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1 概要 インターネット概論 第 3 回 : インターネットの考え方中村修 インターネットの考え方を知る 自分のコンピュータから相手のコンピュータにデータが届くまで ネットワークを構成する機器を知ろう インターネットの通信モデル 経路制御の考え方 インターネットの役割分担と階層構造 インターネットの魔法とは?! 電灯線通信 (PLC) メディアを選ばない Ethernet, 無線 LAN, 光ファイバ, xdsl アプリケーションを選ばない WEB 電子メール ファイル交換 家庭のコンセントを利用してネットワークにつなげる Power Line Communications 電力線を通信回線インフラとして利用する技術 PC どんなアプリケーションも構築できる 電柱 コンセント 通信インフラの進化に柔軟に対応できる PLC モデム 出典電柱 コンセント モデム 実用技術例 ECHONET ECHONET( エコーネット ) 家庭用電灯線通信の規格のこと 通信速度 9.6Mbps あくまで家電機器の制御役割としての位置づけ 例えばエアコンや電気温水器の制御 低速 低コストなネットワーク 出典 出典 1

2 高速電灯線通信 衛星インターネット コンセントの向こうに 未来のくらしが見えてくる 先週開催された CEATEC JAPAN でのキャッチフレーズ 家庭やオフィスでのデータ転送をイメージしたデモブース 最大 190Mbps 静止衛星を使った片道通信 数種類の帯域を利用 Kuバンド (12G 18GHz) 設備が小さくて済む 雨に弱い ( 降雨減衰が激しい Cバンド (4G 8GHz) 場所が限定される ( 地上波と同じ帯域を使う ) 他にKaバンド NEC 松下電気 出典左 右 回線交換とパケット交換 インターネットの通信モデル 回線交換方式とパケット交換方式 End-to-End モデル 回線交換方式 相手とパイプラインをつないでデータをやりとりする 各通信につき 1 回線占有する パケット交換方式 データを小包 ( パケット ) に小分けにして転送 データグラム 1 回線で複数の通信を実現できる インターネット (IP) はパケット交換!! 回線交換方式 パケット交換方式 もうこれ以上通信は乗らない 帯域が空いていればいくらでも通信が相乗り可能 2

3 回線交換 v.s. パケット交換 利用効率の問題 回線交換では 回線帯域を時分割多重 / 周波数分割多重 分割した帯域をそれぞれのユーザに 帯域の占有 割り当てたユーザが使わなかったら無駄! パケット交換では パケット単位での相乗り 帯域が空いていればいくらでも使える 全体の帯域利用率が向上する パケット交換方式のメリット デメリット メリット 1つのパイプで複数の通信を行える 回線の効率的な利用が可能 デメリット 混雑時は 転送効率が低下する 混雑時には パケットを消失する可能性が高くなる 通信間の帯域利用の公平性 帯域の確保が困難 IP 転送のイメージ IP とインターネット パケットは乗客 ルータは駅 + 駅員 渋谷までいきたいんですけど 湘南台駅 2 番線の電車をご利用下さい 乗客 ( パケット ) 駅員 アプリケーションソフトウェア 終点はどっちだ? 終点はどっちだ? データの作成と解析 TCPセッションの制御 IPパケットの送受信イーサネットフレーム送受信物理媒体への送受信 終点はどっちだ? アプリケーションソフトウェア IP の基本 (1) バケツリレー方式 中継ノードは自分宛てパケットでなければ次へ (TTL の値を 1 減らす ) 判断はネットワーク層で行う 転送はリンク層 (ARP による対応 ) TTL = Time To Live パケットの生存時間を示す ( 後何回 router を経由して良いか ) 通信開始 TTL -1 TTL -1 TTL -1 通信終了 ホスト ルータルータルータ ホスト 発信元 中継ノード 1 中継ノード 3 中継ノード 2 送信先 3

