情報第 8 回 田浦健次朗
ファイルとその中身 コンピュータにおける情報の表現 ファイルとフォルダ コンピュータの仕組み 通信 ネットワーク, インターネット 情報の符号化, その限界 コマンドライン プログラムの仕組み 通信の符号化, その限界 暗号 簡単なプログラムの作成 実行 Excel で計算 データの可視化 基礎的概念 ( 本講義中では ) やや高度な概念 実技 実践
テーマ ネットワークの一般論 LAN インターネット IP, DNS, TCP アプリケーションプロトコル ( メール,Web) インターネット上の脅威暗号と認証
動機付け プロバイダに契約 + つなぐだけ で世界中の HP が見られる理由 セキュリティ事件がなくならない理由 ネットショッピングが一応安全な原理 ( 暗号 )
通信 とは? 情報の伝達手段, 媒体は様々 声, ジェスチャー 電圧の変化 ( 銅線 ) 電磁波 ( 無線 LAN, 携帯 ) 光のパルス ( 光ファイバ ) 情報を, 波 によって伝達される信号に符号化する (etc. 電圧 HI = 1, 電圧 LO = 0)
信号の伝達 だけでは解決されな い話 直接届かない相手との情報のやりとり 多人数の参加者の中から特定の相手との情報のやりとり ネットワーク の機能
ネットワーク の機能 直接信号が伝達できない相手との通信 ( 中継 ) 指定された相手に情報を届ける ( 経路づけ, ルーティング ) B A A と通信したい! A C
よく目にするネットワークの構成機器 PC Ethernet スイッチ無線 LAN ステーション モデム (ADSL, 光 ) ポート ルータ
ネットワークの基本要素 アドレス ネットワークへの参加者 ( ノード ) を識別する名前 経路づけ ( ルーティング ) 宛先アドレスへデータを届ける道順, それを求める仕組み
ローカルエリアネットワーク (LAN) 実例 Ethernet 無線 LAN (IEEE 802.11) AppleTalk, Token Ring ( 廃れた ) インターネット 以前から, 少数の機器 (PC, プリンタ,etc.) を接続し, 共有するために使われていた
Ethernet について少し アドレス = Ethernet MAC アドレス すべての PC のネットワークインタフェースカード (NIC), Ethernet スイッチ, などについている一意な ID 例 : 00:16:6F:4E:5F:D4 2 桁の 16 進数 x 6 = 48 bit 上位 3 つはベンダを識別 (http://standards.ieee.org/regauth/oui/oui.txt)
Ethernet のルーティング 機能 : スイッチと PC を, ループ ( 輪 ) を作らないようにつなげるだけで, 任意の MAC アドレスにデータ ( フレーム ) を届けられるようになる 初期の機器 ( リピータハブ ) すべてのフレームをブロードキャスト 今日の機器 ( スイッチングハブ, スイッチ ) 後述
リピータハブ 受け取ったフレームは全部のポートに送信 目的地へ届いたものは拾われるそうでないものは捨てられる 単純だが明らかに無駄 大規模化は不可能 リピータハブ 00:16:6F:4E:5F:D4
スイッチングハブ フレーム受け取り時に 送信者アドレス とそのポートの組を記録する 後でその送信者アドレス向けのフレームを受け取ったら, 覚えていたポートだけに転送 00:16:6F:11:22:33 00:16:6F:4E:5F:D4
Ethernet (LAN) のまとめ つなげるだけ で使えるように設計されている 全世界規模への大規模化は困難 リピータハブは言うまでもない スイッチングハブでも 最初のブロードキャスト つながれている全機器の数だけ, 各スイッチが MAC アドレスとポートの対応を覚える必要がある ( 不可能 )
インターネット 1969 年アメリカ ARPA による実験用のネットワーク ARPANET が前身 インターネット = WWW ( ホームページの閲覧 ) や, メール ( だけ ) のことではない 当初の技術的な位置づけ 複数の LAN をつなぐこと だから Inter Network = Internet
インターネットはそれまでのネット ワークと何が違ったのか? 規模が大きい 2009 年 1 月で 6 億のホスト 世界中をつないでいる 複数の, 異なる規格の LAN をつなげる信号伝達の物理的な仕組みによらない ネットワークの物理的な管理主体が一つでない 多数の管理主体が協調的に管理している
規模 ( ホスト数 ) 出典 : Internet Systems Consortium https://www.isc.org/solutions/survey
インターネットの核となる技術 IP (Internet Protocol) LAN を越えてデータ ( パケット ) を届ける ( 経路づけ ) DNS (Domain Name System) ホスト名とアドレスとの対応を保持する すべてのインターネットアプリケーションはこれを使って作られている
IP アドレス IP (Internet Protocol) におけるアドレス IP アドレスの例 124.83.147.205 66.249.89.104 Ethernet MAC アドレスと異なり, IP アドレスは機器に固有のものではなく, ソフトウェアによって 設定 される 各 PC に 最初から IP アドレスがついているわけではない
