コンピュータとネットワーク - 概要

序文

この章の重要な知識ポイント:
(1) パケット交換の概念を含む、インターネットのエッジ部分とコア部分の役割。
(2) コンピュータ ネットワークのパフォーマンス指標
(3) プロトコルとサービスの概念を含む、コンピュータ ネットワークの階層アーキテクチャ。

1.1 情報化時代におけるコンピュータネットワークの役割

21世紀はデジタルネットワーク化と情報化が大きな特徴であり、ネットワークを核とした時代です。

3 つの主要なネットワーク: 電気通信ネットワーク、ケーブル TV ネットワーク、コンピュータ ネットワーク

ネットワークの統合: 3 つのネットワークを 1 つのネットワークに統合することで、対応するすべてのサービスを提供できます。

インターネットは、膨大な数のさまざまなコンピューティング ネットワークによって相互接続されています。

ローカルなスケールでのみ相互接続されているコンピュータ ネットワークは、インターネットではなく、インターネットとしか呼ぶことができません。

インターネットには、接続性と共有 (リソース共有) という2 つの重要な基本特性があります。

1.2 インターネットの概要

1.2.1 ネットワークのネットワーク

コンピュータ ネットワーク (ネットワーク) は、複数のノードと、これらのノードを接続するリンクで構成されます。

ネットワークは多数のコンピュータを相互に接続し
、インターネットはルーターを介して多数のネットワークを相互に接続します。

ホスト: ネットワークに接続されたコンピュータ。

1.2.2 インターネットインフラストラクチャ開発の 3 つの段階

インターネットとは、複数のコンピュータネットワークが相互に接続されて構成されるコンピュータネットワークの総称です。

インターネット (Internet) は、相互接続された多数のネットワークから構成される世界最大のオープンな特定のインターネット ネットワークを指す特別な用語であり、通信ルールとして TCP/IP プロトコル スイートを使用しており、かつては米国の ARPANET でした。

人々は 1983 年をインターネットの誕生の日だと考えています。

第 1 段階: 単一ネットワーク ARPANT からインターネットへの発展プロセス。
第 2 段階: インターネットの 3 層構造。（バックボーンネットワーク、地域ネットワーク、キャンパスネットワーク、エンタープライズネットワーク）
第 3 段階：複数レベルの ISP 構造を持つインターネット。ISP: インターネット サービス プロバイダー (チャイナ ユニコム、チャイナ モバイル、チャイナ テレコムなど)

ISP (インターネット サービス プロバイダー): バックボーン ISP、地域 ISP、ローカル ISP に分類できます。

IXP (インターネット交換ポイント): インターネット交換ポイント。その主な機能は、3 番目のネットワークを介してパケットを転送することなく、2 つのネットワークを直接接続してパケットを交換できるようにすることです。つまり、上位のバックボーン ISP を経由せずに、地域 ISP 間でパケットが交換されます。

正式なインターネット標準の策定には 3 つの段階があります。
1. インターネット草案
2. 標準案
3. インターネット標準

1.3 インターネットの構成

1. 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で構成されます。ユーザーが直接使用します。
2. 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。フリンジセグメントの提供

1.3.1 インターネットのエッジ部分

エンドシステム: インターネットに接続されたホスト。

コンピュータ間の通信: ホスト A 上のプロセスは、ホスト B 上の別のプロセスと通信します。

エンドシステム間の通信方式：クライアント・サーバー方式（C/S方式）、ピアツーピア方式（P2P方式）。
1. クライアントサーバーモード（C/Sモード）
クライアントとサーバーの両方が通信に関与する2つのアプリケーションプロセスを指します。
クライアントはサービス要求者であり、サーバーはサービスプロバイダーです。
通信関係が確立された後は、双方向の通信が可能になります。

クライアントプログラム:
1. ユーザーからの呼び出し後に実行され、通信中にリモートサーバーへの通信 (リクエストサービス) を積極的に開始します。したがって、クライアント プログラムはサーバー プログラムのアドレスを知っている必要があります。
2. 特別なハードウェアや複雑なオペレーティング システムは必要ありません。

