【コンピュータネットワークの基礎１】コンピュータネットワークのアーキテクチャとコンピュータネットワークの一般的なモデルを知る（上）

序文

       今日は、コンピュータネットワークの内容全体についても触れたいと思いますが、コンピュータネットワークの内容が大学院入試の一部に占める割合は比較的小さいのですが、この部分を重要なポイントとして捉えていない人もいます。ある種の考え方が間違っています。大学院入試のこれら4つの内容は非常に重要であると考えており、私たちは自らの質の向上を主課題として、それぞれの内容に全力で取り組む必要があります。

       このように、このブログはわかりにくい、読んだ後混乱するかもしれません。このブログには名詞がたくさん出てくるので、覚悟してください！

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【シラバス内容】 

1. コンピュータネットワークの概要

1. コンピュータネットワークの概念、構成、機能、コンピュータネットワークの分類
2. コンピュータネットワークのパフォーマンス指標

2. コンピュータネットワークのアーキテクチャと参照モデル

1. コンピュータ ネットワークの階層構造、コンピュータ ネットワーク プロトコル、インターフェイス、サービスの概念
2. ISO/OSI参照モデルとTCP/IPモデル

【注意してください】 

       この章では主にコンピュータネットワークアーキテクチャの基本的な概念を紹介します。読者は理解に基づいて適切に暗記できます。ネットワークの階層構造（5 層および 7 層構造を含む）、特にISO/OSI 参照モデルの各層の機能と、関連するプロトコル、インターフェイス、サービスの概念を習得することに重点を置きます。ネットワークのさまざまなパフォーマンス指標をマスターします。特に遅延、帯域幅、レート、スループットの計算。

1. コンピュータネットワークの概要 

1.1 コンピュータネットワークの概念

       コンピュータ ネットワークに関して、最初に目を引く用語は「ネットワーク」です。「ネットワーク」とは何ですか？ネットワークとは「網状のもの、あるいは網目状のシステム」のことです。

       では、日常生活でよく使われるネットワークとは何でしょうか? 日常生活で一般的に使用されるネットワークには、人体のニューラル ネットワーク、電気通信ネットワーク、ケーブル TV ネットワーク、送電網、およびコンピュータ ネットワークなどがあります。今、ネット上で話題になっているのが「トリプルプレー（４プレー統合）」。3 つのネットワークが統合された後、4 つのネットワークが統合されました。このことから、コンピュータ ネットワークの重要性がわかります。

【ポイント：コンピュータネットワークの概念】コンピュータネットワークとは、独立した機能を持つ散在するコンピュータシステムを通信機器や回線を介して接続し、完全な機能を有するソフトウェアを用いて資源の共有と情報伝達を実現するシステムであると一般に考えられています。つまり、コンピュータ ネットワークは、相互接続された自律的なコンピュータ システムの集合です。

上記に関連するいくつかの用語を要約すると、次のようになります。

• トリプル プレイ:今日の社会では、ビデオや写真などを 0/1 ビット ストリームに変換できるため、ケーブル TV ネットワークとコンピュータ ネットワークを介した電気通信ネットワークを巧みに統合し、コンピュータ上で TV を視聴することができます。 , パソコンで電話をかけます。
• 通信機器：ルーター、中継器など。
• 回路：論理回路（有線・無線）
• 相互接続:通信リンクを介した相互接続。
• 自律性:主従関係なし 

1.2 コンピュータネットワークの機能

       コンピュータネットワークには多くの機能があり、ネットワークに関連したアプリケーションも数多くあります。ただし、ネットワークの主要な5 つの機能を以下に 1 つずつ紹介します。

1.2.1 データ通信

       これは、コンピュータ ネットワークの最も基本的かつ重要な機能です(複数選択の質問がある場合があることを必ず覚えておいてください)。

関数	ネットワークに接続されたコンピュータ間のさまざまな情報の伝送を実現し、地理的に異なる場所に点在するコンピュータを接続して、一元的な展開、制御、管理を行うために使用されます。
例	例えば、ファイル転送や電子メールなどのアプリケーションは、コンピュータネットワークがなければ実現できません。

