OSI参照モデル

ネットワーク誕生した当初、同じベンダーのコンピュータでしか通信できないという仕様がほとんどでした。ネットワークが普及するにつれ、異なる機種間でもデータ通信できるようにするニーズが高まってきており、それを容易に実現できるようにするための設計方針として、国際標準化機構（ ISO ) からネットワークモデルの参考になるOSI（ Open Systems Interconnection )モデルが策定されました。

OSI参照モデルは以下の表で示されたように、ネットワークを機能の異なる七つの層（レイヤー）に分割しています。

層名称機能使われる情報機器定義されるプロトコル備考上位層第7層アプリケーション層ファイル管理・電子メールなどの実際のアプリケーション向けのサービス機能を提供-ゲートウェイHTTP DHCP SMB SMTP SNMP FTP TelnetAFP意味内容第6層プレゼンテーション層データ構造や情報の表現形式を管理-SSL TLS表現形式第5層セッション層プロセス間通信のセッションを管理する-NetBIOS会話下位層第4層トランスポート層透過的なデータ転送を実現するL4スイッチ(ハブ)TCP UDP SCTP SPX NBF RTMP AURP NBP ATP AEPデータ第3層ネットワーク層最終的な通信相手との通信経路を確立・制御するルーター L3スイッチ(ハブ)IP ARP RAPR ICMP IPX NetBEUI DDP AARPATM X.25 MPLS通信制御第2層データリング層最寄りのネットワーク内での通信を実現するブリッジ L2スイッチ(ハブ)Ethernet FDDI PPP IEEE 802.3 IEEE 802.5 VPNフレーム第1層物理層伝送媒体の物理的・電気的条件やコネクタの形状などを規定するNIC (ネットワーク・インタフェース・カード) リピータ(ハブ)-TCP/IP

OSI参照モデルは教科書や学界では広く使用されていますが、OSI準拠製品は普及しませんでした。その以前にすでにできたTCP/IPは、インターネットの普及に伴い、いますでにスタンダードになっています。  TCP/IPモデルとOSI参照モデルの対応関係は以下の図で示します。

ICMPは、インターネット制御通知プロトコル(英：Internet Control Message Protocal)の略称です。

用途

ICMPは、IPデータグラム処理における誤りの通知や通信に関する情報の通知などのために使用される保守プロトコルであり、一般にIP層の一部と考えられています。  IPv4のためのICMP (ICMPv4) は RFC792によって規定され、IPv6のための ICMP (ICMPv6) は RFC4443 によって規定されています。

機能

ICPMメッセージはIPデータグラム内にカプセル化されますので、インターネットワークを通じてルーティングが可能です。  ICMPは主に以下の機能を持っています。

ルーター検出ルートテーブルの作成と保守PMTU検出の支援　 PMTU : パス最大転送ユニット((Path Maximum Transmission Unit)問題の診断 (ping、tracert、pathping). ルーター検出

RFC 1256に規定するルーター検出を行うことができます。

ルート テーブルの保守

OSが起動したとき、ルートテーブルには2、3のエントリしかないのが普通です。  これらのエントリの1つはデフォルト ゲートウェイを指定しています。宛先IPアドレスを含むデータグラムのうちルート テーブルに一致しないものはデフォルト・ゲートウェイに送られます。  ただし、ルーターはネットワーク トポロジ情報を共有していますので、デフォルト ゲートウェイは指定アドレスへの適切なルートを認識していることがあります。その場合には、もっと適切なルーティングがあるデータグラムを受信したときに、ルーターはこのデータグラムを通常通り送信した後、ICMP Redirectメッセージを使用して送信者にもっと適したルートがあることを通知します。このメッセージでは１つのホスト、1つのサブネットまたは1つのネットワークへのリダイレクトを指定できます。

PMTUの検出

TCPにはPMTU(パス最大転送ユニット)検出機能があります。これについてはTCPのトピックで説明しますがが、この機能はICMP Destination Unreachable メッセージに依存します。 

