通信ネットワーク工学基礎 - Yamanaka Lab 情報通信ネットワークの展開...

通信ネットワーク工学基礎

2016年9月吉日

慶應義塾大学理工学部情報工学科教授

山中直明[email protected]

1

1

後期金曜日5限日吉 614教室

ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

自己紹介(1/3) 連絡先2

氏名：山中直明

所属：理工学部情報工学科教授

E-mail: [email protected]

連絡先（矢上）

TEL: 045-566-1744

矢上２６－２１０C

矢上新07棟201～203


自己紹介(2/3) 経歴3

S58年慶応義塾大学理工学部計測工学科修士終了

NTT武蔵野通信研究所入社ネットワークシステム

ATMシステム

光ネットワークの研究

1998年慶応義塾大学大学院非常勤講師 2000年 IEEE Fellow 2001年～フォトニックインタネットラボ代表

2001年～総務省けいはんなオープンラボ相互接続性検証WG 主査

2004年4月～慶應義塾大学理工学部情報工学科教授


自己紹介(3/3) 専門分野4

フォトニックネットワーク

ノードシステムアーキテクチャ

コンテンツ配信網

P2Pネットワーク

リコンフュグラブルプロセッサ

ネットワークセキュリティ

スマートグリッド（エネルギーネットワーク）

→2011、2012年情報系就職担当教授

2014年～慶應義塾先端科学技術研究センター副所長


授業の目的と資料5

ビッグデータ時代：すでに情報の量は宇宙に存在する惑星の数よりも多い

光ネットワーク、ワイヤレスネットワーク、スマートフォンの普及

情報通信、特にネットワークの基礎的技術を理解して、将来の情報通信技術者として活躍するための基盤を確立したい

できるだけ基礎的に、概念を理解できるように努力したい

とにかく好奇心と興味を作るようにしたい


授業の構成6

第1回ガイダンス

第2回第1章情報通信ネットワークの基礎

第3回第2章ネットワークの機能と形態

第4回情報メディアのディジタル符号化

第5回ディジタル伝送

第6回ネットワークアクセス

第7回マルチアクセス制御

第8回ネットワーク層プロトコル

第9回トランスポート層とフロー制御

第10回通信品質

第11回トラヒックエンジニアリング

第12回 VoIPネットワーク


教科書7


評価について8

演習／出席（50）毎回、簡単な演習を行ない、Renandyにより返却予定。必ずダウンロードしておくこと（未ダウンロードはチェックします）

中間テスト（20）授業中に簡単な中間テストを行なう

最終試験（30）

情報通信ネットワークの基礎

第1章


情報通信ネットワークの展開

ネットワークインフラストラクチャ

N１(日本)

FTTH

携帯電話

ﾈｯﾄﾜｰｸ全国展開

1957

全国自動化

1979

光ﾌｧｲﾊﾞ網全国縦断

1985

ﾃﾞｨｼﾞﾀﾙ化完了

1997

ISDN

1988

ﾌﾚｰﾑﾘﾚｰ

1994

移動通信PHS

ISDN ATM

1997

光ｱｸｾｽ系導入

1990

NGN

20ｘx

i-Mode

1999

ADSL

FOMA

2001

ブロードバンドアクセス

1987 1995

201020001960 199019801970

３G

ARPANET(1990まで）

TCP/IPARPANET

採用NSFNETサービス

1969 1981 1983 1986 1990 1995

米国商用ｲﾝﾀｰﾈｯﾄ

日本商用ｲﾝﾀｰﾈｯﾄ

1993

本格的なｲﾝﾀｰﾈｯﾄ利用

2006

実験・研究用

商用

1999 2001

ISDN: Integrated Services Digital Network, PHS: Personal Handｙphone ServiceATM: Asynchronous Transfer Mode, ADSL: Asynchronous Digital Subscriber LineFTTH: Fiber to the home, ARPAnet: Advanced Research Project Agency network, NSFNET: National Science Foundation Network, NGN: Next Generation Network

インターネット

図1.1


情報ネットワークの進展23

Telegraph 1835年モールス

Telephone 1876年グラハムベル

Internet 1969年米国西海岸

1994年 WWWの普及


ネットワーク効果

図1.2


ネットワークと交換（Switching）25

メトカーフの

ネットワークの効果＝

ネットワークは1人では意味がない。に比例して意味を持ち始めて、クリティカルマス（臨界量）を超えると急激に増大（Facebook、SNS）

2)1( nn

2n


通信＝ Telecommunicationの原点

２０００年前の万里の長城

敵の数を狼煙（のろし）の数で表現

http://www.yamanaka.ics.keio.ac.jp


近代通信の歴史

1844 有線電信、Washington D.C.-Boltimore（米、Morse）

1876.2. 14 電話の発明、特許出願（米、Bell） 1880 Photo Phoneの実験（米、Bell） 1909 無線電信の研究でノーベル賞（伊、Marconi） 1970 低損失光ファイバの実現（米、Corning社）、損失20dB/km、7dB/km

