第 2 章ネットワークを支える技術 ネットワーク構成論 I 情報システム学研究科

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1 ネットワーク構成論 I

2 第 2 章ネットワークを支える技術 ネットワーク構成論 I 情報システム学研究科

3 概要 物理ネットワークの形態 イーサネット トークン リング FDDI ATM その他

4 物理ネットワークの形態 Internet 物理的なネットワークではない 異なったハードウェアによって実現されているネットワークを統合的にアクセスできるようにする技術 伝送媒体 磁気メディア ツイスト線 同軸ケーブル 光ファイバー 無線通信

5 磁気メディア 25GBのDATテープを50 本かばんに入れて運ぶ.1 時間で届ければ2.8Gbps 遅延が大きい ツイスト線 ( 電話加入者線 UTP) 2,3Km ならば数 Mbps の伝送能力をもつ 距離 線の太さによる. (ADSL) 干渉を除く. 同軸ケーブル 10Mbps 1km (50Ω) T コネクタ vampire tap

6 ツイスト線 utp cable

7 同軸ケーブルの構造

8 T コネクタ

9 Vampire Tap Yellow cable Transceiver cable

10 光ファイバーケーブル multi-mode と single-mode 1Gbps, 1km LED, laser diode と photodiode 光のオン オフでディジタル通信 vampire tap がむつかしい 長短あり 多くは点対点で一方向で利用する. 細くてすむ. 長距離に適する. 光波長多重

11 MAPOS NTT 未来ねっと研究所 622Mbps, single mode ファイバー 2.4Gbps~20Gbps への実験

12 光波長多重の実験 (7 通信路 )

13 無線通信 無線 LAN 赤外線通信 マイクロ波通信 衛星通信トランスポンダ 500MHzを36MHz 毎に分ける 50Mbps 遅延の問題 250msから300ms マイクロ波 3μ 秒 /km, 同軸ケーブル 5μ 秒 /km 帯域幅が狭ければ地上通信でも同じ 放送性 秘匿性 PHS, 移動通信

14 アナログ伝送とディジタル伝送 アナログ伝送 モデム PAM, FSK, PM, QAM 搬送波を用いる. RS-232C, RS-449 ディジタル伝送 PCM 通信の規格 T1 (1.544Mbps) 規格 T2(6Mbps), T3(45Mbps), T4(274Mbps) コネクタ 信号線 電圧レベル 呼接続手順

15 ネットワーク通信の技術 回線交換 呼接続により回線を切り替えて 占有する. メッセージ交換 蓄積交換 store-and-forward パケット交換 パケット ( データの小包 ) 単位の通信 通信路を占有しない.

16 回線交換 容量の保証 他の通信が邪魔をしない コストはトラフィックに無関係 パケット交換 多重利用 容量がトラフィックによる ( 保証されない ) 多くのコンピュータが通信路をshareできる. 相互接続の経費が小さい capacity 技術の進歩 ( 高速化 ) で問題が少なくなった ネットワークといえばパケット交換網をさす.

17 LAN と WAN WAN 通信事業者による 点対点 (point to point) 接続 LAN 半径数 km 数 Mbps 以上 単一組織による所有 多重アクセスネットワーク

18 多重アクセス ネットワーク 静的割り当て FDM(TDM) 周波数 ( 時 ) 分割多重 通信路を占有できる少数 重いトラフィックに有利 多数のユーザ バースト トラフィックに不利 ほとんどの通信路がほとんどの時刻で IDLE 動的割り当て Aloha, Ethernet, Token-ring, FDDI ランダム多重アクセス 静的割り当てと逆の特徴

19 動的割り当てモデル 局モデル N 個の独立な局で独立に生起 単一通信路の仮定 衝突の起きる可能性 連続時間 / スロット時間 carrier sense/no carrier sense

20 Aloha Protocol 衛星によるハワイ大学のネットワーク 局は送信通報があればすぐに送信 衝突であればランダム時間待ち 再送 衝突なしでどのくらいの % が送信できるか? 衝突フレーム t t 送信フレーム 時刻 衝突可能区間 t: 1 フレーム時間

21 無限に多いユーザ 1フレーム時間に発生するフレーム数は平均がS のPoisson 分布をする. (0<S<1) 再送を含めて1フレーム時間に送信されるフレーム数は平均値 G のPoisson 分布をする. offered load throughput P 0 ただしはフレームが衝突しない確率である. S G である. k フレームの発生する確率は k G Pr[ k] = G S = GP 0 G e k!