ICMPによる問題診断

ICMPに依存している以下の問題診断ツールがあります。

ping  ICMPエコー要求をIPアドレスに送信し、ICMP Echo応答を待ちます。Pingは受信した応答数および要求送信と応答受信の間隔を報告します。Tracert  ルートをトレースするユーティリティで非常に便利な機能です。 TracertはICMP Echo要求をIPアドレスに送信し、IPヘッダのTime to Live (TTL) フィールドの値を1から増やし、返されたICMPエラーを分析します。Echo要求に成功するとTTLフィールドが0になり、このEcho要求を転送するルーターがICMP Time Exceeded エラー メッセージを返すまでネットワークをさらに1ホップ進みます。 Tracert はエラーメッセージを返したルーターをパス上の順番通りにプリントします、以下はその1例です： C:\WINDOWS\system32>tracert www.psteam.co.jp Tracing route to www.psteam.co.jp [203.141.142.16] over a maximum of 30 hops: 1 1 ms 3 ms 7 ms elecomap.com|elecomap.net [192.168.2.1] 2 7 ms 5 ms 8 ms 10.83.204.1 3 5 ms 15 ms 7 ms 221x248x105x241.ap221.ftth.ucom.ne.jp [221.248.105.241] 4 39 ms 5 ms 6 ms 58x159x226x117.ap58.ftth.ucom.ne.jp [58.159.226.117] 5 4 ms 10 ms 5 ms 221x240x29x77.ap221.ftth.ucom.ne.jp [221.240.29.77] 6 16 ms 8 ms 6 ms 221x112x16x217.ap221.ftth.ucom.ne.jp [221.112.16.217] 7 3 ms 4 ms 7 ms usen-61x122x114x209.gate01.com [61.122.114.209] 8 8 ms 21 ms 7 ms usen-61x122x114x53.gate01.com [61.122.114.53] 9 5 ms 8 ms 7 ms usen-61x122x114x58.gate01.com [61.122.114.58] 10 4 ms 9 ms 6 ms 58x159x238x137.ap58.ftth.ucom.ne.jp [58.159.238.137] 11 4 ms 3 ms 7 ms xg1-4-kcd-arena-gw1.sphere.ad.jp [203.138.77.58 12 10 ms 5 ms 12 ms 210.150.217.170 13 5 ms 14 ms 12 ms my6.interlink.or.jp [203.141.142.16] Trace complete.

Pathping  tracertのトレース機能に加えて指定された時間についてルート上の各ホップをpingして遅延やパケット損失を報告するので、パスに弱点がないかをチェックするのに役立ちます。

ハブ(HUB)とは、スター型物理トポロジを取るネットワークにおいて中心に位置する集線装置です。ハブという名前の由来は『車輪の中心』からきていると言われています。 
イーサネット、トークンリング、FDDIなどさまざまなネットワーク規格に存在する機器ですが、、ネットワーク分野において単にハブというイーサネット（10BASE-T、100BASE-TX など）で使われる集線装置を指します。

ハブの基本機能

ハブの基本機能は極めてシンプルであり、パソコンといった複数の端末を物理的に（実際にLANケーブルをつないで）接続して、端末同士間の信号の受送信を中継するものです。

ハブの分類

ハブは、データの送信方式によって、シェアード・ハブとスイッチング・ハブの2種類に分類することができます。

シェアード・ハブ 
シェアード・ハブ(Shared Hub)は、ある端末から受信したデータをそのまま他の端末すべてにブロードキャスト送信します。リピータハブ(Repeater Hub)とも呼ばれます。
従来から存在してきたハブ型ですが、ブロードキャスト送信が非効率であることと、スイッチング・ハブが手頃な価格で入手できるようになったため、現在はほとんど販売されておりません。スイッチング・ハブ 
スイッチング・ハブ(Switching Hub)は、シェアード・ハブとは異なり、受信したデータに含まれた宛先のアドレスを判別することで、送信先の端末にだけデータを送信します。
スイッチング・ハブはOSIネットワークモデルのレイヤー2で動作しているため、L2スイッチやLANスイッチとも呼ばれます。 現在市販されているハブは殆どこのスイッチング・ハブです。 ルータとの違い

以下の図にてハブとルータが利用されたシステム接続例を示します。

出所：http://www2.elecom.co.jp/network/hub/lan-gswph/

上記の図で示したように、ハブは家庭LANやオフィスLANの中に各端末を接続するために使用されるに対して、ルーターはLANとLAN、又はLANをWAN(主にインターネット)に接続するために使用されます。  市販のルーターは、複数のLANポートを持つことや、Wifiのサポートといった、ハブの機能が内蔵されているため、一般家庭では、ハブを購入するケースは殆どないと考えられます。

