コンピュータネットワークの原理(1):コンピュータネットワークとインターネット

• インターネットとは何ですか?
• ネットワークエッジ、ネットワークコア、アクセスネットワーク
• パケット交換ネットワークにおける遅延、パケット損失、およびスループット
• プロトコル層とサービスモデル
• エクササイズ

1. インターネットとは何ですか?

インターネットとは何ですか?

この質問に答えるには 2 つの方法があります: 1 つはインターネットの特定の構造、つまりインターネットを構成する基本的なハードウェアとソフトウェアのコンポーネントを説明できること、もう 1 つはネットワーク インフラストラクチャによってインターネットを説明できることです。分散アプリケーション向けのサービスを提供します。

上記の 2 つの方法に基づいてインターネットを説明すると、インターネットを構成する基本的なハードウェアは何か、といういくつかの基本的な内容につながります。そして、インターネットを構成するソフトウェアコンポーネントは何でしょうか? 分散アプリケーションにサービスを提供できるネットワーク インフラストラクチャの種類は何ですか。

1.1インターネットの具体的な成果

ホストおよびエンド システム: インターネットは世界規模のコンピュータ ネットワークです。このネットワークに接続されているデバイスには、デスクトップ PC、Linux ワークステーション (いわゆるサーバー)、ラップトップ、スマートフォン、タブレット、テレビ、ゲーム機、サーモスタット、ホーム セキュリティ システム、時計などが含まれます。 、メガネ、自動車、輸送制御システムなど。これらのデバイスは総称してホストまたはエンド システムと呼ばれます。これらの端末アプリケーション デバイスに加えて、ルータ、リンク レイヤ スイッチ、モデム、基地局、携帯電話塔など、ネットワークを構築する基本的な機器もホストまたはエンド システムの一種であり、エンド システムは相互に接続されます。通信リンクとパケットスイッチを介して。

通信リンク: 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ます。異なるリンクは異なる速度でデータを送信し、リンクの送信速度はビット/秒 (bit/s または bps) で測定されます。

パケット: あるエンド システムが別のエンド システムにデータを送信する場合、送信者はデータをセグメントに分割し、各セグメントにヘッダー バイトを追加します。結果として得られる情報は、コンピューター ネットワークの用語ではパケットと呼ばれます。パケットはネットワーク経由で宛先エンド システムに送信され、そこで元のデータに組み立てられます。

パケット スイッチ: パケット スイッチは、着信通信リンクの 1 つを通じて到着パケットを受信し、発信通信リンクの 1 つを通じてパケットを転送します。パケット スイッチの 2 つの最もよく知られたタイプは、ルーターとリンク層スイッチであり、データのパケットを最終宛先のエンド システムに転送します。リンク層スイッチは通常、アクセス ネットワークで使用され、ルーターは通常、ネットワーク コアで使用されます。

パス: 送信側システムから受信側システムまで、パケットが通過する一連の通信リンクとパケット スイッチを、ネットワーク内のパス (ルートまたはパス) と呼びます。

インターネット サービス プロバイダー: インターネットにアクセスするためのインターネット サービス プロバイダー。ISP と呼ばれます。ケーブル会社または電話会社の住宅用 ISP、ビジネス ISP、大学 ISP、空港、ホテル、コーヒー ショップなどの公共の場所で 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にモバイル アクセスを提供するセルラー データ ISP が含まれます。各 ISP 自体は、1 つ以上のパケット スイッチと複数の通信リンクからなるネットワークです。各 ISP は、ケーブル モデムや DSL などのブロードバンド アクセス、高速 LAN アクセス、モバイル ワイヤレス アクセスなど、エンド システムにさまざまなタイプのネットワーク アクセスを提供します。ISP は、コンテンツ プロバイダー向けに、Web サイトやビデオ サーバーをインターネットに直接接続するインターネット アクセス サービスも提供します。インターネットはエンド システムを相互接続するものであるため、エンド システムへのアクセスを提供する ISP も相互接続する必要があります。下位レベルの ISP は、Level 3 Communications、AT&T、Sprint、NTT などの国内外の上位レベルの ISP を介して相互接続されています。上位レベルの ISP は、高速光ファイバーで相互接続された高速ルーターで構成されます。上位レベルまたは下位レベルの ISP ネットワークに関係なく、それらは独立して管理され、IP プロトコルを実行し、特定の名前空間とアドレスのルールに従います。

エンド システム、パケット スイッチ、およびその他のインターネット コンポーネントは、インターネット上の情報の送受信を制御する一連のプロトコルを実行します。TCP (伝送制御プロトコル) と IP (インターネット プロトコル) は、インターネット上で最も重要な 2 つのプロトコルです。IP プロトコルは、ルーターとエンド システム間で送受信されるパケットの形式を定義し、インターネットの主要なプロトコルを総称して TCP/IP プロトコルと呼びます。インターネット標準は、Internet Engineering Task Force (IETF) によって開発されています。

IETF の標準文書は、Request For Comment (RFC) と呼ばれています。RFC は、もともとは単なる通常のコメント要求でした。その目的は、インターネットのパイオニアが直面しているネットワークとプロトコルの問題を解決することです。TCP、IP、HTTP、 7,000 近くの RFC があり、イーサネットと無線 WiFi の標準を開発した IEEE 802 LAN/MAN 標準化委員会など、他の組織もネットワーク コンポーネントの標準を開発しています。

