コンピュータネットワークレビューの概要

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1. インターネットの概要

1. ネットワーク、インターネット、およびインターネットの概念:

• コンピュータ ネットワーク (ネットワーク) は、多数のノードと、これらのノードを接続するリンクで構成されます。
• インターネットは、複数のネットワークがルーターを介して相互に接続され、より広い範囲のネットワークを形成するネットワークです。
• インターネットは、膨大な数のさまざまなコンピュータ ネットワークによって相互接続されています。

2. インターネットの構成

作業方法から:

• 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。この部分は、通信とリソース共有のためにユーザーによって直接使用されます。
• 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ます。この部分はエッジ部分として機能します (接続とスイッチングを提供します)。

「ホスト A とホスト B が通信する」というのは、実際には「ホスト A で実行されているプログラムがホスト B で実行されている別のプログラムと通信する」ことを意味するため、「ホスト A 上のプロセスがホスト B 上の別のプログラムと通信する」プロセス間の通信と呼ばれます。コンピュータ

2.1 エッジでの通信方式

(1) クライアント・サーバー方式（C/S）

概念:サービス間の関係とプロセス間の
サービスを説明します。クライアントとサーバー間の通信関係が確立された後、*通信は双方向で可能、** クライアントとサーバーの両方がクライアント プログラムの機能を送受信できます

。

• 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を積極的に開始するため、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。
• 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

サービス プログラムの特徴:

• これは、特定のサービスを提供するために特別に設計されたプログラムであり、複数のリモートまたはローカルのサービス要求を同時に処理できます。
• システムは開始後も継続的に稼働し、世界中の顧客からの通信要求を受動的に待って受け入れます。したがって、クライアント プログラムのアドレスを知る必要はありません。
• 通常、強力なハードウェアと高度なオペレーティング システムのサポートが必要です

(2) ピアツーピア（P2P）

概念: 2 つのホストが通信するときに、どちらがサーバーリクエスターでどちらがサービスプロバイダーであるかを区別せず、
基本的には引き続きクライアントサーバー方式を使用することを意味します。

2.2 インターネットの中核部分

ルーターは特別な役割を果たします。ルーターは、パケット スイッチングの主要な構造を実装します。そのタスクは、受信したパケットを転送することです。
仕組み: ルーターは、パケットを転送し、ルート間で情報を継続的に交換します

。例: A と B がメールを送信します。国をまたいで、A ある州から郵便物が送られる場合、郵便物は A 州を経由して A 国へ --> A 国から B 国へ --> B 国から B 州へ、そして B へステートからメールを取得することで通信を実現します、メールが通過する場所がコアです

(1) 回線切替

通信中は物理コネクションが安定して割り当てられ、通信確立後は常に占有され、通信が終了するまでリソースは解放されません。回線交換はリアルタイム性、安定性、信頼性の高い通信が特徴ですが、多くのリソースを消費し、回線の負荷が高くなると通信品質が低下します。

(2)メッセージ交換

最初にメッセージ全体を組み立て、メッセージ全体の整合性をチェックする必要があります。その後、メッセージ全体が一度に送信されます。メッセージ交換は伝送効率が高いという特徴がありますが、タイムリーな応答が求められるリアルタイムデータ通信では、メッセージ組み立ての待ち時間が長くなり、リアルタイム性が満足できません。

(3) パケット交換

デジタル情報を等長のデータブロックに分割し、制御情報を付加してデータパケットを形成する 固定の通信路をあらかじめ決めておく必要がなく、ルータがネットワーク内で最適な伝送路を選択し、目的のアドレスに送信する注文。パケット交換は、信頼性が高く、柔軟性が高く、リソース共有が可能で、伝送効率が高いという特徴がありますが、大量の制御情報が必要となります。また、パケット交換の伝送遅延は、回線交換やメッセージ交換に比べて大きくなります。

3. コンピュータネットワークの分類

3.1 ネットワークの範囲による分類

1. ワイド エリア ネットワーク (WAN): 範囲は通常、数万キロメートルから数千キロメートルで、リモート ネットワークとも呼ばれます。
2. 首都圏ネットワーク (MAN): 範囲は通常都市であり、複数のセクションまたは都市全体 (5 ～ 50km) に及ぶ場合もあります。
3. ローカル エリア ネットワーク (LAN): 一般に、高速通信回線を介してマイコンやワークステーションによって接続されます。(約1km)
4. パーソナル エリア ネットワーク (PAN): パーソナル エリア ネットワークは、個人の職場でワイヤレス技術を使用して個人使用の電子デバイスを接続するネットワーク (約 10 メートル) です。

