通信における情報伝達の形態 - 技術の社会還元を目 …¯HDLCに準拠したデータリンク層プロトコル 34 パケット交換で使用されるX.25プロトコル

1

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通信における情報伝達の形態

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通信における情報伝達の方式

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通信を可能にする通信ユニットの役割

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交換回線網における各種交換方式

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ナローバンド（狭帯域）とブロードバンド（広帯域）

狭い周波数帯域を使って転送する方式のことを指しています。狭い周波数帯域でも、非常に高い帯域を使えば高速通信ができます。この場合は、ブロードバンドと呼ばれます。

広義には、高速転送（明確な定義はありません）を行う方式を指しています。実際には、広い周波数帯域をいくつもに分割し、その各々の周波数帯域を使って同時にデータを送信するというアナログ転送に使われる言葉ですが、狭帯域でも高速通信ができるディジタル通信もブロードバンドと呼ばれています。

通信速度は、周波数の高さと、同時転送数などに比例します。

ブロードバンドに極めて曖昧な定義です。

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アナログ信号とディジタル信号

8

アナログ/ディジタル変換処理

量子化において整数値化するので誤差が発生する。この誤差を量子化雑音という

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アナログ伝送路とディジタル伝送路

交換機

ディジタル交換機

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アナログ伝送路を使ったディジタルデータ通信

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変調方式とデータ搬送

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４相位相変調方式における変調

0 90 180 270

0 90 180 270

00 01 10 11

00011011を送った場合の変調波形

00 01 10 11

各々の位相波形

各々の位相波形にディジタルデータを割り当てます

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ボーレート（変調速度）とｂｐｓ（転送レート）の関係

１秒間に転送ビット数を表すデータ通信速度は以下の数式にて計算できます。

1秒間に変調できる回数を示す変調速度は以下の式により求めることができます。

１パルスを０．００１（１００μｓ）とした場合の変調速度（ボー）は以下の通り。

２位相B=1/0.001 ⇒１０００ボー

４位相B=2/0.001 ⇒２０００ボー

８位相B=3/0.001 ⇒３０００ボー

１回線で、１パルスを０．００１（１００μｓ）とした場合の通信速度（ｂｐｓ）は以下の通り。

２位相S=1/0.001 ⇒１０００ｂｐｓ

４位相S=2/0.001 ⇒２０００ｂｐｓ

８位相S=3/0.001 ⇒３０００ｂｐｓ

回線数が増えると転送速度は上がります。

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データ伝送を実現する基本ユニット

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17

LANで使用されている伝送路符号形式

ISDNは、AMI方式（バイポーラ方式）が使われています。

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伝送路符号形式の基本

単流方式 複流方式＋E

又は、

ーE

０

０

＋E

０

ーE

０電位と＋、またはーのどちらかの電位を使って符号化

＋電位とー電位を使って符号化

＋E

又は、

ーE

０

０

０ １ ０

RZ方式“１”に対する電位をパルスの中心で０電位に戻す。

＋E

０

０ １ ０

NRZ方式“０”を高電位、１を低電位として、パルス内では電位を変化させない。

AMI方式＋E

０

ーE

“０”を０電位として、“１”の極性を交互に切り替える方式。

０ １０１ ０CMI方式

＋E

０

ーE

“０”はパルス内

でーから＋に反転、“１”は直前の状態を反転させる方式

０ ０１１ １

バイポーラ方式とも言います。

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データ通信に使われる有線媒体

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同軸ケーブルの仕様

１０BASE5は、Thick（太い）ケーブルを使用し、１０BASE2はThin(細い）ケーブルを使用します。

１０BASE５はトランシーバーケーブルで接続され、１０BASE2はBNC

コネクタで接続されます。

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ツイストペアケーブル仕様と接続方法

通常は、RS422仕様と同じように、＋の信号とーの信号を同時に転送することにより、ノイズ信号を抹消（相殺）することができます。

RS232C仕様では、グランド（０V)をベースに一本の線だけで通信が行われます。

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光ファイバーのマルチモードとシングルモード

５０μｍ～百数十μｍ程度の太さの光ファイバーを使います。マルチモードでは、幾つかの信号が混在されて伝播されます。

１０μｍ程度の太さの光ファイバーを使います。シングルモードでは、単一の信号が高速に伝播されます。

光信号はファイバーの中を屈折しながら伝播されます。

光信号はファイバーの中を直線的に伝播されます。

マルチモードもシングルモードも外径は１２５μｍと同じです。

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ワイアレス通信で使われる通信媒体

ワイアレス通信には基本的には３種類あります。

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電磁波と定義と電波の関係

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電波による情報伝播

電界

磁界

伝播方向

波長（λ）

短波中波 長波

長波

中波

短波

電離層F（地上２５０ｋｍ～４００Km）

電離層E（地上１００Km)

