ネットワーク機器

通信配線

配線における規格

トポロジ

ネットワークトポロジ

• コンピュータの接続形態を示すもの。
• ネットワークにおいてノードがどのような形で接続するのかを示すもの。
• ノード とは PCをはじめサーバー、スイッチ、ルーター等のネットワークへ接続される機器のこと。
  （データリンク層ではステーション という。）
• バス型、リング型、スター型、メッシュ型がある。

物理トポロジ

ノード（ハードウェア）がLANケーブルにて接続されている形を示す。

論理トポロジ

データの流れに着目する。（物理トポロジーと論理トポロジーは一致することが多いが、ケーブル接続の形と実際にデータが通信される形が不一致なこともある。）

データリンク層の技術

データリンク層での通信の考え方

MACアドレス

• ４８ビットで表す。
• メーカーごとに固有の番号が付けられる。
• 前半24ビットはベンダコード（OUI）
• 後半24ビットはベンダ内で割り振っている番号
• 工場出荷時から付けられている。
• １６進数で表記する。
• ブリッジやスイッチ、およびPC等の機器は認識している。

Ethernetフレーム

• データリンク層でのPDUはフレーム。
• 最初はDIXで開発され、その後IEEEによって標準化された。
• 現状ではどちらも対応している機器が多い。VLANは対応しない機器もある。
• DIX仕様とIEEE仕様でわずかにフレームの内容が異なる。

CSMA/CD方式

• Ethenetにおける通信方式
• 送信前に通路が開いているか確認する。
• 通路が開いていればデータを送信する。
• コリジョンがあればランダムな時間待って再送する。
  コリジョンとは信号同士の衝突のこと。

トークンパッシング方式

• トークンと呼ばれるパケットを巡回させる。
• トークンを取得すると送信権を得られる。（つまりトークンがデータを運ぶイメージ）
• 混雑時の性能低下が比較的少ない。
• 混雑していない時にトークンの待ち時間がある分遅くなってしまうことがある。

コリジョンドメイン

• データーが衝突する可能性のある範囲のこと
• ハブはポートすべてが１つのコリジョンドメイン

ブリッジとスイッチ

• スイッチはポート毎に１つのコリジョンドメイン
• スイッチやブリッジはポート全てでコリジョンが起こらない。

コリジョンドメインの具体例

ブロードキャストドメイン

• ブロードキャストアドレスの届く範囲
  つまり同一LAN内全ての機器
• ブロードキャストドメインはルータで分割される。

ブロードキャストドメインの具体例

ブロードキャストドメインもコリジョンドメインも数えてみる

スイッチの機能

スイッチの基本動作

• MACアドレステーブルを持っている。
  （どのポートにどのMACアドレスが接続されているかを記憶している。）
• フレームの送信元MACアドレスがMACアドレステーブルにない場合は、登録する。
• フレームの宛先MACアドレスをMACアドレステーブルに照らし合せる。
  • 登録されている場合、対象ポートにフレームを送る。
  • 登録されていないの場合は、全ポートに送る。フラッディングという。

半２重、全２重、オートネゴシエーション

• 半２重は通信を片方向ずつ行う。
• 全２重は通信を両方向同時に行う。
• オートネゴシエーションは半２重か全２重かを自動で判別し、適用される。

フレームの転送方式

• フレームの転送方式には以下の３つなどがあり、転送速度に違いがある。
  • ストア＆フォワード方式：イーサネットフレーム末尾のFCSまで蓄えてから転送する。
  • カット＆スルー　　方式：送信先のMACアドレスが分かりしだいデータの転送を開始する。
  • フラグメントフリー方式：フレームの先頭64bytesを見込んだ後に転送する。

スイッチのフロー制御

• 高速化の一環としてバッファメモリを使用している。
  • 受信フレームを一旦バッファメモリに入れる。
  • バッファメモリから別のポートへ転送する。
    （転送したらバッファメモリからは消される。）
  • バッファにたまりすぎて容量を超えたら、破棄される。
  • 破棄されてしまった場合は、届かないため上位階層の機能で再送することになる。
• バッファメモリの容量上限が迫ってきたら（あふれる前に）送信を止めてもらう様にすること。
• （半2重の場合）ジャム信号を出す。
• （全2重の場合）PAUSEフレームを出す。

スイッチのセキュリティ

• フレームのMACアドレスを判別して通信制御が可能。
• ポートをダウンさせるなどの措置がとれる。

スパニングツリー

• 障害対応のため冗長化（通信経路を２種類以上用意する）を行うことがある。
• その場合、ループが発生してしまう恐れがある
• スパニングツリーによってポートの有効・無効が制御される。
  • 普段はループにならない様に、適切なポートが無効化されている。
  • 障害発生時は、自動的にポートが有効化されて通信経路が確保される。
• IEEE802.1Dで定義されている。

