電子情報通信学会 編
改訂 電 子 情 報 通 信 用 語 辞 典
B６ １３０６頁
滝沢誠・榎戸智也 共著

井関・金光・金 ほか著

分散システム：P2Pモデル
A５ １７６頁

情報ネットワーク概論

本体２２００円―ネットワークとセキュリティの技術とその理論―
A５ ２２４頁

西森健太郎 著

マルチユーザMIMOの基礎
A５ ２０４頁

コンピュータネットワークセキュリティ
A５ ２００頁

ナ社

ネットワークプロトコルとアプリケーション
本体２８００円

大木英司 著

通信ネットワークのための数理計画法
A５ １７４頁

本体２４００円

赤岩芳彦 著

合田憲人・関口智嗣 編著

グ リ ッ ド 技 術 入 門―インターネット上の新しい計算・データサービス―
A５ ２００頁

本体２８００円

間瀬憲一・阪田史郎 共著

アドホック・メッシュネットワーク―ユビキタスネットワーク社会の実現に向けて―
A５ ２０６頁

本体２７００円

定価は本体価格＋税です。
定価は変更されることがありますのでご了承下さい。

コロナ社発行

コ

本体１００００円

ロ

ディジタル移動通信技術のすべて
A５ ６６４頁

本体２８００円

八木・秋山・村山 共著

本体２８００円

井関・金・森口 共著
A５ ２３２頁

本体１４０００円

本体２５００円

加藤聰彦 著（コンピュータサイエンス教科書シリーズ 10）

イ

ン

タ

ー

A５ ２４０頁

ネット

本体３０００円

遠藤靖典 著
改訂 情 報 通 信 ネ ッ ト ワ ー ク
A５ ２４０頁

本体２８００円

岩崎一彦 著

ネットワークシステム構成論
A５ １９８頁

本体２５００円

淺谷耕一 著

ネットワーク技術の基礎と応用― ICTの基本からQoS，IP電話，NGNまで ―A５ ２２４頁

本体２７００円

定価は本体価格＋税です。
定価は変更されることがありますのでご了承下さい。

コロナ社発行

コロナ社創立 90 周年記念出版 〔創立 1927 年〕

情報ネットワーク科学シリーズ

第1巻

情報ネットワーク科学入門社

電子情報通信学会 【監修】

コ

ロ
ナ

村田 正幸
【編著】
成 瀬
誠

コロナ社

社
ロ
ナ
コ

情報ネットワーク科学シリーズ編集委員会

編集委員長

村田

正幸 （大阪大学，工学博士）

編集委員

会田

雅樹 （首都大学東京，博士（工学））成瀬

誠 （情報通信研究機構，博士（工学））長谷川幹雄 （東京理科大学，博士（工学））（五十音順，2015 年 8 月現在）

シリーズ刊行のことば

情報通信分野の技術革新はライフスタイルだけでなく社会構造の変革をも引き起こし，農業革命，産業革命に継ぐ第三の革命といわれるほどの社会的影響を与えている．この変革はネットワーク技術の活用によって社会の隅々まで浸透し，電力・交通・物流・商取引などの重要な社会システムもネットワークな社

しには存在し得ない状況になっている．すなわち，ネットワークは人類の生存や社会の成り立ちに不可欠なクリティカルインフラとなっている．
しかし，「情報ネットワークそのもの」については，その学術的基礎が十分にロ
ナ

理解されないままに今日の興隆を招いているという現実がある．その結果，情報ネットワークが大きな役割を果たしているさまざまな社会システムにおいて，
特にそれらの信頼性において極めて重大な問題を抱えていることを指摘せざるを得ない．劇的に変化し続ける現代社会において，情報ネットワークが人や環境と調和しながら持続発展し続けるために，確固たる基盤となる学術及び技術

コが必要である．

現状を翻ってみると，現場では技術者の経験に基づいた情報ネットワークの設計・運用がいまだ多くなされており，従来，情報ネットワークの学術基盤とされてきた諸理論との乖離はますます大きくなっている．実際，例えば，大学
における「ネットワーク」講義のシラバスを見ると，旧来の待ち行列理論・ト
ラヒック理論に終始するものも多く，現実の諸問題を解決する基礎とはおよそいい難い．一方，実用を志向するものも確かに存在するが，そこでは既存の通信プロトコルを羅列し紹介するだけの講義をもって実学教育としている．
本シリーズでは，そのような現状を打破すべく，従来の情報ネットワーク分
野における学術基盤では取り扱うことが困難な諸問題，すなわち，大量で多様な端末の収容，ネットワークの大規模化・多様化・複雑化・モバイル化・仮想シリーズ刊行のことば