4 IP の基本 (2) ベストエフォート方式の通信 中継ノードはなんらかの理由でパケットを捨てたら報告 ICMP time exceed(packet の寿命だよ ) 経路制御 通信開始 TTL -1 TTL -1 TTL=0になった 中継ノード 1 中継ノード 3 送信先 発信元 報告 中継ノード 2 経路 ある宛先へ到達するために IP パケットを送信 転送する先 宛先が同一リンク上なら直接配送 宛先が同一リンク上にない場合は中継ノード ( ルータ ) を経由 ルータ ルータ 経路制御とは何か ルータやホストがパケットを転送する先を知るための仕組み 自分の次は誰にパケットを渡せば目的地に届くか? を知り 判断する パケット転送のよりどころにする経路表をどのように生成するのか ルータ / L3 スイッチ 経路表に基づいてパケットを転送する機器 宛先 IPアドレスを元に経路表を検索 複数のサブネットを相互に接続する 必ず複数のインタフェースがある ネットワークの規模やトラフィックに応じた機器を利用する IP パケット ペイロード IP ヘッダ Ver IHL TOS パケット長 Identification FlagFlagment Offset TTL Protocol Header Checksum 始点 IPアドレス終点 IPアドレス YAMAHA RTX-1500 BUFFALO BHR-4RV PLANEX GW-AP54SAG Cisco 2600 エッジルータ Hitachi GR2000-1B Cisco 3700 ミッドレンジルータ Juniper M10 Foundry Networks NetIron 800 Cisco CRS-1 コアルータ 終点はどっちだ ( 経路検索 ) 終点はどっちだ ( 経路検索 ) 4

5 経路制御の要素 経路表 ルータ ホストが保持する経路の一覧表 経路検索 パケットを転送する際に 経路表から該当する転送先を検索 経路制御 各ルータに正しい経路表を設定する仕組み 手動設定 ルータ同士での経路表を交換 経路表 シンプルな構造 宛先が共有 ( 同一 ) ネットワーク 直接転送 宛先が別のネットワーク 経路表に基づき転送 ルーティングテーブル 終点 次ホップ 終点 次ホップ 終点 次ホップ 終点 次ホップ 方向 (interface) 方向 (interface) 方向 (interface) 方向 (interface) 経路表と IP Forwarding 経路表 ルータ A Prefix( 終点 ) Next-hop /24 ルータA /24 ルータC ルータB I/F: 0? I/F: 1 I/F: 2 Interface I/F: 0 I/F: 1 ルータC ルータ ホストが保持する経路の一覧表 経路表 (FIB: Forwarding Information Base) プレフィクス next hop ( 次に転送するルータ ) 出力インタフェース プレフィックス ネットワークアドレスとサブネットマスクの対例 : /24 複数のサブネットを集約して一つのプレフィックスとして表現する場合もある / / /24 経路制御のメトリック - 概念 - 最適な経路を選ぶ際のパラメータ 利用するメトリックによって経路の選択が変わる 鉄道 所要時間 乗り換え回数 料金 Source: 経路制御のメトリック - 実際 - ポリシー 回線コスト 従量課金 固定課金 商業上 政治的ポリシー RTT/ 遅延 オペレーションエンジニアリング ホップ数 帯域幅 ASパス長 冗長性の確保 例 : WIDE US/Europeの学術系はAbilene 経由 国内大手 ISPはIXで直接ピアリング その他の回線はトランジットの UUNET/KDDI 経由 国内大手プロバイダ NSPIXP3 ( 大阪 ) WIDE ( 大阪 ) WIDE ( 藤沢 ) KEIO WIDE ( 小松 ) WIDE ( 大手町 ) APAN 国内大手プロバイダ DIX-IE ( 東京 ) 2 Abilene KDDI UUNet Commercial Academic 5

