【コンピュータネットワーク基礎１】コンピュータネットワークの構造を理解し、コンピュータネットワークの大まかなモデルを理解する（その２）

序文

       前回の記事ではコンピュータネットワークの概要を中心に紹介しましたが、次回はコンピュータネットワークのアーキテクチャや参照モデルの内容について紹介していきます。このブログは前のブログと密接に関連しています。

       このブログの主な内容は、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、主にコンピュータ ネットワークの階層構造、プロトコル、インターフェイス、サービス、ISO/OSI 参照モデル、TCP/IP モデルの概念です。

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【試験内容】

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、プロトコル、インターフェイス、サービスなどの関連概念を習得することに重点を置きます。ネットワークに関連するさまざまなパフォーマンス指標を理解します。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階層構造

1.1 アーキテクチャ

まず、アーキテクチャ、つまりコンピュータ ネットワークの層、各層のプロトコル、層間のインターフェイスの集合について       理解しましょう。階層は垂直階層モデルによって表されます。物理メディア上の実際の通信を除き、他のすべてのピア エンティティは仮想通信です。ピア層での仮想通信は、その層のプロトコルに従う必要があります。

リアルなコミュニケーションとは何か、バーチャルなコミュニケーションとは何か？

•        鮮やかな例を挙げると、私は誰かにペンを送りたいのですが、誰かがペンを受け取るとき、これはバーチャルコミュニケーションです、なぜなら私がペンを持って誰かに渡すのではなく、速達で行われるからです。
•        私がペンを配達員に渡し、配達員がそれを仕分け人に渡し、それを高速鉄道や飛行機で誰かの場所に送る、これが本当のコミュニケーションです。

1.2 レイヤ化の意味と基本原則 (ただし、このトピックについては現在の立場では扱っていません)

1.2.1 階層化の意味

       2 つのシステム内のエンティティ間の通信は非常に複雑なプロセスです。プロトコル設計とデバッグ プロセスの複雑さを軽減し、ネットワークの研究、実装、保守を容易にし、標準化作業を促進するために、コンピュータ ネットワークのアーキテクチャは通常、階層化された方法でモデリングします。

1.2.2 階層構造分割の原理

1. 各層の機能は明確であり、互いに独立している必要があります。ある層の特定の実装方法が更新された場合、上位層と下位層のインターフェイスが変更されていない限り、隣接層に影響を与えることなく、最も適切な技術を使用して実装できます。
2. 層間インターフェイスは明確である必要が、クロスドメイン インターフェイスの情報量は可能な限り少なくする必要があります。
3. レイヤーの数は適度にすべきです。層が少なすぎると、各層のプロトコルが複雑になりすぎ、層が多すぎると、アーキテクチャが複雑になり、各層の機能の記述と実装が困難になります。
4. 各レイヤー間のインターフェイスは自然かつ明確で理解しやすく、コミュニケーションは最小限に抑えられています。
5. 下位層の上位層からの独立性を維持し、上位層は下位層によって提供されるサービスを一方向に使用します。
6. 全体の階層構造により、標準化の取り組みが促進されるはずです。

1.3 アーキテクチャの特徴

1. レベルを分割するための基礎として関数を使用します。
2. n 番目の層エンティティが独自に定義された機能を実装する場合、 n-1 番目の層によって提供されるサービスのみを使用できます。
3. 第 n 層が第 n+1 層にサービスを提供する場合、このサービスには第 n 層自体の機能だけでなく、下位層のサービスが提供する機能も含まれます。
4. インターフェイスは隣接する層の間にのみ存在し、提供されるサービスの具体的な実装の詳細は上位層から完全に保護されます。

1.4 概念的な理解

1. ネットワーク プロトコルは階層構造で編成されています。
2. ネットワークの階層構造モデルと各層のプロトコルの集合をネットワーク アーキテクチャと呼びます。
3. ネットワーク アーキテクチャは、コンピュータ ネットワークが実装すべき機能を正確に定義します。
4. アーキテクチャは抽象的ですが、実装は実行可能なハードウェアとソフトウェアを指します。

2. コンピュータネットワークのプロトコル、インターフェース、サービスの概念

2.1 合意

合意の概念:

• ネットワーク プロトコルは、ネットワーク データ交換のために開発されたルール、規約、標準です。(宅配会社が宅配便を送るときと同じように、宅配便の追跡番号を宅配便に載せる必要があります。契約書は実際には言語です。)

プロトコルの 3 つの要素:セマンティクス、構文、同期 (タイミング)。

• セマンティクス:ビットストリームの各部分の意味を説明するために使用されます。
• 文法： 文法とは、ユーザーデータドメイン制御情報の構造と形式、およびデータの出現順序の意味です（電子メールに記載される名前、住所、連絡先情報の固定位置と順序に相当します）。速達伝票。）
• 同期 (タイミング):イベントのシーケンスの詳細な説明

