物理/データリンク層

ここでは、「通信」に関する話が中心。
コンピュータに関しても たくさんの話しがありますが、、、

OSIの7層モデル
レイヤ
7

アプリケーション

6

プレゼンテーション

5

セッション

4

トランスポート

3

ネットワーク2

データリンク

1

物理

Application protocol

アプリケーション

Presentation protocol

プレゼンテーション

Session protocol

セッション

Transport protocol①③⑤

ネットワークデータリンク物理②④⑥

トランスポート
ネットワーク①③

データリンク物理⑤

ネットワークデータリンク物理① : Network Layer Host-Router Protocol (e.g., ES-IS)②, ④,⑥ : サブネットプロトコル (e.g., IS-IS,NNI,)③ : Data link Layer Host-Router Protocol (e.g, UNI)
⑤ : Physical Layer Host-Router Protocol (e.g., UNI)

直接 接続されている 隣接ノードとの間でのデータ小包(Datagram)の転送

アプリケーションプロトコル

アプリケーション

物理/リンク

WiFi でもケーブルでもアプリケーション

TCP, UDP

トランスポート
ネットワーク

新しい技術を導入しやすいところIP

ネットワーク

物理/リンク

トランスポート
IP

ネットワーク

物理/リンク

図1-12 TCP/IPの4レイヤモデル
ガラスでも
無線でも

IP

ネットワーク

物理/リンク

ガラスでもプラスティッ
クでもパケットの転送方法- 輸送システムに例えると L4： アプリケーションデータ ＝＝ 輸送したいものL3： IPパケット ＝＝ 人
L2： データリンクフレーム ＝＝車、電車、飛行機
L1： 物理層 ＝＝ 道路、線路、空/滑走路必要になるもの ；(1) レイヤ間でのインターフェース
e.g., 電車への乗り方、道路の走り方(2) 乗換場所、交差点(3) レイヤの統一規格

ping telnet ftp

X

traceroute

tftp bootp smtp

NFS/RPC

OS_Kernel

TCP
ICMP
Driver

UDP
IP

IGMP

Interface
Ethernet

FDDI

SDH

FR

ATM

図1-20. インターネットシステムにおけるソフトウェア構造の例

電話局

自宅

データセンタデータセンターで 何が起こっている ?
1.

大規模化が加速✓ MW以下、数十MW、数百MW : “異なる解“2.

オープン化 と “PULL”ビジネス構造化

3.

持続継続・加速する質量増加の中での冷やす というより、『爆縮』 現象

熱を移動させる✓ 継続： ムーアの法則に！
 増加： 密度(回路・電力・熱) ＆ 速度

◼ 不変： 伝搬速度、(冷却・搬送)媒体密度

総合 格闘技Innovations in Data Center architecture
1. Open & Transparent , i.e., white xx✓✓

HW : Chip, board, server, switch, router, Electric power, HVAC
SW: Operating system, Middleware , Application

Innovations in Data Center architecture
1. Open & Transparent , i.e., white xx✓✓

HW : Chip, board, server, switch, router, Electric power, HVAC
SW: Operating system, Middleware , Application

Open & Transparent
Not only forserver/switch/router,but also for“facilities”, with DCIM

動作条件の緩和(by ASHRAE)

ASHRAE ： American Society of Heating, Refrigerating

動作条件の緩和(by ASHRAE)

コンピュータ・データセンター

冷やす
熱を掃(吐)き出す

ASHRAE ： American Society of Heating, Refrigerating

Innovations in Data Center architecture
1. Open & Transparent , i.e., white xx✓✓

HW : Chip, board, server, switch, router, Electric power, HVAC
SW: Operating system, Middleware , Application

2. Data (Storage) Centric✓ Big Data collection and analysis➢➢

Explosion of amount of data
Cross domain data integration✓ Processor/CPU centric ➔ Data/Storage centric➢Migration overhead:data >> processing image(*) Contribution of
1．VM (Software-Defined North Bridge) technology
2. Software-Defined Storage technology要は、、何が起こっているの ?
• モジュール構成の 再定義・再設計– 昔からの課題• パフォーマンス(具体的には、Bandwidth & Latency)
CPU >> メモリネットワーク >> ストレージ– 新しい(けれども昔からの)課題• 『物理的距離』• 『熱』• 『電力使用量・使用料金』

AI新時代：ファンデーション（基盤）モデル

従来AI技術からの不連続な進化
基盤モデル
2020年代深層学習
2010年代機械学習
2000年代資料： SambaNova社

現代AIはデータフローの問題

ソフトウェア 1.0••

コードで書かれている (C++, ...)
ドメインの専門知識が必要

現代AIはデータフロー（ソフトウェア2.0）••

コードではなくデータがモデルを鍛える
ニューラルネットワークの重みで記述
Andrej Karpathy. Scaled ML 2018 talk

資料： SambaNova社

AI半導体の概況
最近のAI演算におけるCPU/GPUの課題はスパ
ース性への対応と消費電力• 演算性能とメモリ性能の乖離– メモリの階層構造によりデータの遅延を隠蔽– キャッシュヒット率に依存– DENSEなGEMM（密行列計算）には最適
な構造– スパース（疎行列）では性能ギャップが露呈• 現代半導体においては、演算に必要な電力消費より、データの移動に必要な電力消費の方が遥かに大きい– いかにデータを近くに配置し、データの移動
距離を短くして演算出来るかが重要

多くのスタートアップが従来方式に代わる「AI半導体」を提案している。

資料： SambaNova社

従来手法とデータフローの違い
データフローアーキテクチャは局所性と並列性を活用
Weights

畳み込みグラフSampleWeights

Conv1

計算カーネル毎にメモリアクセスが必要なため、高速メモリを演算器の近くに配置する必要→ 高速メモリは容量が小さい

Pool

Conv 2

Norm

Sum

外部メモリアクセスが最小化できるので、高速メモリが不要 → メモリ大容量化可能

データが移動しなければ演算が発生しない→ スパース性にも強い

資料： SambaNova社

What happened in Data Center and Servers
1. Implosion(＝high density heat & power)
Missing piece……
2. IoF, Internet of Function = VM/GPU moves on the net.
➔ Energy
productivity of➔Software(code)
3. Opticaltechnologies(electron
photon)(*)ofchallenging
with USP
4. Growthdemands (Digital
Twin ➔ HW/SW robots & AI)
5. Massive
scale & energy saving◼ Bad code
6. Networking
withfat pipes (power and com.)① A lot of DCs
wastedoperations
Reduction of②
Lessflexibility
7. WhiteBox (customization with common
tech.s)① Operational Power
Good code✓Includingmodulization and pre-fabric construction② Total System Resource,① Small wasted operation
8. Migrate
DCs beside Renewal Energy
sourcesi.e., embodied carbon② Good flexibility

