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データリンク層 ①

データリンク層は、メッセージをビット列に変換して物理層で
送信できる状態にする。
また、メッセージをデータフレームとしてフォーマットする。
この時、宛先と送信元のハードウエアアドレスを追加します。


特徴

ローカルネットワーク上の各デバイスをユニークに識別する。

パケット送信の際には、ハードウエアアドレッシングを使用する。

パケットのフレーム化は最終受信先に到達するまで、ホップの都度、行われる。

制御情報を付加し、カプセル化するのみ。

データリンク層 ②

■IEEE Ethernet データリンク層  2つの副層


MAC (Media Access Control:媒体アクセス制御)802.3

コンテンション媒体アクセス。

<機能>

・回線選択
・フレーム順序配送
・誤り通知
・フロー制御(オプションの)
など


LLC (Logical Link Control:論理リンク制御)802.2

ネットワーク層プロトコルを識別し、カプセル化する。

<機能>

・フロー制御
・制御ビットの順序つけ
など


スイッチブリッジ

スイッチとブリッジは、どちらもデータリンク層で動作し、MACアドレスを
見てネットワークのフィルタリングを行う。


フレームを1個1個読み取り、レイヤ2デバイスがフィルターテーブル上に
送信元MACアドレスを書き込みます。
これで、どのポートで受信されたものであるとか、そのデバイスがどこに
存在するのかが分かるようになっています。


■ハブ ではなく スイッチを使用する利点

・ポートそれぞれが、コリジョンドメインである。
・スイッチに接続されている全セグメント上のデバイスが同時転送可能である。


■スイッチを使用する上での注意

異なる媒体間での翻訳はできない。

Ethernet ~ Ethernet ⇒ 通信OK

Etherbet ~ トークンリング ⇒ 通信NG

など

物理層

物理層の仕様は、エンドシステム通しでの物理リンクの起動、切断、維持で
電気的、機械的などの条件が規定されています。


物理層では、ビットが 1 か 0 で表されものになり、このビット列の
送・受信を行います。

ビット以外にも、様々な通信媒体とダイレクトに通信を行います。

・電圧の変化を利用したもの
・音声トーン
など


DTE(データ端末装置)DCE(データ回線終端装置)

DTEとDCEの識別が物理層では行われ、通常 DCEはサービスプロバイダ側に
設置され、DTEは各デバイスと接続されている。

DTE側は大抵、モデムやCSU/DSU経由で接続します。

※CSU(チャネルサービスユニット)。DSU(データサービスユニット)。

ハブ(Hub)

ハブ(Hub)は、実質、マルチポートのリピータです。

物理的なスター型ネットワークを形成します。

ハブに繋がった全てのデバイスは、同じコリジョンドメインであり、
ブロードバンドドメインです。


リピータの動き

デジタル信号を受信。
→ 信号の再生や再増幅。
→ アクティブポートにデジタル信号を転送し、終了。

※アクティブポートにデジタル信号を転送の際は、データは全く見ていない!


アクティブ・ハブの場合も同様の動きですが、ハブ上の全ポートから
送出されるという違いがあります。

イーサネット(Ethernet)

イーサネット(Ethernet)

