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直感でとらえる
ネットワークの基本要素
1
TIS株式会社
萩原 学
2020/10/23
OSC 2020 Online/Fall
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自己紹介
• 萩原 学 (HAGIWARA Manabu)
– ネットワークの話が好きです
• 今日の資料はこのへんにあります
2
twitter.com/
github.com/
qiita.com/
speakerdeck.com/
corestate55
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背景・文脈
3
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Background
システムの地図を作りたい！
• NWを中心に、いろいろな
要素が絡み合った複雑なシ
ステム
• それらのモデル化
– 自動化
– 可視化
4
モデル中心
システム設計・運用
Fig data
(config)
RFC8345: Network Topology Data Model
Monitor
Network
各種
データ
ソース
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Background: 例
5
$ bundle exec netomox check
public/model/bf_trial.json | jq '.[]
| select(.checkup == "link reference
count of terminal-point").messages[]
| select(.path|test("__Lo0")|not)'
{
"severity": "warn",
"path": "layer3__as1border2__Gi2/0",
"message": "irregular ref_count:0"
}
{
"severity": "warn",
"path": "layer3__as3core1__Gi2/0",
"message": "irregular ref_count:0"
}
{
"severity": "warn",
"path": "layer3__as3core1__Gi3/0",
"message": "irregular ref_count:0"
}
“層”のあるシステムの
構成可視化
モデル検査
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Background: 位置づけ
6
ネットワーク構成図を考える:
よい構成図はなにがよいのか
https://speakerdeck.com/corestate55/osc-2020-hokkaido
https://youtu.be/Vw4INUiX_n4
https://youtu.be/tRdrEN2KtYU
直観でとらえる
ネットワークの基本要素
ネットワーク構成図を考える: NW図の基本とモデル指向NW図のススメ
https://speakerdeck.com/corestate55/osc-2020-tokyo-spring
https://youtu.be/C8L_n1oHXlM
https://youtu.be/RZRphyEas4E
可視化する対象を理解する 表現(図)のわかりやすさ
可視化
今回
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ターゲット層
7
平成26年秋期問32 リピータの特徴｜基本情報技術者試験.com
https://www.fe-siken.com/kakomon/26_aki/q32.html
これにぱっと答えられない、
それぞれの役割や違いを
うまく説明できない
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注意事項
• 初心者・非NW担当 エンジニア向け
• “ネットワーク” = TCP/IPとEthernetの話
• 厳密さよりも直感的な理解を優先
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コミュニケーションの考え方
9
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ひとりで全部やれるのであれば
べつにネットワークとかいらないですね。
なぜネットワークが必要なのか?
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ひとりで全部やれるわけじゃない。
複数の人が共同して何かやろうとすると
それぞれの情報交換が必要になります。
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「ネットワーク」の発生
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ネットワーク = コミュニケーション
誰かから (source)
誰か宛に (destination)
情報を送るもの。
必ず 2人以上の登場人物(ノード) がいる
最小のネットワーク
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改札前
にきて!
改札
表現する方法(言語、文字…)
伝える媒体(空気、紙…)
伝えたいこと 伝わったこと
手紙
両方が同じになってはじめて「伝わった」といえる
コミュニケーション (情報伝達)
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解釈
表現や解釈の方式・その合意
表現
発声 What is
KAISATU?
KAISATU
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hoge
みんなが同じルールを共有しておく
• 日本語を使います
• 紙に書きます
• 本文の前に時候の挨拶があります
• etc
protocol [名]
1. 外交儀礼;(軍隊・宮廷などの)儀礼,慣習;儀礼上のしきたり,エチケット
2. ((形式))条約原案,条約議定書;補足協約,協定付随書
3. (実験などの)観察記録;《医学》プロトコル,(研究・治療などの)実施要綱
4. 《コンピュ》プロトコル,通信規約(◇ネットワークの接続手順)
5. 《哲学》プロトコール,命題(protocol proposition)
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protocolの意味 - goo辞書 英和和英
https://dictionary.goo.ne.jp/word/en/protocol/#ej-67375
手紙
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The Internet isn't a thing. It's an agreement.
