第3章データ・リンク層

目
次
まえがき ………………………………………………………………………… 3
訳者まえがき…………………………………………………………………… 6
第1 章
序論
17
1.1 コンピュータ・ネットワークの目的 ………………………………………………………… 18
1.1.1 企業におけるアプリケーション ………………………………………………………… 18
1.1.2 家庭におけるアプリケーション ………………………………………………………… 21
1.1.3 モバイル・ユーザー ……………………………………………………………………… 25
1.1.4 社会的問題 ………………………………………………………………………………… 27
ネットワーク・ハードウェア ……………………………………………………………… 29
1.2.1 ローカル・エリア・ネットワーク ……………………………………………………… 31
1.2.2 メトロポリタン・エリア・ネットワーク ……………………………………………… 32
1.2.3 広域ネットワーク ………………………………………………………………………… 33
1.2.4 無線ネットワーク ………………………………………………………………………… 35
1.2.5 家庭のネットワーク ……………………………………………………………………… 37
1.2.6 インターネットワーク …………………………………………………………………… 39
1.2
ネットワーク・ソフトウェア ……………………………………………………………… 40
プロトコル階層 …………………………………………………………………………… 40
1.3.2 各層の設計課題 …………………………………………………………………………… 44
1.3.3 コネクション指向サービスとコネクションレス・サービス ………………………… 45
1.3.4 サービス・プリミティブ ………………………………………………………………… 47
1.3.5 サービスとプロトコルの関係 …………………………………………………………… 49
1.3
1.3.1
参照モデル ……………………………………………………………………………………… 50
OSI 参照モデル …………………………………………………………………………… 50
1.4.2 TCP/IP 参照モデル ……………………………………………………………………… 53
1.4.3 OSI 参照モデルとTCP/IP 参照モデルの比較 ………………………………………… 56
1.4.4 OSI モデルとプロトコルの批評 ………………………………………………………… 58
1.4.5 TCP/IP 参照モデルの批評 ……………………………………………………………… 60
1.4
1.4.1
ネットワークの例 ……………………………………………………………………………… 61
1.5.1 インターネット …………………………………………………………………………… 61
1.5.2 コネクション指向ネットワーク：X.25，フレーム・リレー，ATM ……………… 70
1.5.3 イーサネット ……………………………………………………………………………… 76
1.5
7
無線LAN ：802.11 …………………………………………………………………… 78
2.5.4
中継回線と多重化………………………………………………………………………… 138
ネットワークの標準化 ………………………………………………………………………… 81
1.6.1 電気通信の世界における紳士録 ………………………………………………………… 81
1.6.2 国際標準の世界における紳士録 ………………………………………………………… 83
1.6.3 インターネット標準の世界における紳士録 …………………………………………… 85
2.5.5
交換
1.5.4
1.6
1.7 メートル法の単位 ………………………………………………………………………………
1.8 本書の概要 ………………………………………………………………………………………
1.9 まとめ ………………………………………………………………………………………………
演習問題 ……………………………………………………………………………………………………
第2 章
物理層
86
87
88
89
93
データ通信の理論的基礎 ……………………………………………………………………… 93
2.1.1 フーリエ解析 ……………………………………………………………………………… 93
2.1.2 帯域制限信号 ……………………………………………………………………………… 94
2.1.3 通信路の最高データ転送速度 …………………………………………………………… 96
2.1
有線伝送媒体 …………………………………………………………………………………… 97
2.2.1 磁気媒体 …………………………………………………………………………………… 97
2.2.2 より対線 …………………………………………………………………………………… 98
2.2.3 同軸ケーブル ……………………………………………………………………………… 99
2.2.4 光ファイバ………………………………………………………………………………… 100
2.2
無線伝送 ………………………………………………………………………………………… 106
電磁スペクトル…………………………………………………………………………… 106
2.3.2 無線伝送…………………………………………………………………………………… 108
2.3.3 マイクロ波通信…………………………………………………………………………… 109
2.3.4 赤外線およびミリ波……………………………………………………………………… 112
2.3.5 光伝送……………………………………………………………………………………… 112
2.3
2.3.1
通信衛星 ………………………………………………………………………………………… 113
