Transcript 第3回講義資料
インターネット構成法 第３回 リンクレイヤ技術 2002/10/21 担当：村井 純 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 Slide: 2 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 Slide: 3 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 Slide: 4 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間隔 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) Slide: 5 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･･･32kbps 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~ Slide: 6 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 Slide: 7 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... Slide: 8 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 Slide: 9 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 Slide: 10 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 Slide: 11 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 Slide: 12 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 Slide: 13 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: 14 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 Slide: 15 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 Slide: 16 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） Slide: 17 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 Too Much Delay!! Slide: 18 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 Slide: 19 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 Slide: 21 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: 22 インターネット構成法 2002 多様なメディアの例 物理層では 光ファイバ メタルケーブル 無線 データリンク層では Ethernet Token Ring FDDI ATM Slide: 23 インターネット構成法 2002 光ファイバー 内部構造 コネクタの種類 SC, MIC, FC, ST, MT-RJ データリンクプロトコル クラッドとか、太さとか Gigabit Ethernet ATM FDDI 10G Ethernet 100Base-FX WDM/多重化 Slide: 24 インターネット構成法 2002 光ファイバーの構造 テンションメンバ 被覆 光ファイバー © 文部科学省 Slide: 25 インターネット構成法 2002 光ファイバーの構造 グラッド コア (屈折率が高 い) (屈折率が低い) Slide: 26 インターネット構成法 2002 光ファイバーの構造 構造 コア(core): 光の伝送路 グラッド(clad): 光をコアに閉じこめる コアとクラッドは光の反射率が異なる 伝播の原理 コアとグラッドの境界で全反射を繰り返しながら進む 反射光同士の干渉により、位相が一致する場合には光が遠 くまで伝播する 位相が一致しない場合には光が遠くまで伝播しない 入射する光の角度によって位相が決まる Slide: 27 インターネット構成法 2002 光ファイバの減衰 光ファイバの特徴 信号の周波数がかなり高くなるまで損失は一定 電磁誘導などの電磁障害の影響を受けない 光がパワーを失うことで減衰 散乱 吸収 ファイバーの不完全性、基本的構造による損失 波長の4乗に逆比例 ファイバーの不純物が光エネルギーを吸収 低損失の波長領域（ウインドウ）の存在 820-850nm / 1300nm / 1550nm Slide: 28 インターネット構成法 2002 SMF/MMF SMF (single mode fiber) 伝播モードが1つ 中長距離用 ATM/SONET/WDMなどで使 用 [SMF] 波長 1310nm / 1550nm コア(10μm以下) グラッド(125μm) MMF(multi mode fiber) 伝播モードが複数 短距離用 LANではMMFが一般的 比較的安価 [MMF] 波長 850nm / 1310nm コア(50/62.5μm) * 日本は50μm Slide: 29 インターネット構成法 2002 メディアの伝送距離 情報が変形、損失することなく、正確に伝わる 距離 メディアの減衰に対する耐性、情報を伝送する 周波数、波長に依存 [GbEにおける伝送距離の違い] 規格 伝送メディア 最大伝送距離 1000Base-TX UTP(cat5e) 100m 1000Base-SX MMF 550m 1000Base-LX SMF 5000m Slide: 30 インターネット構成法 2002 光ファイバコネクタ(1/3) SC プラスチックの角型 ATM/100Base-FX 1000Base-SX/LX … [SC] [SC-Dual] ST 1芯ごとに金属製のツイストロック [ST] ATM/100Base-FX 1000Base-SX/LX … Slide: 31 (出展: Internet Week ‘98 岡本 久典氏 ネットワークトラブルシューティングと トラブルに強いネットワークの構築） インターネット構成法 2002 光ファイバコネクタ(2/3) [MIC (A)] MIC 2芯1セットのプラスチックモールド [MIC (B)] 爪によってA/B/Mがある FDDI FC 1芯ごとにツイストロック 10Base-FL [FC] Slide: 32 (出展: Internet Week ‘98 岡本 久典氏 ネットワークトラブルシューティングと トラブルに強いネットワークの構築） インターネット構成法 2002 光ファイバコネクタ(3/3) MT-RJ コネクタ･サイズがSCコネクタの1/2 プラグ／ジャック方式 1000Base-SX, 1000Base-LX [MT-RJ] Slide: 33 インターネット構成法 2002 Gigabit Ethernet (IEEE802.3z) 1Gbps 双方向データチャネル技術を利用 片チャンネル 