[ネットワーク] 用語集

class: title, smokescreen, shelf, no-footer
# コンピュータネットワークの基本用語

<div class=footnote>
スライドには出てこない(発展)用語も含まれています
</div>
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class: col-2,compact
# 基本用語

- Packet (パケット)
    - データのかたまり
    - headerとpayloadからなる
    - header (制御情報)
    - payload (データ本体)
- Protocol (プロトコル)
    - 通信の約束事、取り決め
- Server Client Model
- IP (IPアドレス)
    - 32bit(IPv4), 128bit(IPv6)
- PORT (ポート番号)
    - 16bit
- SRC = 送信元(SOURCE)
- DST = 送信先(DESTINATION)

- サーバ
 - サービスを提供するPC
 - サービスを提供するソフトウエア
- クライアント
 - サービスを受けるPC
 - サービスを受けるソフトウエア
- [備考]通信の必須事項
 - 最低でも5つの情報が必要,
 手段および送信元(住所,相手),送信先(住所,相手)の情報;
 TCP/IPの場合Protocol, SRC_IP,SRC_PORT, DST_IP,DST_PORT
 - 例: TCP,192.168.0.10,1025,10.0.0.1,25

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class: col-2,compact
# 階層モデル

- TCP/IP
    - アプリケーション
    - トランスポート
    - インターネット
    - ネットワークインターフェイス

- OSI 7 layer model
 - L7 application
 - L6 presentation
 - L5 session
 - L4 transport
 - L3 network
 - L2 data link
 - L1 phyisical

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class: col-2,compact
# パケット

![TCP](/images/network/tcp-all-layers.png)
データにTCPヘッダがついてTCPパケットになり、
さらに、その前にIPヘッダがつけたされてIPパケットになる。
さらに、IPパケットの前後にイーサネットフレームのヘッダとトレイラがつき、
イーサネットフレームとなる

![UDP](/images/network/udp-all-layers.png)
UDPパケットも同様

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class: col-2,compact
# 組織と規格文書

- IETF
    - インターネットの規格を決める組織
    - 誰でも参加できる敷居の低さが特徴
    - 草の根
- OSI
    - 規格を決める組織
    - 大企業や国などのあつまり
    - IETFの反政治勢力:-)
- W3C
    - WWWの規格を決める組織
    - 敷居の低さはIETFに準拠

- RFC
 - IETFの発行する文書
 (正式な規格文書からメモ、April Foolまで多種多様)
- JPRS
 - JPドメインを管理する民間企業
- JPNIC
 - IPアドレスの割当を行う組織

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class: col-2,compact
# アプリケーション層

- 俗に、レイヤー７とも言うが、OSIのlayer 7とは厳密には一致していない
    - OSI layer 5 〜 7 に相当する図を書く説明が多いが...
- アプリケーションの区別はポート番号
    - アプリケーション(のサーバ側が利用する)ポート番号が決められている
    - このポート番号はIANAが管理
- ポート/プロトコルという表記をする
    - 例: HTTP は 80/tcp を使う
    - 右表を参照
- ポート番号の1024未満は特別あつかい
    - 重要なサーバのみが利用
    - 管理者権限が必要

| アプリケーション     | プロトコル        | ポート番号    | 
| -------------------- | ----------------- | ------------- | 
| ワールドワイドウェブ | HTTP              | 80/tcp        | 
|                      | HTTPS             | 443/tcp       | 
| メール               | SMTP              | 25/tcp        | 
|                      | SMTP (submission) | 587/tcp       | 
|                      | POP3              | 110/tcp       | 
|                      | IMAP4             | 143/tcp       | 
| リモートログイン     | SSH               | 22/tcp        | 
|                      | TELNET            | 23/tcp        | 
| DNS                  | DNS               | 53/udp 53/tcp |

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class: col-2,compact
# アプリケーション層: HTTP関連

