インターネット構成法 第３回　リンクレイヤ技術 2002/10/21 担当：村井　純.

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1 インターネット構成法 第３回　リンクレイヤ技術 2002/10/21 担当：村井　純

2 多様なメディアの性質 ネットワークを物理的に構成するメディアの性質を知り、上位層の要求に応じてメディアを選択 メディアの持つ性質の切り分け
伝送遅延 信頼性(エラーレート、冗長性、稼働率) 帯域幅 コスト(インストールコスト、ランニングコスト) メディアを収容する機器による影響

3 メディアの伝送遅延 伝送距離、物理媒体によって異なる 衛星回線の遅延はおよそ250ms 光ファイバの遅延
電波の速度は300000km/s ≒ 光速 基地局から送信された電波は、 赤道上約36,000km上空の衛星を経由して地上に戻る 光ファイバの遅延 地球を1周(およそ40,000km)する長いファイバがあれば、両端の伝送遅延(D)は D = 40000(km) / (km/s) D = 133ms

4 メディアの信頼性 エラーレート 冗長性 BER･･･ビットあたりのエラーの割合 電話回線･･･BER：10^-5
電灯線(ECHONET)･･･BER：10^-3 1000Base-X(IEEE 802.3z)･･･BER：10^-12 冗長性 障害が発生したときに、バックアップの通信路に切り替え、Down Timeをどれだけ短くできるか 形成するトポロジと密接に関係

5 メディアの稼働率(Availability)
一定期間において、そのうちシステムがどの程度の割合で正常稼働しているかを示す数値 MTTF･･･システムの平均故障間隔 Mean Time To Failure MTTR･･･停止状態になったシステムを稼働状態に復旧するまでにかかる時間 Mean Time To Recovery 稼働率 = MTTF / (MTTF + MTTR)

6 メディアの帯域幅 伝送媒体、多重化の仕方などにより異なる 携帯電話･･･32kbps
無線LAN (IEEE b)･･･11Mbps より高い周波数帯を使えば広帯域化できるが、 電波資源は有限 光ファイバ + WDM･･･数10Gbps~

7 多重方式の例 TDMA･･･時分割多重アクセス FDMA･･･周波数分割多重アクセス WDM･･･波長分割多重
共用回線を使用する時間を等分し、複数の回線に順番に割り当てる FDMA･･･周波数分割多重アクセス 共用回線の周波数帯域を等分して複数の回線に割り当て、合成波として送受信する WDM･･･波長分割多重 波長の異なる信号は互いに干渉しない 波長の違う複数の信号を同時に利用することで、 ファイバを多重利用する

8 メディアのコスト 衛星回線 無線LAN 光ファイバ インストールコストもランニングコストも高い
SFCにあるC-band地球局には どれだけのコストがかかっているか 無線LAN インストールコストもランニングコストも低い 光ファイバ 導入形態によって異なる 専用線、ATM、Frame Relay、etc...

9 メディアを収容する機器内での影響 遅延や減衰、データの破損 メディアを交換・中継するスイッチによる影響
エンコード、デコード、その他の処理による影響 電気機器が持つノイズなどによる影響

10 遅延 RTT(Round Trip Time) ネットワーク機器と遅延 パケットが帰ってくるまでの往復時間 ハードウェア処理:遅延小
ソフトウェア処理:遅延大 ソフトウェア処理 ハードウェア処理 ソフトウェア処理 ハードウェア処理 ハードウェア処理 ハードウェア処理

11 様々な遅延を発生させる要因 アプリケーションの仕様 中間ネットワークの状態
物理層 データリンク層 ネットワーク層 トランスポート層 セッション層 プレゼンテーション層 アプリケーション層 アプリケーションの仕様 WMTのトラフィックは、フラグメントされたパケットがたくさん流れる アプリケーションで余計な処理をする設計になっていないか 中間ネットワークの状態 ルータのパケット処理性能は十分か データリンクそのものの遅延は十分か NICの処理性能は十分か 帯域は十分に広いか

12 ルータのアーキテクチャ例 Routing Engine (Software) Switching Interface
Routing Processor (Hardware) Routing Processor (Hardware) Network Interface Network Interface

