詫間電波工業高等専門学校研究紀要 第 36 号 (2008)

ＩＰ通信ネットワークの理解に役立つ工学実験教材の開発について
梶久夫*

The Development of Technical Experiment Programfor Better Understanding of IP Communication Network
Hisao KAJI

Synopsis
The INTERNET is prevailing. Mail and web browsing are indispensable both in business and our daily life inrecent years.
IP(Internet Protocol) is communication procedure which is used not only in the INTERNET, but also inbusiness network provided by communication carrier. Furthermore, public telephone network is shifting from
TDM(Time Division Multiplex) to IP network.
Thus IP is becoming key communication technology, which should be studied by students in our school.
In order to respond to these needs, this experimental program was developed in 2006 FY and introduced to ourcurriculum in 2007 FY.
This paper describes how experimental network designed and IP packet visually observed by network analyzer.

1.まえがきインターネットに使用される通信方式である
ＩＰ通信ネットワークの理解に役立つ実験教材について平成１８年度に開発し，１９年度から５学年の工学実験項目「ＩＰ通信プロトコルの観測」として導入したので概要を紹介する。

する）通信方式が主流になりつつある。
筆者の通信事業会社での経験からすると，平成１０年頃においては企業のコンピュータ・ネットワーク用の伝送回線は高速デジタル回線（ＴＤＭ；時分割多重）からフレームリレーやＡＴＭ回線などの（広い意味での）パケット通信方式に移行する状況にあった。
80.0

2.本実験テーマ開発の背景70.0*情報通信工学科

万（回線、契約）

60.0
50.0
40.0
30.0

高速デジタル伝送
ＩＰ－ＶＰＮ（ａ）
広域イーサネットサービ
ス（ｂ）
ＩＰ通信計（ａ＋ｂ）

20.0
10.0

年
度
１３ 末
年
度
末
１４年
度
１５ 末
年
度
１６ 末
年
度
末
１７年
度
末
１８年
度
末

0.0

１２

近年，インターネットは日常生活や社会経済活動に欠かすことができなくなっており，ＩＰ通信ネットワークはインターネットの基盤として重要な役割を果たしている。
通信ネットワークの歴史を眺めてみると，通信方式はアナログからデジタルへそして今後はＩＰ（インターネット・プロトコル，ＴＣＰ／ＩＰという言い方もあるが，ここではＩＰと呼ぶことに（注）平成１９年版総務省情報通信白書データより作成

図１ 企業用通信におけるＩＰ通信の伸び

11THE BULLETIN OF TAKUMA NATIONAL COLLEGE OF TECHNOLOGY No.36 (2008)

一方，その頃から日本においてインターネットの利用者数が伸び始め，通信事業会社においてはＩＰ通信方式によるインターネット接続用のアクセス回線の整備がスタートした。
インターネットではＩＰ通信方式が使用されているが，パケット通信方式の一種であるが故に通信料金が格段に安く，これが現在，インターネットが急成長している最も大きな理由の一つといえる。
ところで，企業用通信ネットワークは回線料金の安さに加え品質や信頼度，セキュリティの確保が要求される。公衆用のインターネットと共用したのではこれらに関して十分保障されないので，企業通信ネットワークはインターネットと同じＩ
Ｐ通信方式を用いるものの，基本的にインターネットとは独立したネットワークが構築される。それが現在，企業用ＩＰ通信回線として伸びが著しい広域イーサネットサービスやＩＰ－ＶＰＮと呼ばれるものである。
（図１）
また，家庭においては最近ＦＴＴＨの導入も始まっており，通常のインターネット接続のほかにＩＰ電話も使えるようになってきた。
このようなことから企業や家庭向けの通信サービスにおいてもＩＰ通信方式が主流となる時代に変わりつつあり，教育現場においてはＩＰ通信に対応できる人材を育成することが喫緊の課題と考えたことが本実験テーマ開発のきっかけである。

