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インターネット構成法

インターネット構成法. 第二回　リンクレイヤ技術 2002/10/7 担当：村井　純. End-End とリンク. インターネットは End- End での通信 あるコンピュータ同士が通信する時、途中経路には様々なデータリンクが存在する. End ノード. End ノード. ルータ. ルータ. ルータ. 光ファイバ. 無線. Ethernet. ADSL. IP で抽象化したネットワークと データリンクで抽象化したネットワーク. リンクレイヤ. リンク インターネットの途中経路一つ一つ Ethernet, ADSL, WDM 、無線、衛星など

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インターネット構成法

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  1. インターネット構成法 第二回　リンクレイヤ技術 2002/10/7 担当：村井　純

  2. End-Endとリンク • インターネットはEnd- Endでの通信 • あるコンピュータ同士が通信する時、途中経路には様々なデータリンクが存在する End ノード End ノード ルータ ルータ ルータ 光ファイバ 無線 Ethernet ADSL

  3. IPで抽象化したネットワークとデータリンクで抽象化したネットワークIPで抽象化したネットワークとデータリンクで抽象化したネットワーク

  4. リンクレイヤ • リンク • インターネットの途中経路一つ一つ • Ethernet, ADSL, WDM、無線、衛星など • リンクとは、論理的に一つの伝送媒体 • 基本は一つの伝送媒体で一つのリンク • 複数の伝送媒体を組み合せて、一つのリンクを形成する場合もある • 各リンクはそれぞれ性質が異なる • 規格、伝送媒体、信頼性、遅延

  5. P2Pリンク と Sharedリンク Point-to-Point リンク(P2Pリンク) リンクの両側に端末が接続 わたしとあなた(通信相手を特定する必要がない) Ex. PPP接続 Point-to-Point Link

  6. Shared Link 一つのリンクに複数の端末が接続 通信相手を特定するため、データリンクアドレスが必要 Ex. イーサネット

  7. CSMA/CD • 送波感知多重アクセス/衝突検出方式 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) • Ethernetが採用 • 1本のケーブルを複数のノードが共有し、Multiple Accessを実現 • Carrier Sense • データを送信したいノード(機器)はケーブルの通信状況を監視し、ケーブルが空くと送信を開始 • Collision Detection • もし複数のノードが同時に送信を開始するとケーブル内でデータが衝突して壊れる • 送信を中止しランダムな時間待って送信を再開

  8. MACアドレス(1/2) • ネットワークに接続された機器ごとに付与されたアドレス（物理アドレス） • NICに埋め込まれている • MACアドレスは世界中でユニーク MAC Addr 00:2d:1a:41:01:42 MAC Addr 19:c7:12:31:0a:11 MAC Addr e1:dd:91:a1:63:12

  9. 10111101 01110101 11001111 01011111 01000101 01111010 MACアドレス(2/2) [EUI-48] ベンダーによる割り当て OUI • OUI (organizationally unique identifier) : ベンダーコード • ベンダーに割り当てられる固定値 • 1つのベンダーは複数のOUIを取得できる • G/I • グループアドレスかどうか • ブロードキャストアドレス　すべての bit が 1 • G/L • 0 : IEEEによって割り当てられたアドレス • 1 : 自由に使用できるアドレス 第1オクテット 第2オクテット 第3オクテット 第4オクテット 第5オクテット 第6オクテット G/I（グループ/個体）bit G/L（グローバル/ローカル）bit

  10. EUI-48 と EUI-64 • EUI-64 • 将来のアプリケーション、48bit MACアドレス（EUI-48）の不足などに対するEUI-48の拡張 • 64 bit • OUIは3byteのまま • OUIは3byteで足りるか？ • ベンダ割り当て部分が不足したらベンダは別のOUIを取得すればいい

  11. NIC • Network Interface Card • ネットワークへの接続性を提供する機器 • 各NICは、固有のMACアドレスを持つ →各伝送媒体上での識別子 • NICにはIPアドレスもついている 何故、MACアドレスとIPアドレス両方が必要か？ 複数の３層プロトコルを、同一リンク上で利用するため