1.2インターネットサービスの説明

分散アプリケーション: インターネットがアプリケーションにサービスを提供するインフラストラクチャの観点から説明されます。インターネット ベースのアプリケーションは、従来のメールや Web アプリケーションに加え、インスタント メッセージング、音楽、映画、テレビ、オンライン ソーシャル ネットワーキングなど、非常に豊富です。ビデオ会議、マルチプレイヤー ゲーム、および位置ベースの推奨システムは、複数のエンド システムが相互にデータを交換する必要があるため、分散アプリケーションと呼ばれます。

ソケット インターフェイス: インターネットに接続されたエンド システムは、あるエンド システムで実行されているプログラムが、別のエンド システムで実行されている特定のプログラムにリクエストを送信するようにインターネット インフラストラクチャに要求することを指定するソケット インターフェイスを提供します。データ。インターネット ソケットは、インターネットがデータを宛先に配信できるようにするために、送信プログラムが従う必要がある一連のルールです。

簡単に言うと、分散アプリケーションに対してインターネットによって提供されるサービスはデータ送信であり、これらのデータ送信は、エンド システムのソケット インターフェイスによるインターネット インフラストラクチャへの標準的なデータ送信および配信方法を提供します。物理的な物流と同様に、インターネットはさまざまなサービスを提供しており、アプリケーションはデータ送信を実現するためにインターネット サービスを選択する必要があります。インターネット サービスに関するより具体的なブログ分析は後ほど説明します。

1.3ネットワークプロトコルとは

実生活では、質問と回答のような従来の方法でのコミュニケーションが多くなり、回答リンクでの回答拒否や沈黙が発生し、質問者は回答者の応答に応じて次の対話を継続します。このプロセスには特別な制約はありませんが、社会的なエチケットがいくつかあり、その場の制約が緩い可能性があります。また、ネットワーク内のデータの送信は、ハードウェアに実装されたプロトコルによる 2 つのネットワーク インターフェイス カード間の「オンライン」ビット ストリームの制御、エンド システム プロトコル間の輻輳制御など、通信エンティティのすべてのアクティビティによって制限されるためです。送信者と受信者の間でパケットが送信される速度を制御し、ルーターのプロトコルによって、パケットが送信元から宛先までたどるパスが決定されます。

プロトコル: 2 つ以上の通信エンティティ間で交換されるメッセージの形式とシーケンス、およびメッセージの送受信やその他のイベントに対して実行されるアクションを定義します。

2. ネットワークエッジ、ネットワークコア、アクセスネットワーク

最初のセクションでは、特定のコンポーネントとそれらが提供するサービスを通じてインターネットを分析します。このセクションでは、コンポーネントの種類からインターネットを分析します。このタイプは主にインターネットにおけるコンポーネントの機能を指します。これらの機能のタイプには次のものが含まれます。データの送受信を行うホストがネットワークの端にあるため、この部分を総称してネットワークのエッジと呼び、データの送信を担う回線とスイッチングを行うパケットスイッチがネットワークのエッジに相当する部分です。ネットワーク コアと呼ばれることが多く、ホストをネットワーク コアに接続する役割を担うアクセス ネットワークです。

上図は、機能タイプのシミュレーションに基づいたインターネットの構造図であり、インターネットがエッジシステム、アクセスシステム、ネットワークコアで構成されていることを簡単に示しています。

2.1ネットワークエッジ

通常、エンドシステムはホスト（ホスト）とも呼ばれ、アプリケーションプログラムを収容します（つまり、実行します）。したがって、コンピュータ ネットワーク関連のトピックで言及されるホスト = エンド システムは、これら 2 つの用語が関連ブログで同じ意味で使用されます。ここでは、これら 2 つの用語が同じものを表すことを示すためにのみ使用します。ホストは、クライアント (クライアント) とサーバー (サーバー) の 2 つのカテゴリに分類されることがあります。現在、検索結果、電子メール、Web ページ、ビデオを提供するサーバーのほとんどは大規模なデータ センター (センター) に属しており、デスクトップは大規模なデータ センター (センター) に属しています。日常ユーザーの PC、モバイル PC、およびスマートフォンはすべて、特定のタイプのエンド システムまたはホストです。これは単なる概念的なトピックなので、簡単に説明しましょう。

簡単に言うと、ネットワークのエッジとはエンド システム (ホスト) を指し、より具体的にはホスト システムと分散アプリケーションを指します。エッジシステムのネットワーク動作モードは、主にピアツーピアモードとクライアントサーバーモードの4種類に分けられます。

ピアツーピア モード: P2P と呼ばれます。つまり、ピアツーピア通信モードです。すべての当事者が同じ機能を持ちます。つまり、どの当事者も通信セッションを開始でき、P2P 通信モードに基づくアプリケーションはどの当事者でも実行できます。ホスト システムは相互に直接通信できます。

クライアント-サーバー モード: クライアント-サーバー。C/S モードと呼ばれます。CS モード構造は通常 2 層構造を採用し、サーバーはデータ管理を担当し、クライアントはユーザーとの対話型タスクを完了する責任を負います。

C/S モードに基づいて、専用サーバー モードと BS アーキテクチャ モードという 2 つのネットワーク モードが最新の分散アプリケーションで拡張されています。

専用サーバー モード: 大規模なネットワーク アプリケーション サーバーはユーザーにさまざまなサービスを提供する場合があります。1 台のサーバーを使用するとネットワーク サービスの圧力に耐えられない可能性があるため、ユーザーにサーバーを提供するには複数のサーバーが必要であり、各サーバーは専用のサーバーを提供します。サーバー、インターネット サービス。