3.情報通信工学科でのＩＰ通信関係教育の現状
ＩＰ通信ネットワークの授業については現在，座学として１８年度より「計算機ネットワークⅠ」がスタートしている。ここではコンピュータソフトを用いたネットワーク・シミュレーションが座学の補助として使用されている。また，インターネットについて「電気通信システムＡ」や「データ通信」においても学習項目の一つとして実施している。
学生がＩＰ通信ネットワークについてより深い理解をするには，実際にＩＰ通信ネットワークを構築し，ＩＰ通信についてのさまざまな実験することが望ましい。このため，筆者は１６年度から始めた卒研テーマの中でこうしたＩＰ通信に関するテーマが開発できないか模索していたが，１８年度に学生実験を開設できる教材がほぼ出来上が12ったので，１９年度から５学年を対象に，週４時間×３回の工学実験として試行導入し，２０年度から一部内容を充実し（ルータの設定を追加），週４時間×４回の実験として本格導入している。

4.実験環境整備の考え方
本実験に使用するネットワークは以下の考えに基づき設計している。
①実際のＩＰ通信ネットワークを使用した実験は利用者へのサービスに支障を与えたり，セキュリティ上の問題を起こす可能性があるので，実験専用のネットワークを構築し，ＩＰアドレスはプライベートアドレスを使用する。
②一方，実験用のネットワークは現実のインターネットとルータを経由して接続し，一定のセキュリティを確保しながら，インターネットとの間でさまざまな実験ができる環境とする。
本実験ネットワークの構成を図２に示す。これは３つのローカルなネットワーク（ＬＡＮ Ａ，Ｂ，Ｃ）からなっている。この３つのＬＡＮはルータＡ，Ｂ，Ｃを経由してＷＡＮ回線で相互接続される。
このうちＬＡＮ ＣからはルータＤを経由して学内ＬＡＮさらにインターネットに接続し，３つのどのＬＡＮからもインターネットへの接続が可能な構成にしている。
商用のネットワークと比べてみると，個々のＬＡＮはオフィスビルや学校構内などのＬＡＮに，また，ＷＡＮ回線部分は通信事業者が提供する通信回線にそれぞれ該当している。このネットワー
クは小規模ではあるが，ＩＰ通信の基本機能を備えていると言える。
特にこのネットワークではＷＡＮ回線にイーサネットを使用しているので，ＬＡＮアナライザ（後述）によりＷＡＮ回線に流れるパケットが観測可能である（このアナライザはシリアルケーブ
ル，ＡＴＭあるいはＦＲでＷＡＮ回線を構成するとＷＡＮ回線上のパケットの観測はできない）。
また，前述の広域イーサネットサービスにおいてはＷＡＮ回線もイーサネット方式になっていることやインターネット接続業者（ＩＳＰ）の相互接続ポイント（ＩＸ）ではイーサネット方式で接続されるので，シンプルではあるが，現実のＷＡＮ回線に近い環境での実験といえる。
ネットワークのノードに設置されるルータ，ス
イッチングハブは市販品を導入し，経済的かつ簡詫間電波工業高等専門学校研究紀要 第 36 号 (2008)

図２ 実験ネットワーク
易に実験ネットワークが構築できるようにした。
このうちルータはブロードバンドルータを導入し，ＬＡＮ側ポート１個，ＷＡＮ側１個の単純なものである。ＷＡＮ側は行き先ルートが１個に限られるものの，スイッチングハブをＷＡＮネットワークの中核に設置することにより任意の複数の経路へ接続できるところがこのネットワークで工夫したところである。
この実験の主たる目的であるネットワークに流れるパケット観測のために市販のＬＡＮアナライザーソフトウェアを導入した。これはパソコンに当該ソフトを搭載しネットワークに流れるパケッ
トをＬＡＮインターフェイスからプロミスキュア
スにパソコン内にキャプチュア（捕捉）し，ソフトウェア処理により，パケットのヘッダ部やデータ部の内容を視覚的に表示できるものである。
観測対象のネットワーク機器は図２を見るとわかるように必ずスイッチングハブに繋がっているので，スイッチングハブにミラーポート設定をすることにより，当該ネットワーク機器のポートに出入りするパケットをキャプチュアできるようにしている。
本実験ネットワークは第一学科棟情報ネット
ワーク演習室内に構築し，演習室内の９台のデスクトップパソコンをネットワーク端末として利用するようにしている。
本実験に使用する主要なネットワーク機器は以下のとおりである。
・スイッチングハブ allied Telesis 社製
Centre COM FS808TP V1 ５台
・リピータハブ ＮＥＣ社製
STACK HUB-EH10S/16
２台
・ルータ
ヤマハ社製
RT57i
４台
・ホストコンピュータ パソコン工房 社製OS；WINDOWS XP
９台
・ＬＡＮアナライザ
パケット分析用ソフトウェア
アステック社製
１個
パケットプロトコル観測端末
ノートＰＣ
DELL 社製 １台
OS；WINDOWS XP