3.2 ネットワーク利用者による分類

1. 公衆ネットワーク: これは、電気通信会社によって構築され、資金提供された大規模なネットワークを指します。
2. プライベート ネットワーク: これは、部門の特殊な業務のニーズを満たすために部門によって構築されたネットワークです。

4.コンピュータネットワークの性能（ポイント）

4.1 パフォーマンス指標

1. レート: データ送信速度 (単位ビット/秒) を指します。
2. ブロードバンド: ネットワーク内の特定のチャネルがデータを送信できる能力 (単位ビット/秒) を指します。
3. スループット: 単位時間あたりに特定のネットワークを通過する実際のデータ量 (単位ビット/秒) を示します。
4. レイテンシ: データがネットワークの一端からもう一端に移動するのにかかる時間を指します (重要)

(1) 伝送遅延：ホストやルータがデータフレームを送信するのに要する時間は、送信
するデータの最初のビットから、送信するフレームの最後のビットまでの時間を表します
計算式：伝送遅延 = データフレーム長ビット) / 伝送速度 (bit/s)

(2) 伝播遅延: 伝播遅延は、電磁波がチャネル内を一定の距離を伝播するのにかかる時間です
式: 伝播遅延 = チャネル長 (m) / チャネル伝播における電磁波速度 (m/s)

伝播遅延と伝送遅延には違いがあります: 1) 伝送遅延はマシンの外部への伝送です; 2) 伝送遅延はマシン内部の伝送です
例: 伝送遅延はバスが到着する時間ですすべての乗客がバスに乗車するのにかかる時間、伝播遅延はバスがある停留所から次の停留所まで移動するのにかかる時間です。

(3) 処理遅延: ホストまたはルーターがパケットを受信して​​から処理するまでに一定の時間がかかります。

合計遅延: 送信遅延 + 伝播遅延 + 処理遅延 + キュー遅延

(4) キューイング遅延: ルータに入った後、パケットはまず入力キューに入れられ、処理を待つ必要があります。同様に、出力キューも

(5) 遅延帯域幅積:
**式: 遅延帯域幅積 (ビット) = 伝播遅延 * 広帯域**

(6) 往復時間 RTT

(7) 使用率: ありチャネル使用率とネットワーク使用率です。
チャネル使用率は、チャネルが使用される (データが通過する) 時間の割合を指します。
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式です
: D= D0/1-U
D0: ネットワーク使用時の遅延を表します。ネットワークはアイドル状態、D: ネットワークの現在の遅延 U: ネットワーク使用率

4.2 非性的指標

1. 料金
2. 品質
3. 標準化
4. 信頼性
5. 拡張性とアップグレード性
6. 維持管理が容易

5. コンピュータネットワークのアーキテクチャ（重要）

ネットワーク アーキテクチャは、コンピュータ ネットワークの層とプロトコルの集合です。

5.1 プロトコルとレイヤー

5.1.1 ネットワークプロトコル

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、または規約。プロトコルとも呼ばれます。
ネットワーク プロトコルの 3 つの基本要素は次のとおりです。

• 構文: データおよび制御情報の構造または形式
• セマンティクス: 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
• 同期: 一連のイベントの詳細な説明

5.1.2

分割と階層化の役割:

1. 各層は独立しています
2. 柔軟性の向上
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

5.2 5 層プロトコルによるアーキテクチャ

上から下への説明:

5.2.1 アプリケーション層

アプリケーション層のタスクは、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(HTTP、SMTP などのプロトコル) 間の通信および対話のルールを定義します (データ単位はメッセージです)。

5.2.2 トランスポート層

トランスポート層のタスクは、
主に TCP (データ ユニットはメッセージ セグメント) と UDP (データ ユニットはユーザー データグラム) を使用して、2 つのホスト上のプロセス間の通信に一般的なデータ送信サービスを提供することです。

5.2.3 ネットワーク層

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役割を果たします (データ単位はパケットです)。

5.2.4 データリンク層

データリンク層は主に、物理層によって送信されるビットストリームをフレームに編成し、データの信頼性の高い送信を保証するためにエラー検出と訂正を行う役割を果たします (データ単位はフレームです)。