・論理的には、バス・トポロジー

・物理層とデータリンク層の仕様を使う

・コンテンション媒体アクセス方式

・全ホストがリンクの同じ帯域を共有可能

・実装が容易

・障害対応が容易

・既存インフラに、新技術(ギガビットイーサネットなど)を容易に追加可能

CSMA/CD

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect)
キャリア検知多重アクセス/衝突検知

イーサネットでは、CSMA/CDが使用されます。

CSMA/CDは、パケットがネットワーク上に同時に複数から送信された際に
発生するコリジョンの問題解決のために考案されました。

コリジョンが多いCSMA/CDネットワークでは、輻輳遅延などが発生します。


<他の送信が無い場合>

1. 送信側ホストは常に回線をモニター

2. 他のホストからの送信がないことを確認

3. 送信を開始


<他からの送信がある場合>

1. 送信側ホストは常に回線をモニター

2. 回線上に他の信号を確認

3. 拡張ジャム信号送出。セグメント上の全てのノードに送信停止させる。

4. 少々時間をおいて再送を開始

5. 15回再送を試してもコリジョンが続くようなら、タイムアウトして終了。

半二重イーサネット

半二重イーサネット


半二重イーサネットは、802.3 Ethernet で定義。
CSMA/CD も使用し、コリジョン問題に対応している。

ワイヤーを1対のみ使用し、双方向デジタル信号をやりとりする。


ハブがスイッチに接続されている際には、エンド側にてコリジョンを
見つけられるように、半二重にて動作させるようにする必要がある。

全二重イーサネット

全二重イーサネット

全二重イーサネットは、ワイヤーを2対使用します。

全二重イーサネットでは、コリジョンは無い。

送信側デバイスと受信側デバイスで、ポイント・ツー・ポイント接続を
構成する必要があります。

利点として、全二重イーサネットは双方向で100%の効率が出せることです。


全二重イーサネットが使用されるケース

・スイッチ間での接続

・スイッチ~ホスト間での接続

・ホスト間のクロスオーバーケーブルでの接続

データリンク層でのイーサネットの役割

データリンク層でのイーサネットの役割


ハードウエアアドレッシングを担い、また、ネットワーク層からの
パケットをフレーム化したりします。

※ハードウエアアドレッシングの事を、MACアドレッシングとも呼ぶこともある。


イーサネットフレームの種類は以下の4種類があります。

・イーサネットⅡ

・IEEE 802.3

・IEEE 802.2

・SNAP

イーサネットアドレッシング

イーサネットアドレッシング


イーサネットNIC (Network Interface Card)に焼き付けてある、
MAC (Media Access Control)アドレスをイーサネットアドレッシングでは
使用します。


これは、48ビットで一律のフォーマットが使用されています。

イーサネットフレーム

イーサネットフレーム


フレームは、データリンク層で使用されます。

ネットワーク層からのパケットを、各、媒体アクセス方式に合わせて
送信可能な状態にカプセル化します。


■媒体アクセス方式は以下の3種類があります。

コンテンション

・トークンパッシング

・ポーリング


■イーサネットステーション機能

MACフレームフォーマットを使用し、データ・フレームをやり取りします。

CRC (Cyclic Redundancy Check)による誤りを検出する。
注)誤りを訂正する訳ではありません。

様々なイーサネットの種類

様々なイーサネットの種類

LAN設計を行う上で、様々なイーサネットの種類を押さえておく必要がある。


IEEE 802.3 標準

・10Base2

・10Base5

・10BaseT

・100BaseTX

・100BaseFX

・1000BaseCX

・1000BaseT

・1000BaseSX

・1000BaseLX

AUI について

AUI について

AUI (Attachment Unit Interface)は、一度に1ビットづつ物理層に転送する。

このことによって、MACの変更なしに物理層では既存の技術だけではなく
新規の技術にも比較的容易に対応が可能である。

AUI は、100Mbpsイーサネットには対応不可。(周波数の関係上の問題)

MII について

MII について

MII (Media Independent Interface)。

MII の仕様は、802.3u で、100Mbpsのスループットが可能。
伝送単位は、ニブル(4ビット)。

100BaceT は、ツイストペア線である為、新しいインターフェースの
必要が出てきた為に作られたものである。

10Base2

10Base2

10Base2 は、thinnet(シンネット)とも呼ばれている。

・10Mbps

・ベースバンド技術

・最大距離 185m

・AUIコネクタを使用

・1つのセグメントで最大の対応ワークステーション数は30台

・バス構造(論理的にも物理的にも)

10Base2 の補足

10Base2 の補足


■10Base2 を分解説明すると以下のようになります。


10   →  10Mbps ※速度のことです。

Base  →  ベースバンド技術 ※通信でのシグナリング方式。

2    →  200m ※最大距離185mに近い数字で示されてます。


■ネットワーク接続時

10Base2イーサネットカードは、BNC と Tコネクタ を使用。

※BNC (British Naval Connector)

10Base5

10Base5

10Base5 は、thicknet(シックネット)とも呼ばれている。

・10Mbps

・ベースバンド技術

・最大距離 500m

・AUIコネクタを使用

・バス構造(論理的にも物理的にも)

・1つのセグメントで最大の対応ワークステーション数は1024台。
 リピータにより最大2500mまで。

10BaseT

10BaseT

各デバイスは、スイッチ や ハブ に接続されないといけない。

・10Mbps

・ツイストペア線(カテゴリ3)を使用

・RJ-45コネクタを使用

・論理的には、バス構造。 物理的には、スター構造。

・セグメント毎、回線毎にホストは1つだけ

100BaseTX

100BaseTX

・2対のUTP線(カテゴリ5、カテゴリ6または7)を使用

・最大距離 100m

・RJ-45 MIIコネクタを使用

・論理的には、バス型トポロジー。 物理的には、スター型トポロジー。

・1セグメント 1ユーザ

100BaseFX

100BaseFX

・マルチモード光ファイバーケーブルを使用

・最大距離 400m

・ポントツーポイント技術

・STコネクタ または、SCコネクタを使用

1000BaseCX

1000BaseCX

・銅シールド付のツイストペア線を使用

・最大距離 25m

1000BaseT

1000BaseT

・4対のUTP線(カテゴリ5)を使用

・最大距離 100m

1000BaseSX

1000BaseSX

・マルチモード光ファイバーケーブルを使用(コアは、62.5 / 50ミュウm)

