(デジタル)情報通信ネットワークの基本概念

キーワード：
インターフェース、オープンシステム、ディジタル 化、通信プロトコル、レイヤ構造、通信方式

インターネットを成り立たせるもの◼

日本のインターネットの構造
海外
インターネット

IXでの相互接続

大手ISP

中小ISP

大手ISP

IX

ISP

ISP

海外ｲﾝﾀｰﾈｯﾄへの接続

ISP

ｴﾝﾄﾞﾕｰｻﾞ
上流ISPへの加入接続
2ネットワークの登場人物
計算機
信号伝送路
計算機/アプライアンス人ネットワークの登場人物
計算機
信号伝送路
1. 伝送方式
計算機/アプライアンス➔ どうやって、信号を計算機間で伝達するか
2. 計算機システム➔ 結局、みんな計算機になっている人• 永久的な線を準備する。
– チャネル、ケーブル• 必要な時に(仮想的な)線を準備する– 電話、(古い)パケット通信• データを小包にして送りつける。
基本的には、この 3 つの方法の組み合わせ

1. 効率性
2. 選択性

1. コンピュータの接続の仕方

(1) 回線交換方式• ２地点間を回線で結ぶ
中継A

B(2) パケット交換方式• ２地点間をパケットで結ぶ
中継AB

IPパケットを用いたバケツリレーモデル• バケツリレー– 目的• バケツに汲んだ水を火のあるところへ• 空になったバケツを水のあるところへ– 動作• バケツを隣の人に渡すバケツリレーのモデル• 隣接するエンティティだけが手渡せる
1. 少しずつ目的地に向かって進む ＝＝ 全体は知る必要がない
2. 手渡すまでの責任を持てば良い＝＝ 手渡したら忘れることができる

届ける方向
A

BC

DE

IPの仕事• 指定されたコンピュータのインターフェース(IF) へデー
タ(= IPパケット=ディジタルの小包)を届ける– 相手の指定(Addressing)– データの中継(Routing)(*) ベストエフォート(最大の努力)= 届かないかもしれない。。。
• データの大きさの制限– 大きなデータは分割(Fragment)– 受け取ったら元に戻す(Reassemble)
11

『エンド・エンドには、責任を持たない』
1. 状態管理量が、爆発 しない
2. 情報の同期 が 不要

さて、回線交換 と パケット交換
どっちが、良い ?

『ベスト・エフォート』 で大丈夫!
1. 『保証型サービス』も実は『ベストエフォート』➢ 容量・能力を超えるとブロック…...災害時の問題
2. 『競争環境』 が 品質の維持・向上の鍵➢ 『選択肢』の環境➢ 『入れ替え・取り換え可能』な環境
湾岸戦争、(by オープンな モジュール構成 ) 3.11 東日本大震災

3. 常時が、『ベストエフォート』 なので、で 証明された。
非常時にも『ベストエフォート』でサービス提供➢ 品質は低くても、サービスは継続
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東日本大震災(3.11)発災 直後◼機能したもの◼ (バッテリー駆動)携帯端末◼ SNS(twitter, facebook)◼ Web◼ データセンター◼ Satellite<Source: Prof.Jun Murai>◼機能しなかったもの◼ 企業内停電対策◼ 固定・携帯 電話◼ SMS・携帯メール
14｜14

Stock Exchange in Japanese Market
around 3.11 (2011)
株価[％]（正規化値）
130

売買代金
【百万円】
6,000,000

Earthquake: 14:46
5,000,000
Market close: 15:00

120

110
4,000,000
100

東証一部売買代金
A社株価（正規化）
A社株価(正規化)

3,000,00090
B社株価（正規化）
B社株価(正規化)

80
2,000,00070

N社株価（正規化）
C社株価(正規化)※正規化は3/7の値を100として換算

1,000,000
60

050

3/7

3/8

3/9

3/10

3/11

3/14

3/15

3/16

3/17

3/1815

2．通信インスタンスの抽象化• 通信の送受信する「もの」 ： Instance (実体)– コンピュータ、携帯電話、電話交換機– グラフィックカード、USBメモリ、ネットワークカード– ソフトウェアモジュール、スレッド• 「情報」演算：– 生成、取得、伝達、分析、加工、共有• データ通信の実現に必要な3つの定義– 通信インスタンスの抽象化– 通信作法(＝通信プロトコル)の共通化– 通信作法上で交換される情報の共通化された定義と表現手法の共通化