ii

化，省エネルギーに代表される環境調和性能を含めた物理世界とネットワーク
世界の調和，安全性・信頼性の確保などの問題を克服し，今後の情報ネットワー
クのますますの発展を支えるための学術基盤としての「情報ネットワーク科学」の体系化を目指すものである．そのためには，既存のいわゆる情報通信工学だ
けでなく，その周辺分野，更には異種分野からの接近，数理・物理からの接近，
社会経済的視点からの接近など，多様で新しい視座からのアプローチが重要になる．
シリーズ第 1 巻において，そのような可能性を秘めた新しい取組みを俯瞰した後，情報ネットワークの新しいモデリング手法や設計・制御手法などについ社て，順次，発刊していく予定である．なお，本シリーズは主として，情報ネッ
トワークを専門とする学部や大学院の学生や，研究者・技術者の専門書になることを目指したものであるが，従来の大学専門教育のカリキュラムに飽き足りロ
ナ

ない関係者にもぜひ一読していただきたい．

電子情報通信学会の監修のもと，この分野の書籍の出版に長年の実績と功績があるコロナ社の創立 90 周年記念出版の事業の一つとして，本シリーズを次代を担う学生諸君に贈ることができるようになったことはたいへん意義深いものである．

コ

最後に，本シリーズの企画に賛同いただいたコロナ社の皆様に心よりお礼申し上げる．

2015 年 8 月

編集委員長

村

田

正

幸

ま

え が

き

情報ネットワークはモバイル利用など種々のサービス利用や用途に応じた制御が行われており，秒〜日オーダの短期的な情報流の変動が絶えず起こっているシステムである．更に，長期にわたる変動，すなわち，利用者の増大に伴って情報流が増大しながら，かつ，新しい利用法の創出によって劇的な変化も頻繁

社に発生している．すなわち，情報ネットワークはその内的環境，外的環境が相互に影響を及ぼし合いながら絶えず変化する，ほかに類を見ない大規模複雑な人工システムである．これまで情報ネットワークは，その基本技術である光通ロナ

信技術や無線通信技術などの絶えまない変革によって，情報流の量的拡大への対応がなされてきた．また，利用端末（コンピュータやスマートフォンなど）の仕様に基づいて機能を階層化・分割し，全体を組み上げるという要素還元論的手法によるシステム設計が行われてきた．しかし，情報ネットワークは( 1 ) それ自体，多くの構成要素から成り立ち，それらの相互依存性がますまコ

す高まっていること．

( 2 ) さまざまな通信要求を処理し伝達する開放系であるが，その要求は日々増大し，かつ，利用者の要求の多様化や変化に依存して大きく変動するシ
ステムであること．

( 3 ) データ観測や電力制御等さまざまな社会システムが情報ネットワークに依存するようになり，利用形態がますます複雑化していること．
などの特性を持つ．その結果，エネルギー効率やコスト，規模などを考慮すると，量的拡大による手法ももはや限界に近づきつつある．
既存の学術基盤における根本的問題は，実世界や人・社会との調和を十分に考慮しないまま「情報ネットワーク」のみを対象として，更に，その性能や通信品質に関する研究開発が多くなされてきたところにある．例えば，航空機は

iv

ま

え

が

き

その部品数が数百万点に達する複雑なシステムであるにもかかわらず，利用者が一定の信頼感を持つのは，長年にわたる信頼性理論や安定性理論など確固たる学術基盤の発展によって事故率が低く抑えられているからにほかならない．
一方，情報ネットワークは，接続されているコンピュータ数が数億台，移動体通信などもあわせた端末数が数十億台といわれる大規模システムであり，2020
年には接続端末数は数百億台に達するといわれている．更に，航空機のような閉じたシステムではなく，情報流が絶えず変動しながら，成長を続ける開放系である．本学術領域は，このような大規模複雑な，かつ，外的環境や内的環境が変動する動的な情報ネットワークの根底をなす科学の創成を目指すものであ社

り，それなくして利用者の安全・安心，更には信頼の実感は有り得ない．
このような状況に危機感を覚えた編著者らは，平成 23 年に「情報ネットワー
ク科学時限研究専門委員会（NetSci 研究会）」を電子情報通信学会通信ソサイ

ロ
ナ

エティに設立し，これまでに合計 13 回の研究会・ワークショップ・シンポジウ
ムを開催し，情報ネットワーク科学における重要課題の抽出と議論を進めてきた．また，その成果を公表するために，英文論文誌特集号も 2 回刊行している．
本書は，同研究会の活動をもとに，情報ネットワーク科学に興味のある学生や企業研究者・技術者の方への一般的解説書としてふさわしい内容となるよう書コ