- HTTP
    - WWWのデータ転送プロトコル
    - HyperText Transport Protocol
    - 1.0 1.1 2.0 3.0(近々リリース)
- HTTPS
    - 元々は HTTP over SSL の略
    - HTTPに暗号と認証の機能を追加
    - HTTP/3ではHTTPSのみ

![height120px](../tcpip/app_www/images/http-overview.gif)

- SSL
 - Secure Socket Layer
 - Netscape社が提案したHTTPに暗号と認証の機能を追加するしくみ
 - HTTP と TCP の間に SSL の層を追加
- TLS
 - Transport Layer Security
 - SSL 3.1を元にIETFが規格化
 - 現在のHTTPSの実態はHTTP over TLS

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class: col-2,compact
# アプリケーション層: メール関連

- SMTP
    - メール転送プロトコル
    - Simple Mail Transport Protocol
    - SMTPは概念的に3つに分かれる
        - MTA ... mail transfer
        - MSA ... mail submission
        - LDA ... local delivery
    - MTAがSMTPを使う(25/tcp)
    - MSAのmail submissionが587/tcp
    - LDAは直接プログラムを呼ぶかLMTP経由でプログラムを呼び出し、
      ローカル配送を行う
    - LMTP ... Local Mail Transfer Protocol

- POP3
 - メールを受信するプロトコル
 - Post Office Protocol
- IMAP4
 - メールを受信するプロトコル
 - Internet Message Access Protocol

![width320px](../tcpip/app_mail/images/smtp_overview.gif)

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class: col-2,compact
# アプリケーション層: DNS

- Domain Name System (Service)
- 53/udp
    - クエリのデフォルトで用いるポート
- 53/tcp
    - DNSサーバ間でデータをコピーする際に用いる
      (クエリで用いることも)
- ドメイン名
    - ノードにつける.(dot)つなぎの文字列
    - ドメインは、たぶん同義語
- 木構造
    - DNSの名前空間は木構造
      (木といっても木の根に見えるが、
       植物ではなく数学のグラフ理論に由来している)
    - ノード(接点) リーフ(葉) エッジ(枝)

- ゾーン
 - 上位組織から委任された管理範囲
 - 木構造はゾーンに分割される
- ルート
 - 木構造の一番上のノード
- ルートサーバ
 - ルートノードにあるDNSサーバ群　　　
 - クエリの出発点
- TLD (Top Level Domain)
 - (ルート直下の)最上位ドメイン
 - JP など国レベルの大きな単位

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class: col-2,compact
# アプリケーション層: DNS

- リソースレコード(RR)
    - 各ノードに紐づくデータ
    - 単にレコードとも言う
- クエリ
    - リソースレコードを検索すること
    - 木構造を上から下っていくこと
    - 基本戦略は、たらいまわし
- 正引き
    - IPアドレスからドメイン名を検索
- 逆引き
    - ドメイン名からIPアドレスを検索

- Aレコード
 - ドメイン名とIPアドレスの対応を定義するレコード
 - 正引きで利用する
- PTRレコード
 - ドメイン名とIPアドレスの対応(Aと逆方向の関係)を定義するレコード
 - 逆引きで利用する 
- NSレコード
 - そのドメインのDNSサーバの情報
 - このサーバに問い合わせると該当するレコードを教えてもらえる
 - たらいまわしの際に教えてくれる
- MXレコード
 - ドメインのメールサーバの情報

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class: img-right,compact
# トランスポート層

![](../tcpip/tpt_tcp/images/tcp-reliable.png)

- ポート番号
    - 16bit
    - アプリを区別
- TCPとUDPが代表的プロトコル
- OSIのlayer 4相当

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class: col-2,compact
# トランスポート層: TCP

- Transmission Control Protocol
- 特徴(重要キーワード)
    - 信頼性
    - コネクション指向
    - データストリーム
- ホスト間に仮想の通信路(Virtual Circuit)を確立
- コネクション指向
   - 通信路の確立 (3-way handshake)
   - 通信をおこなう(インタラクティブ)
   - 通信路の切断

