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第４章 ＬＡＮとＷＡＮ 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 様々な通信サービス 伝送媒体 アクセスネットワーク バックボーンネットワーク LAN インターネット技術 ネットワークの性能 ネットワークセキュリティ 電気通信事業法と電気通信サービス ４．５ ＬＡＮ ４．５．１ ４．５．２ ４．５．３ ＬＡＮの網形態（トポロジー） 伝送媒体と接続機器 アクセス方式 ４．５．１ 網形態（トポロジー） （１）物理トポロジー 物理的な接続形態による分類 リング型（ループ型） バス型 スター型（星型） （２）論理トポロジー 各ステーションがＬＡＮにアクセスする方法， すなわち，動作規則によって分類する。 ①トークンパッシングバス方式（IEEE 802.4） 物理的にはバス型だが，トークンはステーションから他のステーションに 周回するので，論理トポロジーはリング型（ループ型）となる。 ②無線ＬＡＮのインフラストラクチャモード（IEEE 802.11） 空中が伝送媒体なので無線ＬＡＮは物理的にはバス型である。 各ノードが個別に送信する無線ＬＡＮのアドホックモードはバス型だが， 各ノードがアクセスポイントを介して通信する インフラストラクチャモードの論理トポロジーはスター型となる。 ４．５．２ 伝送媒体と接続機器 （１）伝送媒体 ＬＡＮ規格により，以下のような伝送媒体が使用される。 ① より対線 10 BASE T, 100 BASE T（最後のＴがより対線を示す） ② 同軸ケーブル 10 BASE 5, 1000 BASE CX ③ 光ファイバーケーブル 100 BASE FX, 1000 BASE FX（Fが光ファイバを意味する） FDDI(Fiber Distributed Data Interface：ANSI X3T9.5) （２）接続機器 接続機器の種類 ① リピータハブ（repeater hub）単にリピータまたはダムハブ（dumb hub） ② スタッカブルハブ（stackable hub） ③ ブリッジ（bridge） ④ スイッチングハブ（switching hub） ⑤ ルータ（router） ⑥ ゲートウェイ（gateway） ［注］ （a）cascade とは，複数段になっている滝のひとつを指す英語名詞。 （b）stackable とは，「積み重ね可能」という意味の英語形容詞。 （c）dumb とは，「ものが言えない」という意味の英語形容詞。 （d）gateway とは，塀や垣根を伴った出入り口を指す英語名詞。 リピータハブとスタッカブルハブ 接続機器の種類 ① リピータハブ（repeater hub） 受信した信号を増幅して，そのまま他のポートに転送する。 多段に接続することもでき，これをカスケード（cascade ）接続という。 ただし，多段接続制限がある。 ② スタッカブルハブ（stackable hub） リピータ同様，受信した信号を増幅して，他のポートに転送するが， 伝播遅延やフレーム間隔減少を少なくすることにより 多段接続制限を緩和したハブ。 ブリッジとスイッチングハブ 接続機器の種類 ③ ブリッジ（bridge） ・ リピータ同様，受信した信号を増幅し， 受信フレームを内部メモリに蓄えたあと，出力ポートに対して転送する。 ・ （以下の詳細については，「6.2.3 アクセス方式」で説明する） 転送の際，衝突検知を行い，衝突を検知しなければ出力ポートに出力し， 衝突を検知したら再送する。 すなわち，出力ポートに対してはホストと同様に動作する。 入力側と出力側は異なる衝突ドメイン（collision domain）に属する。 ④ スイッチングハブ（switching hub） ・ フレーム転送部分にスィッチを使用するマルチポートブリッジ。 ・ 従来型ブリッジに比べ，伝播遅延が小さい。 ・ フレームの並列転送が可能である。 ルータ 接続機器の種類 ⑤ ルータ（router） ・ ネットワークの境界に設置し，ネットワーク相互間でやり取りされる データを正しい相手に送られるよう中継・送受信する機器。 ・ ＯＳＩ第３層，ネットワーク層のレベルで行う。 ・ ネットワーク層のプロトコルごとに対応したルータが用意されるが， 複数のプロトコルに対応したマルチプロトコルルータもある。 ［例］ ・ IPルータ ： IPプロトコル対応 ・ Apple Talkルータ ： Apple Talk対応 ・ IPX ： NetWare IPX対応 ゲートウェイ 接続機器の種類 ⑥ ゲートウェイ（gateway）：次の２つの意味に使われる。 