Transcript 第2回講義資料
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
Ethernet
ルータ
ルータ
ルータ
光ファイバ
無線
ADSL
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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)
Carrier Sense
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
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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
MACアドレス(2/2)
[EUI-48]
第1オクテット
10111101
ベンダーによる割り当て
OUI
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
01110101
11001111
01011111
01000101
第6オクテット
01111010
G/I(グループ/個体)bit
G/L(グローバル/ローカル)bit
OUI (organizationally unique identifier) : ベンダーコード
G/I
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
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
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インターネット構成法 2002
EUI-48 と EUI-64
EUI-64
将来のアプリケーション、48bit
MACアドレス(EUI48)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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
IPv4
IPv6
IPX
203.178.142.131
3ffe:501:100c:d120:a00:20ff:fe80:41bf
NetBEUI
Ethernet
08:00:20:80:41:bf
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インターネット構成法 2002
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)
32-bit IPアドレス
ARPキャッシュ
ARP
RARP
48-bit MACアドレス
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インターネット構成法 2002
アドレス解決の方法(2/4)
IPアドレスA
ARP Operation
FTP
TCP
IP
(1)
ARP
Ethernet
driver
Ethernet
driver
(6)
ARPリクエスト
(Ethernet Broadcast)
IPアドレスAに
接続したい
TCP
(2)
ARP
IP
(4)
(3)
(5)
Ethernet
driver
ARP
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インターネット構成法 2002
アドレス解決の方法(3/4)
ARP Operation(cont.)
FTP
TCP
IP
TCP
ARP
Ethernet
driver
Ethernet
driver
ARP
IP
(7)
(8)
Ethernet
driver
ARP
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
HUB
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インターネット構成法 2002
OSI参照モデルとリピータ・ハブ
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
物理層
電気的に増幅
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インターネット構成法 2002
スイッチ(1/2)
•Ethernetフレームを
必要なポートにだけ伝播
Switch
00:D0:59:83:AB:CD
1
2
Port
MACアドレス
1
00:D0:59:83:AB:CD
3
00:D0:59:98:76:54
3
4
5
00:D0:59:92:11:02
00:D0:59:98:76:54
00:D0:59:00:12:34
00:D0:59:01:02:03
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
OSI参照モデルとスイッチ
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
MACアドレスで判断
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インターネット構成法 2002
トポロジ
トポロジって何?
位相幾何学・地形学
ネットワークのレイアウト
Topology:
代表的なトポロジ
Common
Bus Topology
Star Topology
Ring Topology
Mesh Topology
Tree Topology
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インターネット構成法 2002
バス型トポロジ
Common Bus Topology
backbone cable
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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
稼働率
Time To Recovery
= MTTF / (MTTF + MTTR)
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インターネット構成法 2002
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~
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インターネット構成法 2002
多重方式の例
TDMA・・・時分割多重アクセス
FDMA・・・周波数分割多重アクセス
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
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
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インターネット構成法 2002
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...
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
様々な遅延を発生させる要因
アプリケーション層
アプリケーションの仕様
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
中間ネットワークの状態
データリンク層
物理層
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
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
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インターネット構成法 2002
ルータのアーキテクチャ例
Routing Engine
(Software)
Switching Interface
Routing Processor
(Hardware)
Routing Processor
(Hardware)
Network Interface
Network Interface
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
(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
超高速化
光信号
光ファイバ
光→電気変換
電気→光変換
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。
光処理…光速で伝送・処理を行うため、数Tbps以上も可能。
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
(2)超高速TDM(光時分割多重)技術
研究開発目標:
10Tbps級の
2005年までに
超高速インターネットを実現
(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
インターネット構成法 2002
Slide: 43
TDM:Time Division Multiplexing
7
(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
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。
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別々の波長に乗せて1本のファイバを通す。
10Gbps 光の波の重ね合わせ(合波)
10Gbps
ch. 1
ch. 1
ch. 2
ch. 2
波長1
波長2
波長3
ch. 3
ch. 3
波長m
光ファイバ
16ch.を時分割多重すると、
160Gbpsを実現
ch. n
n=16
10Gbps
×
n(=16)ch.
=
160Gbps/波
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
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
光の波の分解(分波)
ch. m
1000波を波長分割多重すると
10Tbpsを実現
m=1000
10Gbps
×
1000波
=
10Tbps/光ファイバ
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
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インターネット構成法 20028
(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
(処理速度:数Gbps程度)
光→電気変換
電気→光変換
光ファイバ
経路1
データ
経路2
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:
経路1
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2
入力
出
力
光スイッチ…光信号のまま経路選択(高速)
①
②
③
①’
④
極小ミラー
この位置で反射
②’
コイル
③’
電圧OFF
2005年に10Tbpsを実現
電圧ON
(鏡の位置が上昇 (鏡の位置が下降
して光を反射。) して光を透過。)
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
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インターネット構成法 20029
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
ギガビット級 テラビット級 ペタビット級
ネットワーク ネットワーク ネットワーク
回線
ISDN
(電話回線)
ADSL
FTTH
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)
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インターネット構成法 200221
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
Slide: 47
インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
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インターネット構成法 2002
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
Slide: 51
インターネット構成法 2002
最近のインターネット
利用用途、アプリケーションが高い通信品質を求
めるようになってきた
VoIP、ゲーム、動画会議 ⇔ Webやmailだけの世界
狭帯域、高遅延な通信路では、コミュニケーションが成
り立たない
これからのインターネット
利用用途(アプリケーション)を前提に、通信品質を考慮
したネットワークをデザインしていく必要がある
伝送媒体の選択
通信機器の選択
トラフィックの予測
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インターネット構成法 2002
ネットワークの品質とアプリケーション
(1/2)
VoIP/テレビ会議
プロトコル:
SIP, H.323, NOTASIP etc..
利用帯域: 64kbpps~2Mbps
応答時間要求: 150ms以下
パケットロス: 低
遅延揺らぎ: 低
Slide: 53
インターネット構成法 2002
ネットワークの品質とアプリケーション
(2/2)
Webブラウジング
プロトコル:
http
利用帯域: 数百Kbps程度
応答時間要求: 500msでも大丈夫
パケットロス: 中
遅延揺らぎ: 中~高
Slide: 54
インターネット構成法 2002
バランスの問題
ネットワークを構築する際の要求事項
データリンクの性質
中間機器
使用するアプリケーションの仕様や、トラフィッ
クの傾向
Slide: 55
インターネット構成法 2002