22 Pure Aloha のスループット解析 0 個のフレーム生起の確率 Pr[0] = e G 衝突しない確率 スループット S = Slotted Aloha GP 0 Ge 2G 2G すべてのフレームは同期してスロット内に生起 完全な衝突か 完全な分離 S = Ge = G P 0 = e

23 Aloha のスループット ( 平衡状態 ) スループットS 18% 37% Slotted Aloha Pure Aloha Offered traffic G

24 Aloha プロトコルの性能 Slotted Aloha は G=1 のとき最大 S S = 1 / e = % がアイドル 37% が成功 26% が衝突 平均待ち時間 E の指数関数的増大 e G 衝突なし衝突あり k 回送信でやっと成功 1 e G P k = e G (1 e G ) k 1 E = k = 1 kp k = e G

25 Carrier sense protocol 1 persistent CSMA 空いていれば使う. ビジーなら待ち 空いたらすぐ使う. non-persistent CSMA 空いていれば使う. ビジーなら衝突サイクルへ入る. p-persistent CSMA 空いている限り確率 p で使う. 途中でビジーになると衝突サイクルへ入る. ビジーなら空くまで待って上の処理へ入る. 衝突サイクル ランダム時間待ち 再試行

26 スループットCSMA protocol の特性 S offered traffic G

27 衝突検出 CSMA/CD キャリア検出のほかに衝突検出も行う. キャリア センスをしても衝突はなぜ起きるか. 最大伝搬時間を τ とすると 2τ は衝突がわからない. 同軸ケーブルでは τ=5μ 秒 時間幅 2τのslotted alohaと同じになる. 衝突検出はアナログ処理である. 記号 0 が 0 ボルト信号だとわからない. Manchester coding

28 IEEE 標準 Ethernet Token Bus Token Ring 異なるコンピュータが接続可能 市場の拡大 生産の合理化 安価 大量 De facto (from the fact - 実質的な標準 ) De Jure (by law - 正式な標準 )

29 動標準化 2 匹の象の啓示 研究 標準化 大量投資時間活 標準化が遅くても早くても不可 早過ぎると 正しくない選択 遅すぎると ばらばらな投資

30 1973 年 MIT の学生 Xerox Ethernet DEC, Intel が後押し コントローラ チップ LAN の実質標準 GM (General Motors) Token Bus 日本の自動車メーカーとの競争 ラインの制御 最悪の遅延時間を押さえる. IBM Token Ring IBM Zurich 高信頼 保守性その他

31 IEEE の後押しで LAN の標準化 大騒ぎになった Ethernet Xerox, DEC, Intel, オフィス オートメーション Token Bus GM, 下請け, ファクトリ オートメーション Token Ring IBM, 多くのその他 結局タオルが投げられ 無いよりはまし. 3つの標準ができた 上位の規格を合わせた

32 Ethernet 1 persistent CSMA/CD with binary exponential back-off キャリア センス 空いていれば出る. 空いていなければ空くまで待って出る. 衝突が起きたら すぐにやめて ランダム時間待って繰り返す. 待ち時間は繰り返しのつど最大値が2 倍になる k 待ち時間 =(0,1) の一様乱数 その他の規格 2

33 Ethernet 性質 分散アクセス制御 バス : すべての局がひとつの通信路を共有 boadcast: すべての局がすべての伝送を受ける Manchester 符号 ジャム数 10ビット

34 Ether frame Self identifying プリアンブル 64ビット あて先 48ビット 発アドレス 48ビット フレーム長 16ビット データ 368~12000ビット CRC 32ビット データ部分は 1500 オクテット以下

35 802.3 の能率 (10Mbps, 512-bit slot 時間 )

36 ネットワーク機器 トランシーバ リピータ ブリッジ ハブ スイッチング ハブ ルータ ゲートウェー

37 Ethernet ネットワーク機器 トランシーバ リピータ / ブリッジ

38 Ethernet ネットワーク機器 ハブ / スイッチング ハブ

39 Ethernet ネットワーク機器 マルチホーム ホスト ゲートウェー ルータは IP の機器である.

40 トークン バスの発想 確率的なサービス 待ち時間の保証が無い. 優先度が無いロボット制御のラインには不向き トークン リング 最悪値が既定値 一回り待てば番がくる 物理実装 リングケーブル切断 システムダウン 組み立てラインは線形 の堅固さとリングの最悪値の制限

41 Token Bus の特徴 バス上に論理的なリングを構成 token で制御 衝突は起き得ない broadcast 複雑 10 個のタイマー 20 以上の状態 200ページの標準 Ada (802.3はPascal) で記述 75Ω 変調(FSK) 0, 1 以外の記号も可能 4つの優先度 (substation) 加盟 脱退のアルゴリズム

42 その他の LAN Token Ring FDDI ATM MAPOS その他

43 WAN の通信 点対点の通信 PPP (Point-to-point protocol) Sonet/SDH その他 ATM, フレームリレー MAPOS

44 次回に続く

45 Token Ring

46 FDDI

47 ATM

48 その他