ノードによるネットワークの遅延と伝送速度の測定
目次
1. 卒業研究の目的------------------------------------------------------------------------------------------2
2. ネットワークの歴史と構成---------------------------------------------------------------------------3
2.1 コンピュータネットワークシステムの発展の経緯
2.2 インターネットの歴史
2.3 OSI 参照モデル
2.4 TCP/IP 参照モデル
2.5 TCP/IP プロトコル
3. LAN のアーキテクチャとノードの機能---------------------------------------------------------23
3.1 LAN のアーキテクチャ
3.2 アクセス制御方式
3.3 リピータ
3.4 ブリッジ
3.5 ルータ
3.6 ルーティング
3.7 フロー制御
3.8 輻輳制御
4. 測定実験--------------------------------------------------------------------------------------------------31
4.1 実験の目的と手法
4.2 測定実験
4.3 考察
5. まとめ-----------------------------------------------------------------------------------------------------55

謝辞
参考文献

1

1.

卒業研究の目的3 章で述べるように、通信プロトコルでは、実際にデータを送信する際、応答処理や帯域制御処理を行っている。そのため物理層のビット転送能力を、常に 100%利用できているわ
けではない。また 2 章の TCP で説明するように、ユーザはデータを送信する際、各階層に対応した制御情報を含むヘッダ等のデータが付加される。TCP/IP プロトコルを使ってデー
タを送信する際、これらのオーバーヘッドが転送性能に加算されることは避けられない。
またネットワークには，ルータや管理装置などが情報を交換したり収集するための制御用のデータも常時流れている。ネットワークの規模が大きくなり、ルータなどの装置が増えると、情報を交換したり収集する相手が増えるので、制御用のトラフィックも増える。
こういったトラフィックはユーザの利用頻度に関係なく流れてしまうので、非常に厄介である。
他にも、伝送媒体やノードの信頼性の差やアクセス競合の頻度によっては、同じ送信データ量であっても、再送等でわずかな距離差でもトータルスループット、遅延は大きく変化する。
そこで私は第一にプロトコル、ノード等の学習を通してネットワーク内の信号送受信のメカニズムを調査する。それで得られた知見をもとに、実際にネットワーク内でやりとりされる信号の速度と、その決定要因を学ぶ。具体的には「ネットワーク内の伝送媒体の種類や長さ、端末間に入れるノードの数と種類による伝送速度の違いを測定する事で、伝送
媒体、ノードによる遅延を理解し、効率の良いネットワークを構築する指針を得る」を卒
業研究の目的とする。

2

2.

ネットワークの歴史と構成

2.1

ネットワークシステムの発展の経緯

2.1.1

バッチ処理からオンラインシステムへ(〜1960 年代)

初期の情報処理システムは、ホストコンピュータと同じ場所にある入力装置からデータを入力し、同じ場所にある出力装置に処理結果を出すバッチ処理と呼ばれる形態から始まった。バッチ処理からネットワーク化の第一歩を踏み出したのは、オンラインシステムと呼ばれる、遠隔地の端末装置から通信回線で接続されたホストコンピュータを利用する形態でした。初期のネットワークシステムではオンラインシステムの形態がネットワーク化と考えられていた。
当時のコンピュータは高価であったため、コンピュータ資源の有効利用のために複数のプログラムが同時に稼動するマルチタスク処理や、複数の端末に対して CPU の処理時間を分割して与え、各端末がホストコンピュータを専有しているかのように見せるタイムシェ
アリング処理が重要な IT 技術としてネットワークシステムを支えていた。
2.1.2

コンピュータ相互接続(1970 年代〜1980 年代前半)

性能の向上と低価格化はコンピュータの普及を一気に加速させた。１台のコンピュータ
で一括して行なっていた処理を複数のコンピュータで分散処理し、相互に連携するような形態に移行していった。
それまでは専門家が会社で１台のコンピュータを運用し、エンドユーザは端末を通してのみコンピュータを利用していた。しかしコンピュータの普及によって、事業所や工場ごとに利用しやすいユーザインタフェースをもつ分散処理用のコンピュータや複数のホスト
コンピュータを導入するようになった。そして最終的な処理結果や共有すべき情報のみを
ホストコンピュータで処理するような形態に変化していった。
そのため、コンピュータ同士の接続が必要になり、相互にコミュニケーションを図るた
めの約束事(プロトコル)を定義する必要がでてきた。言い換えると、プロトコルを守ればコンピュータ間の通信が成立するということである。
1970 年代半ばになるとネットワークアーキテクチャが発表されるようになった。1974
年に IBM 社によって発表された SNA(Systems Network Architecture)が先駆けとされており、この後各コンピュータメーカは独自の考え方で各社各様のネットワークアーキテクチ
ャを次々に発表していった。

3

このようにネットワークシステムは、ネットワークアーキテクチャを軸に、コンピュータ同士の相互接続へと発展していった。
2.1.3

LAN/WAN 時代(1980 年代後半〜)

1980 年代後半になると、コンピュータの価格性能比がめざましく向上した。PC やワー
クステーションが、かつてのホストコンピュータと同等の性能を提供するようになり、コンピュータの導入は事業所や工場単位から各部署単位のような小さな単位にまで広がった。
このころから業務用のコンピュータをサーバとして、エンドユーザが使用するコンピュー
タをクライアントとして位置付け、その間を LAN(Local Area Network) で接続しネットワ
ーク OS を利用してファイルやプリンタ等のネットワーク資源の共有化が導入されるようになった。このシステムをクライアント/ サーバシステムと呼びます。今までホストコンピ
ュータで行なっていた業務処理を一部 PC やワークステーションで分担する方式で急速に発展した。
離れた地域のコンピュータや LAN 同士を専用回線や公衆回線などの通信回線を介して接続した広域ネットワークのことを WAN(Wide Area Network) という。独立に存在する LAN
同士を WAN によって接続した現代のネットワークシステムは、ネットワークを介してデー
タベースを接続し、各種の情報処理をネットワーク上の様々なコンピュータで行い、まるで１つのコンピュータのように機能している。
現在、TCP/IP プロトコルや WWW(World Wide Web)等のインターネット技術によって、世界中の様々なネットワークが接続されて１つの全世界的なネットワークを形成している。
この情報ネットワークのことをインターネットと呼ぶ。インターネットは固有名詞として世界最大のネットワークを指す言葉となり、一般的に使われている。
今日の情報化時代のコミュニケーションに欠かすことのできないインターネットのメリットを企業内にも生かそうという動きが高まってきた。それがイントラネットである。イ
ントラネットとはインターネットに使用される基本技術の仕組みを利用した企業内ネット
ワークのことである。
このようにネットワークシステムはインターネットワーキングされたネットワークである。それは地球規模のインターネットや企業で構築されるイントラネットなど様々な情報インフラとして存在している。

4

2.2

インターネット(Internet)の歴史

2.2.1

インターネットの始まり

高等研究計画局(ARPA : Advanced Research Projects Agency)は 1970 年代中ごろにインターネット技術の研究を開始し、そのアーキテクチャとプロトコルは 1977 年から 1979 年
あたりで現在の形態をとるようになった。APRA はパケット交換ネットワークの研究のための出資機関として知られており、APRANET(Advanced Research Project Agency NETwork) でパケット交換に関する多くのアイディアを開拓していた。APRANET は従来からあるポイント・ポイントの専用回線による相互接続を使用していたが、APRA は無線ネット
ワークや衛星通信チャネルを通してのパケット交換の調査にも出資していた。ネットワー
クハードウェア技術の多様性の拡大は、APRA がネットワークの相互接続を研究し、インターネットワークを前進させるのを助けた。
インターネットは ARPA がその研究ネットワークに接続しているマシンを新しい
TCP/IP プロトコルに変更し始めた 1980 年頃に始まった。TCP/IP がアメリカ国防総省(Department of Defence )の標準となったのも 1980 年になってからである。APRANET は
新しいインターネットのバックボーンとなり、TCP/IP を用いた初期の実験に使われた。イ
ンターネット技術への転換は Office of the Secretary of Defense が長距離ネットワークに接続する全てのマシンは TCP/IP を使うように要求した 1983 年１月に完了した。
DCA(Defense Communication Agency)は APRANET のネットワークを１つは研究用、もう１つは軍関係の通信用の２つに分割した。研究用はそのまま APRANET、軍関係のもの
は MILNET と呼ばれた。
2.2.2

インターネットの発展

全米科学財団(NSF) はネットワーク通信が科学研究の重要な部分になることを理解し、
TCP/IP インターネットをできるだけ多くの科学者が使えるように拡張するにあたって活動的な役割を果たした。1985 年、６ヶ所のスーパーコンピュータセンタを中心としたアクセスネットワークを確立するプログラムを始め、1986 年には NSFNET と呼ばれる全てのスーパーコンピュータセンタに指示してそれらを APRANET と結び付ける新しい長距離バックボーンネットワークに出資してネットワーキングを拡大した。NSF が資金を出した全てのネットワークは TCP/IP プロトコル使用し、全てインターネットの一部となった。
1980 年からの７年間でインターネットは何千もの個々のネットワークにまで成長し、大学や政府、企業の研究所にある２万台以上のマシンと接続された。インターネットの大きさと利用は予想されていたよりも早く成長し続けており、1994 年には 300 万台以上のマシ5ンと接続された。インターネットと密接な関連を持つ LAN(Local Area Network) の出現は1976 年であり、アメリカにおいてはインターネットが LAN に先行して発展している。イ
ンターネットの中心的なアプリケーションである WWW(World Wide Web)の出現は 1990年であり、インターネットが爆発的に発展する要因となった。
急激な拡張は元々の設計では予測されていなかった問題をもたらした。例えばインター
ネットに接続している全てのマシンの名前とアドレスは 1 つのファイルとして保存されおり、手作業で編集されインターネットの各サイトに配布されるようになっていた。これでは処理能力が人間を越え、ネットワークの容量が不十分であった。この解決策として新しいプロトコルが開発され、どのユーザーでもリモートマシンの名前を自動的に解決できるようにするシステムがインターネットで使われるようになった。これはドメイン名システム(DNS: Domain Name System) と呼ばれている。
TCP/IP プロトコルの採用とインターネットの成長は政府出資のプロジェクトに限定されなくなった。1979 年に出現した USENET は民間の運営する自由なネットワークであり、1987 年の最初の商用サービスはこのネットワークによって行なわれた。大きい会社はもちろんのこと中小企業もインターネットに接続し始め、会社内部のインターネット上でもTCP/IP プロトコルを用いるようになった。現在、APRANET も NSFNET もその役割を終え、各ネットワーク・サービス業者が中心となってインターネットを運用する体制になっ
ている。
2.2.3