  12. IPv4 203.178.142.131 IPv6 3ffe:501:100c:d120:a00:20ff:fe80:41bf IPX NetBEUI Ethernet 08:00:20:80:41:bf データリンクアドレス解決 • データリンクアドレスの機能と、ネットワークアドレスの機能が分離  • 複数の第3層のプロトコルを同じリンクで利用可能 Network Data link

  13. アドレス解決の方法(1/4) • ARP • Address Resolution Protocol • IPアドレスから物理アドレスを求めるためのプロトコル • IEEE802.3(Ethernet), 802.5(token ring), 802.11(Wireless) • ARPキャッシュ 32-bit IPアドレス RARP ARP 48-bit MACアドレス

  14. IPアドレスA FTP TCP IPアドレスAに 接続したい (1) ARPリクエスト （Ethernet Broadcast） TCP IP ARP (6) (2) Ethernet driver ARP IP (4) (3) (5) Ethernet driver Ethernet driver ARP アドレス解決の方法(2/4)ARP Operation

  15. FTP TCP TCP IP ARP Ethernet driver IP ARP (7) Ethernet driver Ethernet driver (8) ARP アドレス解決の方法(3/4)ARP Operation(cont.)

  16. アドレス解決の方法(4/4) • 計算する • IPマルチキャストアドレスからMACマルチキャストアドレスへの変換 • 例: • IPv4マルチキャストアドレス - 224.0.0.5 • マルチキャストMACアドレス - 01-00-5E-00-00-05 • 最初の01-00-5EはIEEEがマルチキャスト用に予約 • IPv6のときは? • 下位64BitがMACアドレス • 例: • IPv6アドレス - 3ffe:501:100c:d120:a00:20ff:fe80:41bf • MACアドレス - 08:00:20:80:41:bf

  17. HUB リピータ・ハブ • 全てのトラフィックが伝搬する • 電気的に信号を増幅し伝播 • Ethernetフレームがブロードキャストされる • 衝突する可能性が高まる

  18. アプリケーション層 アプリケーション層 プレゼンテーション層 プレゼンテーション層 セッション層 セッション層 トランスポート層 トランスポート層 ネットワーク層 ネットワーク層 データリンク層 データリンク層 物理層 物理層 OSI参照モデルとリピータ・ハブ 物理層 電気的に増幅

  19. スイッチ(1/2) • Ethernetフレームを 必要なポートにだけ伝播 Switch 1 2 3 4 5 00:D0:59:92:11:02 00:D0:59:98:76:54 00:D0:59:00:12:34 00:D0:59:83:AB:CD 00:D0:59:01:02:03

  20. スイッチ(2/2) • MACアドレステーブルを保持 • ポート毎にMACアドレスを登録 • 宛先のMACアドレスが登録されてない場合 • 全てのポートに転送 • 該当するノードが返答 • テーブルを更新 • 必要のない転送は行わない

  21. アプリケーション層 アプリケーション層 プレゼンテーション層 プレゼンテーション層 セッション層 セッション層 トランスポート層 トランスポート層 ネットワーク層 ネットワーク層 データリンク層 データリンク層 データリンク層 物理層 物理層 物理層 OSI参照モデルとスイッチ MACアドレスで判断

  22. トポロジ • トポロジって何? • Topology: 位相幾何学・地形学 • ネットワークのレイアウト • 代表的なトポロジ • Common Bus Topology • Star Topology • Ring Topology • Mesh Topology • Tree Topology

  23. バス型トポロジ Common Bus Topology • ノードが線上に接続されているトポロジ • 両端に終端抵抗(Terminator)が必要 • 終端抵抗：信号を吸収 • 衝突検出のアルゴリズムが必要 backbone cable

  24. バス型のメリットとデメリット • メリット • 必要なケーブル長が短い • 一つのノードが落ちても通信は維持できる • デメリット • バックボーンケーブルに障害が発生した場合、ネットワーク全体がダウン • 障害箇所の特定が困難 • 大きなネットワークを構成するのが困難