13 遅延の低減 Packet Forwarding処理のハードウェア化 λスイッチング
ASIC(Application Specific Integrated Circuit) =特定用途向けIC Packet Forwardingや暗号化処理に特化 大量のパケットの高速処理が可能 L3スイッチ / 最近のルータの一部に搭載 λスイッチング 光の波長のままスイッチング IPを電子に変換するオーバーヘッドを回避

14 (1) 超高速フォトニックネットワーク技術 7 現在の光通信 フォトニックネットワーク －その１ 全体像－
(1) 　超高速フォトニックネットワーク技術 －その１　全体像－ 　現在の光通信　 フォトニックネットワーク 　通信網の中継点や分岐点等において、電気信号に変換して処理。 　通信網の端から端まで全てにおいて、情報を電気を介さず光のままで伝送。 光信号 電気信号 光信号 光信号 超高速化 光ファイバ 光→電気変換 電気→光変換 電気的処理…半導体など電子デバイス内での電子の移動速度に限界があるため、４０Ｇｂｐｓ程度が限界。 光処理…光速で伝送・処理を行うため、数Ｔｂｐｓ以上も可能。 フォトニックネットワークの構成に必要な主要技術 （１）超高密度ＷＤＭ（波長分割多重）技術　 研究開発目標： 　２００５年までに１０Ｔｂｐｓ級の 　超高速インターネットを実現　 （２）超高速ＴＤＭ（光時分割多重）技術　 （３）光ルータ技術　 フォトニックネットワーク（Photonic network）：端末から端末までの間の中継、増幅、交換、処理など全てのプロセスを光信号のままで行うネットワークで、全光化ネット 　　　　　　　　　　　　　　　　ワークともいう。現在の光ファイバー通信が「光通信」と呼ばれてきたため、これとの混同を避けるため「フォトニックネットワーク」と呼ばれる。 ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing ＴＤＭ：Time Division Multiplexing 7

15 (1) 超高速フォトニックネットワーク技術 8 －その２ 超高速バックボーン技術－ １０Gbps/光ファイバ
(1)　超高速フォトニックネットワーク技術 －その２　超高速バックボーン技術－ 現在の光通信 デジタル信号 10Gbps １波長のみ 　１０Gbps/光ファイバ　 ０１１０１０ ０１１０１０ 光ファイバ （０、１のデジタル信号を光の点滅に変換） Ａ．超高速ＴＤＭ（時分割多重）通信 Ｂ．超高密度ＷＤＭ（波長分割多重）通信 　いくつものチャンネルの信号を、信号のパルス幅を極めて短くして１つの 波長に多重して送る。 いくつものチャンネルの信号を別々の波長に乗せて１本のファイバを通す。 10Gbps 10Gbps 光の波の重ね合わせ（合波） 光の波の分解（分波） ch. 1 ch. 1 波長１ 波長２ ch. 2 ch. 2 波長３ ch. 3 波長ｍ ch. 3 １６ｃｈ．を時分割多重すると、 １６０Ｇｂｐｓを実現 光ファイバ ch. n １０Gbps　×　ｎ（＝１６）ch.　＝　１６０Gbps/波 ch. m n=16 １０００波を波長分割多重すると １０Ｔｂｐｓを実現 m=1000 さらに、６４波を波長分割多重すると、 １０Ｔｂｐｓを実現 １６０Ｇｂｐｓ/波　　×　　６４波　　＝　　１０Ｔｂｐｓ/光ファイバ １０Ｇｂｐｓ　　×　　１０００波　　＝　　１０Ｔｂｐｓ/光ファイバ 技術課題： 　極短パルス発生技術、超高密度光キャリア発生技術　等 技術課題： 　超広帯域光増幅技術、可変波長変換アレー技術　等 8