日本におけるインターネットの発展

日本においては 1970 年代後半から LAN の研究が始まり、1980 年代前半には実際の運用が始まっている。これに対しネットワーク同士を接続するインターネットの実現は遅れた。
原因としては通信関連法規による規制が厳しく、一般回線を電話以外の目的で使用するのが難しかったことがあげられる。このような規制は 1974 年の第１次回線開放、1982 年の第２次回線開放、日本電信電話(NTT) の民営化によってなくなった。このような通信環境のもとで、遠隔地のコンピュータ同士をネットワークで接続する実験が 1984 年に JUNET というネットワークで始まった。これが日本のネットワーク接続の始まりである。
日本でのインターネットといえる WIDE ネットワークは 1988 年に出現した。このネットワークは研究用の実験基盤として位置付けられ TCP/IP によって稼動した。1994 年以降、
商用インターネットが続々と誕生し、これに企業や個人が加入してインターネットは発展を続け今日に至っている。

6

2.3

OSI 参照モデル

2.3.1

OSI(Open Systems Interconnection)参照モデルの概念

OSI 参照モデルは様々な通信プロトコル (protocol) の国際標準を目指して、国際標準化機
構(ISO: International Standardization Organization)において開発された。それまでは1974 年に発表された IBM 社の SNA(System Network Architecture)等、各メーカー独自のものが開発されており、日本では DCNA(Data Communication Network Architecture)が共同で開発されていた。OSI 参照モデルはそれらの統合を目指したものである。OSI 参照
モデルの目的は、「システム間を相互接続するための概念」、「OSI 規格を開発するうえでの範囲」及び「関連規格の整合性を調整するための共通的な基盤」を提供することである。
OSI 参照モデルにおける階層間のインターフェース(interface)は以下のようになっている( 図 2.1、図 2.2 参照 )。

図 2.1

サービスの概念

OSI では各階層間の通信をサービスとしてとらえる。ある階層(N 層)ではそれより上位のN＋1 層に対してサービスを提供する。よって N＋1 層は N 層が提供するサービスのユーザーであり、N 層はプロバイダーである。サービスのための命令やデータはプリミティブと呼ばれ、要求(Request) 、指示(Indication)、応答(Response)、確認(Confirm) の 4 つからなる。またそのサービスは SAP(Service Access Point) と呼ばれる階層間のインターフェース
点で行なわれ、その条件をインターフェース条件と呼ぶ。
SAP に対して IDU(Interface Data Unit) を与えることによって下位層のサービスを受けとることが出来る。IDU はサービスを受けたいデータ(SDU: Service Data Unit) と下位層

7に対する制御情報を含む ICI(Interface Control Information)からなる。N 層が提供するサービスは、インターフェースを介して受けとったデータ(IDU) の制御情報(ICI)に従って、データ(SDU) を相手側の N 層に送ることである。そのためにまず、SDU に相手側の同一階層が理解できるヘッダをつける。これは同一階層同士によって決められたプロトコルに基づ
くものであり、PDU(Protocol Data Unit) と呼ばれる。PDU は同一階層同士で交換するメ
ッセージの基本単位である。

図 2.2

階層間のインターフェース

2.3.2

OSI 参照モデルの 7 階層

図 2.3

OSI 参照モデルの 7 階層

OSI 参照モデルは 7 階層のプロトコル構造である( 図 2.3 参照 )。7 階層は機能別に大きく第 1 層から第 4 層までの下位層と、第 5 層から第 7 層までの上位層の２つに分けられる。
下位層は主にデータを透過的に、高い信頼度で効率的に転送する通信機能を扱い、上位層
はアプリケーションに依存した通信機能を扱う。
2.3.3

下位層の役割と機能

物理層はレイヤ 1 に位置し、電圧と ON/OFF の関係、電気抵抗、コネクタの大きさ・形、
信号ピンの配列、信号のタイミング条件、ビットの送出順序等を規定している。0 と 1 の情報をそのまま相手に伝えるだけで内容には一切関知せず、ビット列が正確に届いたかどうかをチェックする機能もない。
データリンク層はレイヤ 2 に位置し、下位の物理層が提供する「ビット伝送機能」を用いて隣接するシステム間で透過的、高信頼度のデータ伝送を行う。
ルータ間やホスト/ルータ間、ホスト/ホスト間を接続する回線上でフレーム(frame)の送受8

信を行う。送信側のフレーム処理速度が受信側のフレーム処理速度より速い場合、フレー
ムが受信側であふれ出す。したがって送信側/受信側の処理速度を調整するフロー制御(flowcontrol) が必要である。
コネクション型の通信では受信側がフレームを正しく受信すると、そのフレームを正しく受けとったことを示す応答確認(ACK: Acknowledgment) 返す。ACK が返ってこない場合は送信したフレームにビット誤りがあったとしてフレーム再送を行う。これを再送制御 と呼ぶ。
フレームが正しく送信されても ACK が途中で失われると、送信側はビット誤りが発生したと認識しフレーム再送を行ってしまう。そうすると受信側では同じフレームを複数個受けとることになる。従ってどのフレームに対する確認応答か示すために、フレームに順序
番号(シーケンス番号 : sequence number) をつけておく必要がある。また順序番号どおりにフレームを並べ替えて上位層に渡す順序制御も必要である。
レイヤ 3 に位置するネットワーク層の役割は、通信の基本単位であるパケットを送信側
ホストから受信側ホストまで運ぶことである。その際の経路の選択、データの中継・転送が重要な機能である。経路を選択するための制御をルーティング制御、ネットワークの混雑を避ける制御を輻輳制御 と呼ぶ。また複数のネットワークをまたがってパケットが転送する場合には、異なるアーキテクチャの違いを吸収する必要がある。

図 2.4

トランスポート層

トランスポート層はレイヤ 4 に位置し、ネットワーク層までの下位 3 層で生じるネット
ワークによる品質の差を吸収するためのプロトコロである。コネクションの確立・開放、
誤り制御、多重化、フロー制御等の機能を利用してサービス品質の差の吸収を行う( 図 2.4
参照 )。

9

2.3.4

上位層の役割と機能

レイヤ 5 に位置するセッション層ではホスト間のセッション(session)を設定する。またそれに加えて通信の履歴情報の記録であるダイアログの制御を行う。
レイヤ 6 に位置するプレゼンテーション層は、コンピュータ間で異なる情報の表現形式(コード)の標準化、暗号化、データ圧縮を行う。
レイヤ 7 に位置するアプリケーション層では、アプリケーションソフトウェア、あるいはユーザによって共通的に用いられるプロトコルを規定する。

2.4

TCP/IP 参照モデル

2.4.1

TCP/IP(Transmission Control Protocol / Internet Protocol) 参照モデルの概念

TCP/IP 参照モデルはアメリカ国防総省の軍事情報研究ネットワーク(ARPANET) がもとになっている｡1982 年に今日の仕様にかたまり、翌 1983 年にアメリカ国防総省の標準プロトコル群として規定された。その後バークレー版 UNIX(Berkeley Software Distribution)に TCP/IP が実装されたことから、大学や研究機関を中心に一気に普及した。 TCP/IP はUNIX に必ず実装される通信ソフトウェアとなり、インターネットプロトコルとして爆発的に普及した。
2.4.2

TCP/IP 参照モデルの 5 階層

TCP/IP 参照モデルは 5 階層のプロトコル構造である( 図 2.5 参照 )。サービスやインターフェースに関しては明確な定義はない。

図 2.5

TCP/IP 参照モデル

10

2.4.3

物理層/データリンク層の役割と機能

TCP/IP 参照モデルはインターネット層の下位層では特定のモデルはなく、様々な既存の通信技術の上にいかにインターネット層を構築するかが重要である。
2.4.4

インターネット層の役割と機能

コネクションレス型の通信サービスを提供する。コネクションレス型の通信の特徴は(1)

ホスト間でパケットを運ぶ際の経路はパケットごとに異なる。

(2)

パケットが受信ホストに必ず到着する保証はない。

(3)

パケットの順序が異なって受信側に到着しても順序制御を行わない。

の 3 つである。様々な通信技術に基づくネットワークを相互接続して全体のネットワーク
を構築する場合、ネットワーク層 のレベルでプロトコロを規定し、全てのネットワークをそのプロトコルで統一することは困難である。従ってネットワーク層における機能は最低限に抑えられている。データ損失のない転送制御、輻輳制御は上位層であるトランスポー
ト層で行われる。
2.4.5

トランスポート層の役割と機能

トランスポート層の役割は OSI 参照モデルにおけるトランスポート層と似ている。送信/受信ホスト間の通信路の確保である。トランスポート層には TCP と UDP(User Datagram
Protocol) の 2 種類のプロトコルがある。
TCP はコネクション型のサービスを提供する。OSI 参照モデルにおいてネットワーク層の機能として規定されているフロー制御、順序制御、輻輳制御を行い、正確で誤りのない
データ転送を提供する。
UDP はコネクションレス型の通信サービスを提供する。これはコネクション設定、フロー制御等を必要としないアプリケーションのためのものであり、高速なデータ転送を提供
する。
2.4.6

アプリケーション層の役割と機能

TCP/IP 参照モデルには、OSI 参照モデルにおけるセッション層、プレゼンテーション層に相当する階層は存在しない。アプリケーション層プロトコルの中で必要とされる機能のみ規定されている。アプリケーション層プロトコルには(1)

TELNET(Telecommunication network)