5.実験項目の概要
ＩＰ通信の機能はＯＳＩ参照モデルの７層に分けると理解しやすい。このため実験ではＬＡＮアナライザにより各階層に関係するパケットのヘッダ部を観測し，ヘッダ部の個々のフィールドの内容を抽出する。抽出結果をＲＦＣに規定されるル13

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ールと照合して正当性を確認し，データシートに記録整理する作業を通じてＩＰ通信の原理が理解できるようにした。
学生は実験手順書を見ながら実験を進めていくが，学生へは実験に入る前に３時間程度，パワーポイントスライドにより，各実験項目について概要やネットワーク機器の設定方法のヒントとなる説明をしておき，できるだけ自律的に実験を進めることを指向する。以下，実験項目の概要を時間的な流れに基づき記述する。
5.1 実験用ＩＰ通信ネットワークの構築(1) まず学生に自らの手でＬＡＮケーブルを作製させ，ケーブルの構造を理解させる。
［レイヤ１の理解］(2) 図２を見ながらネットワーク機器をＬＡＮケーブルで結線する。
(3) ９台のホストコンピュータに所要の設定をする。
（ＩＰアドレス，デフォルトゲートウェイ，ＤＮＳサーバのＩＰアドレスの設定方法はグループで議論させる。
）(4) ４つのルータにホストコンピュータからＲＳ－２３２Ｃケーブル経由で所要の設定をさせる。
（ＬＡＮ側・ＷＡＮ側インターフェイス，ルーティングテーブル，ＮＡＴ機能の設定方法はグループで議論させる）

図３ ルーティングテーブル設定（ルータＣの場合）(5)ＰＩＮＧコマンドにより同一ＬＡＮ内，３つのＬＡＮ相互間，ＤＮＳサーバまでのネットワーク接続の正常性を確認後，ホストコンピュータのブラウザからインターネットのサイト画面が閲覧できることを試験する。
（ＯＳＩ参照モデルでいうとレイヤ１から７まで実験ネットワークが正常に機能していることが確認できたことになる）
5.2 レイヤ毎のＩＰ通信プロトコルの観測
ここでは以下の項目について，ネットワークに流通するパケットをキャプチュアし，レイヤ毎のプロトコル観測を行う。
［レイヤ２～７の理解］