9. Open system (not only IT, but also OT)
10. Hybrid and diverse of DC profiles

Python vs. Unicage by USP
work

Unicage by USP

PythonCount number of raws in 20GB file

1

16.7

Sort 5GB file

1

48.89

Pick corresponding raws in 20GB file

1

More than 140(not completed)

Transform to CSV format file from
10GB file

1

53.22

26

OCP (Open Compute Project)に代表される、DevOps型の 設計・実装
汎用品・技術による カスタマイズ化(e.g., マイクロ・ファブ化)
Driven by GAFA+M+BAT
USA: Google, Amazon, Facebook, Apple, MS
China: Baidu, Alibaba, Tencent(WeChat)

DevOps: Eco-System New Supply-Chain

User defined

PUSH(Supply-Chain)⇨ PULL(Demand-Chain)
Pressure

サービス

コンピューティング･リソース

Vendor defined
価値の変換

PressureGoogle の 最初のサーバ(Computer Museum in California)

29

Google の 最初のサーバ(Computer Museum in California)

30

Open COMPUTE SERVER
12U24ノード 19インチ幅
2U4ノード22インチ幅
Open Compute Project仕様 Microsoft
Open Compute Project仕様
Quanta社製
GigaByte社製

2U3ノード 22インチ幅
Open Compute Project仕様Quanta社製
32

Microsoft OCP & Cloud Server

Microsoft OCPにコントリビュート
chassis v1.0
Blade v1.0
JBOD v1.0
Chassis Management v1.0
Network Mezzanine v1.0
SAS Mezzanine v1.0
Chassis Management Software source code
出典：https://gigaom.com/2014/01/27/microsoft-the-software-king-wants-to-tell-the-world-how-to-build-servers/

資料： OCP Japan 座長 藤田龍太郎 氏

Yosemite/

1S ServerIntel Xeon D-1500 SoC
HighPowered-SoC Micro
Server 210×110mm M.2 SSD
10GbE 65W

OpenRackV2 192 SoC servers
PCI-Express x16 mechanical slots
X86 （ARM, Power）
40GbE Mellanox C-4 hybrid mezzaninecard 400W
intel created with Xeon D processor and worked with Quanta to design the board
and to get the microserver manufactured.
出典：https://code.facebook.com/posts/1616052405274961/introducing-yosemite-the-first-open-source-modular-chassis-for-high-powered-microservers-/
Facebook
and Quanta designed the sideplane and the hybrid mezzanine card along with Mellanox.
資料： OCP Japan 座長 藤田龍太郎 氏

TOR SW Wedge
Merchant Silicon
Trident II
1.28TbpsASIC
40Gbps×16
X86 Micro Server
OCP Group Hug
SoftwareFBOSS(Facebook)
ONIE
Open Network Linux

Baseboard Management Controller
OpenBMC
標準的なLinuxベースのOSでスイッチをプロビジョニング

With “FBOSS,” all our
infrastructure
出典：https://code.facebook.com/posts/681382905244727/introducing-wedge-and-fboss-the-next-steps-toward-a-disaggregated-network/
software engineers instantly
資料： OCP Japan
座長 藤田龍太郎
氏
becomenetwork
engineers.

OpenRack外観
パワーゾーン単位に分割

Knox (Open Vault)
Cold Storage用サーバ

OCP のサーバーとラック

ネジを１本も使わずに
キッティング
フタもなければ、
フロントパネルもない

出典：http://wp.me/pwo1E-2Ku

資料： OCP Japan 座長 藤田龍太

Power shelfPower modules and Li-ON batteries in the same shelf
Single 12V Busbar output(535A)
Three-phase input
2+1 Redundancy + batteries
534mm x 612mm x 19mm

資料： OCP Japan 座長 藤田龍太郎 氏

Rack Disaggregation

資料： OCP Japan 座長 藤田龍太郎 氏

Oregon PRN 1 の冷却システム
人工ミストによる気化熱を利用

出典：http://wp.me/pwo1E-2Ku

資料： OCP Japan 座長 藤田龍太郎 氏

Google

熱交換コイル
ラック背後のファン群

ホットアイル

床下から冷却水
隙間が空いている
3ラックで1クラスタを構成？

43

Amzon Web Service向け Tesla リチウムイオン蓄電池センター 4.8MWh

テスラ家庭向け蓄電装置
2.5KWh10KWh
来年約40万円で発売予定
出所：Tesla Energy http://www.teslamotors.com/presskit/teslaenergy
出所： http://www.gizmodo.jp/2015/05/power_wallpower_packgigafactor.html

57

米国APPLEデータセンタは、再生可能エネルギーで稼働

燃料電池と太陽光発電(計２０MW)
2012年以降、すべてのAppleのデータセンターに供給される電力は、再生可能エネルギー資源で100パーセントまかなわれています。
出所：DataCenterKnowledge
APPLEと環境
http://www.apple.com/jp/environment/renewable-energy/58

Google••••デジタル化による炭素排出量大幅削減

企業や自治体がオンプレミスからGoogle Appsに移行することで最大85％の省エネ効果を達成できると、グーグルが試算している。
グーグルは2021年6月27日、企業や自治体がオンプレミスからGoogle Appsに移行することで最大85％の省エネ効果を達成できるとする試算結果をブログで紹介した。「クラウドサービスの利用で作業効率の向上に加え、エネルギー消費量や二酸化炭素の排出量の減少とコスト削減につながる」としている。
試算によれば、企業や自治体がメールシステムをオンプレミスからGmailに移行することで、最大80倍のエネルギー効率が得られるという。さらにオフィスアプ
リケーションを含めてオンプレミスからGoogle Appsに移行すれば、省エネ効果
は65～85％に達するとした。
同社によると、1万7000人の「Google Apps for Government」ユーザーがいる米国一般調達局（GSA）ではオンプレミスからの移行で二酸化炭素排出量が85％削減され、年間想定では28万5000ドルのコスト削減効果につながったとしている。

