情報通信工学：第1章

Part I:導入
目標:
情報通信工学：第1章
z
z
太田能
z
ネットワーキングの概
要，“感じ”の把握
詳細は後の講義で
アプローチ:
z 説明，解説
z 例として インターネ
ットを使う
概要:
z
z
z
z
z
z
z
z
z
インターネットとは？
プロトコルとは？
ネットワークエッジ
ネットワークコア
アクセス網, 物理媒体
性能: ロス, 遅延
プロトコル階層, サービスモデル
バックボーン, NAPs, ISPs
歴史
情報通信工学
“いけてる” インターネット家電
インターネットとは: 概観
router
ホスト, エンドシステム
z
z
z
PCワークステーション, サーバ
PDA 電話, トースター
server
z
workstation
mobile
local ISP
ネットワークアプリケーション
を実行
通信リンク
z
IP picture frame
http://www.ceiva.com/
regional ISP
光ファイバ, 銅線, 無線, 衛星
ルータ
z
z
ネットワークを通じてデータの
かたまりであるパケットをフォ
ワーディング
company
network
World’s smallest web server
http://www-ccs.cs.umass.edu/~shri/iPic.html
情報通信工学
プロトコル: メッセージの送受
信を制御
z
z
インターネット: “ネットワークの
ネットワーク”
z
z
z
e.g., TCP, IP, HTTP, FTP,
PPP
z
z
router
server
workstation
情報通信工学
通信インフラストラクチャ:
分散アプリ実行可能
z
mobile
local ISP
z
z
z
company
network
5
WWW, 電子メール, ゲーム,
電子商取引, データベース, 電
子投票, ファイル (MP3) 共有
提供される通信サービス:
z
regional ISP
緩やかな階層構造
公のインターネットとプライベート
インターネット
RFC: Request for comments
IETF: Internet Engineering
Task Force
4
インターネットとは: サービスの観点から
インターネット標準化
z
Web-enabled toaster+weather forecaster
http://dancing-man.com/robin/toasty/
情報通信工学
3
インターネットとは: 概観
z
2
コネクションレス型：
connectionless
コネクション型：
connection-oriented
サイバースペース [Gibson]:
“日々，いろんな国で，多くの人によって同じような感覚で
もって経験される幻想 ...."
情報通信工学
6
1
プロトコルとは
プロトコルとは
ネットワークプロトコル:
ヒューマンプロトコル:
z “何時ですか？”
z “質問なのですが？”
z
自己紹介
z
… あるメッセージの送信
… メッセージが受信された
り，ある事柄がおこると，
特定のアクションがとら
れる
ヒューマンプロトコルとネットワークプロトコル:
人というよりむしろ機械
インターネットにおけるあ
らゆる通信はプロトコル
によって規定されている
z
Hi
TCP connection
req.
Hi
TCP connection
reply.
Got the
time?