  25. スター型トポロジ Star Topology • 各ノードは中央の機器から放射状に接続される • Point-to-Pointで接続

  26. スター型のメリットとデメリット • メリット • 設計と導入が容易 • ノードの追加・削除が容易 • 障害箇所の特定が容易 • ネットワーク拡張が容易 • デメリット • ケーブルがたくさん必要 • 中央の機器が壊れたら全く通信が出来ない

  27. リング型トポロジ Ring Topology • MAN(Metropolitan Area Network)のコアで利用 • 以前はFDDI, Token Ring等で利用された

  28. メッシュ型トポロジ Mesh Topology 多くのリンクが必要 トポロジ的に信頼性が高い 信頼性が低いメディアで利用

  29. ツリー型トポロジ Tree Topology • 広範囲なネットワークを形成 • あるリンクが切れると、木が分割されてしまう →冗長化が必要

  30. 物理トポロジと論理トポロジ • 物理トポロジ • ケーブリングなどの物理的な配線を表したもの • 論理トポロジ • スイッチの機能などにより、論理的に構成されたもの • 例:100Base-TX • 物理トポロジ：　(拡張)スター型トポロジ • 論理トポロジ：　バス型トポロジ

  31. 多様なメディアの性質 • ネットワークを物理的に構成するメディアの性質を知り、上位層の要求に応じてメディアを選択 • メディアの持つ性質の切り分け • 伝送遅延 • 信頼性(エラーレート、冗長性、稼働率) • 帯域幅 • コスト(インストールコスト、ランニングコスト) • メディアを収容する機器による影響

  32. メディアの伝送遅延 • 伝送距離、物理媒体によって異なる • 衛星回線の遅延はおよそ250ms • 電波の速度は300000km/s ≒ 光速 • 基地局から送信された電波は、赤道上約36,000km上空の衛星を経由して地上に戻る • 光ファイバの遅延 • 地球を1周(およそ40,000km)する長いファイバがあれば、両端の伝送遅延(D)は D = 40000(km) / 300000(km/s) D = 133ms

  33. メディアの信頼性 • エラーレート • BER･･･ビットあたりのエラーの割合 • 電話回線･･･BER：10^-5 • 電灯線(ECHONET)･･･BER：10^-3 • 1000Base-X(IEEE 802.3z)･･･BER：10^-12 • 冗長性 • 障害が発生したときに、バックアップの通信路に切り替え、Down Timeをどれだけ短くできるか • 形成するトポロジと密接に関係

  34. メディアの稼働率(Availability) • 一定期間において、そのうちシステムがどの程度の割合で正常稼働しているかを示す数値 • MTTF･･･システムの平均故障期間 • Mean Time To Failure • MTTR･･･停止状態になったシステムを稼働状態に復旧するまでにかかる時間 • Mean Time To Recovery • 稼働率 = MTTF / (MTTF + MTTR)

  35. メディアの帯域幅 • 伝送媒体、多重化の仕方などにより異なる • 携帯電話･･･9600bps • 無線LAN (IEEE 802.11b)･･･11Mbps • より高い周波数帯を使えば広帯域化できるが、電波資源は有限 • 光ファイバ + WDM･･･数10Gbps~

  36. 多重方式の例 • TDMA･･･時分割多重アクセス • 共用回線を使用する時間を等分し、複数の回線に順番に割り当てる • FDMA･･･周波数分割多重アクセス • 共用回線の周波数帯域を等分して複数の回線に割り当て、合成波として送受信する • WDM･･･波長分割多重 • 波長の異なる信号は互いに干渉しない • 波長の違う複数の信号を同時に利用することで、ファイバを多重利用する

  37. メディアのコスト • 衛星回線 • インストールコストもランニングコストも高い • SFCにあるC-band地球局にはどれだけのコストがかかっているか • 無線LAN • インストールコストもランニングコストも低い • 光ファイバ • 導入形態によって異なる • 専用線、ATM、Frame Relay、etc...

