インターネット

情報システム概論 I 

                                       筑波大学 システム情報工学研究科 
                                       コンピュータサイエンス専攻, 電子・情報工学系
                                       新城 靖
                                       <yas@is.tsukuba.ac.jp>

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目標

■インターネット

• 技術的側面
• 社会的側面

◆TCP/IP

電子メールでもWWWでも、TCP/IPという仕組みを用いて通信を行っている。 この節では、TCP/IP の仕組みについて簡単に説明する。 大事な考え方には、次のようなものがある。

• プロトコル・スタック
• IPアドレス、ホスト、ルータ
• データグラム、ストリーム
• クライアントとサーバ
• ＤＮＳ

◆プロトコルとプロトコル・スタック

プロトコル(protocol), 通信プロトコル(communication protocol)

通信を行う機器、コンピュータ、あるいは、プログラムの間でどのよう な手順で行うかを定めた規則

プロトコル・スタック

複数のプロトコルが積み重ねられ、 全体として層をなしていること。

• 大きなプログラムを作るのは難しいので、 小さな部品に分解して開発する。
• 分解の方法として、通信分野では、層に分ける方法を採用している。
• インターネットで通信する時には、１つのプロトコルだけではなく、最低でも ４つのプロトコルが必要になる。

• アプリケーション
• シェル
• カーネル
• ハードウェア

IP (Internet Protocol)

データグラム転送サービスを提供する通信プロトコル。

TCP(Transmission Control Protocol)

IP の機能を利用して、信頼性のある双方向のストリーム転送サービスを提供す る通信プロトコル

応用層のプロトコル

電子メール、World Wide Web などの サービス毎に定められたプロトコル。

物理層のプロトコル

イーサネット、無線LANなど電気信号や電波でビットの並びを送り届けるためプ ロトコル。

◆データグラム

データグラムに分割することで、次のような利点がある。

• 大きなデータの一部が失われたり壊れたとしても、 その部分だけを再送すればよい。
• 複数人で使う時に効率よくネットワークが使える。 ある人が大きなデータを流しても、ネットワーク占有してしまうことはない。
• 複数の回線を束ねて高速化できる。１つの通信のデータグラムを複数の 回線にばらす。
• 最大長を定めたり、大きさを固定にすることで処理が簡単になる。 特にハードウェアで扱う時に。
• ルータが故障したり回線が故障した時に迂回できる。

◆IPアドレス

◆ホストとルータ

ホスト

ネットワークに接続されているコンピュータの中で、ネットワークに１ヵ所の 出入り口（ ネットワーク・インタフェース(network interface) ）を持っているもの

ルータ

２ヵ所以上の出入り口を持っているコンピュータ

ルータは、IPアドレスを見て、データグラムの送り先を判断する。

郵便局で、住所を見て、送り先を判断するのと似ている。郵便局は、一番末端 のもの(ポストから集配したり家に配ったりする)ではなくて、中間的な集配を する郵便局がある。

同様に、ルータも、自分自信は、最終到達地点のコンピュータを知らなくても、 別のルータに送るだけのようなものもある。

ルータは、隣のルータや回線が故障した時には迂回路を探す。 迂回絽がなければ通信は途絶する。

ルータとルータは、どの回線やルータが生きているか、通信速度はどうなって いるか等の情報を交換し会う。これらの情報を元に、各ルータは、受け取った データグラムを次の最適の経路／ルータに送る。

◆ストリーム

「ストリーム」という言葉は、コンピュータでは様々な意味に使われる。

TCPが提供する「ストリーム転送サービス」の性質。

• データの送り手と受けての間に結合(connection，通信路)が作られる
• 複数回に分けて送り出したデータの順番が入れ替わることはないが、データの区切りは保存されない
• 送り出したデータが相手に届くようにする（途中で失われた時には、再 送する）

TCPで通信をする時に、通信相手を識別するにはIPアドレスと ポート番号(port number) が使われる。ポート番号は、16ビットの整数で、よく使われる アプリケーション ( サービス ) には、あらかじめどの番号を使うかが決めらている。これを well-knownポート番号(well-known port number) という。

◆応用層

TCP層の上には、 応用層 が定義されている。この層では、電子メールの転送、ファイル転送、遠隔ログ イン、WWW、といった TCP/IP を利用するプログラムの間の通信方法が定義さ れている。

TCP/IPを使った通信は、まるでコンピュータ同士（プログラム同士）が電話で 会話するように進められる。

表？ TCP/IPの上に定義されているプロトコルの例

◆物理層

IP の視点からは、LAN や アクセスライン も物理層と見なす。OSI 7層モデルでは違う。

ダイアルアップなどを使った通信では、 PPP(Point to Point Protocol)とい うプロトコルの上に、IPデータグラムが転送される。

◆LAN(Local Area Network)

イーサネット

• もともとはコピー機で有名な Xerox 社が開発したLANの仕組み。 IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers, アイトリプルイー) という学会に設置された委員会で標準化された。 委員会の名前は、IEEE 802.3。
• 通信速度としては、10 M, 100 M, 1 G, 10G 等の種類がある。
• 物理媒体は、同軸ケーブル(テレビのアンテナの引き込み線でも使われている)、 非シールドより対線(Unshielded Twisted Pair Cable)、 光ファイバが使われる。