プロトコルは，ネットワーク
エンティティ間で送受信さ
れるメッセージのフォーマ
ットや順序，メッセージ送
受信時にとられるアクショ
ンを定義する
Get http://gaia.cs.umass.edu/index.htm
2:00
<file>
time
Q: 他のヒューマンプロトコルは？
情報通信工学
より詳細なネットワーク構造:
z
z
z
z
z
z
z
z
z
ルータ
ネットワークのネットワーク
z
通信リンク
z
z
データ転送
z
転送に先立つ(準備)セ
ットアップ
z
z
z
z
Hello, hello back
human protocol
二つのホスト間で“状態”
をセットアップ
TCP - Transmission
Control Protocol
z
目的: エンドシステム間のデ
代わりに受信応答や再送必要
フロー制御:
z
z
ータ転送
高信頼性, 順序保存 バイト
ストリームデータ転送
z
z
情報通信工学
送信局は受信局の能力に合わ
せて送信
輻輳（ふくそう）制御:
z
z
10
ネットワークエッジ: コネクションレス型サービス
TCP サービス[RFC 793]
ハンドシェイク: データ
ホストは対称的に相互作用する
e.g.: Gnutella, KaZaA
9
ネットワークエッジ: コネクション型サービス
目的: エンドシステム間の
クライアントホストは要求をだし，
サーバからサービスをうける
e.g., WWW client (browser)/
server; email client/server
ピア・ツー・ピア モデル:
z
情報通信工学
アプリ プログラムを実行
e.g., WWW, email
at “edge of network”
クライアント/サーバ モデル
z
アクセス網，物理媒:
z
エンドシステム (ホスト):
z
アプリケーション
ホスト
ネットワークコア:
z
8
ネットワークエッジ:
ネットワークエッジ:
z
情報通信工学
7
送信局はネットワークが輻輳す
ると送信速度を下げる
輻輳：混雑すること
z
z
TCP を使ったアプリ:
z
先と同じ！
UDP - User Datagram
Protocol [RFC 768]:
インターネットにおけるコネ
クションレス型サービス
z 低信頼性データ転送
z フロー制御なし
z 輻輳制御なし
HTTP (WWW), FTP
(file transfer), Telnet
(remote login), SMTP
(email)
UDP を使ったアプリ:
z
streaming media,
teleconferencing,
Internet telephony
インターネットのコネクシ
ョン型サービス
情報通信工学
11
情報通信工学
12
2
ネットワークコア: 回線交換
ネットワークコア
z
z
“呼(call)” に対しエンド
間で資源予約
相互接続されたルータの網
基本的質問: データはネット
ワークを介してどのように転
送されるのか？
z 回線交換: 呼ごとの専用
線: 電話網
z パケット交換: 別々の “か
たまり(chunks)” にしてネ
ットを介してデータ転送
情報通信工学
z
z
z
z
リンク帯域, スイッチ容量
専用リソース: 非共有
回線のような (保証され
た) 性能
呼設定が必要: 網資源の
確保
情報通信工学
13
14
ネットワークコア: 回線交換
回線交換: TDMA と TDMA
ネットワーク資源 (e.g., 帯域) を “断片” に分割
FDMA
z
z
z
Example:
断片を呼に割当て
呼が送信すべきものがなければ割当資源はアイドル の
まま (非共有)
リンク帯域の分割
z 周波数分割
z 時（間）分割
4 users
frequency
time
TDMA
frequency
情報通信工学
ネットワークコア: パケット交換
16
ネットワークコア: パケット交換
各エンド間ストリームはパケット 資源競合:
(packet)に分割される
z 総資源要求量が利用可能
z ユーザA, Bのパケットは網資
量を超えうる
源を共有
z 輻輳: パケットはキューに
z パケットは全リンク帯域を使
入り，リンクが利用できる
用
のを待つ
z 網資源は必要に応じて使用さ z 蓄積交換（Store-andForward）: パケットは同時
れる．
に１ホップづつ転送される
帯域が“断片に分割される”
z リンク上を転送され
専用割当
z 次リンクの順番を待つ
資源予約
情報通信工学
time
情報通信工学
15
17
10 Mbs
Ethernet
A
B
statistical multiplexing
C
1.5 Mbs
queue of packets
waiting for output
link
45 Mbs
D
E
パケット交換 vs. 回線交換: レストランとの類似
z 他の人間社会における類似例は?
情報通信工学
18
3
パケット交換 vs. 回線交換
ネットワークコア: パケット交換
パケット交換により，より多くのユーザがネットワークを利用
可能に！
パケット交換: 蓄積交換の動作
z
z
z
z
メッセージをより小さなかた
まり“パケット”に分割
Store-and-forward: スイッ
チは，パケット全体が到着す
るまで待ち，その後，経路を
決め，フォワード
z
z
z
z
z
パケット交換:
z
34 users (アクティブユーザが10を超える確率 < 0.0004)
情報通信工学
19
20
パケット交換は “圧倒的勝者” か？
z
目的: ルータを介してパケットを送信局から目的局に配送
z
データグラムネットワーク(datagram network):
バーストデータに対しては効果絶大
z 資源共有
z 呼設定不要
極度の輻輳時: パケット遅延，損失
z
z
z
z
z
z
高信頼性データ転送や輻輳制御のためのプロトコル必要
Q: 回線交換のようなサービスをどのように実現するか？
z 音声/動画像 アプリに対しては帯域保証が必要
z 未解決問題 (品質保証技術は検討中)
z
情報通信工学
z
z
z
z
エッジルータに接続するか
z
モバイルアクセス網
z
22
ダイアルアップ（モデム経由）
z 最大 56Kbps 直接アクセス
(概念上)
ISDN (integrated services
digital network):
z
注意事項:
z
アクセス網の帯域は？ (bps)
共有か専用か?
