ITPASSInformational Training programwith a spirit of self-help

最低限 internet〜 internetの仕組み 〜
入場 柚太
神戸大学 理学部惑星学科

2021 年 8 月 8 日
ITPASS 実習 2 日目

ここで話すこと✓インターネットはどのような仕組みか?
✓インターネットでの通信に必要な情報は何か?

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目次• コンピュータ・ネットワークの概要• インターネットと通信モデル• インターネットの通信規約• ネットワークの設定• インターネットの「電話帳」

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目次• コンピュータ・ネットワークの概要• インターネットと通信モデル• インターネットの通信規約• ネットワークの設定• インターネットの「電話帳」

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コンピュータ・ネットワーク• 複数のコンピュータを接続する技術. あるいは, その接続されたシステム全体のこと– ノード(点): コンピュータ– リンク(経路): ネットワークケーブル, 電波– 通信回線を通して, 電気信号をやりとりする

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LAN• Local Area Network (LAN)– 一施設内程度の規模 (家庭 , オフィス , 研究所など)で用いられるネットワーク– 有線LAN: 電話線, 光ファイバーなどで配線するもの– 無線LAN: 電波を用いるもの
LAN

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WAN• Wide Area Network (WAN)– LAN に比べて広範囲(都市間,県間など)をつなぐネットワーク• 狭義では, 電話線や光ファイバーなどで LAN 同士を繋いだネットワークを意味する• 広義には, 非常に広大な面的広がりを持つインターネットとほぼ同義の言葉である– 家庭や企業では, 電気通信事業者などによって提供されるサービスを利用している

WANLANLANLANITPASS

Informational Training programwith a spirit of self-helpインターネット• 広義の internet– 複数のコンピュータネッ
トワークを相互接続したネットワーク• 狭義の internet– 広義のインターネットのうち, 地球規模で相互接続されているネットワーク– 始まりは, アーパネット(ARPANET) (1960年代後半)• https://www.nic.ad.jp/timeline/ も参照の事.

– TCP/IP という通信規約に基づき通信を行う

ネットワークは, 個人の計算機から,LAN, WANを通じて internet へ
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目次• コンピュータ・ネットワークの概要• インターネットと通信モデル• インターネットの通信規約• ネットワークの設定• インターネットの「電話帳」

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回線交換ネットワーク• 相手と直接つながる回線を用いてデータを届ける
通信モデル– 例: 電話– 長所• 他の通信の影響を受けにくい• 一定の通信量が保証される– 短所• 回線数以上は接続不可• 通信量と無関係に回線を占有

http://www.atmarkit.co.jp/fwin2k/network/tcpip001/tcpip04.html

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パケット交換ネットワーク(1)• 通信したいデータを, 小さなデータの塊であるパケット (IPパケット) に分けて送受信する– 送信元でパケットに分割されて, 送信先でパケットを結合し, 元データを復元する– パケットには, TCP/IP に基づいて付加的な情報が加えられる• 送信元, 送信先の住所• パケットを分割した順番

http://www.atmarkit.co.jp/fwin2k/network/tcpip001/tcpip04.html

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パケット交換ネットワーク(2)• データをパケット単位でリレーしながら, 相手に届ける通信モデル• 長所– 任意の経路を通る– 他者と経路を共有する• ネットワークの資源を有効活用できる• 経路の多様性ため, ネットワークのトラブルに強い• 短所– パケットロスの可能性がある– パケットの届く順序やタイミングは保証されない

http://www.atmarkit.co.jp/fwin2k/network/tcpip001/tcpip04.html

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目次• コンピュータ・ネットワークの概要• インターネットと通信モデル• インターネットの通信規約• ネットワークの設定• インターネットの「電話帳」

