ネットワークの構造
と
技術要素
• 物理レイヤ
登場人物
– 伝送媒体 ： 有線(光ファイバ、銅線)、 無線(空気、導波路)
– 送受信装置 ： アンテナ、トラポン、半導体レーザ、電子回路
• データリンク
– 伝送装置
– 多重化装置
– スイッチ装置
• インターネットレイヤ
– ルータ装置
– サーバ装置
• アプリケーションレイヤ
– 計算機
– ソフトウェア
– コンテンツ
物理レイヤ
• 伝送媒体
– 光ファイバ(SM/MM)、銅線(UTP、TP、USB、RSC232C、)、導波路、空気
• 接続形態
– RJ11, RJ45, ST, SC、MIC
– スター、バス、リング
• 伝送方法
– 周波数分割 ： ベースバンド、変調(AM, FM)
– 空間分割
– 時間分割
• 伝送符号化
– モデム(位相 * 振幅)
– デジタル伝送(NRZ、)
スター型
真ん中のノード
が頑張ると、無
駄な通信がなく
なる
バス型
リング型
P2P型
(ポイント-ポイント)
みんなの話を
聞いて必要な
ものだけを実
際に聞く
トークンを使う
中身が自分宛
だったら聞く
シンプル!
物理レイヤ
• 伝送方法と符号化
–
–
–
–
–
コスト
伝送距離
伝送速度
誤り率
誤り訂正(モデムなどでの誤り訂正)
データリンクレイヤ
• アクセス&利用方法
– TDM(時分割)/FDM(周波数分割)
– トークン
– 衝突検出
• フロー制御
• 誤り制御
– 再送制御(通常リンクなど)
– 前方誤り訂正制御(衛星リンクなど)
物理/データリンクレイヤ
• 伝送装置
– リピータ(信号の整形と増幅)
• 多重化装置
– スター型システムでの集線機能
• スイッチ装置
– あるポートから あるポートへ 情報をスイッチ
インターネット(IP)レイヤ
• ルータ装置
– たくさんの機能を実現するプロトコル
(*) 機能 vs 数値
– いろいろな 実装方法
– データリンク機能との統合
• 認証サーバ
– RADIUSなど
アプリケーションレイヤ
• サーバ
– 大規模化(ノード内、ノード間)
– 地理的分散化(CDN、Grid)
• ソフトウェア
– アプリケーションソフトウェア
– ミドルウェア(共通に利用されるソフトウェア)
• コンテンツ
–
–
–
–
音声
画像
動画
その他
コンテンツの符号化(1)
• コンテンツそのもの(メディア)の表現技術
– HTML
– XML
– VRML
• 情報の圧縮技術 ； 激しい算数
– MPEG、AVI
– JPEG、GIF
– DOLBY
• 情報のデジタル化
– アナログ品質の劣化防止
– アナログ情報の意味としての デジタル化
電圧
時間（T)
デジタル化
電圧
サンプル粒度
(ΔV)
時間（T)
サンプリング周期(ΔT)
電圧
サンプル粒度
(ΔV)
時間（T)
サンプリング周期(ΔT)
ΔT と ΔV を小さくすると ?
電圧
時間（T)
どのくらい 細かくするといいの ?
• 時間方向
– Shannonのサンプリング定理
信号の周波数の 2倍の周波数でサンプリングすれば、元信
号を完全に再現可能。
• 電圧方向
– 測定値を表現するビット数を大きく
•
•
•
•
4ビット ： 16値
8ビット ： 32値
16ビット： 64値
32ビット： 128値
(*) 人間の感覚は、通常、指数関数状に変化 (dB)
コンテンツの符号化(2)
• コンテンツの蓄積と検索
– アーカイブ
– データマイニング
– セマンティックWEB
いくつか気にしたい点
• 計算負荷 << 転送負荷
– エンドエンドアーキテクチャの思想そのもの ☺
– 特に、無線リンク にあてはまる
• ピアツーピアアーキテクチャの変化
– でも、point2point は、Legacy になる
– Multipleサーバ to singleクライアント
– でも、クライアントはたくさん可能
(*) 単に、分散コンピューティングではあるけれど。
Shannonの定理の時代
Source
“encode”
Receiver
“decode”
No Computing Node
(Transparent Pipe)
If (リンクコスト ＝＝ “小”)
{垂れ流しで情報を送ろう!!}
else
｛Source と Receiver で頑張って計算しよう｝
Shannonの定理への挑戦(?)