サーバー プログラム:
1. サービスを提供するために特別に使用されるプログラム。複数のリモートまたはローカル クライアントからの要求を同時に処理できます。
2. 起動後は自動的に呼び出されて継続的に実行され、顧客からの通信要求を受動的に待機して受け付けるため、顧客プログラムのアドレスを知る必要はありません。
3. 通常、強力なハードウェアと高度なオペレーティング システムが必要です。

2. ピアツーピア モード (P2P モード)

両方のホストがピアツーピア接続ソフトウェアを実行している限り、同等のピアツーピア通信が可能です。

1.3.2 インターネットの中核部分

ネットワークのコアは、インターネットの最も複雑な部分です。

ルーター: ネットワークの中核部分で特別な役割を果たし、特別なコンピューターです。これはパケット スイッチングを実装するための重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す (ネットワークのコア部分の最も重要な機能)。

回線交換の主な特徴:

回線交換通話を使用する前に、まずダイヤルして接続を要求する必要があります。
通話中、通話中の 2 人のユーザーは常にエンドツーエンドの通信リソースを占有し、「接続の確立」→「通話」→「接続の解放」という 3 段階の交換方法
を実行する必要があります。リアルタイム性が高く、遅延が少なく、交換機のコストが低いという利点がありますが、コンピュータのデータ伝送に回線交換を使用する場合、回線の伝送効率が非常に低く、利用率が低く、異なるネットワーク間での通信が困難であることがよくあります。エンドユーザーの種類に応じて実行することはできません。回線交換は、大量の情報、長いメッセージ、および頻繁に使用される固定ユーザー間の通信に適しています。

パケット スイッチングの主な機能:
パケット スイッチングでは、ストア アンド フォワードテクノロジーが使用されます。
長いメッセージを同じ長さの小さなデータセグメントに分割し、その先頭に必要な情報をまとめたヘッダーを付けてパケットを形成します（「パケット」ともいいます。ヘッダーのことを「パケットヘッダー」とも言います）。
ヘッダーには、宛先アドレスや送信元アドレスなどの重要な制御情報が含まれています。

短所: 一定の遅延と追加情報のオーバーヘッドが発生します。

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ホストはユーザー向けの情報を処理するために使用され、ルーターはパケットを転送する、つまりパケット交換を実行するために使用されます。

データ送信における 3 つの方法の特徴:
回線交換 - メッセージ全体のビット ストリームが送信元ポイントから宛先ポイントに継続的に送信されます。
メッセージ交換 - メッセージ全体が最初に隣接ノードに送信され、すべてが保存された後に転送テーブルが検索され、次のノードに転送されます。
パケット交換 - 単一のパケットが隣接するノードに送信され、転送テーブルで保存および検索されて、次のノードに転送されます。

