『コンピュータネットワーク 第5版』 第1章(以降は未書き起こし)

network

ch01 序論

  • computer network: 単一の技術で相互接続された自律的コンピュータ（複数）として扱う。
  • 分散システム: ユーザには単一の均一なシステムに見える。単一のモデル、パラダイムを持つ。ネットワークで実現される。ネットワークとの違いは、ハードウェアではなくソフトウェアにある。
    • 例: www

1.1 computer networkの目的

  • 資源シェアリング
  • 通信媒体、communication medium
  • IP telephone, VoIP
  • desktop sharing
  • e-commerce

  • internet accessがconnectivityを与える

  • P2P vs クラサバ

    • 例: メール
  • instant messaging
  • social network
  • IPTV
  • ubiquitous computing
  • 測定・通信
  • Radio Frequency IDentification(RFID): 無線自動識別 → IoT
    • 受動チップ（電池なし）
  • internetへの接続がモバイル化を可能にする
  • 固定/移動無線
  • texting, SMS
  • GPS
  • m-commerce
  • NFC: Near Field Communication
  • sensor network
  • socail problem

1.2 network hardware

  • 伝送技術
    • broadcast, point-to-point
      • radio network
      • address fieldで全ての宛先を指定
      • multicast: すべてではなく一部
    • point-to-point
      • unicast
      • best-way-search
  • 規模
    • Personal Area Network ~ Inter Network → 惑星間Inter Network
    • PAN
    • Local Area Network(LAN)
      • 企業ネットワーク
      • Access Point(AP)やwireless router, base station(基地局)
      • 有線LAN point-to-point
        • e.g. Ethernet, switched Ethernet
          • switch: ポートを持ち、各ポートで1つのコンピュータと接続
        • protocolがルートを選択
      • Virtual LAN: Logicalに分ける
        • 各ポートは色で区別
      • classic Ethernet
      • 電力線ネットワーク@家庭
    • Metropolitan Area Network(MAN)
      • cable TV systemから
      • WiMAX
    • Wide Area Network(WAN)
      • 1つの国や大陸
      • subnetがホスト間でメッセージを送る。
        • 伝送回線、交換要素(switch)
          • switch: 2本以上の伝送回線の接続に特化したコンピュータ。ルータなど
      • subnet: 通信回線とルータの集合 ←→ network address の subnetとは違う
      • WANでは、ホストとサブネットは別々の人が所有・運用
      • 多くのWANはinternetworks(複数のnetwork)から構成される。ルータは異なるnetwork 技術をつなぐ。
      • subnetにはLAN全体も接続〇
      • VPN
        • 資源の柔軟な再利用
      • Network Service Provider: NSP
      • Internet Service Provider: ISP
        • このsubnetがISP network
      • routing algorithm, 転送algorithm
      • 衛星network: 本質的にbroadcast system
      • 携帯のnetwork
    • 相互接続した異なるnetworkの集合: internetwork
      • Internet(世界規模の1つの特定のinternet)
      • ISP networkを用いる
    • subnet: network operatorが所有する回線やルータの集合
    • network: 単一のテクノロジーで相互接続されたコンピュータの集合
    • internetwork: networkの異なる部分を異なる組織が担う or 用いている技術が異なる
    • 2つ以上のnetworkをつなげ、hardware, software両方の観点から必要な変換を提供: gateway
      • router: network層でパケットを交換するgateway

