ネットワークとは

大学サークルのイントロ用資料です
そもそもなぜネットワークが成立しているかを話します

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1. ネットワークとは SecPrj Intro-phase
2. ネットワークとは ネットワークとは、「網」という意味の英単語。網そのものを指す用法の他に、複数の 要素が互いに接続された網状の構造のことを比喩的にネットワークという。... ITの分 野では、複数のコンピュータや電子機器などを繋いで信号やデータ、情報をやりとりす ることができるコンピュータネットワークあるいは通信ネットワークのことを意味するこ とが多い。 （ネットワーク（NW）とは - IT用語辞典 e-Words　より） 『複数のコンピュータを繋いで情報がやりとりできる構造』
3. これらはネットワーク／インターネットのおかげ
4. これらはネットワーク／インターネットのおかげ サーバと通信してコンテンツを配信
5. ネットワークとは - 規模による分類 • LAN(Local Area Network) 部署内や建物内、敷地内などの狭い範囲をカバー • MAN(Metropolitan Area Network) 都市や市街地の一部または全体をカバー • WAN(Wide Area Network) 地理的に離れたLAN同士を結ぶ LANやMANより広い範囲をカバー ほとんどはLANの派生だと思えばいい 図：ネットワークとは https://www.infraexpert.com/study/networking.html
6. ネットワークとインターネット ネットワークのネットワーク 全世界のネットワークを接続した 大きなコンピュータネットワークのこと 全体を統括するコンピュータは居らず 互いに緩やかにつながっている さまざまなコンピュータから接続可能 LAN WAN LAN MAN WAN
7. どうやってコンピュータ同士でやりとりするか ◦◦◦△◦ □□□◦ ？
8. プロトコル コンピュータ同士が通信するための、共通のルール HTTP / IP / FTP / DNS あたりはよく見そう 通信の手順、データの形式、言語、送信元や宛先の情報.... 通信するには たくさんの決め事が必要 これらは階層構造(レイヤ)で整理する
9. 携帯電話を使う 日本語を使う 想像してること(解釈)が同じ
10. 携帯電話を使う 英語を使う 想像してること(解釈)が同じ 入れ替えても通信(会話)は成立
11. 携帯電話を使う 日本語を使う 想像してること(解釈)が違う 通信(会話)は成立しない
12. プロトコル 各層のプロトコルは独立している その層の変更が、他層に影響を与えない 同じ階層同士別のプロトコルに 入れ替えても通信は成立する • 拡張性や柔軟性が上がる • 実装が容易 • 修正が容易 第 N 層 第 N+1 層 第 N-1 層 PC1 第 N 層 第 N+1 層 第 N-1 層 PC2 プロトコルを階層構造で体系化 ネットワークアーキテクチャ
13. B A C PC1 B A C PC2
14. B A D PC1 B A D PC2 同階層なら入れ替えても通信は成立
15. B A D PC1 B A Z PC2 この通信は成立しない
16. OSI参照モデル 7. アプリケーション層 アプリケーション同士の通信に必要な固有の部分を規定 6. プレゼンテーション層 ネットワーク上で扱うデータの形式を規定 5. セッション層 通信形式の規定や通信のタイミングの制御 4. トランスポート層 アプリケーションの識別とデータの品質の保証 3. ネットワーク層 終端ノード間(End-to-End)の通信(アドレス体系・経路制御 ) 2. データリンク層 隣接ノード間(Link-by-Link)の通信(フレーム生成) 1. 物理層 物理信号とビット列変換　ケーブルやコネクタ等の規定 こいつは実際に使われてはおらず，後述の TCP/IPが主流 しかし，学ぶ上では有益なのでよく取り上げられる
17. プロトコルとパケット 7. アプリケーション層 6. プレゼンテーション層 5. セッション層 4. トランスポート層 3. ネットワーク層 2. データリンク層 1. 物理層 データ ヘッダ７ データ ヘッダ７ ヘッダ６ データ ヘッダ７ ヘッダ６ ヘッダ５ データ ヘッダ７ ヘッダ６ ヘッダ５ ヘッダ４ データ ヘッダ７ ヘッダ６ ヘッダ５ ヘッダ４ ヘッダ３ データ ヘッダ７ ヘッダ６ ヘッダ５ ヘッダ４ ヘッダ３ ヘッダ２ 0100101001... メッセージ データグラム フレーム セグメント・データグラム コネクション型↓ コネクションレス型↓ パケット
