Transcript 第3章 データリンク - 教職員・研究者のためのコンピュータ利用案内

3.1 データリンクとは
4407010 榎本健太
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データリンク
通信媒体で直接接続された機器間で通信する。
– 通信媒体の例
→ツイストペアケーブル、同軸ケーブル、光ファイバー、電波、赤外線 など
– 具体的な通信手段
→イーサネット、無線LAN、MPLS など
データリンクとはネットワークの最小単位である。
↓
インターネットによる通信は「データリンクの集合
体」といえる。
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３.１.１ ＭＡＣアドレス
• データリンクに接続しているノードを識
別するために利用される。
• ４８ビットの長さを持つ。
• ネットワークインターフェイスカード(NIC)
は世界中で１つしかない。
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ＭＡＣアドレスのフォーマット
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３.１.２ 媒体共有型のネットワーク
• 通信媒体を複数のノードで共有するネッ
トワーク
例：イーサネット、ＦＤＤＩ
・ＭＡＣアドレスが必要である。
・基本的に半二重通信である。
半二重通信：データ送信中はデータの受信ができず、
データ受信中はデータの送信ができない。
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コンテンション方式
データの送信権
を競争で奪い取
る方式である。
CSMA/CD方式が採用されている。
CSMA/CDでは衝突を早期に検出、素早く通信路を開
放する制御が加えられている。
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トークンパッシング方式
トークンというパケットを巡回させ、トークン
で送信権を制御する。またトークンを持つ
ステーションのみがデータを送信できる。
衝突が発生しない。
誰でも平等に送信権が回ってくる。
アーリートークンリリース方式、アペンドトークン方式、
複数のトークンを同時に巡回させる
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トークンパッシング方式の図
信号を受け取った
後のトークン
（ビジートークン）
信号を受け取る
前のトークン
(フリートークン)
トークンパッシング方式
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３.１.３ 媒体非共有型のネットワーク
• 通信媒体を共有せずに専有する方式である。
・適用例…ATMなど。
• ステーションをスイッチに直接接続する。
・多くの場合全二重通信である。
• スイッチの高機能化をする。
・ＶＬＡＮ構築やデータ流量の制御が可能である。
・スイッチが故障すると全てのコンピュータが
通信不可能という欠点あり。
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3.2 イーサネット(Ethernet)
４４０７４０２ 丹野 雅弘
イーサネットとは
 イーサネットは、現在最も普及している
データリンク。
 制御の仕組みが単純で、NICやデバイスド
ライバが作りやすく、そのため低価格であ
る。
 互換性と将来性を備えたデータリンク
イーサネットネットワーク
イーサネットの種類と特徴
 10BASE、100BASE、1000BASE。
 10BASE2、10BASE5、10BASE-T。
 速度の違うものは、速度変換機能を持つブ
リッジやスイッチングハブやルータなどで
変換をすれば、繋げることができる。
イーサネットの種類
CSMA/CD方式
• データ送信の制御をしている。
• 機能
１． 搬送波が流れていなければ（データが流
れていなければ）すべてのステーション
はデータを送信してよい。
2. 衝突が発生したかどうかを検出し、衝突
が発生した場合には送信をやり直す。
CSMA/CD方式の図
半二重通信
• 半二重通信とは、送信している間は受信でき
ず、受信している間は送信できない通信のこ
と。（例：トランシーバー）
• Ethernetの世界では、10Base2 や 10Base5 の
ように同軸ケーブルを使用したバス型ネット
ワークが代表的な例と言える。
全二重通信
• 全二重通信とは、送信と受信が同時に行える
通信のこと。（例：電話）
• Ethernetの世界では、ツイストペアケーブルを
使う10Base-T や 100Base-TX がこれにあたる。
イーサネットのフレームフォーマット
主なイーサネットのタイプフィールドの
割り当て
3.3 MPLS
4407036 榊原 悠
3.3.1 MPLSとは
 MPLS（Multi-protocol Label Switching）
IPパケットに「ラベル」を貼り付けて、
「ラベル」を元にIPパケットを転送する方式