インターネットはモノではない。合意である。
― David Weinberger
World of Ends https://www.worldofends.com/
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https://twitter.com/nabe1975/status/1311621432195997696
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コミュニケーションのカタチ
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何を使って情報を伝えるか
(使うもの・メディア)
どのような情報を伝えるか
(表現・会話の決め事)
どこの・誰に情報を伝えるか
(相手に情報を届けるための決め事)
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直接・対面で話をする
NWの構成要素を理解しよう
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メディア: 物質・物理現象
• 物理的特性・特徴に応じた使いどころがある。
– 信号減衰、ノイズ/揺らぎ、強度、コスト、……
– 光の速度を超えた情報交換はできない
会話による情報伝達の場合
• 情報の表現には日本語を使う
• 情報の伝達は音声 = 空気をメディアとして使う
19
hoge
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最小のネットワーク (糸電話モデル)
• 直結されている
• 相互に情報を送り合える
• 片方がしゃべったことがそのまま相手に出力される
• しゃべる/聞く はどちらか片方 (半二重通信)
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• メディア = 糸と考えてみる。
hoge
hoge
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複数人で会話するには?
21
hoge
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• みんな一続きの糸で直結されている
• 糸を共有している (共有メディア)
• ある人がしゃべるとほかの人がみんな聞こえる (broadcast)
• ある人がしゃべっている間はほかの人はしゃべれない (半二重通信)
22
hoge
hoge
hoge
hoge
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23
• 部屋でしゃべるのも同様(空気モデル)
同じ部屋の人がひとつのメディアを共有する
hoge
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(原始的な)Ethernetのイメージ = 糸電話
24
実際ひとつのワイヤをみんなで共有してた。
hoge
hoge
hoge
hoge
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参考
The Ethernet Evolution From 10 Meg to 10 Gig How it all Works!,
Hadriel Kaplan & Robert Noseworthy, Atlanta, 2001.
https://www.iol.unh.edu/sites/default/files/knowledgebase/ethe
rnet/ethernet_evolution.pdf
25
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参考
26
10BASE2ケーブル | エイム電子株式会社
http://www.aim-ele.co.jp/products/10base-2/
By © Raimond Spekking / CC BY-SA 4.0 (via Wikimedia Commons)
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=69527036
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メディアの特性
• 弱くなった信号を増幅してくれる (リピータ)
• コリジョンドメインを操作するものではない (L1:物理層のデバイス)
• 遠いと信号が弱くなってしまう(減衰)
• 信号が弱くなるとノイズの影響が大きくなる (SNR)
27
……
hoge
hoge
hoge ??
!
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メディアの抽象化
28
物理実体
複数のメディア、
信号増幅やノイズ対策が必要
理想化された通信チャネル
物理特性の抽象化・
概念的にひとつの媒体としてふるまうもの
追って出てくる
L2(データリンク層)のこと
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参考
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Provisioning Neutron networks with the NSX-v Plugin - Superuser
https://superuser.openstack.org/articles/provisioning-neutron-networks-
with-the-nsx-v-plugin/
よく見る、
「ひとつの線にぶら下がっているノード」
の図は何を意味しているのか?
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共有メディアの問題: 衝突
• 同時にしゃべっちゃう (衝突:Collision)
• ぶつかったらランダムに待機してタイミングをずらす(CSMA/CD)
• 衝突が起きる範囲 = Collision Domain
つながってる糸(糸電話モデル)、ひとつの部屋(空気モデル)
30
えっと
あの
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共有メディアの問題: 効率
• 発言者はひとり
• 人が増えると発言可能な時間が減る (衝突も増える)
• メディア共有には限界がある 31
hoge
あの…
ちょっと
おれおれ
おーい
もしもし
ねえ