- ホスト間で確実に転送する責任はTCPが負う(
 再送制御など複雑な処理は全てTCPが担当し、
 ホスト間の確実な転送を保証する。
 ホスト間の実際の転送はIPだが、IPは転送の保証をしない
	 )
- ユーザにとっては簡単で使いやすい
- TCPとIPはセットで動作
 - END TO ENDで信頼性のある転送
 - 役割分担
 - IPはホスト(IPアドレス)間の転送
 - TCPはアプリケーション(ポート)間の転送

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class: col-2,compact
# トランスポート層: TCP

- sequence number
- acknowldge number
- コントロールビット
- 3-way handshake

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class: col-2,compact
# トランスポート層: UDP

- User Datagram Protocol
- UDPとIPはセットで動作する
    - 役割分担
        - IPはホスト(IPアドレス)間の転送
        - UDPはアプリケーション(ポート)間の転送
- アプリケーションの例
    - DNS
    - TFTP
    - DHCP

- 最低限のトランスポート層の機能を提供
 - 動作が軽い
 - ユーザ(プログラマ)がアプリケーション側で転送動作について自由に設計できる
 - UDP自体に信頼性はないため、
 再送なども必要であれば、
 アプリケーションが独自に実装する必要がある

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class: img-right,compact
# インターネット層

![](../tcpip/inet_intro/images/ip-unreliable.png)

- OSI layer 3相当
- ホスト(IPアドレス)間のデータ転送
- IPアドレスはネットワークインターフェイスにつける識別子

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class: col-2,compact
# インターネット層: IPとICMP

- IP
    - Internet Protocol
    - ホスト間のデータ転送
    - エラー対応をしない
- IPとICMPはセットで実装する

- ICMP
 - Internet Control Message Protocol
 - メッセージを伝える
 - エラー、デバッグ、良い提案など
 - 悪用できるため拒否する設定が多い
 - アプリケーション例
 - ping
 - traceroute

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class: img-right,compact
# ネットワーク設計

![](../tcpip/inet_intro/images/intranet.png)

- ルータ(図(1))
   - 異なるセグメント間のパケットのやりとりを担当する機器
   - 右図ではISPとの接続を担当
   - L3スイッチも同様の役割
- ファイアウォール(図(2))
   - 異なるセグメント間におき、セキュリティに特化した処理を行う機器
   - 詳しくは春学期後半
- DMZ
    - インターネット向けサーバなどを置く特別なセグメント
    - DMZは非武装地帯の頭文字
    - 一種の緩衝地帯

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class: img-right,compact
# ネットワーク設計

![](../tcpip/inet_intro/images/term-intranet-segment.png)

- WAN (図の編みがけ部分)
   - インターネット側のネットワーク
   - (このへん曖昧ながら)大学敷地内のインターネット側はWAN
- LAN (図の(2)より下, DMZも含む)
   - 社内/学内ネットワーク
   - (このへん曖昧ながら)大学敷地内もLocalですが、
     ふつうLANは社内/学内ネットワークのことをさす
- イントラネット
   - LANと同義語

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class: img-right,compact
# ネットワーク設計

![](../tcpip/inet_intro/images/term-intranet-segment.png)

- セグメント
     - network segment
     - netoworkも同義語
     - PCやネットワーク機器が接続しているネットワークのこと、
       目的や所属、組織ごとに別々のセグメント
     - ブロードキャストが届く範囲が一つのセグメント
- VLAN
     - 建物を越えてネットワークを構築できる**論理的なセグメント**
- ルータは異なるセグメント間をつなぐ
- スイッチは同一セグメント間の機器(PCなど)をつなぐ

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class: col-2,compact
# インターネット層: IPアドレス v4とv6