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通信プロトコル• 通信を行うためには規約(=プロトコル)が必要
例えば…誰かと電話で通話するためのプロトコル• 電話番号を打ち込む• 相手が出る• 「もしもし, ○○です. …」• 電話を切る• 同じプロトコルを使っていれば, 計算機の種類やアプリケーションの種類が異なっていても通信できる
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TCP/IP• Transmission Control Protocol / InternetProtocol• ネットワークに用いるプロトコルの集まり– 機能的に分類し，階層表現でまとめてある• インターネットで標準的に使われる通信プ
ロトコル– UNIX に標準で実装されたため急速に普及した

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TCP/IP のプロトコル構造• アプリケーションや階層によって異なるプロトコルを用いる
上位

送受信信階層

プロトコル

アプリケーション層

SMTP , HTTP , FTP , POP

トランスポート層

TCP , UDP

インターネット層

IP

リンク層

Ethernet

下位
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Informational Training programwith a spirit of self-helpアプリケーション層

階層

プロトコル

アプリケーション層

SMTP , HTTP , FTP , POP

トランスポート層

TCP , UDP

インターネット層

IP

リンク層

Ethernet• TCP/IP アプリケーションがサービスを提供するために使用するプロトコルが含まれる層• サービスごとに異なるプロトコルが使われる• 属するプロトコルの例– HTTP (Hypertext Transfer Protocol)• HTMLコンテンツの送受信– FTP (File Transfer Protocol)• ファイルの転送– SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)• メール転送– POP (Post Office Protocol), IMAP (Internet Message Access Protocol)• メール受信ITPASS

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トランスポート層

階層

プロトコル

アプリケーション層

SMTP , HTTP , FTP , POP

トランスポート層

TCP , UDP

インターネット層

IP

リンク層

Ethernet• ホスト PC の OS 上のプロセス間でデータを運搬する層– 送るデータのパケット化– 受け取ったパケットの結合• 宛先のプロセスは, ポート番号で指定する• 属するプロトコルの例– TCP• 転送効率は低いが, 確実に相手に届けたいときに使う– UDP• 多少のデータの欠落があっても, 高速性や即時性(リアルタイム性)を重視するとき(放送や通話など)に使う

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Informational Training programwith a spirit of self-helpインターネット層

階層

プロトコル

アプリケーション層

SMTP , HTTP , FTP , POP

トランスポート層

TCP , UDP

インターネット層

IP

リンク層

Ethernet• 異なるホスト間の通信を実現する層• 宛先は IP アドレスで指定する• 属するプロトコルの例– IP (Internet Protocol)• アドレッシング (addressing)– IP アドレスを割り振るルール– IP アドレスは, ICANN (The Internet Corporation for Assigned
Names and Numbers) が管理• ルーティング (routing)– パケット経路の選択– ARP (Address Resolution Protocol)• IP アドレスから MAC アドレスを取得する

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リンク層

階層

プロトコル

アプリケーション層

SMTP , HTTP , FTP , POP

トランスポート層

TCP , UDP

インターネット層

IP

リンク層

Ethernet• 異なるホスト間 , ホストとルータ間の物理的・電気的な通信を実現する層• データを電気信号に変換する• 宛先は MAC アドレスで指定する• 属するプロトコル…物理的・電気的な接続方法を規定– Ethernet• 一般的に使われる LAN で採用されている技術規格

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リンク層

階層

プロトコル

アプリケーション層

SMTP , HTTP , FTP , POP

トランスポート層

TCP , UDP

インターネット層

IP

リンク層

Ethernet• 情報実験機のネットワーク
機器– インターフェース• NIC (Network Interface Card)– コンピュータを LAN に接続するための拡張カード» Ethernet カード– 中継機器
• ハブ

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IP パケットの構造

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前半のまとめ : インターネットはどんな仕組み?
• コンピュータ・ネットワーク– 多くのコンピュータを繋いだシステム全体,そのための技術– ネットワークの規模 (LAN, WAN)
– The Internet• インターネットと通信モデル– 回線交換ネットワーク– パケット交換ネットワーク• インターネットの通信規約– TCP/IP• プロトコル群は 4 階層に分類
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目次• コンピュータ・ネットワークの概要• インターネットと通信モデル• インターネットの通信規約• ネットワークの設定• インターネットの「電話帳」