1.2.2 リソースの共有

       リソース共有には、ソフトウェア共有、データ共有、またはハードウェア共有があります。

関数	特定のコンピュータのコンピュータ リソースを使用する同じコンピュータ ネットワーク上の他のコンピュータの動作により、ハードウェア、ソフトウェア、およびデータを共有できます。
アドバンテージ	これにより、コンピュータ ネットワーク内のリソースが相互に通信し、連携できるようになり、ハードウェア リソース、ソフトウェア リソース、データ リソースの使用率が大幅に向上します。

1.2.3 分散処理

       複数のコンピューターがそれぞれ同じジョブの異なるタスクを実行します。

関数	コンピュータ ネットワーク内の特定のコンピュータ システムが過負荷になった場合、そのコンピュータ システムが処理する複雑なタスクをネットワーク内の他のコンピュータ システムに分散することで、アイドル状態のコンピュータ リソースを利用してシステム全体の利用率を向上させることができます。
例	例: Hadoop プラットフォーム

1.2.4 信頼性の向上

       コンピュータ ネットワーク内の各コンピュータは、ネットワークを通じて相互に置き換えることができます。これは、1 台のコンピュータが動作中に障害が発生した場合でも、ネットワークを介して別のコンピュータを代替コンピュータとして使用して動作を継続できることと同じです。

1.2.5 負荷分散

関数	コンピュータ ネットワーク内のコンピュータに 作業タスクを均等に分散します。
アドバンテージ	これにより、コンピュータ間の親密性が高まります。

       上記の主要な機能に加えて、コンピュータネットワークは、電子オフィスやサービス、遠隔教育、エンターテイメントなどの機能も実現でき、社会のニーズを満たし、人々の学習、仕事、生活を容易にし、莫大な経済効果をもたらします。利点。

1.3 コンピュータネットワークの発展段階（理解する）

最初の段階:

       米国国防高等研究計画局 (ARPA) は分散型コマンド システムを設計 --> ARPAnet (アーパネット) --> 異なるネットワークの相互接続の実現を期待 --> 1983 年に TCP/IP を受け入れ、インターネットを主要コンピュータとして選択通信システム → インターネット（インターネット）

       ネットワークは多数のコンピュータを相互に接続し、インターネットは多数のネットワークを相互に接続します。インターネットは世界最大のインターネットです。

第 2 段階 - 3 つのレベルの構造:

       1985 年、米国国立科学財団 (NSF) は、6 つの大規模なコンピューター センターを中心とするコンピューター ネットワーク、全米科学財団ネットワーク (NSFNET) を構築しました。

第 3 段階:

       バックボーンISP、リージョナルISP、ローカルISPに分かれる多層ISP構造 

1.4 コンピュータネットワークの標準化（焦点ではない）

       州法があり、家族には家族のルールがあり、車には自動車販売店があり、コンピュータ ネットワークにも同じことが当てはまります。この部分は大学院入試の焦点では​​ありませんが、標準化作業はコンピュータ ネットワークにとって非常に重要です。コンピュータネットワークの標準化は、コンピュータネットワークの発展と推進において極めて重要な役割を果たしており、これはいわばルールのようなものであり、このルールを遵守することでネットワークをより秩序あるものにすることができます。異なるメーカーのハードウェアとソフトウェア間の相互接続を実現するには、統一された規格に従う必要があります。

       すべてのインターネット標準は、RFC (Request For Comments) の形式でインターネット上に公開されますが、すべての RFC がインターネット標準であるわけではありません。RFC が正式なインターネット標準になるには、次の 4 つの段階を経る必要があります。

1. Internet-Draft - この段階はまだ RFC 文書ではありません。
2. 標準案 - この段階以降は RFC 文書です。
3. 規格草案（中止）
4. インターネット標準

現在の標準の分類は、法的標準 - OSI と事実上の標準 - TCP/IPです。

世界には、関連するネットワーク標準の策定と実装を担当する標準化組織が数多くあります。主に次のとおりです。

• 国際標準化機構 (ISO) - OSI 参照モデル、HDLC など。
• 国際電気通信連合 (ITU) - 電気通信に関連する多数の標準を開発しています。
• 電気電子学会 (IEEE) - 802 標準、5G、学術機関。
• Internet Engineering Task Force (IETF) - インターネット関連の標準の開発を担当します。