  38. メディアを収容する機器内での影響 • 遅延や減衰、データの破損 • メディアを交換・中継するスイッチによる影響 • エンコード、デコード、その他の処理による影響 • 電気機器が持つノイズなどによる影響

  39. 遅延 • RTT(Round Trip Time) • パケットが帰ってくるまでの往復時間 • ネットワーク機器と遅延 • ハードウェア処理:遅延小 • ソフトウェア処理:遅延大 ソフトウェア処理ハードウェア処理 ソフトウェア処理ハードウェア処理 ハードウェア処理 ハードウェア処理

  40. アプリケーション層 プレゼンテーション層 セッション層 トランスポート層 ネットワーク層 データリンク層 物理層 様々な遅延を発生させる要因 • アプリケーションの仕様 • WMTのトラフィックは、フラグメントされたパケットがたくさん流れる • アプリケーションで余計な処理をする設計になっていないか • 中間ネットワークの状態 • ルータのパケット処理性能は十分か • データリンクそのものの遅延は十分か • NICの処理性能は十分か • 帯域は十分に広いか

  41. Switching Interface ルータのアーキテクチャ例 Routing Engine (Software) Routing Processor (Hardware) Routing Processor (Hardware) Network Interface Network Interface

  42. 遅延の低減 • Packet Forwarding処理のハードウェア化 • ASIC(Application Specific Integrated Circuit) =特定用途向けIC • Packet Forwardingや暗号化処理に特化 • 大量のパケットの高速処理が可能 • L3スイッチ / 最近のルータの一部に搭載 • λスイッチング • 光の波長のままスイッチング • IPを電子に変換するオーバーヘッドを回避

  43. (1) 　超高速フォトニックネットワーク技術 －その１　全体像－ 　現在の光通信　 フォトニックネットワーク 　通信網の中継点や分岐点等において、電気信号に変換して処理。 　通信網の端から端まで全てにおいて、情報を電気を介さず光のままで伝送。 光信号 電気信号 光信号 光信号 超高速化 光ファイバ 光→電気変換 電気→光変換 光処理…光速で伝送・処理を行うため、数Ｔｂｐｓ以上も可能。 電気的処理…半導体など電子デバイス内での電子の移動速度に限界があるため、４０Ｇｂｐｓ程度が限界。 フォトニックネットワークの構成に必要な主要技術 （１）超高密度ＷＤＭ（波長分割多重）技術　 研究開発目標： 　２００５年までに１０Ｔｂｐｓ級の 　超高速インターネットを実現　 （２）超高速ＴＤＭ（光時分割多重）技術　 （３）光ルータ技術　 フォトニックネットワーク（Photonic network）：端末から端末までの間の中継、増幅、交換、処理など全てのプロセスを光信号のままで行うネットワークで、全光化ネット 　　　　　　　　　　　　　　　　ワークともいう。現在の光ファイバー通信が「光通信」と呼ばれてきたため、これとの混同を避けるため「フォトニックネットワーク」と呼ばれる。 ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing ＴＤＭ：Time Division Multiplexing 7

  44. (1)　超高速フォトニックネットワーク技術 －その２　超高速バックボーン技術－ 現在の光通信 デジタル信号 10Gbps １波長のみ 　１０Gbps/光ファイバ　 ０１１０１０ ０１１０１０ 光ファイバ （０、１のデジタル信号を光の点滅に変換） Ａ．超高速ＴＤＭ（時分割多重）通信 Ｂ．超高密度ＷＤＭ（波長分割多重）通信 　いくつものチャンネルの信号を、信号のパルス幅を極めて短くして１つの 波長に多重して送る。 いくつものチャンネルの信号を別々の波長に乗せて１本のファイバを通す。 10Gbps 10Gbps 光の波の重ね合わせ（合波） 光の波の分解（分波） ch. 1 ch. 1 波長１ 波長２ ch. 2 ch. 2 波長３ 波長ｍ ch. 3 ch. 3 １６ｃｈ．を時分割多重すると、 １６０Ｇｂｐｓを実現 光ファイバ ch. n １０Gbps×ｎ（＝１６）ch.　＝　１６０Gbps/波 ch. m n=16 １０００波を波長分割多重すると １０Ｔｂｐｓを実現 m=1000 さらに、６４波を波長分割多重すると、 １０Ｔｂｐｓを実現 １６０Ｇｂｐｓ/波　　×６４波　　＝　　１０Ｔｂｐｓ/光ファイバ １０Ｇｂｐｓ　　×１０００波　　＝　　１０Ｔｂｐｓ/光ファイバ 技術課題： 　極短パルス発生技術、超高密度光キャリア発生技術　等 技術課題： 　超広帯域光増幅技術、可変波長変換アレー技術　等 8