Google••2021年4月
23日

米グーグルは同社における「脱炭素」の進捗状況を20214月20日（米国時間）に発表した。2030年までにデータセンター（DC）やオフィスなどを二酸化炭素（CO2）を排出しないカーボン・フリー・エネルギーで24時間365日運営する目標を掲げており、既に5カ所のDCでその目標をほぼ達成したとする。
進捗状況はスンダー・ピチャイ最高経営責任者（CEO）名義のブログで発表した。
グーグルは脱炭素の取り組みを3つのステップに分類している。
① 第1ステップは自社が排出するCO2に相当するカーボンオフセット(CO2排出権)を購入する「カーボンニュートラル」で、グーグルは07年になし遂げた。
② 第2ステップは同社の年間電力使用量に相当する再生可能エネルギーを購入する「100%リニューアブル（再生可能エネルギー）」で17年に達成した。

【クラウド型データセンターが都会から疎開可能になった!!】➔ DataCenter-Go-to-RenewalEnergyPowerPlant(REPP)③ そして第3ステップとしてDCやオフィスが消費する電力を常時クリーンエネルギ
ーでまかなう「24/7 カーボンフリー(24時間365日脱炭素)」を30年までに達成する。

To Japan

Kajanni

Helsinki
外部用
スパコン

1. 100% 水冷
2. 非常用自家発電機は無し(データバクアップは有り)
3. 場所・電力の拡張性 有り

政府
スパコン
1. 陸ファイバー ： 既存
2. C-Lion Subsea Cable➔ Amsterdam, London,
Zurich, etc.,
3. atnorth(Helsinki) とも連携
(含 量子 IQM&VTT)
4. Microsoftが 3つのDCを
Helsinkiに新設を発表

visited September 20(Wed), 2023
 100%水冷 ( HPCに特化) 簡易な施設構成(UPC,自家発) 電気代： 1/5 ～ 1/7 !!!
✓ 30 € MWh (5-7円/kWh) from PPA✓ 日本 35円/kWh✓ Carbon “Negative” も発生 製紙工場の跡地を再利用✓ 工場の躯体をそのまま利用✓ 250MWの(既存)電力引き込み✓ 100% 再生可能エネルギー電力

 地域冷暖房システムへの 熱供給✓ 夏季も販売可能(病院や宿泊施設等)✓ 大きな 税制優遇(22 € ➔ 0.6 € /MWh)✓ 拡大予定(雪の意
味)過去&現在の Google の戦略
1. Follow the Moon
✓ 夜は温度が下がるね

2. Go to North✓ 北は 温度が低いのよね

3. Follow the Sun with stable Wind, Water✓ 再生可能エネルギーの場所に移動しよう！

4. Generate, terminate and migrate over the globe✓ 電力需給 に 協力いたしましょうか?
すべては、仮想化技術の おかげ！

ドイツの会社（BMW)

大事で速い
仕事は
近い場所の
{dark-sideの}DC

Non-Criticalな仕事は、遠いけども、安い(Cheep)
Green＆Cleanな DC

Transfer DCs to energy clean sites (Iceland & Sweden)✓ 100％ Renewal Energy (Hydro & Geothermal）

1. Gentle & contribute to Earth✓ by use of renewal energy (RE-100)✓ by use of cool air (EP-100)

2. Cost& Productivity(EP-x000)

Replacing power cable (copper)
totele-communication cable (glass)移動に必要なエネルギー=Energy Productivity

荷物
Material》

電力
Electricity
Power)

(

x0000

:

x00

》

通信

Digital bits
(digital Function):1

質量(g)

質量比

陽子/中性子1.673x10-24

1,840 (=1.8x10-3)電子

9.109x10-28

1

光子

0 < m < 2x10-51＞ 2.198x10-24

モノ
電流
(電子)
電磁波(光子)(ガラス中)

速度 (Km/h)
3630万(=3x105 )0.0075 mm/sec
30万(=3x105)
20万(=2x105)

速度 (m/sec)
10
3x108
7.5x10-5
3x108
2x108

速度比
1
3,000万1/750万3,000万2,000万Asian Super Power Grid Plan (2017)73

Asian Super Power Grid Plan
(2017)
Gas,PV,Wind
HVD
C

西電 東送
Oil

w/ HDVC
74

東数 西算(2021 第13期全人代)

DataResults75

As a デジタル田園都市国家構想(Digital Garden City
Initiative)

Electric Power

Information（出所）電力広域的運営推進機関：広域系統長期方針（広域連系系統のマスタープラン）（案）(2023.3)
北海道ニュートピアデータセンター研究会提言書：「北海道をデータセンターのパラダイスに」（2022.4)

77

As a デジタル田園都市国家構想(Digital Garden City
Initiative)

Electric Power

Information“Cost”》（出所）電力広域的運営推進機関：広域系統長期方針（広域連系系統のマスタープラン）（案）(2023.3)
北海道ニュートピアデータセンター研究会提言書：「北海道をデータセンターのパラダイスに」（2022.4)

78

Electrical Power shortage in spring and winter in Japan
•

２０２２年再エネ出力制御は四国・中国・東北・北海道電力管内に拡大

Jan. to July in 2022２ 各地の出力制御回数
北海道
東北
中国
四国

Large RE Area

九州
0

10

20

30

40

50

Large RE Area

【資料】 ビットメディア 代表取締役社長 高野 雅晴 氏
第４回イベント (2022年9月28日)「データセンターの地域エネルギー貢献」

79Electrical Power shortage in spring and winter in Japan
•

２０２２年再エネ出力制御は四国・中国・東北・北海道電力管内に拡大

Jan. to July in 2022２ 各地の出力制御回数
北海道
東北
中国
四国

Large RE Area

九州
0

10

20

30

40

50

Large RE Area
Large Demand Area
【資料】 ビットメディア 代表取締役社長 高野 雅晴 氏
第４回イベント (2022年9月28日)「データセンターの地域エネルギー貢献」