2.4.1 静止衛星…………………………………………………………………………………… 114
2.4.2 中軌道衛星………………………………………………………………………………… 117
2.4.3 低軌道衛星………………………………………………………………………………… 118
2.4.4 衛星対ファイバ…………………………………………………………………………… 120
2.4
公衆電話交換網 ……………………………………………………………………………… 121
電話システムの構造……………………………………………………………………… 122
2.5.2 電話の政治学……………………………………………………………………………… 124
2.5.3 ローカル・ループ：モデム，ADSL，無線 ………………………………………… 126
2.5
2.5.1
8
……………………………………………………………………………………… 146
携帯電話システム …………………………………………………………………………… 151
2.6.1 第1 世代携帯電話：アナログ音声……………………………………………………… 152
2.6.2 第2 世代携帯電話：デジタル音声……………………………………………………… 156
2.6.3 第3 世代携帯電話：デジタル音声とデータ…………………………………………… 164
2.6
ケーブル・テレビ …………………………………………………………………………… 166
共同アンテナ・テレビ…………………………………………………………………… 166
2.7.2 ケーブル・インターネット……………………………………………………………… 167
2.7.3 スペクトル割り当て……………………………………………………………………… 169
2.7.4 ケーブル・モデム………………………………………………………………………… 170
2.7.5 ADSL 対ケーブル ……………………………………………………………………… 172
2.7
2.7.1
2.8 まとめ …………………………………………………………………………………………… 173
演習問題 ………………………………………………………………………………………………… 174
第3 章
データ・リンク層
179
データ・リンク層の設計課題 ……………………………………………………………… 179
ネットワーク層に対して提供されるサービス………………………………………… 180
3.1.2 フレーム化………………………………………………………………………………… 183
3.1.3 誤り制御…………………………………………………………………………………… 186
3.1.4 フロー制御………………………………………………………………………………… 187
3.1
3.1.1
誤り検出および訂正 ………………………………………………………………………… 187
3.2.1 誤り訂正符号……………………………………………………………………………… 188
3.2.2 誤り検出符号……………………………………………………………………………… 190
3.2
基本的なデータ・リンク・プロトコル ………………………………………………… 194
3.3.1 非制限単方向プロトコル………………………………………………………………… 198
3.3.2 単方向逐次確認プロトコル……………………………………………………………… 199
3.3.3 雑音があるチャネル用の単方向プロトコル…………………………………………… 201
3.3
スライディング・ウインドウ・プロトコル …………………………………………… 204
3.4.1 1 ビット・スライディング・ウインドウ・プロトコル ……………………………… 206
3.4.2 一括再送を用いるプロトコル…………………………………………………………… 208
3.4.3 選択的再送を用いるプロトコル………………………………………………………… 214
3.4
プロトコルの仕様記述と検証 ……………………………………………………………… 219
有限状態機械モデル……………………………………………………………………… 219
3.5.2 ペトリネット・モデル…………………………………………………………………… 222
3.5
3.5.1
9
データ・リンク・プロトコルの例 ……………………………………………………… 224
HDLC ―ハイレベル・データ・リンク制御 ……………………………………… 224
3.6.2 インターネットのデータ・リンク層…………………………………………………… 227
4.5.2
802.16 プロトコル・スタック ……………………………………………………… 290
4.5.3
802.16 物理層 ………………………………………………………………………… 291
4.5.4
802.16MAC 副層プロトコル ……………………………………………………… 293
3.7 まとめ …………………………………………………………………………………………… 232
演習問題 ………………………………………………………………………………………………… 233
4.5.5
802.16 のフレーム構造 ……………………………………………………………… 295
3.6
3.6.1
第4 章
メディア・アクセス副層
237
チャネル割り当て問題 ……………………………………………………………………… 238
LAN とMAN における静的チャネル割り当て ……………………………………… 238
4.1.2 LAN とMAN における動的チャネル割り当て ……………………………………… 239
4.1
4.1.1
多重アクセス・プロトコル ………………………………………………………………… 241
ALOHA ………………………………………………………………………………… 241
4.2.2 搬送波検知多重アクセス・プロトコル………………………………………………… 245
4.2.3 衝突のないプロトコル…………………………………………………………………… 248