1.5 コンピュータネットワークの構成

 さまざまな観点から、コンピュータ ネットワークの構成は次のカテゴリに分類できます。

1)コンポーネントの観点から見ると、完全なコンピュータ ネットワークは主に3 つの主要な部分、つまりハードウェア、ソフトウェア、およびプロトコルで構成されており、これらはすべて不可欠です。

• ハードウェア:主にホスト (エンド システムとも呼ばれます)、通信リンク (ツイスト ペア、光ファイバーなど)、スイッチング機器 (ルーター、スイッチなど)、および通信プロセッサ (ネットワーク カードなど) で構成されます。
• ソフトウェア：主に、リソース共有を実現するための各種ソフトウェアや、ユーザーの利便性を高めるための各種ツールソフトウェア（ネットワークオペレーティングシステム、メールプログラム、FTPプログラム、チャットプログラムなど）が含まれます。ソフトウェア部分の大部分はアプリケーション層に属します。
• プロトコル:一連の規則と規約の集合であり、コンピューター ネットワークの中核です。交通規則が自動車の運転を制限するのと同じように、プロトコルはネットワークがデータを送信する際に従う規範を規定します。

2)コンピュータネットワーク（ここでは主にインターネット、すなわちインターネットを指します）は、作業方法の観点からエッジ部分とコア部分に分けることができます。

• エッジ部分:インターネットに接続され、ユーザーが通信 (データ、オーディオ、ビデオの送信など) やリソース共有に直接使用するすべてのホストで構成されます。ユーザーが直接利用する方法は、C/S方式とP2P方式の2つがあります。
• 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、エッジ部分に接続およびスイッチング サービスを提供します。

3)機能構成の観点から見ると、コンピュータ ネットワークは通信サブネットとリソース サブネットで構成されます。

• 通信サブネット:さまざまな伝送媒体、通信機器、および対応するネットワーク プロトコルで構成され、ネットワークにデータの送信、交換、制御、保存機能を持たせ、ネットワークに接続されたコンピュータ間のデータ通信を実現します。
• リソースサブネット:リソース共有/データ処理のためのデバイスとソフトウェアの集合であり、ネットワークユーザーに他のコンピュータ上のハードウェアリソース、ソフトウェアリソース、データリソースを共有するサービスを提供します。

1.6 コンピュータネットワークの分類

1.6.1 分布範囲による分類（距離による分類だけでなく、どのような技術が使用されているかによる分類も含む）

【ポイント】 1. 広域ネットワーク（WAN）。

1. WAN の役割は、長距離通信を提供し、ホストから送信されたデータを転送することです。
2. WAN はインターネットの中核部分です。
3. WANの各ノードのスイッチ間を接続するリンクは、一般に通信容量が大きく高速なリンクである。
4. 従来、WAN ではスイッチング テクノロジーが使用されていました。

2. メトロポリタンエリアネットワーク (MAN)。

1. 大都市圏ネットワークのカバー範囲は、いくつかのブロックまたは都市全体に及ぶ場合もあります。
2. 大都市圏ネットワークのほとんどはイーサネット技術を採用しているため、LAN の範囲の議論にイーサネット技術が組み込まれることがよくあります。

【ポイント】 3. ローカルエリアネットワーク（LAN）。

1. ローカルエリアネットワークは、一般にコンピュータやワークステーションから高速回線で接続されます。
2. LAN 内に構成するコンピュータの数にはそれほど多くの制限はなく、最小 2 台から最大数百台までです。
3. 従来、LAN ではブロードキャスト テクノロジーが使用されていました。

4. パーソナル エリア ネットワーク (PAN)。

1. パーソナル エリア ネットワークとは、個人が働く場所でワイヤレス テクノロジを使用して家庭用電子デバイス (タブレット コンピュータ、スマートフォンなど) を接続するネットワークを指し、ワイヤレス パーソナル エリア ネットワーク (WPAN) とも呼ばれます。

なぜ編集者はその前に「遠くを見るだけでなく、どのようなテクノロジーが使われているかを見る」と書いているのでしょうか？

       その理由は次のとおりです。シャオミンとシャオホンは仲の良い隣人同士で、ある日二人は携帯電話でチャットしました。ローカル エリア ネットワークの範囲内では 2 人の間の距離は非常に狭いですが、2 人はチャットするときにスイッチング テクノロジを使用するため、2 人は引き続きワイド エリア ネットワークを使用してチャットします。