半導体レーザ（Laser Diode: LD）の室温発振（米、AT&T Bell研）

1973 光ファイバ損失2.5dB/km （米、AT&T）

1975 光ファイバ損失1dB/km （米、AT&T）

1976 光ファイバ損失0.47dB/km（日、日本電信電話）長波長LDの室温発振（日、東工大, NTT, KDD）

1979 光ファイバ損失0.2dB/km （日、日本電信電話）光ファイバ通信の発展

1984 Boston-Washington D.C. 光ファイバケーブル敷設（米、AT&T）

1985 日本縦貫光ケーブル敷設（日、NTT）

1989 太平洋横断光ファイバケーブル敷設（日、KDD、米、AT&T ）

1990 光ファイバ増幅器の製品化

1995 波長多重(Wavelength Division Multiplexing)の実用化光ファイバネットワーク構築


世界で初めての電話機


第一号電子交換機


課金メータ


31


電話を楽しむ人々


電話放送？？


光糸電話Photo Phoneの実験（米、Bell）

鏡

光の当たり具合で電流が変わる素材あ～

あ～

太陽光を利用

インターネットの始まり

端末ネットワーク

単純

Stupid

賢い

Intelligent

不透明、品質保証、回線交換

低効率、高価格高セキュリティ

透明、ベストエフォート、パケット交換

高効率、低価格低セキュリティ

賢いIntelligent

単純

Stupid

ネットワークの構成原理

とその特質は対称的

電話ネットワーク

インターネット


パケット通信の高速化の歩み

FMBS（～45Mbps）高速化

ブロードバンドアクセス

（ADSL, FTTH,CATV)

ストリーミングサービス統合

（IP電話、IPテレビ）

･転送ｽﾄﾗﾀﾑとｻｰﾋﾞｽｽﾄﾗﾀﾑ分離

･QoS制御･セキュリティ

IP／ATM

ｾﾙﾌﾙｰﾁﾝｸﾞｽｲｯﾁによる回線ﾓｰﾄﾞと交換ﾓｰﾄﾞ

転送系統合

回線モードと交換モードの

アクセス系統合

ISDNパケットモード

サービス（～64kbps）

アクセス

X.25パケットサービス

（～64kbps）高速化

ATM（～600Mbps）

ブロードバンドインターネット

(～1000Mbps)

IPプラットフォーム

NGNATM

バックボーン

手順の簡略化による高速化

ダイアルアップ（電話／ISDN）

インターネット（～64kbps）

図1.3

CPUの集積度の推移（ムーアの法則）

1000

100

10

1

0.1

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

トランジスタ数(x104)

◎

◎

◎

◎

◎

◎◎

◎

286

3 86

486

Pentium

8086

(5MHz)

10000

100000

◎

◎

◎

Pentium4

Itanium2

Itanium2

◎

◎PentiumII

PentiumIII

2005 2010年

◎Itanium

◎デュアルコアItanium2

8086(8MHz)

8080(2MHz)

4004(750kHz)

◎

クアッドコアCore 2 Duo

図1.4


ムーアの法則40

米国インテル社の創業者ゴードン・ムーア

1965年に自らの論文に

“集積回路上のトランジスタ数は「18カ月ごとに倍になる」”

5年後 10.08倍、20年後 10321.3倍

→熱、電力の問題がクリアーできない

5.1/2nP

ハードディスクドライブの記録容量の推移（クライダーの法則）

年月

容量

（G

B)

1979.5.25 2001.4.191995.10.281990.7.51984.11.14

容量

ビットあたり価格(相対値）

図1.5


ITの諸経路則（P9）42

すべて経路則ロックの法則

ウァースの法則

マーフィーの法則


情報通信ネットワークの基本接続構成と基本機能

ネットワークノード

ユーザ端末

リンクリンクリンクリンクリンク

中継線加入者線加入者線中継線中継線

UNI UNINNI NNI NNI NNINNI NNI

ユーザ端末

UNI: User-Network InterfaceNNI: Network Node Interface

加入者交換機

加入者交換機

中継交換機中継

交換機

コアルータ

コアルータ

エッジルータ

エッジルータ




図1.6


いくつかの基礎単語44

ユーザー端末 Terminal アクセスリンク Access link サービスノード Service Node 中継ノード Transit Node 中継リンク Transit Link


