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ネットワークの仕組み

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情報の伝達

• コミュニケーションとは（communication）

– 伝達，連絡

– 通信

• コミュニケーションの歴史– 言語→文字→印刷物→電話→コンピュータネットワーク

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通信のモデル

• 単方向

• 半二重通信

• 全二重通信

送信者 受信者

符号化

復号化

Code化 Decode化

シャノンの通信モデル

雑音

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情報量の単位

• 1ビット（bit) ，1byte(8bit)

• 漢字は何バイト？（2バイト＝16ビット）

【実習】

• 問い：４０字３５行の日本語文字は何ビット？

（40*35*16ビット）

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アナログ信号からディジタル信号へ

• アナログ信号（ＡＤ変換）

– 標本化（サンプリング）

– 量子化（整数化）

– 符号化（２進数化・・・0，1）

• ディジタル信号へ

・標本化周期（サンプリング周期）とはサンプリングする時間間隔のこと

・標本化周波数（サンプリング周波数）とは

１秒間に何回サンプリングするか（単位はHz)のこと

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情報の圧縮（画像を例に）

• 圧縮形式（ＧＩＦ，ＪＰＥＧ，ＰＮＧ，ＭＰＥＧ，ＭＰ３など）

• 可逆性圧縮，非可逆性圧縮の2種類

【実習】

• 写真とアニメをそれぞれ圧縮してみよう．

• ペイントソフトで絵を描き，それぞれを次の3つの形式に保存してファイルサイズを比較しよう

• bmp，gif, jpeg

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• 同じ数字の連続個数⇔２進数に対応（圧縮規則を決める）

• 元のデータ → 圧縮後 １０進数• １ ０００ ０

• ０ ００１ １

• ００ ０１０ ２

• ０００ ０１１ ３

• ００００ １００ ４

• ０００００ １０１ ５

• ００００００ １１０ ６

• ０００００００ １１１ ７

• 問題：００００１０００００１１１０００００００１００００００を圧縮せよ．

• １１１１１１１１１１１１１１１１１１１１１１１１１は無駄

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データ圧縮：ランレングス符号化（Run Length）（固定長・・・３ビット）

画像データなどの圧縮に用いられる符号化方式の一種で、連続する同一の値を 「色×回数」という列の長さ （run-length) の情報に置き換える方式。

データ圧縮：ハフマン法

出現率の高いデータに短い符号を割り当て、出現率の低いデータに長い符号を割り当ることで、データの効率化を行う方法

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【記号列】：AAAAAAAABBBCCCCCCDDDDEEEEE

【手順１】記号列の先頭から各記号の出現回数を数える。A：８個，B：３個，C：６個，D：４個，E：５個

【手順２】次の①，②を繰り返す。①出現回数の多い順に記号を並べ替える②出現回数の少ない2つを1つにまとめ（新たに1つの記号とみなす），そして改めて出現回数の多い順に並べ替える。そして，このときにできる枝に対して，右図のように数字の0または１を割り当てる。（便宜上，ここでは出現回数の大きくない記号から出ている枝を1とし，他方を0とする．出現回数が等しい場合は0，１のどちらを割り当てても構わない）

【手順３】すべての記号がまとまったならば，最後の枝からさかのぼって，各記号に0，1からなる数列を割り当てて符号を作る。

A

BC

D

E

01

00

0

1

1

1

【符号化の結果】 A：00，B：011，C10，D：010，E：11

誤り検出・訂正チェック：パリティチェック

• パリティチェック（偶数・奇数）

– １の個数に応じて、最右部に１ビット分を確保

• 偶数→０、奇数→１

• 例：７ビットの場合

– 10100101 11111100

注） １ビットの誤りを検出（ただし，正しいデータには訂正でない）

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誤り検出・訂正チェック：ハミングチェック

4ビットの元のデータ「abcd」に対して、次の規則で7ビットのデータ「abcdefg」を定める。

e＝（a＋b＋cを2で割った余り）

f＝（b＋c＋dを2で割った余り）

g＝（c＋d＋aを2で割った余り）

注）この方法は１ビットの誤りを検出し，訂正する．

例題１：4ビットデータ「0101」の場合 → 「0101101」となれば正しく送信

例題２：「1100110」を受信した場合、どのように誤りを訂正できるか.