電離層D（地上７０Km)

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シリアル伝送とパラレル伝送、どっちが早い

直列伝送方式とも言います。

並列伝送方式とも言います。

27

パラレル通信の限界とシリアル通信の将来性

28

分割多重伝送方式

29

主な多重化技術

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公衆通信サービスのいろいろ

遠隔のコンピュータ間での通信を可能とする公衆通信サービスには、アナログ電話回線、ISDN、PHS、専用回線、公衆パケット交換サービス（X.25)フレームリレーなどがあります。

ISDNには、INS64,INS1500、INS-P

などのサービスがあります。

専用線では、６４Kbps～６Mbps,

５０Mbps、１５０Mbpsなどのサービスがあります。また、ATMサービス（１Mbps～１３５Mbps)もあります。

X.25規格（パケット交換

サービス）に対応した機器だけが接続できる仕様です。通信速度は６４Kbpsです。フレームリレーは、X.25を簡素化し

て高速化を行ったサービスです。

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ISDNとADSLが共存できない理由

TCM：Time Compression Multiplexing（時分割多重）

ADSLとISDNは同じ帯域の周波数を使用しますので、共存はできません。

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ISDNにおける参照点と機能グループISDNがインターフェースを規定している参照点は、R、S、T点

非ISDN端末既存のデータ端末装置

ISDN端末ディジタル電話機など

非ISDN端末（TE2)端末接続

用アダプタで、プロトコル変換を行う

レイア１（物理レイア）に関する機能を実現するものでDSUが相当

バイポーラ符号形式への変換、及び逆変換

データ交換などのレイア１～３に関する機能の実現

ディジタル網を利用した高解像度の画像高速転送が可能なファクシミリ（６４ｋｂｐｓ）

F、Sビットを組み込んだエンベロープ形式に変換され、バイポーラ形式で流れる

S点、T点に関しては、シグナリング情報用Dチャネルと、ユーザ情報用Bチャネルを規定している

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ISDN呼制御手順

Dチャネルによる呼の設定

Dチャネルによる呼の解放

Bチャネルによるデータ伝送

ISDN網

呼制御かパケット制御かなどを識別

呼発行端末の特定に使われる論理番号

メッセージ形式

ISDNがPH機能（PacketHandler)を持つ場合は、呼設定メッセージによって、通信チャネルをDとすることができる。この場合はLAPDプロトコルにより、データ伝送はDチャネルが使用される。（Bチャネルの場合は、LAPBプロトコル使用）LAPB/LAPDはHDLCに準拠したデータリンク層プロトコル

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パケット交換で使用されるX.25プロトコル

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その他のネットワークの接続形態

無線LAN接続

CATV接続

光ファイバー接続

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基本的なデータ伝送制御手順

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通信前のデータリンクを確立する方法

２つのコンピュータ（DTE）間で通信を行う最初の手順です

無手順方式

ポーリング/セレクティング方

式

手順を決めないで通信を行う方式で、送信データの保障は行わない、垂れ流し方式で、FAX通信などはこれに属します。

ポーリング/セレクティング方式は、制御局と従属局があり、制御局の支持に従ってデータの送受信を行う方式です。全ての通信が制御局を介しますので、効率は良くありません。

制御局

従属局

コンテンション方式

HDLC方式CSMA/CD

方式

通信したい誰もが送信要求を行えるように改良した方式

PPPで採用（PPPは、このHDLC手順を真似て作られています）

LAN対応（イーサネットプロトコルにおいて使われています）

通信データの信頼性確保

更に改良

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回線が空いていればデータを送信します。（これまでをCSMAと言います）

