コンピュータ ネットワークに関するメモ - コンピュータ ネットワークのアーキテクチャ

1. コンピュータネットワークのアーキテクチャ

1.1 コンピュータネットワークの概要

1.1.1 コンピュータネットワークの概念

簡単な定義: 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。

広義：コンピュータネットワークとは、遠隔での情報処理を実現できるシステム、あるいはリソースの共有をさらに実現できるシステムです。

リソース共有の観点: コンピュータ ネットワークは、リソースを相互に共有できる方法で相互接続された自律コンピュータ システムの集合です。

ユーザーの透明性の観点: コンピュータ ネットワークは、ユーザーのリソースを自動的に管理するネットワーク オペレーティング システムです。ユーザーが必要とするリソースを呼び出すことができます。ネットワーク全体は、大規模なコンピュータ システムと同様にユーザーに対して透過的です。

自律型コンピュータ: 自身を管理、構成、保守できるコンピュータ

1.1.2 コンピュータネットワーク構成

物理的組成

コンピュータ ネットワーク: ハードウェア、ソフトウェア、プロトコルの 3 つの部分。

ハードウェア: ホスト + 通信プロセッサ + 通信回線 + 交換機。

ソフトウェア：リソース共有のためのソフトウェアや、ユーザーが使用するのに便利な各種ツールソフトウェアを含みます。

プロトコル: ネットワーク内でのデータ交換のために確立されたルール、標準。

働き方構成

コンピュータネットワーク：エッジ部、コア部

エッジ部分: ユーザーが通信やリソース共有のために直接使用するために、インターネットに接続されたすべてのホストで構成されます。

コア部分: 多数のネットワークとこれらのネットワークを接続するルーターで構成され、エッジ部分に接続とスイッチング サービスを提供します。

機能的組成

コンピュータネットワーク: 通信サブネット、リソースサブネット

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伝送、交換、制御機能を提供し、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: メイン端末と各種ソフトウェア資源や情報資源から構成され、ネットワーク全体のデータ処理業務を担い、利用者にさまざまなネットワーク資源やサービスを提供します。

1.1.3 コンピュータネットワークの機能

• データ通信：最も基本的で重要な機能。接続制御、送信制御、エラー制御、フロー制御、ルーティング、多重化などの機能が含まれます。
• リソース共有: データ リソース、ソフトウェア リソース、ハードウェア リソースを含みます。
• 分散処理: コンピュータ システムが過負荷になると、処理タスクがネットワーク内の他のコンピュータ システムに転送されて処理され、アイドル状態のコンピュータ リソースがシステム全体の使用率を向上させるために使用されます。
• 総合的情報処理：世界中のコンピュータに散在するデータを集中的または階層的に処理すること。
• 負荷分散: コンピュータ ネットワーク内の各コンピュータに作業タスクを均等に分散します。
• 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。

1.1.4 コンピュータネットワークの分類

• 配信範囲：ワイドエリアネットワーク、メトロポリタンエリアネットワーク、ローカルエリアネットワーク、パーソナルエリアネットワーク
• トポロジ: スター ネットワーク、バス ネットワーク、リング ネットワーク、メッシュ ネットワーク
• 伝送技術: ブロードキャスト ネットワーク、ポイントツーポイント ネットワーク
• ユーザー: パブリック ネットワーク、プライベート ネットワーク
• データ交換技術: 回線交換ネットワーク、メッセージ交換ネットワーク、パケット交換ネットワーク

1.1.5 コンピュータネットワークの標準化に関する公共事業と関連団体

標準化のステップ: インターネット草案、標準案、標準草案、インターネット標準

関連団体：ISO、ITU、IEE

1.2 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

1.2.1 コンピュータネットワークの階層構造

なぜレイヤー化するのでしょうか？

システム構造が大きい場合、階層化により管理メカニズムをより適切に実装し、システム全体の効率を向上させることができます。ただし、あまり重ねすぎないでください。そうしないと、リソースの無駄が発生します。

• エンティティ: 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。エンティティは特定のソフトウェア モジュールです。

• ピアレイヤー: 異なるマシン上の同じレイヤー。

• ピアエンティティ: 同じレイヤー上のエンティティ。

1.2.2 合意

2 つのピアエンティティが通信する方法を制御するルール。水平です

プロトコルのコンポーネント: セマンティクス、構文、同期。

• セマンティクス: プロトコルを構成する要素の意味の解釈。何だって
• 構文: データおよび制御情報の構造または形式、どのように言って
• 同期: イベントの実行シーケンスを指定します。