- IPv4 (IP version 4)
    - 大きさは**32ビット**
    - 表記法:**8ビット**ずつ**.(dot)**で区切り**10進数表記**(詳しくは後述)
        - 210.128.52.45
        - 192.168.10.1
    - グローバルアドレスは[**JPNIC**](https://www.nic.ad.jp/)
      に申請し割り当ててもらう
    - プライベートアドレスの利用は自由

- IPv6 (IP version 6)
 - 大きさは**128ビット**
 - 表記法:**16ビット**ごとに**:**で区切り**16進数表記**
 - 2403:3a00:202:1209:49:212:144:112
 - 2001:240::105
 
 0000を0、さらに連続した0を::で省略可
 (::は一ヶ所限定)
 - 申請手続きはv4と同様

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class: col-2,compact
# IPv4の表記法

- クラス (classfull)
    - 旧表現 (1993年以前?)
    - IPアドレスを二つに分けて考えます
        - **ネットワーク部(network part)**
        - **ホスト部(host part)**
    - 分け方は**サブネットマスク**(subnetmask)で指定します
        - 分け方は3種類のみで、それぞれ**クラスA,B,C**に対応します(後述)
    - **IPアドレス/サブネットマスク**という表記をすることもあります
    - 例: 192.168.10.1/255.255.255.0
        - IPアドレスが192.168.10.1
        - サブネットマスクが255.255.255.0

- CIDR (Classless Inter Domain Routing)
 - 新表現(1993〜)
 - 分け方は可変長で、分け方(ネットワーク側の大きさ)を/数字
 (network prefixもしくは単にprefix)で表現しています。
 (network prefix, host prefixという表現もあるそうです)
 - **VLSM(Variable Length Subnet Mask)**
 つまり可変長のサブネットマスクと呼んでいます
 - **IPアドレス/prefix**と表記します
 - 例: 192.168.10.1/24
 - **IPアドレスが192.168.10.1**
 - **network prefixが24**

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class: compact
# IPv4の分類(クラス)

| クラス | 役割                    |ネットマスク(/prefix)| IPアドレスの範囲             |通信の仕方         |
|--------|-------------------------|-------------------|------------------------------|---------------------|
| A      | 大規模組織用            | 255.0.0.0  (/8)   |0.0.0.0   〜 127.255.255.255  |ユニキャスト(1対1)   |
| B      | 中規模組織用            | 255.255.0.0(/16)  |128.0.0.0 〜 192.255.255.255  |ユニキャスト(1対1)   |
| C      | 小規模組織用            | 255.255.255.0(/24)|192.0.0.0 〜 223.255.255.255  |ユニキャスト(1対1)   |
| D      | マルチキャスト          |                   |224.0.0.0 〜 239.255.255.255  |マルチキャスト(1対多)|
| E      | 予約済(未使用)          |                   |240.0.0.0 〜 255.255.255.255  |-                    |

- クラス
 - 1990年代なかばには旧表現となった用語なのですが、
 大昔のネットワークがあるかぎり現場では使いますので、
 おぼえてください(基本情報でも出ます)
- 通信の仕方
 - **ユニキャスト**は**1対1**の通信です。
 IPアドレスは住所に相当します
 - **マルチキャスト**の場合、
 通信は**1対複数**で、IPアドレスはチャンネルにあたります。
 そのチャンネルに参加しているホストに通信が届きます。
 
 1990年代前半くらいまでなら、
 マルチキャストでインターネット中継もありました

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class: col-2,compact
# IPv4の使い方

- ネットワークアドレス
    - 割り当てられたIPアドレスのなかで一番小さいアドレス
- ブロードキャストアドレス
    - 割り当てられたIPアドレスのなかで一番大きなアドレス
    - そのセグメントに一斉送信が可能(イーサネットの項目も参照)
- ホストとして利用可能なIPアドレスの数は、上の2つをのぞくので、
  「ホスト部の大きさ - 2」