• 今までは
→IPアドレス経路制御表を元にして転送
• MPLSを用いると
→MPLSネットワーク内では、
「ラベル」を見て転送処理
3.3.1 MPLSとは
• 利点１
転送処理の高速化
→固定長のラベルで処理の単純化
• 利点2
ラベルを利用してつくった
仮想的なパス上でIPパケット通信が可能
3.4 無線通信
4407036 榊原 悠
4.3.1 無線通信の種類
• 通信距離に応じて様々な種類がある。
・短距離無線
・無線PAN
・無線LAN
・無線MAN
・無線RAN
・無線WAN
・・・数m
・・・10m前後
・・・100m前後
・・・数km～100km
・・・200km～700km
4.3.2 IEEE802.11
• 無線LANプロトコルの物理層とデータリンク層
の一部（MAC層）を定義した企画
• 様々な種類の総称でもあり、１通信方式でも
ある
• 電波ｏｒ赤外線を用いて通信する。
→速度は1～2Mbps
• 性能が劣るため最近はあまり使われない
3.4.3 IEEE802.11b,IEEE802.11g
• 2.4GHz帯の電波を利用
→速度は1～2Mbps
• 30～50mで通信可能
• 一般の無線LANはこの規格を利用している
3.4.4 IEEE802.11a,IEEE802.11n
• 5GHz帯の電波を利用
→最大速度は54Mbps
• 電子レンジなどの電波帯を利用しないので干
渉されにくい
• 802.11b,802.11gとは互換性がない
3.4.5 無線ＬＡＮを使用する場合の留意点
• 無線LANは幅広い範囲で使用可能
→利用者以外でも使われてしまう！
■対策として…
送受信時の暗号化
• 帯域が近い製品がある場合
何らかの誤作動や電波干渉によって通信転
送能力が低下
3.4.6 Bluetooth
• IEEE802.11b/gと同じ帯域(2.4GHz)
• 速度は3MHz,10mで最大8台まで可
• 小さな機器を対象
例：携帯電話、キーボードやマウス、ワイヤレ
スヘッドフォン
3.4.7 WiMAX
•
•
•
•
•
マイクロ波を使って無線接続を行う
無線MANに属する
IEEE802.16の中で標準化
WiMAX Forumによって命名
WiMAX Forumはメーカー間の機器互換性や、
サービスの相互接続性などを検証
3.5.PPP
(Point-to-point protocol)
4407010 榎本健太
3.5.1.PPPとは
• OSI参照モデルの第２層に相当するデータリンクプロ
トコル
• 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
• ADSLやケーブルテレビなどを使ったインターネット接
続では、PPPoEとして利用されている
3.5.2.LCPとNCP
 LCPは上位層に依存しないプロトコル
・コネクションの確立や切断
・パケット長の設定
・認証プロトコルの設定
・通信品質の監視の設定
 NCPは上位層依存プロトコル
・上位層がIPのとき、IPCPと呼ばれる
・IPアドレス設定
・TCP/IPのヘッダ圧縮が可能
3.5.3 PPPのフレームフォーマット
• HDLCと呼ばれるプロトコルと同じ方式
• “01111110” （フラグシーケンス）を前後に置きフ
レームとして区切る
• PPPはソフトウェアで実行されるため、コンピュータ
に大きな負荷がかかる
フラグ
１オクテッ
ト
(0111111
0)
アドレス
１オクテッ
ト
(11111111
)
制御
１オクテッ
ト
(00000011
)
タイプ
１オクテット
データ
0~1500オクテッ
ト
FCS
４オクテッ
ト
フラグ
１オクテッ
ト
(01111110
)
PPPoE(PPP over Ethernet)
• ADSLやケーブルテレビなどで利用されるプロトコル
• イーサネットのネットワーク機器やNICなどを用いる
ので、安価である
• PPPの認証機能などを利用して、プロバイダが顧客
の管理をしやすくなる。
3.6 ＡＴＭ
４４０７０１０ 榎本健太
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ＡＴＭとは（１）
・Aｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｄｅ
・“セル”と呼ばれる単位で処理するデータリンク
セル
「ヘッダ５オクテット」
＋
「データ４８オクテット」
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ＡＴＭの通信回線（１）
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ＡＴＭの通信回線（２）
• ＴＤＭ（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｏｒ）の拡張利用
で通信効率を向上
• 回線の順番に関係なく、データが来た順にスロット
に入れる
• 受け取ったデータがどの通信のものか不明
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ＡＴＭの通信回線（３）
 識別のために、５オクテットのヘッダを付加