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共有メディアの問題: 効率
• 部屋をパーティションで区切ると同時に会話できる人が増える
(空気モデル)
• メディアをどうにかして分割する 32
予算の件
設計書
レビュー
障害対応
新人研修
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メディアを「区切る」
A
B
C
D
33
hoge
話すときだけ切り離せれば
A-B, C-Dが同時に会話できる。
hoge
Foo
Foo
• しゃべりたい人のところだけつなぐ (糸電話モデル)
→ コリジョンドメインの分離
→ 各コリジョンドメイン内は独立して会話ができる
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(参考)
A
B
C
D
34
ブロードキャストドメイン
→ ブロードキャストできる範囲
→ 同じメディア上にあって直接声がかけられる範囲
コリジョンドメイン
→ 衝突が起きる範囲
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スイッチの登場
A
B
C
D
35
• 高機能化… 直接会話する2点間だけ直結させる
• コリジョンドメインの操作
• 最小のコリジョンドメイン: P2P
• いまどきのネットワークだといちいちコリジョンドメインとか意識しません。
hoge
hoge
Foo
Foo
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(参考)
36
クロスバースイッチ - Wikipedia
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%AF%E3%
83%AD%E3%82%B9%E3%83%90%E3%83%BC
%E3%82%B9%E3%82%A4%E3%83%83%E3%8
3%81
Switch Fabrics: Input and Output Queues and Buffers
for a Switch Fabric - EtherealMind
https://etherealmind.com/switch-fabric-input-output-
buffers-queues/
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パケット交換
• ここまで例示の都合上、図が回線交換っぽい感じですが、
TCP/IP/Ethernetはパケット交換です
37
ある2者/その間のパケットに
着目すると、あたかも1本の線で
結線されているかのように見える A
B
C
D
ある瞬間を切り取ると、
中間の一部分だけがスイッチされて
パケットが転送されていくだけ
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参考
• “XXハブ”
– つながり方…トポロジの形態 (≠NW構成要素の機能)
• ブリッジとスイッチの違い
– やりたいことは同じ
– 処理実体(ソフト/ハード)・冗長化機能の有無などによるちがい
– ググる
• どこをつなぐか、どうやって決める?
– “Learning switch” とかでググる
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直接つなげない人との会話
NWの構成要素を理解しよう
39
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メディアによる制限
• 同じ「メディア」を共有していて、
直接「会話」できる。
「声」がそのまま届く範囲は限られる
• 「遠くにいる」= 違う部屋にいる
• 直接は会話できない
あ
?
40
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メディアによる制限を超える
41
あ
?
位置(場所) : 相手はどこにいるのか?
そこまでの道のり : どんな経路で情報を届けるのか?
IP
(Internet Protocol)
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IP: 郵便モデル (“住所”)
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市
区/地域
都道府県
国
町
10.0.0.0/8
10.1.0.0/16
10.1.3.0/24
10.1.3.128/25
10.1.3.192/26
国
通信事業者A
企業α
支社
部署
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ネットワークの “位置” 情報
• 道のり
– ネットワーク間の接続関係
– 隣接関係, トポロジ
• 物理的な位置 ≠ NW的な距離
• 増減したり移動したり
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A
Z
X Y
P
Q
Aから直接見える範囲には
限界がある
Pに届けるには
なにをどうする?
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AはX, X経由でYQ知ってる
PはYとY経由でXQ知ってる
AはZとZ経由でP知ってる
YはPQとP経由でZ知ってる
ZはA,X知ってる
YはXQとX経由でA知ってる
NW接続関係の情報交換
44
私が持ってるのはAです
ZとXにつながっています
私が持ってるのはZです
AとPにつながっています
ZはP知ってる、
XはYとY経由でPQ知ってる
Q以外全部Yにおまかせ
私が持ってるのはXです
AとYにつながっています
PはZとZ経由でA知ってる
XはAとA経由でZ知ってる
私が持ってるのはYです
X,P,Qとつながっています
私が持ってるのはPです
Z,Yとつながっています
A
Z
X Y
P
Q
Pに届けるなら
Zに渡してもXに渡してもOK
Zは直接Pつながってるので
そっちの方が近そう
直接知ってる情報
伝聞で知ってる情報
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よその部屋の人との会話 (起点)
A: 郵便局役
B
C
D
• Pは部屋の中にいないということが判別できる (IPアドレスから判別)
• Aがほかの部屋との中継役だと知っている (デフォルトゲートウェイ)
• Aいる? っていうのをみんなに聞く
• Pに伝えたいことをAにわたして中継してもらう
Aさん
いる?