18. アプリケーション層 アプリケーション間の通信に必要な固有の部分を規定 メッセージ・ヘッダ リクエスト・ライン リクエスト・ヘッダフィールド 一般ヘッダフィールド エンティティヘッダフィールド その他 空行 (CR+LF) メッセージ・ボディ HTTPリクエストフォーマット
19. プレゼンテーション層 データの表現形式 を規定 ネットワーク全体で統 一された形式 OSやアプリケーション固 有の形式 相互変換 ア プ リ ケ ー シ ョ ン 層 プ レ ゼ ン テ ー シ ョ ン 層 ア プ リ ケ ー シ ョ ン 層 プ レ ゼ ン テ ー シ ョ ン 層 UTF8 EUC-JP ISO2022-JP
20. セッション層 通信方式の規定・通信タイミング の制御 • 通信の開始・終了のタイミング • コネクション(論理的な通信路)の確 立・切断 • 通信順序 トランスポート層に指示 もしもーし？smtp.example.comさん？ はーい。なんでしょう。 hoge@example.comから～ ほうほう fuga@example.comに送りたいです メール送信の例 了解です！データを下さい！ これです～ DATA 受け取りました～ ありがとう、さようなら〜 さようなら〜 smtp.example.com セッション 一連の通信期間全体
21. トランスポート層 セッション層からの指示によって、通信方式とかタイミング制御をして パケットを適切なアプリケーションに届ける（ポート番号／ソケットなど） Webサーバ メールサーバ FTPサーバ FTP Web Email Web Email 適切なアプリケーションに振り分け アプリケーションに適したデータの品質を保証 1bitの誤りも許されないデータを扱う → コネクション型通信 連続して高速に通信し続けるデータを扱う → コネクションレス型通信
22. 相手の存在を確認するかどうか • コネクション型通信 ◦ コネクションを確立してから通信を行う ◦ 品質は高いが速度は遅い ◦ 使用場面：1bitも誤りが許されない時（メールなど） • コネクションレス型通信 ◦ コネクションを確立せずに通信を行う ◦ 品質は低いが速度は速い ◦ 使用場面：連続した高速な通信が厳密さよりも必要とされるとき（動画配信など） コネクションは仮想的な接続状態のこと これを確立してからだと通信の確実性があがる
23. ネットワーク層 終端ノード間（End-to-End）の通信を実現する 経路制御 　どの経路を使うのか選択する IPアドレスの提供 　ネットワーク内における住所 ノード：コンピュータやネットワーク機器など
24. データリンク層 隣接間ノード（Link-by-Link）の通信を実現する 隣接間ノード：実際に直接繋がってるノード データリンク：ノードを繋げる具体的な手段（Ethernet, Wi-Fi...） Ethernet Ethernet Wi-Fi MACアドレスの管理 　ノードごとに固有のアドレス
25. 物理層 フレームを構成するビット列と物理信号との相互変換 ケーブルやコネクタの形式等を規定 0100101001... 0100101001... 変換 変換 LANケーブル （RJ45コネクタ）
26. TCP/IP ネットワークアーキテクチャの１つ 現在の標準 実際に動いて使えることを重視しISO標準より普及した OSI参照モデルと違い4階層構造 4. アプリケーション層 3. トランスポート層 2. インターネット層 1. ネットワーク 　インターフェース層
27. OSI参照モデルとTCP/IP 7. アプリケーション層 6. プレゼンテーション層 5. セッション層 4. トランスポート層 3. ネットワーク層 2. データリンク層 1. 物理層 4. アプリケーション層 3. トランスポート層 2. インターネット層 1. ネットワーク 　インターフェース層 ソフトウェアに任せる →ソフトの自由度を優先 TCP/IPが厳密に規定 ハードウェアに任せる →ハードの自由度を優先 変化が 激しい 変化が 激しい