遠隔端末接続プロトコル(2)

FTP(File Transfer Protocol)

ファイル転送プロトコル

11

(3)

DNS(Domain Name System)

ドメイン名と IP アドレスの変換プロトコル(4)

HTTP(Hyper Text Transfer Protocol)

ＨＴＭＬファイル転送装置(5)

SMTP(Simple Mail Transfer Protocol) 電子メール送受信プロトコル

等がある。
2.4.7

OSI 参照モデルとの比較

階層の機能を定義するサービス、実現するプロトコル、階層間のインターフェースからなる OSI 参照モデルは、ネットワークアーキテクチャを考えていく場合のモデルとして有用である。しかし OSI 参照モデルに基づくプロトコルは少なく、実際に使われているプロ
トコルは TCP/IP 参照モデルに基づくものが圧倒的に多い。この要因は OSI が完成した頃、各会社は独自のネットワークアーキテクチャを製品化していたため、新しいアーキテクチ
ャに乗り換えるコストが莫大なものになったからである。また TCP/IP を実装した UNIXがすでに研究機関や大学に広まっていたため OSI 参照モデルが注目されることはほとんどなかった。
1990 年代には TCP/IP 参照モデルに基づくインターネットが広く普及し、パーソナルコ
ンピュータからスーパーコンピュータまで TCP/IP プロトコルをサポートするようになっ
ている。

2.5

TCP/IP プロトコル

2.5.1

IP(Internet Protocol)(Ⅰ)

IP の概要IP と呼ばれるこのプロトコルはコネクションレス型のサービスを提供し、通信相手を IP
アドレスで識別しエンド・エンドの通信を実現している。代表的な機能として、複数の通信路から経路を選択するルーティング(routing)、転送データグラムをネットワークの許容量に合わせて分割するフラグメンテーション(fragmentation)等がある。
(Ⅱ)

IP データグラム

IP で扱われるデータ転送の単位は IP データグラムと呼ばれる。IP データグラムは IP ヘ
ッダとデータ部から構成される。図 2.6 に IP ヘッダを示す。

12図 2.6

IP ヘッダ(1)

バージョン(Version) [4bit]

IP のバージョン(2)

IHL(Internet Header Length) [4bit](3)

サービスタイプ(Type Of Service) [8bit](4)

全長(Total Length) [16bit](5)

識別子(Identification) [16bit](6)フラグ(Flag) [3bit](7)

フラグメントオフセット(Fragment Offset) [13bit](8)

TTL(Time To Live) [8bit](9)プロトコル(Protocol) [8bit]

IP ヘッダの長さ
データグラムに与えられるサービスの品質データグラム全体(ヘッダ部＋データ部)の長さ分割されたデータグラムを元に戻す際の識別コード

データグラムを分割処理する際の制御
ネットワーク内にデータグラムが滞在できる時間
上位層のプロトコル種別の識別(10) ヘッダチェックサム(Header Checksum) [16bit](11) 送信元アドレス(Source Address) [32bit](12) 宛先アドレス(Destination Address) [32bit](13) オプション(Option)(Ⅲ)

IP アドレス(1)

IP アドレスとは分割されたデータグラムの位置

ヘッダ部の誤りチェック

送信元の IP アドレス
宛先の IP アドレス

セキュリティーの向上、ルーティング等

IP アドレスとは、LAN に接続された機器にネットワーク管理者が設定する、下位層のネットワーク(LAN) の技術に依存しない、ネットワーク層(レイヤ 3)のアドレスである。

13

(2)

IP アドレスの構成

IP アドレスはルーティングが効率的に行えるように、各ローカル網を識別するネットワ
ーク番号とホスト識別するホスト番号から構成される。さらに、接続環境と各ローカル網の構成に応じて 4 つのクラス(A~D)に分けられる( 図 2.7 参照 )。それぞれのクラスは上位のビットで分類できるようになっている。また IP アドレスは、データグラムに付加される
とき、下記のように 32 ビットの形態で表される( 図 2.8 参照 )。しかし、アプリケーショ
ンプログラム内では 32 ビットを 8 ビットずつの 4 つの組に分け、それぞれを 10 進数に変換し表現する。

(3)

図 2.7

IP アドレスクラス

図 2.8

IP アドレスの表記

サブネットマスク

近年、多くの企業や大学等で LAN が構築されるようになり、それぞれの LAN ごとにネットワーク番号を割り当てると、IP アドレスがどうしても不足してしまう。そこでネット
ワーク番号は企業や大学ごとに割り当て、その中の LAN は内部で個別に管理する体系が望

14

ましい。
クラス C の IP アドレスを取得しネットワークを構築すると、1 つのネットワーク(セグメント)上に 254 台(オール 0 と 1 を除くため)の端末が接続できる。しかし同じセグメント内に 254 の端末を接続するよりも、ネットワーク番号を変えてルータによるセグメントの分割をする場合が多い。このとき、IP アドレスのホスト番号部分を複数のより小さいネット
ワークに分割し、複数のネットワークに対応できるサブネット化と呼ばれる方式がとられる。サブネット化のために IP アドレスのどこまでをネットワークアドレスにしてどこまでをサブネットアドレスにするかを設定するにはサブネットマスクが用いられる。これはネットワーク番号とホスト番号の境界線を仮想的に変えるものである( 図 2.9 参照 )。アドレ
スのそれぞれのフィールドで、すべてのビットが 1(255)の場合は「全部」、0(0) の場合は「ここ」ということを意味している。

図 2.9
(4)

サブネットマスク

IP アドレスの割り当て

アドレスは重複がないように割り当てられなければならない。インターネットでのアドレスはアメリカの NIC(Network Information Center) において一括管理されている。しかし一ヶ所でアドレスを管理することは難しいため、各国ごとに機関を設け、ある範囲のネットワーク番号を既に割り振っている。日本では JPNIC がその機関である。

2.5.2

TCP

(Ⅰ)

TCP の概要

コネクションレス型の IP プロトコルでは、送信確認や順序制御機能等がサポートされていないため信頼性が低い。従って信頼性をあげる為 TCP はコネクション型のサービスを提供している。主な機能としてコネクションの確立・解放、データ転送等がある。

15

(Ⅱ)

TCP セグメントの構成

TCP セグメントは IP データグラムのデータ部の構成である。図 2.10 に TCP ヘッダを示す。

図 2.10

TCP ヘッダ(1)

送信元ポート番号(Source Port)[16bit](2)

宛先ポート番号(Destination Port)[16bit](3)

シーケンス番号(Sequence Number)[32bit](4)

ACK 番号(Acknowledgment Number)[32bit] 受信側がもらいたい次のシーケンス番号(5)

データオフセット(Data Offset)[4bit](6)

制御ビット(Control Bit)[6bit](7)

ウィンドウ(Window)[16bit](8)

チェックサム(Checksum)[16bit](9)

緊急ポインタ(Urgent pointer)[16bit] 受信側で優先的に処理してもらうデータの指定(10) オプション(Option)

クライアント側の空いているポート番号
サーバ側の通信ポート番号
順序制御に用いる番号が入るフィールド

データの開始位置を示すフィールド

TCP セグメントのタイプを制御するフィールド
受信側が受けとることが出来るバイト数
TCP セグメントの受信誤りチェック用フィールド

最大セグメント等が指定されるフィールド

先ほど述べたように TCP セグメントは IP データグラムのデータ部を構成している( 図2.11 参照 )。実際にデータが伝送される際には、各階層に対応した制御情報を含むヘッダが付加されて伝送される( 図 2.12 参照 )。また各階層レベルで正しく受信したかどうかを示す応答も伝送される。これらの制御ヘッダや応答は伝送オーバヘッドと呼ばれる。図 2.12
において、フレームレベルではデータ部に含まれるパケットレベルや上位の制御情報には

16

図 2.11

IP データグラムと TCP セグメントの関係

図 2.12

実際のデータに付加される制御ヘッダ

一切関知せず、全てフレームのデータとみなす。同様にパケットレベルやセグメントレベ
ル、その他上位のレベルも、上位の制御には一切関知しない。第１層の物理層は転送する
データの原形を対象としており、データの単位はビットレベルである。

17

(Ⅲ)

コネクション確立・解放(1)

コネクション確立

データ転送する際に通信路を設定しなければならない。この設定をコネクション確立という。コネクション確立にはスリーウェイハンドシェイク(three-way handshaking) 方式が使われる( 図 2.13 参照 )。
①

端末 A から端末 B に接続する際、コネクション確立要求が送信される。このとき制

御ビットの SYN に 1 が設定されシーケンス番号に自分(端末 A)のシーケンス番号が設定される。ACK 番号には相手の番号がわからないため 0 が設定される。ここで端末 A、端末 Bのシーケンス番号を解説しやすいように 100、200 とする。
②

端末 B がコネクション確立要求を受信すると、応答を返信する。このとき制御ビットの SYN、ACK に 1 が設定され、シーケンス番号に自分(端末 B)のシーケンス番号が設定される。ACK 番号には、コネクション確立要求のシーケンス番号 100 を受信したことを伝えるため＋1 した 101 が設定される。
③

端末 A から確認応答を出しコネクションが確立される。このとき制御ビットの ACKに 1 が設定され、シーケンス番号に相手から送られてきた ACK 番号が設定される(101) 。
ACK 番号には、コネクション確立要求の応答のシーケンス番号 200 を受信したことを伝えるため＋1 した 201 が設定される。

図 2.13

スリーウェイハンドシェイクによるコネクション確立

18

(2)

コネクション解放

データ転送が終わり通信路を開放することをコネクション解放という。基本的にそれぞれの端末からコネクションを解放する。コネクションの解放手順を図 2.14 に示す。
①

端末 A からコネクションを解放する際、コネクション解放要求を端末 B に送信する。

このとき制御ビットの FIN、ACK に 1 が設定され、シーケンス番号には相手から送信されてきた ACK 番号が設定される。ACK 番号には、相手が送信してきたシーケンス番号を受信したことを伝えるため＋1 した数値(図では仮に 200 としておく)が設定される。
②