き下ろしたものである．執筆者は研究会委員や共同研究分担者であり，内容も同研究会で生まれつつあるフィロソフィが中核となっているが，この分野の現状並びに将来について幅広い観点から解説を行うように配慮している．
もちろん，情報ネットワーク科学はまだ発展途上である．多くの研究者が，それぞれの研究者の視点・考え方という窓を通じて，情報ネットワーク科学を構築しようと努力している状況である．全体の考え方が十分確立していないた
めに，用語や内容など統一感に欠ける部分もあるが，それも黎明期にある研究の息吹と感じ取っていただければ幸甚である．本書によって，この分野に興味を持って取り組もうとされる研究者・技術者の方が一人でも増え，情報ネット
ワークの更なる発展につながれば，それは編著者の望外の喜びである．
本書をまとめるにあたっては，情報ネットワーク科学研究会の総勢 58 名の多

ま

え

が

き

v

くの関係各位に感謝するとともに，本書の完成にご尽力くださったコロナ社の皆様に心よりお礼申し上げる．
2015 年 8 月

村 田 正 幸成 瀬

誠

編著者・執筆者一覧【編著者】

村田 正幸（大阪大学）
誠（情報通信研究機構）【執筆者】

村田 正幸（大阪大学）

0部

誠（情報通信研究機構）

巳波 弘佳（関西学院大学）
井 上

0 部，6 章，8 章

ロ
ナ

成 瀬

社

成 瀬

1章

武（日本電信電話株式会社）

長谷川幹雄（東京理科大学）
合原 一幸（東京大学）
関屋 大雄（千葉大学）
若宮 直紀（大阪大学）

コ

荒川 伸一（大阪大学）

1章

2章

2章
3章
4章
4章

5 章，11 章
5章
高野 知佐（広島市立大学）
6章
青野 真士（東京工業大学）
6章
金
成 主（物質・材料研究機構）
7章
佐藤 健一（名古屋大学）
7章
長谷川 浩（名古屋大学）
8章
石川 正俊（東京大学）
会田 雅樹（首都大学東京）

林

幸 雄（北陸先端科学技術大学院大学）

新井田 統（株式会社 KDDI 研究所）
新熊 亮一（京都大学）
安 田雪（関西大学）

9章

10 章

11 章
12 章
（執筆順，2015 年 8 月現在）

目

次

第 0 部 序—情報ネットワーク科学
1

2. 情報ネットワーク科学：本書のアプローチ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

社

1. 情報ネットワークの科学基盤はあったか？ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.

ロ
ナ

第 1 部 情報ネットワークのための数理基礎

情報ネットワークの基本的性質を捉える数理

1.1 ネットワークの構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.1.1 現実のさまざまなネットワーク 6
1.1.2 グラフの定義と性質 6

コ

1.1.3 現実のネットワークが持つ性質 10
1.1.4 ネットワーク生成モデル 13

1.2 ネットワークの最適化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.1 最適化とアルゴリズムと計算量 17
1.2.2 最 短 路 問 題 19
1.2.3 最大フロー問題 22
1.2.4 信頼性の高いネットワーク設計 26

コラム：スケールフリーネットワークの信頼性 30

2.

複雑系理論と情報ネットワーク

2.1 複雑系とカオス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

目

次

vii

2.2 カ オ ス と 通 信 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3 カオスと最適化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
コラム：カオスデザイン 52

3.

プロトコル設計と数理基礎理論

3.1 CSMA/CA の動作解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.1 CSMA/CA の基本動作 543.1.2 フレーム衝突の発生要因 57

社

3.2 マルチホップネットワークへの拡張 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.2.1 マルチホップネットワークの数理モデル 62
3.2.2 フロー制限に基づく特性解析 68
3.2.3 数理モデルの評価と考察 73

ロ
ナ

3.3 数理モデルの構築とプロトコル設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.

コ

第 2 部 ネットワークダイナミクスを扱う情報ネットワーク科学

生命のしくみに学ぶ情報ネットワーク

4.1 生命における自己組織化とネットワークへの応用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2 生命の環境適応性と情報ネットワーク . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3 生命の階層性と情報ネットワーク . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

5.