1.3 network software

  • network softwareは高度に構造化
  • layer, level: encapsulation
  • protocol: あるマシンの第n layerが、他のマシンの第n layerと会話するときの規則や習慣を第n layer protocol
    • peer: 異なるコンピュータ上で対応するlayerを構成する主体。プロトコルを用いて互いに通信し合うもの
    • 第1層の下に、実際に通信する物理媒体(physical medium)がある
    • IF: 隣り合った層の間。層間のIFを明確に定めることが、network設計の最重要考慮点の1つ
  • 層とprotocolの組み合わせ: network architectureと呼ぶ
  • protocol stack: あるシステムで用いることができる層ごとに1つずつあるprotocolのリスト
  • network architecture, protocol stack, protocolそのものが主題となる
    • 多層通信の類推
    • 各層のprotocolは完全に独立
    • 各プロセスは、自分のピアだけへの情報を付加できる
      • e.g. header @第3,4 layer, trailer@第2 layer
  • 各layerの設計課題
    • error detection/ correction + routing: 信頼性
    • protocol 階層化: networkの進化を支援
    • 送受信識別: addressing @下位層、 naming @上位層
    • internetworking: 異なるnetwork technologyは異なる制限を持つ
    • scalable @大network
    • 資源割り当て
      • 統計的多重化
      • フローコントロール: 受信側から送信側へのフィードバック
      • congestion: 定員超過
      • サービス品質: realtime配送など
    • 秘密性
      • 認証、完全性（messageの不正な変更を防ぐ) by cipher
  • connection指向サービスとconnectionless サービス
    • connection指向: 管のように振る舞う。
      • 交渉。例: 回線(circuit)。固定的な帯域のような資源を伴うconnection
    • connection less: ← 郵便システムのよう。
      • packet: network layer のmessage
        • 蓄積交換/cut-through交換
    • 高信頼connection指向の例: ファイル転送
      • 境界あり：message列（本）/ 境界なし：byte-stream（映画）
    • 低信頼（=確認通知） connectionless サービス（電報のよう）
      • データグラムサービス
      • e.g. VoIP
    • 確認通知データグラム → 信頼性要
      • e.g. ケータイのテキストメッセージ
    • request-reply service
      • e.g. クラサバモデルの通信の実現
  • サービスの一覧
  • サービス・primitive(操作)
    • service ←→ protocol: 1つの層の中の同位entity間で交換されるpacketやmessageなどのformatの意味を決める規則の集合
    • サービスは、サービスにアクセスするユーザープロセスから利用できるprimitiveの集合として定義できる
    • primitive（の集合）は、システムコール。サービスの性質に依存。
      • e.g. LISTEN, CONNECT, ..., DISCONNECT
      • e.g. クラサバでのrequest-replyのやりとり with acknowledged datagram
      • client, server間のやり取りの図がある
      • 第k+1 layerは第k layerの提供するサービスを使う。第k layer 間はプロトコルを共有。
  • →サービスとプロトコルは完全に分離
    • service: object
    • protocol: implement

1.4 参照モデル

  • OSI(Open System間 Interconnection) 参照モデル
    • 各layerのサービスやプロトコルは指定していないので、network architectureとはいえない
    • 7層である理由
    • 物理layer: 1のbitが反対にも1で確実に受信されることが重要
    • datalink layer: 送信側が入力データをデータ・フレームに分割。受信側は各フレームを正しく受信したことをacknowledged frameを送り返して確認
      • 役割: 生の伝送設備を未検出の伝送誤りのない回線と見える回線に変換
    • 媒体アクセス制御(medium access control)副層
    • network layer: subnetの動作をcontrol。送信元から宛先へパケットをどのような経路で通すか決定。異質なnetworkの相互接続のための問題解決。ブロードキャストでは、network layerはないか単純なもののみ。
    • transport layer: 送信元から宛先へデータを送るという意味で、真のe2e layer
      • 第1～第3 layerは数珠つなぎ。第4～第7はe2e。
    • session layer: 対話control, token management（2者が同一の重要な操作を同時に行わないようにする）。同期など（長い伝送にチェックポイント。中断ポイントからリスタート）。
    • presentation layer: 転送される情報の文法や意味を取り扱う。（交換するデータ構造を定義。回線上で用いる標準の符号化方式も定義する）。中小データ構造を管理して、より高レベルのデータ構造を定義、交換したりできるようにする。
    • application layer: 利用者から一般に必要とされるいろいろなprotocolを含む。
      • e.g. HTTP。ブラウザはHTTPでページの名前をサーバに送る。
  • TCP/IP参照モデル
    • 送信元と宛先のマシンが無事ならconnectionに影響がない
      • ファイル転送
      • リアルタイム音声転送などの要求
    • link layer
    • internet layer: network layerに対応
      • internet protocol(IP)とinternet control message protocol(ICMP)を定めている
      • IP packetを行先に配達する役割
        • ルーティング、congestion回避が問題
    • transport layer
      • 2種類のe2e protocol
        • Transmission Control Protocol(TCP)
          • connection指向の高信頼protocol
          • byte streamの分割・組み立て。＋ フローコントロール。
        • User Diagram Protocol(UDP)
          • TCPの順序コントロールやフローコントロールを使わず、独自のものを使う
          • 低信頼connectionless protocol
          • e.g. 1回きりのクラサバのrequest-reply, query, 音声やビデオの伝送など、早い伝達＞正確な伝達であるアプリケーションで使う。
      • IPとTCP/UDPの関係について
    • application layer
      • 高位のprotocolをすべて含む。
        • e.g. old) TELNET, FTP, SMTP, new) DNS, NNTP(Network News Transfer Protocol), HTTP, RTP
      • session, presentation, layerは多くのアプリケーションで不要。
        • → 必要なもののみapplication layerが含む。
    • OSI: modelそのもの
    • TCP/IP: protocol
        1. application layer
        1. transport layer
        1. network layer
        1. link layer
        1. physical layer
  • OSIとTCP/IPの比較
    • OSIの中心概念: service/ interface/ protocol
    • connection指向/ connectionlessへのサポートの違い
  • OSI modelとprotocolの批評
    • OSI modelの失敗の理由
        1. 時期が悪かった
        2. 標準は、研究と何十億ドルもの投資の波の間で書かれることが重要
          • OSIは実現しなかった
        1. technologyが悪かった
        2. model, protocolともに欠陥があった
        3. ↑ 理解しづらい & 繰り返しあり
        1. implementが悪かった
        1. 駆け引きが悪かった
    • TCP/IPの批評
      • service, interface, protocolの概念の区別が不明
        • 仕様と実装の区別がない
      • 一般性がない。ブルートゥースなどには使えない。
      • link layerはlayerではない。ただのinterface
      • physical layerとdata link layerの違いがない
      • IPとTCP以外のprotocolが粗野かつ置換困難