80Data Center in rural area can help !!!
DC RE Micro-Grid
SurplusRE
We need very expensive
power transmission
infrastructure

Demands:

DC@ruralComputation

We transfer
computational
demands

Electric

Computation

SurplusRE

DC@rural

We transfer
valuable results

Computation

DC RE Micro-Grid【資料】 ビットメディア 代表取締役社長 高野 雅晴 氏
第４回イベント (2022年9月28日)「データセンターの地域エネルギー貢献」

81

100

1

Energy x Digital

EV as new component
for new markets【Operating rate】• Private: 4～5%• Commercial : 24％

1. Batterya. Emergency
b. DR(Demand Response)

2. Computation

Reuse of used EV battery at Amsterdam stadium◼ {Electric} Power distribution base
Capacity of EV’s used battery packs✓3MWh only with 148 EVs✓100KW in peak per EV✓20KW in average per EV

1. Normal situation;
Power DR (Demand Response)

2. Emergency case;
Local self power supply

400V & 12V DC System
100 KW in Peak
30 KW for continuous↓

30 Housesby 50cm x 50 cm x 50cm

86

Legacy

300～500 MW

Now

1.0 ～ 1.5 GW

Hydrogen (Kurobe)

335 MW

Nuclear

500MW ～ 1.0 GW

HydrogenNissanLeaf

Macro
Parking
Lots
NissanLeaf(100 cars)

Ave.

225 MW

Peak

750 MW

Nissan Leaf： Ave. 30 KWh / car
Total No. of Leafs： 350,000(Worldwide)
75,000 (in Japan)(*) as of Sept.2016.
Ave.
3 MW
Peak

10 MW

HONDA FCV
30 kW (Ave.)
100 kW (Peak)

①Battery x ②Computation x ③Mobility
50,000 powertransmission
towersPower gridHub

EV mobile
battery
network

DC
Hub
Power
station1st life
Communication
network

Mobile battery

600 million
Utility poles

Grid operator

GW

Service providor（出所）岡本(2021)「GRIDで理解する電力システム」、電気新聞出版

88

①Battery x ②Computation x ③Mobility
50,000 powertransmission
towersst life1◆ Nissan EV：30kW(Ave.), {100kW(Peak)}, 100kWh

Communication
Power gridDC
Hub
network6
Hub
1. 10 (1 millions)：30GW(Ave.), 100 GWh(Peak)EV ➢mobilePowerbattery(=9GWh) x 10
Pumped storage
power inMobile
TEPCO
stationbattery➢ Kurobe Dam@Japan(=335MW) x 10
600 million
network
Grid operator
Utility poles
2. 100 EVs ： 3MW(Ave.), {30MW(Peak}
Service providor➢ Eng.No.2 Bldg (12F)： 700kWGW(≒35 EVs)➢ Hongo Campus(No.2 in Tokyo)：30MW (≒1 k EVs)

（出所）岡本(2021)「GRIDで理解する電力システム」、電気新聞出版

89

①Battery x ②Computation x ③Mobility
50,000 powertransmission(by AMD@CES2023)
FLOPS
towershttps://car.watch.impress.co.jp/docs/news/1469629.html
DC
Hub
Hub

◆ TeslaPower grid： 10 T13(10 )1st life

Communication
network18◆ 富岳(No.3 Super Computer)： 1,000 PFLOPS (10 )EV mobile
Power
Mobile battery➢ 3 TFLOPS/node
stationbattery5)➢ 158,976600
nodes(1.5x10
millionnetworkhttps://www.fujitsu.com/jp/about/businesspolicy/tech/fugaku/specifications/
Grid operator
Utility poles
GW

Service providor

100k(=105) Tesla ≒ 富岳(No.3 Super Computer)（出所）岡本(2021)「GRIDで理解する電力システム」、電気新聞出版90

金銭コスト
温室効果ガス排出量

鉄道、道路 vs(列車) (自動車)(ドローン)
光ファイバ網 vs

空港、港湾 vs ｛不要｝
(飛行機) (船舶)
携帯無線網 vs 衛星&WiFi網

同期型送配電網 vs 地域電力網 vs 移動型電力源
(日本型)
(米国型)
(EV電力網)【{固定}点】【{移動}点】【面】
敷設・維持・変更コストの減少＝地球温暖化ガス排出量の削減

移動能力の変化/進化【コンピュータ(計算)】1950-1990

メインフレーム/WS
地面への恒久的拘束

1990～
ノートブック2000～
VM(Virtual Machine)

地面からのHWの解放

SWのHWからの解放【UPS/バッテリー/蓄電】
1800～
自家発
化石燃料とのバンドル(拘束)2000～設置(化石燃料)発電設備
からの解放

2025～
自走
地面への拘束からの解放as 2nd life

High capacity
mobile battery
packagesas 2nd life

High capacity
mobile battery
packages

Recycling
market for usedbattery packages inEVs
as the 2nd life !!!!

Transfer cost ... ...
= Energy Productivity…

Electricity >> Digital bits
x00

:

1

1. 物理伝送媒体

減衰量(dB/km)

1M
1000
100
10

10M 100M

周波数(Hz)
1G 10G 100G

ル
ブ
ー
ケ
線
ア
ル
ペ
ブ
ー
ケ
同軸

1T

10T 100T

1P

降雨による減衰(100mm/H)
光ファイバ

無線

1
大気による減衰
0.1

ペア線

1M

同軸

メタリック
無線

10M 100M 1G 10G 100G
伝送速度(bps)

光ファイバ
1T 10T 100T

1P

通信速度
（bit/s）
100M

光ファイバ
VDSL
無線LAN
（5GHz帯）
CATV

10M

1M

ITS
(DSRC)

無線LAN（2.4GHz帯）

ADSL

電力線
Bluetooth
IMT-2000

距離
100m

1km

10km

Optical Networking at Double
Moore’s Law• Moore’s Law says that computer speed=2x every 18
months, and the cost = 50%• John Roth, president and chief executive officer, says that
Nortel Networks is moving at twice the speed of Moore's
Law, doubling the capacity of its fiber-optic systems andhalving the cost every nine months.
• Networks: 3 years=16x capacity, % cost
– Computers: 3 years=4x speed, 25% cost