自然界の階層構造に学ぶ自律分散制御モデル

5.1 近接作用の考え方に基づく自律分散制御 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.1.1 遠隔作用と近接作用 89
5.1.2 近接作用と偏微分方程式 91

viii

目

次

5.1.3 偏微分方程式に基づく自律分散制御 94

5.2 時間的・空間的スケールと自律分散制御 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2.1 自律分散制御とスケールの階層構造 955.2.2 自律分散制御の必要性 97

5.3 拡散型フロー制御技術 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.3.1 拡散型フロー制御技術の構成法 98
5.3.2 拡散型フロー制御技術の動作特性 103

自然界のダイナミクスに学ぶ情報ネットワーク機能社

6.

6.1 固体光電子系におけるネットワーク . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2 制約充足問題の解決 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

ロナ

6.3 充足可能性問題の解決 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.4 意思決定問題の解決 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

7.

コ

第 3 部 リアルワールド情報ネットワーク科学

情報ネットワークと消費エネルギー

7.1 情報ネットワークの消費エネルギー . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.2 通信ネットワークの消費電力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.3 コンピュータ・データセンタの低消費電力化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.4 低消費電力化の限界 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.5 低消費電力ネットワークの実現 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

8.

センシングと情報ネットワークの基本課題

8.1 センシング技術の基本構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

目

次

ix

8.1.1 センサフュージョンの基本 133
8.1.2 センサフュージョンをネットワークにおいて実現するための基本課題 134

8.2 センシングから見たネットワーク技術の基本課題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

第 4 部 人・社会に拡がる情報ネットワークの科学

9.

情報ネットワークとレジリエンス

9.1 地域メッシュデータ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

社

9.2 レジリエントな情報ネットワークに向けて：災害時に必要な情報，物資，人材 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

9.3 レジリエントな玉葱状ネットワーク . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

10.

ロ
ナ

コラム：ノード攻撃に耐える玉葱状構造 153

通信行動とユーザ心理のモデル化

10.1 通信ネットワークの QoE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
と

は 155

コ

10.1.1 QoE

10.1.2 インターネットサービスの QoE 測定方法 156
10.1.3 QoE 評価に基づくネットワークの設計手法 158

10.2 人とネットワークの相互作用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
10.3 心理・行動のモデル化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
10.3.1 「待つ」行為の認知モデル 160
10.3.2 待ち時間満足度の数理モデル 162

10.4 通信行動のモデル化に向けて . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
コラム：マルチタスキングは，パフォーマンスを低下させる？ 166

x

目

11.

次

ソーシャルネットワーク構造を反映した
情報ネットワーク制御モデル

11.1 ソーシャルネットワーク構造と社会的距離 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
11.1.1 社会的距離とコンテンツ流通範囲 167
11.1.2 さまざまな社会的距離の尺度とソーシャルネットワーク構造の変化 169

11.2 社会的距離を反映したネットワーク制御 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
11.2.1 社会的距離に基づく論理ネットワークの制御 171
11.2.2 社会的距離に基づく物理ネットワークの制御 172社

11.3 ソーシャルネットワークの構造・分割・ノード間相互作用のモデル 176
11.3.1 ラプラシアン行列とその基本的な性質 176
11.3.2 ラプラシアン行列によるグラフの分割 178

11.3.3 ネットワーク上の拡散方程式とノード間の非対称相互作用 180

12.

ロ
ナ

コラム：普遍性と不変性 183

社会的ネットワークと情報ネットワーク科学の創発

12.1 グラフ理論の応用・社会的ネットワーク分析・情報ネットワーク . . . 184

コ12.2 情報ネットワーク科学と社会的ネットワーク分析の相互の貢献 . . . . . 190
12.3 社会的ネットワークに固有な特徴 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
12.4 情報ネットワーク科学との創発へ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

引用・参考文献 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
索

引 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

第 0 部 序—情報ネットワーク科学
ここでは，情報ネットワーク科学に至った課題意識を簡潔に論じるとともに，本書の構成と内容を概観する．

1.

情報ネットワークの科学基盤はあったか？

ネットワーク技術の誕生をどのように定義するかは見解がわかれるところであるが，いわゆるインターネットの源流となる研究は，1950 年代のコンピュー社

タの発展とともに始まり，やがてパケット通信技術が生まれた．その後の発展は瞬く間といえ，情報ネットワークは人類の生存と社会の成立ちに不可欠なク
リティカルなインフラへ発展した．

ロナ

さて，このように急速に発展した情報ネットワークを支える科学はあるのだ
ろうか．本書は，「現時点ではそれが存在していない」，「それこそが問題である」，という立場をとる．