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基本知識
• bit
– コンピュータが扱う情報の最小単位– 英語の binary digit （2 進数字）の略– 2 つの選択肢から1 つを特定するのに必要な情報量が 1 ビット• 0 (off) か 1 (on) の 2 通りの情報• octet– 通信におけるデータの最小単位– 1 octet = 8 bit = 2^8 = 256 通りの情報• 正確に 8 bit を表現する• 1 byte も 8 bit を表すが, 1980 年代頃までは byte が何ビットを表すかはシステムによって異なっていた

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相手と通信するのに必要なこと
1. 送信先の特定– 相手がネットワーク上のどこにいるか

2. 最適 (最短) な通信経路の選択• TCP/IP では以下のネットワークパラメータを用いて, 送信先と最適な通信経路の情報を得る• MAC アドレス
• IP アドレス• サブネットマスク• ゲートウェイアドレス• ブロードキャストアドレス

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MAC アドレス• Media Access Control Address• ネットワーク機器のハードウェアに割り振られている固有の物理アドレス• 例– Ethernet カードの MAC アドレス
• 00 : 33 : AA : CC : 2D : 11

– リンク層で通信に利用される
階層

プロトコル

アプリケーション層

SMTP , HTTP , FTP , POP

トランスポート層

TCP , UDP

インターネット層

IP

リンク層

Ethernet

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IP アドレス• Internet Protocol Address• ネットワークに接続されたコンピュータや通信機器に割り振る識別子– プライベート IP アドレス
• インターネットに直接接続していないコンピュータに割り当てられる IP アドレス
• 家庭や企業内の LAN によく見られる• インターネットにアクセスする時には, 1 つの LAN のグローバル IP アドレスのみで済む• 例: 192.168.16.1 (32 bit)– グローバル IP アドレス
• インターネットに直接接続していない LAN 内のコンピュータがWAN に接続するために必要なアドレス• ほかのアドレスと重複しない一意のIPアドレス• 例: 133.30.109.22 (32 bit)• いわば, 計算機のネットワーク上の「住所」• ネットワークアドレスとホストアドレスからなる
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Informational Training programwith a spirit of self-helpサブネットマスク• subnet mask
• IP アドレス中のネットワークアドレスとホストアドレスを識別し, 分離するための数値• 例:– 上位 24 bit をネットワークアドレスとする場合のサブネットマスク• 255.255.255.0• IP アドレスと論理積をとって識別, 分離する
– 論理積【AND】• 論理回路が行う最も基本的な論理演算の一つ• すべての入力が「真」 ( あるいは「1」 ) の場合だけ出力が「真」 ( あるいは「1」 ) になり, それ以外の場合は出力が「偽」 ( あるいは 0 ) となるような演算– 0×0 = 0 , 0×1 = 0 , 1×0 = 0 , 1×1 = 1

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Informational Training programwith a spirit of self-helpサブネットマスクの具体例
IP アドレス: 133.30.109.203
サブネットマスク : 255.255.255.0• 上記のとき,– ネットワークアドレス : 133.30.109.0 / 24
• 属しているネットワークを表すアドレス– ホストアドレス : 203
2 進数表示IP アドレス
サブネットマスク
ネットワーク部
10 進数表示IP アドレス
サブネットマスク
ネットワーク部

10000101
11111111
10000101

0001111011111111
0001111001101101
11111111
01101101

11001011
00000000
00000000

133
255
133

30
255
30

109
255
109

203
00

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Informational Training programwith a spirit of self-helpゲートウェイアドレス• Gateway Address• Gateway (ネットワーク同士の仲介者)の IP アドレス
ネットワークアドレス
133.30.109.0 / 24

ゲートウェイアドレス
133.30.109.254

ネットワークアドレス
133.30.110.0 / 24
ゲートウェイアドレス
133.30.110.254

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ブロードキャストアドレス• broadcast address• ネットワーク内の全てのホストにデータを送信するための特殊なアドレス– ホストアドレス部の全てのビットを 1 としたもの