詳細は以下のサイトをご参考して頂けると思います。  http://www.officedaytime.com/tips/router.html

主な製品仕様

市販製品の製品仕様には主に以下の項目が記述されており、製品を選ぶ際の重要なポイントになります。

通信スピート　
主に「100BASE-TX/10BASE-T対応」と「Gigabit（1000BASE-T）対応」と2種類の規格があります。後者は最大伝送速度1Gbpsで前者の10倍であるため、その分製品の値段も高くなる場合が多い。ポート数 
接続できるLAN端子の数です、 主に4ポート、8ポート、16ポート、24ポート等があり、数が増えるほど機器の値段も上がる傾向にあります。電源 
主に電源内蔵型とACアダプタ型との2タイプがあります。放熱の都合で言えばACアダプタの方がよいと言えるが、電源内蔵型は場所がとらないメリットがあります。冷却ファン 
HUB本体に冷却用ファンがあるかどうかということです。ファンがある場合には排熱性がよいですが、動作音があるため、今は5～8ポート程度のHUBにはほとんどファンはついていません。

このトピックでは、インターネットの基礎知識を説明します。

IPアドレス

IPアドレスとは、インターネット(また、イントラネットなどその他IPネットワーク)に接続されたコンピュータや通信機器一台一台に割り振られた識別番号です。 
インターネットではこの識別番号が重複してはいけないため、IPアドレスの割り当て管理は各国のNIC(ネットワーク・インフォメーション・センターが行っています。

IPアドレスはいまIPv4とIPv6と2種類があります。

IPv4 
現在広く普及している「IPv4」では、IPアドレスに8ビットずつ4つに区切られた32ビットの数値が使われ、「200.3.36.248」といったように、0から255までの10進数の数字を4つ並べて表現されます。  IPV4は32ビットの数値を使用しているため、採番出来る上限は2の32乗でだいたい42億台になります（実際の運用ではもっと少なくなる）。
全世界のインターネット接続機器に割り当てきれないため、企業や家庭内など組織内ネットワークでは自由にいくらでも使えるプライベート・アドレスを使い、インターネットとの境界にルーターなどのグローバルアドレスとのアドレス変換を行う機器を設置するといった運用方法が一般的になっています。IPv6 
次世代の「IPv6」は128ビットの数値を使うため、単純に2の128乗で計算すると3.8×10の38乗までとんでもない数の機器に割り当てることができるようになります。 ドメインとホスト

単なる数字が並ぶIPアドレスは人間が覚えにくいため、通常は人間がドメイン名やホスト名などの名称を使って、裏で「DNS」(Domain Name System)というシステムによってIPアドレスとの相互変換が行われることは一般的になっています。 
ドメインは、コンピュータネットワークにおいて個々のコンピュータを識別する名称の一部です。ICANNによる一元管理となっており、世界中で絶対に重複しないようになっています。通常、IPアドレスとセットでコンピュータネットワーク上に登録されます。 
多くの場合、ドメイン名はその下位に1つまたは複数のホスト名を連ね、またドメイン名それ自身もホスト名である場合があります。

例：psteam.co.jpは株式会社ピーエスティーが取得したドメイン名であり、その配下にWEBサーバやメールサーバ、FTPサーバなどのホストがそれぞれ置かれています。

WEBサーバのホスト：www.psteam.co.jpFTPサーバのホスト：ftp.psteam.co.jpメールサーバのホスト：po.psteam.co.jp

なお、psteam.co.jp自体もWEBサーバのホストとして機能しています。

インターネットの機能

インターネットは既に、当初の単なるドキュメントを公表するためのネットワークから、さまざまなサービスが提供される巨大な システム基盤に変化し、いまもはや電気、水道と同じように社会のインフラ的な存在になっています。  インターネット上の様々なサービスを機能によって纏めていると、以下のように分類することができます。