端末 B がコネクション解放要求を受信すると、応答を返信する。このとき制御ビットの ACK に 1 が設定され、シーケンス番号には相手から送信されてきた ACK 番号が設定される。ACK 番号には、コネクション解放要求のシーケンス番号 100 を受信したことを伝えるため＋1 した 101 が設定される。
③

コネクション解放は端末 B からも行われる。このとき制御ビットの FIN、ACK に 1が設定される。シーケンス番号には相手から送信されてきた ACK 番号が設定される。ACK
番号には、相手が送信してきたシーケンス番号を受信したことを伝えるため＋1 した数値が設定される。
④

端末 A がコネクション解放要求を受信すると、応答を返信する。このとき制御ビットの ACK に 1 が設定され、シーケンス番号には相手から送信されてきた ACK 番号が設定される。ACK 番号には、コネクション解放要求のシーケンス番号 200 を受信したことを伝えるため＋1 した 201 が設定される。

図 2.14

コネクション解放

19

(Ⅳ)

データ転送

コネクション確立後、アプリケーション層(FTP 等)からのデータを適当な長さに分割し、それぞれに TCP ヘッダを付加し IP に転送する。転送においてはシーケンス番号の管理がとても重要である。コネクション確立・解放では、受信確認として相手から送信されてきたシーケンス番号に＋1 して ACK 番号を設定していたが、データ転送ではシーケンス番号と TCP セグメントのデータサイズの合計値が ACK 番号に設定される。データ転送におけるシーケンス番号と ACK 番号の関係を図 2.15 に示す。

図 2.15

データ転送

データ転送はコネクション確立後行われるので、シーケンス番号や ACK 番号の初期の設
定値は図 2.13 のコネクション確立からの続き番号となる。また端末 A、Ｂが送信する TCP
セグメントのデータサイズをそれぞれ 200、300 と仮定しておく。図 2.15 を見てみると先に述べたように②、③における ACK 番号はシーケンス番号とデータサイズの合計値となっ
ている。
2.5.3

FTP(File Transfer Protocol)

TCP/IP のアプリケーションはいくつか存在するが(2.4.6 参照)、ここでは特に今回の測定実験に使用した FTP について述べる。
FTP は異なる機種、OS 間のファイル転送サービスを提供する。ファイル転送とは頻繁に利用されているネットワーク上のアプリケーションである。許可されたユーザがホスト

20

(FTP サーバ)にログインし、ディレクトリの内容表示、ファイルのコピーや削除、編集等を簡単なコマンドで実行できるようにしている。ユーザが FTP サーバにログインするにはログインユーザ名とパスワードが必要であるが、それなしでもログインできるサービスがある。それが測定実験に使用した anonymous FTP である。anonymous FTP サーバは誰もがアクセスできるサーバである。

図 2.16

クライアント/サーバ間の FTP 通信

クライアント/サーバ間の FTP 通信においてクライアントはサーバに対して制御用とデータ転送用の２種類のコネクションを確立する( 図 2.16 参照 )。通信の構造は以下の通りである。
ユーザがコマンド(ftp [サーバの IP アドレス])を入力すると、クライアントが制御用①

コネクションの確立を要求する。
②

サーバは要求のあったクライアントにログインユーザ名とパスワードの送信を要求する。
③

クライアントがログインユーザ名とパスワードを送信し(anonymous FTP の場合はanonymous を入力)、制御用コネクション確立する。
④

制御用コネクションが確立すると、次にデータ転送用コネクションの確立を要求する。
⑤

サーバはデータ転送を扱うためだけに使われる転送用コネクションを解放する。その後データの転送が行われる。

21

実際のファイル転送に最低限必要なコマンドを下記に示す。
表

FTP コマンドftp xxx.xxx.xxx.xxx

xxx.xxx.xxx.xxx のアドレスに接続

cd xxxxxx ディレクトリに移動

ls xxxxxx ディレクトリ中のファイルを表示

lcd xxx

ローカルのディレクトリを xxx に変えるbi

バイナリ―形式でファイル転送as

アスキー形式でファイル転送put

ファイルをアップロード

get

ファイルをダウンロード

bye

ftp を終了

22

3.

LAN のアーキテクチャとノードの機能

3.1

LAN のアーキテクチャ

LAN のノードの機能階層を図 3.1 に示す。データリンク層の MAC(Media AccessControl) 層、LLC(Logical Link Control) 層以外は 2.3 で既に説明しているのでここでは割愛する。
MAC 層の機能は伝送路を共有する複数のノードが MAC フレームを伝送路と送受信することである。送信する際の競合を制御し、フレームが衝突するのを避ける。MAC フレームには MAC アドレスがつけられているので、このアドレスを見て自宛のフレームを転写してメモリに取り込んでいる。MAC アドレスとは端末の物理アドレスである。基本的には変更不可能で、6 バイトで構成されている。上位 3 バイトは IEEE が管理するメーカの識別子、下位 3 バイトは各メーカ内で管理される管理番号である。
LLC 層は MAC 層に依存しないデータリンク層のサービスを提供する。フレームを確実に送信し、フレームの重複や抜けを検出し、順序を正す制御を行う。

図 3.1

3.2

機能階層

アクセス制御方式

共通の伝送媒体を多重化して使用する LAN ではアクセス制御が必要になる。代表的なアクセス制御方式として、CAMA/CD 方式とトークンパッシング方式を説明する。

23

(1)

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection)方式

CSMA/CD 方式は主にバス型の LAN で使用される。各装置は常に搬送波を検知(Carrier
Sense)してデータを受信し、伝送路上に搬送波がないときのみデータを送信できる。デー
タがある場合はそちらを優先させる。データ送信中も常に他装置からの搬送波を監視し、衝突を検出(Collision Detection)した場合はデータ送信を停止する。そして乱数で決めた時
間(バックオフタイム)待って再送する。
(2)

トークンパッシング方式

トークンパッシング方式は主にリング型の LAN で使用される。装置をリング状に接続し、トークンと呼ばれる送信権を付与する制御情報をネットワーク上の装置間を循環させ、データを送信しようとする装置がトークンを得ることによってのみ伝送路の使用を許される方式である。トークンには free と busy の 2 つの状態があり、busy の場合はトークンの後にデータが続き、他の装置が送信中であることを示し、free 場合は送信可能であることを示している。
データを送信した装置は、自分が送信したデータがネットワーク上を 1 周して戻ってく
ると、データをトークンから取り除き free トークンを次の装置に送る。送信するデータがない装置は free トークンをそのまま次の装置に送る。

3.3

リピータ

リピータは、減衰した電気信号を再生中継することでセグメント(ネットワーク)を相互接続している。再生中継の際、リピータはデータフレームの構成を識別せず、物理層において単純な信号増幅や波形整形のみを実行する。また信号の衝突を検出する機能を持ち、衝突が起きるとジャム信号 (衝突信号)を全ての端末に送信する。
一般的に LAN では、電気信号の減衰等の理由で１つのセグメントのケーブル長に制限がある(Ethernet で 500m) 。そこで LAN の距離を延長するために、信号増幅機能を持ったリピータが使われる。しかしリピータを使っても LAN の距離を無制限に延長することはでき
ず、LAN の技術ごとにリピータの最大数が決められている。
リピータは２本の同軸ケーブルを相互接続するだけでなく、1 本の同軸ケーブルから受けとった信号を複数のケーブルにブロードキャスト(同報通信)することも出来る。これがマル
チポートリピータ(multiport repeater) であり、一般的にハブと呼ばれる。

24

3.4

ブリッジ

ブリッジは異なる技術の LAN 同士を相互に接続することができ、データリンク層レベル(MAC 層 )でフレームの中継処理を行う。受信したフレームを一度バッファに蓄積し、ポートごとに取り出し処理を行う。またデータリンク層レベルのアドレス(MAC アドレス)を識別することで、セグメント間を通過させるフレームを選別(フィルタリング )できる。いくつかあるブリッジの技術のうち、学習ブリッジについて説明する。
各 LAN のインターフェース(CSMA/CD、Token Ring 等)にはフィルタリングテーブルと呼ばれる MAC アドレスのリストがあり、そのインターフェースの先に存在するホストの
MAC アドレスが保存されている。学習ブリッジはインターフェースに接続された LAN からフレームを受信した際、そのフレームの宛先アドレスを検出し、それがフィルタリング
テーブル中に存在しなければ、他のインターフェースに同報する。存在する場合は中継しない。また受信フレームに含まれる送信元の MAC アドレスを検出し、それがフィルタリン
グテーブル中になければ追加する。
学習ブリッジは時間が経つとともに、各インターフェースの先に存在するアドレスを自動的に学習し、中継する必要のない同一セグメント内の通信はブリッジ内で廃棄し、中継する必要のあるフレームは宛先 MAC アドレスの存在するセグメントにのみ中継を行う。その結果、無駄なトラフィックを減少させている。このようにブリッジ接続されたネットワ
ークにおいて各ホストは、通信相手が同一の LAN 内に存在する場合と同じように通信することができる。

3.5

ルータ

ルータはネットワーク層レベルでパケットの中継処理を行う。一方のセグメントから受信したパケットをバッファに入れて、別のセグメントにだけ送信する。
送信元ホストからの経路上の途中のルータで IP データグラムが分割されたとしても、その先のルータでは再構成の処理が行われない。これは各ルータでは受信したデータグラム
が別々に経路選択するために、分割されたそれぞれのデータグラムが同じルータを通過する保証がないからである。もし同じルータを通過しても再構成の処理を中継ルータでしていると時間がかかりパケット遅延が大きくなる。このためデータグラムの再構成の処理は宛先ホストでしか行われない。
ルータの重要な処理にフォワーディング処理とフィルタリング処理がある。