回線交換機を基礎としていた固定電話網の時代では，トラヒック理論は最適な設備設計を実現するために有効な理論であり，通信ネットワークの学問的基コ礎をなしていた．また，インターネットの萌芽期において，パケット交換機の設計を行うための基礎として，待ち行列理論は確かに有用であった．しかしながら，今日ではインターネットの設計制御において，待ち行列理論の適用可能な領域はすでに消滅し，例えばネットワークの運用はオペレータの経験と勘に強く依存する事態となっている1) † ．
従来，インターネットの発展は，相互接続性を保証するためにネットワーク
プロトコルの階層構造によって維持されてきた．それによって，新たなアプリ
ケーションの収容，帯域の拡大，使用形態の変化に対してこの枠組みで対応し，基本設計の上に機能を追加することによって柔軟な対応を可能としていた．その結果，新しい機能追加はそのためのプロトコル設計を意味し，そのプロトコ†

肩付数字は巻末の引用・参考文献番号を表す．

2

序—情報ネットワーク科学

ルが「きちんと動作するかどうか」の問題に帰着する．
「無矛盾性を保証するための理論」，すなわち，プロトコルの仕様記述と検証が基礎理論となり得るが，ネットワークへの要求機能の多様化のために，確固とした理論的基礎になり得ていない．その結果，機能追加に対して，既存アーキテクチャへのプロトコル追加だけでは対応できない旨の報告もある1) ．
上記のように，既存の「学術」が今日では限界を抱えているということに加え，本書は，そもそも，このように「通信」だけを切り取って論じること自体に，今日ではさほどの重要性はないのではないか，いや，むしろそれこそが問

2.

社

題なのではないか，という立場をとる．その様相をつぎに概観する．

情報ネットワーク科学：本書のアプローチロナ

情報ネットワークは社会の隅々まで浸透し，電力・交通・物流・商取引など重要な社会システムも情報ネットワークなしには存在し得ない．すなわち，ネッ
トワークは人類の生命や財産に関わる重要な社会活動にも強く影響を与えるク
リティカルな社会基盤である．しかしながら，これは一例にすぎないが，その信頼性はほかの社会システムと比べても著しく低いといわざるを得ない．例えコば，2014 年 9 月に発表された総務省「電気通信サービスの事故発生状況」にお（大部分は障害と考えられる）の発生件数は，電気通信事
いて 2013 年の「事故」
業法の規程に基づいた報告義務のあるものに限っても約 45 000 件に上る．その結果，ネットワークの障害が大きな社会的問題を引き起こすだけでなく，ネッ
トワーク障害がほかの社会システムに波及し，障害のさらなる拡大によって甚大な被害を各所にもたらすという事態も頻繁に起きている．
それにもかかわらず根本的な対策が講じられていないのは，あるいは講じることができていないのはなぜだろうか．
この問題に対して，本書は，情報ネットワークが，これまでの工学的システ
ムに見られなかった大規模複雑で，かつ，新しいサービスが常に付加的に開発されている動的開放システムであるからという仮説に依拠する．情報ネットワー

2. 情報ネットワーク科学：本書のアプローチ

3

クに接続されるコンピュータ数は数億台に達し，端末数は移動体などもあわせて数十億台，近い将来には 500 億台に達するといわれている2) ．もちろん，端末は極めて多様である．また，モバイル利用など種々のサービスや用途に応じた制御が行われており，ミリ秒オーダのリアルタイム性を必要とする状況から，利用者の増減や新しい利用法の創出などの長期スパンでの劇的変化も頻繁に発生している．すなわち，空間ダイナミクスだけでなく，時間ダイナミクスを有するシステムである．
このような簡単な考察だけからしても，情報ネットワークの科学が「通信」だ
けを切り取って論じるのみでは不十分であり，人や社会も含んだ全体システム

社として捉えるものでなくてはならないことは明らかにわかる．
そこで本書は，つぎのような 4 部構成でこの問題に取り組む．
まず第 1 部において「情報ネットワークのための数理基礎」を整備する（第

きる．

ロ
ナ

1 章〜第 3 章）．第 1 部の内容は第 2 部〜第 4 部の基礎と位置付けることがで

第 1 章「情報ネットワークの基本的性質を捉える数理」では，グラフ理論の基礎を押さえた上で，スモールワールドネットワーク，スケールフリーなどの情報ネットワークの数理基礎を実際の情報ネットワークの具体例を用いながらコ導入する．また，情報ネットワークを扱う最適化アルゴリズムについても触れる．第 1 章で扱う個々の内容については多くの類書が出ているが，本書では，
情報ネットワークのモデル化と分析の最重要な基礎に焦点を絞ったコンパクトな記述をしている．詳細は本シリーズの第 2 巻「情報ネットワークの数理と最適化—性能や信頼性を高めるためのデータ構造とアルゴリズム—（巳波弘佳・
井上武共著）」を参照されたい．
第 2 章「複雑系理論と情報ネットワーク」では力学系・カオスの基礎などいわゆる複雑系理論の基礎を情報ネットワークの特徴に沿って概説する．複雑系に関しては類書が多数出ているが，本書は情報ネットワークとの対応に留意した記述としており，前述の開放型システムの特徴付けの基礎とすることを狙っている．第 2 章の詳細については本シリーズの第 4 巻「ネットワーク・カオス—

