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1 N 科選択科目水曜 4 限 N 科 2 年生科目 岡本学 1

2 第 1 章 ネットワーク概要 2

3 第 1 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク概要 3 ネットワークに接続する端末 (PC や計帯 電話 ) を ホスト ( 主に PC) ノード ( ルー タやハブも含む ) と呼ぶ ハブ PC( ホスト ) ルーター

4 第 1 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク概要 4 特にサービスをネットワーク経由で提供 する機器を サーバー と呼ぶ サービスを受ける端末を クライアント と呼ぶ クライアント サーバー インターネット

5 第 1 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク概要 5 コンピュータ ネットワーク通信は パケッ ト ( 小包の意味 ) 単位に小分けにされて送信される 送信データ 細かい パケット にして送る パケット から元データを復活させる 受信データ それぞれに宛先をつけて送る まさに小包のイメージ

6 第 1 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク概要 6 パケット には宛先等を入れた ヘッダー を付ける 送信データ 宛先 はそれぞれのパケットに ヘッダ として付ける 受信データ それぞれに宛先をヘッダーにつけて送る

7 第 1 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク概要 7 情報送信には アドレス が必要 郵便と同じである 一意固有のもの 宛先 はアドレスを書く 宛先は世界に一つ 郵便なら 神奈川県下荻野 1030 N 科 K1-901 インターネットは MAC アドレス IP アドレス が必要 宛先 神奈川県下荻野 1030 N 科 K1-901

8 第 1 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク概要 8 狭い範囲のネットワーク ( 大学内 家の中 建物の中 ) を示すLANと 広いネットワークを示すWAN( インターネット接続 ) が ある Local Area Network LAN Wide Area Network WAN LAN インターネット

9 第 2 章 ネットワーク アーキテクチャ 9

10 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 10 プロトコルネットワークを利用して通信するための 約束事 人間の会話でいえばプロトコル = 言語 ( 日本語 英語 ) データ = 話の内容 通信 = 実際に会話すること プロトコルが違うと会話できない プロトコルが同じなら会話できる こんにちは Hello こんにちは こんにちは

11 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 11 プロトコルの標準化はどこでやっている? 標準化 = メーカーが違っても使えるようにする例 DVD コンセント トイレットペーパー 標準化は標準化団体が行う ISO ITU-T ( 電話関係 ) 日本では JIS インターネットの世界は IETF が決めている IETF = Internet Engineering Task Force RFC(Request for Comment) と呼ばれる文書でインターネットの仕様 (= 規格 ) が発表されている

12 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 12 プロトコルの階層化ネットワーク アーキテクチャとして OSI 参照モデルとして プロトコルを 7 階層化 7 アプリケーション層 6 プレゼンテーション層 5 セッション層 4 トランスポート層 3 ネットワーク層 2 データリンク層 1 物理層 ネットワークの機能を階層ごとに 役割分担 する - 機能分割 - ある階層を変更しても全体に影響しない

13 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ なぜ階層化? 社長 は 自分で切手を貼ったりしなくても 郵便事情 ( どういうルートで配送するのか等 ) を知らなくても 手紙出しておいて と秘書に言うだけで 手紙を出せる 13 会社 A 社長 A 秘書 A メール室 A 郵便配達 A 手紙出しておいて 封筒に入れ切手を貼る 集めてポストへ 郵送 会社 B 社長 B 秘書 B メール室 B 郵便配達 B

14 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ なぜ階層化? 封筒に入れ切手を貼る なんて仕事は誰でもできるから 秘書 A がやめても 新たに 秘書 Z を雇えば これまでと変わりなく手紙は出せる 階層単位で仕事を分割できるから 14 会社 A 社長 A 秘書 A メール室 A 郵便配達 A 封筒に入れ切手を貼る 会社やめます 秘書だけ入れ替える 新人 Z 新しい秘書に代わっても他が代わる必要はない 会社 A 社長 A 秘書 Z メール室 A 郵便配達 A

15 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 実際のネットワークでは? ブラウザを代えたからといって LAN ケーブルを代えなくてよい LAN ケーブル代えたからといってメールソフトを代えなくてもよい 15 アプリケーションネットワーク層データリンク層物理層 ルーター LAN ケーブル メールアプリ ハブ

