Introduction 1-1

Chapter 1Computer Networksand the Internet

Computer Networking: A Top Down Approach Featuring the Internet, 2nd edition. Jim Kurose, Keith RossAddison-Wesley, July 2002.

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All material copyright 1996-2002J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved

Introduction 1-2

Chapter 1: 導入目標:ネットワークの概要把握

詳細は後で

アプローチ

説明，解説

例：インターネット

概要:インターネットとは

プロトコルとは

ネットワークエッジ

ネットワークコア

アクセス網， 物理媒体

インターネット／ＩＳＰの構造

性能評価：ロス，遅延

プロトコル階層，サービス

歴史

Introduction 1-3

Chapter 1: 内容

1.1 インターネットとは1.2 ネットワークエッジ1.3 ネットワークコア1.4 ネットワークアクセス・物理媒体1.5 インターネットの構造と ISPs1.6 パケット交換網における遅延とロス1.7 プロトコルレイヤとサービス1.8 歴史

Introduction 1-4

インターネットとは：概観

地域 ISP

企業内ネット

広域 ISP

router workstationserver

mobile

接続された多数の計算デバイス：ホスト，エンドシステム

PC，ワークステーション, サーバPDA，電話，トースタ

ネットワークアプリケーションが動作

通信リンク光ファイバ，カッパー，無線，衛星

伝送速度＝帯域

ルータ：パケット（データの塊）転送

Introduction 1-5

クールなインターネットアプリケーション

World’s smallest web serverhttp://www-ccs.cs.umass.edu/~shri/iPic.html

IP picture framehttp://www.ceiva.com/

Web-enabled toaster+weather forecaster

Introduction 1-6

インターネットとは：概観

プロトコル： メッセージの送受信を制御例，TCP, IP, HTTP, FTP, PPP

インターネット：“ネットワークのネットワーク”おおざっぱな階層構造

インターネットとイントラネット

インターネットの標準化RFC: Request for commentsIETF: Internet Engineering Task Force

地域 ISP

企業内ネット

広域 ISP

router workstationserver

mobile

Introduction 1-7

インターネットとは: サービスの視点から通信インフラは分散アプリの実行を可能にする：

Web, email, games, e-commerce, database., voting, file (MP3) sharing

アプリに提供される通信サービス:コネクションレス型

• Connectionlessコネクション指向型

• Connection-oriented

Introduction 1-8

プロトコルとは

ヒューマンプロトコル：

“今何時？”

“質問があります”

… ある特定のメッセージをなげかける

… メッセージを受け取るとある特定のアクションがとられる

ネットワークプロトコル：

人というよりマシン

インターネットにおけるすべての通信はプロトコルによって規定されている

プロトコルは，ネットワークエンティティ間で送受信されるメッセージのフォーマットや順序，メッセージ送受信時にとられるアクションを定義する

Introduction 1-9

プロトコルとは

ヒューマンプロトコルとネットワークプロトコル：

Q:他のヒューマンプロトコルは？

Hi

HiGot thetime?2:00

TCP connectionreq

TCP connectionresponseGet http://www.awl.com/kurose-ross

time

Introduction 1-10

ネットワーク構造：もう少し詳しく

ネットワークエッジ: アプリケーション，ホスト

ネットワークコア:ルータ

ネットワークのネットワーク

アクセス網，物理媒体: 通信リンク

Introduction 1-11

Chapter 1: 内容

1.1 インターネットとは1.2 ネットワークエッジ1.3 ネットワークコア1.4 ネットワークアクセス・物理媒体1.5 インターネットの構造と ISPs1.6 パケット交換網における遅延とロス1.7 プロトコルレイヤとサービス1.8 歴史

Introduction 1-12

ネットワークエッジ：

エンドシステム (ホスト):アプリケーションプログラム実行

e.g. Web, email“ネットワークの端っこで”

