第2章ネットワークを支える技術

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ネットワーク構成論 I
http://www.net.is.uec.ac.jp/lecture/
第2章ネットワークを支える技術
ネットワーク構成論 I
情報システム学研究科
概要
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物理ネットワークの形態
イーサネット
トークン・リング
FDDI
ATM
その他
物理ネットワークの形態

Internet
– 物理的なネットワークではない
– 異なったハードウェアによって実現されている
ネットワークを統合的にアクセスできるように
する技術

伝送媒体
磁気メディア、ツイスト線、同軸ケーブル、
光ファイバー、無線通信

磁気メディア
– 25GBのDATテープを50本かばんに入れて運
ぶ.1時間で届ければ2.8Gbps
– 遅延が大きい

ツイスト線 (電話加入者線、UTP)
– 2,3Kmならば数Mbpsの伝送能力をもつ。
• 距離、線の太さによる. (ADSL)
– 干渉を除く.

同軸ケーブル
– 10Mbps 1km (50Ω)
– Tコネクタ、vampire tap
ツイスト線
utp cable
同軸ケーブルの構造
Tコネクタ
Vampire Tap
Yellow cable
Transceiver cable
光ファイバーケーブル
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

multi-mode と single-mode 1Gbps, 1km
LED, laser diode と photodiode
光のオン・オフでディジタル通信
vampire tap がむつかしい → 長短あり
多くは点対点で一方向で利用する.
細くてすむ. 長距離に適する.
光波長多重
MAPOS
NTT未来ねっと研究所


622Mbps, single mode
ファイバー
2.4Gbps~20Gbpsへの
実験
光波長多重の実験 (7通信路)
無線通信


無線LAN、赤外線通信、マイクロ波通信
衛星通信 トランスポンダ
– 500MHzを36MHz毎に分ける→50Mbps
– 遅延の問題
• 250msから300ms
• マイクロ波 3μ秒/km, 同軸ケーブル 5μ秒/km
• 帯域幅が狭ければ地上通信でも同じ
– 放送性、秘匿性

PHS, 移動通信
アナログ伝送とディジタル伝送

アナログ伝送
– モデム
• PAM, FSK, PM, QAM 搬送波を用いる.
– RS-232C, RS-449

ディジタル伝送
– PCM通信の規格T1 (1.544Mbps)
• T2(6Mbps), T3(45Mbps), T4(274Mbps)

規格
– コネクタ、信号線、電圧レベル、呼接続手順
ネットワーク通信の技術

回線交換
– 呼接続により回線を切り替えて、占有する.

メッセージ交換
– 蓄積交換 store-and-forward

パケット交換
– パケット(データの小包)単位の通信
– 通信路を占有しない.

回線交換
– 容量の保証、他の通信が邪魔をしない。
– コストはトラフィックに無関係

パケット交換
– 多重利用
– 容量がトラフィックによる(保証されない)
 多くのコンピュータが通信路をshareできる.
 相互接続の経費が小さい
 capacity
 技術の進歩(高速化)で問題が少なくなった。
ネットワークといえばパケット交換網をさす.
LANとWAN

WAN
– 通信事業者による
– 点対点 (point to point) 接続

LAN
– 半径数km
– 数Mbps以上
– 単一組織による所有
– 多重アクセスネットワーク
多重アクセス・ネットワーク

静的割り当て
– FDM(TDM) 周波数(時)分割多重
• 通信路を占有できる 少数、重いトラフィックに有利
• 多数のユーザ、バースト・トラフィックに不利
– ほとんどの通信路がほとんどの時刻でIDLE

動的割り当て
– Aloha, Ethernet, Token-ring, FDDI
– ランダム多重アクセス
– 静的割り当てと逆の特徴
動的割り当てモデル
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

局モデル N 個の独立な局で独立に生起
単一通信路の仮定
衝突の起きる可能性
連続時間/スロット時間
carrier sense/no carrier sense
Aloha Protocol

衛星によるハワイ大学のネットワーク
– 局は送信通報があればすぐに送信
– 衝突であればランダム時間待ち、再送
衝突なしでどのくらいの%が送信できるか?
衝突フレーム
送信フレーム
t
t
衝突可能区間
時刻
t: 1フレーム時間
– 無限に多いユーザ
– 1フレーム時間に発生するフレーム数は平均
がS のPoisson 分布をする. (0<S<1)
– 再送を含めて1フレーム時間に送信されるフ
レ ーム数は平均値G のPoisson 分布をする.
offered load G
throughput
S  GP0
ただし P0 はフレームが衝突しない確率である.
S≦G である. k フレームの発生する確率は
k G
G e
Pr[k ] 
k!