- プライベートアドレス
 - 自由につかってよい
 - NATとセットで用いる
 - 各クラスから一つずつ割いている
 - 10.0.0.0/8
 - 172.16.0.0/12
 - 192.168.0.0/16
- 127.0.0.1 (loopback address)
 - 自分自身を意味します。全コンピュータにあります。

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class: col-2,compact
# IPv6

- 大きさは**128**ビット
- **16ビットごと**に**16進数**、**:**つなぎ
- 連続した0は省略可
- IPv4と同様に**CIDR表記**
- IPv6のユニキャストアドレス(住所の意味合いを持つアドレス)は、
  左側64ビットが**サブネットプレフィックス**、
  右側64ビットが**インターフェイス識別子**
  (MACアドレスを元に自動的に生成したホストごとに異なる値)

- IPv6の必要性
 - IPv4ではIPアドレスが足りないため
- グローバル**アドレスで**END-TO-END通信**のみ(NATは無い)
 - あくまでも**IPv4延命策としてプライベートアドレスとNAT**(後述)を導入
- ヘッダの整理など細かな技術的改良
- 新機能
 - IPSec (IP Security, VPNなどで利用)
 - IP Anycast

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class: img-right,compact
# インターネット層: NAT

![](../tcpip/inet_nat/images/napt.png)

- NAPT
    - Network Address Port Translation
    - ふつうNAPTを使う
    - インターネットに接続している機器でIPヘッダとTCPヘッダを書換え
    - 機器は書換えたルールを覚えておく
    - 返りのパケットに対しては、記憶しているルールにしたがい逆の書換え
- IPマスカレード
    - NAPTの同義語
- NAT
    - ポート変換をしないNAPT
    - オリジナルのNAT
- プライベートアドレスとNATはセットで運用する(せざるをえない)苦肉の策

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# インターネット層: ルーティング

![図](../tcpip/inet_routing/images/routing-overview.png)

- **動的経路制御**
 (**dynamic routing**)
 - ルータ群が**自律**的に考え経路変更
 - 図のインターネット部分
 - **大域的な経路制御**はdynamic
- **静的経路制御**
 (**static routing**)
 - 設定されたとおりに動作
 
 障害時は人間が対応
 - 大学敷地内はstatic 
 - **大学敷地内は学外(インターネット側)も学内もstatic**
 (注:インターネットへの出口が一つではdynamic routingする理由も手段もない)

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class: col-2,compact
# インターネット層: 機器

<div class=footnote>
(脚注)
L3スイッチもルータですが、
ルーティング機能(頭のよさ)に力点がある機材がルータ、
スイッチング機能(ホスト間のパケット転送能力)に力点がある機材がL3スイッチ
(だと思う)
</div>

|機材|説明|
|--------------------------|---------------------------------------|
|ルータ | インターネットへの経路制御担当 この構成では仕事のしがい無し |
|スイッチ(cs) | **core switch** **L3スイッチ** VLAN間ルーティングを行う |
|スイッチ(ds) | **distribution switch** 建物の出口を担当する**L2スイッチ** 建物内のアクセススイッチ(as)群 への接続を集約する役目 coreまでVLANを中継 |
|スイッチ(as) | **access switch (edge switch)** 末端に置く**L2スイッチ** PCや無線LAN機器などをつなぐ先 |

![図](../tcpip/inet_routing/images/routing-overview.png)

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# インターネット層: インターネットの正体, BGP, IX

![](../tcpip/inet_routing/images/routing-architecture.png)

$$インターネット = \sum_{AS} プロバイダ(AS)$$

- インターネットは数万のISPの集合体
- ISP = Internet Service Provider
- 大手ISPは**AS番号**を持っています
    - AS番号は**16ビット**
    - 32ビットAS番号も定義済
- IX = Internet eXchange
    - 大手ISP同士が各自のルータを持ち寄りBGP4で経路情報を交換
    - BGP **peerを張る**(**peering**する)
    - peeringは179/tcp
- **BGP** = Border Gateway Protocol