情報発信や情報検索 
従来の新聞や雑誌、テレビなどの媒体のように、インターネットは当初からいまでももっとも情報発信や情報検索のツールとして利用されてきました。情報発信としては、Yahooのようなポータルサイトや各企業のHPサイト、ブログなどがそれに該当します。なお、情報検索としては、google検索、yahoo検索などの検索エンジンや、交通検索、為替検索などの特定なWEBアプリなどもそれに該当します。コミュニケーション 
従来の手紙、電話、電報のように、インターネットはコミュニケーションのツールとしても機能しています。電子メールやIM(インスタントメッセンジャー)、電子掲示板(BBS)、テレビ会議、動画などのリソース共有サイトはこれに該当します。事務手続きのオンライン化 
各事務手続き特に政府や郵便局など公的な機関の様々な手続きは、わざわざ足を移動しなくても、インターネットで処理できるようになりつつあっています。ネット取引 
ネット取引とは、電子商取引（Electronic commerce）として、通信販売というカテゴリに分類され、インターネットでの電子的な情報通信によって商品やサービスを分配したり売買したりすることです。 電子商取引は取引相手によって、企業対企業のB２B、企業対消費者のB２C(インターネット商店)、消費者対消費者のC２C（インターネットオークション）の3種類があります。 なお、運営形態として、レノボオンラインショッピング(http://www.lenovo.com/jp/ja/)のように業者独自でウェブサイトを設けることがあれば、楽天(http://www.rakuten.co.jp)のように電子商店街を運営して、各業者に出店してもらうこともあります。  ネット取引される対象としては、本や家具、電器などのものだけではなく、ホテル予約などのサービスも該当します。SNS(ソーシャル・ネットワーキング・サービス) 
SNS(ソーシャル・ネットワーキング・サービス)とは、社会的なネットワークをインターネット上で構築するサービスのことです。 代表として、日本ではmixi、GREE、Mobage、Ameba、世界ではFacebook、Myspace、LinkedInなどがあります。クラウドサービス 
オフィス・スイート、グループウェアなどの様々なアプリケーションソフトや、ネットゲームとか、ストレージ、コンピューティングなどのリソースは、インターネットを介して、どんどんサービスとして利用されるようになってきました。

本サイトは、総合的な知識共有サイトですので、大分類としては、上記の１番に該当します。

IPは、インターネット・プロトコル(英：Internet Protocal)の略称です。

用途

IPはTCP/IPスタックのメールルームであり、パケットのソートと配信が行われます。この層では受信パケットと送信パケットはデータグラムと呼ばれます。  それぞれのIPデータグラムには発信者の発信元IPアドレスと受信者の宛先IPアドレスが含まれています。MACアドレスとは異なり、データグラム中のIPアドレスはパケットの送信中に変化することはありません。

機能

IP層は以下の機能を持っております。

ルーティング

ルーティングはIPの第1の機能です。データグラムは上位のUDPとTCPおよび下位のNICからIPに渡されます。  それぞれのデータグラムには発信元アドレスと宛先アドレスが付けられます。IPはそれぞれのデータグラムの宛先アドレスをチェックし、ローカルで保管されているルートテーブルと照合してどういう処理を行うかを決定します。  データグラムの処理には以下の3種類があります。

ローカル ホストのIPの上位のプロトコル層に渡すローカルで添付されたNICの1つを使用して転送する破棄する

ルート テーブルには4つの異なった種類のルートが記録されています。以下に照合が行われる順番に記述します。

ホスト(特定の1つの宛先IPアドレスへのルート)サブネット(サブネットへのルート)ネットワーク (あるネットワーク全体へのルート)デフォルト(一致するものがない場合に使用)

IPは以下の手順を実行してIPデータグラムの転送経路を1つ決定します。  

 ルーティング テーブルのそれぞれのルートにつき宛先IPアドレスとネットマスクの間でビット単位の論理和 (AND) を実行します。
IPはこの結果がネットワーク宛先と一致するかをチェックし、一致する場合はIPはこのルートが宛先IPアドレスと一致するルートと判断します。一致するルートの一覧の中からネットマスクのビットとの一致度が最も高いルートを捜します。
これが宛先IPアドレスのビットに最も一致するルートであり、したがってこのIPデータグラムの最も適したルートです。
これは最長または最短一致ルート検索と呼ばれる方法です。  複数の最短一致ルートが存在する場合にはIPは最も数値が小さいルートを使用します。
最も数値が小さいルートが複数ある場合には、IPはどのルートでも自由に使用できます。

