Waseda Univ Senior High Scool ネットワークの仕組み Waseda Live Math
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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:[email protected] 受信者:[email protected]
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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
Waseda Live Math
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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