序—情報ネットワーク科学

4

非線形ダイナミクス・複雑系と情報ネットワーク—（長谷川幹雄・中尾裕也・
合原一幸共著）」を参照されたい．
第 3 章「プロトコル設計と数理基礎理論」は，従来のプロトコル設計の課題を打破すべく，数理的基礎を伴う形でのプロトコル設計という新しい取組みを示す．
つぎに第 2 部を「ネットワークダイナミクスを扱う情報ネットワーク科学」と題し，情報ネットワークのダイナミクスの理解と応用を試みる（第 4 章〜第 6章）．
第 4 章「生命のしくみに学ぶ情報ネットワーク」では動的開放システムとし社て現実に機能している生命システムを一つの規範として，情報ネットワークの設計・制御に展開する議論を示す．第 4 章の詳細については本シリーズの第 5
巻「生命のしくみに学ぶ情報ネットワーク設計・制御（若宮直紀・荒川伸一共

ロナ著）」を参照されたい．

第 5 章「自然界の階層構造に学ぶ自律分散制御モデル」では，一定の秩序を示す動的モデルシステムを規範として，そこから自律性やロバスト性などの情報ネットワーク機能を獲得する議論を示す．第 5 章の詳細については本シリー」を参照さズの第 3 巻「情報ネットワークの分散制御と階層構造（会田雅樹著）

コ

れたい．

第 6 章「自然界のダイナミクスに学ぶ情報ネットワーク機能」では，自然界の物質系（固体電子系）におけるネットワークが開放系として環境と相互作用することで，解探索や意思決定という知的機能をもたらすことを示す．
つぎに第 3 部を「リアルワールド情報ネットワーク科学」と題し，現実の物
理世界とサイバー世界の境界に位置する基本的課題を概観する（第 7 章，第 8章）．
第 7 章「情報ネットワークと消費エネルギー」では情報ネットワーク全体の消費電力について概観し，その上で情報ネットワークの技術課題を考察する．
第 8 章「センシングと情報ネットワークの基本課題」では，情報の効率的伝達を目的としてきた通信技術と物理世界の理解を目的としてきたセンシング技

2. 情報ネットワーク科学：本書のアプローチ

5

術には構造的な差異が存在することを指摘し，その克服に向けた重要課題を論じる．
つぎに第 4 部を「人・社会に拡がる情報ネットワークの科学」と題し，さまざまな社会システムと情報ネットワークの関わりの学術的基礎を構成する試みを論じる（第 9 章〜第 12 章）．
第 9 章「情報ネットワークとレジリエンス」では，耐災害性の観点から情報
ネットワークを考察し，その上で，頑健性や復旧能力（レジリエンス）に優れたネットワーク構造の自己組織的な構成法を示す．
第 10 章「通信行動とユーザ心理のモデル化」では，情報サービスの利用者

社

である人の行動を「通信行動」として捉え，認知的人工物としての通信ネット
ワークという概念設定やその分析を示す．

第 11 章「ソーシャルネットワーク構造を反映した情報ネットワーク制御モデ

ロ
ナル」では，ソーシャルネットワークにおけるユーザ間またはユーザと事業者間などに関する社会的距離を考え，望ましい情報ネットワークの制御方法について議論する．

第 12 章「社会的ネットワークと情報ネットワーク科学の創発」では人の群集行動など社会学的知見と情報ネットワークの分析がどのように相互関係するかコなど社会学と情報ネットワーク学の境界に関する取組みの例を示す．
以上のように，第 1 部の基礎数理，第 2 部のダイナミクスから，第 3 部の実
世界物理との関わり，第 4 部の人・社会との関わりへと移るにつれて，動的開放システムにおける開放性を伴う部分がより具体的な内容となっている．ただし，各章は独立して読むことが可能なように配慮されている．