IP アドレスの形式 IP version 4 (IPv4) x.x.x.x (x は 0-255 までの数字 ) 8 bit 4 = 32 bit IP version 6 (IPv6) x:x:x:x:x:x:x:x (x は 16 進数で, 0000-ffff まで ) 16 bit x 8 = 128 bit 今日ほとんどの機器は IPv4 を用いている
インターネットプロトコル (IP) インターネット の技術的核心 Internet Protocol インターネット をしいて技術的に定義するならば, IP を使った通信方法のこと 111.234.56.78 123.234.56.78
IP の基本機能 あらゆる ネットワーク の機能と同様である. つまり, 宛先 IP アドレス を指定されたデータ ( パケット ) を, その IP アドレスを持つ機器へとどける ( 経路づけ ) LAN の仕組みは大規模化できなかった
LAN の中の IP 通信 宛先 IP アドレス そのマシンの MAC アドレス の変換をすれば OK その仕組み : ARP (Address Resolution Protocol) LAN 内にブロードキャスト ( この IP アドレスを持っている人は MAC アドレスを教えてください )
LAN をまたがった IP 通信 パケットが複数 LAN を渡り歩く 各ステップ (hop) では, ルータと呼ばれる機器がパケットを中継する (IP ルーティング ) ルータ 通常のホスト LAN ( サブネット ) パケットの配送路
IP ルーティング 機器 : IP ルータ, L3 スイッチ LAN におけるスイッチに相当 ただし MAC アドレスではなく IP アドレスを元に宛先を決める LAN と LAN の境目に配置 ルータ間で情報を交換して 宛先 IP アドレス, ポート の対応付けを覚える LAN LAN IP ルータ
IP が大規模化できる理由 一つの LAN には まとまった IP アドレスの範囲 を割り当てる 例 : 133.11.238.0 133.11.238.127 サブネットという IP ルータは個々の IP アドレスの経路を覚えずにサブネットや, より大きな範囲のアドレス範囲ごとに覚える サブネット単位でのルーティング情報をやりとりする必要はあるが, そんなに激しく変わらない
自分の IP アドレスは? Mac, Unix: ifconfig コマンド Windows: ipconfig コマンド どの LAN につながっているかで IP アドレスは異なる ある IP アドレスと通信できるか? Mac, Unix, Windows: ping コマンド ping IP アドレス 指定された IP アドレスに向かって IP パケットを送り, 返事をもらう セキュリティの懸念からわざと答えない計算機もある
ある IP アドレスまでどのような経 路で到達するか? Mac, Unix : traceroute コマンド Windows: tracert コマンド traceroute IP アドレス ping と似ているが途中のルータが表示される セキュリティの懸念からわざと答えないルータが非常に多い
DNS Domain Name System IP アドレスよりも 意味のわかりやすい ホストの名前 (DNS 名 ) インターネット上で, ホスト名 ( 計算機名 ) として通常用いられる名前 例 : www.yahoo.co.jp www.ecc.u-tokyo.ac.jp mail.logos.ic.i.u-tokyo.ac.jp
DNS 名 A.A.....A 各 A はアルファベット, 数字, '_', '-' など IP アドレスとは原理的には無関係
DNS 名が使われる, よく見る場面 ホームページの名前 (URL) の一部にホスト名を使う http://www.ecc.u-tokyo.ac.jp/faq.html このページは, www.ecc.u-tokyo.ac.jp というホストが持っているという意味 メールの設定で,SMTP サーバ, POP サーバを指定せよと言われることがある. そのような場合に指定するサーバの名前も DNS 名 その他ありとあらゆる場面で計算機の 名前 を指定するのに DNS 名が使われる
DNS の基本機能 DNS 名 IP アドレスの対応を覚える 基本原理 対応を保持する計算機 (DNS サーバ ) を配置し, その計算機に問い合わせる これにはもちろん IP を使って通信する 再び 大規模化 が課題
DNS 大規模化の課題 世界で 1 台の DNS サーバにすべての対応を覚えさせる? 世の中で問い合わせが発生する度にその DNS サーバとの通信が発生 一度実行した問い合わせの結果を覚えておく? 実際使われている ( キャッシュ ) 世界で一台の DNS サーバの負荷が大きい事は変わらない DNS サーバを多数用意して問い合わせの負荷を分散する
DNS 問い合わせの負荷分散 世界には多数の DNS サーバがある 個々の DNS サーバは 一部の 名前の問い合わせにしか答えられない ( 答えなくてよい ) この場合, どの名前の問い合わせは, どの DNS サーバへ送れば良いのか? が問題となる www.ecc.u-tokyo.ac.jp の IP アドレスを聞きたいのだがどの DNS サーバに尋ねれば良い? これを一台の計算機 (DNS サーバ問い合わせサーバ?) に保持させるのでは元の木阿弥に近い
DNS 負荷分散方式 DNS 名全体が ( ファイル名と似たような ) 階層構造 木構造をなしていることに注意 1 台の DNS サーバが担当する範囲はこの木構造のある部分木ルート DNS サーバ X.ac.jp を担当する DNS サーバ X.u-tokyo.ac.jp を担当する DNS サーバ X.jp を担当する DNS サーバ X.com を担当する DNS サーバ X.google.com を担当する DNS サーバ X.ecc.u-tokyo.ac.jp を担当する DNS サーバ