Ａ．TCP/IPの場合 同じネットワークアドレスを使用するネットワークと 他のネットワークアドレスを使用するネットワークの間に 設置されたルータでデータを中継する際， このルータをゲートウェイという。 Ｂ．異なる種類のネットワークを使う場合 異なる種類のネットワークを接続する際，変換処理を行う機器。 例えば，インターネットとLANの境界にプロトコル変換を行う ゲートウェイを設置する場合は，この意味になる。 ４．５．３ アクセス方式 （１）アクセス方式の種類 ① CSMA / CD (イーサネット） ② 全二重方式 ③ トークンパシング(FDDI) ④ CSMA / CA （無線LAN） ⑤ TDMA（無線LAN） （２）ＣＳＭＡ／ＣＤ CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ① 複数のノードが１本の伝送路を共有するバス型である。 ② 各ノードは，他のノードが伝送路にデータを送信していないかどうかを 常時監視(Carrier Sense)し，伝送路が空いていれば他のノードにデータを 送信(Multiple Access)できる。 ③ 複数のノードが同時にデータを送信したこと（衝突：Collisionと呼ぶ）を検出する。 衝突検出をCollision Detectionと呼ぶ。 ④ 衝突した場合，ジャム信号を送出して送信を中断。 ⑤ 乱数で決まる一定時間だけ待った後(これをランダムバックオフと呼ぶ)， 再度データを送信する。すなわち，ランダムな時間だけ待機することで 再び衝突する可能性を低くしている。 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)ＣＳＭＡ／ＣＤ ［フローチャート］ 開始 キャリアセンス 伝送路は空いているか No Yes 送信と 衝突判定 衝突なし 衝突検出 送信成功 ジャミング 再試行回数>=16 No バックオフ アルゴリズムによる 待ち時間処理 Yes 送信失敗 ＣＳＭＡ／ＣＤ CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ［ＢからＡにデータを転送する場合］ ステーションＡ (アドレスＡ) ステーションC (アドレスC) ③’自ノード宛ではないので， パケットを捨てる Ａ B 監視 監視 デ ー タ ② パケット信号は，バスの両方向へ 伝送される。 タ ー ミ ネ ー タ Ａ B データ 監視 送信元アドレス ③’自ノード宛ではないので， パケットを捨てる データ B Ａ 監視 プリアンブル 宛先アドレス ステーションＸ (アドレスＸ) ③ 自ノード宛 パケット信号 を取り込む。 タ ー ミ ネ ー タ ① バスが空いていること を確認して，パケット 信号を送出 ステーションＢ (アドレスＢ) ④ 他の端末が発信しなければ， 再び発信できる。 ステーションＹ (アドレスＹ) ③’自ノード宛ではないので， パケットを捨てる Full Duplex （３）全二重方式 全二重(Full Duplex)とは，同時に送受信すること。 1 G BASE 以上のイーサネットではCSMA/CDではなく 全二重方式で送受信が行われる。 これに対して， ある時点では送信あるいは受信のどちらかしかできないことを 半二重(Half Duplex)と呼ぶ。 ① 10BASE 5や10BASE 2以外のイーサネットでは， 送受信のための異なる信号線(TD/RD)を持っていること， リピータ，ブリッジ，ルータなどの中継器を介して相互接続することから， 全二重通信が可能となる。 ② イーサネットコントローラは，通信モードを全二重に設定すると 衝突検出機能を無効にし，イーサネットスイッチやルータでも 衝突検出を行わない。 全二重方式の特徴 論理的には1対１の接続（Point-to-Point接続）であり， ２つのコントローラによって伝送路が占有される。 ① 衝突が発生せず，キャリア検出も行わないので， イーサネットの通信帯域を全て使用することができる。 ② １ポートに１ホストしか接続できない。 ③ 全二重モードに設定したポートにはリピータを接続できない。 ④ ２ポートの両方ともに，全二重に設定しなければならない。 ⑤ 全二重は，送受信のデータ量が送受信のデータ量が同じ程度の場合， 非常に有効であるが，送受信のデータ量が偏っている場合， たとえばWebサーバへのアクセスなどでは有効に働かない。 ⑥ 衝突やキャリア検出の時間差を考慮する必要がない。 ⑦ スロット時間を拡張する必要がないので， スロット時間は512ビット時間である。 もちろんCarrier Extensionの付加も行われない。 