・850nmレーザーを使用

・最大距離 220m(62.5ミュウmで)。550m(50ミュウmで)。

1000BaseLX

1000BaseLX

・シングルモード光ファイバーケーブルを使用(コアは、9ミュウm)

・1300nmレーザーを使用

・最大距離 3km ~ 5km

Ethernet ケーブルの種類

Ethernet ケーブルの種類

CCNAの試験に限らず、Ethernet ケーブルの種類については簡単ですが重要です。

以下の3つの種類があります。


・ストレートケーブル

・クロスオーバーケーブル

・ロールオーバーケーブル

ストレートケーブル

ストレートケーブル

4ワイヤが使用され、1、2、3、6の同じ番号ピンだけを使い接続される。

■用途

・ホストをハブやスイッチと接続する時

・ルータをハブやスイッチと接続する時


■図

クロスオーバーケーブル

クロスオーバーケーブル

4ワイヤが使用され、1、2、3、6の同じ番号ピンだけを使い接続される。
この時、1 と 3、 2 と 6 のピンが接続されてクロスします。

■用途

・ホスト同士の接続

・ハブ同士の接続

・スイッチ同士の接続

・ハブとスイッチの接続

・ホストとルータとの直接接続


■図

ロールオーバーケーブル

ロールオーバーケーブル

ロールオーバーケーブルは、Ethernet の接続ではありません。

ホストをルータのCOMポート(シリアル通信ポート)に接続する時に使用する。

例えば、Ciscoルータなどに接続し、ハイパーターミナルなどを使って
コンソールとして使用したい場合に使われます。


■図

データのカプセル化 ①

データのカプセル化 ①

ネットワーク経由でホストから他のデバイスへデータを送信すると、
データは、それぞれのレイヤでプロトコル情報と共にカプセル化される。

各レイヤが通信をするのは受信側と同じデバイスのレイヤだけです。


PDU (Protocol Data Unit)が、情報交換や通信では使われます。

この PDU は、カプセル化の時にデータに付加される。

PDUは受信側のデバイスの同じレイヤでのみ読み込まれ、その後は
取り外されます。
つまり、上位層にはデータだけを渡す形になります。

データのカプセル化 ②

データのカプセル化(送信側デバイスの場合)


1. ネットワークで送信可能なデータにユーザ情報が変換される。

2. データ → セグメントに変換。

3. 送信側~受信側のそれぞれのホスト間で信頼性のある接続がつくられる。

4. セグメント → パケットなどに変換。

5. パケットをルーティングできるようにヘッダに論理アドレスが入る。

6. パケットなど → フレームに変換。
  ローカルネットワークで送信を可能にする為。

7. ローカルネットワーク上でのホストを識別するのにハードウエアアドレスを
  使用。 ※ユニークに識別される。

8. フレーム → ビット列に変換。

9. デジタル符号化・クロッキング方式が使用される。

Cisco 3階層モデル

Cisco の3階層のレイヤの定義

・コア層 → バックボーン

・ディストリビューション層 → ルーティング

・アクセス層 → スイッチング


Cisco 階層モデルを使うことにより以下の利点があります。

・信頼性

・スケーラブル

・設計、実装、維持が比較的容易

・費用対効果が高い

コア層 ①

コア層 ①

大量のトラフィックを迅速かつ確実に転送する役割を持ち、
階層の最上位にある。


コア層の唯一の目的 ⇒ トラフィックを可能な限り速くスイッチングする


コア層での障害は、ありとあらゆるユーザに影響が及びます。
その為、下記が非常に重要です。

・フォールトトラレンス(対障害性)

・速度

・遅延(レイテンシー)

コア層 ②

コア層 ②

■設計時に考慮したい点

・信頼性のある設計

 冗長性をもたせる。(ファーストイーサネット、FDDI、ATMなど)


