特定の宛先アドレスをどのポートから転送する必要があるかを調べます。

パケットを転送するために適切なポートに送信します。

受信機

パケットを受信する
メッセージを復元する

メッセージ交換

（メッセージ切り替え）

メッセージ交換のスイッチノードも保存および転送方式を採用していますが、メッセージ交換にはメッセージのサイズに制限がないため、スイッチノードは大きなバッファスペースを必要とします。メッセージ交換は主に初期の電信通信ネットワークで使用されていましたが、現在ではあまり使用されておらず、通常はより高度なパケット交換方式に置き換えられています。

交換方法の比較

パケット伝送路が経由する4つのノードスイッチをA、B、C、Dとし、縦軸を時間とする

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分析します:

回線切り替え:

通信する前に、まず接続を確立する必要があり、接続が確立された後は、確立された接続をデータ送信に使用できます。データ送信後、以前に確立された接続によって占有されていた通信回線リソースを返すために接続を解放する必要があります。
接続が確立されると、中間の各ノードスイッチはストレート形式になり、ビットストリームは直接エンドポイントに送信されます。

メッセージ交換:

事前に接続を確立する必要がなく、いつでもメッセージを送信できます。メッセージ全体がまず隣接するノードスイッチに送信され、保存されてから次のノードスイッチに転送されます。
メッセージ全体を各ノードスイッチに保存して転送する必要がありますが、メッセージのサイズに制限がないため、各ノードスイッチには大きなバッファスペースが必要です。

パケット交換：

事前に接続を確立しなくても、いつでもパケットを送信できます。元のメッセージを構成する各パケットは、各ノードスイッチに格納され、順番に転送されます。各ノードスイッチは、パケットの送信中に受信したパケットをキャッシュします。
元のメッセージを構成するパケットは各ノードスイッチに蓄積されて転送されるため、メッセージ交換に比べて転送遅延が軽減され、過度に長いメッセージがリンクを長時間占有することも防止できます。

コンピュータネットワークのパフォーマンス指標

レート

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帯域幅

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スループット

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帯域幅が 1 Gb/s の Ethernet は、その定格速度が 1 Gb/s であることを意味し、この値はEthernet のスループットの絶対的な上限でもあります。したがって、帯域幅が 1 Gb/s のイーサネットの場合、実際のスループットはわずか 700 Mb/s、またはそれよりも低い可能性があります。

注: スループットは、1 秒あたりのバイト数またはフレーム数で表すこともできます。

時間遅延

遅延とは、データ (メッセージ、パケット、またはビット) がネットワーク (またはリンク) の一方の端からもう一方の端に移動するのにかかる時間を指します。

ネットワーク遅延はいくつかの部分で構成されます。

送信遅延

ホストまたはルーターがデータフレームを送信するのに必要な時間は、データフレームの最初のビットからフレームの最後のビットが送信されるまでの時間です。

伝播遅延

電磁波がチャネル内を一定の距離を伝わるのにかかる時間。

処理遅延

ホストやルーターがパケットを受信すると、処理に一定の時間がかかります。

キューイング遅延

パケットがネットワーク上を移動する際、多くのルーターを通過します。ただし、パケットがルータに入った後は、まず処理のために入力キューに入れられる必要があります。

キューの遅延が処理の遅延の一部として見られる場合があります。

合計遅延 = 送信遅延 + 伝播遅延 + 処理遅延 (処理遅延 + キュー遅延)

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処理遅延が無視できる場合、送信遅延と伝播遅延のどちらが支配的であるかをケースバイケースで分析する必要があります。

遅延帯域幅積

遅延帯域幅の積 = 伝播遅延 * 帯域幅

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往復時間

インターネット上の情報は一方向の伝達だけではなく、双方向のやり取りが行われます。したがって、双方向の対話に必要な時間を知る必要がある場合があります。

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利用

使用率には、チャネル使用率とネットワーク使用率の 2 種類があります。

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パケットロス率

コンピュータネットワークアーキテクチャ

TCP/IP アーキテクチャは現在最もよく使用されており、世界をカバーする最大の TCP/IP ベースのインターネットは OSI 標準を使用していません。

TCP/IP アーキテクチャは、OSI アーキテクチャの物理層とデータリンク層をネットワークインターフェイス層に統合し、セッション層とプレゼンテーション層を削除したものと同等です。

