【TCP/IP】ネットワーク基礎知識

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TCP/IPといえば”コレ!”な、大人気のこちらの書籍を通して学んだ要点をまとめました。

書籍の詳細

書籍名: マスタリングTCP/IP 入門編(第6版)
出版社: オーム社
発売日: 2019/12/6

コンピュータネットワーク登場の背景

コンピュータネットワークの変遷はこうです。

  1. コンピュータ誕生当初のコンピュータはスタンドアロン。つまり単体で使われていた。
  2. コンピュータの進化につれ、複数台を接続して使うようになった。

初期のネットワークは、管理者が指定した特定のコンピュータ同士を接続したもの。

これが活発になり、公共ネットワークとしてインターネットが利用されるようになった。

ネットワークは規模によってLANやWANに分類される。

コンピュータとネットワーク発展の7つの段階

コンピュータが現在に至るまでどのような変遷を辿ってきたのか、段階を7つに分けて説明されています。

第1段階:バッチ処理

1950年代。

多くの人々にコンピュータが利用されるようになるために、バッチ処理形式のコンピュータが登場しました。

バッチ処理とは・・・プログラムやデータをまとめて一括で処理する方式のこと

第2段階:タイムシェアリングシステム(TSS)

1960年代。

一台のコンピュータに複数の端末を接続し、複数のユーザーが同時にコンピュータを利用できるようになった。これをTSSと言う。

コンピュータと端末の間は、通信回線でスター型に接続された。

第3段階:コンピュータ間通信

1970年代。

TSSでは「コンピュータと端末」が結ばれただけで、「コンピュータとコンピュータ」は接続されていなかった。

これが、コンピュータ間を通信回線で接続することにより可能となった。

第4段階:コンピュータネットワークの処理

1980年代。

異なるメーカーのコンピュータを相互に接続できるネットワークが登場。

ウィンドウシステムにより、複数のプログラムを同時に実行できるようになったのもこのとき。

第5段階:インターネットの普及

1990年代初め。

Emailの利用と、wwwによる情報発信のブームが起こり一般家庭にも普及。

各社は独自のネットワーク技術を、インターネット技術に対応させた。

第6段階:インターネット技術中心の時代へ

2000年代。

インターネット技術であるIP網の上で電話やテレビ、コンピュータ通信、ネットワークが構築される。

第7段階:「単につなぐ」から「安全につなぐ」時代へ

繋がるのは当たり前、セキュリティ安全性、機器トラブルのない安定運用が求められるように。。

プロトコルとは

TCP/IPとは通信プロトコルの総称です。そこでまずはプロトコルについて学びます。

代表的なプロトコル・・・IP、TCP、HTTP

「TCP/IP」と言うと、これらの集合体のことを指します。

プロトコルとは・・・コンピュータとコンピュータがネットワークを利用して通信するために決められた「約束ごと」

これを守ることでコンピュータ間の通信が成立します。

TCPやIPのプロトコル処理は、OSに組み込まれている。

大きなデータはパケットと呼ばれる単位に分割して送信します。

データは、分割した1つのパケットを作り、そこに送信元コンピュータと宛先コンピュータのアドレスを書き込んで、通信回路に送り込む。

アドレスや、データの番号が書き込まれる部分を、パケットのヘッダという。

プロトコルは誰が決める?

コンピュータ通信登場当初はプロトコルは各社バラバラで共通化がされていなかった。

これが、メーカーが違っても互いに通信できるような互換性が重要であると認識され、ネットワークのオープン化、マルチベンダ化がされるようになった。

ISOが、国際標準としてOSI(Open Systems Interconnections)と呼ばれる通信体型を標準化した。

TCP/IPはISOの国際標準ではない。

TCP/IPはIETFで標準化が行われているプロトコル。

TCP/IPはインターネット上の標準であり、デファクトスタンダードとして世界中で最も広く使われている通信プロトコル

プロトコルの階層化とOSI参照モデル

通信プロトコルを設計するときの指針として、ISOよりOSI参照モデルが提唱された。

これは、通信に必要な機能を7つ階層に分けたもの。

分けることにより、ネットワークプロトコルを単純化。

上位層と下位層の間でサービスをやり取りするときの約束ごとを「インタフェース」、

通信相手の同じ階層とやり取りするときの約束ごとを「プロトコル」という。

階層化の利点

各階層を独立なものとして扱うことができる。

・ある階層の変更による影響がシステム全体に波及することはない。

・それぞれの階層のプロトコルの実装が容易になる

・責任の分解点も明確になる。

7階層のOSI参照モデル

7アプリケーション層アプリごとのプロトコル
6プレゼンテーション層データフォーマットの交換
5セッション層・通信の管理
・コネクションの確立/切断
・トランスポート層以下の層の管理
4トランスポート層データ転送の管理
3ネットワーク層アドレスの管理と経路の選択
2データリンク層接続された機器間でのデータフレームの識別と転送
1物理層ビットの列(0と1)を電圧の高低や光の点滅に変換する

プロトコルとは約束ごと、その中身は”仕様”