25

(1)フォワーディング処理
フォワーディング処理は、IP パケットの IP ヘッダの情報を調べ、その情報に従ってルートを選択する処理である。ルートの選択において、次のホップ (次のルータの IP アドレス)を決定する処理をルーティング と呼び、受信データグラムを自分のネットワーク内のホス
トに送る処理をルーティングとは区別し、ローカルルーティングと呼ぶ。ルーティングについては後に説明する。
(2)フィルタリング処理
ルータのもうひとつの役割は不正なパケットの通過を防止することである。あるネット
ワークから出てくる不正なパケットをそのネットワークの外に出さず、受信パケットの宛
先 IP アドレスを見て、異なるネットワーク番号のパケットだけを中継する機能がフィルタリング処理である。管理者がルータの設定を行い、通過させても良い包括リストと通過させてはならない排除リストを指定する必要がある。

3.6

ルーティング

3.6.1

ルーティングルーティングとはメッセージの通過経路を決定するための様々な処理の総称であって、ルータだけに用いられる機能でない。ここではルータのインターネット層レベル(OSI 参照
モデルではネットワーク層レベル)でのルーティングについて説明する。
ルーティングにはスタティックルーティング (static routing)[静的]とダイナミックルー
ティング (dynamic routing)[ 動的]がある。スタティックルーティングとはルーティングテー
ブルをネットワーク管理者が設定し、それをもとにルーティングを行うことである。この方法はネットワークの構成が変わるたびに管理者が設定のやり直しをしなければならない。
また設定ミスによって通信の不具合が生じやすい。
ダイナミックルーティングとはルータ同士が定期的に情報をやり取りすることでルーティングテーブルを自動的に作成し、それをもとにルーティングを行うことである。ネット
ワークの構成を変更しても自動的に更新情報を各ルータに知らせてくれるが、それを知らせるためのオーバーヘッドが負荷となるのが欠点である。
3.6.2

ルーティングアルゴリズム

ルーティングのアルゴリズムとしてはフラッディングアルゴリズム、最短パスルーティ
ング、ディスタンスベクトルルーティング、リンクステートルーティング、マルチキャス

26

トルーティング等がある。この中でも一般的によく使われているディスタンスベクトルル
ーティングについてここでは説明する。
ディスタンスベクトルルーティングのアルゴリズムでは、各ルータが最終宛先のサブネ
ット番号、そこに到達するために経由すべき次のルータのアドレス、及びそこを経由したときの宛先までの距離の情報をルーティングテーブルとして保持する。このテーブルの情報は以下のように更新される。
各ルータは全ての隣接するルータにルーティングテーブルの内容を周期的に知らせる。
知らせを受けたルータは、受信した情報のルータに至る距離を計算してそれを自分のテー
ブルに保持されている距離と比較する。比較の結果、距離の小さい経路とそのアドレスを新たに更新することで宛先に向かう最短経路を選択できるようにする。
3.6.3

RIP(Routing Information Protocol)

RIP とは AS(Autonomous System) 内で使用されるディスタンスベクトル方式のルーティ
ングプロトコルで広く使用されている。今回の実験で使用した YAMAHA の RT140e もこのプロトコルを使用している。RIP は経路を選択する場合、装置のホップ数(ルータを通過する数)が最小になるように選択する。
全てのルータに対して任意の IP アドレスを解釈して次のホップルータのアドレスを決定するだけのルーティング情報を獲得、保持することは、ルータに大容量のルーティングテーブルが必要となり負荷となる。これを解決するために RIP では各ルータが部分的なルー
ティング情報を持つだけで動作できるようにしている。また RIP には以下のような制限がある。
・ 最大ホップ数=15・ 経路情報の更新時間=30 秒
・ タイムアウト=180 秒
・ RIP パケットの最大サイズ=512 バイト

3.7

フロー制御

フロー制御は受信側の処理速度に応じてパケットを送信する制御でトランスポート層、
データリンク層の重要な機能のひとつである。両者の違いとしては、トランスポート層がエンドホスト間を対象とし、データリンク層が回線で直接繋がっているホスト間を対象とするフロー制御という点である。ここでは特にデータリンク層のフロー制御について説明
する。

27

(1)

ストップアンドウェイト(Stop-and-Wait) 方式

ストップアンドウェイト方式では送信側は常に最大 1 個のフレームしか送らない。受信側はフレームを受けとると送信確認(ACK/NACK)を送信側に返す。送信側は送信確認を受けとると次のフレームを送信する。またフレームが伝送路上で失われたときのために、送信と同時にタイマを起動させ、タイムアウトが発生するとフレームを再送する。
ストップアンドウェイト方式は先に述べたように伝送効率が悪い。しかし Go-back-N 方式、選択的再送方式に比べると制御が簡単で低コストである。
(2)

Go-back-N 方式

Go-back-N 方式は送信確認を待たずに最大フレーム数を一気に送信する。制御としては伝送誤りを検出したとき、どのフレームに誤りがあったかを知らせるためにシーケンス番
号が必要になる。受信側でも大量のフレーム連続して受信する可能性があるので最大フレーム数用のバッファを用意しなければならない。またフレーム数を管理する必要もある。
Go-back-N 方式では伝送誤りを発見すると、そのシーケンス番号のフレームを全て廃棄し、その番号以降のフレームを全て再送する。その結果、送信に成功したフレームも再送されるため伝送効率は低下するがバッファの管理が容易である。
(3)

選択的再送(Selective-repeat) 方式

Go-back-N 方式を改良し、誤りが発生したフレームのみ再送させる方式が選択的再送方式である。制御がますます複雑になり、端末の処理負担が大きくなっている。

3.8
(1)

輻輳制御
輻輳状態

輻輳とは一般にはネットワークに過大なデータが流れることにより、中継装置などのバッファからデータが溢れることによって始まる場合が多い。バッファから溢れたデータは廃棄されるので，相手には届かない。すると，いつまで経っても相手から受信確認の応答が返らないことになる。転送レベルのプロトコル（TCP/IP）にはノイズなどによるデータの損傷を考慮して、相手からの受信確認がないと再度データを送り直す仕組みがあるので、もう一度同じものを送り直す。しかし、ネットワークが混雑していれば同じように途中で消えてしまう。するとまたデータを送り直す。このような事態が続くと本来の送信データ28

の何倍ものデータがネットワークに放出される。ただでさえ混み合っているときに再送によってデータ量が増えるのだから事態は更に悪くなり悪循環を引き起こす。複数のユーザから一度に大量のデータが送り込まれると、バッファの不足や交換機の処理能力が追いつかなかったりする可能性がある。この状態が輻輳状態であり、輻輳状態を回避する機能を
輻輳制御機能という。輻輳の状態には通常状態、軽輻輳状態、重輻輳状態の 3 つがある( 図3.2 参照 )。
①

通常状態

輻輳のない状態で、送信データ量に応じてスループットが変化する(網が空いていれば CIRを越えた通信が可能)。
②

軽輻輳状態

端末からの送信データ量が増加しても、相手端末に送信されるデータ量が比例して増加しなくなる(スループットが比例しなくなる)。輻輳の通知が始まる。
③

重輻輳状態

完全な輻輳状態で、スループットが低下する状態である。フレームの廃棄が行われ輻輳の回復処理を始める。

図 3.2
(2)

輻輳状態

輻輳の通知

輻輳状態になった時の通知としては、輻輳が発生した場合に端末に ACK や NACK 等何も通知しない暗黙的輻輳通知と、何らかの通知を行う明示的輻輳通知がある。明示的輻輳
通知には先に説明した FECN (順方向明示的輻輳通知)と BECN(逆方向明示的輻輳通知)が
ある。

29

(3)

輻輳時の端末の処理

端末は輻輳を検出した場合、送信フレームを減らすことで網への負担を軽くすることが出来る。具体的方法としてスループット制御とウィンドウ制御がある。
①

スループット制御
端末側で送信するスループット の測定及ぶ制御が可能な場合、送出する情報量をコントロールするスループット制御が有効である。
輻輳を検出した場合、フレームとフレームの送信間隔を空け、単位時間当りのスループ
ット(送信データ量) の平均を下げる。それでも輻輳が継続している場合、スループットがCIR より小さい値になるまでフレームの送信間隔を更に広げて、スループットを抑制する。
輻輳からの回復を検出したした場合、スループットを徐々に上げていき、フレームを送れるだけ連続伝送できるような通常状態に回復する。
②

ウィンドウ制御
端末側の上位プロトコルで、ウィンドウによるフロー制御を行っている場合有効である。

スループット制御よりも一般的である。
ウィンドウサイズは端末側が送信確認(ACK)をしなくても連続して送れるフレーム数である。輻輳を検出した場合、ウィンドウサイズを小さな値に変更することでトラフィックを下げることが出来る。それでも輻輳が継続している場合は更に送信量の設定を下げる。
輻輳からの回復を検出したした場合、ウィンドウサイズを徐々に元の値に戻すことで通常状態に回復する。

30

4.