16 (1) 超高速フォトニックネットワーク技術 9 －その３ 超高速光ルータ技術－ 光ルータ 光スイッチ ２００５年に１０Ｔｂｐｓを実現
(1)　超高速フォトニックネットワーク技術 －その３　超高速光ルータ技術－ 現在のルータ 光→電気変換 電気→光変換 （処理速度：数Ｇｂｐｓ程度） 光ファイバ 経路１ データ ヘッダー 経路２ ：IPパケット 電気スイッチ…電気信号で経路選択（低速） 光ルータ 光スイッチ 光ファイバ （例）極小ミラー式： 　　極小の鏡の位置を変化させ、光信号の反射の向きを変えることにより制御を行う。 経路１ 経路２ 入力 ① ② ③ ④ 出力 光スイッチ…光信号のまま経路選択（高速） ①’ 極小ミラー この位置で反射 ②’ コイル ③’ 電圧ＯＦＦ 電圧ＯＮ 　２００５年に１０Ｔｂｐｓを実現　 ④’ （鏡の位置が上昇 　して光を反射。） （鏡の位置が下降 　して光を透過。） （上から見た図） 極小ミラーの動作原理 （横から見た図） 技術課題： 　極小ミラー制御技術、低損失化技術　等 9

17 伝送速度 参考資料２ 伝送速度とは： 伝送速度とダウンロード時間 － － － － － －
通信回線において、１秒当たりに送ることができるデジタル信号（0又は1）の量。単位はビット/秒（bps）で、1秒間に0又は1の信号1個を送る速度を1ビット/秒（bps）という。 伝送速度とダウンロード時間 アクセス系 バックボーン 回線 ISDN （電話回線） ADSL FTTH ギガビット級 ネットワーク テラビット級 ネットワーク ペタビット級 ネットワーク 伝送速度 64kbps 数10kbps～数Mbps （600kbpsで計算） 30Mbps （予想） 1Gbps 1Tbps 1Pbps 音楽（１曲） MP3（約5分） 約4.8Mbyte 約10分 約64秒 約1.28秒 － － － 音楽（アルバム） CD（約74分） 約680Mbyte 約23時間 約2時間半 約3分 約5.4秒 － － 映画(DVD) MPEG2（2時間） 約3.6Gbyte 約125時間 約13時間 約15分 約28.8秒 約0.03秒 － ハイビジョン 映像（1時間） 13Gbyte 約20日 約2日 約1時間 約105秒 約0.1秒 秒 （注）　k（キロ）は1000倍（103）、M（メガ）は100万倍（106）、G（ギガ）は10億倍（109）、 T（テラ）は1兆倍（1012）、P（ペタ）は1000兆倍（1015） 21

18 構成の悪いネットワークの例(1) 帯域が6Mbpsの衛星回線上でGbE Interfaceを 搭載した高性能なルータを導入したが、帯域幅が ボトルネックになった 無用に高価な衛星ルータを導入した分、コストパフォーマンスが低下した Too Much Delay!!

19 構成の悪いネットワークの例(2) データリンクの速度にルータのパケット処理性能が追いつかない
パケットを処理し切れず、パケロスや遅延が発生 マルチキャストのストリーミングサービスを行いたいが、スイッチがマルチキャストをハンドルできず、ボトルネックになった 本当に行いたいサービスができない

20 最近のハードウェア事情(余談) マシンの処理速度を上げる CPUや基盤そのもの配線の工夫 電気信号をどれだけ早く伝えるか
いかに配線距離を短くするか CPUを球状にして配線する研究もある

21 多様なメディアとインターネット(1/2) 中間ネットワークに多様なメディアが存在しても、インターネットは機能する
理由1:End-Endでエラー検出、パケット転送、帯域制御を行っている(TCP) 1 2 3 4 6 7 8 9 2が足りない 2を再送

22 多様なメディアとインターネット(2/2) 理由2:アプリケーション自体が、回線品質が低くてもある程度は動くように作られている
ストリーミングサービス中にパケットロスが生じても、映像が乱れたり音声が途切れる程度で済む 1 2 3 4 6 7 8 9

23 多様なメディアの例 物理層では データリンク層では 光ファイバ メタルケーブル 無線 Ethernet Token Ring FDDI
ATM

24 光ファイバー 内部構造 コネクタの種類 データリンクプロトコル WDM/多重化 クラッドとか、太さとか
SC, MIC, FC, ST, MT-RJ データリンクプロトコル Gigabit Ethernet ATM FDDI 10G Ethernet 100Base-FX WDM/多重化