・速度を念頭にいれる

 遅延は可能か限り極小にせねばならない。


・ルーティングプロトコルには収束時間の短いものを使うこと


■設計時にやらない方がよい点

・アクセスリストの使用

・パケットフィルタリング

・VLAN間でのルーティング

・ワークグループアクセスのサポート

・ネットワークが拡大した場合の、コア層の拡大・拡張。
 (アップグレード等の対応が望ましい)

ディストリビューション層

ディストリビューション層

コア層とアクセス層の通信点でネットワークに対するポリシーを実装します。

ワークグループ層とも呼ばれる。


主な機能

・ルーティング

・パケットフィルタリング

・WANアクセスの提供


設計時にやるべき点

・ルーティング

・ルーティングプロトコル間の経路再配布

・ブロードキャストドメインの定義

・マルチキャストドメインの定義

・パケットフィルタリングの実装

・アクセスリストの実装

・キューイングの実装

・セキュリティーポリシーの実装

・ネットワークポリシーの実装

・ワークグループサポート機能

アクセス層

アクセス層

リソースに対する、ユーザやワークグループのアクセスの制御を行う。

デスクトップ層とも呼ばれている。


主な機能

・ディストリビューション層からのアクセス制御とポリシーの継続

・ディストリビューション層へのワークグループ接続

・コリジョンドメインのセグメンテーション

ネットワーク層 ②

ネットワーク層

■ルータで使用されるルーティングテーブル


●ネットワークアドレス

プロトコル固有のネットワークアドレス。

ルーティングプロトコル毎に、それぞれのアドレッシング方式で
ネットワークを監視しているため、ルーティングプロトコル毎に個別に
ルーティングテーブルを持つ必要がある。


●インターフェース

パケットが宛先を目指す際の出口にあたるインターフェースのこと。


メトリック

リモートネットワークまでの距離。
ルーティングプロトコル毎に、それぞれ距離の算出方法が違います。

・ホップ数
・ティック数
・帯域幅
・回線遅延
など


■ルータについて押さえてほしい点

・デフォルトでは、ブロードキャストやマルチキャストのパケット転送は
 行わない。

・ネットワーク層のヘッダ論理アドレスを使用し、パケット転送の為の
 ホップ先(次のルータ)を決める。

・アクセスリストによって、パケットのセキュリティ制御を行うことも可能。

・特定のトラフィックに対しては、QoS を提供も可能。

・レイヤ3デバイスは、VLAN間接続を提供する。

・必要であればレイヤ2ブリッジング機能も提供可能。

ネットワーク層 ①

ネットワーク層は、ルーティングネットワークアドレッシングを行い、
デバイス間でのトラフィック転送を行う。

ルータやレイヤ3デバイスは、ネットワーク層で動作する。


●ルータ

ルータは、ルーティングテーブルを見て宛先アドレスを確認します。
ルーティングテーブルに、宛先アドレスが存在していない場合は
そのパケットはルータにより破棄されます。

出口となるべきインターフェースが決まった場合、パケットは
そのインターフェースへ送信され(この時、フレーム化されます)、
ローカルネットワークに無事、送信されます。


■ネットワーク層では、データパケットルート更新パケットが使用される


●データパケット

データパケットは、ルーテッドプロトコルと呼ばれ、ユーザデータ転送に
使用される。 種類には IP や IPX 。


●ルート更新パケット

ルート更新パケットは、隣接されたルータに接続されているネットワークに
ついての情報を更新するために使用され、ルータ上でルーティングテーブルを
作成や維持の為に使用される。
ルーティングプロトコルと呼ばれています。
種類には RIP , EIGRP や OSPF など。

トランスポート層

トランスポート層は、上位層からのデータの分割と再組み立てを行います。

エンド・ツー・エンドのデータ転送を提供し、宛先と送信元のホスト間に
論理的な接続を確立します。


●トランスポート層の役割

・セッションの確立
・バーチャルサーキットの切断
・上位層への透過的なデータ転送
・上位層アプリケーションの多重化
・情報の詳細を隠蔽

など。


●データの完全性はトランスポート層のフロー制御で保証される。

データの欠落を防ぐには、送信側ホストが受信側ホストのバッファを
オーバーフローさせるとよい。


コネクション型通信(信頼性のあるデータ転送のため)

・受信側にてセグメントを受信 → 送信側へ確認応答を送信
・確認応答がないものは全て再送
・宛先にセグメントが到着 → 元もとの正しい順番に並び替えを行う
・データの喪失、過負荷などを避ける