5.2.5 物理層

物理層の主なタスクは、送信者から受信者にデータを送信し、物理媒体を介してビット ストリーム (データ単位はビット) を送信することです。

5.3 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 (重要)

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 プロセスを表します。多くの場合、エンティティは特定のソフトウェア モジュールです

プロトコル： 2 つのピア エンティティ（または複数のエンティティ）間の通信を制御する一連のルールです

サービス： これは、下位層から上位層に提供されるサービスです層間インターフェイス

プリミティブ: 上位層 提供されるサービスは、いくつかのコマンドを交換することによって下位層と交換する必要があります (OSI)

サービス アクセス ポイント (SAP): 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。

サービス データ ユニット (SDU): OSI が層間で交換 データ ユニット

プロトコル データ ユニット (PDU): OSI がピア層間でデータ ユニット (制御情報およびユーザー情報) を転送

プロトコルとサービスの違い: プロトコルは 2 つのピア エンティティ間の通信ルールの集合であり、サービスはシステムの下位層によって上位層に提供される機能を指します。
プロトコルとサービスの関係: の実装プロトコルは、上位層にサービスを提供できることを保証します。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必要です

2. 演習

1. パケット交換の要点を簡単に説明します。

1. 保存して転送する
2. セグメントの再編成
3. 独立したルーティング

パケット スイッチングの最も重要な機能は、ストア アンド フォワード技術の使用であり、送信されるデータのブロック全体がメッセージと呼ばれます。メッセージを送信する前に、まず長いメッセージをより小さな等しい長さのデータ セグメントに分割し、各データ セグメントの前に必要な制御情報を追加してパケットを形成します。「パケット」とも呼ばれるパケットは、インターネット上で送信されるデータの単位です。インターネットでは、パケットのヘッダーに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るからこそ、パケットごとに独立して伝送路を選択することができ、パケットの転送にはルーターが使用されます。次に、ヘッダーを確認し、転送テーブルを検索し、ヘッダー内の宛先アドレスに従って転送する適切なインターフェイスを見つけて、パケットを次のルーターに転送します。このようにして、数個または数十個の異なるルータを段階的に通過し、ストアアンドフォワード方式で最終的な宛先ホストにパケットを届け、最後に宛先ホストでパケットが再組み立てされて元に復元されます。メッセージ。

2. 長さ 20,000km のポイントツーポイントリンクがあります。データ送信速度は1kbit/s、送信するデータは100bitです。このリンク上のデータの伝播速度は 2×10^8m/s です。回線上で送信されたビットが見えると仮定し、見えている回線上にビットを描画してみます (2 つの図を描画します。1 つは 100 ビットが送信された直後、もう 1 つは 0.05 秒後です)。

テスト: 遅延
(1) 再ブロードキャスト遅延の単位は m/ (m/s) 伝送遅延は bit / (bit/s)
伝播遅延: 20000 10^3m / 2 10^8 m/s = 0.1s
伝送遅延: 100bit / 1 10^3 bit/s =0.1s
( 2) 伝送遅延は、送信するデータの最初のビットからフレームの最後のビットまでに要する時間を示し、
伝播遅延時間比は 1、 20000 10^3(km) * 1=20000*10^3(km)

3. 長さ 20,000km のポイントツーポイントリンクがあります。データ送信速度は1Mbit/s、送信するデータは100bitです。このリンク上のデータの伝播速度は 2×10^8m/s です。回線上で送信されたビットが見えると仮定し、見えている回線上にビットを描画してみます (2 つの図を描画します。1 つは 100 ビットが送信された直後、もう 1 つは 0.05 秒後です)。

この質問と上記の質問の違いは、
再送遅延は変化せず、送信遅延は 100 bit /1 Mbit/s =10^(-4)s となることです **

再送遅延と送信遅延の比は 0.0001/ 0.1= 0.001 20000*10^3(km) * 0.001 =20km
0.05/0.0001=500 20km * 500 =10000km

4. 長さ 50km のポイントツーポイントリンクがあります。このリンク上のデータの伝播速度が 2×10^8m/s である場合、伝播遅延が 100 バイトのパケット送信の送信遅延と同じくらい大きくなるリンクの帯域幅はいくらですか? 512 バイトのパケットが送信された場合、結果はどうなるでしょうか?

