第 13 回まとめ

本日の内容

13-1. レポート課題
13-2. レイヤ2 ネットワーク機器
13-3. 通信機器
13-4. レイヤ2とレイヤ3の架け橋 Address Resolution Protocol
13-5. まとめ
13-6. 未来展望

このドキュメントは http://edu.net.c.dendai.ac.jp/ 上で公開されています。

13-1. レポート課題

MACアドレス

手持ちのスマホ、パソコンなどの MAC アドレスを調べて報告しなさい。

未来の情報通信社会

6人までのグループを作り、自由にディスカッションして、5年後の情報通信社会を想像して、簡潔なレポートとしてまとめなさい。但し、大雑把でも根拠があることとし、荒唐無稽なものは認められない。（指先を発光させられるようになり、高速な通信ができるようになるなどは駄目）

締切、提出方法

来週火曜日の夕方までに <sakamoto@c.dendai.ac.jp>宛にグループで一通のレポートを作成し、メールすること。

13-2. レイヤ2 ネットワーク機器

情報を伝達するには、様々な技術の組み合わせが必要です。

情報→符号化→暗号化→誤り訂正符号→搬送波による変調 →多重化→波による伝搬

→多重化技術に基づいた波の受信→復調→誤り訂正→暗号解読→復号→情報

ディジタル通信では

0を表す信号と1を表す信号が波として表現され、
それが空中、電線、光ファイバなどを伝搬して、相手側に送られます。

これを実現するために、以下を学びました。

ディジタル通信では、文字の符号の規格と、標本化定理を学びました。

文字符号には何種類もあり、歴史的な経緯や、用途などの理由で選ばれます。覚えておいてほしいのはASCIIコード、Shift_JIS コード、UTF-8コードです。

標本化定理とは、必要な通信帯域の上限が定まっている信号を、ディジタルで取り出すにはその帯域の2倍以上の周波数で観測する必要があるというものです。 20kHzの帯域の信号を符号化するには40kHz以上で観測する必要があります。従って、 1/40000s = 25μs 以下の周期でサンプルする必要があります。
情報理論では、文字情報を0,1にするための「ハフマン符号」を学びました。これは、情報圧縮にも応用のある技術です。出てくる文字の確率を元に、平均符号長を最小にするように0,1の列を選ぶ方法です。
暗号では、古典暗号の脆弱性を学び、RSA暗号を作り現代暗号の基礎となる数学に触れました。
誤り訂正符号では、符号列に冗長性を持たせることで、ビット誤りを訂正する技術を学び、実際に行列を利用した誤り訂正符号の演習をしました。
通信伝送では電波の周波数の特性や運用を学んだ後、ナイキストの最小帯域幅条件、シャノンの通信路符号化定理、シャノン・ハートレーのチャンネル容量理論より、ディジタル通信に必要な帯域幅や雑音レベルに応じた帯域幅があることを学びました。つまり、定められた帯域幅や雑音レベルにより、通信容量に限界があることがわかります。
多重化技術では、無線通信などの混信がありうる通信路における様々な通信手順を学びました。

このような様々な通信技術を用いて、現在の通信は実現されています。

ハワイ大学のALOHAネットワークから派生した、DEC, INTEL, XEROX の Ethernet の規格化をするため、IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers、米国電気・電子技術者学会)で1980年に 802 委員会が作られました。そして、ローカルエリア・ネットワーク、メトロポリタンネットワークなど様々なコンピュータネットワークの規格化を行っています。

IEEE 802.1X

802.1 ワーキンググループでは具体的なネットワークを規定するのではなく、ネットワークの制御機構について規格化します。 802.1X 規格はネットワーク認証に関する規格で、本学の無線LAN接続にも使用されています。認証と接続が一括して行えますので、便利です。

IEEE 802.3

Ethernet と呼ばれる有線ネットワークの規格です。

無印の 802.3 は 10MHz のベースバンドを使用するものでした。 64Byte から 1500Byte のパケット長で、MAC アドレスは48bitでした。