クライアント/サーバモデルクライアントホストはサーバに表給してサービスをうける

例：Web browser/server; email client/server

ピア・ツー・ピアモデル（P2P）サーバの使用最小（またはなし）

例： Gnutella, KaZaA

Introduction 1-13

ネットワークエッジ：コネクション指向型サービス

目標： エンドシステム間のデータ転送

ハンドシェイク： データ転送 (準備のための) セットアップヒューマンプロトコルにおける挨拶（やあ，やあ）

通信するホスト内での“状態”のセットアップ

TCP - Transmission Control Protocol インターネットにおけるコネクション指向型サービス

TCP service [RFC 793]高信頼，順序保存，バイトストリームデータ転送ロス: 受信応答（Acknowledgement）と再送

フロー制御:受信ホストの能力に合わせた送信

輻輳（ふくそう）制御:ネットワークが混雑（輻輳）すると送信速度を下げる

Introduction 1-14

ネットワークエッジ：コネクションレス型サービス

目標: エンドシステム間のデータ転送前と同じ！

UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: インターネットのコネクションレス型サービス

低信頼性データ転送

フロー制御なし

輻輳制御なし

ＴＣＰを使うアプリ：HTTP (Web), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP (email)

ＵＤＰを使うアプリstreaming media, teleconferencing, DNS, Internet telephony

Introduction 1-15

Chapter 1: 内容

1.1 インターネットとは1.2 ネットワークエッジ1.3 ネットワークコア1.4 ネットワークアクセス・物理媒体1.5 インターネットの構造と ISPs1.6 パケット交換網における遅延とロス1.7 プロトコルレイヤとサービス1.8 歴史

Introduction 1-16

ネットワークコア

相互接続されたルータ網

基本的な質問: データはネットワークをどのように転送されるのか

回線交換:呼（call）ごとの専用回線: 電話網パケット交換: データはばらばらの“かたまり”としてネットワーク内を転送される

Introduction 1-17

ネットワークコア：回線交換

“呼”に対してエンド間の資源が予約される

リンク帯域，交換能力

専用資源：非共有

回線のような (保障された) 性能呼設定が必要

Introduction 1-18

ネットワークコア：回線交換

網資源（例：帯域）を分割

分割した断片を呼に割当

割当られた呼が使用しなければ，その断片はアイドルのまま（非共有）

帯域分割

周波数分割

時分割

Introduction 1-19

回線交換: 周波数分割多重と時分割多重

周波数分割多重FDM（Frequency Division Multiplexing）

frequency

time時分割多重TDM（Time-Division Multiplexing）

frequency

time

4 usersExample:

Introduction 1-20

ネットワークコア：パケット交換

各エンド間データストリームをパケットに分割

ユーザＡ，Ｂのパケットはネットワーク資源を共有

各パケットは全リンク帯域を使用

資源は必要なときに使われる

資源競合:全資源要求が利用可能な量を超える場合がある

輻輳：パケットはキューに入りリンク使用を待つ

蓄積交換: パケットは１ホップづつ移動

リンク上を伝送

次のリンクの順番を待つ

帯域分割

帯域割当

資源予約

Introduction 1-21

パケット交換：統計多重

ＡとＢのパケット発生のパターンは異なる 統計多重

逆に，ＴＤＭでは，ホストはＴＤＭフレーム内の同一スロットを利用する．

A

B

C10 MbsEthernet

1.5 Mbs

D E

統計多重

queue of packetswaiting for output

link

Introduction 1-22

パケット交換 対 回線交換

1 Mbps（Mega bit per sec.） のリンクユーザ定義: アクティブ時：100 kbpsアクティブ状態の時間割合：10%

回線交換: 10 ユーザサポート

パケット交換: 35ユーザ：アクティブユーザ数が10を超える確率0.0004 以下で

パケット交換はより多くのユーザのネットワーク利用を可能にする！

N users1 Mbps link

Introduction 1-23

パケット交換 対 回線交換

バーストデータに対しては効果大

資源共有

簡単，呼設定不要

輻輳:パケット遅延とロス高信頼データ転送や輻輳制御のためのプロトコル

Q:回線交換のようなサービスをどのように提供するか？音声/映像アプリに対して必要な帯域保証未解決の問題 (６章)

パケット交換は圧倒的な勝者か？

Introduction 1-24

パケット交換：蓄積転送

伝送遅延：L/R 秒L bits のパケットを R bps のリンクに送出（押し出す）するのに要する遅延

パケット全体がルータに到着してから次リンクに転送される： 蓄積転送（store and forward）エンド間の遅延＝3L/R

例：

リンク段数 = 3L = 7.5 MbitsR = 1.5 Mbpsdelay = 15 sec

R R RL

Introduction 1-25

パケット交換：メッセージ分割

メッセージを5000パケットに分割

パケット長：1,500 bitsパケット送信時間：1 msecパイプライニング： 各リンクが並列動作！

遅延時間：15秒から5.002秒に

Introduction 1-26

パケット交換ネットワーク：転送

目的： パケットをルータを介して送信ホストから終点ホスト

まで運ぶ経路選択（ルーティング）アルゴリズム(chapter 4)