16 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 16 1 物理層通信を 電気信号や光信号で伝える LAN ケーブル等にあたる コネクタの標準化等が関係する 7 アプリケーション層 6 プレゼンテーション層 5 セッション層 4 トランスポート層 3 ネットワーク層 2 データリンク層 1 物理層 LAN ケーブルには カテゴリ があり 数字が大きい方が高機能 = 高速 Elecom 商品説明より

17 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 17 1 物理層通信を 電気信号や光信号で伝える LAN ケーブル等にあたる コネクタの標準化等が関係する 7 アプリケーション層 6 プレゼンテーション層 5 セッション層 4 トランスポート層 3 ネットワーク層 2 データリンク層 1 物理層 1000BASE-T 伝送速度を示す この場合は 1Gbps イーサネット通信 ケーブル媒体の種類 T: ツイストペアケーブル F: 光ファイバ

18 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 18 2 データリンク層ケーブル等でつながれたノード ( 通信機器 ) 間で通信を行う MAC アドレスという物理アドレスを使う 7 アプリケーション層 6 プレゼンテーション層 5 セッション層 4 トランスポート層 3 ネットワーク層 2 データリンク層 1 物理層 ハブはデータリンク層 PC どうしで直接つなぐのはデータリンク層 荷物で言えば集積所から集積所までがデータリンク層 ケーブルは物理層

19 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 19 3 ネットワーク層 (IP 層 ) アドレス (IP アドレス ) を用いて 宛先まで届ける 経路選択も行う 相手に届けるまで 全体がネットワーク層 ルータ ルータ ルータ ルーターはネットワーク層 7 アプリケーション層 6 プレゼンテーション層 5 セッション層 4 トランスポート層 3 ネットワーク層 2 データリンク層 1 物理層 荷物で言えばトラックを乗り継いで乗り継いで お客様からお客様 ( 集積所経由 ) がネットワーク層 個々の機器間通信はデータリンク層

20 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 20 4 トランスポート層 (TCP 層 ) 通信の信頼性を高める ( 届かなければ再送 等 ) コネクションの立ち上げ 切断 ( キャッチボールを始める準備 ) ちゃんと届いたか確認 届いていなければ再送 ( 取れなかったボールは再度投げる ) 7 アプリケーション層 6 プレゼンテーション層 5 セッション層 4 トランスポート層 3 ネットワーク層 2 データリンク層 1 物理層 TCP/IP はトランスポート層の TCP とネットワーク層の IP を使って IP アドレスに向けて信頼性の高い通信を行う

21 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 21 5 セッション層コネクションの立ち上げを行う ( 実際のコネクション確立はトランスポート層 ) 7 アプリケーション層 6 プレゼンテーション層 5 セッション層 4 トランスポート層 3 ネットワーク層 2 データリンク層 1 物理層 6 プレゼンテーション層データフォーマットの変換 文字化けして読めない フォーマット違いプレゼンテーション層で合わせる この 2 層はあまり試験等で問われることもない ( システム エンジニアとしてもあまり意識しない )

22 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 22 7 アプリケーション層実際のアプリケーション 電子メール http 通信 ( ホームページを見る ) ファイル転送 (FTP) 7 アプリケーション層 6 プレゼンテーション層 5 セッション層 4 トランスポート層 3 ネットワーク層 2 データリンク層 1 物理層 ブラウザでホームページを見る のはネット通信の基本だがこれは アプリケーション層 の http 通信

23 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 23 各階層化に対応した機器を覚える また TCP/IP の階層モデル (OSI 参照モデルの呼び方を変えたもの ) ではセッション層 プレゼンテーション層 アプリケーション層はいっしょになる OSI 参照モデル 機器 7 アプリケーション層ゲートウェイ 6 プレゼンテーション層 5 セッション層 4 トランスポート層 Proxy サーバ 携帯メールとインターネットメールを中継 3 ネットワーク層ルータ L3 スイッチ 2 データリンク層ブリッジ ハブ 1 物理層リヒ ーター TCP/IP 階層モデルアプリケーション層トランスポート層インターネット層ネットワークインタフェース層ハードウェア