タイミングに関する試験問題を見てみましょう。

エンティティの概念:

• 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ます。

プロトコル機能:

1. 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ルールの集合です。
2. プロトコルの制御下で、2 つのピア エンティティ間の通信により、この層が上位層にサービスを提供できるようになります。
3. この層プロトコルを実装するには、下位層によって提供されるサービスも使用する必要があります。

2.2 サービス

サービスコンセプト：

• 上位層のピアが確実に相互に通信できるようにするために、下位層は上位層に機能を提供します。（一方通行であることを忘れないでください）

2.3 インターフェース（サービスアクセスポイント）

インターフェースの概念:

• インターフェイスは、同じノード内の隣接する層間で情報が交換される接続ポイントです。 

インターフェース機能:

• 同じノードの隣接する層間には明確に定義されたインターフェイスがあり、最下層はインターフェイスを通じて上位層にサービスを提供します。
• インターフェース条件が変更されず、下位機能が変更されない限り、下位機能の具体的な実装方法や技術が変更されても、システム全体の動作には影響しません。

サービス アクセス ポイントの概念:

• 同じシステムの 2 つの隣接する層のエンティティが対話する場所は、サービス アクセス ポイント SAP と呼ばれます。サービス アクセス ポイント SAP は抽象的な概念であり、実際には論理インターフェイスです。

サービス データ ユニット SDU の概念:

• レイヤー間で交換されるデータの単位。

プロトコル データ ユニット PDU の概念:

• ピア層間で送信されるデータ ユニットは、その層のプロトコル データ ユニット (PDU) と呼ばれます。
• SDU は PDU と異なっていてもよく、たとえば、複数の SDU を 1 つの PDU に結合したり、1 つの SDU を複数の PDU に分割したりできます。

2.4 プロトコルとサービスの概念は異なる

1. プロトコルを実装すると、上位層にサービスを提供できるようになります。
2. この層のサービス ユーザーはサービスのみを参照できますが、基礎となるプロトコルは参照できません。
3. プロトコルは「水平」です。つまり、プロトコルはピア エンティティ間の通信を制御するルールです。
4. サービスは「垂直」です。つまり、サービスは層間インターフェイスを介して下位層から上位層に提供され
5. 上位層はサービス プリミティブを使用して、下位層が提供するサービスを取得します。

サービスプリミティブとは何ですか?

サービスプリミティブの概念:

• 上位層が下位層が提供するサービスを利用する場合、OSI参照モデルではサービスプリミティブと呼ばれるコマンドを下位層と交換する必要があります。

OSI 参照モデルは、プリミティブを 4 つのカテゴリに分類します。

1. 聞く。サービス ユーザーがサービス プロバイダーに送信して、ジョブの実行を要求します。
2. 指示する。ユーザーに何かを行うよう指示するために、サービス プロバイダーからサービス ユーザーに送信されます。
3. 応答。指示に応じて、サービス ユーザーによってサービス プロバイダーに送信されます。
4. 確認済み。リクエストの確認としてサービスプロバイダーからサービスユーザーに送信されます。

上記の説明は少しわかりにくいかもしれません。図で説明しましょう。

3. ISO/OSI参照モデル（7層）

       OSI のアーキテクチャは、プロセス間の通信のための7 層モデルを定義し、各層での標準策定を調整するためのフレームワークとして機能します。OSI のサービス定義は、各層によって提供されるサービスと層間の関係を記述します。抽象インターフェイスとサービスインタラクション用のプリミティブ。レイヤー間の機能を見てみましょう。

3.1 物理層の主な機能

1. 伝送メディアを使用して、通信用のネットワーク ノード間の物理接続を確立、管理、解放します。
2. ビットストリームの透過的な伝送を実現し、データリンク層にデータ伝送サービスを提供します。
3. 物理層のデータ伝送単位はビットです。

3.2 データリンク層の主な機能

1. 物理層によって提供されるサービスに基づいて、データリンク層は通信エンティティ間のデータリンク接続を確立します。
2. データパケットを「フレーム」単位で送信します。
3. エラー制御およびフロー制御方法は、エラーのある物理回線をエラーのないデータ リンクに変えるために使用されます。

3.3 ネットワーク層の主な機能

1. ルーティング アルゴリズム (コントロール プレーン)を通じて、パケットが通信サブネットを通過するための適切なパスを選択します。
2. ノード間のデータ送信 (転送、データ プレーン)のための論理リンクを作成します。
3. 輻輳制御やネットワーク相互接続などの機能を実現します。

3.4 トランスポート層の主な機能

1. ユーザーに信頼性の高いエンドツーエンドのサービスを提供します。
2. パケットエラー、パケット順序、その他の重大な送信問題を処理します。
3. トランスポート層は、下位層のデータ通信の詳細を上位層から保護し、コンピュータ通信アーキテクチャにおける重要な層です。