ネットワークの氾濫制御システムは、トランスポート層の機能です。

※確認応答は、再送付き肯定確認応答とも呼ばれております。


ウィンドウ制御

送信側が確認応答を必要とせずに送信できるデータセグメント量をウィンドウという。

情報の量を、TCP/IPではバイト数で測る。

セッション層

セッション層の基本的な役割は、各アプリケーションのデータが、他の
アプリケーションのデータと混ざらないようにすることです。

セッションの設定や管理、切断などを行い、デバイス間での対話の制御も行う。

以下の3つの通信モードを提供します。

・シンプレックス
・半二重
・全二重


■セッション層プロトコルとインターフェースの例

・ASP(AppleTalk Session Protocol)

・DNASCP(Digital Network Architecture Session Control Protocol)

・NFS(Network File System)

・SQL(Structured Query Language)

・RPC(Remote Procedure Call)

・X Window

など

プレゼンテーション層

プレゼンテーション層

アプリケーション層にデータを「プレゼント」する層なので
このような名称になっている。


●基本的には翻訳を機能として、主に「符号化」と「変換」。

・データ圧縮、伸長

・データ暗号化、複合化


●データを転送前に標準のフォーマットに変換している。

■マルチメディアに関連するもの

・TIFF(Tagged Image File Format)

・JPEG(Joint Photographic Experts Group)

・MPEG(Moving Picture Experts Group)

・RTF(Rich Text Promat)

・MIDI(Musical Instrument Digital Interface)

・QuickTime

・PICT

など。

アプリケーション層

アプリケーション層

●ユーザーがコンピューターに対して実際に通信を行う場である。

●通信相手を識別して確実な通信を行うよう維持する。

●通信に際してリソースの確保ができているかも判断する。

●ネットワーク通信コンポーネントを使用する場合もあり。
※E-mail、ファイル転送、リモートアクセスなど


■アプリケーション層の代表例

WWW, BBS, EDI, 金融トランザクションサービス, 検索エンジンなど


■アプリケーション層の機能

アプリケーションサービス、印刷、DB、ファイルなど

7つのレイヤ

7つのレイヤ

OSIは、7つのレイヤがあります。

大きく2つに分けられます。

上位レイヤ と 下位レイヤ です。

アプリケーション層
プレゼンテーション層
セッション層
トランスポート層
ネットワーク層
データリンク層
物理層



 緑色部分: 上位レイヤ


 青色部分: 下位レイヤ

OSI参照モデルの利点

OSI参照モデルの利点

◇異なるベンダーでも相互に通信が可能となる。(標準化)

◇様々なソフト、ハードを使い通信が可能となる。

◇それぞれのレイヤの機能が確立しているため、各レイヤにおける
設定・機能変更等があっても他レイヤへの影響を軽減できる。

OSIが作られた背景

OSIが作られた背景

OSI(Open Systems Interconnection)は、ISO(国際標準化機構)により
作られました。(1970代後半)

それぞれのベンダーが相互に通信(運用)を可能に! 
という事を目標にしています。

それまでは、Aベンダーを使用している機器は、Aベンダー機器同士でしか
通信は不可能でした。

※Aベンダー機器 <-----> Bベンダー機器間では通信できない。

Cisco 2501 Router

Cisco 2501 Router の簡単な特徴

◇コンソール・ポート 1個

◇AUXポート 1個

◇10Mbps用Ethernet接続用AUI(Attachment Unit Interface) 1個

◇WAN接続用シリアル・インターフェース 2個

スイッチ

スイッチは、LAN(インターネットワークの)機能を向上させる為のもの。

主な目的は、各ユーザの帯域幅とパフォーマンスを上げること。

デフォルトで、コリジョン・ドメインを分割する。

※コリジョン・ドメイン
⇒Ethernetにパケットを送出する時にコリジョン(衝突)が
 起こりうるセグメントの範囲

ルータ

ルータを使う利点

◇デフォルトで、ブロードキャストを転送しない

◇IPアドレスをフィルター可能


ルータは、データ・パケットをルーティングする。

デフォルトで、ブロードキャスト・ドメインを分割する。
コリジョン・ドメインも分割する。

※ブロードキャスト・ドメイン
⇒ネットワーク・セグメント上にて、同じブロードキャストを受ける範囲。

LANトラフィックの輻輳の原因

LANトラフィックの輻輳の原因には下記のようなものがある。


◇小さい帯域幅

◇1個のブロードキャスト・ドメインに多数のホスト

◇ブロードキャスト・ストーム

◇マルチキャスト

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