1Gbps 全二重 伝送媒体は光ファイバ 1000Base-SX 製品は (短波長), 1000Base-LX (長波長) IEEE802.3zに準拠するものが大多数 相互操作性の確保が着実に進む NIC、スイッチ共に幅広く提供される Slide: 34 インターネット構成法 2002 １０Gigabit Ethernet (IEEE802.3ae) 10Gbpsの世界へ CSMA/CDの廃止、全二重モードonly 10GBase- LX4 SR LR ER SW LW EW の７ 種類 伝送距離 300m ～ 40km Slide: 35 インターネット構成法 2002 WDM 波長の異なる光は互いに干渉しないという性質 を利用 一本のファイバが複数のファイバのように動作 波長数をさらに増やしチャネル間隔を狭めるこ とで高密度化したものに DWDM (Dense WDM) がある 大容量のデータを送れる光ファイバの通信容量 を、さらに数倍から百数十倍まで拡大できる Slide: 43 インターネット構成法 2002 WDMの仕組み 波長1 t 波長1 t 波長2 t 波長2 t 波長3 t 波長3 t 波長毎の屈折率 の違いによる 信号到達時間差 Slide: 44 t インターネット構成法 2002 無線LAN Ethernet Frame による通信 受信と送信を切り替える半二重通信 伝送メディアとして電波を使用 CDMA (Code Division Multiple Access) 同じ周波数で1度に多数の人がアクセス 規格 速度 周波数帯 方式 802.11 1 – 2 Mbps 2.4GHz DS , FH 802.11b 11M bps 2.4GHz DS 802.11a 54Mbps 5.2GHz DS Slide: 45 インターネット構成法 2002 電波の使用 2.4GHz周波数帯(802.11b) 電波使用の免許不要 広く普及 5.2GHz周波数帯(802.11a) 規制がかかっていて使用できなかった 規制緩和に伴って利用が始まっている Slide: 46 インターネット構成法 2002 無線LANでの通信方式(1) CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) データ送信の流れ 1. 通信路が空いているかを確認 ?? Data 2. 通信路が空いていたら、ランダムな時間待つ Data 3. データを送信 Data Slide: 47 インターネット構成法 2002 CSMA/CA ランダムパルス送出 Carrier Sense CSMA/CA 方式 Collision Window (18 pulse) t Slide: 48 インターネット構成法 2002 無線LANの通信方式(3) 無線LANはHalf Duplex データの送信中は、受信できない Collision Detectionできない 有線と同じ通信方式(CDMA/CD)は不可能 CSMA/CA with ACKによる信頼性の確保 送信データに対するACKがない場合、 データを再送 ?? × ACK 再送 Data Slide: 49 インターネット構成法 2002 CDMA 限られた周波数帯の共有 それぞれが使用する周波数帯を狭くする 時間ごとに使用者を切り替える スペクトル拡散方式(Spread Spectrum : SS) 同じ帯域上に信号を拡散させて多重化する方式 限られた周波数で同時に複数の通信が可能 効率的に使用できる Slide: 50 インターネット構成法 2002 直接拡散方式 Direct Sequence : DS 拡散信号PN（pseudo-random number） SS方式の1つ 無線LANで利用されている方式 送信する信号の帯域より大きな帯域をもった信号 DSの流れ 送信側では、データにPNを掛け合わせて送信 より広い周波数rangeに拡散 受信側では、PNを掛け合わせてデータを受信（逆拡散） PNは各ノードに割り当てられ、直交している Slide: 51 インターネット構成法 2002 SSの利点 [周波数スペクトラムの変化] PN sequence 周波数scanにかかりにくい 拡散しているので、個々の周波数のパワーは低い 妨害されにくい ある周波数にノイズがのっても他の部分から補完可能 Slide: 52 インターネット構成法 2002 無線チャンネル 使用する周波数によって1-14のチャンネル チャンネルごとに多重化 チャンネルの周波数帯は密集しているので、近いチャンネル では干渉がおきる 1ch. 2 3 … 13 14 周波数 Slide: 53 インターネット構成法 2002 無線LANのch割り当て 国内規格ARIB STD-T66、STD-T33 chごとの中心周波数･･･5MHz毎 1chあたりの占有周波数帯･･･22MHz 3~４ch離して運用することが多い ch:5 (cf:2.432) ch:10 (cf:2.457) ch:14 (cf:2.484) 2.421 – 2.443 2.446 – 2.468 2.473 – 2.495 ch:4 (cf:2.427) ch:9 (cf:2.452) 2.416 – 2.438 2.441 – 2.463 ch:3 (cf:2.422) ch:8 (cf:2.447) ch:13 (cf:2.472) 2.411 – 2.433 2.436 – 2.458 2.461 – 2.483 ch:2 (cf:2.417) ch:7 (cf:2.442) ch:12 (cf:2.467) 2.406 – 2.428 2.431 – 2.453 2.456 – 2.478 ch:1 (cf:2.412) ch:6 (cf:2.437) ch:11 (cf:2.462) 2.401 – 2.423 2.426 – 2.448 2.451 – 2.473 2.400 2.420 2.440 2.460 Slide: 54 2.480 (GHz) インターネット構成法 2002 横浜IETFでの無線LANサービス 1650名(参加者の87%)が利用 世界中のどこも経験していない高密度、大量接続 Slide: 55 インターネット構成法 2002 まとめ 通信媒体の性質 伝送遅延： エラーレート： ノイズの受けやすさなど、伝送媒体の性質で変化 様々な通信媒体 光ファイバ 配線のしやすさ、安価な面からユーザエンドの配線に利用 無線LAN 広帯域、長い伝送距離を活かし、バックボーンに利用 WDMは数十Gbpsの帯域を実現 Ethernet 伝送距離、通信機器の性能に影響される 家庭、オフィス、大学内、空港など狭い地域を人間が移動する環境に最適 ネットワークの利用用途、場所、通信品質、トポロジなどにより様々な 通信媒体を使い分ける必要がある。 ネットワーク内のどの部分に、どの通信媒体を用いるのが適切か 判断する能力が必要 Slide: 56 インターネット構成法 2002 まとめ(通信媒体の品質) 伝送遅延 伝送距離、通信機器の性能に影響される トラフィックの飽和で生まれる遅延とは別物 エラーレート ノイズの受けやすさなど、伝送媒体の性質で変化 Slide: 57 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 Slide: 58 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: 59 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: 60 インターネット構成法 2002