• Networks: 6 years=256x capacity, >% cost
– Computers: 6 years=16x speed, 6% cost
Source: HPCwire hpcwire@tgc.com>

FTTHの経済化
10【経済化技術】
・光PDS技術・光ﾌｧｲﾊﾞ関連技術
・建設技術
・光部品技術・LSI技術

１
加
入
あ
た
り
の 5
創
設
コ
ス
ト
比

メタルコスト

1
0

1995

FTTH

1997
FTTH πｼｽﾃﾑの切り出し（電柱までの光化）

1999～2000

FTTH

2. 信号伝送方式

2.1 伝送方式(1) ベースバンド方式
データを電圧パルスの情報に符号化して転送(2) 帯域(変調)方式
ある周波数の正弦波(搬送波)を、伝送したい
データを用いて変化させる(変調)方式。
- 搬送波の振幅を変調 ： ASK (Amplitude Shift Keying)- 搬送波の位相を変調 ： PSK (Phase Shift Keying)- PSK＋ASK ： QAM(Quadrature Amplitude Modulation)複素空間で考えると。
iSc(t) = a sin(ωct)ωcta複素空間で考えると。
i
ωct

“1”

a
“0”

(*) ON/OFFで、”0” と “1”
を伝送。

i

ωct

A(t)= a sin(ωct) の正弦波を変調伝送すると

a

So(t) = A(t) sin(ωct)= a sin(ωot)・ sin(ωct)= a {cos(ωo+ωc）t - cos(ωo-ωc）t}

A(t)

搬送波：
Sc(t) = a sin(ωct)ωo+ωc と ωo-ωc の周波数
振幅

a

a
ω0

ω
角速度

ω0

~
~

振幅

ωc-ω0

ω0

ωc ωc+ω0 ω
角速度

図6-1. 振幅変調方式(アナログ正弦波の伝送例)

Sc(t) = A(t) sin(ωct) ・・ {if A(t)= a sinωot }= a sin(ωot)・ sin(ωct)= a {cos(ωo+ωc）t - cos(ωo - ωc）t}

ωo+ωc と ωo-ωc の周波数
ω0

振幅

振幅

ω0

ω0 ω
角速度

~
~

a
ωc-ω0

ωc

ωc+ω0 ω角速度

複素空間で考えると。
iωct
3➔”11”a2➔“10”
0➔“00”

1➔“01”(*) 振幅値がシンボルに対応

複素空間で考えると。
π/2➔“01”iωct
0➔“00”π➔“10”a(*) 位相値がシンボルに対応

3π/2➔”11”複素空間で考えると。
i(*) 位相値ｘ振幅値がシンボルに対応

a

i

i

ωct
3➔”11”π➔“10”

π/2➔“01”

ωct
0➔“00”aa2➔“10”0➔“00”

1➔“01”
3π/2➔”11”(a) 振幅値がシンボルに対応

i(b) 位相値がシンボルに対応a
図6-4. モデム伝送 (振幅x位相)(c) 位相値ｘ振幅値がシンボルに対応

どれだけ情報を送ることができるか？

• 通信資源を占有しても
1.
2.
3.

伝送中に信号が減衰する
周波数によって減衰量が異なるため波形が歪む
周囲からの雑音が混入する• 広い周波数帯域を使えば速く送れる
121

どれだけ情報を送ることができるか？

• 通信資源を占有しても
1.
2.
3.

1. 周波数が大きくなると、粒子性が出てくる。 遠くに飛ばしにくくなる。
2. 周波数が低いと、波の性質で、障害物があっても回り込める。

伝送中に信号が減衰する
周波数によって減衰量が異なるため波形が歪む
周囲からの雑音が混入する• 広い周波数帯域を使えば速く送れる
122

雑音

• 歪み・エコー– きちんと計算すれば除去可能• 近端漏話・遠端漏話

1．有線が 無線より優位
2．5G では MIMOとアンテナ技術で指向性を持たせる– チャンネルを分けることで対策可能• 周囲からの雑音– 一旦混入すると除去困難  アナログ
123

MIMO
(Multiple Input Multiple Output)
h11
t1

h12

r1

t2

h21

r2

 r1   h11
  = 
 r2   h21

h22

h12  t1   t1   h11     = h22  t 2   t 2   h21

h12 

h22 

−1

 r1 
 
 r2 
124

小ゾーン方式
ch1~3
ch4~6
ch7~9

ch4~6
ch7~9

ch1~3

ch1~9

ch4~6

ch7~9
ch1~3

ch4~6

ch7~9
ch1~3

ch4~6

ch7~9
ch1~3

ch4~6

ch1~3
ch4~6

ch7~9

• 大ゾーン方式
9人までサービス可能• 小ゾーン方式
57人までサービス可能125

小ゾーン方式

なので、5G は大変なんです。
1. たくさんの基地局
2. 粒子に近い電波(28GHz帯)
負： 減衰(見通じゃないと)
正： 反射を利用
3. 電気もたくさん消費。。
ch1~9

ch1~3
ch4~6
ch7~9

ch4~6
ch7~9

ch1~3
ch4~6

ch7~9
ch1~3

ch4~6

ch7~9
ch1~3

ch4~6

ch7~9
ch1~3

ch4~6

ch1~3
ch4~6

ch7~9

• 大ゾーン方式
9人までサービス可能• 小ゾーン方式
57人までサービス可能
126

無線• 携帯電話– PDC: 28800bps、数km– PHS: 128kbps、数百m– 3G: 最大数Mbps 、数km

1. 2.4GHz帯は、他の機器(e.g., 電子レンジ)も使っている。
2. 同じ周波数帯を使っていても知恵を絞れば。

• 無線LAN– IEEE 802.11b: 2.4GHz帯、11Mbps、数十m– IEEE 802.11a: 5GHz帯、54Mbps、屋内のみ– IEEE 802.11g: 2.4GHz帯、54Mbps、屋外可– IEEE 802.11n: 130～600Mbps、MIMO(Multiple Input
Multiple Output)
127

IEEE802.11 FHSS方式

Frequency

fn

f2
f1
f0

Time

2.2 同期方式(1) ビット同期
ビット単位での同期を確立する。
(2) ブロック同期
キャラクターなどの伝送単位での同期を確立する。

(a) Synchronous 転送
送受信が、同一のクロック(同期したクロック)を持つ(b) Asynchronous 同期
送受信は、同一なクロックを持たない。