3.5 セッション層の主な機能

1. 2 つのノード間の伝送リンクを担当し、ポイントツーポイント伝送が中断されないようにします。
2. データ交換を管理します。

 3.6 プレゼンテーション層の主な機能

1. 2 つの通信システム間で交換される情報を処理するために使用される表現。
2. データ形式の交換。
3. データの暗号化と復号化。
4. データの圧縮と復元。

3.7 アプリケーション層の主な機能

1. アプリケーションにネットワーク サービスを提供します。
2. アプリケーション層は、連携して動作するアプリケーション間の同期を実現するために、通信パートナーの可用性を識別して保証する必要があります。
3. 送信エラーを修正し、データの整合性を確保するための制御メカニズムを確立します。

4. TCP/IP参照モデル（レイヤー4）

4.1 TCP/IP参照モデルの開発

• 現在使用されているバージョン 4 のネットワーク層プロトコルは、通常 IPv4 として記録されます。
• バージョン 6 のネットワーク層 IP プロトコルは、通常、IPv6 (または IPng、IP 次世代) として記録されます。
• IPv6 は次世代 IP プロトコルと呼ばれます。

4.2 TCP/IPプロトコルの特徴

1. オープンなプロトコル標準。
2. 特定のコンピュータ ハードウェアやオペレーティング システムに依存しない。
3. 特定のネットワーク ハードウェアに依存せず、ローカル エリア ネットワーク、ワイド エリア ネットワーク上で実行でき、インターネットにより適しています。
4. 統合されたネットワーク アドレス割り当てスキームにより、TCP/IP デバイス全体がインターネット上で一意のアドレスを持つようになります。
5. 標準化された高レベルのプロトコルにより、信頼性の高いさまざまなユーザー サービスを提供できます。

4.3 ネットワークインターフェース層

1. 参照モデルの最下位層。ネットワーク上で IP データグラムの送受信を担当します。
2. ホストがさまざまな既存の一般的なプロトコルを使用してネットワークに接続できるようにします。
3. これはTCP/IP プロトコルの互換性と適応性を完全に反映しており、TCP/IP の成功の基礎も築きます。

4.4 インターネット層

1. OSI 参照モデルのネットワーク層コネクションレス型ネットワーク サービスと同等。
2. 相互接続ルーティング、フロー制御、輻輳の問題を処理します。
3. IP プロトコルは、「ベスト エフォート型」サービスを提供するコネクションレス型ネットワーク層プロトコルです。

4.5 トランスポート層

1. インターネット上のソース ホストと宛先ホストのピア エンティティ間のセッションのエンドツーエンド接続を確立します。
2. 伝送制御プロトコル TCP は、信頼性の高い接続指向のプロトコルです。
3. ユーザー データグラム プロトコル UDP は、信頼性の低いコネクションレス プロトコルです。

4.6 アプリケーション層

アプリケーション層プロトコルには主に次のものが含まれます。

• ファイル転送プロトコル FTP
• 簡易メール転送プロトコル SMTP
• ドメインネームシステムDNS
• ハイパーテキスト転送プロトコル HTTP
• 動的アドレス取得プロトコル DHCP

5層5層構造

6. OSI参照モデルとTCP/IP参照モデルの比較

OSI 参照モデルに関するコメント:

1. レイヤの数とコンテンツの選択はあまり適切ではなく、セッション レイヤはめったに使用されず、プレゼンテーション レイヤはほとんど空で、データ リンク レイヤとネットワーク レイヤには多くのサブレイヤが挿入されています。
2. アドレス指定、フロー制御、およびエラー制御が各層で繰り返されるため、システム効率が低下します。
3. データ セキュリティ、暗号化、およびネットワーク管理は、参照モデルの設計の初期段階で無視されました。
4. 参照モデルの設計は通信の考え方に支配されており、コンピューターやソフトウェアの動作方法には適していません。
5. 階層モデルに従って厳密にプログラムされたソフトウェアは非常に非効率的です。

TCP/IP 参照モデルの評価:

1. サービス、インターフェイス、プロトコルの違いはあまり明確ではありません。優れたソフトウェア プロジェクトでは、機能と実装方法を区別する必要があります。参照モデルは、他の非 TCP/IP プロトコル ファミリには適していません。
2. TCP/IP 参照モデルのホスト ネットワーク層それ自体は実際の層ではありません。
3. 物理層とデータリンク層の分割は必要かつ合理的ですが、TCP/IP 参照モデルではこれが行われません。

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、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 プロトコルの内容、インターフェイス、サービス、および 2 つの重要なモデル (OSI/ISO モデルと TCP/IP モデル) について説明します。あなたの「いいね！」と注目を集めて、メモを簡略化するためにもっと努力します。