4.2.4 競合限定プロトコル……………………………………………………………………… 250
4.2.5 波長分割多重アクセス・プロトコル…………………………………………………… 253
4.2.6 無線LAN プロトコル …………………………………………………………………… 256
4.7
イーサネット…………………………………………………………………………………… 259
4.3.1 イーサネットのケーブル………………………………………………………………… 259
4.3.2 マンチェスタ符号化……………………………………………………………………… 262
4.3.3 イーサネットMAC 副層プロトコル …………………………………………………… 263
4.3.4 べき乗バックオフ・アルゴリズム……………………………………………………… 266
4.3.5 イーサネットの性能……………………………………………………………………… 267
4.3.6 スイッチ型イーサネット………………………………………………………………… 269
4.3.7 ファースト・イーサネット……………………………………………………………… 270
4.3.8 ギガビット・イーサネット……………………………………………………………… 273
4.3.9 IEEE 802.2 ：論理リンク制御 ……………………………………………………… 277
4.3.10 イーサネットについての回顧 ………………………………………………………… 278
4.8 まとめ …………………………………………………………………………………………… 320
演習問題 ………………………………………………………………………………………………… 322
4.2
4.2.1
4.3
無線LAN ……………………………………………………………………………………… 279
802.11 プロトコル・スタック ……………………………………………………… 279
4.4.2 802.11 物理層 ………………………………………………………………………… 280
4.4.3 802.11MAC 副層プロトコル ……………………………………………………… 282
4.4.4 802.11 のフレーム構造 ……………………………………………………………… 286
4.4.5 サービス…………………………………………………………………………………… 287
4.4
4.4.1
4.5
広帯域無線 ……………………………………………………………………………………… 288
802.11 と802.16 の比較 ………………………………………………………… 289
4.5.1
10
Bluetooth …………………………………………………………………………………… 295
4.6.1 Bluetooth の仕組み …………………………………………………………………… 296
4.6.2 Bluetooth アプリケーション ………………………………………………………… 297
4.6.3 Bluetooth のプロトコル・スタック ………………………………………………… 298
4.6.4 Bluetooth の無線通信層 ……………………………………………………………… 299
4.6.5 Bluetooth のベースバンド層 ………………………………………………………… 300
4.6.6 Bluetooth のL2CAP 層 ……………………………………………………………… 301
4.6.7 Bluetooth のフレーム構造 …………………………………………………………… 301
4.6
データ・リンク層のスイッチング ……………………………………………………… 302
4.7.1 802.x から802.y へのブリッジ……………………………………………………… 304
4.7.2 ローカル・インターネットワーキング………………………………………………… 306
4.7.3 スパニング・ツリー・ブリッジ………………………………………………………… 308
4.7.4 遠隔ブリッジ……………………………………………………………………………… 309
4.7.5 リピータ，ハブ，ブリッジ，スイッチ，ルーター，ゲートウェイ………………… 310
4.7.6 仮想LAN（VLAN） …………………………………………………………………… 313
第5 章
ネットワーク層
327
ネットワーク層の設計課題 ……………………………………………………………… 327
蓄積転送方式のパケット交換…………………………………………………………… 327
5.1.2 トランスポート層に提供するサービス………………………………………………… 328
5.1.3 コネクションレス型サービスの実装…………………………………………………… 329
5.1.4 コネクション型サービスの実装………………………………………………………… 331
5.1.5 サブネット内での仮想回線とデータグラムの比較…………………………………… 332
5.1
5.1.1
ルーティング・アルゴリズム ……………………………………………………………… 333
5.2.1 最適化原理………………………………………………………………………………… 335
5.2.2 最短経路ルーティング…………………………………………………………………… 336
5.2.3 フラッディング…………………………………………………………………………… 339
5.2.4 距離ベクトル・ルーティング…………………………………………………………… 339
5.2.5 リンク状態ルーティング………………………………………………………………… 343
5.2.6 階層化ルーティング……………………………………………………………………… 348
5.2
11
5.2.7
ブロードキャスト・ルーティング……………………………………………………… 350
5.2.8
マルチキャスト・ルーティング………………………………………………………… 352
5.2.9
モバイル・ホストに対するルーティング……………………………………………… 354