Source
Source
Receiver
Source
・ 複数のSourceから情報が生成される
・ Sourceも計算資源となれる
・ 各ノードは計算処理に協力可能
・ 伝送コスト vs 計算コスト
・ Receiverは、任意のところに複数置けるべき !!
(*) 比喩： リモートセンシング vs センサーネット
・バッテリー容量と消費量という重要なコスト関数
デジタル化、アナログ化
言語(デジタル)のアナログ伝達
発話者
聞き手
伝えたい情報
情報を獲得
思考から言葉への
デジタル変換
でも、これは、
デジタル化とは
通常言わない
言葉・音
デジタル情報をアナロ
グで伝送
(品質は劣化しない ☺ )
意思を言語に
抽象化(誤差が
発生…)
空気
言葉・音
歌(アナログ)のアナログ伝達(1)
歌手
聞き手
歌詞＋楽譜
歌声を聴く
楽譜から歌声への
変換
デジタル情報を
アナログ情報へ
変換
歌声
アナログ情報をアナロ
グで伝送(品質が劣化
する。。。。 )
歌詞を歌声に
変換(個体差が
発生…)
空気
歌声
歌のアナログ伝達(2)
歌手
聞き手
歌詞＋楽譜
歌声を聴く
楽譜から歌声への
変換
アナログ
アナログ
(AA変換)
アナログ歌声
アナログ歌声
(AA変換)
電気的歌声
アナログ情報(歌声)をアナ
ログ(電気信号)で伝送
e.g., アナログ放送
(品質は劣化する
)
電気的歌声
電気
言語(デジタル)のデジタル伝達
発信者
受信者
伝えたい情報
情報を獲得
思考から言葉
への変換
(A D変換)
デジタル情報
として入力
デジタル情報をデジタ
ルで伝送
(品質は劣化しない ☺ )
D D変換
(言葉 信号)
ネットワーク
文字・信号
歌(アナログ)のデジタル伝送
歌手
聞き手
歌詞＋楽譜
楽譜から歌声への
変換
アナログ歌声
アナログ歌声
(SPK)
(MIC)
アナログ
デジタル
(AD変換)
歌声を聴く
電気的歌声(アナログ)
電気的歌声(アナログ)
(DA変換)
電気的歌声(デジタル)
デジタル情報(歌声)をデジ
タル(電気信号)で伝送
e.g., デジタル放送
(品質は劣化しない
☺)
電気的歌声(デジタル)
ネットワーク
歌(デジタル)のデジタル伝送
歌手
聞き手
歌詞＋楽譜
歌声を聴く
e.g., MIDI
アナログ歌声
(SPK)
アナログ
デジタル
(AD変換)
電気的歌声(アナログ)
(DA変換)
電気的歌声(デジタル)
デジタル情報(歌声)をデジ
タル(電気信号)で伝送
e.g., デジタル放送
(品質は劣化しない
☺)
電気的歌声(デジタル)
ネットワーク
DSL技術
“Digital over Analogue over Digital.….”