回線上のデータは自分が送信したデータかを確認します。同じデータであれば、衝突無しと判断します。（電圧を調べます）

衝突を確認した場合は再送を行います。

回線上にデータでデータ転送が行われていないかを確認します。（CarrierSensing)

（電圧レベルを調べます）

LANで使われる主なデータ転送手順

CSMA/CD方式トークン

パッシング方式

誰もが平等に送信できる

トークン信号を一方向に流します。

データを送信したい端末は、トークン信号（ビット列の信号）を取り込み（送信権を確保）、あて先とデータを添付して発信します。

あて先が自分である場合は、そのデータを取り込み、取り込み済みフラグを設定して、そのまま所定の方向に発信します。

発信元は、受信されたフラグを検証して、空のトークン信号を所定の方向に送信します。（送信権を放棄します）

バス型LANで使用HUBを使ったLANでも使用 リング型LANで使用

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CSMA/CD方式における実際の制御

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イーサネット規格の位置付け

イーサネットの標準プロトコルとしてCSMA/CD手順が採用されています

41

イーサネット規格のいろいろ

42

通信における同期方式

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情報伝達の仕組み（同期）

１ ０ ０ １ ０ １ １ ０ １０

実データ（０１１０１００１）

送信データ（１バイト）

送信 デー タ（ ｎ バ イ ト ）

syn

syn

syn

STX

ETX

BCC

syn

syn

送信 デー タ（ ｎ バ イ ト ）

Flag

Flag

Add

Cont

FCS

Flag

常時信号ラインをチェックして、信号が変化した時をデータの開始と判断します。（１ビットに対する時間は、お互いが決めます。これが通信速度ｂｐｓになります）

最初と最後は、同期用のスタートビット、ストップビットで、受信側はそのビットを除いて実データとします。

送信データ

信号ラインに「syn」信号が複数連続した時に送信の始まりと認識し、STXコードを受けた時に実データの開始と判断しETXコードで終了と判断します。またデータの正当性はBCCを使って行います。

スタートビットストップビット

信号ラインに「Flag」信号（01111110)が２つ連続した時に送信の始まりと認識し、次のFlagコードを検出した時の実データの終了を判断します。またデータの正当性はFCS（CRC)を使って行います。

調歩同期方式（非同期伝送）

キャラクター同期方式（同期伝送） フレーム同期方式（同期伝送）

ビット同期方式

ブロック同期方式

ベーシック手順にて採用HDLC手順にて採用

フラグ同期とも言います。この方式では、データ無しの場合も一定のビットパターンを回線に送出します。

クロック同期方式とも言います

Syn同期方式とも言います

44

通信におけるデータ伝送手順

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古典的データ伝送制御手順（ベーシック、HDLC）

High-level Data Link Control procedure

ベーシックは、転送をキャラクタ（文字）単位で行います。

HDLCは、転送をバイナリ（任意ビット列）単位で行います。

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古典的なデータ伝送制御手順（無手順）

47

HDLC手順が扱うフレーム形式

LANで使用されるCSMA/CDやパケット通信で使われるX.25などは、このHDLCに似せて作られています。

48

HDLCにおける３種類の送受信方式

一次局の制御に従って、２次局が送受信を行うモードです。

一次局の制御に従って、２次局が送受信を行うが、それ以降は任意のタイミングで送信を行うモードです。

個々の局が自由なタイミングで送受信を行うモードです。

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HDLC手順における通信の基本的な流れ

NRM方式

ARM方式

ABM方式

50

パケット通信プロトコル（X.25)の通信シーケンス

51

データ伝送における誤り制御

文字列毎のパリティーチェックを、キャラクタパリティーチェックとも言いま

す

52

垂直パリティーと水平パリティーチェック

一文字分を表します

垂直パリティーと水平パリティ（BCCコード）

53

群計数チェック方式

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CRC演算の基本的な考え方

連続したビット列の誤り（バースト誤り）の検出に適した方式です。送信データとして、１０進数の33を８ビットで送る場合を想定すると以下のようになります。

送信データ：００１００００１⇒これを多項式で表すと、X5+1となります。

仮に、CRC演算の為の多項式（生成多項式）を、仮にX2+X+1とします。次に、元データから作成した多項式（X5+1）に、生成多項式の最大乗数（X2）を積算します。