24 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 24 機器 1 リピーターハブ ( リピーターハブ ) ただし最近のハブはほとんどレイヤ 2 スイッチングハブ 物理層 の機器 伝送距離を延長するために伝送路の途中でデータ信号波形を増幅 整形して 物理層での中継を行う 通信距離が長いと 信号はだんだん弱くなる だから途中で それを強くして中継する 物理的にネットワークを長くする機器 弱まる ( 減退 ) 増幅整形 リピーター

25 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 25 ハブ ( リピーターハブ ) 集積ハブは本来はリピーターハブだった しかし最近のハブはほとんどレイヤ 2 スイッチングハブ (K1 号館の LAN 接続口もスイッチングハブ ) 信号は全部の口に機械的に同時配信される ( 判断の機能はない ) バカハブ ともいう

26 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 26 盗聴するならリピーターハブで! リピーターハブなら 第三者でもすべての通信を聞くことができる 盗聴できる!! スイッチング ハブでも 設定を変えればリピーターハブになるので注意 リピーター HUB Hello! 盗聴者 Hello! Hello! 送信者 受信者

27 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 27 機器 2 ブリッジレイヤ 2 スイッチ データリンク層 の機器 MAC アドレスを見て 送るか送らないか判断できるため余計な通信を発生させない スイッチング ハブ は全ポートがブリッジの機能をもったもの A B C A と B は同じ セグメント と言う B 宛てなら通さない ブリッジ C 宛ては通す

28 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 28 ブリッジ レイヤ 2 スイッチは どのセグメントにどの機器がいるか ( どの MAC アドレス機器がいるか ) を自動学習 はじめは全部通信を通しているが そのノードが 発信 した際に そうか こっちのセグメントにはこのノードがいるんだ と覚えて 次回から判断に生かす A B C 判断材料がまだないときは何でも通す そうか こっち側には C がいるんだと覚える ブリッジ C が何らかの通信を行う ( 誰宛でも何でもいい )

29 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 29 機器 3 ルータレイヤ 3 スイッチ ネットワーク層 の機器 IP アドレスを見て 経路を決定して 送る B ルーター ルーター ルーター IP アドレス : A IP アドレス :

30 第 2 章ネットワーク アーキテクチャ ネットワーク アーキテクチャ 30 機器 4 ゲートウェイ アプリケーション層 の機器 個別のアプリケーションに関する中継を行う 橋渡し 変換 中継 等を行う プロキシサーバ http 通信の中継安全なネット接続のため代理で接続 メール ゲートウェイ携帯メールを PC メールに橋渡し アプリケーション処理 ( 中継 変換 ) A ゲートウェイ B

31 第 3 章 データリンク層 31

32 第 3 章データリンク層 ネットワークの基礎 32 通信の種類 ユニキャスト 1 対 1 で通信を行う 通常の通信 マルチキャスト 1 対複数で通信を行う 映像配信などはこの通信を使う

33 第 3 章データリンク層 ネットワークの基礎 33 通信の種類 ブロードキャスト 1 対全で通信を行う マルチキャストと異なるのは 接続されている全端末に送る ブロードキャストアドレスという特殊なアドレスに送るとこの通信になる

34 第 3 章データリンク層 ネットワークの基礎 34 階層化によるパケット送信処理各階層に対応したヘッダをつける 自分の層に対応したヘッダを呼んで処理例 : IP アドレスはネットワーク層だから ネットワーク層ヘッダ に IP アドレスが入る 他の層は見ない 上位層 データ 追加 上位層 データ 処理 トランスポート層 データ ト層ヘッタ 追加 トランスポート層 データ ト層ヘッタ 処理 ネットワーク層 データ ト層ネ層ヘッタ 追加 ネットワーク層 データ ト層ネ層ヘッタ 処理 データリンク層 データ ト層ネ層デ層ヘッタ データリンク層 データ ト層ネ層デ層ヘッタ 物理層 物理層