1.6.2 伝送技術による分類

1. ブロードキャストネットワーク。

1. ネットワークに接続されたすべてのコンピュータは共通の通信チャネルを共有します。1 台のコンピュータが共有通信チャネルを介してメッセージのパケットを送信すると、他のすべてのコンピュータがそのパケットを「リッスン」します。
2. パケットを受信したコンピュータは、宛先アドレスを確認してパケットを受け入れるかどうかを決定します。
3. ローカルエリアネットワークは基本的にブロードキャスト通信技術を使用しており、ワイドエリアネットワーク内の無線通信ネットワークや衛星通信ネットワークもブロードキャスト通信技術を使用しています。

2. ピアツーピアネットワーク。

1. 各物理回線は 2 台のコンピューターをリンクします。通信する 2 つのホスト間に直接接続がない場合、それらの間のパケット送信は受信され、保存され、宛先ノードに到達するまで中間ノードを介して転送されます。
2. ポイントツーポイント ネットワークはパケット ストレージとルーティングのメカニズムを採用しており、ワイド エリア ネットワークは基本的にポイントツーポイント ネットワークに属します。

1.6.3 トポロジによる分類

       ネットワークトポロジーとは、ネットワーク内のノード（ルーター、ホストなど）と通信回線（ネットワーク回線）との幾何学的関係（バス形状、リングなど）で表されるネットワーク構造を指し、主に通信のトポロジーを指します。サブネット。

       ネットワークのトポロジーに応じて、下図に示すように主にバス、スター、リング、メッシュなどに分かれます。スター、バス、リング ネットワークは主にローカル エリア ネットワークに使用され、メッシュ ネットワークは主にワイド エリア ネットワークに使用されます。

1) バスネットワーク: コンピュータを単一の伝送線で接続します。利点: ネットワークの構築が簡単、ノードの追加/削減、行の節約に便利。短所: 高負荷時には通信効率が悪く、バスのどの部分も障害の影響を受けやすくなります。

2) スター型ネットワーク：各端末やコンピュータが個別の回線で中央装置に接続されます。中央装置は初期にはコンピュータでしたが、現在では一般にスイッチまたはルーターです。利点: エンドユーザー間の通信は中央デバイスを経由する必要があるため、集中制御と管理が容易になります。短所: コストが高く、中央装置は障害に敏感です。

3) リングネットワーク: すべてのコンピュータインターフェイスデバイスがリングに接続されます。リングはシングル リングでもダブル リングでもよく、リング内の信号は一方向に送信されます。

4) メッシュ ネットワーク: 一般に、各ノードには他のノードに接続された少なくとも 2 つのパスがあり、主に広域ネットワークで使用されます。レギュラータイプとイレギュラータイプの2種類があります。利点: 信頼性が高い。欠点: 制御が複雑で、ラインコストが高い。

1.6.4 ユーザーによる分類

1) 公衆ネットワーク - 通信会社が資金を提供し構築した大規模ネットワークを指します。「公衆」とは、電気通信会社の規定に従って料金を支払うすべての人がこの種のネットワークを使用できることを意味するため、公衆ネットワークとも呼ばれます。

2) プライベート ネットワーク - 部門の特別な業務のニーズを満たすために特定の部門によって構築されたネットワークを指します。このネットワークは、組織外の人々にサービスを提供しません。たとえば、鉄道、電力、軍事、その他の部門のプライベート ネットワークです。

1.6.5 スイッチング技術による分類（後日追加）

       スイッチング技術とは、ホスト、通信デバイス、またはホストと通信デバイスの間で情報を交換するために使用されるデータ形式とデバイスのスイッチング方法を指します。

1) 回線交換ネットワーク。データ送信のために、送信元ノードと宛先ノードの間に専用パスが確立されます。これには、接続の確立、データ送信、切断の 3 段階が含まれます。

2) メッセージ交換ネットワーク。ユーザーデータには、送信元アドレス、宛先アドレス、チェックコードなどの補助情報が付加され、メッセージにカプセル化されます。メッセージ全体を隣接ノードに送信し、すべて格納した後、次のノードに転送するという処理を宛先ノードに到達するまで繰り返す。各メッセージは、宛先ノードに到達するためのパスを独立して選択できます。