DNS 負荷分散方式 各 DNS サーバは 親 DNS サーバ (u-tokyo.ac.jp 担当サーバであれば, ac.jp 担当サーバ ) 直接の子 DNS サーバ (u-tokyo.ac.jp であれば, ecc.u-tokyo.ac.jp, t.u-tokyo.ac.jp など ) の IP アドレス だけ を覚えている ac.jp 担当 u-tokyo.ac.jp 担当 ecc.u-tokyo.ac.jp 担当 t.u-tokyo.ac.jp 担当
問い合わせの解決 個々の計算機はどの DNS サーバへ問い合わせても良い 問い合わせを受けた DNS サーバは, 自分が解決できる場合すぐに答える, 自分の子供が解決すべき問い合わせは子供へ転送 たとえば u-tokyo.ac.jp 担当が, www.ecc.u-tokyo.ac.jp の問い合わせを受けた それ以外は親へ転送
あのマシンの IP アドレスは? Mac, Unix: host コマンド Windows: nslookup コマンド host DNS 名 host IP アドレス名
まとめ : 一台のマシンを インター ネットにつなげる のに必要な情報 自分の IP アドレス 自分が所属する LAN に割り当てられた IP アドレスの範囲 ( サブネット ) 自分のサブネット範囲外の IP アドレスを中継してくれるルータ ( デフォルトゲートウェイ ) DNS 問い合わせを投げる DNS サーバ (Primary DNS サーバ ) の IP アドレス
そんな大変な設定をした覚えはな い? 自宅では PPP, DHCP という仕組みで自動設定されていることがほとんど 情報が, PC に自動的に供給され, 設定されている 誰が供給している? 典型例 ブロードバンドルータ ( 使っている場合 ) LAN につながっているサーバ (DHCP サーバ ) ADSL ルータの向こう側にいるサーバ
理解の確認 : Web ブラウザでページ が表示できるまで 例 : http://www.yahoo.co.jp/index.html 1. www.yahoo.co.jp の IP アドレスを求める 1-1. Primary DNS サーバの IP アドレスに問い合わせ 1-1-1. そのアドレスと自分のサブネットを見比べる. 多くの場合 DNS サーバはサブネットの範囲外 (LAN の外 ) 1-1-2. そこでデフォルトゲートウェイに IP パケットを送り転送してもらう ( デフォルトゲートウェイは 必ず サブネット内 )
1-2. 得られた www.yahoo.co.jp の IP アドレスに このページ (/index.html) を送れ というリクエストを投げる 1-2-1. ここでもおそらくデフォルトゲートウェイ経由となる 1-3. めでたく返事 ( ページの内容 ) が得られて, ページがブラウザで表示される
つながらない 理由と診断手段 IP アドレス, ゲートウェイ etc. の設定が失敗している ifconfig, ipconfig LAN の中に問題がある ping ゲートウェイの IP アドレス DNS に問題がある host サーバの DNS 名 サーバが落ちている host サーバの IP アドレス
TCP IP : 信頼性のない通信 送ったパケットは届かないかもしれない 理由 : 機器の故障, 一時的な負荷増大 TCP : 信頼性のある通信 一部の IP パケットが届かない場合, それらを再送するなどして, 任意のバイト列を失うことなく交換する仕組み インターネット上のほとんどのアプリケーションが TCP を用いている TCP/IP : インターネット の代名詞
アプリケーション層プロトコル TCP/IP によって, 任意の byte 列を, 世界中の計算機と交換する事ができる WWW, メール, IP 電話, ファイル交換ソフトなど, あらゆるインターネット上のアプリケーションは,TCP 上にさらなる取り決めを用いて必要な機能を実現している WWW: HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) メール : SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) POP (Post Office Protocol)
インターネットの安全性 基本的な仕組みは, 全員が協調的に ( 悪意なく ) 動作することを前提にしている 経路づけ DNS の分散管理 正しい相手と通信していること を保証していない 自分のパケットは経路上のルータ,LAN 内の他のホストなどに丸見え
ありうる攻撃の例 1 台の DNS サーバが侵入されたとする それをもとに, 以降の DNS 問い合わせに 嘘をつく www.amazon.co.jp は ここです と答える LAN 中に攻撃者の PC が接続されたとする IP アドレス MAC アドレスの変換は LAN 内への broadcast で問い合わせてる (arp) ゲートウェイの MAC アドレスをゲートウェイより先に ( 嘘を ) 返してしまう
インターネットの安全性 送ったデータは悪者に見られているという前提で考える. その元で以下を確信できるか? 認証 : 正しい相手と通信している 機密性 一貫性 : 中身を第 3 者に { 見ら 変更さ } れていない