3. 多重化方式

多重化：
複数の信号のフローが一つの資源を共有しながら、混信せずに転送される

1. 空間
2. 時間
3. 周波数4. 符号【重要な点】
直行する空間直行空間でない場合には、干渉が起こって、信号誤りが発生

(a)同期形多重方式
フレーム周期スロット(b)フレーム多重方式
フレーム
ラベル

電
力
密
度

時間
(1) 時分割多重方式(2) 周波電力
密度

周波数/波長
図6-6. 周波数/波長多重(FDM; Frequency Division Multiplexing)(WDM; Wave Length Division Multiplexing)

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
方式の概要

IEEE802.11 FHSS方式

Frequency

fn

f2
f1
f0

Time

電
力
密
度

周波数/波長

図6-7. 符号多重(CDM： Code Division Multiplexing)

DS-SS方式の概要
二次変調
（拡散）

一次
変調 (1)PSK、FSK
など
入力信号

二次復調
（逆拡散）

(2)

FR

FR

PN
符号

(3)

(4)

同期

BPF

(5)

一次 出力信号
復調

PN
符号
ノイズ

f
(1) 一時変換の周波数スペクトルf(2) 拡散された二次信号のス
ペクトルf(3) 受信信号の周波数スペ
クトル（雑音を受けた状態）

ノイズ(4) 二次復調信号スペクトル

PSK：Phase Shift Keying
FSK：Frequency Shift Keyingff(5) バンドパスフィルタ通過後の信号伝送速度が上がると。。。!!
◆Shannon の Sampling Theory➢信号の周波数帯域幅の 2倍の周波数で サン
プリングすれば、元波形を完全に再現可能。

伝送したいアナログ信号を デジタル化(AD変換)、IPパケットにデジタルビットを収納して伝送、DA変換を行い元波形を再生可能。
＝ PHY over IP が実現可能

4. メディアアクセス制御方式～共有資源を複数で共有～• 固定スロット割り当て方式• コンテンション方式– CSMA/CD ： Carrier Sense Multiple Accesswith Contention Detection• トークン方式

データリンクの形態• P2P Link (Point-to-Point Link)– デジタル専用線、糸電話• NBMA(Non Broadcast Multiple Access)– 電話リンク• BMA(Broadcast Multiple Access)– イーサーネット、FDDI

フレーム構成
96ビット 64ビット 48ビット 48ビット 16 46～1500バイト 32ビット

搬送波検知 1010…1011

宛先

送信元

データ

誤り検出

プリアンブル≦1500: データ部の長さ（802.3形式）＞1500: プロトコル種別（Ethernet形式）

クロック 同期 ！
いつも大変な問題

141

MACアドレスネットワーク中での伝送順
製造元コード22ビット

製品固有番号24ビット

00000000 11000000 11001001 11010110 01000001 01000100

00000000 00000011 10010011 01101011 10000010 00100010

表記法 00:03:93:6b:82:22 または 00-03-93-6b-82-22
マルチキャストアドレス
1

プロトコル

マルチキャストグループ

ブロードキャストアドレス
11111111 11111111 11111111 11111111 11111111 11111111
142アプリケーションプロトコル

アプリケーション

TCP, UDP

トランスポート
ネットワーク

物理/リンクアプリケーションIP

ネットワーク

物理/リンク

トランスポート
IP

ネットワークIP

物理/リンク

MACアドレスの利用は、ローカルのみだけど、グローバルユニークな値(*)最近はnon-global unique
図1-12
TCP/IPの4レイヤモデル

ネットワーク

物理/リンクネットワーク レイヤ- IP (Internet Protocol) (1) IP (Internet Protocol)(2) Addressing→ (3) ARP(IPv4), ND(IPv6)(4) Routing(5) Address Discovery (e.g., DHCP)(6) ICMP/IGMP

144

経路表には、転送先のIPアド
レスの情報がある。
実際の送信には、物理/リンク
レイヤのアドレスが必要。
アプリケーションプロトコル

アプリケーション

TCP, UDP

トランスポート
ネットワーク

物理/リンクアプリケーションIP

ネットワーク

物理/リンク

トランスポート
IP

ネットワーク

物理/リンク

図1-12 TCP/IPの4レイヤモデル

IP

ネットワーク

物理/リンクARP(Address Resolution Protocol)
RARP(Reverse ARP)
32 bit Internet Address
ARP(RFC826): 192.220.20.161

RARP(RFC903)48-bit Ethernet Address:

18:0:20:3:F6:42(*) IPv6 では、Neighbor Discovery Protocol が提供
146

ARP when we use ｆｔｐ

host_name(1) resolve destination IP address
host_name(2) establish TCP session(1)
resolverFTP(3) send IP datagram to IP module
IP_addr(2)(4) send IP datagram to ARP moduleTCP(5) send ARP request to Ether driver(3)(6) send ARP request to Ethernet(4) IP(7) ARP reply from destination hostARP(8) send IP datagram to dst_tcp_module(5)
ARP_request
Ethernetdriver

ARP

Ethernetdriver(6)
Ethernetdriver

(7)
ARP

(8)
IP
147

FTP

IDの解決1. Words ⇔ URL(Uniform Resource Locator)– 検索エンジン(*) URL ⊃ FQDN

2. ドメイン名(domain名) ⇔ネットワーク(IP address)– DNS(Domain Name Service)(*) FQDN(Fully Qualified Domain Name)

3. ネットワーク(IP address) ⇔ リンク(MAC address)– IPv4 by ARP (Address Resolution Protocol)– IPv6 by ND(Neighbor Discovery)4. メディアアクセス制御方式• 固定スロット割り当て方式• コンテンション方式– CSMA/CD ： Carrier Sense Multiple Accesswith Contention Detection• トークン方式

FDDI(Fiber Distributed Data Interface)• デュアルリング• 1.3m帯62.5／125m光ファイバ、ノード間
2km

150

トークンパッシング• トークン: 送信権を表す特殊なパケット– トークンを獲得したステーションはトークン保持時間（＝トークン周回目標時間 ー トークン周回時間）の間送信できる• データを受け取ったステーションはフレームステータスを設定する– E: エラー– A: 自分宛であることを認識– C: 受信確認151