25 光ファイバーの構造 テンションメンバ 被覆 光ファイバー © 文部科学省

26 光ファイバーの構造 グラッド (屈折率が高い) コア (屈折率が低い)

27 光ファイバーの構造 構造 伝播の原理 コア(core): 光の伝送路 グラッド(clad): 光をコアに閉じこめる
コアとクラッドは光の反射率が異なる 伝播の原理 コアとグラッドの境界で全反射を繰り返しながら進む 反射光同士の干渉により、位相が一致する場合には光が遠くまで伝播する 位相が一致しない場合には光が遠くまで伝播しない 入射する光の角度によって位相が決まる

28 光ファイバの減衰 光ファイバの特徴 光がパワーを失うことで減衰 信号の周波数がかなり高くなるまで損失は一定
電磁誘導などの電磁障害の影響を受けない 光がパワーを失うことで減衰 散乱 ファイバーの不完全性、基本的構造による損失 波長の4乗に逆比例 吸収 ファイバーの不純物が光エネルギーを吸収 低損失の波長領域（ウインドウ）の存在 nm / 1300nm / 1550nm

29 SMF/MMF SMF (single mode fiber) MMF(multi mode fiber) 伝播モードが1つ 中長距離用
ATM/SONET/WDMなどで使用 MMF(multi mode fiber) 伝播モードが複数 短距離用 LANではMMFが一般的 比較的安価 [SMF] [MMF] 波長 1310nm / 1550nm 波長 850nm / 1310nm コア(10μm以下) グラッド(125μm) コア(50/62.5μm) * 日本は50μm

30 メディアの伝送距離 情報が変形、損失することなく、正確に伝わる距離 メディアの減衰に対する耐性、情報を伝送する周波数、波長に依存
[GbEにおける伝送距離の違い] 規格 伝送メディア 最大伝送距離 1000Base-TX UTP(cat5e) 100m 1000Base-SX MMF 550m 1000Base-LX SMF 5000m

31 光ファイバコネクタ(1/3) SC ST プラスチックの角型 ATM/100Base-FX 1000Base-SX/LX …
1芯ごとに金属製のツイストロック ATM/100Base-FX 1000Base-SX/LX … [SC-Dual] [ST] (出展: Internet Week ‘98 岡本 久典氏 ネットワークトラブルシューティングと トラブルに強いネットワークの構築）

32 光ファイバコネクタ(2/3) MIC FC 2芯1セットのプラスチックモールド 爪によってA/B/Mがある FDDI
[MIC (A)] MIC 2芯1セットのプラスチックモールド 爪によってA/B/Mがある FDDI FC 1芯ごとにツイストロック 10Base-FL [MIC (B)] [FC] (出展: Internet Week ‘98 岡本 久典氏 ネットワークトラブルシューティングと トラブルに強いネットワークの構築）

33 光ファイバコネクタ(3/3) MT-RJ コネクタ･サイズがSCコネクタの1/2 プラグ／ジャック方式
1000Base-SX, 1000Base-LX [MT-RJ]

34 Gigabit Ethernet (IEEE802.3z)
1Gbps 双方向データチャネル技術を利用 片チャンネル 1Gbps 全二重 伝送媒体は光ファイバ 1000Base-SX (短波長), 1000Base-LX (長波長) 製品は IEEE802.3zに準拠するものが大多数 相互操作性の確保が着実に進む NIC、スイッチ共に幅広く提供される

35 １０Gigabit Ethernet (IEEE802.3ae)
10Gbpsの世界へ CSMA/CDの廃止、全二重モードonly 10GBase- LX4 SR LR ER SW LW EW の７種類 伝送距離 300m ～ 40km

36 Token Ring １９７０年代にIBMが開発 IEEE802.5として標準化 ホストを数珠つなぎにしたリング形態
IBM Type I ケーブル コンセントレータによるスター型配線 4Mbps & 16Mbps 米国では未だに多くの利用 日本ではいまいちはやらない LANの特性としては望ましいことが多い

37 FDDI Fiber Distributed Data Interface ANSI, ISOで標準化
光ファイバを利用した100Mbpsリング型LAN ２重化リングによる対故障性の改善 DAS リング途中での折り返し リングの双方向化 Bidirectional FDDI (200Mbps) スイッチによる運用