リンクアグリゲーション

• ＰＣやスイッチの間をケーブルで接続して使える状態になっている物を（物理）リンクという
• 複数の（物理）リンクを束ねて１つの（論理）リンクに見せかけて使うこと。
• 高速化できる。
• 障害時でも残った（物理）リンクで通信できる。

VLAN

• （物理的な配置・配線とは異なる経路で）仮想的にスイッチを設けることが出来る。
• VLAN対応しているスイッチ（やそれ以上の階層の機器）に設定する。
• 物理的につながっていても異なるVLANとは通信出来ない。
• たとえば上の図の場合
  • 同じVLANである [PC A]と[PC B]は通信が出来る。
  • 同じVLANである [PC 1]と[PC 2]は通信が出来る。
  • 違うVLANである [PC A]と[PC 1]は通信出来ない。
  • 違うVLANである [PC B]と[PC 2]は通信出来ない。
• 複数のスイッチを跨いでVLANを使うにはIEEE802.1Q = タグVLANを利用する。
  • イーサネットのヘッダにVLANタグが挿入される。
  • スイッチ（やそれ以上の階層の機器）間を跨がない場合は、VLANタグは無し。

Ethernet

• イーサネットは現在もっとも普及している屋内で用いられる物理層・データリンク層の技術である。
• 他と比べて制御の仕組みが単純。
• NICやデバイスドライバが作りやすい。
• そのため、機器が安価。

イーサネットの接続形態

• イーサネットの普及当初
  • 同軸ケーブルでの接続だった。
  • バス型の形態で接続していた。
• 現在
  • LAN（UTP）ケーブルやスイッチ等を用いての接続。
  • スター型トポロジの形態で接続している。

イーサネットで用いられるケーブルの名前

• イーサネットで用いられるケーブル名は、仕様を表している。
• 10BASEの [10]、100BASEの [100]、1000BASEの [1000]、10GBASEの [10G]はそれぞれ、10Mbps、100Mbps、1Gbps、10Gbpsの伝送速度を表している。
• BASEの後ろの [5]、 [2]、 [T]、 [F]などの文字は媒体の違いを示している。

イーサネットの歴史

規格の変遷

Ethernetは、同軸ケーブルで接続するDIX Ethernet（バス型のトポロジー）から始まり、IEEE802.3が標準化して、以下の順で規格が発展した。

• 10BASE5（同軸ケーブル）
• 10BASE2（同軸ケーブル）
• 10BASE-T（ツイストペアケーブル）
• 100BASE-TX（ファストイーサネット）
• 1000BASE-T（ギガビットイーサネット）
• 10ギガビットイーサネット
• 100ギガビットイーサネット
• 上記以外にも数多くの規格が追加された。
• UTPケーブルにはカテゴリーがあり、高い方が高速な通信に対応出来る。

コリジョン回避

以前はCSMA/CDを採用していたが、昨今のインターネットでは全二重が大半を占めるため、ほとんど使われていない。

イーサネットのフレームフォーマット

802.1Qタグは、VLANのプロトコル。オプションとなっておりこれを使用する時だけ付加される。
FCSはフレームの後方で、データが壊れていないかを確認する。

無線ネットワークの分類

近距離での無線の種類

有線LANと無線LANの比較

無線LANの機器・部品

無線LAN（Wi-Fi）の規格

※最大転送速度について、実際に市販されている製品では（）内に記載した辺りとなっている。

通信方式とSSID

無線通信の用語

無線チャンネル

通信方式

無線LANのスループットを改善するためには

・アクセスポイントに最低転送速度を設定する。
・複数のファイルやフォルダをまとめてから送信する。
・データを圧縮して送信する。
などを気をつけることで緩和する場合があります。

アクセスポイントの速度低下の段階

※無線の場合速度低下の要因として、距離（電波の入り具合）、及び　混雑度合い（同時に使用する台数等）、があります。

ローミング

レイヤ2ローミング

移動元と移動先のアクセスポイントが同じネットワーク

レイヤ3ローミング

移動元と移動先のアクセスポイントが違うネットワーク

ローミングの欠点

・APの切り替えのタイミングで通信が切れることがあります。
・再認証が必要な場合があります。
・IPアドレスが変更される場合があります。
・IEEE802.11の使用ではなく、メーカー独自仕様です。

ローミングの欠点を補う技術

SSIDとVLAN

1つのアクセスポイントには複数のSSIDを割り当てることができます。
SSIDごとのセキュリティ設定をして、用途ごとに使い分けることができます。
VLANとSSIDを対応付けて、無線もVLANに参加できます。