トークンパッシング（続き）• データを送り終わったらトークンを送出（アーリーリリース）• 送信データが1周して戻ってきたら取り除く• 同期伝送: あらかじめ予約した時間だけ送信権を得る(リアルタイムデータ用)

152

フレーム構成• 4B5B符号化 → データに現れないパター
ンを制御信号に使用• MSB First（アドレスだけはLSBから）• 最大長4500バイト
64ビット 8 8 48ビット 48ビット
プリアンブル

宛先

送信元

スタート フレーム
デリミタ コントロール

32ビット 4 12
データ

誤り検出
エンド
フレーム
デリミタ ステータス153

5. 誤り訂正方式• ARQ (Automatic Repeat reQuest）– 再送による誤り回復– CRC(Cyclic Redundancy Check)による判定• FEC (Forward Error Correction)– ハミング距離(シンボル間の距離)が大きいほど訂正能力が大きい

ハミング距離• 2進符号語間のハミング距離：対応するビットが何箇所異なっているか
符号語1： 1 0 1 1 0 1 1 0
符号語2： 0 1 1 1 0 0 1 1
1 1 0 0 0 1 0 1 → ハミング距離 4• 符号全体のハミング距離：符号語間のハミング距離の最小値
155

誤り検出符号、誤り訂正符号• mデータビット＋r冗長ビット=nビット• dビットの誤り検出→距離d+1が必要• dビットの誤り訂正→距離2d+1が必要
ex. m+r=3, d=1
110
100

101
010

000

110

111
100

101
010

011
001

111

000

011
001
156

Cyclic Redundancy Check• 偶数パリティ：偶3進数に対応– 10110001=37+35+34+1=2512• nビットの符号語をn-1次式と見なす– a1xn-1+a2xn-2+…+an-1x+an• 符号語がr次の生成多項式G(x)で「割り切れる」ようにする– xrM(x)をG(x)で割った余りをxrM(x)から引く
158

Cyclic Redundancy Checkの例• 送るべきデータ

1 1 0 0 0 0 1 0 1 010011 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0
1 0 0 1 1

1101011011• 生成多項式
10011• データに0を4ビット付加
11010110110000• 余りを引いて送信
11010110111110

1 0 0 1 1
1 0 0 1 1
0 0 0 0 1
0 0 0 0 0
0 0 0 1 0
0 0 0 0 0
0 0 1 0 1
0 0 0 0 0
0 1 0 1 1
0 0 0 0 0
1 0 1 1 0
1 0 0 1 10 1 0 1 0
0 0 0 0 0
1 0 1 0 0
1 0 0 1 1
0 1 1 1 0
0 0 0 0 0
1 1 1 0余り

159

Cyclic Redundancy Check• 誤りE(x)がG(x)で割り切れなければ検出可能– G(x)=(x+1)Q(x)なら全ての奇数ビット誤りを検出可能– 長さ≦rの全てのバースト誤りを検出可能• xi(xk−1+…+1)• G(x)の例– x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x
2+x+1
160

ハードウェア
• G(x)=x4+x+1の例
x4

x3

x2

x1

x0

+

+

161

6.有線系データリンク

データ中継装置• リピータ ： 信号の増幅のみを行う• ブリッジ ； リンクフレームの単純なリレー– IEEE802 スパニングツリー• ルータ ； IPパケットの転送• ゲートウェイ ； TCPヘッダ以上の情報で転送• スイッチ ; ポートからポートへの転送データリンクの種類(1)• LANリンク– Ethernet / IEEE802.3– トークンバス (IEEE802.4)– トークンリング (IEEE802.5 by IBM)
– FDDI (by ANSI)– ファイバチャネル (by ANSI)– HSSI (by Cisco)– IEEE1394 (i.e., i-Link、Firewire)– USB
ParallelversusSerial– BlueTooth

クロックが高速になると serialへ

ストーレジi. Hot Storage① CMOS② SSD (Solid State Storage)(1) 揮発性(2) 不揮発性③ HDD (Hard Disk Storage)
・・・ アクセスがない時は 止まる(➔ cold)

ii. Cold Storage➔ Cold Storage だけの データセンターも登場。
① ディスク② テープ

２．ストレージの仕組み

2.1 磁気ディスク装置(HDD)とは
HDDは、ヘッド、メディア、機構系等から構成され、材料、電気、機械、制御等の最先端総合技術の集大成。

カバー
磁気ディ スク
ｷｬﾘｯｼﾞ
ｱｸﾁｭｴｰﾀ

記録再生回路（R/W-IC）

ﾎﾞｲｽｺｲﾙ
ﾓｰﾀ
(VCM)

フィ ルタ

磁気ヘッ ドｻｽﾍﾟﾝｼｮﾝ
配線

磁気ﾃﾞｨｽｸ
ｽﾍﾟｰｻ

ｽﾋﾟ ﾝﾄﾞﾙﾓｰﾀ

ﾌﾟﾘﾝﾄ基板(ｲﾝﾀﾌｪｰｽ、制御回路等)

168

２．ストレージの仕組み(1)HDD技術：ヘッドと円板のすきま
磁気ヘッ
ド

Disk

磁気ヘッ
ド
煙粒
(0.1～1μm)
バクテリア
(0.5～
10μm)

浮上高
(0.015μm)

指紋(10～15μm)
Disk

169

髪の毛
(70～100μm)

２．ストレージの仕組み(2)HDD技術：低浮上技術のイメージ(例)

1.25mm
磁気ヘッド

空気

～15nm
(保護膜: ～6nm）

メディア

x 56,00070m～0.9mm地面

170

２．ストレージの仕組み(3)HDD技術：位置決め技術のイメージ－ ナノメカニクス制御の世界 －位置決め精度ﾃﾞｨｽｸ
ﾍｯﾄﾞ
ｷｬｯﾘｼﾞ/ｻｽﾍﾟﾝｼｮﾝ(例)50Gb/in2の場合

x 1,100,000

48kyard(45km) Hole in One !!