38 FDDI

39 FDDI Media Access Control(MAC) X3.139-1987
Physical Layer Protocol(PHY) X Physical Layer Medium Dependent(PMD) X Station Management(SMT) X Single Mode Fiber(SMF-PMD) X Twisted Pair PMD(TP-PMD) X x Conformance Test PICS(CT-PICS)

40 ATM 音声・画像・データの統合伝送技術として開発 特徴 1980年代終わりから 伝送・交換技術（電話技術）から誕生
B-ISDN (Broadband Integrated Service Digital Network) の本命技術として期待された 特徴 広帯域性：155Mbps (OC-3), 622Mbps (OC-12) スイッチ(cut-through exchange)による低遅延網 53octet セル (5octet Header + 48octet Data) 電話システムや映像伝送システムとの統合可能 ATM LAN

41 ATM Sublayer Structure
P H Y A L T M cell Voice Data Video ATM Adaptation Layer: 48byteデータ領域へのデータ分割 データ毎に定義 (AAL1, AAL2, AAL3/4, AAL5) ATM Layer: 5byteヘッダの設定 VCI/VPIの設定 Physical Layer: 伝送媒体への適合

42 ATMの根本的問題 本当に簡単か? LANEではオーバーヘッドが以前として大きい 仮想網を沢山作ると管理は大変
20%程度は覚悟 仮想網を沢山作ると管理は大変 物理網の管理だけでなく、仮想網の管理も必要 二重の管理体制が必須 PVCの利用では帯域設計が必須 帯域設計は読み切れないことが多い やっつけ仕事になりがち

43 WDM 波長の異なる光は互いに干渉しないという性質を利用 一本のファイバが複数のファイバのように動作
波長数をさらに増やしチャネル間隔を狭めることで高密度化したものに DWDM (Dense WDM) がある 大容量のデータを送れる光ファイバの通信容量を、さらに数倍から百数十倍まで拡大できる

44 WDMの仕組み 波長毎の屈折率 の違いによる 信号到達時間差 波長2 波長3 波長1 t

45 無線LAN Ethernet Frame による通信 伝送メディアとして電波を使用 受信と送信を切り替える半二重通信
CDMA (Code Division Multiple Access) 同じ周波数で1度に多数の人がアクセス 規格 速度 周波数帯 方式 802.11 1 – 2 Mbps 2.4GHz DS , FH 802.11b 11M bps DS 802.11a 54Mbps 5.2GHz

46 電波の使用 2.4GHz周波数帯(802.11b) 5.2GHz周波数帯(802.11a) 電波使用の免許不要 広く普及
規制がかかっていて使用できなかった 規制緩和に伴って利用が始まっている

47 無線LANでの通信方式(1) CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) データ送信の流れ 通信路が空いているかを確認 通信路が空いていたら、ランダムな時間待つ データを送信 ?? Data Data Data

48 CSMA/CA ランダムパルス送出 CSMA/CA 方式 Collision Window (18 pulse) Carrier Sense
t

49 無線LANの通信方式(3) 無線LANはHalf Duplex CSMA/CA with ACKによる信頼性の確保
データの送信中は、受信できない Collision Detectionできない 有線と同じ通信方式(CDMA/CD)は不可能 CSMA/CA with ACKによる信頼性の確保 送信データに対するACKがない場合、 データを再送 ?? ACK × 再送 Data

50 CDMA 限られた周波数帯の共有 スペクトル拡散方式(Spread Spectrum : SS) それぞれが使用する周波数帯を狭くする
時間ごとに使用者を切り替える スペクトル拡散方式(Spread Spectrum : SS) 同じ帯域上に信号を拡散させて多重化する方式 限られた周波数で同時に複数の通信が可能 効率的に使用できる

51 直接拡散方式 Direct Sequence : DS 拡散信号PN（pseudo-random number） DSの流れ SS方式の1つ
無線LANで利用されている方式 拡散信号PN（pseudo-random number） 送信する信号の帯域より大きな帯域をもった信号 DSの流れ 送信側では、データにPNを掛け合わせて送信 より広い周波数rangeに拡散 受信側では、PNを掛け合わせてデータを受信（逆拡散） PNは各ノードに割り当てられ、直交している