測定実験

4.1

実験の目的と手法3 章で述べたように、通信プロトコルでは、実際にデータを送信する際、応答処理や帯域制御処理を行っている。そのため物理層のビット転送能力を常に 100%利用できているわけではない。また 2 章の TCP で説明したように、ユーザはデータを送信する際、各階層に対応した制御情報を含むヘッダ等のデータが付加される。TCP/IP プロトコルを使ってデータを送信する際、これらのオーバーヘッドが転送性能に加算されることは避けられない。
またネットワークには，ルータや管理装置などが情報を交換したり収集するための制御用のデータも常時流れている。ネットワークの規模が大きくなり、ルータなどの装置が増えると、情報を交換したり収集する相手が増えるので、制御用のトラフィックも増える。
こういったトラフィックはユーザの利用頻度に関係なく流れてしまうので、非常に厄介である。
他にも、伝送媒体やノードの信頼性の差やアクセス競合の頻度によっては、同じ送信データ量であっても、再送等でわずかな距離差でもトータルスループット、遅延は大きく変化する。
そこで私は第一にプロトコル、ノード等の学習を通してネットワーク内の信号送受信のメカニズムを調査する。それで得られた知見をもとに、実際にネットワーク内でやりとりされる信号の速度と、その決定要因を学ぶ。具体的には「ネットワーク内の伝送媒体の種類や長さ、端末間に入れるノードの数と種類による伝送速度の違いを測定する事で、伝送媒体、ノードによる遅延を理解し、効率の良いネットワークを構築する指針を得る」を
卒業研究の目的とし測定実験を行った。測定実験をすることで、トラフィックが集中する
サーバ側にどのノードを設置するか、どの部分でスループットが小さくなっているか等が分かり改善することができる。
ネットワークの転送ノードには端末を増やしたり、複数のユーザが同時に通信できたり、フィルタリング機能がある等、様々なメリットがある。しかしノードを複数回通過することで伝送速度、遅延が増加する可能性が高い。なぜならばデータがノードを通過することで、3 章で述べたような様々な処理を行っているからである。実験では以下の点に注目して
測定した。
(ⅰ)

伝送媒体について・ケーブルの種類による伝送速度、送信時間の変化
・負荷のかかった状態での伝送速度、送信時間の変化

31

・データ量の大きさによる伝送速度、送信時間の変化(ⅱ)

ノード遅延について

・データ量の大きさによる伝送速度、送信時間の変化
・スイッチングハブとルータでの伝送速度、送信時間の違い
・接続ノード数による送信時間の変化にどのような傾向があるのか
具体的には、伝送媒体については次節で述べる実験 1~4 、ノードについては実験 5~7 を行い、その計測結果を比較することにより特性を明らかにする。
測定実験はそれぞれ３回行っている。その理由は以下の通りである。同じ処理でも最初に実行するときと、2 回目以降の実行とでトラフィックに差が出ることに気がつく。大小に違いはあるがほとんどの処理で差が出る。その理由は，初回の実行で得た情報を保存しておき、2 回目以降は保存した情報を利用するため、その分トラフィックが減っているからである。それはトラフィックを減らす工夫の結果なので良いことであるが、それを実験結果として採用するときに、どちらのデータを採用すべきかで解釈が異なる。
定型的な処理が中心のシステムでは，起動直後や処理を切り替えた直後など以外は、保
存した情報再利用することが多く、何もないところから行う初回の実行は例外的な扱いとなる。一方、非定型的な処理では、情報の再利用は少なくなる傾向にある。そこで本実験
では３回測定を行い、それぞれの値の平均を示すこととした。

32

4.2 測定実験
4.2.1

実効的伝送速度の測定実験(1) 1 対 1 の端末同士の伝送速度と時間の測定
ノードやケーブルを変化させて 1 対 1 の端末同士でのデータ送信時間を測定し、その値から伝送速度(MB/s) を求める。データ転送には Windows のファイル共有を使用した。使用実験器具は下記の通りである。
・10Base-T HUB

CentreCOM MR415T

・10Base-T SW-HUB

corega Fast SE-8D

・100Base-T SW-HUB

corega Fast SE-8D

・OE Converters

twister 100Mbps Media Converter

実験 1
①

実験方法
ノードが 10Base-T HUB、10Base-T SW-HUB、100Base-T SW-HUB のときの、 30MBのデータ送信時間を測定する。データ転送は 3 回行い、平均値、回数によるばらつきを評価する。測定図を図 4.1 に示す。

図 4.1
②

実験 1 の測定図

実験データ
実験 1 の伝送速度、送信時間の実験データを図 4.2 に示す。

33

送信時間(ms)30MBファイルの送信時間

35000
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0

10Base-T
HUB
10Base-T
SW-HUB
100Base-T
SW-HUB

伝送速度(MB/s)

１回目

３回目

平均

30MBファイルの伝送速度

4.3
3.8
3.3
2.8
2.3
1.8
1.3
0.8

10Base-T
HUB
10Base-T
SW-HUB
100Base-T
SW-HUB

１回目

③

２回目

２回目

３回目

図 4.2

実験 1 のデータ

平均

実験結果
スイッチングハブとハブの送信時間を比べると、ハブの方が平均して約 1.5 秒速かった。

10Base-T の伝送速度は 7.84Mbps で最大伝送速度 10Mbps の約 8 割でていた。100Base-Tの方は伝送速度が 29.28Mbps で最大伝送速度 100Mbps の約 3 割でていた。回数によるば
らつきは 100Base-T SW-HUB で若干みられた。10Base-T では回数によるばらつきはさほ
どなかった。

実験 2
①

実験方法
ノードを 100Base-T SW-HUB に固定し、ノードと端末間のケーブルが UTP、光ファ

イバのときの、30MB のデータ送信時間を測定する。この実験でもデータ転送は 3 回行い、平均値、回数によるばらつきを評価する。測定図を図 4.3 に示す。

34

図 4.3②

実験 2 の測定図

実験データ
実験 2 の伝送速度、送信時間の実験データを図 4.4 に示す。
30MBファイルの送信時間

送信時間(ms)

11000
10500

UTP 12m

10000

光ファイバ
12m
光ファイバ
50m

9500
9000
8500
１回目

２回目

３回目

平均

30MBファイルの伝送速度

伝送速度(MB/s)

3.6
UTP 12m

3.4

光ファイバ
12m
光ファイバ
50m

3.2
3
2.8
１回目

③

２回目

３回目

図 4.4

実験 2 のデータ

平均

実験結果
UTP ケーブル(12m) と光ファイバ(12m) を比べると、送信時間の差は 0.18 秒であまり差はなかった。光ファイバ(12m) と光ファイバ(50m) を比べると、送信時間の差は 1.14 秒もあった。UTP ケーブルは 3 回目が他の 2 回に比べて送信時間が短かった。

35

(2) 1GB の負荷を N かけた端末と負荷のかかっていない端末の伝送速度と時間の測定
送信データ量や負荷、ケーブルの種類、長さを変化させて、端末と負荷のかかった端末
間のデータ送信時間を測定し、その値から伝送速度 (MB/s) を求める。データ転送にはWindows のファイル共有を使用した。使用実験器具は下記の通りである。
・100Base-T SW-HUB

corega Fast SE-8D

・OE Converters

twister 100Mbps Media Converter

実験 3
①

実験方法
1GB の負荷を N かけたときの 30MB、125MB のデータ送信時間を測定する。この測定には UTP ケーブルのみを使用し、データ転送は実験 1、2 と同様 3 回行い、平均値、回数によるばらつきを評価する。実験図を 4.5 に示す。

図 4.5
②

実験 3 の測定図

実験データ
実験 3 の伝送速度、送信時間の実験データを図 4.6 に示す。

③

実験結果
負荷が 2 で送信データが 30MB と 125MB のときの伝送速度を比べると、送信データが大きい方が伝送速度は遅い。送信データが同じ(30MB)で負荷の数を増やしても伝送速度は落ちず、平均伝送速度はほぼ同じであった。伝送速度の回数に注目すると、送信データが30MB で負荷が 1、2 の時の 1 回目がそれぞれの平均と比べると差がみられた。

36

1GBの負荷をNかけたときの送信時間
100000

送信時間(,ms)

80000
送信データ30MB
負荷×１
送信データ30MB
負荷×２
送信データ
125MB 負荷×２

60000
40000
20000
0
１回目

２回目

３回目

平均

1GBの負荷をNかけたときの伝送速度
32.8

伝送速度(MB/s)

2.6

送信データ30MB
負荷×１

2.4
2.2

送信データ30MB
負荷×２

2
1.8

送信データ
125MB 負荷×２

1.6
1.4
1.2
1
１回目

２回目

図 4.6

３回目

平均

実験 3 のデータ

実験 4
①

実験方法
1GB の負荷を N かけたときの 30MB、125MB のデータ送信時間を測定する。この測定にはノードと端末間に長さの違う光ファイバ(12m と 50m) を使用した。データ転送は 3 回行い、平均値、回数によるばらつきを評価する。測定図を 4.7 に示す。

37

図 4.7②

実験 4 の測定図

実験データ
実験 4 の伝送速度、送信時間の実験データを図 4.8、4.9 に示す。
1GBの負荷をNかけたときの送信時間(光ファイバ12m)

120000

送信時間(ms)

100000

送信データ30MB
負荷×１
送信データ
125MB 負荷×1
送信データ30MB
負荷×２
送信データ
125MB 負荷×２

80000
60000
40000
20000
0
１回目

２回目

３回目

平均

1GBの負荷をNかけたときの伝送速度(光ファイバ12m)

3.5

送信データ30MB
負荷×１
送信データ
125MB 負荷×1
送信データ30MB
負荷×２
送信データ
125MB 負荷×２

伝送速度(MB/s)

3
2.5
2
1.5
1
１回目

２回目

図 4.8

３回目

平均

実験 4(光ファイバ 12m) のデータ

38

1GBの負荷をNかけたときの送信時間(光ファイバ50m)

送信時間(ms)

100000
送信データ30MB
負荷×１
送信データ125MB
負荷×1
送信データ30MB
負荷×２
送信データ125MB
負荷×２

80000
60000
40000
20000
0
１回目

3.5

２回目

３回目

平均

1GBの負荷をNかけたときの伝送速度(光ファイバ50m)

伝送速度(MB/s)

3

送信データ30MB
負荷×１
送信データ125MB
負荷×1
送信データ30MB
負荷×２
送信データ125MB
負荷×２

2.5
2
1.5
1
１回目

２回目

図 4.9

③

３回目

平均

実験 4(光ファイバ 50m) のデータ

実験結果
送信データ、負荷の少ない方が伝送速度は速くなるだろうと予想していたが、光ファイバ 50m の場合を見ると、予想通りの伝送速度の分布がでた。しかし光ファイバが 12m の場合を見ると、送信データ 30MB、負荷が 1 のときの、２回目の伝送速度の値が予想よりも小さかった。他はほぼ予想通りの結果がでていたといえる。

39

4.2.2(1)

ノードを重ねることによる伝送速度の違いの測定
スイッチングハブ、ルータを用いた端末間通信の伝送速度と時間の測定

送信データ量、端末間に挟むノードの数、種類をかえることで、どのくらい送信時間、伝送速度(Mbit/s) が変化するか測定する。実験 1~4 までは伝送速度は MB/s で測定していたが、実験 5~7 では測定ソフトの関係上一部 Mbit/s で測定する。データ転送は FTP を使用
し 3 回行った。使用実験器具とソフトを下記に示す。
・100Base-T SW-HUB

corega Fast SE-8D

・R o u t e r

YAMAHA RT140e

・FTP ソフト

FFTP、MS-DOS プロンプト

・FTP サーバソフト

S e r v -U

実験 5
①

実験方法
端末間のスイッチングハブ数(1~3)をかえたときの 1.19GB、281MB のデータ送信時間、伝送速度の違いを測定する。測定図を図 4.10 に示す。