171データリンクの種類(2)• MAN/WANリンク– ISDN– Ethernet– xDSL– DOCSIS(Data over Cable Service Interface Specification)– SDH/SONET– Frame Relay– ATM

無線系データリンク

移動体通信の発展方向
モ
ビ
リ
テ
ィ

1995年

2000年

高
速

4G

セルラー
屋 走
外 行

静
止

屋
内

IMT2000

ページング

3G

PHS
（事業所用）

高速無線
アクセス

中速
無線LAN
(IEEE802.11)

コードレス電話（家庭用）

MMAC
超高速無線LAN

２Ｇ
10K

100K

1M

10M

100M

伝送容量

無線LANの動作モード

5G： 現実 と 可能性◆ 超高速、低遅延、超多数 ・・・ じゃない ！！
– 超多数の無線基地局。。。。
– アーキテクチャが、電話網からインターネットへ(*)例えば、、、インターネットへの出口は、最初に接続された時に固定される。 ➔ 電源を入れなおせ！

◆ ハードウェアのソフトウェア化 ➔ Agile & Cheap– アンバンドル化– シェリング エコノミー化– さらに、オープンソースの利用◆ プライベート＆ローカル 周波数獲得 権 ➔ 地域創生
– 垂直統合ビジネスの可能性– テナント型ビジネスの可能性◆ データ収集と解析 ➔ e.g., 自動化– 「考えるネットワーク」

アクセスネットワーク技術

高速インターネットの事業化モデル
低圧配電線

ｲﾝﾀｰﾈｯﾄ
QTNet
光ﾌｧｲﾊﾞ 2心

ISPｾﾝﾀｰ

親装置

(戸建)

５戸
ｻｰﾊﾞ

集線箇所

無線(2.4GHz)

光ﾌｧｲﾊﾞ 2心ﾙｰﾀ

光ﾌｧｲﾊﾞ 2心

集線装置(当社ｽﾍﾟｰｽを借用)

光ﾌｧｲﾊﾞ 2心

集合住宅
戸建

親装置

10戸
監視
装置

設備

費用

ﾙｰﾀ

当社の心線貸し利用

当社の心線貸し利用

ｾﾝﾀｰ

ﾙｰﾀ，ｻｰﾊﾞ

集線箇所

集線装置

親装置

高速ﾓﾃﾞﾑ(光ｺﾝﾊﾞｰﾀ付)

光ﾌｧｲﾊﾞ

親装置

集合住宅
商業地

10戸

ｾﾝﾀｰ上位系 高速回線

・低圧配電線：戸建ｾﾝﾀｰ下位系 光ﾌｧｲﾊﾞ心線使用料

・無線：戸建，集合住宅

その他 お客さま宅 高速ﾓﾃﾞﾑ(ﾘｰｽ)・光ﾌｧｲﾊﾞ：集合住宅，商業地- 22 -

アクセス系通信方式(ﾗｽﾄﾜﾝﾏｲﾙ)
高速（500kb/s以上）
光・有線系

ワイヤレス系

変換器

FTTH
光ﾌｧｲﾊﾞ

通
信
系

FTTB

変換器

変換器

VDSL

xDSL

ADSL
電話線

モデム

イ
ン
タ
ー
ネ
ッ
ト
網

低圧配電線

放
送
系

携帯電話
(IMT-2000)
PHS

無線
LAN

WLL

光／同軸ハイブリッドCATV

ＣＡＴＶ
ﾍｯﾄﾞｴﾝﾄﾞ

O/E

- ７ -

無線CATVDSL技術ブロードバンド＆常時接続（Broadband & Always-On)•DSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）• 既存の電話回線でサービス提供。
• 実効速度： 下り512Kbps～1.5Mbps, 上り128Kbps～256Kbps• ポイントポイントリンク (ケーブルインターネットとの決定的違い)

NTT市内電話局
高速ｱｸｾｽ（ﾃﾞｰﾀ通信）
ス
プ
リ
ッ
タ

電話を同時にご利用可能
ADSLﾓﾃﾞﾑ

ADSL

集線装置

ｲﾝﾀｰﾈｯﾄ

電話交換機

公衆
電話網

下り信号

32個のキャリア

256個のキャリア

電話

振幅

上り信号

0

4 26

…

…

138

1104

周波数［kHz］…

…

“Digital over Analogue over Digital.….”＜既存のモデム通信＞: デジタル伝送: モデム伝送＜xDSLシステムにおけるデータ転送＞

インフラ： 有線 vs 無線• とても 難しい質問：– いったい、どっちが、“いざとき“に 丈夫なんだろう ?

• 電力会社のネットワーク– ｛地上｝無線が最後の生命線 との認識

• 通信会社のネットワーク– 9.11(2001年) ： インターネット(vs 電話回線)– 東日本大震災(2011年)： 衛星通信
– 胆振地震 ： 船から｛地上｝無線➔ さて、、、衛星の打ち上げコストが劇的に低下 !!!

最近は、、、、さらに、、、、
1. エネルギー消費量増加の問題
a. 地球温暖化対策 ・・・さらに、カーボンニュートラル
b. 電源供給線インフラ(*) 再生可能エネルギーは過疎地に存在している。。。。

2. 物理レイヤ の 資源を 流用できないか?
a.
b.
c.
d.
e.

道路 ・・・ au/KDDI
線路 ・・・ ソフトバンク
管路 ・・・ NTT
日本郵便 (JP) ・・・・ 楽天
上下水道 / 都市ガス ・・・ ??

大阪中央卸売市場 (2018年6月大阪府北部地震)
6/18（月）7:58 大阪府北部 M6.1 地震発生（震源は大阪府市場より約1km）
震源（深さ10km）

大阪府中央卸売市場
https://tenki.jp/forecaster/deskpart/2018/06/18/986.html

Google マップより作成【大阪府市場】 一部天井落下、配管破損など→ Bloom Energy Serverは稼働に支障なく、冷蔵・冷凍設備に給電を継続【中圧ガス管】 中圧ガスの供給継続

高い信頼性 - ガス配管システム

高圧
ガス

中圧ガス
(災害時にも供給を継続)

低圧ガス(災害時に自動遮断)

家庭用の低圧ガスとは異なり、中圧ガス管は災害時にも供給を継続
参考： 中部ガス株式会社「都市ガスがお客さまに届くまで」