z
情報通信工学
各パケットにはタグ (virtual circuit ID)が付与される
ルータはタグにもとづき次ホップを決定する
呼設定時にパスが決定され，呼継続中は維持される
ルータは呼ごとに状態を保持する
住宅アクセス:
ポイント・ツー・ポイントアクセス
Q:どのようにエンドシステムを
住宅アクセス網
組織アクセス網(学校，企業)
目的局アドレスにより次ホップを決定する
経路はセッションの途中で変化する可能性あり
類似: 道をたずねながらのドライビング
情報通信工学
21
アクセス網と物理媒体
z
いくつかのパス選択アルゴリズムを学習 (chapter 4)
仮想回線ネットワーク(virtual circuit network):
z
z
1 Mbps link
10 users
パケット交換ネットワーク: ルーティング
z
z
N users
パケット交換 vs. 回線交換
z
z
アクティブ時のデータ速度:100Kbps
アクティブ時の時間割合：10％
回線交換:
z
Q: メッセージ全体をひとか
たまりとするとどうなるか？
情報通信工学
1 Mbps link
ユーザ特性:
23
128Kbps ディジタル接続
ADSL (asymmetric digital
subscriber line):
z 最大 1 Mbps home-to-router
z 最大 12 Mbps router-to-home
展開：普及中
情報通信工学
24
4
住宅アクセス: ケーブルモデム
住宅アクセス: ケーブルモデム
z
z
z
HFC: hybrid fiber coax
z 非対称: 下り最大 10Mbps, 上り最大 1 Mbps
ファイバとケーブルからなる網によりホームと ISP ル
ータを接続
z ホーム間でルータへのアクセスを共有
z 検討事項: 輻輳，ディメンジョニング
展開:
z
z
ケーブルテレビ業者により利用可能
e.g., MediaOne
情報通信工学
組織アクセス：local area networks
z
z
z
z
Diagram: http://www.cabledatacomnews.com/cmic/diagram.html
情報通信工学
25
無線アクセス網
企業/学校は local area
network (LAN) によりエンドシ
ステムをエッジルータに接続
Ethernet:
z 共有あるいは専用ケーブル
によりエンドシステムとルー
タを接続
z 10 Mbs, 100Mbps,
Gigabit Ethernet
展開: 企業，ホーム LAN が普
及中
LANs: 5章
z
z
z
z
無線スペクトラムによる有線
の置き換え
e.g., IEEE802.11b 11 Mbps,
IEEE802.11a 50Mbps
CDPD: セルラ網を介した
ISP ルータへの無線アクセス
base
station
mobile
hosts
情報通信工学
27
28
物理媒体
典型的ホームネットワークの構成要素:
z ADSL または ケーブルモデム
z ルータ/ファイアウォール
z イーサーネット
z 無線アクセスポイント
z
z
router/
firewall
Ethernet
(switched)
情報通信工学
物理リンク: 伝送路符号
化されたビットが伝播
導波媒体:
z
z
cable
modem
router
広域無線アクセス
z
ホームネットワーク
to/from
cable
headend
共有無線アクセス網により
エンドシステムとルータを
接続
無線 LANs:
z
情報通信工学
26
wireless
laptops
信号は固体媒体内を伝播:
銅線，ファイバ
より対線 (Twisted Pair:TP)
z より合わせた1組2本の導体
z
z
非導波媒体:
z
信号は自由に伝播, e.g.,
無線
z
カテゴリ3: 電話線, 10 Mbps
Ethernet,10Base-T(2組使用)
カテゴリ5: 100Mbps Ethernet，
100Base-TX(2組使用)
カテゴリ6： 1Gbps Ethernet,
1000Base-T (4組使用）
wireless
access
point
29
情報通信工学
30
5
物理媒体: 無線
物理媒体: 同軸，光ファイバ
同軸ケーブル:
z
芯線を絶縁体を挟んでシー
ルドで保護
z
z
z
z
z
光ファイバケーブル:
ベースバンド: 1チャネル(変調
なし）
ブロードバンド: 複数チャネル
(変調あり）
双方向
10Mbs Ethernet での使用
が一般的
z
z
光パルスを運ぶ光ファイバ
光速動作:
z
z
z
100Mbps Ethernet
高速ポイント・ツー・ポイント伝
送 (e.g., 5 Gps)
低誤り率
z
z
z
無線リンクの種類:
