2 コンピューターの通信

2.1 インターネット

2.1.1 概要

インターネットは，世界中のコンピュータが接続されている巨大なネットワークである． 現在，コンピューターの通信は，ほとんどインターネットを使っている．

1969年，冷戦下に軍事攻撃から通信網を守るために開発された「ARPANET」から始まった．1箇所に ネットワークのコントローラーがあるシステムだと，そこが攻撃されると，システムは停 止してしまう．それを防ぐために，分散型の通信網を作った．今のインターネットも分散 型で，一部のシステムが故障しても通信は可能である．

その後，1986年には軍事用のARPANETから分割さたので，大学を中心に学術研究用のネッ トワークが構築され始めた．1991年，CERNのバーナーズ・リーによりWorld Wide Web(WWW)を開発し，その後のインターネットの普及に礎を作った．1995年にWindows 95が 発売されると，大学のみならず，一般家庭でも爆発的にインターネットが使われるように なった．

インターネットでは，図1コンピューターやハブ，ルーターなどが通信 線路で相互に接続されており，それらを通してコンピューター間でデータの交換が出来る ようになっている．全体を見渡すと，接続はクモの巣(web)のようになっている．

図 1: インターネットの全体像．インターネットはコンピューターとハブ，ルーター などが通信線路で接続されている．

2.1.2 パケット

インターネット上のデータは，少量のデータ;パケット(packet)に分割して，転送が行わ れている．一回で全てのデータを送るのではなく小分けにして，ルーターなどの通信機器 を経由してデータは送られる．各パケットには，送るデータの他に発信元、送信先のアドレ スやパケットの種類・伝送順序などの制御情報を付加されている(図2)．

パケット単位で通信を行うので、ある通信がネットワークを連続して占有することはない． そのため，一度の多くの通信が可能となり，通信の効率が上がる．また，送信データの一 部が破損，あるいは喪失しても少ないコストで再送が可能になる．

図 2: インターネットのパケットの構造．パケットは，データとヘッダーから成る． ヘッダー部に情報により，信頼性のある通信が可能となる．

2.2 ネットワークプロトコル

さまざまな方法でインターネットに接続して，通信することができる．分かりやすい例だ と，いろいろなケーブルを使うことができる．多くの場合ツイストペアが使われているが， 光ファイバーや同軸ケーブルなども使える．ケーブルばかりではなく，通信の機器にはハ ブやルーターなども使っている．ハードウェアーのみならず，ソフトウェアーもいろいろ ある．

これら，さまざまな方法で通信可能な場合，それぞれに合わせて，コンピューター間の接 続方法を決めていては，手間;コストがかかる．たとえば，5種類のケーブル，3種類の通 信機器，8種類のソフトウェアーがあると，合計 $5\times3\times8=120$種類の接続の組み 合わせがある．これでは大変である．また，新しい技術が開発される都度，新たに仕組み を考えなくてはならない．

ネットワークの機能をモジュール化することにより，これらの問題が解決できる．それぞ れの階層--ここの例ではケーブル，通信機器，ソフトウェアー--で入り口と出口の規格 を決める．要するに，入り口と出口のみを決め，それを守ればどのような機器，ソフトウェ アーも使えるようにするのである．このような規格のことをプロトコル(protocol)と言う．

ネットワークの機能のモジュール化では，OSI参照モデルがよく引き合いに出される．そ れを表1に示す．ネットワーク必要なものがモジュール化されて いることが分かる．

このOSI参照モデルは，各種の試験によく出題される．「物でねーと， せっかくのプレゼントもありがたくない」と覚えるとか []．

表 1: OSI参照モデル．役割は，主に文献 [4]から引用．

層(レイヤ)		役割
第7層	アプリケーション層	プログラムのAPI．アプリケーション間のデータのや りとりを行う．
第6層	プレゼンテーション層	データ翻訳/変換．プロセスで扱うデータの型や符 号を，共通のものに変換あるいは逆変換する．
第5層	セッション層	通信プログラム同士がデータの送受信を行なうための仮想 的な経路(コネクション)の確立や解放を行なう．
第4層	トランスポート層	相手まで確実に効率よくデータを届けるためのデータ 圧縮や誤り訂正，再送制御などを行なう．
第3層	ネットワーク層	相手までデータを届けるための通信経路の選択や，通信 経路内のアドレスの管理を行なう．
第2層	データ層	通信相手との物理的な通信路を確保し，通信路を流れるデータ のエラー検出などを行なう．
第1層	物理層	データを通信回線に送出するための電気的な変換や機械的な作業 を受け持つ．ピンの形状やケーブルの特性，LANカードなども第1層で定められる．