データグラム（DG: datagram）ネットワーク:パケット内の終点アドレスにしたがって次ホップを決定

セッションの間に経路が変わる可能性

類似： 道を訊きながらのドライブ

バーチャルサーキット（VC: virtual circuit）ネットワーク:各パケットはタグ (virtual circuit ID)を含んでおり，タグによって次ホップが決定される

呼設定時に経路が決定され，その呼の間は固定される．

ルータは呼ごとの状態を保持

Introduction 1-27

ネットワークの分類

情報通信ネットワーク

回線交換ネットワーク

ＦＤＭ ＴＤＭ

パケット交換ネットワーク

ＶＣネットワーク

ＤＧネットワーク

•ＤＧネットワークはコネクション指向型やコネクションレス型のどちらかに限定されるわけではない．•インターネットは， コネクション指向型サービス（ＴＣＰ） とコネクションレス型サービス（ＵＤＰ）をアプリケーションに提供する．

Introduction 1-28

Chapter 1: 内容

1.1 インターネットとは1.2 ネットワークエッジ1.3 ネットワークコア1.4 ネットワークアクセス・物理媒体1.5 インターネットの構造と ISPs1.6 パケット交換網における遅延とロス1.7 プロトコルレイヤとサービス1.8 歴史

Introduction 1-29

アクセスネットワークと物理媒体

Q: エンドシステムをエッジルータにどのように接続するか？

ホームアクセスネットワーク

組織アクセスネットワーク (学校，企業)モバイルアクセスネットワーク

注意事項：

アクセスネットワークの帯域（bits per second）共有か専用か

Introduction 1-30

ホームアクセス：ポイント・ツー・ポイントアクセス

ダイアルアップ接続

ルータまで 56Kbps まででの直接アクセス

同時に電話とネットサーフィンはできない：“常時接続”ではない

ADSL（asymmetric digital subscriber line）接続上り最大 1 Mbps (実際は < 256 kbps) （3 Mbps）下り最大 8 Mbps (実際は < 1 Mbps) （50 Mbps）FDM: 50 kHz - 1 MHz 下り用

4 kHz - 50 kHz 上り用0 kHz - 4 kHz 電話用

Introduction 1-31

ホームアクセス：ケーブルモデム

HFC: hybrid fiber coax非対称：最大 10Mbps 上り， 1 Mbps 下り

家庭はケーブル，ファイバからなるネットワークによりISP ルータに接続される伝送路はユーザで共用

問題： 輻輳，システム設計

展開： ケーブルネットワーク会社を介して利用可能，例：Comcast

Introduction 1-32

ホームネットワーク：ケーブルモデム

Diagram: http://www.cabledatacomnews.com/cmic/diagram.html

Introduction 1-33

ケーブルネットワークアーキテクチャ：概要

home

cable headend

cable distributionnetwork (simplified)

Typically 500 to 5,000 homes

Introduction 1-34

ケーブルネットワークアーキテクチャ：概要

home

cable headend

cable distributionnetwork (simplified)

Introduction 1-35

ケーブルネットワークアーキテクチャ：概要

home

cable headend

cable distributionnetwork

server(s)

Introduction 1-36

ケーブルネットワークアーキテクチャ：概要

home

cable headend

cable distributionnetwork

Channels

VIDEO

VIDEO

VIDEO

VIDEO

VIDEO

VIDEO

DATA

DATA

CONTROL

1 2 3 4 5 6 7 8 9

FDM:

Introduction 1-37

企業アクセス： LAN（Local Area Network）

企業/大学 ローカルエリアネットワーク (LAN) エンドシステムをエッジルータに接続

イーサーネット（Ethernet）:共有または専用ケーブルでエンドシステムとルータを接続

10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet

展開： 組織，ホームＬＡＮが増

加中

LANs: ５章Introduction 1-38

無線アクセスネットワーク

共有無線アクセスネットワークによりエンドシステムをルータに接続アクセスポイントであるベースステーションを介して

無線 LANs:802.11b (WiFi): 11 Mbps

広域無線アクセス通信会社によって提供

第３世代 ~ 384 kbpsヨーロッパ

• WAP: Wireless Application Protocol• GPRS: General Packet Radio Service

– 標準で56kbps，最高で115kbps

basestation

mobilehosts

router

Introduction 1-39

ホームネットワーク

典型的ホームネットワークの構成要素: ADSL またはケーブルモデムルータ/ファイアウォール/NAT（Network Address Translation）Ethernet無線アクセスポイント

wirelessaccess point

wirelesslaptops

router/firewall

cablemodem

to/fromcable

headend

Ethernet(switched)