35 第 3 章データリンク層 ネットワークの基礎 35 トポロジー ネットワークの形 をトポロジーと言う 主には バス型 リング型 スター型 メッシュ型 がある バス型幹線 ( バックボーンと呼ぶ ) にぶら下がる形 リング型 環状型 輪になっている バックボーン ( 背骨 ) スター型 ハブやルーターにぶらさがる もっとも一般的な体系 メッシュ型 網の目状 全端末がつながりあっている この形に似ているからスター型 足は何本あってもよい 完全に全端末どうしが接続されているものを フルメッシュ と呼ぶ 構築に金はかかるが 障害に強い

36 第 3 章データリンク層 データリンク層 36 イーサネット データリンク層の通信の基本として イーサネット (LAN ケーブルによる通信 ) がある 有線 LAN はほぼすべてこの方式 他に FDDI Token Ring 等あるが今はもうあまり使われていない よく使われる他方式として無線 LAN がある 1000Base-T 100Base-TX 等の xxbase-x はイーサネットを表す

37 第 3 章データリンク層 データリンク層 37 イーサネットは CSMA/CD 方式 イーサネット通信の基本 ケーブルに 電気が流れているか (=1) 何も流れていないか (=0) の ON/OFF で情報 (0,1 の列 ) を伝える つまり 1 本のケーブルでは 同時にひとつの情報しか送れない 誰かがケーブルで通信している (= 電気が流れている ) ときは 自分は使えない この性質の上で通信を効果的に行う方法が CSMA/CD 方式

38 第 3 章データリンク層 データリンク層 38 イーサネット :CSMA/CD 方式 1 1 通信可能か確認情報を送信したい端末は いま情報が流れていないかを確認する 流れていれば待つ 2 情報送信情報を送信する 電気信号であるので ケーブルのすべてに伝達されるので関係ない端末にも届く

39 第 3 章データリンク層 データリンク層 39 イーサネット :CSMA/CD 方式 2 A 破棄 B 受信 B 宛 3 通信受信受信端末は 宛先 (MAC アドレス ) を見て 自分宛なら受け取り 他人宛なら破棄する 衝突 4 コリジョン発生微妙なタイミングによって 誤って 同時に送信 してしまう場合がある これを コリジョン と呼ぶ

40 第 3 章データリンク層 データリンク層 40 イーサネット :CSMA/CD 方式 3 待ち 待ち 衝突 5 コリジョン待ち コリジョン が発生したら 送信端末は少し待って ( 乱数時間 = 次回もかぶらないように ) 再送する CSMA/CD 方式のまとめ コリジョン (= 衝突 ) を避けながら送信する方式 コリジョンが発生する範囲 (= 同じ一本のケーブルの上にある全端末 ) を コリジョン ドメイン と呼ぶ ( /CD の CD はコリジョン ドメインの略 ) 多くの端末がつながると通信が遅くなるのはコリジョンが多数発生するため これを防ぐために スイッチングハブ ( レイヤ 2) を使う

41 第 3 章データリンク層 データリンク層 41 MAC アドレスデータリンク層では MAC アドレスを用いて通信を行う すべての端末にはメーカー出荷時にそれぞれ個別の MAC アドレスがつけられている MAC A 00:80:45:12:21:06 破棄 MAC B 00:10:5A:70:33:61 受信 B 宛 MAC 00:10:5A:70:33:61 通信受信受信端末は 宛先 (MAC アドレス ) を見て 自分宛なら受け取る

42 第 3 章データリンク層 データリンク層 42 MAC アドレス 48 ビットの長さのアドレス ベンダ ( 機器製造メーカー ) 毎に割り振られ 機器ひとつずつ個別に付けられる 基本的に世界にひとつ MAC アドレスは 70 兆以上あるので枯渇しない 2 桁の 16 進数を六つ並べた xx-xx-xx-xx-xx-xx という形式で表示例 : 00:50:4A:22:8F:27

43 第 3 章データリンク層 データリンク層 43 スイッチによる通信 1 転送表 B 宛 A B C 1 発信者を確認端末 A が送信を行う スイッチは ポート 1 に 端末 A がいることを知り 記憶する 転送表 1: A の MAC アドレス 追加! B 宛 B 宛 B 宛 A B C 2 全ポートに配信宛先は B( の MAC アドレス ) だが スイッチは B がどこにいるかまだ知らないので その場合は全ポートに配信する