B/S アーキテクチャ モード: クライアントとしての www ブラウザ (Browser) に基づいて、一部のビジネス ロジックはブラウザ上に実装されますが、主要なビジネス ロジックは引き続きサーバー側 (Server) に実装され、いわゆる 3 つの構造を形成します。 -tier 3 層構造。3 層構造は、インターフェイス層 (ユーザー インターフェイス層、つまり UI)、ビジネス ロジック層 (ビジネス ロジック層)、データ アクセス層 (データ アクセス層) です。

ホスト システム、ネットワークのエッジにあるホスト システム上で実行される分散アプリケーションが含まれます。また、ホスト システム内のさまざまな基本ネットワーク コンポーネントには、ネットワーク カード、ベースバンドなどの物理コンポーネント、ソケット インターフェイス プログラム、サービスを提供するさまざまなプロトコル アプリケーション プログラムなどのソフトウェア コンポーネントが含まれます。プロトコル アプリケーションには、TCP プロトコル サービス、UDP プロトコル サービスなどが含まれます。分散アプリケーションは、これらのネットワーク サービスを通じてエンド システム間でデータを交換します。

TCP サービス: IETF の RFC 793 で定義された伝送制御プロトコル (Transmission Control Protocol)。TCP は、確認および再送信メカニズムを通じて、信頼性の高い連続したデータ送信を実現します。送信者はフロー制御を実装でき、ネットワークが混雑している場合、送信者は送信速度を下げます。

UDP サービス: IETF の RFC 768 で定義された User Datagram Protocol (User Datagram Protocol)。UDP はコネクションレスで信頼性の低いデータ送信を実装しており、フローを制御できず、輻輳制御も実行しません。

ここでは、ネットワーク エッジについて簡単に説明します。次の OSI ネットワーク階層化アーキテクチャ モデルでは、ネットワーク エッジ部分はアプリケーション層とトランスポート層をカバーします。これらのネットワーク エッジの内容については、次のブログで詳しく紹介します。 . .

2.2ネットワークコア

抽象的に言うと、ネットワークの中核はパケット スイッチとリンクで構成されるメッシュ ネットワークであり、この部分では主にネットワーク内でデータがどのように送信されるかを説明します。

ネットワークのネットワーク: ネットワークのコアはネットワークのネットワークと呼ばれることが多く、エンド システムはアクセス ISP を通じてインターネットに接続されます。アクセス ISP は、DSL、ケーブル、FTTH、 WiFi および携帯電話アクセス技術。ISP は、学生や教師にインターネット アクセスを提供する通信会社やケーブル会社である必要はありません。電気通信局、ケーブル会社、またはインターネット アクセスを提供するその他の組織のいずれであっても、エンド ユーザーとコンテンツ プロバイダーが ISP にアクセスできるようにするためのものですが、すべてのインターネット ユーザーの接続を実現するには、ISP が相互接続されている必要があります。ネットワークとは、さまざまな ISP を接続するネットワークを指します。

インターネット交換ポイント: 各アクセス ISP を他のアクセス ISP に接続できる ISP サービス プロバイダーが存在すると仮定しますが、そのようなアクセス モデルに必要なコストは天文学的な数字になり、その必要はありません。はい、各ユーザーは必要ありません。ネットワークを同時に使用する必要はなく、2 つのユーザー接続間でこのリンクを排他的に共有する必要もありません。実際には、ISP サービス プロバイダーは、一定範囲のユーザーにアクセスしてブランチ ネットワークを形成し、その後、これらのブランチ ネットワークを相互接続して、より広範囲のネットワーク相互接続と相互運用性を実現して地域 ISP を形成します。これらのネットワークは、Internet Exchange Point (インターネット) を経由します。 Exchange Point (IXP と呼ばれます) は、相互接続を実現するために収束し、各 IXP の上にバックボーン ネットワークがリージョナルまたはグローバル ネットワーク リンクを実現します。インターネット交換ポイントは、実際には、これらのネットワークを実現するためにさまざまなネットワークに接続された多数のスイッチです。それらの間のデータ交換。

アクセス ポイント、マルチホーミング、ピアツーピア: 上記の ISP サービス プロバイダーは単一の地域ネットワークではありませんが、多くの場合、1 つのエリア内に複数の ISP サービス プロバイダーがあり、さまざまな規模の ISP サービス プロバイダーがカバーします。エリア範囲は次のとおりです。相互接続を実現するために、ISP には Point of Presence (PoP) が追加され、ネットワーク内の 1 つ以上のルーターが他の ISP とデータ交換を実現します。マルチホーミングとは、1 つの ISP のアクセス ポイント上で、異なるレベルの ISP や異なるリージョンの ISP にアクセスすることです。いわゆるピアツーピアとは、2 つの ISP 間のデータ伝送によって生成されるトラフィックが相互に料金を支払う必要がないことを意味します。この種の隣接レベルは、一般に、ネットワーク カバレージ エリアまたはユーザー アクセスが属する ISP サービス プロバイダー間の接続モードです。 ISPのデータ通信は上位ISPを経由してデータ通信サービスを提供する必要があり、上位ISPに通信料を支払う必要があります。