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ブロードキャストアドレス• broadcast address• ネットワーク内の全てのホストにデータを送信するための特殊なアドレス– ホストアドレス部の全てのビットを 1 としたもの
ネットワークアドレス

ホストアドレス

2 進数表示IP アドレス

10000101

0001111001101101

11001011

サブネットマスク

11111111

11111111

11111111

00000000

ブロードキャストアドレス

10000101

0001111001101101

11111111

IP アドレス

13330109203

サブネットマスク

255

255

2550

ブロードキャストアドレス

13330109255

10 進数表示ITPASS

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実際の通信の手順①同じネットワーク内の計算機に情報を送信するとき

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通信の手順A が B (同ネットワーク内) に情報を送信
ネットワークアドレス
133.30.109.0 / 24
ネットワークアドレス
133.30.110.0 / 24

同じネットワーク内の B (133.30.110.XXX)に情報を送りたい
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通信の手順A が B (同ネットワーク内) に情報を送信

B の IP アドレスは知っているが, MACアドレス(どの計算機か)は知らない
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通信の手順A が B (同ネットワーク内) に情報を送信
A は B の IP アドレス情報をブロードキャストアドレスへ送信「133.30.110.XXX」はどの計算機?
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通信の手順A が B (同ネットワーク内) に情報を送信
B は受け取った情報が自分宛だと知り、B 自身の MAC アドレスを含む情報を A に返送

僕ですよ

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通信の手順A が B (同ネットワーク内) に情報を送信
A は送信したい情報を取得した
MAC アドレスへ送信する

ありがとう

あなたに情報を送ります
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実際の通信の手順② 自分のいるネットワーク外の計算機に情報を送信する
とき
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通信の手順A が C (別ネットワーク内) に情報を送信
ネットワークアドレス
133.30.109.0 / 24

A は C の IP アドレスを知っていて, C が自分のネットワーク内には存在しないことが分かる

ネットワークアドレス
133.30.110.0 / 24

「133.30.109.YYY」は自分のネットワークにいないのでゲートウェイに頼む
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通信の手順A が C (別ネットワーク内) に情報を送信
A は ゲートウェイの IP アドレ
スをブロードキャストアドレスに送信する

ゲートウェイは誰?
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通信の手順A が C (別ネットワーク内) に情報を送信
ゲートウェイ は受け取った情報が自分宛だと知り, ゲートウェイ自身の MACアドレスを含む情報を A に返送呼んだ?

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通信の手順A が C (別ネットワーク内) に情報を送信
A は送信したい情報を受け取った
MAC アドレス(ゲートウェイ)に送信する

わかりました
じゃあ, お願いします

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通信の手順A が C (別ネットワーク内) に情報を送信
ゲートウェイは受け取った情報を Cを含むゲートウェイへと送信する

わかりました

あなたのネットワークですよ

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通信の手順A が C (別ネットワーク内) に情報を送信「133.30.110.YYY」は誰?

ゲートウェイは受け取った C の IP アドレスの情報をブロードキャストアドレスに送信する
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通信の手順A が C (別ネットワーク内) に情報を送信
僕ですよ

C は受け取った情報が自分宛だと知り, C 自身のMACアドレスを含む情報をゲートウェイに返送する
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通信の手順A が C (別ネットワーク内) に情報を送信
A からの情報を送ります

ありがとう
ゲートウェイは, A から受け取った情報をCのMACアドレスに転送する
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DHCP
・ Dynamic Host Configuration Protocol
ーネットワーク内の機器 (PC, スマートフォンなど) に DHCP サーバ
が IP アドレスなどの情報を動的に割り振る仕組み
ー機器がネットワークを通して情報をやり取りするためには IP アドレスなどのネットワーク情報が設定されていなければならない.
ー ネットワーク情報を手動で設定することもできるが, DHCP を利用すれば, ネットワーク情報が自動的に設定される
ー例えば, スマートフォンを無線 LAN 接続するときに IP アドレスを手動で入力しなくてもネットワークにつながるのは DHCP のおかげ.
・長所ー ネットワーク設定を手動で行う必要がない
・ 短所
ーネットワーク接続するたびに割り振られる IP アドレスが変化する
ーサーバとしては使いにくい