5.2.10
アドホック・ネットワークにおけるルーティング ………………………………… 357
5.2.11
ピア・ツー・ピア・ネットワークのノード検索 …………………………………… 362
輻輳制御アルゴリズム ……………………………………………………………………… 366
輻輳制御の一般原則……………………………………………………………………… 367
5.3.2 輻輳防止の方針…………………………………………………………………………… 369
5.3.3 仮想回線での輻輳制御…………………………………………………………………… 370
5.3.4 データグラム・サブネットにおける輻輳制御………………………………………… 371
5.3.5 負荷の放棄………………………………………………………………………………… 374
5.3.6 ジッター制御……………………………………………………………………………… 376
5.3
5.3.1
サービス品質…………………………………………………………………………………… 377
5.4.1 要求事項…………………………………………………………………………………… 377
5.4.2 良いサービス品質を得るためのテクニック…………………………………………… 379
5.4.3 IntServ…………………………………………………………………………………… 389
5.4.4 DiffServ ………………………………………………………………………………… 392
5.4.5 ラベル・スイッチングとMPLS ……………………………………………………… 394
5.4
ネットワーク間接続 ………………………………………………………………………… 397
5.5.1 ネットワークの相違点…………………………………………………………………… 398
5.5.2 ネットワークの接続法…………………………………………………………………… 399
5.5.3 仮想回線の接続…………………………………………………………………………… 400
5.5.4 コネクションレス型ネットワーク間接続……………………………………………… 402
5.5.5 トンネリング……………………………………………………………………………… 403
5.5.6 ネットワーク間のルーティング………………………………………………………… 404
5.5.7 フラグメント化…………………………………………………………………………… 406
5.5
インターネットにおけるネットワーク層 ……………………………………………… 409
5.6.1 IP プロトコル …………………………………………………………………………… 411
5.6.2 IP アドレス ……………………………………………………………………………… 414
5.6.3 インターネット制御プロトコル………………………………………………………… 426
5.6.4 OSPF ―ゲートウェイ内ルーティング・プロトコル …………………………… 431
5.6.5 BGP ―ゲートウェイ外ルーティング・プロトコル ……………………………… 436
5.6.6 インターネットのマルチキャスト……………………………………………………… 438
5.6.7 モバイルIP ……………………………………………………………………………… 439
5.6.8 IPv6 ……………………………………………………………………………………… 442
5.6
5.7 まとめ …………………………………………………………………………………………… 450
演習問題 ………………………………………………………………………………………………… 451
12
第6 章
トランスポート層
457
トランスポート・サービス ………………………………………………………………… 457
上位層に提供されるサービス…………………………………………………………… 457
6.1.2 トランスポート・サービス・プリミティブ…………………………………………… 459
6.1.3 バークレイ・ソケット…………………………………………………………………… 462
6.1.4 ソケット・プログラム例題：インターネット・ファイルサーバー………………… 463
6.1
6.1.1
トランスポート・プロトコルの要素 …………………………………………………… 468
6.2.1 アドレス付け……………………………………………………………………………… 469
6.2.2 コネクションの確立……………………………………………………………………… 472
6.2.3 コネクションの解放……………………………………………………………………… 475
6.2.4 フロー制御とバッファリング…………………………………………………………… 480
6.2.5 多重化……………………………………………………………………………………… 484
6.2.6 クラッシュ回復…………………………………………………………………………… 485
6.2
単純なトランスポート・プロトコル …………………………………………………… 487
例題サービス・プリミティブ…………………………………………………………… 487
6.3.2 例題トランスポート・エンティティ…………………………………………………… 488
6.3.3 有限状態機械としての例題……………………………………………………………… 495
6.3
6.3.1
インターネット・トランスポート・プロトコル（UDP） ………………………… 498
6.4.1 UDP 入門 ………………………………………………………………………………… 498
6.4.2 遠隔手続き呼び出し（RPC）…………………………………………………………… 499
6.4.3 リアルタイム・トランスポート・プロトコル（RTP）……………………………… 501
6.4
インターネット・トランスポート・プロトコル（TCP） ………………………… 504
6.5.1 TCP 入門 ………………………………………………………………………………… 505