上図は ISP の相互接続モデルの模式図であり、この部分の分析と図から ISP 間の相互接続内容を説明するために描かれたものであり、本質的には依然としてさまざまなパケット スイッチとリンク メディアで構成されるネットワークです。アプリケーション シナリオの違いにより、さまざまな場所で異なるパフォーマンス特性を持つデバイスが使用され、特定のビジネス上の問題を解決するために、これらのデバイス側システム上でさまざまなアプリケーションが構成され、特定のビジネス要件を処理します。これらの特定のネットワーク コンポーネントについては、次のブログで説明されています。について詳しく説明します。

メッセージ: さまざまなネットワーク アプリケーションでは、エンド システムが相互にメッセージを交換します。メッセージにはプロトコル設計者が必要とするあらゆるものが含まれており、制御機能を実行でき、またデータを含むこともできます。

パケット: メッセージはソース システムから送信され、ソース システムは長いメッセージをパケットと呼ばれる小さなデータ ブロックに分割します。

スイッチ: 送信元と宛先の間では、各パケットは通信リンクとパケット スイッチを通過します。スイッチには、ルーターとリンク層スイッチの 2 つの主なタイプがあります。

パケット交換: データ送信は通信リンク上の物理媒体によって制限されるため、毎回送信されるデータは限られた容量で伝送されます。パケットは、通信リンクを通じてリンクの最大伝送速度と等しい速度で伝送されます。たとえば、ソース エンド システムまたはパケット スイッチがリンクを通じて L ビットのパケットを送信し、リンクの伝送速度が R ビットであるとします。 /秒、その後パケットが送信されます。時間はL/R秒です。パケット交換では、大きなパケットを小さなデータ ブロックに分割するだけでなく、小さなパケットを 1 つのパケットに結合することもあります。パケットのサイズはリンクの伝送速度によって異なります。

ストア アンド フォワード伝送: ほとんどのパケット スイッチは、リンクの入力でストア アンド フォワード伝送メカニズムを使用します。ストアアンドフォワード送信とは、スイッチがパケットの最初のビットを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。つまり、ルーターはパーティションを転送する前にパケット全体を受信、保存、処理する必要があります。

ストアアンドフォワード遅延: L ビットのパケットが、レート R の N リンクで構成されるパス (つまり、送信元と宛先の間に N-1 個のルーターがある) を介して送信元から宛先に送信されると仮定します。終了遅延は次のとおりです: d エンドツーエンド = N*(L/R)。

キュー遅延: 各スイッチには複数のリンクが接続されており、接続されたリンクごとに、スイッチには出力バッファ (出力キューとも呼ばれます) があり、そのリンクのルーター準備パケットを保存するために使用されます。到着したパケットをリンクに送信する必要があるが、そのリンクが他のパケットの送信でビジーであることが判明した場合、到着したパケットは出力バッファーで待機する必要があります。したがって、パケットはストア アンド フォワード遅延に加えて、出力バッファのキューイング遅延 (キューイング遅延) にも耐える必要があります。出力バッファのキュー遅延は、ネットワークの混雑の程度に応じて変化します。

パケットロス (パケットロス): ルータのバッファスペースのサイズは限られているため、到着したパケットでは、送信を待っている他のパケットによってバッファが完全に埋まってしまっていることがわかります。その場合、パケットロス (パケットロス) が発生します。 ）（パケットロス）が発生すると、到着したパケットまたはキューに入れられたパケットの 1 つが破棄されます。

転送テーブル: 各エンド システムには IP アドレスと呼ばれるアドレスがあり、送信元ホストが宛先エンド システムにパケットを送信する場合、送信元はパケットのヘッダーに宛先 IP アドレスを含めます。パケットがネットワーク内のルーターに到着すると、ルーターはパケットの宛先アドレスの一部を調べて、パケットを隣接ルーターに転送します。各ルーターには、宛先アドレス (または宛先アドレスの一部) を発信リンクにマッピングするための転送テーブルがあります。パケットがルーターに到着すると、ルーターはアドレスを調べ、宛先のアドレスを使用して転送テーブルを検索して、適切な発信リンクを見つけます。ルーターに転送テーブルを設定する方法、各ルーターを1台ずつ手動で設定するか、自動プロセスでインターネットを設定するかについては、後ほどコントロールプレーンのブログで詳しく紹介します。

回線交換: 回線交換ネットワークでは、エンドシステム間の通信セッション中に、パスに沿ったエンドシステム間の通信に必要なリソース (バッファ、リンク転送速度) が予約されます。送信者が情報を送信する前に、ネットワークは送信者と受信者間の接続を確立する必要があります。このとき、送信者と受信者間のパスにあるスイッチは、この接続の接続状態を維持します。この接続は、回路。ネットワークがこの種の回線を作成すると、接続中に送信側と受信側で一定の伝送速度 (各リンクの伝送容量、つまり帯域幅の一部として表現される) が確保され、送信側は一定の速度を保証できます。 rate データを受信者に送信します。

回線交換ネットワークでの多重化: リンク内の回線は、周波数分割多重化 (FDM) または時分割多重化 (TDM) によって実装されます。

周波数分割多重化: リンクのスペクトルは、リンク上で作成されたすべての接続によって共有され、その間、リンクは各接続に周波数帯域を割り当てます。電話ネットワークでは、この周波数帯域の幅は通常 4kHz (つまり、1 秒あたり 4000 サイクル) であり、この周波数帯域の幅は帯域幅と呼ばれます。FM ラジオ局も FDM を使用して 88MHz から 108MHz のスペクトルを共有し、各局には特定の周波数帯域が割り当てられます。簡単に言うと、周波数分割多重とは、送信チャネルの総帯域幅をいくつかのサブ周波数帯域 (つまり、サブチャネル) に分割し、各サブチャネルが 1 つの信号を送信し、各チャネルの信号が時間的に重複することです。周波数スペクトルが重複しません。