その後、100MHz を経て、現在パソコンについているのは殆どが 1000Base-T(IEEE 802.3ab) と呼ばれる 1GHz のベースバンドを持つ形式です。これは、 RJ-45型のコネクタの付いた、8芯のCategory 5e 撚り対線ケーブルを用いたもので、全二重でスイッチングハブを用いて効率的に通信ができます。

現在それよりも高速なものとして、学内で使用されている 10GBase-T(802.3an)という Category 6a ケーブルを使うものがあります。 Category 5e を使う最も速い規格は 2.5GBase-T, 撚り対線を使う規格で最も速いのは Category 8 ケーブルを使う 40GBase-T, 現在規格化されている最も速いのは 400GBase の光ファイバや短距離の特殊なケーブルを使うものです。

IEEE 802.11

Wi-Fi とも呼ばれる規格です。厳密には 802.11 準拠の装置同士の相互接続が認められたことを示す名前が Wi-Fi です。現在使用されている主な規格は、802.11n (2.4GHz と 5GHz 混用, 600Gbps 以下)か、次世代の 802.11ac(5GHz, 6.93Gbps 以下)、です。これより古い 802.11a(5GHz, 54Mbps) や 802.11g(2.4GHz, 54Mbps)が使われていることもあります。

2020年から802.11ax(Wi-Fi6)が導入されます。さらに、50GHz 帯を使用する 802.11ad, プラチナバンドである VHF, UHF 帯を使う 802.11af, 900MHz 帯を使う 802.11ah, 車両間通信用の 802.11p などの開発が行われています。

IEEE 802.15

Wireless Personal Area Network(WPAN) とも呼ばれている近距離通信規格です。 802.15.1 が Bluetooth という名前で普及しています。また、 8021.15.4 は ZigBee という名前で呼ばれている近距離省電力用のセンサーネットワーク用の通信として規格化されています。この他 Ultra Wide Band (超広帯域、小パワー)も802.15.4a として規格化されています。

IEEE 802.16

Wireless Metropolitan Area Network(WMAN)と呼ばれている規格です。当初は基地局と家などを結ぶための規格として登場し、WiMax などと呼ばれる規格が決められていましたが、近年は携帯電話回線のLTEと合流する流れになっています。

なお、有線LANはスイッチングで接続するため、一つのポートには通信限界までパケットが流せますが、無線LANは一つの基地局が同時に通信できるのが一つの端末局のみなので、端末台数で通信速度が分割されます。

13-4. レイヤ2とレイヤ3の架け橋 Address Resolution Protocol

インターネットは次の2つの技術が中核です。

有限長の長さの宛先付きのデータのネットワーク間の中継(Internet Protocol IP レイヤ3)
それを利用したファイル転送(Transmission Control Protocol TCP レイヤ4)

さて、波を利用した情報伝搬（レイヤ2）を用いてインターネットを構成する場合、そのレイヤ2の様々な通信形態が存在しますが、それらをどのように利用すれば良いのでしょうか？レイヤ2の通信装置にはそれぞれを個々に認識するためにその通信形態固有の装置アドレスを持っています (物理アドレス、MACアドレス(Media Access Control))。これは IP アドレスではありません。一方、インターネット通信をする場合、IPアドレスを指定して通信することを学びましたが、これと MACアドレスは直接関係ありません。レイヤ2において個別の通信装置間で情報をやり取りするには MACアドレスでやりとりする必要があります。

そのため、レイヤ2の各通信方式ごとに、IPアドレスとMACアドレスの変換を行う必要があります。これを自動的に行うのが Address Resolution Protocol(ARP) です。 ARP はインターネット通信をする際に、IPアドレスとMACアドレスの表(ARP テーブル)を作り、その表を利用して宛先アドレスのMACアドレスを求めます。