1.5 networkの例

  • internet
    • ARPANET
      • Advanced Research Projects Agency
      • Interface Message Processor(IMP)
      • software: subnetとhostの2つ
      • 実験networkへの発展
      • 異なるnetworkをまたいだ運用のため → TCP/IP: internetwork通信を扱う
      • socket: 新しいprogramming interfaceでTCP/IPを書き直した
      • 規模の拡大 → DNSの作成: マシンをドメインに組織化。ホスト名とIPアドレスの対応付け。
    • NSFNET
      • ARPANETの後継
      • fuzzball: 最初のTCP/IP WAN
      • Advanced Networks and Services(ANS): 非営利組織
        • ANSNET
      • Network Access Point(NAP)の設立
        • NAP間のバックボーン通信事業者を選択可能
        • 単一のバックボーンではなくなり、商業的競争が可能となｙｙｓ
  • wwwの出現で爆発的に大きくなった
  • internetのarchitecture
    • 従来の異なるnetworkが用いられていた用途に対して、1つのnetworkが用いられる電気通信の収束
      • → 激変の推進力
    • internet access/ connectivityをISPから買う
      • e.g. Digital Subscriber Line(DSL)
      • modem: 変調器復調器(modulator demodulator)
        • digital/analog変換をするあらゆる装置を指す
      • broadband: dial-upより大きく速いもの
      • 伝達の最後の区間の帯域幅で制限
      • ISPのPoP(Point of Presence)
        • clientのpacketがISPのnetworkに入る地点
        • PoP間は完全にdigital。packet交換型
      • backbone: PoPのルータを相互接続する長距離伝送回線
    • Internet eXchange Point(IXP)で、ISPはトラフィックを交換するためにnetworkを接続する
      • 接続したISPは互いにピアしているという
    • 小さなISPがtransit(より遠くのISP)にお金を払う
    • tier 1のISP: e.g. AT&T, Sprint
    • data center with Server farm
      • data centerにcolocation/ hostingすることで、サーバとISPバックボーン間に短く高速な接続を作る
      • → サーバファームの仮想マシンを借りる
  • 「Internetにある」の条件