時分割多重化: TDM リンクの場合、時間が固定時間フレームに分割され、各フレームが固定数のタイム スロットに分割されます。ネットワークがリンクを介して接続を作成する場合、ネットワークは各フレーム内のタイム スロットを接続に割り当てます。これらのタイム スロットは接続のみで排他的に使用され、(各フレーム内の) 1 つのタイム スロットをリンクの送信に使用できます。データ。

回線交換網における多重化には、符号分割多重化と波長分割多重化も含まれており、詳細については以下のブログで紹介します。

パケット交換と回線交換の比較:

回線交換：コネクション確立、通信、コネクション解放の3段階からなり、現在の回線が通信の両端のユーザー専用となり、データ伝送遅延が少ない、2回線でデータを伝送できるという利点がある。シーケンス外れの問題が発生しない送信順序、伝送シミュレーションに適しています、デジタル信号の送信にも適しています、リンク上の固定リソースを占有し、異なるリンク リソース間で切り替える必要がありません。欠点としては、通信当事者が回線のリンクリソースを独占し、リンクリソースの利用に役立たないこと、データが直接であること、種類や速度の異なる端末間での通信が不便であること、エラー制御が難しいことである。難しい; 回線の維持に時間がかかるので簡単 リンク上の機器をダウンさせる。

パケット交換: リンク全体の接続を確立する必要はなく、パケットが到着した後に適切なパスを使用して転送するだけで済みます。利点としては、接続確立に遅延がないこと、ストアアンドフォワード方式を採用しており、スイッチングノードが経路選択機能を備えているため、リンク障害時に別のリンクに切り替えることができること、通信当事者間で通信を行わないことなどが挙げられる。リンク リソースを独占し、より効率的になる可能性があります。 リンク リソースの使用。その欠点は次のとおりです。データはスイッチング ノードに入った後に保存して転送する必要があるため、転送遅延 (パケットの受信、正確性のチェック、キューイング、送信時間を含む) が発生します。 、など）。リンク リソースを使用するユーザーが多い場合、またはデータ送信量が多い場合、遅延が大きくなったり、さらにはパケット損失が発生したりすることがあります。異なるリンク リソースを介して異なるパケットが送信される可能性があるため、順序が崩れる問題が発生する可能性があります。データ伝送需要が突発的な場合、伝送にはデジタル信号のみに適したパケット交換方式が適しています。

パケット交換と回線交換の定量的分析については、中国科学技術大学 Zheng Xuan と Yang Jian の「コンピュータ ネットワーク」完全セット P5 1.3 ネットワーク コアを参照してください。

2.3アクセスネットワーク

ネットワークのエッジとネットワークについては前に紹介しましたが、この部分では、ネットワークのエッジにあるエンドシステムがネットワークのコアにどのようにアクセスするかの概念と、アクセスネットワークをサポートする物理メディアを紹介します。アクセスネットワークは物理メディアを使用しますが、ネットワークの核となるシステムのさまざまなエンドシステムは、データを送信する物理メディアに基づいて相互に接続されており、この部分でのみ紹介されています。

アクセス ネットワークとは、エンド システムをそのエッジ ルータ (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) に物理的に接続するネットワークを意味します。アクセス ネットワークにアクセスするユーザーのタイプに基づいて、アクセス ネットワークのタイプはホーム アクセスとエンタープライズ アクセスに分類できます。

ホーム アクセスのネットワーク タイプには、DSL、ケーブル、FTTH、ダイヤルアップ、衛星が含まれます。エンタープライズ アクセス ネットワークのタイプには、イーサネットおよび WiFi が含まれます。もちろん、これらのネットワーク タイプは、特定のタイプのユーザー専用のアクセス ネットワーク タイプではありません。 、ただし一般的 場合によっては、これらのユーザーはこれらのネットワーク タイプに基づいて接続されます。

DSL: デジタル加入者線。通常は市内電話アクセス用に電話会社から取得される DSL インターネット アクセス。各加入者の SDL モデムは、既存の電話回線 (ツイスト銅線ペア) を使用して、ローカル電話局 (CO) にあるデジタル加入者線アクセス マルチプレクサ (DSLAM) とデータを交換します。家庭内の DSL モデムはデジタル データを取得し、電話回線を介して地元の中央局に送信するために高周波トーンに変換し、その後 DSLAM によってデジタル形式に変換されます。家庭用電話回線は、データと従来の電話信号を同時に伝送します。エンコードには異なる周波数が使用されます。使用される周波数帯域は次のとおりです: 50kHz ～ 1MHz の周波数帯域にある高速ダウンストリーム チャネル、50kHz ～ 1MHz の周波数帯域にある中速アップストリーム チャネル4kHz ～ 50kHz の周波数帯域内、0 ～ 4kHz の周波数帯域にある通常の双方向電話チャネル。顧客側のスプリッタは、家庭に届くデータ信号を電話信号から分離し、データ信号を DSL モデムに転送します。電話会社側では、DSLAM が電話信号からデータを分離し、そのデータをインターネットのコア ネットワークに送信します。