6.5.2 TCP サービス・モデル ………………………………………………………………… 505
6.5.3 TCP プロトコル ………………………………………………………………………… 507
6.5.4 TCP セグメント・ヘッダー …………………………………………………………… 508
6.5.5 TCP コネクション確立 ………………………………………………………………… 511
6.5.6 TCP コネクション解放 ………………………………………………………………… 512
6.5.7 TCP コネクション管理モデル ………………………………………………………… 513
6.5.8 TCP 転送ポリシー ……………………………………………………………………… 515
6.5.9 TCP 輻輳制御 …………………………………………………………………………… 518
6.5.10 TCP タイマー管理 …………………………………………………………………… 521
6.5.11 無線TCP とUDP …………………………………………………………………… 523
6.5.12 トランザクショナルTCP（T/TCP）……………………………………………… 525
6.5
6.6
性能の問題 ……………………………………………………………………………………… 527
コンピュータ・ネットワークの性能問題……………………………………………… 527
6.6.1
13
6.6.2
ネットワーク性能の測定………………………………………………………………… 529
6.6.3
性能向上のためのシステム設計………………………………………………………… 532
6.6.4
高速TPDU 処理 ………………………………………………………………………… 535
6.6.5
ギガビット・ネットワークのためのプロトコル……………………………………… 538
6.7 まとめ …………………………………………………………………………………………… 541
演習問題 ………………………………………………………………………………………………… 542
第7 章
アプリケーション層
547
DNS ―ドメイン名システム …………………………………………………………… 547
7.1.1 DNS 名前空間 …………………………………………………………………………… 548
7.1.2 資源レコード……………………………………………………………………………… 550
7.1.3 名前サーバー……………………………………………………………………………… 553
7.1
電子メール ……………………………………………………………………………………… 555
アーキテクチャとサービス……………………………………………………………… 556
7.2.2 ユーザー・エージェント………………………………………………………………… 558
7.2.3 メッセージ・フォーマット……………………………………………………………… 561
7.2.4 メッセージ転送…………………………………………………………………………… 568
7.2.5 最終配送…………………………………………………………………………………… 571
7.2
7.2.1
ワールド・ワイドWeb …………………………………………………………………… 576
アーキテクチャの概要…………………………………………………………………… 577
7.3.2 静的Web 文書 …………………………………………………………………………… 593
7.3.3 動的Web 文書 …………………………………………………………………………… 606
7.3.4 HTTP ―ハイパーテキスト転送プロトコル ……………………………………… 613
7.3.5 性能向上…………………………………………………………………………………… 617
7.3.6 無線Web ………………………………………………………………………………… 623
7.3
7.3.1
マルチメディア ……………………………………………………………………………… 633
7.4.1 デジタル・オーディオ…………………………………………………………………… 633
7.4.2 オーディオ圧縮…………………………………………………………………………… 635
7.4.3 ストリーミング・オーディオ…………………………………………………………… 637
7.4.4 インターネット・ラジオ………………………………………………………………… 641
7.4.5 VoIP ……………………………………………………………………………………… 643
7.4.6 ビデオ入門………………………………………………………………………………… 650
7.4.7 ビデオ圧縮………………………………………………………………………………… 653
7.4.8 ビデオ・オン・デマンド………………………………………………………………… 660
7.4.9 MBone ―マルチキャスト・バックボーン………………………………………… 666
7.4
7.5
14
まとめ …………………………………………………………………………………………… 670
演習問題 ………………………………………………………………………………………………… 671
第8 章
ネットワーク・セキュリティ
677
暗号 ……………………………………………………………………………………………… 680
暗号入門…………………………………………………………………………………… 680
8.1.2 換字式暗号………………………………………………………………………………… 682
8.1.3 転置式暗号………………………………………………………………………………… 684
8.1.4 ワンタイム・パッド……………………………………………………………………… 685
8.1.5 二つの基本的な暗号原理………………………………………………………………… 689
8.1
8.1.1
対称鍵暗号アルゴリズム …………………………………………………………………… 691