OSI参照モデルによる通信処理の例

送信側では7層、6層と順番に上の層から下の層へデータが伝えられ、

受信側では1層、2層と順番に上の層へデータが伝えられる。

こうして、送信したデータが元のデータに復元されるわけです。

各層での処理

7. アプリケーション層

通信に関わる部分がアプリケーション層に相当する。

ホストAが送信した情報を、ホストBがヘッダとデータを解析し、ハードディスクやメモリに保存する。

6. プレゼンテーション層

データの表現形式を意味する。

送信するデータを「コンピュータ固有の表現形式」→「ネットワーク全体で共通の表現形式」に変換して送信する。

5. セッション層

プレゼンテーション層で変換されたデータを実際に転送するための処理をする。

効率よくデータを送るために送信方法を制御する。

セッション層では、制御はするが、転送する機能は持っていない。

4. トランスポート層

「コネクションの確立」通信路を確保し、データを送信する準備をする。

3. ネットワーク層

送信ホストから受信ホストまでデータを配送

上位層から渡されたデータにアドレス情報などが付けられてデータリンク層へ送られる。

最終目的地までのデータ配達を行う。

2. データリンク層

通信媒体で直接接続された機器同士でデータのやり取りをできるようにする。

1区間のデータ配達を行う。

1. 物理層

データの0や1を電圧や光のパルスに変換して物理的な通信媒体に流し込む。

通信方式の種類

ネットワークでのデータ配送の種類

コネクション型

データの送信前に送信ホストと受信ホストの間で回線の接続をする。

通信の前後にコネクションの確立と切断の処理を行う。

コネクションレス型

コネクションの確立や切断の処理がない。

送信側はいつでもデータを送信できる。

受信側はいつデータを受け取るかわからない。

そのため、データを受け取っていないか常に監視しないといけない。

ネットワークの2つの通信方法

  1. 回線交換
  2. パケット交換

回線交換

従来の電話で利用されてきた方式。

交換機がデータの中継処理を行う。

この方法だと、複数のコンピュータでデータをやり取りしようと思うと、回線を占有してしまっているので、その間の回線を利用できず、複数台通信ができない。

パケット交換

TCP/IPはこっち。

複数台の送受信ができる。

送信するデータを複数の小包に分け、転送の順番を待つ行列に並べる方法。

通信方法の種類

通信は、”対象となる相手の数”と”その後の動作”によって分類することができます。

分類相手の数実例
ユニキャスト1対1電話
ブロードキャスト全てのコンピュータテレビ
マルチキャスト特定のグループ内ビデオ会議
エニーキャスト特定のグループのいずれか1つ
特定の複数台のどれか1つ
ルートネームサーバー

アドレスとは

複数のアドレスをどう探すのか。そこで必要になるのが階層性。

電話番号でいう、国番号、局番号のこと。

コンピュータ通信に使われるアドレスは、MACアドレスとIPアドレスがある。

この内、階層性はIPアドレスのみ。

MACアドレスIPアドレス
付番形態製造者識別子と製品番号、製品ごとの通番が付けられている。ネットワーク部とホスト部という2つの部分から構成されている。
階層性の有無階層性がない。
テーブルの呼び名転送表
MACアドレスがそのまま書かれる
経路制御表
書かれるのは集約されたネットワーク部

ネットワークの構成要素

ネットワークインタフェース

コンピュータをネットワークに接続するには、専用のインタフェースが必要になる。

これをNIC(Network Interface Card)やネットワークアダプタ、ネットワークカードなどと呼ぶ。

このインタフェースが最近のPCであればはじめから備えているために無線LANを使用することができます。

リピーター

OSI参照モデルの第1層の物理層である。

減衰して変形してしまった信号の波形を増幅・整形して流す装置である。

ハブのそれぞれのポートはこのリピーターに相当する。

ブリッジ/レイヤ2スイッチ

OSI参照モデルの第2層のデータリンク層である。

  1. ブリッジ内部のメモリにいったん蓄積
  2. 相手側のセグメントに新たなフレームとして送出

壊れたフレーム(パケットとほぼ同じ意味)をほかのセグメントへ送信しないようチェックする。

学習機能とフィルタリング機能により無駄なトラフィックを流さない。

つまり、隣のセグメントに流すかどうかの判断を行う。これをラーニングブリッジと呼ぶ。

スイッチングハブはほとんどがこのブリッジの一種。

ルーター/レイヤ3スイッチ

OSI参照モデルの第3層のネットワーク層である。

ネットワークとネットワークを接続して、パケットを中継する装置。

ブリッジとルーターの違い

ブリッジルーター
物理アドレス(MACアドレス)で処理をする。ネットワーク層のアドレス(TCP/IP)で処理をする。

レイヤ4-7スイッチ

OSI参照モデルの第4層トランスポート層〜第7層アプリケーション層の情報に基づいて配送処理を行う。

レイヤ4-7スイッチでできること

  • サーバーの負荷を分散する際に、Webサーバーのロードバランサとして設置する
  • 通信混雑時に、音声通話のような即応性が求められる通信を優先し、メールなどの遅延しても良い通信を後回しにする帯域制御を行う。

ゲートウェイ

OSI参照モデルの第4層トランスポート層〜第7層アプリケーション層の階層で、データを変換して中継する装置。

異なるプロトコルの翻訳を行い、中継する機能。

現在のネットワークの姿

ネットワークの構成を説明する上で知っておくべき名前

バックボーンコア・・・ネットワークの中心

エッジ・・・多機能ルーターや高速なレイヤ3スイッチ

アクセスアグリケーション・・・エッジにアクセスされている部分。レイヤ2スイッチやレイヤ3スイッチ

クラウドの構造

サーバーやストレージ、ネットワークを仮想化し、各機器を要求に応じた構成に自動的にオーケストレーションを行い、要求通りの環境を提供する。

以上、ネットワークの基礎についてでした。

お読みいただきありがとうございました。

次はTCP/IPの基礎についてです。

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