ケーブル: ケーブル インターネット アクセス。ケーブル会社の既存のケーブル テレビ インフラストラクチャを利用します。通常、ケーブルは同軸です。ケーブル インターネット アクセスには、ケーブル モデムと呼ばれる特別なモデムが必要です。ケーブル モデム終端システム (Cable Modem Termination System、CMTS) には、DSL ネットワークの DSLAM と同様の機能があり、下流の多くの家庭でケーブル モデムによって送信されたアナログ信号をデジタル形式に変換し、ケーブル モデムによって信号が分割されます。 HFC ネットワークをダウンストリームとダウンストリームに接続し、通常、2 つのアップリンク チャネルは非対称にアクセスされ、ダウンリンク チャネルに割り当てられる伝送速度は通常、アップリンク チャネルの伝送速度よりも高くなります。

FTTH:Fiber To The Home (Fiber To The Home) とは、簡単に言うと、地元の中央局から家庭に直接光ファイバー パスを提供することです。中央局から出た各ファイバは、各世帯に 1 つのファイバが配布される比較的世帯に近づくまで、実際には多くの世帯で共有されます。この分散用の光ファイバー分散構造には、アクティブ オプティカル ネットワーク (AON) とパッシブ オプティカル ネットワーク (PON) の 2 種類があります。AON は基本的にスイッチド イーサネットであり、これについては次のリンクで説明します。道路層および LAN 関連のブログで詳しく説明します。 。PON 分散アーキテクチャの FTTH には、ファミリごとに光ネットワーク終端装置 (Optical Network Terminator、ONT) があり、隣接するスプリッタと専用の光ファイバで接続され、スプリッタはいくつかのファミリを 1 本のルート共有ファイバに集めます。地元の電話会社または電話局に接続します。

イーサネット: 多くの企業や部門がイーサネットを使用しており、一部の家庭でもこの LAN アクセス テクノロジーを使用し、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 ルーターに接続しています。イーサネット ユーザーはツイストペア銅線を使用してイーサネット スイッチに接続し、イーサネット スイッチ、またはそのような接続されたスイッチのネットワークがインターネットに接続します。

WiFi: 無線通信デバイス (携帯電話など) が増えているため、無線 LAN は一般に WiFi と呼ばれています。ゾンビがイーサネットのツイストペア銅線の回路信号を無線ルーターに置き換えると理解してください。信号は、ワイヤレス ルーターまたはベース ステーションを介してデジタル信号に変換されます。これらのルーターまたはベース ステーションは、基盤となるネットワークからのケーブル信号をワイヤレス信号に変換できるケーブル モデムでもあります。この部分の内容については、後ほどラジオ ネットワークの関連ブログで詳しく説明します。

広域無線アクセス: 3G、4G、5G、LTE、および衛星無線信号。この部分の内容は、後のラジオネットワーク関連ブログでも詳しく紹介しています。

アクセスネットワークでは主に伝送物理メディアに基づいてさまざまな技術が適用されており、コアネットワークでもこれらの物理メディアに基づいてデータ伝送が行われていますが、現在、コアネットワークの多くは物理メディアとして光ファイバーを使用しています。

3. パケット交換ネットワークにおける遅延、パケット損失、スループット

パケットは送信元ホストで始まり、一連のルーターを通過して、宛先で終了します。パケットがこのパスに沿って後続のノードに移動すると、パケットは途中の各ノードでいくつかの異なるタイプの遅延（ノード処理遅延、キューイング遅延、送信遅延（送信）、伝播遅延（伝播遅延）、全体の累積）を経験します。これらの遅延のうちの合計がノード遅延 (合計ノード遅延) になります。

3.1ノード遅延の4種類の遅延

処理遅延: ビットレベルのエラーをチェックするのに必要な時間、パケットのヘッダーをチェックしてパケットの宛先を決定するのに必要な時間。

キューイング遅延: パケットがリンク上で送信を待機する時間は、ルーターの輻輳レベルによって異なります。

伝送遅延: パケットのすべてのビットをリンクにプッシュする時間。これと受信側がリンクから受信する時間はトランザクションの両面にすぎないことに注意してください。送信側がデータを回線にプッシュしている間、受信側は回線からデータを受信して​​いるため、送信遅延はいずれかのタスクにのみかかる可能性があり、送信時間と受信時間の合計ではありません。伝送遅延は、ルート間の距離とは関係なく、パケット サイズとリンク伝送速度の関数です。

伝播遅延: ビットが道路上で送信された後、開始点から次のノードまで伝播するのにかかる時間は、2 つのルート間の距離の関数です。

送信遅延と伝播遅延は同じものであると誤解されている可能性がありますが、実際には、送信遅延とは、パケット全体が伝播路にプッシュされるか、受信側によってパケット全体がパスから伝播路にプッシュされる時間を指します。ノード：受信時間、伝播遅延は、1 つのデータ フレームが送信メディアの期間から相手側に到達するまでの時間を指します。これは、次の詳細な図で理解できます。

3.2キューイング遅延とパケット損失

キューイング遅延は他の 3 つの遅延とは異なります。キューイング リンクの遅延は、現在のノードに到着するデータの瞬間的なフローのサイズによって決まります。パケットが現在のノードに到着した場合、前のパケットは完全に押し出されています。この時点では、現在のノードにはキューイング遅延はありませんが、そうでない場合は遅延が発生し、パケットの到着前にキューに入れられたパケットが多いほど、後で到着するパケットのキューイング遅延が大きくなります。