⇒（ X5+1）＊X２ ⇒ X7＋X2 ※２進数で、２桁の余りを得ることになります上記で得られた結果を生成多項式で割り算して、余りをCRCコードとして付加します。

X2＋X＋１

X6+X5+X2

X6+X5+X4

X4＋X2

X4＋X3＋X2

X3

X3+X2+X

X2+X

X7+X2

X7+X6+X5

X2+X+1

１

X5+X4+X2+X+1

００１００００１０１

X2＋X＋１

X6+X5+X2+1X6+X5+X4

X4＋X2+1

X4＋X3＋X2

X3+1X3+X2+X

X2+X+1

X7+X2+1X7+X6+X5

X2+X+1

0

X5+X4+X2+X+1

CRCとして、０１を付加します。

実データ

送信

受信側は同じ生成多項式を使って復元し、余りが０であれば通信が正しく行われたと判断します。

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HWによるCRCはEXORを使って求めています

送信データ：００１００００１⇒これを多項式で表すと、X5+1となります。

仮に、CRC演算の為の多項式（生成多項式）を、仮にX2+X+1とします。次に、元データから作成した多項式（X5+1）に、生成多項式の最大乗数（X2）を積算します。

⇒（ X5+1）＊X２ ⇒ X7＋X2 ※２進数で、２桁の余りを得ることになります上記で得られた結果を生成多項式で排他的論理演算を行い、結果をCRCコードとして付加します。

００１００００１０１

CRCとして、０１を付加します。

実データ

送信

受信側は同じ生成多項式を使って復元し、結果が０であれば通信が正しく行われたと判断します。

X7＋X2 ⇒ ００１００００１００生成多項式 ⇒ １１１

００１００００１００１１１１１００１００１１１

１０１００１１１１０００１１１１１０１１１０１

受信データ ⇒ ００１００００１０１生成多項式 ⇒ １１１

００１００００１０１１１１１１００１０１１１１

１０１０１１１１１００１１１１

１１１１１１００

余りを入れるためのビット最大がＸ２ですので、２ビット付加されます

注：CRCの求め方は仕様により若干異なっています。ソフト的な演算では、バイト単位にビットをチェックし、EXORを併用してFCSを算出しています。

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誤り訂正を可能とするハミングコードの仕組み

例：４ビットに３ビットのハミング符号を付加して誤り訂正/検出を行う場合の演算の仕組み。

X1 X２ X３ X４ X５ X６ X７

実データ ハミングコード

ハミング符号は、以下が成り立つように設定します。

(X1+X2+X3+X5) mod 2 =0

(X1+X2+X4+X6) mod 2 =0

(X2+X3+X4+X7) mod 2 =0

１０１０の実データに対するハミングコードは、以下となります。

１ ０ １ ０

X1＋X2＋X3＝１＋０＋１ ⇒ X5=０X1＋X2＋X4＝１＋０＋０ ⇒ X6=１X2＋X3＋X4＝０＋１＋０ ⇒ X7=１

０ １ ０

仮にX１ビットが反転し、“００１００１１”となったとします。

(X1+X2+X3+X5)＝（０＋０＋１＋０） mod 2 =１ ⇒ NG

(X1+X2+X4+X6)＝（０＋０＋０＋１） mod 2 =１ ⇒ NG

(X2+X3+X4+X7)＝（０＋１＋０＋１） mod 2 =０ ⇒ OK

１式と２式に共通するX1が反転したことが分かります。

仮にX１ビットとX2ビットが反転し、“０１１００１１”となったとします。

(X1+X2+X3+X5)＝（０＋１＋１＋０） mod 2 =０ ⇒ OK

(X1+X2+X4+X6)＝（０＋１＋０＋１） mod 2 =０ ⇒ OK

(X2+X3+X4+X7)＝（１＋１＋０＋１） mod 2 =１ ⇒ NG

３式だけがNGとなったことから訂

正は出来ませんが、何れかのビットが反転したことが分かります。

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ADSLの現状と仕組み

58

ADSLが使用する帯域と通信の仕組み

59

ADSLの規格と将来性

60

ｘDSLの仕組み

ADSL上り（アップロード）、下り（ダウンロード）に使う周波数を違えている方式

SDSL上り（アップロード）、下り（ダウンロード）に使う周波数を同じにした方式

HDSL１Mhz以上の帯域も使うようにした方式

４Khzまでは通常の電話用として使用し、３０Kｈｚ～１Mhzまでを適当に分割してアップロード用とダウンロード用に振り分けて使用する方式です。DSLでの転送は、その帯域を４．３KHｚづつに分割して、それらに１６QAMの変調を行い、ディジタルデータを送信しています。