ＶＰＩ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｐａｔｈ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）
ヘッダ
ＶＣＩ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒ）
直接通信を行う２つのＡＴＭスイッチ間で設定
される値
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ＡＴＭの通信回線（４）
• ＡＴＭの利用により、空きスロットを軽減
• 回線の利用効率ＵＰ
• ヘッダの分だけ通信速度は低下
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ＡＴＭの特徴（１）
• コネクション指向のデータリンク
通信前に、通信回線の設定が不可欠
（例：電話）
• この仕組みをシグナリングという
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ＡＴＭの特徴（２）
 同時に複数の通信回線を接続可能
 この回線接続をＳＶＣという
ＳＶＣ
（Ｓｗｉｃｈｅｄ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｃｉｒｃｕｉｔ）
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ＡＴＭの特徴（３）
ＡＴＭには、イーサネットやＦＤＤＩのよう送
信権はない
好きなときに好きなだけデータを送信可能
ここで問題が・・・。
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ＡＴＭの特徴（４）
すべてのＰＣが同時に大量のデータを
送信
ネットワークが混雑して、ふくそう状態に
対策として、帯域を細分化する機能
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ＡＴＭと上位層（１）
• ＡＴＭのセルでは一つあたり４８オクテットのデー
タしか送れない
• そのため、ＡＴＭの上位層としてＡＡＬ（ＡＴＭ Ａｄ
ａｐｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ）と共に利用
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ＡＴＭと上位層（２）
ＡＴＭでパケットのセル化
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ＡＴＭと上位層（３）
ＡＴＭでのＩＰパケットの配送
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ＡＴＭと上位層（４）
１９２個のセルのうち、一つでも欠けると、
ＩＰパケットは破損
ＡＡＬ５（ＩＰでの上位層）のフレームチェッ
クでエラー発生
受信したセルはすべて処分
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ＡＴＭと上位層（５）
ＴＣＰはデータ転送の信頼性のために、
再送処理を実施
１９２個すべてを再送
セルの喪失しづらいネットワークの作成
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ＡＴＭと上位層（６）
• 解決策
・末端のネットワークの帯域の合計をバックボーン
の帯域より小さくする
・ふくそうが発生した場合に、ＡＴＭコネクションの帯
域を動的に変動させる技術
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3.7 その他のデータリンク
4407402 丹野 雅弘
１.１．FDDI
（Fiber Distributed Data Interface）
• ネットワークのバックボーンやコン
ピュータ間を高速に接続するために
利用されている。
• トークンパッシング方式（アペンド
トークンパッシング方式）を採用。
• トークンパッシングを使用しているた
め輻輳に強い。
1.2 FDDIネットワーク
２．Token Ring
• IBMによって開発されたトークンパッシング型
のLANで、４Mｂｐｓまたは１６Mｂｐｓのデータ
伝達速度を実現する。
• イーサネットの普及とともに使われなくなった。
３．１００VG－AnyLAN
• IEEE８０２．１２で標準化されたプロトコル。
• VGは、Voice Gradeの略。
• 音声グレードのカテゴリ３と呼ばれる品
質のUTP（ Unshielded Twist Pair ）
ケーブルで１００Mｂpsの速度を実現。
• デマンドプライオリティ方式の採用。
４．ファイバーチャネル
（Fiber Channel）
• 高速なデータチャネルを実現するデータリン
ク。
• SCSI （スカジー、Small Computer System
Interface、小型計算機システムインタフェー
ス）のように周辺機器を接続するバスに近い
仕組み。
• １３３Mbps～４０Gｂｐｓのデータ伝送速度を実