DES ―データ暗号標準 ……………………………………………………………… 692
8.2.2 AES ―高度暗号標準 ………………………………………………………………… 695
8.2.3 暗号化モード……………………………………………………………………………… 698
8.2.4 その他の暗号……………………………………………………………………………… 703
8.2.5 暗号解読…………………………………………………………………………………… 703
8.2
8.2.1
公開鍵暗号アルゴリズム …………………………………………………………………… 705
RSA ……………………………………………………………………………………… 706
8.3.2 その他の公開鍵暗号アルゴリズム……………………………………………………… 707
8.3
8.3.1
デジタル署名…………………………………………………………………………………… 708
対称鍵暗号に基づく署名………………………………………………………………… 708
8.4.2 公開鍵暗号に基づく署名………………………………………………………………… 709
8.4.3 メッセージ・ダイジェスト……………………………………………………………… 711
8.4.4 誕生日攻撃………………………………………………………………………………… 715
8.4
8.4.1
公開鍵の管理…………………………………………………………………………………… 717
8.5.1 証明書……………………………………………………………………………………… 717
8.5.2 X.509 …………………………………………………………………………………… 719
8.5.3 公開鍵基盤………………………………………………………………………………… 720
8.5
通信セキュリティ …………………………………………………………………………… 723
IPsec …………………………………………………………………………………… 723
8.6.2 ファイアウォール………………………………………………………………………… 727
8.6.3 仮想プライベート・ネットワーク……………………………………………………… 730
8.6.4 無線セキュリティ………………………………………………………………………… 731
8.6
8.6.1
認証プロトコル ……………………………………………………………………………… 736
8.7.1 秘密の共通鍵に基づく認証……………………………………………………………… 737
8.7.2 共通鍵の共有：Diffie-Hellman 鍵交換 …………………………………………… 741
8.7
15
8.7.3
鍵配送センターを用いた認証…………………………………………………………… 743
8.7.4
Kerberos を用いた認証 ……………………………………………………………… 746
8.7.5
公開鍵暗号を用いた認証………………………………………………………………… 748
電子メールのセキュリティ ………………………………………………………………… 749
PGP ―プリティ・グッド・プライバシー ………………………………………… 749
8.8.2 PEM ―プライバシー強化メール …………………………………………………… 753
8.8.3 S/MIME ………………………………………………………………………………… 754
8.8
8.8.1
Web セキュリティ …………………………………………………………………………… 754
脅威………………………………………………………………………………………… 754
8.9.2 セキュアな名前付け……………………………………………………………………… 755
8.9.3 SSL ―セキュア・ソケット・レイヤー …………………………………………… 762
8.9.4 モバイル・コードのセキュリティ……………………………………………………… 765
8.9
8.9.1
社会的問題 …………………………………………………………………………………… 768
プライバシー …………………………………………………………………………… 768
8.10.2 言論の自由 ……………………………………………………………………………… 771
8.10.3 著作権 …………………………………………………………………………………… 774
8.10
8.10.1
8.11 まとめ ………………………………………………………………………………………… 776
演習問題 ………………………………………………………………………………………………… 777
第9 章
推薦図書と参考文献
783
今後読むべき文献 …………………………………………………………………………… 783
入門書と一概説書………………………………………………………………………… 783
9.1.2 物理層……………………………………………………………………………………… 785
9.1.3 データ・リンク層………………………………………………………………………… 787
9.1.4 メディア・アクセス副層………………………………………………………………… 788
9.1.5 ネットワーク層…………………………………………………………………………… 790
9.1.6 トランスポート層………………………………………………………………………… 792
9.1.7 アプリケーション層……………………………………………………………………… 793
9.1.8 ネットワーク・セキュリティ…………………………………………………………… 795
9.1
9.1.1
9.2
参考文献 ………………………………………………………………………………………… 796
索引 …………………………………………………………………………… 817
著者略歴 …………………………………………………………………… 847
16

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