  45. (1)　超高速フォトニックネットワーク技術 －その３　超高速光ルータ技術－ 現在のルータ 光→電気変換 電気→光変換 （処理速度：数Ｇｂｐｓ程度） 光ファイバ 経路１ 経路２ データ ヘッダー ：IPパケット 電気スイッチ…電気信号で経路選択（低速） 光ルータ 光スイッチ 光ファイバ （例）極小ミラー式： 　　極小の鏡の位置を変化させ、光信号の反射の向きを変えることにより制御を行う。 経路１ 経路２ 入力 ① ② ③ ④ 出力 光スイッチ…光信号のまま経路選択（高速） ①’ 極小ミラー この位置で反射 ②’ コイル ③’ 電圧ＯＦＦ 電圧ＯＮ （鏡の位置が上昇 　して光を反射。） （鏡の位置が下降 　して光を透過。） 　２００５年に１０Ｔｂｐｓを実現　 ④’ （上から見た図） 極小ミラーの動作原理 （横から見た図） 技術課題： 　極小ミラー制御技術、低損失化技術　等 9

  46. 伝送速度 参考資料２ 伝送速度とは： 通信回線において、１秒当たりに送ることができるデジタル信号（0又は1）の量。単位はビット/秒（bps）で、1秒間に0又は1の信号1個を送る速度を1ビット/秒（bps）という。 伝送速度とダウンロード時間 アクセス系 バックボーン 回線 ISDN （電話回線） ADSL FTTH ギガビット級 ネットワーク テラビット級 ネットワーク ペタビット級 ネットワーク 伝送速度 64kbps 数10kbps～数Mbps （600kbpsで計算） 30Mbps （予想） 1Gbps 1Tbps 1Pbps 音楽（１曲） MP3（約5分） 約4.8Mbyte 約10分 約64秒 約1.28秒 － － － 音楽（アルバム） CD（約74分） 約680Mbyte 約23時間 約2時間半 約3分 約5.4秒 － － 映画(DVD) MPEG2（2時間） 約3.6Gbyte 約125時間 約13時間 約15分 約28.8秒 約0.03秒 － ハイビジョン 映像（1時間） 13Gbyte 約20日 約2日 約1時間 約105秒 約0.1秒 0.00001秒 （注）　k（キロ）は1000倍（103）、M（メガ）は100万倍（106）、G（ギガ）は10億倍（109）、 T（テラ）は1兆倍（1012）、P（ペタ）は1000兆倍（1015） 21

  47. 構成の悪いネットワークの例(1) • 帯域が6Mbpsの衛星回線上でGbE Interfaceを搭載した高性能なルータを導入したが、帯域幅がボトルネックになった • 無用に高価な衛星ルータを導入した分、コストパフォーマンスが低下した

  48. 構成の悪いネットワークの例(2) • データリンクの速度にルータのパケット処理性能が追いつかない • パケットを処理し切れず、パケロスや遅延が発生 • マルチキャストのストリーミングサービスを行いたいが、スイッチがマルチキャストをハンドルできず、ボトルネックになった • 本当に行いたいサービスができない

  49. 多様なメディアとインターネット(1/2) • 中間ネットワークに多様なメディアが存在しても、インターネットは機能する • 理由1:End-Endでエラー検出、パケット転送、帯域制御を行っている(TCP) 0 1 2 3 4 6 7 8 9 2が足りない 2を再送

  50. 多様なメディアとインターネット(2/2) • 理由2:アプリケーション自体が、回線品質が低くてもある程度は動くように作られている • ストリーミングサービス中にパケットロスが生じても、映像が乱れたり音声が途切れる程度で済む 0 1 2 3 4 6 7 8 9

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