解説： 「1100」が正しいと仮定すると「1100011」．

e＝（a＋b＋cを2で割った余り） ×

f＝（b＋c＋dを2で割った余り） 〇

g＝（c＋d＋aを2で割った余り） ×

以上からaが誤りのビットであると結論づける．

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ネットワークの利点

• コミュニケーションの変化

• 資源の共有化

• 遠隔操作

• 分散処理

スタンドアロン

ネットワーク化

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ＬＡＮとは（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）

サーバ専用機

クライアント群クライアント群

ネットワーク接続機器

一つの組織など限られた範囲でコンピュータ機器を接続して構築されるネットワークのこと

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通信プロトコルとは

電話による情報伝達の階層化の例

会話を成立させる約束事

コンピュータによる会話を実現させるために、人間の会話を構造化した。

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ＴＣＰ／ＩＰの階層構造（ＯＳＩ参照モデルの７階層に準拠）

送信

受信

インターネットで用いられる標準プロトコル

各階層が機能の異なるプロトコルをもち、対応する層のやりとりを意識する。

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アプリケーション層

• ネットワークユーザ間，アプリケーション間の通信規定

• 文字コードなどデータ表現形式を制御

– （プレゼンテーション）

• 通信の開始から完了までの手順を規定

– （セッション）

• ここでのプロトコル．（ ）はポート番号

– ｈｔｔｐ(80)，ｆｔｐ（20，21），ＳＭＴＰ（25），ＰＯＰ（110）など

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POPとSMTP（電子メールの仕組み）

アプリケーション層

SMTPサーバ POPサーバ

POPサーバ

SMTPサーバ

インターネット

①メールをSMTPサーバに送る

②送信先のSMTPに配送する

プロバイダー プロバイダー

③届いたメールを保存する

④自分宛のメールの有無を問い合わせる

送信者：okuma@ruri.waseda.jp 受信者：hukuzawa@keio.ac.jp

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トランスポート層（ＴＣＰ／ＩＰのヘッダ）

ＴＣＰヘッダへの書き込み

– データ分割（パケット）

– シークエンス番号の付加

– ポート番号の付加

データTCP

ヘッダインターネット層へ

ＩＰヘッダ

データリ

ンク層

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トランスポート層（ＴＣＰとＵＤＰ）

①データに通し番号をつけてパケットに分解する ②回線をデータが混在し

て伝送される

③通し番号からデータを再構成する

④うまくいかない場合は再送を要求（TCP)