Asynmetoric

Dihital Subscriber Line

Synmetoric

Dihital Subscriber Line

HighBitRate

Dihital Subscriber Line

ISDNに使用する周波数帯域と競合するので共存はできない

61

ADSLとその他の通信網の比較

62

専用線と無線の将来性

63

64ビットCPU、３２ビットCPU

64

CPU演算におけるビット長の意味（１）

65

CPU演算におけるビット長の意味（２）

66

文字コードの仕組み

文字や漢字コードが格納される形式と表示される方式

実際のデータは、010000010100001001000011として格納されます。

67

英数字や特殊文字は、基本的には共通です

68

コード種が違えば、表す文字も違います

69

携帯電話における通信の変遷（1/2）

70

携帯電話における通信の変遷（2/2）

71

共通鍵暗号方式と公開鍵暗号方式

72

FEISTE型ブロック暗号方式の仕組み

73

SPN型暗号化方式の仕組み

74

共通鍵方式における鍵の設定と基本的な仕組み（暗号化と複合化で同じ鍵を使います）

56ビット、１２８ビット、２５６ビットなどの構成で任意のビット列を設定し、それを共通カギとします。

共通カギを使って、本文をブロックごとに暗号化します。⇒ブロック暗号とも呼ばれます。

共通カギ＝０１１１００１１本文 ＝１１１０１０１０

（排他的論理和による演算）

暗号文 ＝１００１１００１

暗号文

共通カギ＝０１１１００１１暗号文 ＝１００１１００１

（排他的論理和による演算）

復号文 ＝１１１０１０１０

この考え方をベースに、様々な工夫を行われています。鍵は、２（暗号化ビット数）の組み合わせがありますので、事実上、鍵が無ければ解読できません。 シンプル、複合化が

簡単、安全、但し、鍵がばれなければ！

１＋１＝０とします

75

公開鍵方式における鍵の設定と基本的な仕組み（暗号化と複合化で別々の鍵を使います）

任意の２つの異なる素数を決めます。素数を積したものをモジュロ値（割る値）とします。 ⇒モジュロ値⇒公開暗号化の為の奇数のべき乗（任意）を決めます。 ⇒公開鍵 ⇒公開複合化の為のべき乗を、２つの素数と暗号化の為のべき乗から計算で求めます。 ⇒秘密鍵 ⇒非公開

復号化の為のべき乗=｛（素数１－１と、素数２－１との最小公倍数）＊ｎ＋１｝／暗号化のべき乗注：暗号化のべき乗で割り消える数となるようにｎを決める。

例：素数を３と７とします。モジュロ値は、２１となります。 ⇒モジュロ値＝２１公開鍵（べき乗）は１１とします。 ⇒公開鍵＝１１複合化のべき乗は、（素数１―１）が２であり、（素数２－１）が６であることから、６となります。ｎが２の時に暗号化のべき乗で割り切れるので、べき乗は５となります。 ⇒秘密鍵＝５

上記の結果、公開鍵としては、モジュロ値２１と、任意に決めた暗号化の為のべき乗１１が提供される。秘密鍵は、２つの素数と、暗号化の為のべき乗値から計算された５となります。

モジュロ値＝２１公開鍵＝１１データ＝２、３

２11＝11（Mod21)

⇒暗号データは11

３11＝１２（Mod21)

⇒暗号データは１２

モジュロ値＝２１秘密鍵＝５

115＝２（Mod21）⇒復号データは２

１２5＝３（Mod21)

⇒復号データは３

暗号文11,12

76

モジュロ値＝２１公開鍵＝１１

1111＝２（Mod21)

⇒復号データは８１２11＝３（Mod21)

⇒復号データは１２

モジュロ値＝２１秘密鍵＝５

データ＝２，３

２5＝11（Mod21）⇒暗号データは１１

３5＝１２（Mod21)