6 メトリック ( 経路選択基準 ) はあるにせよ ルータは パケットを次のホップに転送する役目だけを忠実に果たします インターネットの構造 構成要素 ルータ スイッチ 海底ケーブル / 光ファイバ UTP 電話線 ISP: Service Provider IX: exchange インターネットはネットワークのネットワーク * メトリックははじめに誰かが設定する インターネットを構成する様々な機器 インターネットの物理的構造 (1) ケーブル ルータ スイッチ L3 スイッチ コアルータ 自分のコンピュータから家庭内のネットワークへ シース ( 被覆 ) より対線 0.5mm ( 導体 ) 10-11mm [UTP ケーブル ] インターネットを構成する様々な通信メディアと伝送技術 インターネットで End-to-End 通信を実現する主な要素 無線 LAN 湘南藤沢キャンパス 湘南藤沢キャンパス UTP ISDN 機器同士の物理接続 HUB/ Switch 光ファイバー 大学内 LAN 大学内 LAN WDM Ethernet 電話局 PPP ADSL 大学内 LAN 複数機器の収容 メディア変換大学内 LAN 経路制御 ネットワーク同士の接続 広域インフラストラクチャ 電話局 ラストワンマイル技術 矢上キャンパス 自宅 矢上キャンパス 自宅 6

7 最小のネットワーク 基本のネットワーク 2台のPCを直接接続する スイッチを使って接続する Ethernet端子 スイッチ Ethernet端子 2台のPCを Ethernetケーブルを 使って直接接続 Ethernetケーブル(クロス) 家庭内ネットワークと対外線 家庭内LAN 対外線 例 ADSL スプリッタで 電話と通信を分割 周波数の違いを利用 インターネットの物理的構 造(2) 電話 電話線 電 柱 スプリッタ 自宅からISPまで ＰＣなど BB phone ADSLモデム ラスト ワン マイルとは ラスト ワン マイル ユーザの家までの 最後の1マイル L2 L3サービスの関係 異なるL2 サービス 異なるL2サービス 局舎 L3サービス L3サービス 自前で 線 機器を用意 自前で 線 機器を用意 個別にL3 個別にL3 サービスを契約 L3サービス L3サービス 独自事業者 機器を 持ち込み 機器を持ち込み 家庭 フレッツADSL 局舎 ダークファイバ L2サービス L2サービス L2サービス L2サービス 7

8 L3 スイッチの写真 L3 スイッチ コアルータより多くのケーブルを収容 パケットをハードウェアでスイッチング ISP 同士は相互に接続される インターネットの物理的構造 (3) ISP ISP ISP 同士の接続 ISP IX ISP ISP exchange (IX) ISP の階層構造 Tier1 プロバイダ 上流のプロバイダを持たず トラフィックを全て自らコントロールできる 世界規模の広帯域バックボーンを保有するISP Tier2: Tier1からサービスを買うISP( 地域 ISPなど ) Tier 1 Peer Tier 1 Transit Transit Tier 2 Peer Tier 2 Tier 2 Peer Tier 2 ユーザ ユーザ ユーザ ユーザ 8

9 ISP のネットワーク (OCN) ISP のネットワーク (NTT コミュニケーションズ ) ISP のネットワーク (IIJ) インターネットの物理的構造 (4) 光ファイバ敷設 光ファイバ敷設工事の風景 (1/3) 下水道光ファイバ敷設用ロボット 光ファイバ敷設工事の風景 (2/3) 光ファイバ敷設の様子光ファイバ敷設の様子 Qwest( Qwest( 旧 US US West) West) の列車の列車 html html rashinban.cfm?i= xn000xn&p=2 穴掘り 9

10 光ファイバ敷設工事の風景 (3/3) 日本国内の光ケーブル ファイバー樽 海外線 ( 海底ケーブル ) インターネットの物理的構造 (5) 海底ケーブルと海外のネットワーク 日本周辺の海底ケーブル (1) 10

11 日本周辺の海底ケーブル (2) アジア地域の海底ケーブル (1996) 世界の海底ケーブル (1) 世界の海底ケーブル (2) 世界の海底ケーブル (3) 南アメリカ大陸 (2000 年 4 月 )

12 ヨーロッパ (2000 年 ) アフリカ大陸 Level3( 出展 : Qwest Network map XO Communications PSINet 12

13 Uunet( 現 MCI) Uunet( 北アメリカ大陸 南アメリカ大陸 ) End to End モデル まとめ 送信者? 受信者 通信を行う両端 (End システム ) が頑張る 途中の経路はあまり賢くなくても良い 途中の経路は End システムは知らなくても良い End-To-End モデル エンドシステムが頑張る エンドシステムは雲の中 ( ネットワーク ) がどうなってるかを知らなくてもよい ベストエフォート 中継システムは データを なるべく 努力して転送しようとする インターネットでは データが必ず相手に届く保証はない 13