無線LANの脆弱性とセキュリティ

セキュリティ技術

認証技術

暗号化技術

その他のデータリンク層のプロトコル

PPP

データリンク層にて、1対1でコンピュータを接続するためのプロトコル。
イーサネットと違い物理層から独立している。
電話回線やISDN、専用回線（専用線）、ATM回線などで利用されている。

LCPとNCP

PPPの機能のうち、上位層に依存しないプロトコルがLCP（LinkControlProtocol）。
上位層に依存するプロトコルがNCP（NetworkControlProtocol）。
上位層がIPのときのNCPが、IPCP（IPControlProtocol）となる。

LCPはコネクション管理、パケット長や認証プロトコル（PAPかCHAPか）の設定、通信品質の監視設定などを行う。
PAPの場合は平文でユーザ名とパスワードをやり取りするが、CHAPの場合は暗号化される。

PPPoE

PPPの機能をEthernetを通して利用するためのプロトコル。
PPPと同じく2点間で1対1の通信を行い、ユーザ認証を行う。

ファイバーチャネル

高速なデータチャネル。SCSIの様に周辺機器を接続する用途で、SAN（Storage Area Network）を構築するために利用される。

iSCSI

パソコン等にハードディスクを接続するのに用いられるSCSIを、TCP/IP経由の接続で使える様にしたもの。

HDMI

ディスプレイを接続するための規格。映像と音声とTCP/IP通信（イーサネットフレーム）を伝送できる規格。（※TCP/IP通信はバージョン1.4から）

アクセス回線

アナログ電話回線

固定電話回線を利用して通信を行うものです。固定電話回線はアナログであるため、パソコン等とのやり取りを行うためにデジタル信号へ変換するモデムが必要です。通信速度は56kbpsで低速なため、ほとんど利用されなくなっています。

モバイル通信サービス

1G、2G、PHS、3G、4G、5Gと規格化が進んできました。現在は4G-LTEが主流で、この規格に対応したスマートフォン等のモバイル端末で利用されています。通信速度も数十Kbps〜数十Mbps程度となり程々に高速です。また、現在普及してきている5Gの規格では、理論値で1Gbps程度の通信速度となりWi-Fiと同程度が実現されます。5Gでは比較的　低遅延な通信環境が提供されます。

ADSL

ADSLは、昔から存在するアナログ電話回線を拡張して利用するサービスです。範囲としては（家庭等の）電話機から電話局交換機までの回線間です。スプリッタと呼ばれる機器を用いてケーブルを次の様に分岐させます。音声用の低周波とデータ通信用の高周波を分離したり混合したりしています。「xDSL」と呼ばれるものの1つで、他にはVDSL、HDSL、SDSLなどがあり、ADSLはxDSLの中でもっとも普及している方式です。回線速度は、下りが1Mbps〜50Mbps、上りが256Kbps～2Mbps程度になります。現在は光回線等の普及によりシェアは小さくなっています。

光回線サービス

FTT〇＝Fiber To The 〇〇〇といい、代表的なものに以下の3つがある。
FTTH（Home） ：光回線が自宅（オフィス等）内まで繋がっています。次のような順で接続されています。[ISP・回線業者から来た光回線]－[ONU]－[ルータ]－[LAN（スイッチ－パソコン等）]へ接続します。ONUは光信号と電気信号を変換しています。以下の二つよりシェアは高いです。（1Gbps～）

FTTB（Building）：光回線をマンションの共用部分にある MDF（主配線盤）というところにつなぎます、そこからはLANケーブルや電話回線などのメタルケーブルを利用して各部屋までつなぎます。（100Mbps～）

FTTN（Node） ：多くのケーブルテレビ会社がFTTNを採用しており、途中までは光回線で、途中から同軸ケーブルを利用します。上記に比べると通信速度は遅くなるケースが多いです。（1Mbps～320Mbps）

ケーブルテレビ

ケーブルテレビ会社は放送に使われていない空いているチャネルをデータ通信専用に利用しインターネット接続サービスを提供している。下りは10Mbps～300Mbps程度で、上りが128kbps～5Mbps等遅い場合が多い。
（ケーブルテレビとは、電波の代わりにケーブルを使ってテレビ放送を行う会社。電波受信状況の悪い場所や、アンテナ設置し辛い建物でもケーブルテレビなら受信できる。また、地上波放送以外にも様々な番組がある。）

様々な公衆アクセス網のサービス

専用回線サービスと交換回線サービス

電話網から発展したWANの物理回線速度

パケット交換方式のサービス

WANへの接続