索

アトラクタ
アルゴリズム暗 号

52, 83
17
37

【い】

【え】
エアタイム
衛星通信
エノン写像
遠隔作用

【お】

62
144
35
89

155

コ

オピニオン評価

105
143
1

27
27
46
81
146, 153
9
81

【き】
木
機密性
境界条件
境界問題
競 争
協調原理
共通隣接ノード数
局所辺連結度
距 離
近接作用

ロ
ナ

意思決定問題石巻モデル
インターネット

カット
カットサイズ
カルマン写像
環境適応
頑健性
完全グラフ
管理型自己組織化

結束度
減 災
権 力

194
141
194

【こ】
構造的空隙
構造同値
国勢調査
固定電話網
固有値
固有値問題
固有ベクトルコラボレーション構造
コンテンツ

社

【あ】

引

9
168
100
188
194
148
169
27
9
89

【か】

【く】

1
回線交換機
階層構造
84
階層的並列分散構造
135
解探索
105
カオス
31
カオス工学
31
カオスタブーサーチ
39
カオスニューラルネット
39
ワーク
カオスニューロン写像37
カオス符号41, 46
拡散型フロー制御
98
拡散方程式
93, 180
隠れ端末問題
58

135
空間稠密性
組合せ最適化39, 46
組合せ爆発
105
クラスタ係数12, 194
グラフ
7, 167
グラフ理論
185
グローバルミニマム
48
群知能
79

【け】
計算量
経 路
経路長
結 合

17
8
8
194

194
194
139
1
177
177
177
87
168

【さ】
140, 141
災害時
最小ホップ数167
最大フロー・最小カットの27定理
最大フロー問題
22
最短路
9
最短路木
19
最短路問題
19
サービス率
70
三者の一体性197
サンプリング定理
135

【し】
時間多重化
時刻同期
自己相似性
自己組織化
自己平均
次 数

137
134
37, 3879, 144, 146
148
8, 194

索【す】

コ

正規化ラプラシアン行列 181
正規分布
93
成 長
14
制約充足問題107
全域木
10
全域部分グラフ9
センサネットワーク
132
センサの知能化137
センサフュージョン
132

【そ】
相互作用
相互接続性
創 発
創発特性

【た】
195
ダイアド
体感品質
155
ダイクストラ法20
代数的連結度
178
タスク分割
136
多本腕バンディット問題 111
玉葱状構造146, 153

【ち】

159
1
79
188

二部グラフ
入次数
人 気
認知的人工物
認知モデル

【つ】

154

【て】

データセンタデルタ関数
転写因子ネットワーク
テント写像

116
93
84
37

【と】
統 合
同時送信
到着率
トライアド
トラヒック理論

133
58
70
196
1

【な】
28
内 素
ナノコミュニケーション
106
ネットワーク

【に】
二者関係

195

215
197
8, 194
194
159
161

【ね】
ネットワーク仮想化技術 174
ネットワーク層
62
ネットワークダイナミクス
77, 137
ネットワーク遅延
73【の】ノードキャリブレーション134
ノード配置
149

社

140
地域メッシュデータ
遅延耐性ネットワーク 136
チップ非同期
41
中心性
194
治癒機能
152
頂 点
7, 186
直 径
9

通信行動

82
数理計画法
スケールフリー11, 145
スモールワールド性
12【せ】

ソーシャルネットワーク 167

ロ
ナ

次数行列
176
次数相関
146
次数分布
10
悉皆調査
194
社会的オブジェクト
169
社会的距離
167
充足可能性問題
105
集中管理
91
集中制御
91
主観の削減
192
出次数
8, 194
巡回セールスマン問題
48
仕様記述
2
状態占有効果106
情報拠点
142
情報ネットワーク科学1
初期値鋭敏依存性
34
ショートカット
147
自律性
106
自律分散制御91, 94
シングルモードファイバ 123

引

【は】

1
パケット通信パーコレーション（浸透）153
解析
バタフライ効果31
バックトラッカビリティ 138
バックプレッシャー制御 104
発言力194
ハードリアルタイム
132
反応拡散モデル
80