1.5 コンピュータネットワークのカテゴリー

1.5.2 いくつかの異なるタイプのコンピュータネットワーク

1. ネットワークを動作範囲に応じて分類する

1. 広域ネットワークWAN
2. 首都圏ネットワークMAN
3. LAN
4. パーソナルエリアネットワークPAN

2. ネットワークユーザーごとに分類する

1. 公共のネットワーク
2. プライベートネットワーク

1.6 コンピュータのネットワークパフォーマンス

1.6.1 コンピュータネットワークの性能指標

1. レートは
データ伝送速度を指し、データ レートまたはビット レートとも呼ばれます
2. 帯域幅
帯域幅には 2 つの異なる意味があります:
(1) 本来は特定の信号の周波数帯域幅を指します。単位はヘルツです。
(2) コンピュータ ネットワークでは、帯域幅はネットワーク内のチャネルのデータ送信能力を表すために使用されます。したがって、ネットワーク帯域幅は、ネットワーク内のチャネルが単位時間内に通過できる「最高のデータ レート」を表します。単位はビット/秒です。
3. スループットは、
単位時間あたりに特定のネットワーク (またはチャネル、インターフェイス) を通過する実際のデータ量を表します。
4. レイテンシーとは、
ネットワークの一端からもう一端にデータが送信されるのに必要な時間を指します。
(1)伝送遅延（伝送遅延）：ホストやルータがデータフレームを送信するまでに要する時間 伝送
遅延＝データフレーム長/伝送速度
（2）伝播遅延：電磁波が到達するまでに要する時間チャネル内で一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 / チャネル上の電磁波の伝播速度
(3)処理遅延: ホストまたはルータがパケットを受信すると、その処理に一定の時間がかかります。
(4)キューイング遅延: パケットの送信中、パケットはルータ内でキューに入れられ、処理を待つ必要があります。

合計遅延 = 送信遅延 + 伝播遅延 + 処理遅延 + キュー遅延

高速ネットワーク リンクの場合、伝播速度ではなくデータ送信速度のみを増加させます
5. 遅延帯域幅積:
遅延帯域幅積 = 伝播遅延 * 帯域幅
6. 往復時間 RTT
7. 使用率
(1) チャネル使用率:特定のチャネルが使用されている時間の割合を示します。
(2) ネットワーク使用率: ネットワーク全体のチャネル使用率の加重平均。

チャネルまたはネットワークを過度に使用すると、非常に大きな遅延が発生します。

1.6.2 コンピュータネットワークの非パフォーマンス特性

1. コスト
2. 品質
3. 標準化
4. 信頼性
5. 拡張性とアップグレード可能性
6. 管理とメンテナンスの容易さ

1.7 コンピュータネットワークのアーキテクチャ

1.7.2 プロトコルと分割レベル

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。標準または規約はネットワーク プロトコルと呼ばれます。
ネットワーク プロトコルは主に 3 つの要素で構成されます。
1. 文法: データおよび制御情報の構造または形式。
2. セマンティクス: つまり、どのような制御情報を送信する必要があるか、どのようなアクションを完了する必要があるか、どのような応答を行う必要があるか。
3. 同期: イベント実装のシーケンスの詳細な説明。

レイヤリングの利点:

1. 各層は独立しています。
2. 柔軟性が良い。
3. 構造的に分離可能。
4. 実装と保守が簡単です。
5. 標準化作業を促進できます。

各層が完了する必要がある機能:

1. エラー制御
2. フロー制御
3. セグメント化と再構成
4. 再利用と廃棄
5. 接続の確立と解放

1.7.3 5 層プロトコルのアーキテクチャ

(1) アプリケーション層
アプリケーション層は、アーキテクチャの最上位層です。
タスクは、アプリケーション プロセス間の対話を通じて特定のネットワーク アプリケーションを完成させることです。
アプリケーション層プロトコルは、アプリケーション プロセス間の通信と対話のルールを定義します。
主なプロトコル：ドメインネームシステムDNS、HTTPプロトコル、SMTPプロトコルなど

(2) トランスポート層は、2 つのホスト内のプロセス間の通信のための一般的なデータ送信サービスを提供する責任が
あります。再利用: 複数のアプリケーション層プロセスが、基礎となるトランスポート層のサービスを同時に使用できます。分散化: トランスポート層は、受信した情報を上のアプリケーション層の対応するプロセスに配信します。主なプロトコル: 伝送制御プロトコル TCP、ユーザー データグラム プロトコル UDP

(3) ネットワーク層は、
パケット交換ネットワーク上のさまざまなホストに通信サービスを提供する責任があります。
プライマリプロトコル: インターネットプロトコルIP

(4) データリンク層
2 つのホスト間のデータ伝送には、専用のリンク層プロトコルが必要です。

(5)物理層

1.7.4 エンティティ、プロトコル、サービス、およびサービス アクセス ポイント

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。
プロトコル: 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。
サービス：下位層が層間インターフェースを通じて上位層に提供するすべての機能は、1つの層内で完結するわけではありません。
サービス アクセス ポイント: 同じシステム内の 2 つの隣接する層のエンティティが対話する場所。