コネクション型通信（１）45

電話のネットワーク

①ダイヤル（Call Setup）

②パス確立（呼とよぶ）

③通信

④切断

ユーザ（送信）ユーザ（受信）

03-3111-1111OK

OK

通信

切断×

×


コネクション型通信（2）46

電話番号

0 4 5 - 5 6 6 - 1 7 4 4

① グローバルユニーク

② 階層的構成

市外

横浜

日吉


コネクションレス型通信（1）47

横浜市・・・・・・・

〒223-8522横浜市港北区日吉3-14-1

慶應義塾大学御中

IPアドレス 192.184.55.62


コネクションレス型通信（2）48

ヘッダ

ノード

ヘッダをすべて読み取る

192.184.55.62 #6NHR

アドレス次のルータ

フォワーディングテーブル

（注）実際はプリフェックス


OSI階層モデル

階層内容情報交換の単位

第7層アプリケーション層（application layer）

WWW、電子メール、ファイル転送などのアプリ

ケーションが機能するためのプロトコル。ｈｔｔｐ、ｓｍｔｐ、ftpなど。

APDU

第6層プレゼンテーション層（presentation layer）

アプリケーション層で利用されるデータの表現形式および表現形式間の変換。

PPDU

第5層セッション層

（session layer）セッション（通信の開始から終了までの一連の手順、エンドエンド間データの同期など）プロトコル。

SPDU

第4層トランスポート層（transport layer）

エンドエンド間データ転送プロトコル、信頼性の高いTCP、リアルタイム性の高いUDPなど。

TPDU

第3層ネットワーク層（network layer）

エンドエンド間のルーティング（通信経路選択）。IPなど。

パケット

第2層データリンク層

（data link layer）隣接ノード間送受信のためのデータのパケット化の方法と送受信プロトコル。

フレーム

第1層物理層（physical layer）

データリンク層からのフレームをビット列へ変換、あるいはその逆。物理媒体の電気的インターフェイスおよび変調方式など。

ビット

高位レイヤ

低位レイヤ

APDU: Application Protocol Data Unit

表1.1


階層型プロトコルによるエンドーエンド通信

中間ノード(交換機、ルータなど）

プレゼンテーション

セッション

トランスポート

ネットワーク

データリンク

物理

アプリケーション


セッション


ネットワーク

データリンク

物理


ネットワーク

データリンク

物理

プロトコル

プロトコル

プロトコル

プロトコル

プロトコル

プロトコル

プロトコル

プロトコル

プロトコル

プロトコル

ユーザ‐ネットワークインタフェース

ユーザ‐ネットワークインタフェース

ネットワーク端末(エンドノード)端末(エンドノード)

セグメント

パケット

フレーム

ビット

処理対象

図1.7


階層モデルの原則51

① 階層間の独立

階層間にまたがることなく明確に分離

② 上位→下位もしくは下位→上位と処理が進む

③ 階層間インタフェースの保存

インタフェースを守る限り、改善や拡張が自由

④ 実装との独立

複数階層をLSIにしても可


階層型プロトコル処理の流れ

送信側：各層がそれぞれのヘッダ情報を付加して下位層へ渡す

受信側：各層がそれぞれのヘッダ情報を取り除いて上位層へ渡す

オーバーヘッド

ユーザデータ

各層用のヘッダ情報

送信手順受信手順

ペイロード

DH

NH

TH

SH

PH

AH

伝送フレーム

AH：アプリケーション層ヘッダ、PH：プレゼンテーション層ヘッダ、SH：セッション層ヘッダ、TH:トランスポート層ヘッダ、NH:ネットワーク層ヘッダ、DH:リンク層ヘッダ

セグメント

パケット

フレーム

ビット

図1.8


OSIモデルとインターネットプロトコルの対応

インターネットプロトコルスタック（例）

アプリケーション層

プレゼンテーション層

トランスポート層

セッション層

ネットワーク層

データリンク層

物理層

アプリケーション（WWW, SMTP,

FTP等）

TCP

IP

イーサネット、フレームリレー、ATM、無線LAN 等

（インターネット仕様としては規定しない）

UDP

OSIモデル

アプリケーション（RTSP、SIP等）

図1.9ゲートウェイで相互に接続


サービスとサービスプリミティブ

ユーザユーザ

サービス

サービスプリミティブ

サービス

サービス

第７層

第6層

第5層

サービス

インタフェース




サービス


サービス

サービス

サービス

ヒューマンインタ

フェース







プロトコル

プロトコル

プロトコル



SAPヒューマン


SAP

SAP

SAP

SAP

SAP

SAP

SAP

SAP：サービスアクセスポイント

第4層以下へ

図1.10


サービスプリミティブの例

サービスプリミティブタイプ

要求（Request）

指示（Indication）

応答（Response）

確認（Confirm）

内容

サービスを要求

イベントにかんする情報を要求

イベントに関する応答を要求

以前に出した要求に関する応答

例

コネクション確立

着信者へのシグナル送出

着信者による受信許諾

受信者による受諾通知

表1.2


図1.11 OSIモデルとSNA

トランザクションサービス

データフロー制御

伝送制御

パス制御

物理

データリンク

ネットワーク


セッション



物理制御

データリンク制御

プレゼンテーションサービス

SNAOSIモデル

SNA：Systems Network ArchitectureOSI：Open Systems Interconnection

1974年 IBM ⇒ SNAを発表国際標準 OSI

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