14 自律分散協調 フローコントロール 中継システムの役目 (IP) ベストエフォート (best effort) データを なるべく努力 して転送 エンドシステムの役目 (TCP/IP) 自分で責任をもってデータを転送相手に確認を取るもう一度送り直すペースダウンするデータを小さく分ける 送信者 受信者 相手の処理能力を超えたら 送信者が加減をする コンジェスチョンコントロール ( 輻輳制御 ) 途中経路で溢れたら 送信者が加減をする マテリアル 送信者 受信者 経路表を見てみる :netstat rn (windows) Destination: パケットの宛先 経路表を見てみる :netstat rn (unix) Gateway: 自分が接続しているネットワークのルータのアドレス Interface: 宛先に向いている通信デバイス名 Metric: 現在 routing table にある各経路のコスト Destination: パケットの宛先 Gateway: 自分が接続しているネットワークのルータのアドレス Interface: 宛先に向いている通信デバイス名 14

15 IP ルーティングの例 から へ 1. ルーティングテーブルの検索 2. データグラムの配信 next hop: default Ether IPヘッダ宛先 :IP = リンクヘッダ宛先 :Enet = Ether IP ヘッダ宛先 :IP = リンクヘッダ宛先 :Enet = next hop: next hop: どういう経路を通っていくのか調べよう traceroute コマンド 名前のとおり 経路をトレースするコマンド UNIX( 含 MacOS X) のコマンド Windowsだと tracertコマンドという名前になっている 実行してみよう UNIX( 含 MacOS X) の場合 ターミナルで % traceroute Windows XP, 2000の場合 スタート - ファイル名を指定して実行 で cmdと打つ 出てきた黒いウィンドウで > tracert Windows Meや98などの場合 スタート - ( すべての ) プログラム - MS-DOSプロンプト あるいは スタート - ( すべての ) プログラム - アクセサリ - MS-DOSプロンプト で 出てきた黒いウィンドウで > tracert traceroute を実行してみる Tracing route to [ ] over a maximum of 30 hops: 1 4 ms 3 ms 3 ms ms 21 ms 23 ms r001.ykhmac00.ap.so-net.ne.jp [ ] 3 26 ms 20 ms 20 ms note-07gi net.so-net.ne.jp [ ] 4 27 ms 21 ms 19 ms note-gw8vl1.net.so-net.ne.jp [ ] 5 25 ms 20 ms 21 ms note-gw2gi2-1.net.so-net.ne.jp [ ] 6 26 ms 20 ms 21 ms foundry2.otemachi.wide.ad.jp [ ] 7 26 ms 23 ms 23 ms ge-2-0-v4.cisco1.fujisawa.wide.ad.jp [ ] 8 27 ms 21 ms 22 ms ve-100.cisco11.fujisawa.wide.ad.jp [ ] 9 28 ms 23 ms 22 ms keio-wide-p2p-gbe-1.sfc.keio.ac.jp [ ] 経由したルータのドメイン名 RTT (Rount Trip Time) 往復時間のこと 経由したルータの IP アドレス IP ルーティングの動作 ルーティングテーブルを検索 ( 最長一致 :longest match) (1) 完全な宛先 IPアドレスと適合するエントリを発見 データ転送 宛先とPtoP 接続されている場合 特定ホストの経路を厳密に指定する場合 該当しない場合 (2) へ (2) 宛先のネットワークIDに適合するエントリを発見 データ転送 アドレスの先頭からより多く一致する経路が優先される ( 最長一致 ) 宛先がローカルなEthernetに接続されている場合など ネットワーク単位で経路を指定する場合 該当しない場合 (3) へ (3) デフォルトのエントリを発見 データを転送 (4) 全てに該当しない場合には エラーを返す ホスト到達不可 ネットワーク到達不可のエラーを返すネットワークへのルート指定が可能 全てのホストへのルートは指定しなくて良い エントリの縮小 15