28. ネットワーク機器の話 各層にはそれに対応する機器がある • 物理層：リピータ • データリンク層：ブリッジ • ネットワーク層：ルータ • 以降も階層ごとにあったりする
29. 物理信号(電気とか光とか)の増幅・整形 物理信号はケーブル長が伸びれば伸びるほど劣化していく (ノイズ乗ったり弱くなったり) 伝送距離を延長するため、LANを延長するために用いる 物理信号を変換(電気→光)できるやつもいる 接続段数に制限あり(コリジョン(衝突)検出云々の事情) リピータハブって呼ばれる リピータ(物理層)
30. ブリッジ(データリンク層) フレームを認識して機能的な転送 • 宛先の識別(MACアドレスの学習) • フレームのエラー検出 • 媒体・速度が違うデータリンクを接続可(バッファがある) • 実際の機器はスイッチングハブ(スイッチ)ともいう MAC:A MAC:B MAC:C MAC:D port1 port2 B宛だから 流さないよ！
31. ルータ(ネットワーク層) LAN同士を接続する(LANを分断する) • 経路制御：パケットを適切なルータ・宛先へ転送 • 異なる規格のデータリンク同士を接続 (Ethernet → 無線LAN等) LAN1 LAN2 LAN3 ルータ ルータ
32. 経路制御 LAN2 LAN1 ルータA LAN3 LAN4 ルータB LAN5 ルータC 送信者 受信者
33. 経路制御 送信者 LAN2 LAN1 ルータA LAN3 LAN4 ルータB LAN5 ルータC 宛先 転送先 LAN1 - LAN2 - LAN3 ルータB LAN4 ルータB LAN5 ルータB 宛先 転送先 LAN1 ルータA LAN2 - LAN3 - LAN4 - LAN5 ルータC 宛先 転送先 LAN1 ルータB LAN2 ルータB LAN3 ルータB LAN4 - LAN5 - ルータA ルータB ルータC 受信者
34. 経路制御 LAN2 LAN1 ルータA LAN3 LAN4 ルータB LAN5 ルータC 宛先 転送先 LAN1 - LAN2 - LAN3 ルータB LAN4 ルータB LAN5 ルータB 宛先 転送先 LAN1 ルータA LAN2 - LAN3 - LAN4 - LAN5 ルータC 宛先 転送先 LAN1 ルータB LAN2 ルータB LAN3 ルータB LAN4 - LAN5 - データ LAN5宛 送信者 受信者
35. MACアドレスとIPアドレス • IPアドレス（IPv4） ◦ ネットワーク上での住所のようなもの ◦ 例：192.168.1.100 ◦ フォーマットは X.X.X.X の32bit（Xは8bitの2進数／10進だと0~255） ◦ ネットワーク層（インターネット層）の管轄 • MACアドレス ◦ ネットワークに繋がる機器を一意に識別する ◦ 機器全てに最初から書き込まれている ◦ 例：A0:B2:D5:7F:81:B3 ◦ フォーマットは X:X:X:X:X:X （Xは2桁の16進数） ◦ データリンク層（ネットワークインターフェース層）の管轄
36. なぜ機器を指すアドレスが２つもあるのか ネットワーク層（IPアドレス）は 終端ノード間 の通信を規定 データリンク層（MACアドレス）は 隣接ノード間 の通信を規定
37. ルータA ルータB IP: aa MAC: AA IP: bb MAC: BB IP: ra MAC: RA IP: rb MAC: RB PC1からPC2へパケットを送る PC1 PC2
38. ルータA ルータB IP: aa MAC: AA IP: bb MAC: BB IP: ra MAC: RA IP: rb MAC: RB PC1 PC2 データ aa → bb AA → RA データ 送信元IP→宛先IP 送信者MAC→宛先MAC ネットワーク層 データリンク層
39. ルータA ルータB IP: aa MAC: AA IP: bb MAC: BB IP: ra MAC: RA IP: rb MAC: RB PC1 PC2 データ aa → bb AA → RA データ aa → bb RA → RB データ 送信元IP→宛先IP 送信者MAC→宛先MAC データ aa → bb RB → BB ネットワーク層 データリンク層
40. まとめ ネットワークの通信はプロトコルに支えられている プロトコルは階層構造で管理されている（抽象化） ネットワーク機器にもいろいろある IPアドレスとMACアドレスはどっちも大切