現在，もっとも使われている通信方式はOSI参照モデルではなく，表 2のTCP/IPモデルである．基本の考え方は，OSI参照モデルと同 じである．

このTCP/IP参照モデルを通して，データの通信を行うためには各種のプログラムが必要で ある．これらのプログラムはOS(unix, windows, macintosh)に実装されており，システム コールにより呼び出すことができる．

表 2: TCP/IP参照モデル．役割は，主に文献 [4]から引用．

TCP/IPモデル	プロトコル	役割
アプリケーション層	TELNET, FTP, HTTPなど	アプリケーション間の通信を行う．
トランスポート層	TCP,UDP	確実にデータが送られるかどうかを確認る．
インターネット層	IP	送り先へ向かってどのような経路でデータを送るのかを決定する．
ネットワークインターフェース層	イーサーネット	物理的なネットワーク機器へアクセスする．

2.3 パケットに付くヘッダー

インターネットを使って通信するプログラムは，表2のアプリ ケーション層を使って通信を行う．データは送信側コンピューターのアプリケーション層 $\leftarrow$トランスポート層 $\leftarrow$インターネット層 $\leftarrow$ネットワーク インターフェース層を通して，インターネットに出て行く．データを受け取る側はその逆 で，インターフェース層 $\leftarrow$インターネット層 $\leftarrow$トランスポート層 $\leftarrow$アプリケーション層とデータがわたって，最後にプログラムに到着する．

これら，層をまたぐ毎に，各種のヘッダーが付加されたり削除されたりする．これ以降， 簡単に各種のヘッダーについて，説明する．

2.3.1 TCPヘッダー

送信側のコンピューターのトランスポート層を通過すると，表3の TCPヘッダーが付加される．逆に，受信側のコンピューターのトランスポート層を通過す ると，このTCPヘッダーは削除される．

表 3: TCPヘッダーの内容．主に文献 [3]から引用．

フィールド	長さ(ビット)	内容
送信元ポート番号	16	パケットを送信したプログラムのポート番号
宛先ポート番号	16	パケットを受信するプログラムのポート番号
シーケンス番号	32	このパケットのデータの先頭が，送信データの何バイト目に あたるかを示す．
確認応答番号	32	データが何バイト目まで受信側に届いたかを，受信側から送信 側へ伝える．
データオフセット	4	データ部分がどこから始まるかを表す．TCPヘッダーの長さ と同じ．
未使用	6	使われていない．すべて0．
コントロールビット	6	通信制御のためのビット．詳細は省略．
ウインドウサイズ	16	受信側から送信側へ，受信確認なしで送信可能なデータ量 を通知する．
チェックサム	16	誤りの有無を検査する符号
緊急ポインタ	16	緊急時に処理すべきデータの位置を表す．
オプション	最大40バイト	上のヘッダーフィールド以外の情報を記載するときに 使う．滅多に使わない．

2.3.2 IPヘッダー

送信側のコンピューターのインターネット層を通過すると，表4の IPヘッダーが付加される．逆に，受信側のコンピューターのインターネット層を通過す ると，このIPヘッダーは削除される．

表 4: IPヘッダーの内容．主に文献 [3]から引用．

フィールド	長さ(ビット)	内容
バージョン	4	IPプロトコルのバージョン．
ヘッダー長	4	IPヘッダーの長さ．
サービスのタイプ	8	IPパケットの優先度などパケットの品質を決める．
全長	16	IPメッセージ全体の長さ．
ID情報	16	個々のパケットを識別する番号．通常，パケットの通し番号．
フラグ	3	IPパケットの分割を制御する時に使用．
フラグメントオフセット	13	分割されたパケットが，元のデータのどこに位置し ているかを表します．
生存期間	8	ネットワークにループができたときに，永久にパケットが回り続け いないように，生存期間を指定．ルーターを経由する毎に，この値が1ずつ 減らされ，0になればパケットは廃棄される．
プロトコル番号	8	プロトコル番号を記述．
ヘッダーチェックサム	16	誤り検査用符号データ．
送信元IPアドレス	32	このパケットを送信した側のIPアドレス．
宛先IPアドレス	32	このパケットを届ける相手のIPアドレス．
オプション	可変長	上のヘッダーフィールド以外の情報を記載するときに 使う．滅多に使わない．

2.3.3 MACヘッダー

ネットワークインターフェース層を通過する毎にMACヘッダーは付加されたり削除された りする．

表 5: MACヘッダーの内容．主に文献 [3]から引用．

フィールド	長さ(ビット)	内容
宛先のMACアドレス	48	このパケットを届ける相手のMACアドレス．
送信元のMACアドレス	48	このパケットを送信した側のMACアドレス．
イーサータイプ	16	使用するプロトコルの種類．

ホームページ: Yamamoto's laboratory
著者: 山本昌志