電磁波による信号送信
物理的な“線”が不要
双方向
電波伝搬環境の影響:
z
z
z
z
マイクロ波
z
LAN (e.g., WaveLAN)
z
広域 (e.g., cellular)
z
衛星
z
反射
物体による遮蔽
干渉
z
z
z
z
z
情報通信工学
ノード処理遅延:
z
z
z
z
transmission
A
propagation
B
nodal
processing
z
誤り検出（誤り訂正）
出力ポート決定
z
z
z
z
z
z
z
R=リンク帯域 (bps)
L=パケット長 (bits)
送信時間 = L/R
伝播遅延:
z
z
d =物理リンク長
s = 媒体中の伝播速度
(~2x108 m/sec)
伝播遅延= d/s
注意： s と R は全く異なる量
transmission
A
propagation
B
queueing
33
待ち行列遅延
z
最大 50Mbps チャネル (or
multiple smaller channels)
270 Msec end-end delay
静止軌道 versus LEOS
32
z
出力リンクのバッファ内で
送出されるまで待つ時間
ルータの輻輳の度合いに
よる
情報通信工学
z
送信遅延:
待ち行列遅延
z
e.g. CDPD, 10’s Kbps
パケット交換網における遅延
z
z
2Mbps, 11Mbps，50Mbps
情報通信工学
31
パケット交換網における遅延
パケットは，エンド間パス上
で遅延を経験する．
z 遅延の要因は4種類ある
e.g. 最大 45 Mbps チャネル
nodal
processing
queueing
情報通信工学
34
実インターネットにおける遅延と経路
traceroute: 送受信局間パス上のルータまでの往復伝播遅延表示
R = リンク帯域 (bps)
L = パケット長 (bits)
a = 平均パケット到着率(s-1)
トラヒック強度 = La/R
1 cs-gw (128.119.240.254) 1 ms 1 ms 2 ms
2 border1-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu (128.119.3.145) 1 ms 1 ms 2 ms
3 cht-vbns.gw.umass.edu (128.119.3.130) 6 ms 5 ms 5 ms
4 jn1-at1-0-0-19.wor.vbns.net (204.147.132.129) 16 ms 11 ms 13 ms
5 jn1-so7-0-0-0.wae.vbns.net (204.147.136.136) 21 ms 18 ms 18 ms
6 abilene-vbns.abilene.ucaid.edu (198.32.11.9) 22 ms 18 ms 22 ms
7 nycm-wash.abilene.ucaid.edu (198.32.8.46) 22 ms 22 ms 22 ms
8 62.40.103.253 (62.40.103.253) 104 ms 109 ms 106 ms
9 de2-1.de1.de.geant.net (62.40.96.129) 109 ms 102 ms 104 ms
10 de.fr1.fr.geant.net (62.40.96.50) 113 ms 121 ms 114 ms
11 renater-gw.fr1.fr.geant.net (62.40.103.54) 112 ms 114 ms 112 ms
12 nio-n2.cssi.renater.fr (193.51.206.13) 111 ms 114 ms 116 ms
13 nice.cssi.renater.fr (195.220.98.102) 123 ms 125 ms 124 ms
14 r3t2-nice.cssi.renater.fr (195.220.98.110) 126 ms 126 ms 124 ms
15 eurecom-valbonne.r3t2.ft.net (193.48.50.54) 135 ms 128 ms 133 ms
16 194.214.211.25 (194.214.211.25) 126 ms 128 ms 126 ms
17 * * *
18 * * *
19 fantasia.eurecom.fr (193.55.113.142) 132 ms 128 ms 136 ms
La/R ~ 0:平均待ち行列遅延小
La/R →1: 遅延増加
La/R > 1: 処理能力を超える“仕事”の到着，
平均遅延無限大！
情報通信工学
35
情報通信工学
36
6
プロトコル “階層（Layers）”
飛行機による旅行の構成
ネットワークは複雑!