  • intranet: 内部networkをinternetと同じ技術で相互接続

  • 第3世代モバイルフォン network

    • Advanced Mobile telePhone System(AMPS): 第1世代
    • Global System for Mobile Communications(GSM): 第2世代
    • Wideband Code Division Multiple Access(WCDMA)とも呼ばれるUniversal Mobile Telecommunication System(UMTS): 第3世代の3Gシステム
      • 希少資源: 無線スペクトル
        • cellular network
          • となりのセル間で周波数再利用という良い再利用をする。
          • → network容量増大
      • UMTSのarchitecture
        • air interface: mobile装置とセルラー基地局間の空中無線通信protocol
          • この進歩が無線データ速度を大きく増加
          • CDMAに基づく
          • セルラー基地局＋コントロール装置 → 無線接続ネットワーク
          • Radio Network Controller(RNC)が、スペクトルの使い方をコントロールする
            • → air interfaceを実現。Node B
        • core network: radio accessのトラフィックを運ぶ
          • packet network: connectionless subnet
            • サービス品質△ → オーディオやビデオには×
          • 回線network: connection指向 subnet
            • サービス品質〇、耐障害性△
          • core networkはサービス品質と耐障害性どちらも〇
      • UMTSのnetwork内で、Public Switched Telephone Network(PSTN)のような回線交換core network上にconnectionを設定する
        • Mobile Switching Center(MSC)
        • Gateway MSC(GMSC)
        • Media GateWay(MGW) ― 上の3つの要素がある。
      • General Packet Radio Service(GPRS) @ data service
        • Servicing GPRS Support Node(SGSN)とGateway GPRS Support Node(GGSN)が、モバイルフォンから/へのデータパケットを届けInternetのような外部のpacket networkと橋渡しする
          • UMTS core networkのnodeはpacket通信網と直に接続
      • cellular 基地局の経路変更: handover: soft/ handoff: hard
      • Home Subscriber Server(HSS) in core networkが、一夜認証・許可に用いるprofile 情報を知っている
      • Subscriber Identity Module(SIM)カードが、セキュリティの基盤+不正防止+正当なnetworkへの交信のチェック
        • privacy: SIMカード上の暗号キーが伝送を暗号化
      • Long Term Evolution(LTE): 4G technology, WiMAX
  • 1.5.3 無線LAN: 802.11(俗にいうWi-Fi)
    • Industrial, Scientific, and Medical(ISM)帯
      • 902~928 MHz, 2/4 ~ 2.5 GHz, 5.725~5.825Ghzなどの、免許不要の周波数帯
      • codeless phoneや電子レンジなどと競合するのはこのため。
    • AP(Access Point) = base station(基地局)
      • 有線networkとconnection
      • or client間がAPなしに交信〇 = ad hoc network
    • multipath fading
      • path diversity
      • Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM): 直交周波数分割多重
      • 802.11b std → 11Mbps
      • 802.11n: 450Mbps
    • 無線は本質的に放送型の媒体
      • 同時に送った複数の伝送が衝突して受信の干渉するという問題がある
        • ←→ CSMA(Carrier Sense Multiple Access)方式: 実用上うまく動く
      • 移動性の問題
        • ↑ APをもった複数セルを接続する分配システムを構成
    • Security
      • Wired Equivalent Privacy(WEP): 暗号化方式
      • WiFi Protected Access(WPA(2)): WEPは破られた。
    • RFIDとセンサーnetwork
      • Radio Frequency IDentification
      • 〇passive RFID ←→ △active RFID
      • Ultra-High Frequency RFID(UHF RFID)
        • 902~928MHz
        • backscatter: 反射をひろう
      • High Frequency RFID(HF RFID)
        • 13.56MHz, 範囲1m以下 ← backscatterではないため。
      • Low Frequency RFID(LF RFID)
      • 範囲内の複数タグを読み取るという問題
      • Security: password(弱い)。タグのメモリがウイルスになる。
      • sensor network
        • multihop network

1.6 networkの標準化

  • 目的: 異なるコンピュータが通信 + 製品市場を拡大

    • → 大量生産、製造規模の経済性、より良い実装、価格低下と普及

  • 標準: 相互運用性に何が必要か定義する。

  • de facto: from the fact

  • de jure; by law
    • de facto → de jureに発展
    • 3GPP(Third Generation Partnership Project): 団体間の連携
  • 国営電気通信企業: PTT(Post, Telegraph & Telephone administration)
    • 民営化。自由化。競争。
  • ITU(International Telecommunication Union)
  • 国際標準はISO(International Organization for Standardization)で作成・出版されている。
    • ISOのITU-Tの構成員。
      • CD(Committee Draft: 委員会草案)
        • DIS(Draft International Standard)
          • IS(International Standard)
  • NIST(National Institute of Standards and Technology): 米国商務省の一部
  • IEEE(Institute of Electrical and Electonics Engineers)
  • Internet の標準
    • 「大まかな合意と走るコード：
    • 委員会: IAB(Internet Activities Board) @ ARPANET
      • Activities → Architecture
    • RFC(Request For Comments)での情報伝達
    • IRTF(Internet Research Task Force) + IETF(Internet Engineering Task Force)
    • Internet Society(学会)が作成
    • Proposed standard ← RFC
      • → Draft Standard
        • → Internet Standard
    • World Wide Web Consortium(W3C) @Web

1.7 メートル法の単位

  • m: ミリ。μ: マイクロ。
  • 1より大きいと大文字
  • B: byte, b: bit
  • K: 210 @ memory

1.8 本書の概要

  • 原理と実践
  • architectureの観点に限定

1.9 まとめ

  • （メモなし）