1.2.3 インターフェース

インターフェースはサービスアクセスポイントとも呼ばれ、物理層から順に各層がサービスアクセスポイントを提供しており、インターフェースがなければサービスを提供できません。

• サービス データ ユニット (SDU): レイヤ n のサービス データ ユニット - n-SDU
• プロトコル制御情報 (PCI): レイヤ n のプロトコル制御情報 - n-PCI
• インターフェース制御情報 (ICI): レイヤ n のインターフェース制御情報 - n-ICI
• プロトコル データ ユニット (PDU): 第 n 層のサービス データ ユニット + 第 n 層のプロトコル制御情報、n-SDU+n-PCI=n-PDU、n-PDU=(n-1)-SDU、同じ層のピアエンティティ間で送信されるデータユニット
• インターフェイス データ ユニット (IDU): 第 n 層のサービス データ ユニット + 第 n 層のインターフェイス制御情報、n-SDU+n-ICI=n-IDU、隣接するインターフェース間で送信されるデータユニット

1.2.4 サービス

下位層は上位層が提供する関数を呼び出します。サービスは垂直型です

上位レベルのエンティティから「見える」機能はサービスと呼ばれます。

• n 番目の層エンティティは、層 n-1 のサービスを使用するだけでなく、この層のサービスを層 n+1 に提供する必要があります。このサービスはn 番目の層とその下の層によって提供されるサービスの合計。最上位レベルはユーザーにサービスを提供します。
• 上位層は、隣接層のインターフェースを介して下位層のサービスを利用することのみが可能であり、他の層のサービスを呼び出すことはできない、つまり、下位層が提供するサービスの実装内容は上位層に対して透過的である。

透明性: ユーザーはどのような機能が利用可能であるかを知っているだけで、その実装方法は知りません。

接続指向のサービス

通信する２者間で通信を行う場合、コネクションの確立、コネクションの使用、コネクションの解放という通信回線があらかじめ確立されます。

アドバンテージ：

• 確実な情報の流れ、情報返信の確認

欠点:

• 通信チャネルを占有する

コネクションレス型サービス

両者が通信する場合、事前に通信回線を確立する必要はなく、宛先アドレスを持つパケット（メッセージ群）を回線に送信し、システムが経路を選択して送信します。

アドバンテージ：

• 通信チャネルを占有しない

欠点:

• 情報の流れが失われ、返信によって情報が確認できない可能性があります。

留守番電話サービスあり

データを受信した後、受信者は対応する応答を送信者に返します。

留守番電話サービスなし

受信機はデータを受信した後、自動的に応答しません。

信頼できるサービス

ネットワークには、データが正しく確実に宛先に送信されることを保証するためのエラー検出、エラー修正、および応答メカニズムが備わっています。

信頼できないサービス

ネットワークは、データが宛先に正確かつ確実に送信されることを保証できません。ネットワークは、可能な限り正確かつ信頼性を高めることのみを試みることができます。

1.2.5 ISO/OSI参照モデルとTCP/IPモデル

5層構造モデル

• アプリケーション層（ユーザー間）
  • タスク: システムとユーザー間のインターフェイスを提供する
  • 機能: ファイル転送、アクセスと管理、電子メールサービス
  • プロトコル: FTP、SMTP、POP3、HTTP
• トランスポート層 (アプリケーションからアプリケーション、プロセスからプロセス)
  • 送信単位：メッセージセグメント（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します。
  • 関数
    • エンドツーエンド接続に信頼性の高いトランスポートを提供するサービス
    • フロー制御、エラー制御、エンドツーエンド接続のサービス品質などの管理サービスを提供します。
  • プロトコル: TCP、UDP、ARQ
• ネットワーク層（ホスト間）
  • 送信単位：データグラム
  • 実装されるハードウェア: ルーター
  • タスク
    • トランスポート層から送信されるメッセージセグメントをパケットにカプセル化します。
    • トランスポート層からのパケットが宛先ホストに配信されるように、適切なルートを選択します。
  • 関数
    • トランスポート層にサービスを提供する
    • 梱包と開梱
    • ルーティング
    • 輻輳制御
  • プロトコル: ICMP、ARP、RARP、IP、IGMP
• データリンク層（リンク層）
  • 伝送単位：フレーム
  • 実装されたハードウェア: スイッチ、ブリッジ
  • タスク: ネットワーク層から送信された IP データグラムをフレームに組み立てる
  • 関数
    • リンク接続確立、分解、切り離し
    • フレーム区切りとフレーム同期
    • エラー検出
  • 契約: PPP、HDLC
• 物理層
  • 送信単位：ビット
  • 実装されるハードウェア: ハブ、リピーター
  • ミッション: ビットストリームを透過的に送信する
  • 機能: データ端末装置にデータ伝送路を提供する