＜既存のモデム通信＞
: デジタル伝送
: モデム伝送
＜xDSLシステムにおけるデータ転送＞
ブロードバンド＆常時接続（Broadband & Always-On)
•DSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）
• 既存の電話回線でサービス提供。
• 実効速度： 下り512Kbps〜1.5Mbps, 上り128Kbps〜256Kbps
• ポイントポイントリンク (ケーブルインターネットとの決定的違い)
NTT市内電話局
電話を同時にご利用可能
ADSLﾓﾃﾞﾑ
スプリッタ
高速ｱｸｾｽ（ﾃﾞｰﾀ通信）
ADSL
集線装置
ｲﾝﾀｰﾈｯﾄ
電話交換機
公衆
電話網
下り信号
32個のキャリア
256個のキャリア
電話
振幅
上り信号
0
4 26
…
…
138
1104
周波数［kHz］
…
…
ケーブルモデム技術
同軸ケーブル
光ファイバ
O/E変換
E/O変換
ノード
CMTS
インターネット
HUB
Servers
＜STB＞
＜ヘッドエンド装置＞
STB： Set Top Box
CMTS： Cable Modem Termination System
ケーブルモデム技術
・一般的な周波数割り当て
アナログビデオ,
FM
60 ch
54MHz 〜450MHz
デジタルビデオ
260 ch
450MHz〜650MHz
下り方向データ
650MHz〜775MHz
上り方向データ
875MHz〜1GHz
電力線(低電圧線)アクセス
低圧配電線方式によるインターネットアクセスイメージ
6,600Ｖ
高圧配電線
変電所
低ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽによ
るﾃﾞｰﾀ信号の吸収
エアコン
からの雑音
エアコン
［変圧器］
照明から
の雑音
100V
電灯線
低圧配電線
［高速配搬ﾓﾃﾞﾑ］
（親装置）
分電盤
ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽｱｯﾊﾟ
ＴＶ
照明
電力量計
ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽｱｯﾊﾟを
装着することでTV
の影響を低減
ﾌｨﾙﾀ
高速配搬
ｲﾝﾀｰﾈｯﾄ
100V
ﾌｨﾙﾀ
光ﾌｧｲﾊﾞｹｰﾌﾞﾙ
高速配搬
ｲｰｻﾈｯﾄ
高速配搬ﾓﾃﾞﾑ
(子装置)
：電
パソコン
気（60Hz）
：データ信号（10k〜450kHz）
14
：家電機器からの雑音（10k〜450kHz）
モバイルデータ通信
(携帯電話)
携帯電話網の構成
ｱﾝｸﾞﾙﾀｲﾌﾟ鉄塔
集約局
都市部基地局
鉄塔局
集約局
ﾈｯﾄﾜｰｸｾﾝﾀｰ
鋼管柱鉄塔
セルラー方式
• 第1世代 : アナログ方式 (1979年)
• 第2世代(G2) ： ディジタル方式(1993年頃か
ら)
– PDC(Personal Digital Cellular)
• TDMA方式、 by NTT DoCoMo、J-Phone、
– GSM(Global System for Mobile Communications)
• TDMA方式、 by 欧州
– IS-95(Intermediate Standard-95)
• CDMA方式、 by 北米, cdmaOne(DDI/IDO)
– IS-136(Intermediate Standard-136)
• TDMA方式、 by北米
ディジタルコードレス方式
• PHS(Personal Handyphone System)
– 日本独自
• DECT(Digital Enhanced Codeless Telecommunications)
– 欧州
主なデジタルセルラー方式とデジタルコードレス方式
IS-95 GSM
PHS DECT
1994
1996
1992
1997
1992
800MHz
1.5GHz
800MHz
1.9GHz
800MHz
900MHz
1.9GHz
1.9GHz
アクセス方式
TDMA-FDD
TDMA-FDD
CDMA-FDD
TDMA-FDD
TDMA-FDD
TDMA-FDD
チャネル間隔
50kHz
60kHz
1.25MHz
400kHz
300kHz
1.728MH
z
タイムスロット数
3
3
-
8
8
24
変調方式
Π/４−
QPSK
Π/４−
QPSK
BPSK
QPSK
GMSK
Π/４−
QPSK
GMSK
伝送速度
42kbps
48.6kbps
1.2288Mcps
(チップレー
ト)
場所
日本
北米
北米
PDC
IS136
1993
周波数
サービス開始
270.833 382kbps
kbps
欧州
1.152
Mbps
日本 欧州
データパケット転送方式
•
•
CDP-D (Cellular Digital Packet Data) : 19.2kbps
– 北米アナログ携帯電話をベースにしたパケット通信
PIAFS(PHS Internet Access Forum Standard): 最大 96kbps
– PHSデジタル通信路を用いたデータ通信
•