52 SSの利点 周波数scanにかかりにくい 妨害されにくい 拡散しているので、個々の周波数のパワーは低い
[周波数スペクトラムの変化] PN sequence 周波数scanにかかりにくい 拡散しているので、個々の周波数のパワーは低い 妨害されにくい ある周波数にノイズがのっても他の部分から補完可能

53 無線チャンネル 使用する周波数によって1-14のチャンネル チャンネルごとに多重化
チャンネルの周波数帯は密集しているので、近いチャンネルでは干渉がおきる 1ch. 2 3 … 13 14 周波数

54 無線LANのch割り当て 国内規格ARIB STD-T66、STD-T33 chごとの中心周波数･･･5MHz毎
ch:5 (cf:2.432) 2.421 – 2.443 ch:4 (cf:2.427) 2.416 – 2.438 ch:3 (cf:2.422) 2.411 – 2.433 ch:2 (cf:2.417) 2.406 – 2.428 ch:1 (cf:2.412) 2.401 – 2.423 ch:6 (cf:2.437) 2.426 – 2.448 ch:7 (cf:2.442) 2.431 – 2.453 ch:8 (cf:2.447) 2.436 – 2.458 ch:9 (cf:2.452) 2.441 – 2.463 ch:10 (cf:2.457) 2.446 – 2.468 ch:11 (cf:2.462) 2.451 – 2.473 ch:12 (cf:2.467) 2.456 – 2.478 ch:13 (cf:2.472) 2.461 – 2.483 2.400 2.420 2.440 2.460 2.480 ch:14 (cf:2.484) 2.473 – 2.495 (GHz)

55 横浜IETFでの無線LANサービス 1650名(参加者の87%)が利用 世界中のどこも経験していない高密度、大量接続

56 まとめ 通信媒体の性質 様々な通信媒体 ネットワークの利用用途、場所、通信品質、トポロジなどにより様々な 通信媒体を使い分ける必要がある。
伝送遅延： 伝送距離、通信機器の性能に影響される エラーレート： ノイズの受けやすさなど、伝送媒体の性質で変化 様々な通信媒体 光ファイバ 広帯域、長い伝送距離を活かし、バックボーンに利用 WDMは数十Gbpsの帯域を実現 Ethernet 配線のしやすさ、安価な面からユーザエンドの配線に利用 無線LAN 家庭、オフィス、大学内、空港など狭い地域を人間が移動する環境に最適 ネットワークの利用用途、場所、通信品質、トポロジなどにより様々な 通信媒体を使い分ける必要がある。 ネットワーク内のどの部分に、どの通信媒体を用いるのが適切か 判断する能力が必要

57 まとめ(通信媒体の品質) 伝送遅延 エラーレート 伝送距離、通信機器の性能に影響される トラフィックの飽和で生まれる遅延とは別物
ノイズの受けやすさなど、伝送媒体の性質で変化

58 最近のインターネット 利用用途、アプリケーションが高い通信品質を求めるようになってきた これからのインターネット
VoIP、ゲーム、動画会議 ⇔ Webやmailだけの世界 狭帯域、高遅延な通信路では、コミュニケーションが成り立たない これからのインターネット 利用用途(アプリケーション)を前提に、通信品質を考慮したネットワークをデザインしていく必要がある 伝送媒体の選択 通信機器の選択 トラフィックの予測

59 ネットワークの品質とアプリケーション(1/2)
VoIP/テレビ会議 プロトコル: SIP, H.323, NOTASIP etc.. 利用帯域: 64kbpps~2Mbps 応答時間要求: 150ms以下 パケットロス: 低 遅延揺らぎ: 低

60 ネットワークの品質とアプリケーション(2/2)
Webブラウジング プロトコル: http 利用帯域: 数百Kbps程度 応答時間要求: 500msでも大丈夫 パケットロス: 中 遅延揺らぎ: 中～高

61 バランスの問題 ネットワークを構築する際の要求事項 データリンクの性質 中間機器 使用するアプリケーションの仕様や、トラフィックの傾向