Windowsでは「route PRINT」、Linuxでは「route」で現在のルーティングテーブルを確認できます。

二重IPアドレス検出

二重アドレスの検出は重要な機能です。スタックが最初に初期化されたときまたは新しいIPアドレスが追加されたときには、念のためにLocalHostのIPアドレスのARP要求がブロードキャストされます。  他のホストがこれらのARPのいずれかに応答するとそのIPアドレスはすでに使用されていることになります。

マルチホーミング

準備中

IPマルチキャスト

準備中

ネットワーク(コンピューターネットワークを指す)は、複数のコンピュータを接続する技術または接続されたシステム全体のことです。  IT技術の発展により、コンピュータネットワークで接続されるコンピュータというのは、以下のようなものが挙げられます。

パソコンやサーバ機、スーパーコンピュータなどスマートフォンやタブレットなどのパソコンの機能をベースとして作られた多機能端末同じ通信技術を利用するATMやハンディなどの特定用途の端末

コンピュータ同士は、以下のような様々なネットワーク機器により接続されます。

ネットワーク・インタフェース・カード(NIC)ネットワーク・ケーブルリピータハブブリッジスイッチルーターゲートウェイ

異なるメーカーのネットワーク機器の間でも正しく通信できるように、様々な通信プロトコルがIETFやIEEE、ISOなどの標準化組織によって定められています。

下記の図でコンピュータネットワークの一例を取り上げます。

RP(アープ)はアドレス解決プロトコル(英：Address Resolution Protocal)の略称です。 

用途

ARPは送信パケットのIPアドレス対メディア・アクセス・コントロール(MAC) のアドレス解決を実行します。  送信される各IPデータグラムはフレームにカプセル化されていますので、発信元および宛先のMACを追加する必要があります。各フレーム宛先MACの決定はARPが行います。

機能

ARPはすべての送信IPデータグラムの宛先IPアドレスをARPテーブルから検索します。

存在する場合  ARPテーブルからMACアドレスを取得します。存在しない場合  ARPはARP要求パケットをローカル・サブネットにブロードキャストし、当該IPアドレスのオーナーに対してそのMACアドレスを応答するよう要求します。パケットがルーター経由で送信されている場合は、ARPは最終宛先ホストではなく次のホップのルーターのMACアドレスに解決します。ARPの応答を受け取るとARPテーブルは新しい情報で更新され、リンク層でのパケット送信に使用されます。 OS別の実装 Windows arpユーティリティ

Windowsでは、arpコマンドを利用して、ARPテーブルの表示／設定を行うことができます。  以下の表で主なオプションを説明します。

No.オプション構文用途1-sarp -s IPアドレス MACアドレス[インタフェース]ARPテーブルへ指定されたIPアドレスとMACアドレスのエントリ追加を行う2-darp -d IPアドレス [インタフェース]指定されたIPアドレスのエントリを削除する3-aarp -a [IPアドレス] [-N インタフェース]ARPテーブルを表示する。IPアドレスやインタフェースが指定された場合は、該当するエントリのみを表示する
Linux arpユーティリティ

Linuxでも、Windowsと同じのarpコマンドを利用して、ARPテーブルの表示／設定を行うことができます。  LinuxのarpコマンドはWindowsより多くの機能が付属されています。