3．システムの大規模化手法• 「スケールフリー」 への挑戦
– 同一の 定理や定式で、任意の規模のシステムを 共通に 表現可能な構造/システム/アルゴリズム• 再帰的構造定義 & 階層的構造
• 自律性
• 自立性
• 分散性

“ノード”と “リンク”の集合 == “ ネットワーク”(雲)“ノード” == “ネットワーク

AS=2014 AS=1391
AS=1998

AS=1210IX

AS=2913

AS=1018
バックボーンネットワーク (エリア 0)

サーバ

エリア1

エリア2

エリアN

バックボーンネット

キャンパスネットワーク

ダイヤルアップ接続

“リンク”
“ノード”

4．情報通信におけるディジタル化の意味• 「共通の抽象化オブジェクトの定義と共有」• 過去に経験した 「革命」
– 言語の発明– 文字の発明– 紙の発明– 印刷の発明– デジタルサンプリング(Shannonの定義)の発明– ディジタル伝送の発明

ディジタル化： 3つの特性1. 誤りのない複製 と 伝達雑音(ノイズ) の除去。 ディジタル情報の再生

2. 自律的 誤り訂正
辞書 を用いた 情報の修正/訂正

3. 伝達/伝送媒体 に関する 非依存性
「言葉」は、「音」の高さ、スピードに依存せずに伝達可能(=話者を選ばない)。「文字」は、「壁面」でも、「紙」でも、「磁気記憶装置」記録可能。
(注) 「言葉」が雑音により聞き取れない場合には、(1) 雑音強度を下げる(周りを静かにさせるなど)、(2) 耳の志向性を向上させる(手を使って集音効率を向上させるなど)、(3) 信号強度を上げる(大きな声にする、あるいは、話者が近づくなど)、(4) 別の媒体を用いる(メモを使うなど) などの手法が適用される。

デジタル化 の 意味

人間のコミュニケーション
メッセージを伝えるには• 思ったことを伝えるには– 言葉、身振り手振り、映像に込めたメッセージ– 何かを媒介して相手に伝える• なぜ、伝わるか– 言葉• 発した言葉、書かれた記事の意味と同じ意味を相手も知っている– 身振り手振り• 相手の動作がどんな意味を持つか、コンテクストやコードから推測

役割分担： 階層モデル
発話者

受話者
意思の伝達

意思の言葉への変換
言語の伝達
空気

物理的な伝達声のコミュニケーションとコンピュータネットワークのコミュニケーション
発話者

受話者

発話者

受話者

意思の伝達

意思の伝達

意思の言葉への変換

意思のデジタル情報への変換
意思のデジタル情報への変換
デジタル情報の伝達

言語の伝達

“口”

空気

“耳”

“手”

“眼”

コンピュータネットワーク

物理的な伝達信号の物理的な伝達“口” と “耳”“手” と “眼”
異なるメディアへ
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さまざまな問題への対応• 遠くに相手がいる– 送信側• 大きな声で話す• 志向性を上げる– 通信路• 減衰の小さい他の媒体を使う– 受信側• 感度を上げる• 雑音が大きい– シグナル強度を上げる– 雑音をキャンセルすれ• 言語が違う– 翻訳機を挿入する

デジタル化： 4つの特長
1. 品質劣化がない (No quality degradation)
2. メディア非依存性(Media independency)
3. 多重化の容易性 (Easy multiplexing /mixing information)
4. 安価(Cheap, i.e., cost reduction)

デジタル化の特長 (1/2)
1. 品質劣化なし(No quality degradation)–

伝送中のエラーは、完全に、かつ、自動的に修正・訂正される。
品質の悪い 音(“A”) でも、品質の良い音（”Ａ“）でも、同じものが伝送可能。

2. 情報の抽象化によるメディア非依存性––

You can transmit the information on a letter (on paper) using“fire”, even though paper is burned out by fire.
You can move the information from any media (e.g., CD-ROM)
to any other media (e.g., Hard-Disk)

Media independence
媒体(=Things)からの解放• You can chose any appropriate media for digital information.
1. Select the state-of-art technology (最新の技術を利用可能)
2. Select the available media (利用可能な媒体を選択可能)
3. Use multiple media (複数の異なる媒体を利用可能)