現。
• SAN（Storage Area Network）を構築するデー
タリンクとして注目されている。
５．iSCSI
• SCSIをTCP/IPネットワーク上で利用
する規格。
• SCSIのコマンドとデータをIPパケット
に包含して、データの送受信を行う。
• 遠隔地にあるSCSIデバイスを直接
操作することが可能になる。
６．HIPPI
（HIgh Performance Parallel Interface、
高速並列インタフェース）
• 800Mbpsまたは1.6Gbpsのデータ伝送速
度を実現する。
• スーパーコンピュータ同士を接続するの
に利用する。
• 光ファイバーへの変換装置を接続すると
数キロまでケーブル長を伸ばせる。
７．IEEE１３９４とDOCSIS
・IEEE
AV機器を結ぶ家庭向けLANとして注目される。
100～800Mbps以上のデータリンク速度を実現
する。
・DOCSIS （Data Over Cable Service Interface
Specifications）
ケーブルTV業界でデータ通信を行うための標準
規格で、MCNSが策定した。
CATVの同軸ケーブルにケーブルモデムを接続し、
イーサネットとの変換を行うための仕様を標準
化している。
８．高速PLC
• 家庭内やオフィス内にある従来からの電力線
（電灯線）を利用して数MHｚ～数十MHｚの帯
域を使い、数十Mbps～２００Mbpsの伝送速
度を実現する。
• 電力線を使うため、新たにLANを配線しなくて
済む。
• 対応する家電機器やオフィス機器をコント
ロールするという利用方法が期待されている。
• 電波の遺漏による影響が心配されるため屋
内での利用に限定される。
９．データリンクの種類と特徴
WAN: Wide Area Network －「広域通信網」の略。電話回線や専用回
線を使って、本社－支社間など地理的に離れた地点にあるコン
ピュータ同士を接続し、データをやり取りすることを言う。
MAN: Metropolitan Area Network - 都市規模ネットワーク。LAN（ロー
カルエリアネットワーク）よりも大きくWAN（ワイドエリアネットワー
ク）よりも小さな中規模ネットワークを指す総称として使われる。
３．８ データリンクの技術変化
４４０７４０２ 丹野 雅弘
１.１．スイッチング技術
• スイッチングハブやイーサネットスイッチなど
の機器を利用して、ネットワークに接続されて
いるホスト数が多くても通信性能を下げない
ようにする技術。
１．２．セグメント
• 「区切られた１つのネットワーク」を指す。
• 使われ方は様々で、リピーターを介して、２本
のイーサネットケーブルを接続し、１つのネッ
トワークを構築すると
・ネットワーク層から見ると１つのネットワーク
→２本のイーサネットで１セグメント
・物理層から見ると2本のイーサネットは別物
→１本のイーサネットで１セグメント
１．３ スイッチの転送方式
• ストア＆フォワードとカットスルー方式という２つの方
式ある。
ストア＆フォワード
FCS（Frame Check Sequence）をチェックしてから転送を
行う。
壊れたフレームやノイズによるエラーフレームを転送
しない
カットスルー方式
遅延を非常に小さく抑えられるというメリットがある。
パケットの検査ができないので破損したパケットが届
いてものまま送り出してしまうといったデメリットもある。
２．１．ループを検出するための技術
・ループとは
ネットワークにおいてフレームを次々にコピーし、
永久に回り続けること。回り続けるフレームが増
えるとネットワークがメルトダウンする。
・ループの解決方法
スパニングツリー方式とソースルーティングの２
つの方式がある。これらの機能を持ち、適切な
ループを作成すれば、トラフィックを分散させたり、
経路の対障害性を高めることができる。
２．２．スパニングツリー
• IEEE８０２．１Dで定義されている。
• 各ブリッジは１～１０秒の間隔で、BPDU
（Bright Protocol Data Unit）というパケッ
トを交換する。
• 使用するポートと使用しないポートを決
定し、ループを消すように制御する。
• ブリッジ機能のみでループを解消できる。
２．３．ソースルーティング
• IBMによってToken Ring用に開発された。
• 送信コンピュータがどのブリッジを経由し
てフレームを流すかを決定し、フレーム
のRIF（Routing Information Field）に書き
込む。
• ブリッジによるループがあってもフレーム
はループすることなく、目的地まで到着
する。
３．１．VLAN（Virtual LAN）
• ネットワークの配線を変えずに、
ネットワークの構造を変えること
ができる。
• 異なるVLAN間のすべての通信を
遮断することで、余分なパケット
が流れず、効率的な運用ができ
る。
３．２．VLANとタグLAN
・単純なVLAN
スイッチのポートごとにセグメントを分け、ブロードキャストドメインを区切ることが
でき、ネットワークの負荷を軽減できる。
・タグVLAN
異なるスイッチをまたがるセグメントを構築できる。
セグメントごとにVLANIDを設定する。