疑問:
z 多くの構成要素:
ネットワークを構造化する望
みはあるだろうか？
z ホスト
z ルータ
あるいはネットワークを見通
z さまざまな種類のリンク
しよく議論する方法は?
z アプリケーション
z プロトコル
z ハードウェア，ソフトウェア
ticket (purchase)
ticket (complain)
baggage (check)
baggage (claim)
gates (load)
gates (unload)
runway takeoff
runway landing
airplane routing
airplane routing
baggage (claim)
gates (load)
gates (unload)
runway takeoff
runway landing
airplane routing
airplane routing
いくつかのステップからなる
情報通信工学
37
飛行機による旅行の構成: 異なった見方
ticket (complain)
baggage (check)
airplane routing
z
情報通信工学
ticket (purchase)
38
階層化された飛行機利用の旅: サービス
Counter-to-counter delivery of person+bags
baggage-claim-to-baggage-claim delivery
people transfer: loading gate to arrival gate
runway-to-runway delivery of plane
airplane routing
airplane routing from source to destination
階層: 各層ではあるサービスを実施
z 層内部のアクションを介して
z 下位層によって提供されるサービスに依存して
情報通信工学
40
なぜ階層化するのか?
階層機能の分散実装
ticket (purchase)
ticket (complain)
baggage (check)
baggage (claim)
gates (load)
gates (unload)
runway takeoff
runway landing
airplane routing
airplane routing
複雑なシステムを扱うには‥‥:
arriving airport
Departing airport
情報通信工学
39
z
構造化はシステム構成要素の機能を特定，関係を明確化
z 議論のための階層化参照モデル (reference model)
z
モジュール化はシステム維持，アップデートが容易
z レイヤ実装の変化は，他のレイヤに透過的（影響なし）
z e.g., ゲート手続きの変更は他に影響なし
階層化が害になるだろうか?
z
intermediate air traffic sites
airplane routing
airplane routing
airplane routing
情報通信工学
41
情報通信工学
42
7
インターネットプロトコルスタック
z
z
z
ftp, smtp, http
トランスポート層: ホスト（アプリケーシ
ョン）間のデータ転送
z
ネットワーク層: 送信局から受信局へ
のデータグラムのルーティング
z
リンク層: 隣接ネットワーク要素間のデ
ータ転送
z
z
各レイヤ:
z 分散化
z エンティティは，各
ノードにおいてレ
イヤ機能を実装
z エンティティは，ピ
アとメッセージを
交換，アクション
を実行
application
transport
tcp, udp
z
z
階層化: 論理コミュニケーション
アプリケーション層: ネットワークアプリ
ケーションをサポート
network
link
ip, routing protocols
physical
physical: 媒体上でのビット転送
情報通信工学
z
z
z
z
アプリからデータを
受信
アドレスと信頼性情
報を追加し，セグメ
ントを構成
セグメントをピアに
送信
ピアが受領応答を
返すのを待つ
類似性: 郵便局
data
application
transport
network
link
physical
ack
data
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
data
application
transport
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
情報通信工学
z
z
Ht M
Hn Ht M
Hl Hn Ht M
destination
application
Ht
transport
Hn Ht
network
link
Hl Hn Ht
physical
M
message
M
segment
M
datagram
M
frame
z
z
46
z
z
47
local
ISP
regional ISP
e.g. BBN/GTE, Sprint, AT&T,
IBM, UUNet
非公式に，または公式のNAP
(Network Access Point) においNAP
て（ピア）相互接続