補充する

OSIモデル

• 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
• データリンク層
• 物理層

TCP/IP アーキテクチャ

• アプリケーション層

• トランスポート層

• ネットワーク層

• データリンク層

• 物理層

• セッション層

  • 機能: 2 つのノード間のユーザー指向の接続を確立、維持、解放し、セッションを管理および制御し、セッション データの信頼性の高い送信を保証します。

• プレゼンテーション層

  • 機能: 内部データ表現構造が異なる 2 つの通信システム間で交換される情報の表現形式の処理を担当します (データ形式変換)、データの暗号化および復号化に必要なデータの圧縮および解凍機能を提供し、伝送効率を向上させます。

レイヤリングのメリット

1. レイヤーは互いに独立しています
2. 優れた柔軟性
3. 構造的に分離可能
4. 実装と保守が簡単
5. 標準化作業を促進できる

OSIモデルとTCP/IPモデルの違い

3 つの主な概念: サービス、インターフェイス、プロトコル。
プロトコルはよく隠されています。
プロトコルが発明される前に作成されました。
合計 7 つの層があります。
ネットワーク層: コネクションおよびコネクションレス。
トランスポート層: コネクション指向のみ。

サービス、インターフェイス、プロトコルの間に明確な区別はなく、
プロトコルの発明後に作成され、
合計 4 つの層 (5 層ではありません) があります。

ネットワーク層: コネクションレス型のみ
トランスポート層: コネクション型およびコネクションレス型

1.2.6 コンピュータネットワークのパフォーマンス指標

• 遅延: データがネットワークまたはリンクの一方の端から他方の端に移動するのにかかる時間。遅延または遅延とも呼ばれます。

  • 送信遅延 (または送信遅延): ホストまたはルーターがデータを送信するのにかかる時間、つまり、データ フレームの最初のビットの送信からフレームの最後のビットの送信までにかかる時間。 、送信時間伝送遅延

    送信遅延 = データフレーム長 (ビット) / 送信速度 (ビット/秒)

  • 伝播遅延: 電磁波がチャネル内で特定の距離を伝播するのにかかる時間。

    伝播遅延 = チャネル長 (m) / チャネル上の電磁波の伝播速度 (m/s)

  • 処理遅延: ホストまたはルーターがパケットを受信して​​から処理するのにかかる時間。

  • キューイング遅延。パケットが送信のためにネットワークに入るとき、パケットは多くのパスを通過する必要があります。ただし、パケットは入力キューに入れられ、処理を待ちます。ルーターが転送インターフェイスを決定した後、出力キューにキューイングされて転送を待つことになり、キューイング遅延が発生します。

    合計遅延 = 送信遅延 + 伝播遅延 + 処理遅延 + キュー遅延

• 遅延帯域幅積 遅延帯域幅積は、ビット単位のリンク長とも呼ばれます。

  遅延帯域幅積 = 伝播遅延 x 帯域幅

• 往復時間: データが送信されてから、送信者が受信者から確認メッセージを受信するまでに経過した合計時間 (受信者はデータを受信した直後に確認を送信します)。

• 利用：チャネル使用率とネットワーク使用率を含む

  • チャネル使用率とは、特定のチャネルが (データが通過するときに) 使用されている時間の何パーセントを指します。完全にアイドル状態のチャネルの使用率はゼロです。
  • ネットワーク使用率は、ネットワーク全体のチャネル使用率の加重平均です。ただし、チャネル使用率とネットワーク使用率は高いほど良いことに注意してください。使用率が高くなると、ルーターでのデータ転送遅延が長くなるからです。

練習問題

次の 2 つの結論は正しいか間違っています。

帯域幅が 1Mbit/s のネットワークと帯域幅が 1kbit/s のネットワークでは、リンク上のビット ストリームの伝播速度がはるかに高くなります。(×)

帯域幅が 1Mbit/s のネットワークは、帯域幅が 1kbit/s のネットワークよりもはるかに高いデータ転送速度を持っています。(×)

帯域幅が広いほど、データ リンクを介した各ビットの伝播速度ではなく、1 ビットの送信速度が速くなります。

データ伝送速度は合計遅延 (合計遅延 = 送信遅延 + 伝播遅延 + 処理遅延 + キューイング遅延) によって決まりますが、帯域幅だけで送信遅延が決まります。