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# インターネット層: ISP内ルーティング

![](../tcpip/inet_routing/images/routing-architecture.png)

- **RIP (Routing Information Protocol)**
    - **ディスタンスベクトル**型
    - 複数経路がある場合、目的地までのルータの数が少ない方を選択
- **OSPF (Open Shortest Path First)**
    - **リンクステート**型
    - 参加している全ルータが定期的に情報交換し、
      ルータ群の現状や構成について知っています。
      そのため障害時には高速な経路変更が可能です
    - 基本的にfull meshを組んで情報交換するので、
      ルータ数が増えると急激に処理が難しくなります。
      巨大なネットワークでは使えません

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class: compact
# インターネット層: ルーティングまとめ

|ケース|ルーティングプロトコル|
|----------------------------|----------------------------|
|イントラネット|基本的にルーティングしない、まれにRIPやOSPF|
|ISP内|OSPFやIS-IS、ある程度大きいとBGP、小規模組織ならRIPもありうる|
|ISP間|BGP|

- RIPは小規模なネットワークで使用
    - 複数経路がある場合、目的地までのルータの数が少ない方を選択
- OSPF(IETF)やIS-IS(OSI)
    - 賢くて高速な判断が出来るかわりに負荷は高い傾向
    - 巨大なネットワークでは使えない
- BGP
    - **パスベクトル型**:
    - IPアドレスと、そのIPアドレスまでの間にあるAS(群)の情報を情報交換
    - 基本戦略は目的地までに通過するASの数が少ない経路を選択

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class: col-2,compact
# ネットワークインターフェイス層

- 接続形態
    - バス型 (初期のイーサネット)
       - 10base5, 10-base2 
    - スター型
       - 10base-T 以降のイーサネット
    - リング型
       - Token RingやFDDIで使われる形
- フレーム
    - レイヤー2ではデータの塊(他層でのパケット)をフレームと呼ぶ

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class: col-2,compact
# ネットワークインターフェイス層: イーサネット

- Ethernet
    - Xerox Paloalto研究所が開発したレイヤー２を代表する規格
    - Etherは、もちろんエーテルのこと:-)
- MACアドレス
    - 48ビット
    - 工場出荷時に一意に設定されている
- CSMA/CD
    - Ethernetの基本動作で、誰が通信するかを調停するプロトコル
- CSMA/CA
    - 無線機器が使っている調停のプロトコル

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class: col-2,compact
# ネットワークインターフェイス層: イーサネット

- ブロードキャスト
    - 全ホストにパケットを送信する動作
    - 全ホストに尋ねる際に便利
    - FF:FF:FF:FF:FF:FF宛への送信
    - ブロードキャストで全ホストに尋ねられることを応用(右欄を参照)
- ブロードキャストアドレス
    - 特殊な役割を持つIPアドレス
    - IP層でIPパケットにブロードキャストを設定して送信すれば、
     イーサネットではFF:FF:FF:FF:FF:FF宛への送信となる

- ARP (Address Resolution Protocol)
 - IPアドレスからMACアドレスを割り出すプロトコル
 - 初回の通信(イーサネットフレームの送信)の前に、この動作は必須
- RARP (Reverse Address Resolution Protocol)
 - MACアドレスからIPアドレスを割り出すプロトコル
- DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)
 - OSのネットワーク設定を自動で行うプロトコル

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class: col-2,compact
# ネットワークインターフェイス層: イーサネット

- DIX
    - Ethernetの最初の規格
    - DIX = DEC, Intel, Xerox 
- 802.3
    - Ethernetの規格シリーズは 802.3 という名称ではじまる。
     これは単に1982年3月に議論が始まったことに由来
- 10-Baseほにゃらら
    - 速度の規格,例: 10Base-2,10Base-5,10Base-T,100Base,1000Base
- STP
    - Ethernetで使う冗長化プロトコル

- アロハネット
 - ハワイの無線ベースのネットワーク。Ethernetを設計する際に参考にしたと言う