Introduction 1-40

物理媒体

ビットは送受信機間を伝播する

物理リンクは送受信機間に存在する

導波媒体：

信号は固体媒体（銅線，光ファイバ，同軸）中を伝播する

非導波媒体：

信号は自由に伝播する．例：無線

より対線（TP: Twisted Pair）絶縁された2本の銅線カテゴリ３:電話線, 10 Mbps Ethernetカテゴリ５ＴＰ: 100Mbps Ethernet

Introduction 1-41

物理媒体：同軸，光ファイバ

同軸ケーブル：

芯線と外線を絶縁体で分離

双方向

ベースバンド：１チャンネルのみ（変調なし）

古い Ethernet

ブロードバンド：複数チャネル（変調あり）

HFC

光ファイバケーブル：

光パルスを運ぶグラスファイバ，各ビットを光パルスで表現

高速動作:高速ポイント・ツー・ポイント接続(e.g., 5 Gps)

低誤り率リピータ間距離大

電磁ノイズへの耐性

Introduction 1-42

物理媒体：無線

信号は電磁波スペクトラムとして運ばれる

物理的線はない

双方向

電波伝搬環境の影響:反射

物体による遮蔽

干渉

無線リンクの種類:地上マイクロ波例： 最大 45 Mbps channels

LAN (e.g., WaveLAN)2Mbps, 11Mbps

wide-area (e.g., cellular)e.g. 3G: hundreds of kbps

衛星最大 50Mbps channel (or multiple smaller channels)270 msec エンド間遅延静止衛星 対 低軌道衛星

Introduction 1-43

Chapter 1: 内容

1.1 インターネットとは1.2 ネットワークエッジ1.3 ネットワークコア1.4 ネットワークアクセス・物理媒体1.5 インターネットの構造と ISPs1.6 パケット交換網における遅延とロス1.7 プロトコルレイヤとサービス1.8 歴史

Introduction 1-44

インターネットの構造: ネットワークのネットワーク

おおざっぱな階層構造

中央: “tier-1” ISPs（国際 ISPs） (e.g., UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T), 国／国際間をカバーインターネットのバックボーン

互いを同等に扱う

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier-1 providers interconnect (peer) privately相互接続点

NAP

Tier-1 providers also interconnect at public network access points (NAPs)複数ＩＳＰを接続

Introduction 1-45

Tier-1 ISP: e.g., SprintSprint US backbone network

Introduction 1-46

インターネットの構造：ネットワークのネットワーク

“Tier-2” ISPs: より小さな(広域) ISPs１つ以上のtier-1 ISPsに接続，他のtier-2 ISPs にも接続可能

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

NAP

Tier-2 ISPTier-2 ISP

Tier-2 ISP Tier-2 ISP

Tier-2 ISP

Tier-2 ISP pays tier-1 ISP for connectivity to rest of Internet

tier-2 ISPはtier-1 ISP の顧客

Tier-2 ISPs also peer privately with each other, interconnect at NAP

Introduction 1-47

インターネットの構造：ネットワークのネットワーク

“Tier-3” ISPs and 地域 ISPs （エンドシステムに最も近い） 最終ホップ（“アクセス”）ネットワーク

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

NAP

Tier-2 ISPTier-2 ISP

Tier-2 ISP Tier-2 ISP

Tier-2 ISP

localISPlocalISP

localISP

localISP

localISP Tier 3

ISP

localISP

localISP

localISP

Local and tier-3 ISPs は，自分たちを他のインターネットに接続してくれるより上位のtier ISPsの顧客

Introduction 1-48

インターネットの構造：ネットワークのネットワーク

パケットは複数のネットワークを通る！

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

NAP

Tier-2 ISPTier-2 ISP

Tier-2 ISP Tier-2 ISP

Tier-2 ISP

localISPlocalISP

localISP

localISP

localISP Tier 3

ISP

localISP

localISP

localISP

Introduction 1-49

Chapter 1: 内容

1.1 インターネットとは1.2 ネットワークエッジ1.3 ネットワークコア1.4 ネットワークアクセス・物理媒体1.5 インターネットの構造と ISPs1.6 パケット交換網における遅延とロス1.7 プロトコルレイヤとサービス1.8 歴史