地域ISP
NBP B
NAP
NBP A
regional ISP
NBP への接続
local
ISP
地方ISP, company
z
情報通信工学
data
application
transport
network
link
physical
緩やかな階層化
国内/国際 バックボーン プロ
バイダ (NBPs)
z
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
インターネット構成: ネットワークのネットワーク
各レイヤは上位層からデータを受信
z ヘッダ情報を追加し，新しいデータユニットを生成
z 新しいデータユニットを下位層にパス
M
network
link
physical
情報通信工学
45
プロトコル階層化とデータ
source
44
階層化: 物理コミュニケーション
data
application
transport
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
情報通信工学
43
階層化: 論理コミュニケーション
z
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
entity: 自主的なもの，独立的なもの
peer: 同等な人，対等者
ppp, ethernet
E.g.: トランスポー
ト層
application
transport
network
link
physical
地域 ISP への接続
情報通信工学
48
8
インターネットの歴史
国内バックボーンプロバイダ
e.g. Sprint US backbone network
1961-1972: Early packet-switching principles
z
z
z
z
情報通信工学
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
z
新国内ネット: Csnet,
BITnet, NSFnet, Minitel
100,000 のホストがネットワ
ークに接続
情報通信工学
52
導入: 要約
z
z
多くの内容をカバー!!
z インターネットの概要
z プロトコルとは何か？
z ネットワークエッジ，コア，ア
クセスネットワーク
z パケット交換 vs. 回線交
換
z 性能: ロス, 遅延
z 階層化，サービスモデル
z バックボーン, NAPs, ISPs
z 歴史
推定ユーザ数
100,000,000
バックボーン帯域 1
Gbps に
hypertext [Bush 1945,
Nelson 1960’s]
HTML, http: Berners-Lee
1994: Mosaic, のち
Netscape
1990年代末: WWW 商用利用
z 推定ホスト数 50,000,000
情報通信工学
z
1981: ARPAnet での
TCP/IP の使用
1982: smtp e-mail
protocol 定義
1983: name-to-IPaddress translation のた
めに DNS 定義
1985: ftp protocol 定義
1988: TCP congestion
control
51
1990’s:商用化, the WWW
1990: ARPAnet 役割終了
1991: NSF，NSFnet を商用利用
にも開放 (1995に役割終了)
1990年代初期: WWW
z
z
インターネットの歴史
z
50
1980-1990: 新プロトコル, ネットワークの拡大
Cerf and Kahn 相互接続原理:
z 最小主義, 自律 – 相互接続
のための内部変更なし
z ベストエフォートサービスモ
デル
z ステートレスルータ
z 非集中制御（分散制御）
今日のインターネットアーキテク
チャを定義
情報通信工学
z
1972:
z ARPAnet 公開
z NCP (Network
Control Protocol) 初の
ホスト間プロトコル
z 初の e-mail プログラム
z ARPAnet 15 ノードに
インターネットの歴史
1972-1980: 相互接続, 新しいメーカー独自のネット
1970: ハワイにて ALOHAnet 衛
星ネットワーク
1973: Metcalfe の博士論文，
Ethernet を提案
1974: Cerf and Kahn – ネットワ
ーク相互接続のためのアーキテ
クチャ
late70’s: 自社アーキテクチャ:
DECnet, SNA, XNA
late 70’s: 固定長パケット交換
(ATM の前身)
1979: ARPAnet 200 ノードに
z
情報通信工学
49
インターネットの歴史
z
1961: Kleinrock –待ち行列
理論によりパケット交換の有
効性を示す
1964: Baran – 軍事ネットに
おけるパケット交換
1967: Advanced Research
Projects Agency による
ARPAnet 構想
1969: 初のARPAnet ノード
稼動
53
情報通信工学
得られたもの:
z
z
ネットワーキングの概
要，“感じ”の把握
より深く，詳細なものは
後の講義で
54
9