図 4.10②

実験 5 の測定図

実験データ
実験 5 の伝送速度、送信時間の実験データを図 4.11 、4.12 に示す。

40

ノード数Nのときの1.19GBファイルの送信時間

350

送信時間(s)

325

ノード数0
ノード数1

300

ノード数2
ノード数3

275
250
１回目

２回目

３回目

平均

ノード数Nのときの1.19GBファイルの伝送速度

5

伝送速度(MB/s)

4.7
4.4

ノード数0
ノード数1

4.1

ノード数2
ノード数3

3.8
3.5
１回目

２回目

３回目

平均

ノード数Nのときの1.19GBファイルの伝送速度

50
45
35

ノード数0

30

ノード数1

25

ノード数2

20

ノード数3

15
10
5

送信時間(s)

図 4.11

実験 5(1.19GB)のデータ

41

340

320

300

280

260

240

220

200

180

160

140

120

80

100

60

40

20

0
0

伝送速度(Mbit/s)

40

ノード数Nのときの281MBファイルの送信時間

80

送信時間(s)

75
ノード数0
ノード数1
ノード数2
ノード数3

70
65
60
55
50
１回目

２回目

３回目

平均

ノード数Nのときの281MBファイルの伝送速度

伝送速度(MB/s)

5.5
5
ノード数0
ノード数1

4.5

ノード数2
ノード数3

4
3.5
１回目

２回目

３回目

平均

伝送速度(Mbit/s)

ノード数Nのときの281MBファイルの伝送速度

50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0

ノード数0
ノード数1
ノード数2
ノード数3

0

10

20

30

図 4.124050
送信時間(s)

60

70

80

実験 5(281MB)のデータ

42

90

③

実験結果
送信時間は送信データ比にほぼ比例していた。ノード数が少ない方が伝送速度の上がり方が良かった。スイッチングハブを重ねることによって伝送速度は低下した。ノード数が少ない方が最大伝送速度は速かった。伝送速度の低下にはノード数が 2 から 3 に変わるま
では比例の傾向がみられたが、ノード数 3 つではその具体的な法則性までは判断できない。
実験 6
①

実験方法
端末間のノードをスイッチングハブからルータに変更し、ルータ数(2~4) をかえたときの

1.19GB、281MB のデータ送信時間、伝送速度の違いを測定する。測定図を図 4.13 に示す。

図 4.13②

実験 6 の測定図

実験データ
実験 6 の伝送速度、送信時間の実験データを図 4.14、4.15 に示す。

③

実験結果
実験 5 同様、送信時間は送信データ比にほぼ比例していた。ノード数が少ない方が伝送速度の上がり方が良く最大伝送速度は速かった。ルータを重ねることによって伝送速度は落ちた。同じ数のスイッチングハブを間に入れたときの送信時間を比べると 4~5 倍かかった。伝送即後の低下に若干比例に似た傾向が見られたが法則性までは判断できない。

43

ノード数Nのときの1.19GBファイルの送信時間

1900

送信時間(s)

1800
1700

ノード数2

1600

ノード数3

1500

ノード数4

1400
1300
1200
１回目

２回目

３回目

平均

ノード数Nのときの1.19GBファイルの伝送速度

伝送速度(MB/s)

1
0.9

ノード数2

0.8

ノード数3
ノード数4

0.7
0.6
１回目

２回目

３回目

平均

ノード数Nのときの1.19GBファイルの伝送速度

9
8

ノード数2

6
5

ノード数3

4
ノード数4

3
2
1

送信時間(分)図 4.14

実験 6(1.19GB)のデータ

44

32

30

28

26

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0
0

伝送速度(Mbit/s)

7

ノード数Nのときの281MBファイルの送信時間

430

送信時間(s)

400

ノード数2

370

ノード数3

340

ノード数4

310
280
１回目

２回目

３回目

平均

ノード数Nのときの281MBファイルの伝送速度

伝送速度(MB/s)

1
0.9

ノード数2
ノード数3

0.8

ノード数4

0.7
0.6
１回目

２回目

３回目

平均

ノード数Nのときの281MBファイルの伝送速度

98
伝送速度(Mbit/s)

7

ノード数2

6
ノード数3

5
4

ノード数4

3
2
1
0
0

1

2

3

図 4.1545
送信時間(分)6

実験 6(281MB)のデータ

7

45

8

実験 7
①

実験方法
端末間のノードにスイッチングハブとルータの 2 種類を使用し、異なる LAN 間にスイッ

チングハブを挟んだときの 281MB のデータ送信時間、伝送速度の違いを測定する。測定図を図 4.16 に示す。

図 4.16②

実験 7 の測定図

実験データ
実験 7 の伝送速度、送信時間の実験データを図 4.17 に示す。

③

実験結果
スイッチングハブをルータの間に入れても伝送速度はそれほど落ちなかった。最大伝送速度もあまり変わらなかった。送信時間はスイッチングハブを１台間にいれるのといれな
いのでは約 1 秒差がでた。スイッチングハブを 2 台間にいれた場合といれない場合では約 6秒の差がでた。回数によるばらつきは、ルータ間にスイッチングハブを 2 台いれたときみ
られた。

46

281MBファイルの送信時間

314

送信時間(s)

312
R×2

310
308
306

SW-HUB×1、
R×2

304

SW-HUB×2、
R×2

302
300
１回目

２回目

３回目

平均

281MBファイルの伝送速度

伝送速度(MB/s)

0.98
0.97

R×2

0.96
0.95

SW-HUB×1、
R×2

0.94

SW-HUB×2、
R×2

0.93
１回目

２回目

３回目

平均

281MBファイルの伝送速度
9R×2

伝送速度(Mbit/s)

8
7
6

SW-HUB×1、
R×2

5
4

SW-HUB×2、
R×2

3
2
1
0
0

1

2

3

4

5

6

送信時間(分)図 4.17

実験 7 のデータ

47

7

4.3

考察

4.3.1

実験 1、2 の考察

実験 1 において 10Base-T のスイッチングハブと 10Base-T のハブの送信時間を比べると、10Base-T のハブの方が平均して約 1.5 秒速かった( 図 4.18 参照 )。この原因としてスイッ
チングハブのスイッチ機能が考えられる。ハブは繋がっている全てのポートにデータを送るが、スイッチングハブはデータの宛先を認識し、その宛先の端末が繋がっているポートにのみデータを送る。この宛先を認識する時間として約 1.5 秒の差がでたと考えられる。したがってスイッチングハブにいくつもの端末、サーバを繋げるとこの遅延が大きくなると考えられます。
31

送信時間(s)30.5
3010Base-T HUB

29.5

10Base-T SW-HUB

29
28.5
28
１回目

図 4.18

２回目

３回目

平均

10Base-T SW-HUB と 10Base-T HUB の送信時間

伝送速度(Mbit/s)

35
30
25

10Base-T SW-HUB

20

100Base-T SW-HUB

15
10
5
0
１回目

図 4.19

２回目

３回目

平均

10Base-T SW-HUB と 100Base-T SW-HUB の伝送速度

同じく実験 1 において、10Base-T と 100Base-T のスイッチングハブを比べてみる。
10Base-T の伝送速度の 10 倍が 100Base-T の伝送速度になっているかというと、実際には
約 3.7 倍にしかなっていない。10Base-T の伝送速度は 7.84Mbps で伝送路の約 8 割使えて48

いるが、100Base-T の方は伝送速度が 29.28Mbps で伝送路スペックの約 3 割しか実データ転送能力として稼動していない ( 図 4.19 参照 )。何故 100Base-T の方は伝送路の約 3 割しか使えていないのか？原因として①送信データ量が 30MB と小さかったため、伝送速度が上がりきる前に送信が終わってしまった。②データ転送の手段として Windows のファイ
ル共有を使用したが、ファイル共有の伝送速度の限界が速くない。という 2 つが考えられた。おそらくは①が原因だったと思われる。しかし伝送速度が上がりきったとしてもファイル共有の制限要因により 5 0Mbps ぐらいが限界ではないかと思う。
実験 2 において UTP ケーブル(12m) と光ファイバ(12m) の平均値を比べると、送信時間の差は 0.2 秒であまり差はない( 図 4.20 参照 )。光ファイバの方が速いはずだが OE コン
バータを使用し電気を光に、光を電気に変換するときの遅延により遅くなっていると考えられる。ノードや端末に光ポートが装備されていれば、OE コンバータを使用したときの遅延がなくなり、送信時間の差は顕著に現れると思う。
光ファイバ(12m) と光ファイバ(50m) を比べると、送信時間の差は約 1.14 秒もあった( 図4.20 参照 )。UTP ケーブルの 50m の送信時間は測定していないので、UTP ケーブルの 12mと 50m の送信時間差は分からないが、光の速さを考えるとわずか３８ｍの違いで約１.14秒の差がでるのはおかしい。これは 2.5.2 で説明したようにコネクション型の通信によって、応答信号が何度も何度も行き来しているからだと考えられる。したがってケーブル長が３８ｍ違うことで１.14 秒もの遅延がでてもおかしくない。マルチモード光ファイバは LAN
内で 500ｍまで繋げるが、この実験の結果を参考にすると、信号転送がコネクション型で、高度の到達補償を要求する大容量データの場合、何十秒もの遅延が起こり得る。Windowsのファイル共有による伝送速度、送信時間の測定実験の結果を考えると、会社内などのス
モールＬＡＮ内で、たとえ光ファイバであっても長い伝送路になると、ファイルやアプリ
ケーションの過度の共有化は望ましくない。

