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本章重点#

（1）ストレージ転送技術に基づくパケット交換方式。

（2）計算機ネットワークのいくつかの重要な性能指標（帯域幅、遅延、往復時間、利用率など）。

（3）計算機ネットワークの体系構造および関連用語。

1.1 情報時代の計算機ネットワーク#

1.1.1 計算機ネットワークの各種アプリケーション#

1.2 インターネットの概要#

1.2.1 ネットワーク、インターネットとインターネット#

1. ネットワーク#

• ネットワーク（Network） は、いくつかのノード（Node） とこれらのノードを接続するリンク（Link） で構成されており、図 1.3 に示されています。ネットワーク内のノードは、コンピュータ（ノートパソコン、デスクトップコンピュータ、サーバーなど）、ネットワーク接続デバイス（ハブ、スイッチ、ルーターなど）、その他のネットワーク機能を持つデバイス（ネットワークプリンター、ネットワークカメラ、IoT デバイスなど）です。ネットワーク内のリンクは、有線リンクまたは無線リンクのいずれかです。
  

2. インターネット#

• インターネット（Internet） は、いくつかのネットワーク とこれらのネットワークを接続するルーター で構成されています。インターネットの接続ノードを無視すると、インターネットはより広範囲のネットワークと見なすことができるため、**「ネットワークのネットワーク（Network of Networks）」** とも呼ばれます。

3. インターネット#

• インターネットに接続されているさまざまな通信デバイス（スマートフォン、タブレット、ノートパソコン、サーバー、ネットワークプリンターなど）は ** ホスト（Host）** と呼ばれ、ルーターはネットワーク接続のための専用デバイスであり、一般にはホストとは呼ばれません。
  
• 以上をまとめると、ネットワーク、インターネット、インターネットの違いと関係は以下のようになります：
     いくつかのノードとリンクが相互接続されてネットワークを形成し、いくつかのネットワークがルーターを介して相互接続されてインターネットを形成し、インターネットは今日の世界で最大のインターネットです。
• 注意：
  • internet はインターネットを意味し、複数のコンピュータネットワークが相互接続されたネットワークを指す一般名詞であり、これらのネットワーク間では任意の通信プロトコルを通信規則として使用できます。
  • Internet はインターネットを意味し、現在の世界で最大かつ最もオープンな、数多くのネットワークとルーターが相互接続された特定のコンピュータネットワークを指す固有名詞です。これらのネットワーク間では、TCP/IP プロトコルファミリーを通信規則として使用する必要があります。

1.2.2 インターネットの発展の歴史#

1. インターネット発展の三つの段階#

第一段階 (1969 年)

• 最初のパケット交換ネットワーク ARPANET が設立され、単一のネットワーク ARPANET からインターネットへと発展しました。
• 1970 年代中頃、さまざまなネットワークの相互接続が研究されました。
• 1983 年、TCP/IP プロトコルが ARPANET の標準プロトコルとなり、インターネットの誕生を示しました。

第二段階 (1985 年)

• 1985 年、NSF は 6 つの大規模コンピュータセンターを中心に NSFNET（バックボーンネットワーク、地域ネットワーク、キャンパスネットワーク）を構築しました。
• 1990 年、ARPANET の任務が完了し、正式に閉鎖されました。
• 1991 年、アメリカ政府はインターネットバックボーンを民間企業に運営させ、インターネットに接続する単位に対して料金を請求し始めました。

第三段階 (1993 年)

• 1993 年、NSFNET は徐々にいくつかの商用インターネットバックボーンに置き換えられました。政府機関はもはやインターネットの運営を担当せず、さまざまなインターネットサービスプロバイダー（ISP）が運営を行いました。
• 1994 年、WWW 技術がインターネットの急速な発展を促しました。
• 1995 年、NFNET の使用が停止され、インターネットは完全に商業化されました。

2. インターネットの標準化作業#

インターネットの標準化作業はその発展に重要な役割を果たしており、その標準を策定する重要な特徴は一般向けであることです。インターネット協会 ISO C は国際的な組織であり、インターネットを全面的に管理し、世界的な発展と使用を促進しています。インターネットの正式な標準策定は以下の四つの段階を経ます：

1. インターネット草案（まだ RFC 文書になっていない）。
2. 提案標準（この段階から IFC 文書になります）。
3. 草案標準。
4. インターネット標準。

3. インターネットの構成#

エッジ部分：
  インターネットに接続されているすべてのホストで構成されています。この部分はユーザーが直接通信（データ、音声、ビデオの送信）やリソース共有を行うために使用されます。
コア部分：
  多数のネットワークと接続を含み、これらのネットワークのルーターがコア部分を構成し、エッジ部分にサービス（接続性と交換）を提供します。

1.3 三つの交換方式#

回路交換 (Circuit Switching)#

• 電話交換機を介して電話回線を接続する方式を回路交換と呼びます。
• 通信資源の割り当ての観点から見ると、交換は伝送回線資源を動的に割り当てる方式です。
• 回路交換は三つのステップを含みます：
  1. 接続を確立する（通信資源を割り当てる）。
  2. 通話する（通信資源を常に占有する）。
  3. 接続を解放する（通信資源を返却する）。