Introduction 1-50

ロスは遅延はどうして生じるのか？

パケットはルータバッファのキューに入る

リンクへのパケット到着速度が出力リンクの容量を超える

パケットはキューに入り，順番を待つ

A

B

パケットの伝送 (遅延)

パケットの待ち行列 (遅延)空き（利用可能な）バッファ：空きバッファがなければ到着パケットが落ちる（廃棄）

Introduction 1-51

パケット遅延の４つの原因

1. ノード処理遅延:ビットエラーチェック

出力リンクの決定

A

B

伝播

伝送

ノード処理遅延 待ち行列

2. 待ち行列遅延伝送のために出力リンクで待っている遅延

ルータの輻輳（混雑）の度合いに依存

Introduction 1-52

パケット交換網内での遅延

3. 伝送遅延:R=リンク帯域 (bps)L=パケット長 (bits)パケットをリンクに送り込むための時間 = L/R

4. 伝播遅延:d = 物理リンクの長さs = 媒体中の伝播速度(~2x108 m/sec)伝播遅延 = d/s

A

B

伝播

伝送

ノード処理遅延 待ち行列遅延

Note: s と R はまったく異なる値

Introduction 1-53

キャラバンとの類似

車が 100 km/hr で“伝播”料金書では１台あたり 12 秒（伝送遅延）かかる

車～ビット; 車列 ~ パケットQ: キャラバンが第2料金所の前に並ぶまでに要する時間はいくらか？

キャラバン全体が料金所を通過するのに要する時間= 12*10 = 120 sec最後の車が第１料金所から第２料金所に伝播するのに要する時間 =100km/(100km/hr)=1 hrA: 62 minutes

料金所料金所10台の車列

100 km 100 km

Introduction 1-54

キャラバンとの類似（続き）

車が1000 km/hrで伝播するとする

料金所では１台あたり1分かかるとする

Q:第１料金所を全ての車が通過する前に，第２料金所に何台かの車が到着するか？

Yes! 7分後, １台目が第２料金所に到着時，3台の車がまだ第１料金所にいる.パケット全体がルータから送信される前に，パケットの先頭ビットが次のルータに到着する！

Addison Wesley のWeb サイト（http://www.aw-bc.com/kurose-ross/）にあるEthernet applet参照

toll booth

toll booth

ten-car caravan

100 km 100 km

Introduction 1-55

ノード遅延

dproc = 処理遅延通常数マイクロ秒以下

dqueue = 待ち行列遅延輻輳状態に依存

dtrans = 伝送遅延= L/R, 低速度リンクでは顕著

dprop = 伝播遅延数マイクロ秒から数百ミリ秒

proptransqueueprocnodal ddddd +++=

Introduction 1-56

待ち行列遅延（再考）

R=リンク帯域 (bps)L=パケット長 (bits)a=平均パケット到着率（単位時間あたりの到着個数）

トラヒック強度 = La/R

La/R ~ 0: 平均待ち行列遅延小La/R -> 1: 平均待ち行列遅延増加La/R > 1: 処理能力以上のパケットが到着，

平均遅延無限大！

Introduction 1-57

実インターネットでの遅延と経路

実際のインターネットではロスや遅延はどのような感じか？

Traceroute プログラム は，送信ホストから，終点ホストへのインターネットエンド間パス上のルータまでの遅延を計測する．全ての i に対し終点ホストに向う経路上のルータ i に到達するはずの３つのパケットを送信する