ARPテーブルへの追加 
arp[-v][ -H ハードウェア・タイプ][ -i ] -s ホスト名(IPアドレス) MACアドレス[ temp][ nopub]Proxy ARPのためのエントリの追加 
arp[ -v][ -H ハードウェア・タイプ][ -i ] -s ホスト名(IPアドレス) MACアドレス[ netmask サブネット・マスク・アドレス] pub 
arp[ -v][ -H ハードウェア・タイプ][ -i ] -Ds ホスト名(IPアドレス) 使用したいMACアドレスを持つ[ netmask サブネット・マスク・アドレス] pubARPテーブルへのファイルからの一括追加 
arp[ -vnD][ -H ハードウェア・タイプ][ -i ] -f[ ファイル名]ARPテーブルの削除 
arp[ -v][ -i ] -d ホスト名(IPアドレス)[ pub][ nopub]ARPテーブルの表示 
arp[ -vn][ -H ハードウェア・タイプ][ -i ][ -a][ ホスト名(IPアドレス)]No.オプション用途1-v詳細モード2-Harpは本来イーサネット以外のデータリンク層でも使用できるようにデザインされている。このパラメータで使用するデータリンクのプロトコルをハードウェアタイプとして指定できる。デフォルトはイーサネット（ether）。ほかにトークンリング（tr）なども指定できる3-iエントリが対応するインタフェースを指定する4-sARPテーブルへ指定したホスト名（またはIPテーブル）とMACアドレスのエントリを追加する5tempこのエントリがキャッシュであり（つまり定期的に削除されるかもしれない）、永続的でないことを示す。省略されると永続的なエントリとなり、削除されない6nopubこのエントリがProxy ARPのためのエントリでないことを示す7netmaskこの出力をIPアドレスのみに抑制する（DNS逆引きを行わない）のサブネットマスクを指定して、あるサブネット全体のためのエントリであることを示す。ただし、Kernel2.2.0以降では指定できないようだ8pubこのエントリがProxy ARPのためのエントリであることを示す9-n出力をIPアドレスのみに抑制する（DNS逆引きを行わない）10-DMACアドレスの代わりにインタフェースを指定すると、そのインタフェースのMACアドレスを使用する11-f指定したファイルに複数指定されたエントリを一括追加する。ファイル名が省略されると、「/etc/ethers」が使用される12-dARPテーブルから指定されたホスト名のエントリを削除する13-aARPテーブルの内容を表示する。ホスト名が指定されると該当のエントリのみを表示する

ネットワークには様々な分類方法があり、このトピックではネットワークの分類を体系的に要約する方法を追求し、議論することを歓迎します。
ここで、まず物理ネットワークとインターネットワークに分けてそれぞれ分類します。

物理ネットワークの分類

物理ネットワークは、OSI 参照モデルの物理層とデータ リンク 層に対応し、規模や被覆するエリアによって、LAN、WAN、GANに分類することができます。

LAN

LAN(Local Area Network)とは、広くても一施設内程度の規模で用いられるコンピュータネットワークのことです。  LANは官公庁、企業のオフィスや工場なで広く使用されています。ブロードバンドの普及や、ネットワーク製品の充実により、家庭内LANも身近なものになりました。下記の図でその例をそれぞれ一つ取り上げます。

オフィスLAN

出所：http://ops.fhwa.dot.gov/publications/telecomm_handbook/chapter2_03.htm

家庭LAN

出所

WAN

WAN(Wide Area Network)とは、遠く離れた場所とつながったネットワークのことです。

WANは、企業で場所が離れた複数の拠点を繋げなり、インターネットを利用する際にLANをISP(インターネット・サービス・プロバイダ)に接続したりする場合に広く使用されます。  ISP接続には、ダイヤルアップ接続(一般電話、ISDN)、ブロードバンド接続(ADSL、FTTH)、モバイル接続(公衆無線LAN、携帯電話)などがあります。下記の図でWAN接続のイメージを取り上げます。

出所

ＭAN

MAN(metropolitan area network)は、基本的にはブロードバンドローカルエリアネットワークである大規模ローカルエリアネットワーク（LAN）です。

インターネットワーキング

インターネットワーキングは、インターネット・プロトコル(Internet Protocol)で複数のネットワークを相互に接続し、一体として機能させることまたはそのための手段や技術の総体です。相互に接続されたネットワーク全体は、「インターネットワーク」(internetwork)と呼ばれます。  インターネットワークは、その範囲や管理主体の違いにより、イントラネットやエクストラネット、インターネットの三つに分類することができます。

イントラネット 
イントラネットは、官公庁や企業などの単一管理主体によって管理されているインターネットワークです。一般には外部からアクセスすることができません。エクストラネット 
エクストラネットは、複数のイントラネットを相互接続したインターネットワークです。インターネット 
地球上の多数の政府、学界、公共、私用のネットワークを相互接続したインターネットワークです。
アメリカ国防総省のARPAが開発したARPANETが母体となっており、World Wide Web の基盤でもあります、他のインターネットワークと区別するため、欧米では 'I' を大文字にして “Internet” と記されます。