第 2 章ネットワークを支える技術 ネットワーク構成論 I 情報システム学研究科

ネットワーク構成論　Ｉ

第２章ネットワークを支える技術

ネットワーク構成論　Ｉ

情報システム学研究科

概要

„

物理ネットワークの形態

„

イーサネット

„

トークン・リング

„

ＦＤＤＩ

„

ＡＴＭ

„

その他

物理ネットワークの形態

„

Ｉｎｔｅｒｎｅｔ

– 物理的なネットワークではない – 異なったハードウェアによって実現されている ネットワークを統合的にアクセスできるように する技術 „

伝送媒体

磁気メディア、ツイスト線、同軸ケーブル、 光ファイバー、無線通信

„

磁気メディア

– 25GBのDATテープを５０本かばんに入れて 運ぶ.１時間で届ければ2.8Gbps – 遅延が大きい „

ツイスト線　

（電話加入者線、ＵＴＰ） – 2,3Kmならば数Mbpsの伝送能力をもつ。 • 距離、線の太さによる. (ADSL) – 干渉を除く. „

同軸ケーブル

– 10Mbps 1km (50Ω) – Tコネクタ、vampire tap

ツイスト線

Ｖａｍｐｉｒｅ　Ｔａｐ

Yellow cable

光ファイバーケーブル

„

multi-mode と single-mode 1Gbps, 1km

„

LED, laser diode と photodiode

„

光のオン・オフでディジタル通信

„

vampire tap がむつかしい　→　長短あり

„

多くは点対点で一方向で利用する.

„

細くてすむ.　長距離に適する.

„

光波長多重

MAPOS

NTT未来ねっと研究所 　　　　　 „ 622Mbps, single mode ファイバー „ 2.4Gbps～20Gbpsへの 実験

無線通信

„

無線ＬＡＮ、赤外線通信、マイクロ波通信

„

衛星通信　トランスポンダ

– ５００ＭＨｚを３６ＭＨｚ毎に分ける→５０Ｍｂｐｓ – 遅延の問題 • ２５０ｍｓから３００ｍｓ • マイクロ波 ３μ秒/km, 同軸ケーブル　５μ秒/km • 帯域幅が狭ければ地上通信でも同じ – 放送性、秘匿性 „

PHS, 移動通信

アナログ伝送とディジタル伝送

„

アナログ伝送

– モデム • PAM, FSK, PM, QAM 搬送波を用いる. – RS-232C, RS-449 „

ディジタル伝送

– PCM通信の規格T1 (1.544Mbps) • T2(6Mbps), T3(45Mbps), T4(274Mbps) „

規格

– コネクタ、信号線、電圧レベル、呼接続手順

ネットワーク通信の技術

„

回線交換

– 呼接続により回線を切り替えて、占有する. „

メッセージ交換

– 蓄積交換　store-and-forward „

パケット交換

– パケット（データの小包）単位の通信 – 通信路を占有しない.

„

回線交換

– 容量の保証、他の通信が邪魔をしない。 – コストはトラフィックに無関係 „

パケット交換

– 多重利用 – 容量がトラフィックによる（保証されない） ) 多くのコンピュータが通信路をshareできる. ¿ 相互接続の経費が小さい ) capacity ¿ 技術の進歩（高速化）で問題が少なくなった。

ネットワークといえばパケット交換網をさす.

ＬＡＮとＷＡＮ

„

ＷＡＮ

– 通信事業者による – 点対点　(point to point) 接続 „

LAN

– 半径数km – 数Mbps以上 – 単一組織による所有 – 多重アクセスネットワーク

多重アクセス・ネットワーク

„

静的割り当て

– ＦＤＭ（ＴＤＭ）　周波数（時）分割多重 • 通信路を占有できる　少数、重いトラフィックに有利 • 多数のユーザ、バースト・トラフィックに不利 – ほとんどの通信路がほとんどの時刻でＩＤＬＥ „

動的割り当て

– Aloha, Ethernet, Token-ring, FDDI – ランダム多重アクセス

動的割り当てモデル

„

局モデル　

Ｎ

個の独立な局で独立に生起

„

単一通信路の仮定

„

衝突の起きる可能性

„

連続時間/スロット時間

Aloha Protocol

„

衛星によるハワイ大学のネットワーク

– 局は送信通報があればすぐに送信 – 衝突であればランダム時間待ち、再送

衝突なしでどのくらいの％が送信できるか？

t t 衝突可能区間 時刻 t: １フレーム時間 衝突フレーム 送信フレーム

– 無限に多いユーザ – １フレーム時間に発生するフレーム数は平均 がS のPoisson 分布をする.　(0<S<1) – 再送を含めて１フレーム時間に送信されるフ レ ーム数は平均値G のPoisson 分布をする. 　 offered load throughput ただし _{はフレームが衝突しない確率である.} S≦G である.

　

k フレームの発生する確率は

!

]

Pr[

k

e

G

k

G k −

=

0

GP

S

=

G

0

P

„

Ｐｕｒｅ Ａｌｏｈａ のスループット解析

– 0個のフレーム生起の確率 – 衝突しない確率 – スループット „

Ｓｌｏｔｔｅｄ Ａｌｏｈａ

– すべてのフレームは同期してスロット内に生起 – 完全な衝突か、完全な分離 G

e

P

₀

=

−2 G

e

−

=

]

0

Pr[

G

Ge

GP

S

=

₀

=

−2 G

Ge

S

=

−

Ａｌｏｈａ のスループット

（平衡状態）

ス ル ー プ ッ ト Offered traffic S G Slotted Aloha Pure Aloha 18% 37%

Ａｌｏｈａ プロトコルの性能

„

Slotted Aloha は G=1 のとき最大 S

37%がアイドル、37%が成功、26%が衝突 „

平均待ち時間 E の指数関数的増大

– 衝突なし　　　　　　衝突あり – k 回送信でやっと成功

368

.