全二重方式の制御 基本的にPoint-to-Point接続であるため，フロー制御は単純である。 ① 相手からの送信をとめたい場合， 受信側からポーズフレームを送信側に送る。 ② ポーズフレームを受信した送信側は， 停止時間(Pause Time)×スロット時間の間，送信を停止する。 ③ ポーズフレームの送信元が送信先MACアドレスを学習する必要がない ようにするために，ポーズフレームの宛先MACアドレスには， マルチキャストアドレスが指定される。 ④ ポーズフレームにマルチキャストアドレスが指定されているため， ブリッジはポーズフレームを受信したとき， 他のポートにポーズフレームを再送しない。 フロー制御におけるモード 全二重方式のフロー制御には，以下のモードがある。 ① 対称フロー制御 接続機器の両方がポーズフレームを送信する。 ② 非対称フロー制御 どちらかの機器がポーズフレームの送信を行う。 オートネゴシエーションによるモード設定 フロー制御のモード設定は，オートネゴシエーションで決定される。 ① 自分側をローカルデバイス，接続相手側をリンクパートナーと呼ぶ。 ② ローカルデバイスは，起動時に自分についての情報を， FLP(Fast Link Pulse) Burstと呼ばれる信号にのせて リンクパートナーに送信する。 この情報をBase LCW (Link Code Word：16ビット)と呼ぶ。 ③ ローカルデバイスとリンクパートナーは， Base LCWを交換することで制御方法を選択する。 イーサネットは，本来ＬＡＮの仕様だが， アクセス回線や中継回線に10GBASEイーサネット， WDMによる光ファイバ網を使って 広域イーサネットを実現している例もある。 ゾ ゾーン内 中継網 ー ン 収容局X 収容局A 間 中 継 ゾーン内 中継網 収容局B 収容局C 広域イーサネット ゾーン間 光中継回線 網 収容局Y ゾーン内 光中継回線 収容局D 光アクセス回線 メディア コンバータ メディア コンバータ メディア コンバータ メディア コンバータ 本社 支社1 支社2 支社3 （４）ＦＤＤＩ FDDI（Fiber Distributed Data Interface） ① FDDIは，光ファイバを用いた広いバンド幅(100 Mbps)のトークンパッシン グリングによるLANである。 ② ANSIでは，非シールドより対線を使用するCDDIも規格化されている。 ③ FDDIは，二重リングとして構成され，一方は時計回り，他方は反時計回り 転送を行う。 ④ 各局は，片方あるいは両方のリングに接続され，送受信はコンセントレータ (集線装置)を介して行う。 コンセントレータ (集線装置) コンセントレータ (集線装置) 二重双方向ループ接続 (FDDの主幹) ツリー接続 ＦＤＤＩのネットワーク構成 デュアルリングに直接接続するノードをDAS(Dual Attachment Station)と呼び， シングルリングに接続するノードをSAS(Single Attachment Station)と呼ぶ。 シングルリングの配線は，コンセントレータ(集線装置)を中心としたスター状である。 集線装置(コンセントレータ) 主リング(1次リング) SAS DAS 副リング (2次リング) DAS デュアルリング構成 SAS DAS シングルリンク DAS：Dual Attachment station SAS：Single Attachment station SAS 自己修復処理：self-healing 自己修復処理 ① デュアルリングで障害が発生したら（障害Ａ）， ループを折り返して，トークン送受信を続ける。障害復旧後，再び2重リングに戻る。 ② シングルリングで障害が発生したら（障害Ｂ）， 集線装置は，障害箇所のノードを切り離す。 デュアルリング シングルリング SAS 集線装置 DAS 障害 (A) 障害 (B) SAS DAS 二重双方向周回リングでは，通常，主リングと副リングと独立した媒体アクセストークンを 別々にもっているが，ケーブル障害時には，両者がつながり，単一の媒体アクセストークン として扱う。これをラップ(wrap)と呼ぶ。 送信したい局は，まずトークンを獲得してフレームを送信 ① 送信したいフレームを持つ Aがトークンを確保。 ② AはフレームF1をCに 送出。 D D 送受信プロトコル ③ 送り出し終わるとAはトークン を解放。Cは自分宛フレームを コピーして，送出する。 D T A C A C A F－1 B T B ④ Bはトークンを獲得し， フレームF2をDに送出 。 F1は巡回を続ける。 C F－1 D T F－2 A C F－2 B ⑥ Bは自分のフレームF2を 認識し，F2をリングから 取り除く。 