ARP

送信ノードがIPパケットを送ろうとする。 IPパケットには宛先IPアドレスと送信元IPアドレスが記載されている。

各ノードは常にネットワークを監視し、ブロードキャストを受信する。

送信ノードは次の情報を持つARPパケットを作って送る
1. ARPコマンド：リクエスト
2. 宛先MACアドレス：ブロードキャスト（全ノード宛）
3. 宛先IPアドレス：IPパケットより転記
4. 送信元MACアドレス：自ノードのMACアドレス
5. 送信元IPアドレス：IPパケットより転記
各ノードはブロードキャストを受け取り、自分のARPテーブルに載っている IP アドレスであったらARPテーブルを更新する。もし、自分のIPアドレスと一致していたらARPテーブルに追加または更新を行った後、次の情報を持つARPパケットを作って送る
1. ARPコマンド：リプライ
2. 宛先MACアドレス：ブロードキャストを送ってきたノードのMACアドレス
3. 宛先IPアドレス：ブロードキャストパケットより転記
4. 送信元MACアドレス：自ノードのMACアドレス
5. 送信元IPアドレス：自ノードのIPアドレス
ARPコマンド：リプライのパケットを受け取ったら、ブロードキャストと同様にARPテーブルを更新する（リプライは送らない）

なお、パソコンではARPテーブルは arp コマンドなどで表示や操作ができます。（arp -aなど）

このようなプロトコルを通信方式ごとに作成することで、どのような新技術でもインターネットに対応することができます。

13-5. まとめ

通信における基本的な概念である、符号化、搬送波、帯域、通信手順（プロトコル）、暗号、多重化などを学びました。
インターネットの重要技術 TCP/IP を学びました

ネットワークに関する様々なことを考えるには、ネットワークの仕組みや構造を知る必要があります。

小学生にネットワークの仕組みを説明できますか？
手元のスマホが使用できなくなった時、原因をいくつ思いつきますか？

13-6. 未来展望

通信容量的に、東京オリンピックの観客全員が別々にYouTubeを観ることは可能なのでしょうか？
IoT(Internet of Things)が現在注目されています。これは、様々なものがインターネット通信を可能にすることを指します。冷蔵庫、エアコンばかりではなく、衣類や食品なども含まれるようになるかも知れません。
アニメーションで「攻殻機動隊」や「ソードアートオンライン」では、フルダイブ環境（視覚などの感覚などがすべてコンピュータに直結して、インタラクションを行う）が登場していますが、これはまだ非現実的なこととしてよいのでしょうか？
ワープロが進化して学習や生活が一変したように、 AI が進化して様々な機械的な判断（運転など）をコンピュータに任せられるようになるかも知れません。
私は20年位前に携帯電話にカメラが付いたときにすぐに意味がわからずに困惑しました。しかし、当時、建築現場とか工事に便利とか聞いて、「特殊な用途には便利なんだな」と思うようになりました。今後、スマホにはどのような機能が追加されるのでしょうか？
コンビニは、もともとはそこそこ品揃えの良い余り値引きをしない小売店というコンセプトでした。それを実現するために、在庫のコンピュータネットワーク管理と、仕入れを週1度から一日数度に上げるような工夫がされました。ところが近年は、銀行、集荷や、災害時には物資供給の拠点となるなど小売店から大きくかけ離れた機能を持つようになりました。今後はどうなるでしょうか？
古いアニメでは若者全員がスマートフォンを持っていず、小学生全員がDS を持っていません。しかし、現代社会では、スマホやDSはマストアイテムとなっています。このように、必ずしもアニメやSFなどで予言された未来が来るとは限りません。例えば10年後にはどのような生活が待っているのでしょうか？
インターネットの発明に貢献した一人であるリックライダーは音響心理学者でした。また、Apple Computer を創ったジョブズは、印刷技術、宗教、哲学などを学んでいたそうです。そもそも、コンピュータやインターネットができてから、大学に情報工学科が生まれました。今後、未来を創る技術を生むには、どんな知識、教養が必要なのでしょうか？

坂本直志 <sakamoto@c.dendai.ac.jp>
東京電機大学工学部情報通信工学科

第 13 回 まとめ