44 第 3 章データリンク層 データリンク層 44 スイッチによる通信 2 転送表 1: A の MAC アドレス 知ってる! 転送表 1: A の MAC アト レス 2: B の MAC アト レス 追加! A 宛 A B C A 宛 A 宛 A B C 3 B から A に発信次に端末 B が端末 A 宛に送信を行う スイッチは ポート 1 に 端末 A がいることを知っている またポート 2 に端末 B がいることを知る 4 ポート 1 のみ配信 A 宛はポート 1 のみに配信すればよい 端末 C には情報が流れない

45 第 3 章データリンク層 データリンク層 45 スイッチによる通信まとめ どのポートにどの MAC アドレスの 機器がいるかを自己学習する スイッチを使うことで余計な通信 の発生を避ける コリジョンが発生しなくなる

46 第 3 章データリンク層 データリンク層 46 ループ問題 A 宛 データリンク層には ループ問題 がある たとえば全ブリッジ ( スイッチ ) が どこに端末 A があるか知らない場合は とりあえず全ポートに送信 するので この とりあえず送信 が繰り返され ぐるぐると回り続けることになる スパニングツリーで対処 スパニングツリーデータ送信 ( フレームという ) がぐるぐる回り続けることを防止する機能のこと 各機器で 10 秒毎に BPDU と呼ばれる情報をやりとりすることで ネットワークに関する情報を交換 し 輪 ではなく ツリー ( 幹と枝 ) の形でネットワークを理解するようにする 輪 A 宛 A 宛 ツリー

47 第 3 章データリンク層 データリンク層 VLAN VLAN (Virtual LAN) とは 設計者がスイッチで自由にセグメントを分けることができる機能 ( 自己学習ではない点に注意 ) 情報学部 を VLAN ID=10 工学部 を VLAN ID=11 と設定すると VLAN ID=10( 情報学部 ) 宛ての通信は工学部には流れない VLAN でネットワークを設計しよう 等よくエンジニアの会話で出てくる VLAN ID = 10 ポート毎にどの VLAN に所属するかを設定 変更があっても配線はそのままで設定だけ変えればよい ( 例 :K1 号館が工学部のものになっても設定変更のみで可能 ) K1 号館情報学部 VLAN ID=10 VLAN ID = 11 タグ と呼ばれる 対象 VLAN の宛先を入れる data C 号館工学部 47

48 第 3 章データリンク層 データリンク層 イーサネット以外 48 無線 LAN 無線 ( 電波や赤外線 ) を使って接続を行うもの IEEE 無線 LAN の標準規格 速さの違い等から IEEE /a/b/g/n がある Wi-Fi は IEEE 群のこと 方式 a b g n 最大速度 2Mbps 54Mbps 11Mbps 54Mbps 150Mbps 周波数 2.4GHz 5GHz 2.4GHz 2.4GHz 2.4/5 GHz

49 第 3 章データリンク層 データリンク層 イーサネット以外 49 その他の通信 Bluetooth 2.4GHz を使った通信で距離が短い (1m~100m) 小型 省電力で キーボードの接続等に利用 似たようなものに ZigBee がある PPP (Point to Point Protocol) ポイントツーポイント (1 対 1) で接続するプロトコル 通常 電話回線 ( ダイヤルアップという ) や専用線等での接続に利用する ADSL 等でも PPPoE(PPP over Ethernet) で接続

50 第 3 章データリンク層 データリンク層 イーサネット以外 50 その他の通信 VPN (Virtual Provate Network) インターネット上に自分専用のネットワークを構築する技術 IP-VPN IPsec 等の技術がある 暗号化 Hello! H%&YRG ルータにて自動的に暗号化を行うことで ネットを利用しても誰にも見られることがなく安全 復号化 H%&YRG Hello! ルータにて自動的に復号化を行うことで ネット経由で送られた情報を取得できる VPN トンネル トンネル化 実際にトンネルになっているのではなく 暗号化によってトンネルを通過しているような効果がある