TCP/IP がネットワーク層で使用するプロトコルは IP プロトコルであり、IP プロトコルはインターネットプロトコルを意味するため、TCP/IP アーキテクチャのネットワーク層はインターネット層と呼ばれます。

ユーザーホストのオペレーティングシステムには、通常、TCP/IP アーキテクチャ標準に準拠した TCP/IP プロトコルファミリが存在します。

ネットワーク相互接続に使用されるルーターにも、TCP/IP アーキテクチャ標準に準拠する TCP/IP プロトコルファミリがあります。

ただ、ルーターには通常、ネットワークインターフェイス層とインターネット層のみが含まれています。

ネットワークインターフェース層：具体的な内容は規定されていないが、有線イーサネットインターフェースや無線LANのWIFIインターフェースなど、世界中の様々なネットワークインターフェースを相互接続することを目的としている。

インターネット層: そのコアプロトコルは IP プロトコルです。

トランスポート層: TCP と UDP は、この層の 2 つの重要なプロトコルです。

アプリケーション層: この層には、HTTP、DNS などの多数のアプリケーション層プロトコルが含まれています。

**IP プロトコル (インターネット層) は、異なるネットワークインターフェイス (ネットワークインターフェイス層)を相互接続し、その上のTCP プロトコルと UDP プロトコル (トランスポート層) にネットワーク相互接続サービスを提供できます**

TCPプロトコルは、 IP プロトコルによって提供されるネットワーク相互接続サービスを享受することに基づいて、アプリケーション層の対応するプロトコルに信頼性の高い伝送サービスを提供できます。

IP プロトコルによって提供されるネットワーク相互接続サービスを享受することに基づいて、UDP プロトコルはアプリケーション層の対応するプロトコルに信頼性の低い伝送サービスを提供できます。

TCP/IP アーキテクチャで最も重要なのはIP プロトコルとTCP プロトコルであるため、TCP と IP はプロトコルファミリ全体を表すために使用されます。

指導中、 TCP/IP アーキテクチャのネットワークインターフェイス層は物理層とデータリンク層に分割されます。

階層化の必要性

物理層の問題

この写真が示しています

まず、厳密に言えば、伝送媒体は物理層に属しません。

コンピュータが送信する信号は、図に示す方形波信号ではありません。

この例は初心者にも理解しやすいようにするためのものです

データリンク層の問題

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ネットワーク層の問題

トランスポート層の問題

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ネットワーク通信に関わるアプリケーションプロセスの特定方法：パケットが到着したらどのプロセスに渡すべきか？ブラウザプロセスまたはQQプロセス

アプリケーション層の問題

アプリケーション層がデータを解析するためにどのような方法 (アプリケーション層プロトコル) を使用する必要があるか

要約する

多層的な思考の例

例: ホストのブラウザが Web サーバーと通信する方法

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解析:

ホストと Web サーバー間のネットワークベースの通信は、実際には、ホストのブラウザアプリケーションプロセスとWeb サーバーのWeb サーバーアプリケーションプロセス間のネットワークベースの通信です。

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アーキテクチャのレイヤーはプロセス全体においてどのような役割を果たしますか?