12

送信時間(s)10
8

UTP 12m
光ファイバ 12m

6

光ファイバ 50m

4
2
0
１回目

２回目

図 4.20

３回目

平均

UTP ケーブル光ファイバの送信時間494.3.2

実験 3、4 の考察

実験 3 において同じ負荷がかかった状態(負荷×2)での送信データが 30MB と 125MB のときの伝送速度を比べると、送信データが大きい方が伝送速度は遅かった。しかし送信データが同じ(30MB)で負荷の数を増やしても伝送速度は落ちなかった( 図 4.21 参照 )。実験
1 の負荷がない状態と負荷が 1 のときを比べた場合約 13 Mbps 伝送速度は落ちているが、負荷 1 から負荷 2 に増やした場合伝送速度は落ちるどころか少し上がっている。この原因として 100Base-T のスイッチングハブの機能が考えられる。スイッチングハブはサーバご
35

伝送速度(Mbit/s)

30
25

送信データ30MB
負荷×0
送信データ30MB
負荷×１
送信データ30MB
負荷×２

20
15
10
5
0
１回目

２回目

３回目

平均

図 4.21

負荷数による伝送速度の変化

図 4.22スイッチングハブのスループット例

50

とに 100 Mbps のスループットを確保している( 図 4.22 参照 )。複数の端末からサーバにデータが送信されている場合１つの端末が伝送路を占有することは出来ず、送信データ量に見合った伝送路を確保している。注目する伝送データのファイルサイズ 30MB は外部負荷データのファイルサイズ 1、2GB と比べると小さく、確保できる伝送帯域はあまり差がない。そのため 30MB の送信データが負荷 1GB、2 GB の状態で送信されても伝送速度はさほど変化しなかったのではないかと考える。
実験 4 において送信データ、負荷の数を増やしていくと伝送速度は落ちた( 図 4.23 参照 )。
送信データが 30MB の場合に注目してみると負荷 1、負荷 2 のとき、50m の光ファイバよりも 12m の光ファイバの方が伝送速度の低下が激しかった。伝送路が長い方が伝送速度は低下するはずだがそのような結果は得られなかった。伝送速度に有益な差がみられない点があったがその原因として次のような事が考えられる。今回の測定実験では光ファイバのみでの測定は行えず、OE コンバータを使用して UTP ケーブルと繋げている。端末から送信されたデータは UTP ケーブルを通って光ファイバに達する。光ファイバは UTP ケーブ
ルと比べて伝送帯域が広いので伝送速度が上がる。したがってファイバ長の短い方(12m)は伝送速度が上がりきらず、長い方(50m) に比べて伝送速度が低下していたのではないか。
伝送路が短い方が長い方に比べて伝送速度が低下した理由は今のところ不明です。
負荷による伝送速度の違い
伝送速度(MB/s)

2.8
2.4

光ファイバ12m2
光ファイバ50m

1.6
1.2
30MB ×１

伝送速度(Mb/s)

30

30MB ×２ 125MB ×1
送信データ(MB)と負荷(×N)

125MB ×２

30MB送信時の負荷数による伝送速度の違い

26

光ファイバ12m

22
光ファイバ50m

18
14
負荷 0

負荷 1

図 4.23負荷 2伝送速度の違い

51

4.3.3

実験 5~7 の考察

実験 5、6 でデータ量を変化させても伝送速度はあまり変化しなかった。送信時間はデー
タ比にほぼ比例していた。ノードを重ねることによってスイッチングハブ、ルータいずれを介した場合でも伝送速度は落ちた( 図 4.24、図 4.25 参照 )。データ量に関係なくノード数が少ない方が最大伝送速度は速かった。スイッチングハブはノード数が増えることで比例的に伝送速度が低下している。ルータの場合、ルータを 1 台通ることで伝送速度は 3.7
分の 1 になり、急激に伝送速度が低下している。それ以降はスイッチングハブと同様に比
例的に伝送速度が低下している。

伝送速度(Mbit/s)

46
42
1.19GB
38
281MB
34
30
0

図 4.24

1

2

ノード数

3

ノード数による伝送速度の変化(スイッチングハブ)

伝送速度(Mbit/s)

50
40

1.19GB

30
20

281MB

10
0
0

1

2

3

4

ノード数

図 4.25ノード数による伝送速度の変化(ルータ)

実験 5 では伝送速度の上がり下がりが激しかったがこの理由は、スイッチングハブのアクセス制御方式が CSMA/CD 方式で 1 つの伝送媒体を共有するためフレーム伝送中にも衝突の検出を行っており、衝突した場合送信中止、待機、再送による遅延の影響が大きいか52

らだである。相手からの応答信号等を検出しているため伝送速度は安定していない( 図 4.26
参照 )。逆に実験 6 ではルータの伝送速度は安定していた。この理由は、ルータは一方から受信したパケットを別方向にそのまま通すことが出来るので信号の衝突がなく、競合制御
によるトラフィックの待機再送による遅延の影響が小さいからである。

ノード数0
SW-HUB(ノード数3)
ルータ(ノード数4)

SW-HUB(ノード数1)
ルータ(ノード数2)

SW-HUB(ノード数2)
ルータ(ノード数3)5045
伝送速度(Mbit/s)

40
35
30
25
20
15
10
5

42
0

36
0

30
0

24
0

18
0

12
0

60

0
送信時間(s)
図 4.26スイッチングハブとルータの伝送速度の違い

スイッチングハブはデータリンク層(MAC 層)で中継処理を行うので、ネットワーク層で中継処理を行うルータと比較すると遅延時間が小さい。そのため実験 7 でルータ間にスイッチングハブを挿入しても伝送速度はあまり低下しなかった。最大伝送速度もノード数によって変化せずほぼ同じだった。
スイッチングハブとルータを比べると、スイッチングハブの方が明らかに伝送速度が速い (図 4.27 参照 )。先ほど述べたようにスイッチングハブはデータリンク層で中継処理を、ルータはネットワーク層で中継処理を行っているため、伝送速度(Mbit/s) は一桁値が異なっている。以上のことから距離の短い局所で LAN を構築する際、ネットワーク内でルータをいくつも介するような設計は望ましくない。長距離のポイント・ポイント、ルータ間で通信する場合、高性能のスイッチングハブで端末を分散し、ギガビットクラスのルータで全体をまとめると効率の良い通信が行える。( 図 4.28 参照 )。

53

伝送速度(Mbit/s)

45

ノード数0

40

SW-HUB(ノード数1)

35

SW-HUB(ノード数2)

30

SW-HUB(ノード数3)25

ルータ(ノード数2)20

ルータ(ノード数3)

15

ルータ(ノード数4)

10
5
0
0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

送信時間(分)図 4.27スイッチングハブとルータの伝送速度と送信時間(送信データ 1.19GB)

図 4.28

効率の良いネットワーク

54

5.

まとめ

マルチポートルータの購入が出来なかったために、ネットワークの性能を測定というよ
りも、ネットワークを構成するノードやケーブルの測定を中心とする評価となった。信号を転送する際、各ノードを通る際に発生する遅延は避けられないが、考察の最後で述べたように距離、ファイルサイズ、ユーザ数等を把握し、使用する環境に合わせてシンプルな
ネットワークを設計するならば、その遅延は最低限に抑えられる。
またネットワーク機器のパフォーマンスだけでなく、端末自身にも大きな遅延の要素があることが、測定実験をしている過程で明らかになった。例えばネットワーク管理ソフトの容量が大きいせいで、当初使用していた高性能の FTP ソフトを使っている間、著しい伝送速度の低下がみられた。そのため測定には CPU、バッファに負荷のあまりかからない低機能のトラフィックモニタを代わりに使用せざるを得なかった。
上で述べたように、高速通信ハードウェアの性能を十分活用するためには、データの送受信端末が、データ転送に十分な CPU やメモリを確保することが必要不可欠であることが分かった。CPU、ディスクといった端末側のコンポーネントのどこかが能力不足に陥った
場合、そこがボトルネックとなり全体の処理能力は頭打ちとなる。従って端末上でマルチタスクを実行しながらのデータ転送は著しく送受信効率が落ちることを踏まえつつネット
ワークを利用しなければならない。
注意しなければならない点は、処理能力が頭打ちになった時、それがネットワークの能力不足なのか、それとも端末の能力不足なのかを見極める事である。端末の能力が不足しているのに伝送媒体やノードを高性能にしても効果は小さいし、逆も同様である。よって
予め各端末のコンポーネントの限界能力を調べておく事が必要であるといえる。調べておく事によって、処理能力が頭打ちになった原因が、ネットワークにあるのか、端末にあるのかが明確になる。ネットワークのどの部分で負荷がかかっているのか、正確に判断する事が出来る。これらのことを踏まえた上でネットワークを構築することが重要である。
今後は光ポート付きの ATM 対応マルチポートルータを購入することで本格的なネット
ワークの構築が可能になる。
以上の結果をふまえたうえで、今後の課題として・ セキュリティ対策
・ ATM スイッチを使った ATM-LAN の構築
・ LAN-WAN 接続時の伝送速度の測定
・ OS、メモリの負荷によるパフォーマンス低下の定量化
・ ネットワーク管理ソフトの強化などが挙げられる。

55

謝辞
最後に論文をまとめるにあたり、卒業研究、セミナーで御指導頂いた野中弘二助教授、神戸宏教授、アドバイスを頂いた濱田正典氏、正岡元氏、森本宰民氏、中野純史氏に感謝
致します。

参考文献
参考文献

TCP/IP によるネットワーク構築

第３版

Douglas Comer 著
発行所
参考文献

ネットワークシステム

著
共立出版
辻川

直輝

著

荒谷

孝夫

著

ソフト・リサーチ・センター

情報ネットワーク
発行所

訳

著-コンピュータネットワークの構成学-

LAN ネットワーク設計と性能評価
発行所

博之

渡辺和彦・坂田哲也・飯田秀樹・齋藤南哲

マルチメディア情報ネットワーク
発行所

参考文献

純・楠本

リックテレコム

村田正幸

参考文献

村井

共立出版

発行所
参考文献

/

Vol.Ⅰ

東京電機大学出版局

56