計算式:
1) 遅延帯域幅積 (ビット) = 伝播遅延 * 広帯域
3) 伝播遅延 = チャネル長 (m) / チャネル内の電磁波の伝播速度 (m/s)

伝播遅延 = 50km / 2*10^8 m/s =25 * 10^(-4) s
100 バイト帯域幅 = 100bit / 25 * 10^(-4) s、これは 3.2Mbit/s にほぼ等しい
512バイト帯域幅 = 512bit / 25 * 10^(-4) s は、16.4 Mbit/s にほぼ等しくなります。

5. 質問

1.5MB のファイルをネットワーク経由で転送するとします。パケット長が 1KB、往復時間 RTT=80ms であると仮定します。データを送信する前に TCP 接続を確立する時間もありますが、この時間は 2×RTT=160ms です。次の状況で、受信者がファイルの最後のビットを受信するのにかかる時間を計算してみてください。

(1) データ伝送速度は10Mb/sで、連続的にデータパケットを送信できます。

(2) データ伝送速度は 10Mb/s ですが、各パケットの送信後、次のパケットを送信するまでに RTT 時間待機する必要があります。

(3) データ送信速度が非常に速く、データ送信にかかる時間を考慮する必要がありません。ただし、各 RTT 往復時間内に送信できるパケットは 20 パケットまでと規定されています。

(4) データ送信速度が非常に速く、データ送信にかかる時間を考慮する必要がありません。ただし、最初の RTT 往復時間では 1 つのパケットのみ送信でき、2 番目の RTT では 2 つのパケットが送信でき、3 番目の RTT では 4 つのパケットが送信できます (つまり、2 ( ^3-1)=2 2= 4 )グループ）。
分析:
転送する必要があるデータの量は 1.5MB、つまり 1.5 * 2^20=1048576 であると計算できます。TCP 接続の確立にかかる時間は 2×RTT=160ms、つまり 0.16 秒です。
合計送信時間は、送信時間 + TCP 接続を確立する時間 + 最後のパケットの伝播時間です。
最終パケットの伝播時間について：確認情報を受信するまでRTT時間待つ必要があります。

(1) データ伝送速度は10Mb/sであり、連続してデータパケットを送信できます。送信時間は 1.5*2^20 *8bit/10 *10^6 b/s)=1.258s です。最後のパケットの伝播時間は 0.5×RTT=40ms、つまり 0.04 秒です。したがって、合計時間は 1.258 秒 + 0.16 秒 + 0.04 秒 = 1.458 秒となります。

(2) データ伝送速度は 10Mb/s ですが、各パケットの送信後、次のパケットを送信するまでに RTT 時間待機する必要があります。分割する必要があるグループ数は、1.5MB/1KB=1536 となります。したがって、待ち時間は 1535×RTT=122.8s となります。最後のパケットの伝播時間は 0.5×RTT=40ms、つまり 0.04 秒です。したがって、合計時間は 122.8 秒 + 1.258 秒 + 0.16 秒 + 0.04 秒 = 124.258 秒となります。

(3) データ送信速度が非常に速く、データ送信にかかる時間を考慮する必要がありません。ただし、各 RTT 往復時間内に送信できるパケットは 20 パケットまでと規定されています。分割する必要があるグループ数は、1.5MB/1KB=1536 となります。したがって、すべてのパケットを送信するには 76 RTT が必要です。最後のパケットの伝播時間は 0.5×RTT=40ms、つまり 0.04 秒です。したがって、合計時間は 76×RTT+1.258s+0.16s+0.04s=6.28s となります。

(4) 2 RTT 後にデータ送信を開始します。
n RTT 後、1+2+4+…+2n=2^n-1 個のパケットが送信されます。
n=10 の場合、2^10-1=1023 パケットのみが送信されます。10 RTT では不十分であることがわかります。
n=11 の場合、2^11-1=2047 パケットのみが送信されます。11 RTT で十分であることがわかります。
最後のパケットの伝播時間は 0.5×RTT=40ms です。
このように、TCP コネクションを確立する時間と最後のパケットをエンドポイントに送信するのに必要な時間を考慮すると、現在必要な時間の合計
=(2 +10+0.5)×RTT=12.5×0.08=1秒。

#####あくまで個人的な意見ですので訂正をお願いします