0

/

1

=

=

e

S

G

e

−

1

−

e

−G 1

)

1

(

− − −

₋

=

G G k k

e

e

P

∑

∞ =

=

=

1 k G k

e

kP

E

Carrier sense protocol

„ 1 persistent CSMA – 空いていれば使う. – ビジーなら待ち、空いたらすぐ使う. „ non-persistent CSMA – 空いていれば使う. – ビジーなら衝突サイクルへ入る. „ p-persistent CSMA – 空いている限り確率 p で使う. • 途中でビジーになると衝突サイクルへ入る. – ビジーなら空くまで待って上の処理へ入る. ) 衝突サイクル→　ランダム時間待ち、再試行

CSMA protocol の特性

offered traffic G ス ル ー プ ッ ト

S

衝突検出　　CSMA/CD

„

キャリア検出のほかに衝突検出も行う.

– キャリア・センスをしても衝突はなぜ起きるか. • 最大伝搬時間をτとすると 2τは衝突がわからな い. • 同軸ケーブルでは　τ＝５μ秒 – 時間幅２τのslotted alohaと同じになる. – 衝突検出はアナログ処理である. • 記号 “0” が 0 ボルト信号だとわからない. • Manchester coding

IEEE 802

„

802.3

Ethernet

„

802.4

Token Bus

„

802.5

Token Ring

– 標準 • 異なるコンピュータが接続可能 • 市場の拡大、生産の合理化、安価・大量

– De facto (from the fact - 実質的な標準) – De Jure (by law - 正式な標準)

標準化

„

２匹の象の啓示

„

標準化が遅くても早くても不可

– 早過ぎると → 正しくない選択 – 遅すぎると → ばらばらな投資 研究 標準化 大量投資 時間 活 動

„

1973年MITの学生 → Xerox

– Ethernet – DEC, Intel が後押し – コントローラ・チップ　　ＬＡＮの実質標準 „

ＧＭ　(General Motors)

– Token Bus – 日本の自動車メーカーとの競争 – ラインの制御　→　最悪の遅延時間を押さえる. „

IBM

– Token Ring – IBM Zurich – 高信頼、保守性その他

„

ＩＥＥＥの後押しでＬＡＮの標準化

„

大騒ぎになった

– Ethernet

• Xerox, DEC, Intel, オフィス・オートメーション – Token Bus • GM, 下請け, ファクトリ・オートメーション – Token Ring • IBM, 多くのその他 „

結局タオルが投げられ、・・・

– 無いよりはまし. – ３つの標準ができた　→　上位の規格を合わ せた

Ｅｔｈｅｒｎｅｔ

„

1 persistent CSMA/CD with binary

exponential back-off

– キャリア・センス • 空いていれば出る. • 空いていなければ空くまで待って出る. – 衝突が起きたら、すぐにやめて • ランダム時間待って繰り返す. • 待ち時間は繰り返しのつど最大値が２倍になる 待ち時間＝(0,1) の一様乱数× „

その他の規格

k

2

Ｅｔｈｅｒｎｅｔ

„

性質

– 分散アクセス制御 – バス：　すべての局がひとつの通信路を共有 – boadcast: すべての局がすべての伝送を受け る – Manchester 符号 – ジャム　数１０ビット

Ether frame

„

Self identifying

– プリアンブル ６４ビット – あて先 ４８ビット – 発アドレス ４８ビット – フレーム長 １６ビット – データ ３６８～１２０００ビット – ＣＲＣ ３２ビット • データ部分は１５００オクテット以下

802.3の能率　

ネットワーク機器

„

トランシーバ

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リピータ

„

ブリッジ

„

ハブ

„

スイッチング・ハブ

„

ルータ

„

ゲートウェー

Ethernet ネットワーク機器

リピータ/ブリッジ トランシーバ

Ethernet ネットワーク機器

Ethernet ネットワーク機器

„

マルチホーム・ホスト

„

ゲートウェー

„

ルータ

トークン・バスの発想

„ 802.3 – 確率的なサービス、待ち時間の保証が無い. – 優先度が無い ロボット制御のラインには不向き „ トークン・リング – 最悪値が既定値、一回り待てば番がくる – 物理実装 • リングケーブル切断 → システムダウン • 組み立てラインは線形 „ 802.3の堅固さとリングの最悪値の制限

Token Bus の特徴

„

バス上に論理的なリングを構成

„

token で制御→衝突は起き得ない

„

broadcast

„

複雑

– １０個のタイマー、２０以上の状態、２００ペー ジの標準、Ada (802.3はPascal) で記述 – ７５Ω、変調（ＦＳＫ） 0, 1 以外の記号も可能 – ４つの優先度　(substation) „

加盟、脱退のアルゴリズム

その他のＬＡＮ

„

Token Ring

„

FDDI

„

ATM

„

MAPOS

„

その他

ＷＡＮの通信

„

点対点の通信

– ＰＰＰ　(Point-to-point protocol) – Sonet/SDH „

その他

– ＡＴＭ,フレームリレー – ＭＡＰＯＳ