ルータ iは，送信ホストにパケットを返信する送信ホストは送信と返信の間の時間を計測する

3 probes

3 probes

3 probes

Introduction 1-58

実インターネットでの遅延と経路

1 cs-gw (128.119.240.254) 1 ms 1 ms 2 ms2 border1-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu (128.119.3.145) 1 ms 1 ms 2 ms3 cht-vbns.gw.umass.edu (128.119.3.130) 6 ms 5 ms 5 ms4 jn1-at1-0-0-19.wor.vbns.net (204.147.132.129) 16 ms 11 ms 13 ms 5 jn1-so7-0-0-0.wae.vbns.net (204.147.136.136) 21 ms 18 ms 18 ms 6 abilene-vbns.abilene.ucaid.edu (198.32.11.9) 22 ms 18 ms 22 ms7 nycm-wash.abilene.ucaid.edu (198.32.8.46) 22 ms 22 ms 22 ms8 62.40.103.253 (62.40.103.253) 104 ms 109 ms 106 ms9 de2-1.de1.de.geant.net (62.40.96.129) 109 ms 102 ms 104 ms10 de.fr1.fr.geant.net (62.40.96.50) 113 ms 121 ms 114 ms11 renater-gw.fr1.fr.geant.net (62.40.103.54) 112 ms 114 ms 112 ms12 nio-n2.cssi.renater.fr (193.51.206.13) 111 ms 114 ms 116 ms13 nice.cssi.renater.fr (195.220.98.102) 123 ms 125 ms 124 ms14 r3t2-nice.cssi.renater.fr (195.220.98.110) 126 ms 126 ms 124 ms15 eurecom-valbonne.r3t2.ft.net (193.48.50.54) 135 ms 128 ms 133 ms16 194.214.211.25 (194.214.211.25) 126 ms 128 ms 126 ms17 * * *18 * * *19 fantasia.eurecom.fr (193.55.113.142) 132 ms 128 ms 136 ms

traceroute: gaia.cs.umass.edu to www.eurecom.frThree delay measurements from gaia.cs.umass.edu to cs-gw.cs.umass.edu

* means no response (probe lost, router not replying)

trans-oceaniclink

Introduction 1-59

パケットロス

リンクの前にある待ち行列（バッファ） の容量は有限

一杯のキューに到着したパケットは落ちる（ロス）

廃棄されたパケットは，

前段のノードまたは送信ホストによって再送，または

まったく再送されない

Introduction 1-60

Chapter 1: 内容

1.1 インターネットとは1.2 ネットワークエッジ1.3 ネットワークコア1.4 ネットワークアクセス・物理媒体1.5 インターネットの構造と ISPs1.6 パケット交換網における遅延とロス1.7 プロトコルレイヤとサービス1.8 歴史

Introduction 1-61

プロトコルレイヤ

ネットワークは複雑！

多くのものから構成

ホスト

ルータ

多様な媒体のリンク

アプリケーション

プロトコル

ハードウェア，ソフトウェア

質問

ネットワークを構造化することは可能だろうか？

あるいはネットワークを見通しよく議論する方法は？

Introduction 1-62

飛行機旅行の構成

いくつかのステップからなる

発券カウンタ (購入)

手荷物(預け入れ)

搭乗ゲート (出発)

滑走路 (離陸)

航空ルート

発券カウンタ (苦情)

手荷物 (受け取り)

搭乗ゲート (到着)

滑走路 (着陸)

航空ルート

航空ルート運行

Introduction 1-63

飛行機旅行の構成：別の見方

階層（Layers）: 各層は以下の2項目により，ある種のサービスを提供している

各層内で決められた操作や機能

すぐ下の層のサービスを利用

発券カウンタ (購入)

手荷物 (預け入れ)

搭乗ゲート (出発)

滑走路 (離陸)

航空ルート

発券カウンタ (苦情)

手荷物 (受け取り)

搭乗ゲート (到着)

滑走路 (着陸)

航空ルート

航空ルート運行

Introduction 1-64

階層化された飛行機旅行：サービス

カウンタ間の人と手荷物の配送

手荷物受け取り所間での手荷物の配送

人の移動：搭乗ゲートから到着ゲート

滑走路間の飛行機の移動

出発地から目的地までの航空ルート運行

Introduction 1-65

階層機能の分散実装

出発空港

到着空港

途中の飛行管制区域

航空ルート運行

発券カウンタ (購入)

手荷物 (預け入れ)

搭乗ゲート (出発)

滑走路 (離陸)

航空ルート

発券カウンタ (苦情)

手荷物 (受け取り)

搭乗ゲート (到着)

滑走路 (着陸)