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インターネット層

ＩＰヘッダの付加（データの送信先を指定）

– バージョン情報

– 送信ＩＰアドレス，受信ＩＰアドレスなど

ネットワーク層データTCP

ヘッダ

ＩＰヘッダ

データリ

ンク層

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ＩＰアドレスの構造

• グローバルIPアドレス（世界中で一元管理）

• プライベートIPアドレス（ローカルなアドレス）

• 表示方法

– 2進数32ビットでの表示（10進数）

– 133.9.87.145・・・10進表示

– 10000101 00001001 0101111 10010001

・・・2進表示

– 2＾32＝4294967296個（約43億台のコンピュータを管理）

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IPアドレスの構造

ネットワークアドレス部 ホストアドレス部

ネットワークアドレス部

どのネットワークかを指定

ホストアドレス部

ネットワーク内のどのコンピュータかを指定

緑ヶ丘団地

Ａ棟402号室

◎同じネットワークアドレスで直接通信可能

320

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Ａ棟401号室

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ＩＰアドレスのクラス分け

ネットワークアドレス部 ホストアドレス部

8 32

ネットワークアドレス部 ホストアドレス部

16 32

ネットワークアドレス部 ホストアドレス部

24 32

クラスＡ

クラスＢ

クラスＣ

一つのネットワークに接続するコンピュータの数の違いによってクラス分け

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クラスＡ （1.0.0.0～126.0.0.0）

ネットワークアドレス部 ホストアドレス部

8

32

クラス識別子ネットワークアドレス部（７ビット）

0～127の2＾7＝128通りだが，

0と127は使用しないので126通りのネットワークを表現する

（0000000 と 1111111は使用しない・・・予約アドレス）

ホストアドレス部（24ビット）

0～16777215の2＾24通りだが，

0と16777215を使用しないので，16777214台のコンピュータを接続できる

0

1

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クラスＢ（128.0.0.0～191.254.0.0）

ネットワークアドレス部 ホストアドレス部

1632

クラス識別子ネットワークアドレス部（14ビット）

0～16383の2＾14＝16384通りだが，

0と16383は使用しないので16382通りのネットワークを表現する（00000000000000 と 11111111111111は使用しない）

ホストアドレス部（16ビット）

0～65535の2＾16通りだが，

0と65535を使用しないので，65534台のコンピュータを接続できる

10

2

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クラスC（192.0.0.0～223.255.254.0）

ネットワークアドレス部 ホストアドレス部

24 32

クラス識別子ネットワークアドレス部（21ビット）

0～2097151の2＾21＝2097152通りだが，

0と2097151は使用しないので2097150通りのネットワークを表現する．

ホストアドレス部（8ビット）

0～255の2＾8通りだが，

0と255を使用しないので，254個のコンピュータを接続できる

110

3

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プライベートアドレス

• クラスA

– 10.0.0.0～10.255.255.255

• クラスB

– 172.16.0.0～172.31.255.255

• クラスC

– 192.168.0.0～192.168.255.255

インターネット上で扱わないIPアドレス。イントラネットなどで使用する、次の番号が割り当てられている。

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IPアドレスにまつわる話題

• 人間に覚えにくいので名前を対応させる

– DNS（Domain Name Service)の利用

– waseda.ac.jp ascii.co.jp (ドメイン名）を対応

• 動的にIPを振る

– DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)

• ４３億個では足りない

– IPｖ6(128ビット＝2^128・・・340澗）

– ユビキタス社会に向けて

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ドメイン名とその構造

http://www.waseda.ac.jp

サーバ名

プロトコル組織名

組織属性

国別コード

ドメイン名

組織属性

・ac 学術・教育機関

・co 企業組織

・ne プロバイダーなど

・go 政府機関

・or その他の機関、組織、団体

国別コード

・jp 日本

・kr 韓国

・uk イギリス

・ｆｒ フランス

アメリカは第1階層で組織属性が表現される

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ルーティング（経路制御）

192.168.1.1192.168.2.1

192.168.3.1

192.168.4.1

ルータ：

LANと外部ネットワークの橋渡し

192.168.3.2

192.168.2.2

192.168.1.2

192.168.4.3

192.168.1.3

192.168.1.4

192.168.4.2 192.168.4.4

192.168.3.3

192.168.3.4

192.168.2.3

192.168.2.4

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192.168.1.1192.168.2.1

192.168.3.1

経路表

192.168.3.2

192.168.2.2

192.168.1.2 192.168.1.3 192.168.3.3

192.168.2.3

送信A

受信B

①Aは192.168.2.3

のBに送信

②Aのデータがルータに到着

③ルータ192.168.1.1は経路表を参照して192.168.2.1にデータを送信

④ルータ192.168.2.1は受け取ったデータを自分の経路表を参照してBに送る

Waseda Live Mathルーティング（経路制御）

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ネットワークインタフェース層

• 隣接するシステム間のデータ伝送

– （データリンク層・・・OSIモデル）

• データを電気信号に交換し、実際に伝送

– （物理層・・・OSIモデル）

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ネットワークインタフェース層

バス型 スター型 リング型

ネットワークの接続形態

それぞれ長所、短所がある

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