Pure Aloha のスループット解析
– 0個のフレーム生起の確率 Pr[0]  eG
P0  e
– 衝突しない確率
– スループット
2G
2G
S  GP0  Ge

Slotted Aloha
– すべてのフレームは同期してスロット内に生起
– 完全な衝突か、完全な分離
G
S  Ge
Aloha のスループット(平衡状態)
ス
ル
ー
プ
ッ
ト
37%
Slotted Aloha
18%
S
Pure Aloha
Offered traffic G
Aloha プロトコルの性能

Slotted Aloha は G=1 のとき最大 S
S  1 / e  0.368
37%がアイドル、37%が成功、26%が衝突

平均待ち時間 E の指数関数的増大
G
– 衝突なし e
衝突あり
– k 回送信でやっと成功
G
G k 1
Pk  e (1  e )

E   kPk  eG
k 1
1 e
G
Carrier sense protocol

1 persistent CSMA
– 空いていれば使う.
– ビジーなら待ち、空いたらすぐ使う.

non-persistent CSMA
– 空いていれば使う.
– ビジーなら衝突サイクルへ入る.

p-persistent CSMA
– 空いている限り確率 p で使う.
• 途中でビジーになると衝突サイクルへ入る.
– ビジーなら空くまで待って上の処理へ入る.

衝突サイクル→ ランダム時間待ち、再試行
CSMA protocol の特性
ス
ル
ー
プ
ッ
ト
S
offered traffic G
衝突検出

CSMA/CD
キャリア検出のほかに衝突検出も行う.
– キャリア・センスをしても衝突はなぜ起きるか.
• 最大伝搬時間をτとすると 2τは衝突がわからない.
• 同軸ケーブルでは τ=5μ秒
– 時間幅2τのslotted alohaと同じになる.
– 衝突検出はアナログ処理である.
• 記号 “0” が 0 ボルト信号だとわからない.
• Manchester coding
IEEE 802



802.3
802.4
802.5
Ethernet
Token Bus
Token Ring
– 標準
• 異なるコンピュータが接続可能
• 市場の拡大、生産の合理化、安価・大量
– De facto (from the fact - 実質的な標準)
– De Jure (by law - 正式な標準)
標準化

2匹の象の啓示
活
動
標準化
研究
大量投資
時間

標準化が遅くても早くても不可
– 早過ぎると → 正しくない選択
– 遅すぎると → ばらばらな投資

1973年MITの学生 → Xerox
– Ethernet
– DEC, Intel が後押し
– コントローラ・チップ LANの実質標準

GM (General Motors)
– Token Bus
– 日本の自動車メーカーとの競争
– ラインの制御 → 最悪の遅延時間を押さえる.

IBM
– Token Ring
– IBM Zurich
– 高信頼、保守性その他


IEEEの後押しでLANの標準化
大騒ぎになった
– Ethernet
• Xerox, DEC, Intel, オフィス・オートメーション
– Token Bus
• GM, 下請け, ファクトリ・オートメーション
– Token Ring
• IBM, 多くのその他

結局タオルが投げられ、・・・
– 無いよりはまし.
– 3つの標準ができた → 上位の規格を合わ
せた
Ethernet

1 persistent CSMA/CD with binary
exponential back-off
– キャリア・センス
• 空いていれば出る.
• 空いていなければ空くまで待って出る.
– 衝突が起きたら、すぐにやめて
• ランダム時間待って繰り返す.
• 待ち時間は繰り返しのつど最大値が2倍になる
待ち時間=(0,1) の一様乱数×2 k

その他の規格
Ethernet

性質
– 分散アクセス制御
– バス: すべての局がひとつの通信路を共有
– boadcast: すべての局がすべての伝送を受け
る
– Manchester 符号
– ジャム 数10ビット
Ether frame

Self identifying
– プリアンブル
– あて先
– 発アドレス
– フレーム長
– データ
– CRC
64ビット
48ビット
48ビット
16ビット
368~12000ビット
32ビット
• データ部分は1500オクテット以下
802.3の能率
(10Mbps, 512-bit slot 時間)
ネットワーク機器
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トランシーバ
リピータ
ブリッジ
ハブ
スイッチング・ハブ
ルータ
ゲートウェー
Ethernet ネットワーク機器
トランシーバ
リピータ/ブリッジ
Ethernet ネットワーク機器
ハブ / スイッチング・ハブ
Ethernet ネットワーク機器
マルチホーム・ホスト
 ゲートウェー
 ルータ
はIPの機器である.

トークン・バスの発想

802.3
– 確率的なサービス、待ち時間の保証が無い.
– 優先度が無い
ロボット制御のラインには不向き

トークン・リング
– 最悪値が既定値、一回り待てば番がくる
– 物理実装
• リングケーブル切断 → システムダウン
• 組み立てラインは線形

802.3の堅固さとリングの最悪値の制限
Token Bus の特徴




バス上に論理的なリングを構成
token で制御→衝突は起き得ない
broadcast
複雑
– 10個のタイマー、20以上の状態、200ペー
ジの標準、Ada (802.3はPascal) で記述
– 75Ω、変調(FSK) 0, 1 以外の記号も可能
– 4つの優先度 (substation)

加盟、脱退のアルゴリズム
その他のLAN
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


Token Ring
FDDI
ATM
MAPOS
その他
WANの通信

点対点の通信
– PPP (Point-to-point protocol)
– Sonet/SDH

その他
– ATM,フレームリレー
– MAPOS

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