3) パケット交換ネットワーク。パケット交換ネットワークとも呼ばれます。

1.6.6 伝送メディアによる分類

       伝送媒体は有線と無線の 2 つに分類できるため、ネットワークも有線ネットワークと無線ネットワークに分けることができます。有線ネットワークはツイストペアネットワーク、同軸ケーブルネットワークなどに分かれます。ワイヤレス ネットワークは、Bluetooth、マイクロ波、無線などのタイプに分類できます。

1.7 コンピュータネットワークのパフォーマンス指標

       一般的なパフォーマンス指標は、大まかに 2 つのカテゴリに分類できます。1 つは速度に関連し、もう 1 つは時間に関連します。したがって、帯域幅、レート、およびスループットは 1 つのカテゴリに分類され、遅延、遅延と帯域幅の積、往復遅延、およびチャネル使用率は 1 つのカテゴリに分類されます。

レート関連の指標 

1.7.1 レート

       まず速度について紹介しましょう 速度という言葉は珍しいものではなく、数学、物理学、化学で使用されます。ネットワークのレートは、それらと同じではありません。ネットワークのレートは、コンピュータ ネットワークに接続されているホストがデジタル チャネル上でデータ ビットを送信するレートを指し、データ送信レート、データ レート、またはビットとも呼ばれます。速度であり、単位は b /s (ビット/秒) (または bit/s、bps と表記されることもあります) です。データレートが高い場合は、kb/s、Mb/s、Gb/s で表すことができます。コンピュータ ネットワーキングでは、最高のデータ転送速度は帯域幅と呼ばれることがよくあります。

1.7.2 帯域幅

       速度に関しては、帯域幅が最高のデータ転送速度であることがわかっています。本来は通信回線が通過できる信号の周波数帯域の範囲を指し、単位はヘルツです。コンピュータ ネットワークでは、帯域幅はネットワークの通信回線がデータを送信できる能力を表し、デジタル チャネルで送信できる「最高のデータ送信速度」と同義で、単位はビット/秒です。

1.7.3 スループット

       特定のネットワーク（またはチャネル、インターフェース）を単位時間あたりに通過するデータの量を指します。スループットは、ネットワーク帯域幅またはネットワークの定格速度によって制限されます。わかりやすい例を挙げると、次のようになります。

レイテンシ関連の指標 

1.7.4 レイテンシー

       データ (メッセージまたはパケット) 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送信されるのに必要な合計時間を指します。これは、送信遅延、伝播遅延、処理遅延、およびキュー遅延の 4 つの部分で構成されます。

名前	説明する	計算式
送信遅延	データがホストからチャネルに移動するのにかかる時間	パケット長/チャネル幅
伝播遅延	データがチャネル上を伝播するのにかかる時間	チャネル長/チャネル上を電磁波が伝播する速度
処理遅延	ルーターの前でデータが前のデータ処理を待機する時間	計算方法がない
キューイング遅延	ルーターでデータが要求を処理する時間	計算方法がない

注: 質問を行うとき、キューイング遅延と処理遅延は通常、無視できます (質問で必要な場合を除く)。高速リンクの場合、増加するのはリンク上のビットの伝播速度ではなく、データ送信速度だけです。データ送信速度を上げることは、データ送信遅延を減らすことだけです。 

1.7.5 遅延帯域幅積

説明する	パイプが保持できるビット数を指します。
公式	伝播遅延* チャネル帯域幅

1.7.6 往復遅延時間 RTT

説明する	送信者がデータを送信してから、送信者が受信者から確認応答を受信するまで（受信者はデータを受信した直後に確認応答を送信します）、発生した合計遅延時間
公式	RTT=伝播遅延x2+処理時間 (直接無視される場合もあります)

1.7.7 利用

1.7.7.1 チャネル使用率

チャネル使用率 = データ通過時間/ あり + データ通過なしの時間

1.7.7.2 ネットワークの使用率

ネットワーク使用率 = すべてのチャネル使用率の加重平均

1.7.7.3 遅延と使用率の関係

使用率が高くなると、レイテンシーも大きくなります
 

要約する

       この記事では、主にコンピュータ ネットワークの概要を紹介し、コンピュータ ネットワークの概念、構成、機能、分類、性能指標について理解します。