トラフィック強度: したがって、通常の状況では、キューイング遅延を測定するために統計が使用されます。到着パケットの平均レートを (パケット/秒、つまり pkt/s) と仮定すると、ビットが外部から押し出されるレートです。キューは R (bps、つまり b/s が単位)、各パケットは L ビットで構成され、キューに到着するビットの平均レートは La bps で、トラフィック強度は。

La/R>1 の場合、ビットがキューに到着する平均速度がキューの送信速度を超えます。この場合、キューは無限に増加する傾向があり、キュー遅延も無限になる傾向があります。したがって、交通工学における黄金律は次のとおりです。 はい: システムを設計する際、フロー強度は 1 を超えることはできません。

ここで、La/R<=1 の場合を考えます。パケットが定期的に到着する場合、各パケットが空のキューに到着するときにキュー遅延は発生しません。一方、パケットが定期的ではなくバーストで到着する場合は、次のようになります。平均キュー遅延が大きくなる可能性があります。

N 個のパケットが 1 秒あたり同時に到着すると仮定すると、最初のパケットにはキューイング遅延がなく、2 番目のパケットには L/R 秒のキューイング遅延があり、n 番目に送信されたパケットには (n-1)L/R 秒のキューイング遅延があります。 。

もちろん、上記の 2 つの例は、グループが定期的に到着することを前提としており、これはやや学術的です。実際にキューに到着するプロセスはランダムです。つまり、到着するキューはどのようなパターンにも従いませんが、直感的に理解するのには役立ちます。キューイング遅延の範囲トラフィック強度 La/R が 0 に近い場合、パケットがほとんど到着しないか、パケット到着間隔が非常に長い場合、パケット到着はキュー内の他のパケットを見つけることができないため、キュー遅延は 0 に近くなります。逆に、トラヒック強度Ｌａ／Ｒが１に近い場合、トラヒック強度が１に近づくにつれて平均待ち行列長は悪化し、待ち行列遅延は増加する。

パケット損失: キューが無限のパケットを保持できると仮定すると、実際には、リンク前のキューの容量は限られていますが、キューの容量はフローに応じて制限されているため、キューの容量はルータの設計とコストに大きく依存します。強度が 1 に近い場合、キュー遅延は実際には無限大になる傾向はありません。逆に、到着したグループが満杯のキューを見つけた場合、このグループを保存する場所がないため、ルータはグループを破棄します。つまり、グループが失われます。これは、パケット損失と呼ばれることがよくあります。

したがって、上記の分析から、ノードのパフォーマンスは遅延だけでなく、パケット損失の確率によっても測定されることがわかります。

3.3エンドツーエンドの遅延

送信者から宛先までのパケットのノード遅延の合計がエンドツーエンド遅延です。送信元ホストと宛先ホストの間に N-1 台のルーターがあり、ネットワークが混雑していないと仮定すると、エンドツーエンド遅延は N*(処理遅延 + 送信遅延 + 伝播遅延) として表すことができます。

エンド システムにおけるその他の遅延: 1 つは、メディア トランスポート パケットを共有するエンド システムが、他のエンド システムとメディアを共有するという合意の一環として送信を意図的に遅延させる可能性があること、もう 1 つはメディアのパケット化の遅延です。

3.4コンピュータネットワークにおけるスループット

コンピュータ ネットワークにおける遅延とパケット損失に加えて、エンドツーエンドのスループットもネットワーク パフォーマンスの重要な尺度です。スループットを定義するには、ホスト A からホスト B へのコンピューター ネットワークを介した大きなファイルの転送を考えてください。ある瞬間の瞬間スループットは、ホスト B がファイルを受信する速度 (bps) です。ファイルが F ビットで構成され、ホスト B が F ビットを受信するのに T 秒かかる場合、ファイル転送の平均スループットは F/T bps になります。

ネットワーク伝送媒体の物理的な伝送特性により、伝送媒体が異なれば速度も異なり、スループットの最終決定は、速度の低い伝送媒体になります。ここでサーバーがクライアントにファイルを送信すると仮定し、Rs を使用してサーバーとルーター間のリンク レートを表し、Rc を使用してクライアントとルーター間のリンク レートを表します。明らかに、サーバーは Rs bps より速くリンクを通過できず、ルーターも Rc bps より速くリンクを通過できません。

Rs<Rc の場合、Rs bps の特定のスループットで、サーバーによって注入されたビットはルーターをスムーズに通過し、Rs bps でクライアントに到達します。

Rs>Rc の場合、ルーターは受信した速度でビットを転送できません。この場合、ビットはレート Rc でルーターから送信され、エンドツーエンドのスループットは Rc になります。

したがって、この単純な 2 リンク ネットワークのスループットは min{Rc,Rs} となり、これはボトルネック リンクの伝送速度とも言えます。サーバーとクライアントの間に伝送媒体のセクションが N 個あり、各セクションの伝送速度が R1、R2、R3...、RN であるとします。同様に、サーバーからクライアントへの伝送速度は次のように依存します。その転送速度は、min{R1,R2,R3...,RN} として表すことができます。

パブリック リンクでは、各エンドツーエンド送信操作がリンク リソースを同時に共有することがわかっています。物理送信メディア上で同時にビットを送信する 5 つのファイルがあると仮定すると、この物理送信メディアは送信を分割します。このときの単一ファイルの伝送速度は、物理伝送メディア速度Ｒの１／５、すなわちＲ／５となる。