D F－1 B F－1 B ⑤ Bはトークンを解放し， DはF2をコピー。 Aは一巡したF1を認識し， F1をリングから取り除く。 D A C T A C F－2 B 同期と非同期 FDDIでは，同期と非同期の２種類のサービス混在が可能である。 ① 同期式 チャネルに対してタイムスロットを均等かつ固定的に割付ける。 ② 非同期式 統計的多重方式によってタイムスロット割付けを可変にする。 タイムドトークンプロトコル(timed token protocol) タイムドトークンプロトコル ＦＤＤＩでは通常のリンク動作の他に ① ② ③ 接続の確立 リングの初期化 中途半端なフレームの監視と除去 等を行う手順があり， これをタイムドトークンプロトコルという。 タイマーの種類 ＦＤＤＩの二つのタイマー ① トークン巡回タイマー(Token Rotation Timer：TRT) ② トークン保持タイマー(Token Holding Timer：THT) トークン巡回タイマー（ＴＲＴ） トークン巡回タイマー（Token Rotation Timer：TR） トークンを獲得したあと， 一巡して次回のトークンを受け取るまでの時間を 計測監視する。 ① TRTはリングの状態に応じて初期設定される。 ② トークン巡回時間を統一するのに使用する。 TRTはリングの状態に応じて様々な値に初期化される。 例えば，音声データ，動画データ等，実時間性が重視され， 遅延に敏感なアプリケーションを取り扱う局では， TRTを小さい値に設定する。 トークン保持タイマー（ＴＨＴ） トークン保持タイマー(Token Holding Timer：THT) 非同期フレームを伝送するために， トークンを保持しておくことができる時間を設定する。 ① この時間の範囲で好きなだけフレームを 伝送することができる。 ② 伝送路のタイムスロットの割当てによらないため 非同期となる。 （５）無線ＬＡＮにおけるアクセス法 無線ＬＡＮでは，衝突検知が困難である。 そこで，衝突を事前に回避したり， はじめから衝突が起きないようにする手法が採用される。 ① CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 送信局が，自分が送信中または送信したいということを あらかじめ知らせておく方法。 ② TDMA( Time Division Multiple Access ) 各送信局が時間を区切って，送信できる時間間隔を決めておく方法。 ＣＳＭＡ／ＣＡ CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance ) 搬送波検出多元接続／衝突回避方式とも呼ばれる。 多元接続手続きはほぼCSMA/CDと同じだが， 衝突検知が困難であるため，衝突を事前に回避(Collision Avoidance)する。 ① トラフィック量に応じて，フレーム送信までの待ち時間を調整する。 ② フレーム送信前にノード固有のパルス信号を出す。 ③ 他のノードは，パルス受信により フレームを送信しようとするノードがあることを検知して送信を延期する。 TDMA( Time Division Multiple Access ) ＴＤＭＡ 周波数帯を複数の細かい周波数に分割し， 分割された周波数帯をさらに一定の時間間隔（タイムスロット）に区切り， 各タイムスロットをそれぞれのチャネルに割り当てる方法。 ノード間でお互いの制御情報を交換することにより， データ種類の優先度を設定し， タイムスロットに割り当てる帯域を動的に割り当てる方法は 動的TDMA(Dynamic TDMA) と呼ばれる。 アドホックモードとインフラストラクチャモード ① アドホックモード（Ad Hoc Mode） ・ それぞれの端末に接続されたアダプタ同士で直接通信する。 ・ 独立モード（independent mode）とも呼ばれる。 ・ 低コストであるが，端末数が増えると衝突調整のため効率が悪くなる。 ② インフラストラクチャモード（Infrastructure Mode） ・ 各アダプタは，ネットワークを統括するアクセスポイントを介して通信する。 ・ アクセスポイントでアクセス管理が可能（PCF：Point Coordination Function） であるため，アドホックモードより効率が良い。 ・ 有線ＬＡＮと結んでネットワークを構成できる。 ・ あるアクセスポイントのカバー範囲を超えて移動したら，アクセスポイントを 自動的に切り替えるローミング機能が必要。 ［注］ CSMA/CDのアドホックモードは DCF（Distributed Coordination Function）とも呼ばれる。