次に、Software Defined (Native Digital)の 世界へ

歌の伝達： “原始時代”
伝えたい情報

歌手
歌詞＋楽譜

聞き手

歌声を聴く

楽譜から歌声への変換

デジタル情報をアナログ情報へ変換

歌声

アナログ情報をアナログで伝送(品質が劣化する。。。。 )歌詞を歌声に変換(個体差が発生…)

空気31

歌声

歌の電気伝達： “アナログ”……
伝えたい情報

歌手
歌詞＋楽譜

聞き手
歌声を聴く

楽譜から歌声への変換

アナログ➔ アナログ
(AA変換)

アナログ歌声

アナログ歌声(AA変換)
電気的歌声

アナログ情報(歌声)をアナログ(電気信号)で伝送➔ e.g., アナログ放送(品質は劣化する  )電気的歌声

電気リッチコンテンツ的 伝達
歌手

伝えたい情報

歌詞＋楽譜

聞き手

歌声を聴く

楽譜から歌声への変換

アナログ歌声

アナログ歌声アナログ➔ デジタル
(AD変換)

(SPK)

(MIC)
電気的歌声(アナログ)

電気的歌声(アナログ)(DA変換)
電気的歌声(デジタル)

デジタル情報(歌声)をデジタル(電気信号)で伝送➔ e.g., デジタル放送(品質は劣化しない☺ )電気的歌声(デジタル)

ネットワーク34

歌の “Digital Native” 伝達
歌手

伝えたい情報

歌詞＋楽譜

聞き手
歌声を聴く

e.g., MIDI
アナログ歌声アナログ➔ デジタル(AD変換)(SPK)
電気的歌声(アナログ)(DA変換)
電気的歌声(デジタル)

デジタル情報(歌声)をデジタル(電気信号)で伝送➔ e.g., デジタル放送(品質は劣化しない☺ )電気的歌声(デジタル)

ネットワーク35

2種類のディジタル化が存在する
1.
••

アナログ・ネイティブ(Analogue Native)な情報のディジタル化
なんちゃって「ビットマップ」の情報
例; 音楽CD, DVD/BluRay, MP3 file,

ディジタル
The 1st Wave

➔ these are “expensive” contents, called as “rich” contents…

ディジタル・ネイティブ(Digital Native)な情報

2.
••「オブジェクト指向」の情報
例; 電子メール, MIDI, VRML, Game➔ “cheap” contents !!!!!!
➔ 容易に自力で操作可能な方向にちゃんとしたディジタル
The 2nd Wave36

デジタル化： 4つの特長
1. 品質劣化がない (No quality degradation)
2. メディア非依存性(Media independency)
3. 多重化の容易性 (Easy multiplexing /mixing information)
4. 安価(Cheap, i.e., cost reduction)

情報のデジタル化• 情報生成のデジタル化– 意味を持たないデジタルビット– 意味を持ったデジタルビット• 情報流通のデジタル化– Phase 1 ;• ハードウェアに縛られるデジタル情報– Phase 2 ; ネットワーク化• ハードウェアからの解放

“物流” 2つの大革命
2020s =Cyber-First Sharing Economy
19世紀以前 = 排他的個別網

本質は同じなんです!!
20世紀後半(1) 物理的Sharing Economy

コンテナパレット(1956年)

生産の大革命20世紀終盤(2) Cyber空間でのSharing Economy

ディジタル小包(=IP Packet)

デジタル化： 4つの特長
1. 品質劣化がない (No quality degradation)
2. メディア非依存性(Media independency)
3. 多重化の容易性 (Easy multiplexing /mixing information)
4. 安価(Cheap, i.e., cost reduction)

コストを比較してみると。。。。

携帯電話で “おはよう” を伝達
1. アナログの “音”
32 kbps x 1 秒 = 32 kbits = 4KBytes

2. ディジタルの “音”
8 kbps x 1 秒 = 8 kbits = 1 KBytes

3. ディジタルの “テキスト”, Email or SMS
2 Byte x 4 characters = 8 Bytes
コスト比較 :
- 125 倍 !
- 500 倍 !

(デジタルの音と比較して)(アナログの音と比較して)48