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IPv6• Internet Protocol version 6– これまで使われてきたのは version 4 (IPv4)• IPv4 の次世代版 となる通信プロトコル– 90年台後半から2000年台前半に主な仕様策定– BSD系Unix上での実装(WIDE KAMEプロジェクト ; 19982005)– IPv4アドレス枯渇問題に対する解 (大量のアドレス空間)• 32 bit から 128 bit へ ( 43 億個から 10 の 38 乗個へ)

– IPv4と似ているが、互換性がないのがデメリット– 現在, 世界的に普及途上である (World IPv6 Launch;
2012/6/6)• 例– IPv4： 133.30.110.203– IPv6： 2002:851e:6d8e:000a:020e:0cff:fed0:5318

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目次• コンピュータ・ネットワークの概要• インターネットと通信モデル• インターネットの通信規約• ネットワークの設定• インターネットの「電話帳」

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DNS• Domain Name System• ホスト名やドメイン名と IP アドレスを対応付けるためのシステム– ドメイン名: 例, itpass.scitec.kobe-u.ac.jp• 人間が各コンピュータを識別しやすくするための名前• 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,それ自身もホスト名である• インターネットを使った階層的な分散型データベースシステム
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ドメイン名の構造• ホスト部– 計算機の名前– 管理者が自由に決定– 例: ika-itpass , tako-itpass , joho08-itpass• ドメイン部– ホストが所属している組織のネットワークの名称– 階層構造をもつプロトコル

ホスト部

ドメイン部

http://itpass.

scitec.

計算機名

自然科学
神戸大学 学術関係 日本研究科

kobe-u.

ac.

jp

ITPASS

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ドメイン名空間
ルート

: ノード
frcom

jp
necoackobe-ueng

kobe-u.ac.jp ドメイン
scitecscitec.kobe-u.ac.jp サブドメイン
itpassITPASS

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DNS サーバ• DNS サービスを提供するコンピュータ• ホストからドメイン名の問い合わせを受ける– itpass.scitec.kobe-u.ac.jp• DNS サーバは IP アドレスを返す– 133.30.109.22• ホストが DNS サーバに問い合わせるには, DNSサーバの IP アドレスが必要となる

ホスト

DNS サーバ

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後半のまとめ : インターネットに必要な情報は何?
• ネットワークパラメータ– ネットワーク上で通信するために必要な情報• MAC アドレス
• IP アドレス• サブネットマスク• ゲートウェイアドレス• ブロードキャストアドレス• DNS– ホスト名やドメイン名と IP アドレスを対応付けるシステム
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Informational Training programwith a spirit of self-help参考文献• 神戸大学 ITPASS 実習 2018 年度「最低限 Internet」– https://itpass.scitec.kobeu.ac.jp/exp/fy2018/180804/lecture_Internet/pub• 北海道大学 情報実習 2017 年度「最低限 UNIX(Linux) III - ネッ
トワークの仕組み 」– http://www.ep.sci.hokudai.ac.jp/~inex/y2017/0512/lecture/pub/• 神戸大学 ITPASS サーバ再構築(2015年度) レクチャー資料「DNS」– https://itpass.scitec.kobeu.ac.jp/seminar/lecture/fy2015/150928/pub/• Windows Server Insider– http://www.atmarkit.co.jp/fwin2k/serial/index/index.html• DNS の仕組みと運用– http://www.atmarkit.co.jp/fnetwork/rensai/dns01/dns01.html• IT 用語辞典– http://e-words.jp/

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Informational Training programwith a spirit of self-help本日の一冊• 戸根 勤(著), 日経NETWORK(監修),2007, ネットワークはなぜつながるのか
第2版 知っておきた
いTCP/IP, LAN 光
ファイバの基礎知識,
日経BP社, ISBN
978-4822283117

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