【ひ】
避難所
紐 帯

140
187

【ふ】
フィックの法則
フィードラーベクトル
複 合
複雑系
複雑ネットワーク科学
物理層
物流拠点
部分グラフ
部分コピー操作
フレーム衝突

92
178
133
31
145
55
140
9
146
62

索

フレーム保持フロー値
プロトコル設計
フロー保存制約
分岐構造
分岐図
分岐図ドレス
分権型組織
分散システム引
マルチタスク化

62
23
1
22
33
33, 34
52
144
144

路

防 災
ポテンシャル関数

【ま】

【む】
無向グラフ

【め】
28

【ゆ】

9
8
47
10, 86
7, 186
28
27
29

優位性
融 合
有向グラフ
有向辺
有向路
優先的選択
有用性
ゆらぎ

容量制約

レジリエンス
レスラーシステム
連 結
連結グラフ
連 合
連続の式

ラプラシアン行列
ランダムグラフ

ACK

56

【B】
BA モデル（BarabásiAlbert model）
BDD（Binary Decision
Diagram）
BT（Backoﬀ Timer）

14
19
54

【C】
40

♦

135
145
105
146
176
168

145
52
9
9
134
92

【ろ】

22

ローカリゼーション
ローカルミニマム
ロジスティック写像

177
13

ロバストネス
ローレンツシステム

【ら】

144
1, 70
154

35
134

【れ】

194
133
8
8, 186
8
14
168
83

【よ】

141
83

【A】

CDMA

8

メンガーの定理

コ

マイクロ波通信
待ち行列理論
待ち時間

リアプノフ指数
リアルタイム性
リアルタイムパラレル
プロセッシング
利己原理
量子ドット
リワイヤリング
隣接行列
倫理性

8

ロ
ナ

【ほ】

【り】

【み】

【へ】
平均頂点間距離閉 路
ヘヴィサイド関数
べき乗則
辺
辺 素
辺連結度
辺連結度増大問題

159

社

216

134
48
31,
48, 52
106
52♦
CSMA/CA
54【E】
CSMA/CD
54
CW（Contention Window） ER モデル（Erdös-Rényi
54
13
model）
explore-exploitation【D】
111
dilemna
DIFS（DCF Inter Frame【F】
54
Space）
Duplication-Divergence
Fechner の法則
162モデル
147 Ford と Fulkerson による最大フローアルゴリズム 23

索

【G】

引

【N】

green by ICT
green of ICT

115 nature-inspired computing
115
105
NAV（Network Allocation【H】
59
Vector）
Hopﬁeld-Tank ニューラル
NP 完全問題109
47 NP 困難18
ネットワーク217【R】
ROADM（Reconﬁgurable
Optical Add/Drop120
Multiplexer）
RTS/CTS
58【S】

SDH（Synchronous Digi129
tal Hierarchy）
IEEE 802.11 DCF
54 OTN（Optical Transport
SIFS（Short Inter Frame
129
54
Network）
Space）【K】
SNS（Social Networking
【P】
k 辺連結
27
142
Service）
P=NP 問題
18 Stevens のべき乗則
162【M】
stigmergy
80
【Q】
MAC 層
53
【Z】
MOS（Mean Opinion
QoE（Quality of155
155 ZDD（Zero-suppressed
Score）
Experience）
MPLS（Multi Protocol
QoS（Quality of
19
BDD）
128
155 〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜〜
Label Switching）
Service）
M/M/1/K モデル
70

【O】

コ

ロ
ナ

社

【I】

【数字】

2 次割り当て問題

48

― 編著者略歴 ―正幸（むらたまさゆき）

1982 年	‌大阪大学基礎工学部情報工学科卒業
1984 年	‌大阪大学大学院基礎工学研
究科博士前期課程修了（物理系専攻）1984 年	‌日本アイ・ビー・エム株式会社東京基礎研究所研究員
1987 年 大阪大学助手
1988 年 工学博士（大阪大学）
1991 年 大阪大学講師
1992 年 大阪大学助教授
1999 年 大阪大学教授
現在に至る

情報ネットワーク科学入門

成瀬

誠（なるせ

Introduction to Information Network Science
c 一般社団法人

電子情報通信学会 2015

ロナ

2015 年 10 月 5 日 初版第 1 刷発行まこと）

1994 年	‌東京大学工学部計数工学科卒業
1999 年	‌東京大学大学院工学系研究科博士課程修了（計数工学専攻）
博士（工学）
1999 年	‌東京大学産学共同研究セン
ター研究員
2000 年 東京大学助手
2002 年	‌独立行政法人情報通信研究機構研究員
2003 年	‌国立研究開発法人情報通信研究機構（2015 年名称変更）
主任研究員
現在に至る

社

村田

監 修 者
検印省略
		
		

編 著 者

		

コ

発 行 者

		

印 刷 所

一般社団法人

電子情報通信学会
http://www.ieice.org/
村
田
正
幸
成
瀬
誠
コロナ社
株式会社
牛来真也
代 表 者
三美印刷株式会社

112–0011 東京都文京区千石 4–46–10

発行所

株式会社

コ

ロ

ナ

社

CORONA PUBLISHING CO., LTD.
Tokyo Japan
振替 00140–8–14844・電話（03）3941–3131（代）
ホームページ http://www.coronasha.co.jp

ISBN 978–4–339–02801–0
Printed in Japan（製本：愛千製本所）

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化は，いかなる場合も認めておりません。
落丁・乱丁本はお取替えいたします