• コンピュータデータを送信する際、回路交換の回線伝送効率は通常低いです。

パケット交換 (Packet Switching)#

• 送信者：構築、パッケージ化、パケットを送信。
• ルーター：パケットをバッファリング、パケットを転送。
• 受信者：パケットを受信し、メッセージを復元。

回路交換、メッセージ交換、パケット交換の比較#

1.4 計算機ネットワークの定義と分類#

1 計算機ネットワークの定義#

• 計算機ネットワークの正確な定義は統一された基準がありません。

• 最も単純な定義は：計算機ネットワークは相互接続された 自治の計算機の集合です。

  • 相互接続：計算機が有線または無線方式でデータ通信を行うことを指します。
  • 自治：独立した計算機が自分のハードウェアとソフトウェアを持ち、独立して運用および使用できることを指します。

• より正確な定義は：計算機ネットワークは主に汎用の、プログラム可能なハードウェアの相互接続で構成されており、これらのハードウェアは特定の目的（データやビデオ信号の送信など）を実現するために特別に設計されたものではありません。これらのプログラム可能なハードウェアはさまざまな種類のデータを伝送でき、広範で増大し続けるアプリケーションをサポートします。

  • 計算機ネットワークに接続されるハードウェアは一般的なコンピュータに限らず、スマートフォンなどのスマートハードウェアも含まれます。
  • 計算機ネットワークはデータの送信だけでなく、さまざまなアプリケーション（将来現れる可能性のあるさまざまなアプリケーションを含む）をサポートします。

2 計算機ネットワークの分類#

• 交換技術による分類：

  • 回路交換ネットワーク
  • メッセージ交換ネットワーク
  • パケット交換ネットワーク

• 使用者による分類：

  • 公共ネットワーク
  • 専用ネットワーク

• 伝送媒体による分類：

  • 有線ネットワーク
  • 無線ネットワーク

• 覆い範囲による分類：

  • 広域ネットワーク (WAN)
  • 都市域ネットワーク (MAN)
  • 局所ネットワーク (LAN)
  • 個人域ネットワーク (PAN)

• トポロジー構造による分類：

  • バス型ネットワーク
  • 星型ネットワーク
  • 環状ネットワーク
  • メッシュ型ネットワーク

1.5 計算機ネットワークの性能指標#

• 計算機ネットワークの性能は複数の側面から測定でき、一般的に使用される性能指標は以下の八つです：

1. 速度：#

• ビットは計算機内のデータ量の単位であり、情報理論における情報量の単位でもあります。一つのビットは二進数の中の 1 または 0 の一つです。
• 速度は、計算機ネットワークに接続されたホストがデジタルチャネル上でビットを送信する速度を指し、ビットレートまたはデータレートとも呼ばれます。

2. 帯域幅：#

• アナログ信号システムにおいて、帯域幅は信号内のさまざまな異なる周波数成分が占める周波数範囲を示します。単位：Hz（KHz, MHz, GHz）。
• 計算機ネットワークにおいて、帯域幅はネットワーク通信回線がデータを送信する能力を示し、すなわち単位時間内に一点から別の点への **「最高データ転送率」** です。
• 実際には、「帯域幅」のこの二つの表現には密接な関係があります。通信回線の「周波数帯域幅」が広いほど、伝送されるデータの「最高データレート」も高くなります。

3. スループット：#

• スループットは単位時間内に特定のネットワーク（またはチャネル、インターフェース）を通過するデータ量を示します。
• スループットはネットワークの帯域幅または定格速度に制限されます。

4. 遅延：#

• データがネットワークに入ってから目的地に到達するまでにかかる時間。

• 速度、帯域幅、スループットと遅延

5. 遅延帯域幅積：#

• 遅延帯域幅積 = 伝播遅延 x 帯域幅。
• 送信側が連続してデータを送信する場合、送信された最初のビットが目的地に到達する時点で、送信側は遅延帯域幅積のビットをすでに送信しています。
• リンクの遅延帯域幅積はビット単位のリンク長とも呼ばれます。

6. 往復時間 (RTT)：#

• 情報がインターネット上で双方向に伝送される際にかかる時間（Round-Trip Time）であり、重要な性能指標でもあります。

7. 利用率：#

• チャネル利用率は特定のチャネルが利用されている時間の割合を示します；
• ネットワーク利用率は全ネットワークのチャネル利用率の加重平均です。

8. パケット損失率：#

• 伝送中に失われたパケットの数と総パケット数の比率であり、ネットワークの混雑状況を反映します。
• パケット損失率は具体的に異なるタイプに分けられ、インターフェース損失率、ノード損失率、リンク損失率、パス損失率、ネットワーク損失率などがあります。
• パケットの損失には主に二つの状況があります：
  1. パケットが伝送中に誤りが発生し、ノードによって破棄される：伝送中、パケットはノイズや干渉などの理由でエラーが発生する可能性があり、これらのエラーによりノードは受信時にパケットを正しくデコードできず、破棄されます。
  2. パケットがキューが満杯のパケット交換機に到達した際に破棄される：もし伝送速度が交換機の処理能力を超えると、受信したパケットは交換機のバッファにキューイングされ、処理を待つことになります。バッファが満杯の場合、新しいパケットは破棄されます。高い通信負荷の下では、この状況がネットワークの混雑を引き起こす可能性があります。
• パケット損失率はネットワークの混雑度を反映し、異なるパケット損失率は異なる混雑状況に対応します：
  • 混雑がない場合、パス損失率は 0 です。
  • 軽度の混雑の場合、パス損失率は 1% から 4% です。
  • 重度の混雑の場合、パス損失率は 5% から 15% です。
• 遅延帯域幅積、往復時間、利用率とパケット損失率