4. プロトコル層とサービスモデル

インターネットでは、2 つ以上のリモート通信エンティティを設計するすべての作業がプロトコルによって管理されます。ネットワーク プロトコルの設計構造を提供するために、ネットワーク設計者は、プロトコルと、そのプロトコルを実装するハードウェアとハ​​ードウェアを編成します。階層的なソフトウェア。そして、各層が持つプロトコルをプロトコルスタックと呼びます。インターネットのプロトコルスタックは、上からアプリケーション層、トランスポート層、ネットワーク層、リンク層、物理層の5層で構成されています。

4.1 5層のネットワーク構造

アプリケーション層（ソフトウェア）：アプリケーション層のまとまりをメッセージと呼び、複数のエンドシステムに分散されたアプリケーションプログラムは、このプロトコルを使用してメッセージを交換します。アプリケーション層プロトコルには、HTTP、SMTP、FTP などが含まれます。

トランスポート層 (ソフトウェア): トランスポート層のグループはセグメントと呼ばれ、アプリケーション層のメッセージはアプリケーション エンドポイント間で転送されます。トランスポート層には、TCP と UDP の 2 つのプロトコルがあります。TCP は、アプリケーション層メッセージ プロジェクト サイトの配信保証メカニズムとフロー制御を含むコネクション指向のサービスを提供すると同時に、長いメッセージを短いメッセージに分割し、輻輳制御メカニズムを提供します。 、送信元は送信速度を調整します。UDP プロトコルは、信頼性、フロー制御、輻輳制御のないコネクションレス型サービスをアプリケーションに提供します。

ネットワーク層 (ハードウェアとソフトウェアの混合): ネットワーク層のグループはデータグラム (データグラム) と呼ばれ、インターネット プロトコルとルーティング プロトコルを含む、あるホストから別のホストにデータグラムを移動します。その中には、有名なインターネット プロトコル IP が定義されています。パケット内のさまざまなフィールドと、エンド システムとルーターがそれらのフィールドを使用するためにどのように連携するか。IP は 1 つだけであり、ネットワーク層を持つすべてのインターネット コンポーネントは IP を実行するため、ネットワーク層には IP プロトコル以外のルーティング プロトコルがある場合でも、ネットワーク層は IP 層と呼ばれることがよくあります。

リンク層: リンク層のパケットはフレームと呼ばれます。パケットをパス上のあるノード (ホストまたはルーター) から次のノードに移動するには、ネットワーク層はリンク層のサービスに依存する必要があります。ネットワーク層には、イーサネット、WiFi、およびケーブル アクセス ネットワークの DOCSIS プロトコルが含まれます。リンク層によって提供されるサービスは、リンクの特定のリンク層プロトコルに依存します。一部のプロトコルは、リンク層に基づいて信頼性の高い伝送を提供します。さまざまなリンク層 リンクは、異なるリンク層プロトコルによって処理され、異なるサービスを受けます。

物理層: 物理層のタスクは、リンク層によって送信されるフレーム内のビットをあるノードから次のノードに移動することです。物理層プロトコルは依然としてリンク層に関連しており、リンクの実際の伝送媒体に関連しています。 。

4.2 OSI 7 層ネットワークモデル

OSI(Open System Interconnection)参照モデルとは、コンピュータ間や通信システム間の相互接続のために国際標準化機構(ISO)が開発した標準システムで、一般にOSI参照モデルまたは7層モデルと呼ばれます。

OSIモデルは上からアプリケーション層、プレゼンテーション層、セッション層、トランスポート層、ネットワーク層、リンク層、物理層に分かれており、5層のネットワーク構造と比べると、プレゼンテーション層とセッション層の機能が大きく異なります。補充されています。

プレゼンテーション層: 通信アプリケーションが、データ圧縮、データ暗号化、データ記述など、交換されたデータの意味を解析できるようにします。

セッション層: チェックポイントや回復スキームを確立する方法など、データ交換のための境界設定および同期機能を提供します。

4.3梱包

送信ホスト側では、アプリケーション層のメッセージがトランスポート層に送信され、受信後、トランスポート層はメッセージヘッダーに情報を添付します。この情報は、受信側のトランスポート層で使用されます。アプリケーション層メッセージとトランスポート層のヘッダー情報は一緒にトランスポート層メッセージ セグメントを形成します。つまり、トランスポート層はアプリケーション層メッセージをカプセル化します。

同様にトランスポート層はメッセージセグメントをネットワーク層に送信し、ネットワーク層も同様にインジェクション元や宛先のシステムアドレスなどのネットワーク層ヘッダ情報をヘッダに付加してネットワーク層データグラム（network-layer-datagram）を生成する。

さらに下方向にデータグラムがリンク層に渡され、リンク層は引き続きリンク層のヘッダ情報を付加してリンク層フレーム（リンク層フレーム）を生成する。

パケットには各層にヘッダー フィールドとペイロード フィールドの 2 種類のフィールドがあり、通常、ペイロードは前の層からのパケットです。

受信側はカプセル化を逆に再構築し、ヘッダーを層ごとに削除して元の情報を受け取ります。

いわゆる宿題の最後の部分は、本来は「コンピュータネットワークトップダウン」の放課後演習の答えを書く予定でしたが、スペースの都合上、整理が終わったらファイルアドレスを直接追記します。外。

余談

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