PDC-P (Personal Digital Cellular Packet): 最大 28.8kbps
– NTT DoCoMo、J-Phone
•
GPRS (General Packet Radio Service) :最大 171.2kbps
– GSMシステムにSGSN(Serving GPRS Support Node)を追加
cdma-P (cdma Packet) : 最大 64kbps
– IS-95(B) を元にしたCDMAベースのパケット通信
EDGE(Enhanced Data rates for GSM and TDMA-136 Evolution) : 最大 384kbps
– GSMの拡張
•
•
•
HSCSD(High Speed Circuit Switched Data) : 最大 57.6kbps
– GSMマルチススロット
PHSを用いたデータ通信
CS
PIAFS
ルータ
PHS網/ISDN網
TAP
PS
“Digital”
“Analogue”
Modem
PTE
アナログ
ルータ
アナログ網
・PIAFS: PHS Internet Access Forum Standard
・TAP: Terminal Adaptor for PHS
・PTE : Protocol Transfer Equipment
・PS: Personal Station
・CS： Cell Site for PSs
PDC-Pの基本ネットワーク構成
<PDC-P>
PPM
P-MDE
MS
PGW
Internet
HLR
MDE
MSC
GMSC
<PDC>
・PGW: Packet Gateway
・PPM: Packet Processing Module
・P-MDE: Packet Modulation Demodulation Equipment
・HLR: Home Location Register
・MSC: Mobile Switching Center
・MS : Mobile Station
POTS/ISDN
PDP-P (PDP Packet)プロトコル構成
無線インターフェース
アプリ
アプリ
TCP
IP
IP
TCP
IP
PPP
PPP
Layer2
Layer1
IP
PPP
CMR
Layer2 C M T
R M C プロトコ
T M C ル変換
プロトコ
ル変換
LAPD
LAPD Layer2
Layer1 Layer1
Layer2
Layer1 Layer1
Layer1 Layer1
Layer2
Layer1 Layer1
Layer2
Layer1
DTE
MS
P-MDE
PPM
PGW
DTE
(データ端末)
(モバイル 端末)
(パケット用無線
基地局変復調装置)
(パケット加入者処理装置)
(パケット関門中継
処理装置)
(データ端末)
CC: Call Control
MM: Mobility Management
RT: Radio Frequency Transmission Management
LAPDM: Link Access Procedure for Digital Mobile Channel
DTE: Data Transmission Terminal
iモード, WAP 基本通信モデル
移動通信網(e.g., iモード網)
Internet
GW
移動通信網 特有プロトコル
インターネットプロトコル
GW
プロキシ
コンテンツ
サーバ
iモード プロトコル構成
無線I/F
コンパクト
HTML
コンパクト
HTML
(HTTP相当)
HTTP
SMTP
HTTP
SMTP
APL
APL
(HTTP相当)
TLP
PDC-P
iモード
端末
網内
PDC-P プロトコル
PPM
TLP
TCP
TCP
TCP
TCP
網内
プロトコル
IP
IP
IP
IP
M-PGW
iモード
サーバ
Contents
Provider
・ ALP: Application Layer Protocol
・ TLP: Transport Layer Protocol
・ PPM: Packet Processing Module
・ M-PGW: Mobile Packet Gateway
周波数問題
ISM（産業科学医療用）機器
電子レンジ
移動体識別装置
2.47075
2.427
移動衛星局
2.500
2.483.5
アマチュア無線局
2.400
2.450
従来の無線LAN（802.11）
（従来）
2.471
11Mbps無線LAN （802.11b）
小電力データ通信
システムの無線局
（追加）
2.400
2.40
2.497
2.4835
2.42
2.44
2.46
2.48
2.50
周波数(GHz)
気象レーダ
ETC（料金自動収受）
航空無線
衛星携帯電話
5.25
航空･船舶･航行用レーダー
5.35
屋内向け無線LAN
5.15
5.25
5.75
屋内向け無線LAN
5.00GHz
5.20GHz
5.85
海外での屋外向け無線LAN
5.40GHz
5.60GHz
5.80GHz
6.00GHz
気にすべき点
• 眼に見える紐 (aka. 有線)
– 頑張れば引けちゃう !!!