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データリンク層

ネットワーク層

ダンプデータ

図４ LAN アナライザ画面（ARP パケット観測例）(1) 同一ＬＡＮ内のホストコンピュータ間で通信するにはイーサネットフレームのＭＡＣアドレスが使用される。ＩＰアドレスからＭＡＣアドレスを見つける方法をＡＲＰパケット観測により理解する。
(2) 異なるＬＡＮのホストコンピュータ間で通信する場合，ＬＡＮ，ＷＡＮそれぞれのセグメントにおいて所要のフレームにカプセル化させてＩＰデータグラムが転送される。各セグメントにおけるＭＡＣアドレスの付け替え状況をイーサネットフレームの観測により理解する。
(3) 特定のインターネット・サイトに接続し，データリンク層（イーサネット），ネットワーク層（ＩＰ），トランスポート層（ＴＣＰ）のヘッダ部のフィールド構成およびアプリケーション層（ＨＴＴＰ）のデータを観測し，各レイヤのヘッダ構造を理解する。観測対象としてサマリ部が上りはRequest:GET/HTTP/1.1
下りはResponse:HTTP/1.1 200 OKのパケットを選択する。
5.3 ネットワーク機器の主要機能の理解
主要ネットワーク機器であるルータ，スイッチングハブの機能をパケット観測により理解する。
(1) スイッチングハブの機能同一ＬＡＮ内におけるハブの機能としてスイッチングハブとリピータハブを交互に入れ替え，ＰＩＮＧパケットの他ポートへの漏れ状況について比較し，スイッチングハブのコリジョン・ドメインの分割状況を理解する。

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個々のパケット

アプリケーション層(HTTP)(1)ＰＩＮＧコマンド
実験ネットワークにＬＡＮケーブル断線区間を作り，ＰＩＮＧコマンドにより障害箇所の特定訓練をさせる。
(2)ＴＲＡＣＥＲＴコマンド
ホストコンピュータよりインターネット上の任意のサイトにＴＲＡＣＥＲＴコマンドを送出し，エコーが帰ってくるルータ群を観測することによりネットワークの正常範囲を特定できることを理解する。

6. １９年度試行結果について

ダンプデータ

図５ LAN アナライザ画面（HTTP プロトコル観測例）(2) ルータの機能（ⅰ）ＭＡＣアドレス解決の必要な状況を作り，ブロードキャストパケットの一つの例であるＡＲ
Ｐパケットが同一ＬＡＮ内のホストコンピュータ，ルータのＬＡＮ側には流れるが，ルータのＷＡＮ側に流れないことを観測させ，ルータのブロードキャストドメイン分割機能を理解する。
（ⅱ）リモートサイトにあるホストコンピュータ
よりＴＥＬＮＥＴコマンドでルータ内部のルーティングテーブルを観測し，設定内容の確認や変更ができることを理解する。
（ⅲ）任意の２台のホストコンピュータより相異なるインターネット・サイトに同時接続したときのＩＰアドレスおよびポート番号について，プライベートとグローバル間の双方向への変換状況を観測し，ＮＡＴ機能を理解する。
(3) ＤＮＳサーバの機能
ホストコンピュータからインターネット・サイトに接続したときのＤＮＳによるＵＲＬのＩＰアドレスへの変換状況をパケット観測により理解する。
5.4 ネットワーク障害対応用コマンドの習得
ＩＰネットワークで障害が発生したとき，問題発生区間の切り分けを行うためのコマンドを習得する。

１９年度試行した実験について学生にアンケートにより意見を聞いたところ，興味を持って実験に取り組めたことやＩＰ通信に関する知識が深まったという良好な反応が得られ，学生のインターネットに対する関心の深さがうかがい知ることができた。

7. おわりに学生はＩＰ通信に関する知識がほとんどない段階でこの実験に取り組むことになる。実験手順書を見ながら学生が自律的に実験を進めることが理想と考えているが，実態は場面，場面で教員の指導が多かれ少なかれ必要となっている。実験の事前説明や実験手順書についてさらに改善していくことが課題と考えている。
本実験教材は１６年度，１７年度，１８年度の卒研生にＩＰ通信プロトコルの分析に関するテーマを研究させ，得られたデータを元にして開発することができた。学生の協力に感謝したい。
本実験テーマが，学生のＩＰ通信の理解に少しでも役立つことを切に願っている。

参考文献(1)村嶋修一，“ＴＣＰ／ＩＰエキスパートガイド”㈱秀和システム(2003)(2)Todd Lammle，“Cisco CCNA 認定ガイド”，
日経ＢＰ社(2005)(3)大羽康仁，“現場で使えるパケット解析テクニック” ，アスキー社(2007)(4)小高知宏，“基礎からわかるＴＣＰ／ＩＰアナライザ作成とパケット解析”，オーム社(2002)
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