おるで
45
Pと
話したいので
Aに中継して
もらう
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よその部屋の人との会話 (中継点)
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• だれがどこを管轄しているのかを常に交換し合う (動的経路制御)
• インターネットではBGP4というプロトコル
A
Z
X Y
P
Q
Pに届けるなら
Zに渡してもXに渡してもOK
Zは直接Pつながってるので
そっちの方が近そう
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(余談) 経路広告とトラフィック
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A
Z
XXについて知ってますぜ
なるほど。じゃあ
XX宛のはそっちに任せるね
経路情報と
トラフィックの流れは
逆向きになる
インターネット上で変な経路広告をながして障害がおきたりする
• 間違えた情報を流す: ルート漏洩
• 故意に変な情報を流す: 経路ハイジャック
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ことなる通信機能
直接つながっていない人との
全体の伝言ゲームをどうやるか
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D A
P
K
L
M
途中でいろいろな
メディアをまたぐ
直接つながっている人との
会話をどうやるか
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技術用語との対応をとろう
49
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Network Layer
直接つながっていない人との
全体の伝言ゲームをどうやるか
→ L3(IP)の世界
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D A
P
あ
あ
K
L
M
途中でいろいろな
メディアをまたぐ
直接つながっている人との
会話をどうやるか
→ L2(Ethernet)の世界
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Network Layer
Layer1: 物理層
どういうメディアを使うか。
(材質、形状、信号、…)
Layer2: データリンク層
同じメディアにつながっている人
同士(隣同士)でどうやって会話を
成立させるか。
Layer4: トランスポート層
会話のしかた
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TCP/IP Model: What is TCP IP Stack?
Protocol Layers, Advantages
https://www.guru99.com/tcp-ip-model.html
Layer3: ネットワーク層
同じメディアでつながっていない
人同士で、どうやって会話を成立
させるか。
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Network Layer
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Layer1: 物理層
どういうメディアを使うか。
(材質、形状、信号、…)
Layer2: データリンク層
同じメディアにつながっている人
同士(隣同士)でどうやって会話を
成立させるか。
Layer4: トランスポート層
会話のしかた
TCP/IP Model: What is TCP IP Stack?
Protocol Layers, Advantages
https://www.guru99.com/tcp-ip-model.html
Layer3: ネットワーク層
同じメディアでつながっていない
人同士で、どうやって会話を成立
させるか。
何を使って情報を伝えるか
(使うもの・メディア)
どのような情報を伝えるか
(表現・会話の決め事)
どこの・誰に情報を伝えるか
(相手に情報を届けるための決め事)
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必ずしも1:1対応ではない
ややこしさ: レイヤ間の対応関係
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L2: 理想化(抽象化)されたメディア
L3: アドレス空間(サブネット)と
それらの関係性
A B C D
192.168.1.0/24
2001:db8:1::/48
192.168.2.0/24
2001:db8:2::/48
A,B,C D
• ひとつのL2セグメントを
複数の物理機器/メディアで
構成する
• 複数のL2セグメントを
ひとつの物理機器/メディア
で構成する
• ひとつのL3セグメント
(サブネット)を
複数のL2セグメントで構成する
• 複数のL3セグメントを
1つのL2セグメントで構成する
L1: 物理的な実体
Wifi
A
B
C
D
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複雑な対応関係を把握したい
• NWだけでも階層がある
• 仮想化技術とか、抽象化されたもの
もまたひとつの階層に見えたりする
– Hypervisor/そのための仮想NWなど
– OpenStack/k8s等のプラットフォーム
– etc
• それらの関係性をわかりやすくとら
えられるか? → モデル化・可視化
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ひとつひとつの図はシンプルでも
上から下まで通して見ようとすると
複雑になってしまう
やりたいこと
→実体は何か・何をすべきか
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まとめ
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まとめ
• ネットワーク(IP/Ethernet)はそもそも何をやり
たいものなのか、イメージをつかむ。
• オンプレでもクラウドでも、こういうものの積
み重ねで成立しています。
– どこで・だれが・何を制御しているのか?
– 上下左右に何と関連しているのか?
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参考
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関連情報
• 現役ネットワークエンジニアがインターネットの裏側に
ついて語ってみました
– https://youtu.be/fpXltBcfNeY
• ルーターってなに？
– https://youtu.be/F8yF3htWIgI
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経路広告による障害
変な経路広告による障害事例(特に大規模なもの)
• 2017年8月25日の大規模インターネット障害:Geekなぺーじ
https://www.geekpage.jp/blog/?id=2017-8-29-1
• 世界的なインターネット障害が発生:Geekなぺーじ
https://www.geekpage.jp/blog/?id=2016/6/22/1
経路ハイジャックの事例
• 経路ハイジャックされた話 (Janog36, 2015)
https://www.janog.gr.jp/meeting/janog36/download_file/vie
w/163/179
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