⇒暗号データは１２

暗号文１１，１２

認証したい相手

証明するものを要求

自分の秘密鍵で暗号化したものを返却サイトXが送ってきたものが、サイトXの公開鍵で複合化できればサイトX

からの応答であることが証明されます。

本文＋ダイジェスト文

本文と一緒に送られたダイジェスト文（電子署名）と、本文から作ったダイジェスト文（ハッシュ関数により）が同じであれば改ざんなしと判断

完璧、安全、但し、複合化が面倒！

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一般的にセキュリティー通信は、共通鍵暗号技術、一方向暗号技術、公開鍵暗号技術の組み合わせで実現されている。共通鍵暗号は、暗号化する側と複合化する側が同じ鍵を持って通信する方式である。（予め鍵の受け渡しを行う）一方向暗号は、送信側が原文に対し計算したハッシュ値と、受信側が計算したハッシュ値の比較により、原文の非改ざんを検証する方式。

ハッシュ化されたハッシュ値は非可逆暗号化であり、ハッシュ値から元文を復元することはできない。ハッシュ値はダイジェストや、認証コード（MAC）とも言われる

公開鍵は、暗号化と複合化を別の鍵で行う方法で、同じ鍵での複合化は事実上極めて困難な方式である。公開鍵には、公開鍵と秘密鍵（個人鍵）があり、いずれかで暗号化された場合、その複合化は、暗号化で使用した鍵ではない方でなければできない。

一般的には、認証局の公開鍵は、事前にブラウザソフトに組み込まれている。

認証フェーズ

共通鍵送信フェーズ

本文送信フェーズ

電子証明書作成フェーズ

①電子証明書の要求

②電子証明書の送付

③ 認証局の「公開鍵」要求

④ 認証局の「公開鍵送付

認証局の公開鍵を使って電子証明書を複合化し、ハッシュ値を計算で求める。電子証明書のハッシュ値と、計算したハッュ値が等しければ認証成立

⑤ 「共通鍵」を相手側の公開鍵で暗号化

電子証明書送付フェーズ

共通鍵受信フェーズ

自分の秘密鍵（個人鍵）で復元して共通鍵を入手

⑥ 本文を共通鍵で暗号化＋ハッシュ値 本文受信フェーズ

⑤で受け取った「共通鍵」で本文を複合化し、その本文からハッシュ値を求めて、送信されたハッシュ値と同じであれば改ざんなしと判断

証明書申請

電子証明書

申請者の公開鍵や、登録者情報、証明書番号などを使って計算されたハッシュ値を、「認証局」の秘密鍵で暗号化して、「電子証明書」として提示。電子証明書は、認証局でなければ作れない。

鍵は、特定のビット列で作成されており、一般的には、このビット列と本文の排他的論理和により暗号文を作成している。また、この排他的論理和に工夫を加えることにより、より安全性を向上させている。

公開鍵暗号を使用

共通鍵暗号と一方向暗号を使用

公開鍵暗号と一方向暗号を使用

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ブロードバンドにおける情報伝達（変調）の仕組み

送信データ

１ ０ ０ １ ０ １ １ ０ １０

送信データ

A/D変換、D/A変換

周波数は変わらず、振幅が変わります。

振幅は変わらず、周波数が変わります。

周波数

周波数

振幅

振幅

AM変調方式

FM変調方式

ディジタルデータは、D/A変換⇒変調を行って送信されます。また、受信する場合は、復調を行い、その結果をA/D変換して受信します。

１ ０ ０ １ ０ １ １ ０ １０

振幅変調方式

周波数変調方式

信号がある部分だけを出力します。

信号がある部分の周波数を高くします。

位相変調方式

信号がある部分の位相を反転させます。

アナログ信号に対するパルス変調

信号強度に応じて振幅を変えます。

PAM波

信号強度に応じてパルスの幅を変えます。

PWM波

上記以外にも、パルスの位相を変えるPPM波や、２進数パルスに変換するPCM波があります。

信号

無線でもパルス変調が使われます

79

無線通信による変調（スペクトラム拡散方式）

80

無線通信形態と周波数帯域

81

ブロードバンドアクセス回線