航空ルート

航空ルート運行

航空ルート運行Introduction 1-66

なぜ階層化するのか

複雑なシステムの取り扱い:明確な構造は，複雑なシステムの構成要素の特定と関係の明確化を可能にする．

議論のための階層化layered 参照モデルモジュール化は，システムのメンテナンスや更新を容易にする．

レイヤ実装の変化は，他のレイヤに透過的（影響なし）

例，ゲート手続きの変更は他に影響しない

階層化が害になるだろうか？

Introduction 1-67

Internet protocol stackアプリケーション層: ネットワークアプリケーションをサポート

FTP, SMTP, STTPトランスポート層: エンドホスト（アプリケーション）間データ転送

TCP, UDPネットワーク層:送信ホストから終点ホストまでのデータグラム配送

IP, routing protocols（データ）リンク層:隣接ネットワーク要素間のデータ転送

PPP, Ethernet物理層:媒体上でのビット転送

アプリケーション

トランスポート

ネットワーク

リンク

物理

Introduction 1-68

階層化：論理的通信

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical application

transportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

networklink

physical

各層：

分散化

“エンティティ”は，ノードにおける各層の機能を実装

エンティティは，動作し，ピアとメッセージを交換

Introduction 1-69

階層化：論理的通信

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical application

transportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

networklink

physical

data

data例：トランスポートアプリからデータを受け取る

アドレスと信頼性検査情報を追加し，セグメントを構成

セグメントをピアに送信

ピアからの受信応答を待つ

類似性：郵便配達

data

transport

transport

ack

Introduction 1-70

階層化：物理的通信

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

networklink

physical

data

data

Introduction 1-71

プロトコル階層とデータ

各層は上位層からデータを受け取り

ヘッダ情報を追加して新しいデータユニットを構成し，

新しいデータユニットを下位層に渡す

applicationtransportnetwork

linkphysical

applicationtransportnetwork

linkphysical

送信ホスト 終点ホスト

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メッセージ

セグメント

データグラム

フレーム

Introduction 1-72

Chapter 1: 内容

1.1 インターネットとは1.2 ネットワークエッジ1.3 ネットワークコア1.4 ネットワークアクセス・物理媒体1.5 インターネットの構造と ISPs1.6 パケット交換網における遅延とロス1.7 プロトコルレイヤとサービス1.8 歴史

Introduction 1-73

Internet History

1961: Kleinrock – 待ち行列理論によりパケット交換の有効性を示す

1964: Baran –軍事網におけるパケット交換

1967: Advanced Research Projects Agency によるARPAnet構想1969: 初の ARPAnet ノード稼動

1972:ARPAnet 公開NCP (Network Control Protocol) 初のホスト間プロトコル

最初の電子メールプログラム

ARPAnet 15ノードに

1961-1972: 初期のパケット交換原理

Introduction 1-74

Internet History

1970: ALOHAnet ハワイでの衛星ネットワーク

1973: Metcalfe の博士論文Ethernet を提案1974: Cerf and Kahn – ネットワーク相互接続のためのアーキテクチャ

70年代後半: 独自アーキテクチャ: DECnet, SNA, XNA70年代後半: 固定長パケット交換(ATM の前身)1979: ARPAnet 200 ノードに

Cerf and Kahn の相互接続原理:最小主義，自律主義 – 総合接続のためにいかなる内部変更も必要としない

ベストエフォートサービスモデル

ステートレスルータ

分散制御

今日のインターネットアーキテクチャを定義

1972-1980: 相互接続，新しいメーカ独自のネットワーク

Introduction 1-75

Internet History

1983: TCP/IPの配布1982: SMTP 電子メールプロトコルの規定

1983:名前 - ＩＰアドレス変換のためのDNS の規定

1985: FTP プロトコルの規定

1988: TCP 輻輳制御

新しい国内ネットワーク: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel100,000 ホストがネットワークに接続

1980-1990: 新しいプロトコルとネットワークの急激な発展

Introduction 1-76

Internet History

1990年代初め: ARPAnet 役割終了1991: NSFがNSFnetを商用利用に開放 (1995役割終了)1990年代初め: Web

hypertext [Bush 1945, Nelson 1960’s]HTML, HTTP: Berners-Lee1994: Mosaic, 後の Netscape1990年代後半: Web商用利用

1990年代後半 – 2000年代:キラーアプリ: インスタントメッセージ, Ｐ２Ｐファイル共有 (e.g., Napster)network security to forefront推定 5000千万のホスト, 10億以上のユーザGbps のバックボーンリンク

1990, 2000’s: 商用化，Ｗｅｂ，新しいアプリケーション

Introduction 1-77

導入： まとめ

多くの内容をカバー

インターネットの概観

プロトコルとは？

ネットワークエッジ，コア，アクセスネットワーク

パケット交換 対 回線交換

インターネット/ISP 構成性能：ロス，遅延

階層化，サービスモデル

歴史

得られたもの:ネットワーキングの状況，概観，感覚

より深く，詳細な内容は後の講義で