• 主に免許が要らない周波数帯の電波を使う。 （以前は赤外線を使うもの使われていた。）
• 規格としては、IEEE 802.11b, IEEE 802.11g, IEEE 802.11a などがある。 イーサネットのデータグラムをそのまま流せる。
• 速度は、最大 11M bps から 54M bps 程度と言われているが、 実際にはそれほどは出ない。雑音や混信に弱い。

◆TCP/IPの実装

オペレーティング・システムのカーネルは、デバイス・ドライバを通じてネッ トワーク通信を行うハードウェア（ネットワーク・インタフェース・カード） を操作して通信メッセージを送受信する。

◆動画像や音声のストリーミング配信

通常(ストリーミングではない)の配信:

まず、データを保存したファイルをコピーする（データ全体をコピーする）。 コピーし終わってから、内容を読み出し、再生を開始する。

ストリーミング配信:

データの一部を受信した段階で再生を開始する。 データ全体のを受信しなくてもよい。 受信側にファイルが残らない（残させない）ことが一般的。

■DNS(Domain Name System)

• コンピュータにとって、数(整数)が便利。 IP アドレスがあれば十分。
• 人間は、数よりも、名前(文字列)が扱いやすい。

例:

ドメイン名

www.coins.tsukuba.ac.jp

IPアドレス

130.158.80.244 ( 130*256^3+158*256^2+80*256^1+244*256^0 == 2191413492 )

• Web ブラウザで http://www.coins.tsukuba.ac.jp/~yas/ を開く
• Web ブラウザで http://130.158.80.244/~yas/ を開く
• ssh で www.coins.tsukuba.ac.jp に接続する
• ssh で 130.158.80.244 に接続する

DNS では、膨大な数のホスト名を含む名前空間を階層的にドメイン（領域）に 分割して管理している。この空間の構造は、木構造と同じである。

■クライアントとサーバ

インターネットで通信をプログラムを利用する時、 「クライアント」と「サーバ」という分けて考えることが多い。

例：

• ファイル・サーバ
• 名前サーバ
• ＷＷＷサーバ
• メール・サーバ
• クライアント・パソコン

コンピュータが１台しかない場合、プログラムは１つでよい。通信をする場合 には、プログラム（コンピュータ）が２つになる。そのうちの１つのプログラ ム（またはコンピュータ）を、「クライアント」、もう１つを「サーバ」とい う。

◆サービスの授受

クライアント(client)

サービスを受ける方、顧客

サーバ(server)

サービス(service)を提供する方

◆利用者数

クライアント

一人で使うもの

サーバ

複数人で共有するもの

◆通信パタン

クライアント

先に要求を送る、後で結果を受け取る

サーバ

先に要求を受け取る、後で結果を返す

■HTTP

この時使われる通信プロトコルをHTTP ( Hyper Text Transfer Protocol ) という。

WWW サーバには何種類もある。 情報科学類で使っている WWWサーバのプログラムの名前は、Apache 。

◆HTTPによるクライアントとサーバの間の通信

coins では、www.coins.tsukuba.ac.jp (orchid-nwd.coins.tsukuba.ac.jp) と いうコンピュータでApache が動作している。 ssh で遠隔ログインして、設定やログを見ることができる。

◆HTTPの要求

• GET
• POST

http://www.domain/dir1/file1.html

クライアントは、HTTP で次のような要求を送る。

GET /dir1/file1.html HTTP/1.0

◆ファイルとの対応

/usr/local/apache/htdocs/

coins では、/var/www/htdocs/。

上の GET 要求に相当するファイルは、次のファイルになる。

/usr/local/apache/htdocs/dir1/file1.html  (一般的)
/var/www/htdocs/dir1/file1.html           (coinsの場合)

◆応答

HTTP/1.1 200 OK
Date: Wed, 06 Feb 2008 08:40:51 GMT
Server: Apache/2.0.59 (Unix) PHP/4.4.7
Accept-Ranges: bytes
Connection: close
Content-Type: text/html

<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01 Transitional//EN">
<html lang="ja">
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<title>情報学群 情報科学類・情報学類</title>
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...
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◆ステータス、データ、メタデータ

アクセスされた日付、データの日付、データの型と長さが現れる。 Content-Type: が text/htmlならば、 HTML で書かれたページの意味。 インラインイメージなら、 なら image/gif や image/jpeg になる。

このような情報は、情報そのものではなくて、情報に関する情報という意味で メタ情報（メタデータ）という。

空行の後に、実際のデータが続く。

■電子メール

• 基本的にはテキスト（文字だけからなるデータ）を１対１で送る。 バイナリ・データは、文字に符合化される。
• 電子メールのアドレスには、ドメイン名が使われる。 メールを送る先を調べるのに使われる。
• メールリーダ(MUA, Mail User Agent)は、ローカルの配送プログラム (MTA, Mail Transfer Agent) に送信を任せて終了する。
• 配送プログラム間の通信には、 SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) が使われる。 一般に、送信側の配送プログラムがクライアント、受信側の 配送プログラムがサーバになる。
• 送られたメールは、ファイル(mail drop)に溜まる。
• mail drop をアクセスする方法には、何種類もある。
  • ファイルを直接たたく
  • POP (Post Office Protocol) 経由
  • IMAP(Internet Message Access Protocol)経由

■関連科目