1. 送信者が送信します

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最初の一歩：

アプリケーション層は、 HTTP プロトコルの規定に従ってHTTP リクエストメッセージを構築します。

アプリケーション層は、HTTP リクエストメッセージをトランスポート層に配信して処理します。

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ステップ2：

トランスポート層は、HTTP リクエストメッセージにTCP ヘッダーを追加して、 TCP セグメントにします。

TCPセグメントのヘッダー形式は、アプリケーションプロセスを区別し、信頼性の高い伝送を実現するために使用されます。

トランスポート層は、処理のためにTCP セグメントをネットワーク層に配信します。

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3番目のステップ:

ネットワーク層は、TCP セグメントにIP ヘッダーを追加して、 IP データグラムを作成します。

IP データグラムの 1 つ目の形式は、 IP データグラムをインターネット上で送信できるようにすること、つまりルーターによって転送できるようにすることです。

ネットワーク層は、処理のためにIP データグラムをデータリンク層に配信します。

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4番目のステップ:

データリンク層は、IP データグラムにヘッダーとトレーラーを追加してフレームにします(ヘッダーは図の右側にあり、テールは左側にあります)。

このヘッダーの主な機能は、フレームがリンクまたはネットワーク上で送信され、対応する宛先ホストで受信できるようにすることです。

テールの機能は、宛先ホストが受信したフレームにビットエラーがあるかどうかをチェックできるようにすることです。

データリンク層はフレームを物理層に配信します

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5番目のステップ:

物理層はまずフレームをビットストリームとみなしますが、ここではネットワークN1がイーサネットであることを想定しているため、ビットストリームの前にプリアンブルも追加します。

プリアンブルの機能は、宛先ホストがフレームを受信できるように準備することです。

物理層はプリアンブルを備えたビットストリームを対応する信号に変換し、伝送媒体に送信します。

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ステップ 6:

信号は伝送媒体を介してルーターに到達します

2.ルーター転送

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ルーターの中で

物理層は信号をビットストリームに変換し、プリアンブルを削除してデータリンク層に渡します。

データリンク層はフレームのヘッダーと末尾を削除した後、それをネットワーク層に配送し、実際にIP データグラムを配送します。

ネットワーク層は、IP データグラムのヘッダーを解析し、そこから宛先ネットワークアドレスを抽出します。

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ルーターの中で

宛先ネットワークアドレスを抽出した後、自身のルーティングテーブルを検索します。転送用の転送ポートを識別する

ネットワーク層はIP データグラムをデータリンク層に配信します

データリンク層は、IP データグラムにヘッダーとトレーラーを追加してフレームにします。

データリンク層はフレームを物理層に配信します

物理層はまずフレームをビットストリームと見なしますが、ここではネットワーク N2 がイーサネットであると仮定しているため、物理層はビットストリームの前にプリアンブルも追加します。

物理層はプリアンブルを含むビットストリームを対応する信号に変換して伝送媒体に送信し、信号は伝送媒体を介してWebサーバーに到達します。

3.受信機が受信する

送信者 (ホスト) の送信プロセスのカプセル化はまったく逆です。

ウェブサーバー上で

物理層は信号をビットストリームに変換し、プリアンブルを削除してフレームを形成し、データリンク層に渡します。

データリンク層はフレームのヘッダーと末尾を削除し、 IP データグラムになり、ネットワーク層に配信されます。

ネットワーク層はIP データグラムのヘッダーを削除し、 TCP セグメントになり、トランスポート層に配信されます。

トランスポート層はTCPセグメントのヘッダーを削除してHTTPリクエストメッセージとなり、アプリケーション層に受け渡します。

アプリケーション層はHTTPリクエストメッセージを解析し、ホストに応答メッセージを送り返します。

応答メッセージを送り返す手順は前のプロセスと同様です。

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用語

以下で紹介する用語は、OSI の 7 層プロトコルアーキテクチャに由来していますが、TCP/IP の 4 層プロトコルアーキテクチャおよび 5 層プロトコルアーキテクチャにも当てはまります。

実在物

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プロトコル

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プロトコル: 2 つのピアエンティティ間の論理通信を管理するルールの集合

契約の 3 つの要素:

構文: 交換される情報の形式を定義します。

セマンティクス: 送信者と送信者の両方が完了する操作を定義します。

同期: 送信と受信の間のタイミング関係を定義します。

仕える

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[コンピュータネットワーク] レイク科学技術大学の学習ノート---コンピュータネットワークアーキテクチャ