– 干渉とか気にしなくていい (低速LSIも同じ)
– 基本的には、土建屋の世界
• 眼に見えない紐 (aka. 無線)
– 貴重な資源
– ライセンスと規制の塊
– 電磁気、、、、ちゃんと勉強しなきゃ (高速LSIは同じ)
アナログの助けをするデジタル
• アナログ情報の
– 生成
• 楽器を演奏しないミュージシャン
• 絵筆を持たない画家
– 保存/コピー
• 記録媒体を選ばない
– (メディア)変換
アナログ的保存 vs デジタル的保存
– 伝達
• 基本的には、コピーと同じだけど。。。。
共通基盤としてのソフトウェア
• オペレーティングシステム
– 計算機資源の管理
• ミドルウェア
– ライブラリ的共通基盤機能
• プログラム言語
システムプログラミング基本要素
Process
• プロセス
• ライブラリ
• OS: Operating System
AP
AP
Lib
Lib
Operating System
Operating Systemの機能
• メモリ管理
– メモリ
• デバイス管理
– プリンタ，ディスク，ディスプレイ．．．．
• プロセス管理
– CPUの割り当て
• ファイルシステム
– 情報の保存
Operating System
• Single User Single Process
– DOS
• Single User Multi Process
– Windows95
• Multi User Multi Process
– UNIX, NT
TSS & バッチシステム
• TSS: タイムシェアリングシステム
– つまみ食い
– １台のＣＰＵをみんなで食べる
• バッチシステム
ＣＰＵ
– コース料理
– 順番に並んで
ＣＰＵ
System Call と Library Routine
• System Call
– 直接OSが提供して
いる関数
• Library routine
Application Program
Library Routine
– プログラムに附属し
て実行される関数
– System Callを使いや
すくした関数
System Call
Operating System
UNIXにおける抽象化
• 全てをファイルで抽象化
– ファイル
– 周辺機器（ディスク，プリンタ，ターミナル．．．．．）
– open, read, write, close
• プロセスから見れば，すべて「口」と「パイプ」
• パイプの中を流れるデータは、バイトストリーム
「口」と「パイプ」
% csh ...
プロセス
ファイルへの操作
Open: ファイルとプロセスの間にパイプをつなぐ
fd = open(filename, flags, mode)
Read/write: パイプからバイト列を読む・書く
0
read(fd, buf, nbyte)
write(fd, buf, nbyte)
1
2
3
close: パイプを切る
close(fd)
File
ビジネス プレイヤ
ビジネス プレーヤ(1)
• 土木工事会社
• ハウジング会社
– データセンター
• 製造会社
– ハードウェア
– ソフトウェア
• キャリア(データリンクの提供)
– 運用技術
• ISP(インターネットサービスプロバイダ)
– 運用技術
ビジネス プレーヤ(2)
• CSP(コンテンツサービスプロバイダ)
– 運用技術
•
•
•
•
Contents Aggregator (e.g., 放送局)
コンテンツ作成者 (e.g., 電通)
ASP (Application Service Provider)
SIer (System Integrator)
単価
• ビット単価
– チャンネル化 >> 広帯域化
– 固定費(人件費/場所費) >> 機器コスト
• 機器単価
– 量産効果(材料費 << 人件費)
– 光技術 >> 半導体技術
• ソフトウェア単価
– 原価一定、激しい量産効果
• コンテンツ単価
– 時価 だけど、原価は一定値
量産効果
ビジネス形態
• B-to-B : Business to Business
– Closed Network (Intranet, Extranet)
• B-to-C： Business to Customer
– Open Network
– 囲い込み型のビジネスモデル
• C-to-C： Customer to Customer
– Full Open Network
• 認証技術、暗号技術の重要性
ネットワークが提供する機能
• データ転送
– 常時接続(チャネル
専用線)
– オンディマンド(e.g.,ダイヤルアップ)
– 常時接続(でも、disconnecting.….)
• 固定点への転送
移動点への転送
• プレゼンス(Presence)
• Peer-to-Peer
Client-Server
Peer-to-Peer
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