パケット通信

パケット通信は、端末からのデータをPAD  でパケットに変換して伝送し、交換設備の記憶装置に蓄積し、中継伝送路の空いている時間に送り出し、受信側の交換機の記憶装置に蓄積された後送出され、PADで元のデータに変換され相手先の端末に届く通信方式である。蓄積交換とも呼ばれる。長いメッセージが短いパケットに細分される通信ネットワークを介してメッセージを送信する方法の一つである。

電気通信では 、 デジタルネットワークを//介して//送信されるデータをパケットにグループ化する方法である。 パケットは、 ヘッダーとペイロードで構成される。 ヘッダー内のデータは、ネットワークハードウェアがパケットを宛先に送信するために使用され、そこでペイロードが抽出され、 アプリケーションソフトウェアによって使用される。 パケット交換は、世界中のコンピュータネットワークにおけるデータ通信の主要な基盤である。

1960年代初頭、アメリカのコンピューター科学者ポール・バランは、 RAND Corporationの研究プログラムの一環として、電気通信メッセージのフォールトトレラントで効率的なルーティング方法を提供することを目的として、 //分散適応メッセージブロックスイッチングの//概念を開発した。 この概念は、 ベルシステムでの電気通信の発達によって例証された、ネットワーク帯域幅の事前割り当ての当時確立された原則に矛盾していた。 新しい概念では、1965年に国立物理研究所でイギリスのコンピュータサイエンティストであるドナルド・デイビスが独立して活動するまで、ネットワーク実装者間の共鳴はほとんど見られなかった。 デイビスは、現代の用語である//パケットスイッチング//を作り上げ、その後の10年間で、米国のARPANETの設計にそのコンセプトを取り入れることを含め、数多くのパケットスイッチングネットワークに刺激を与えたとされている。

1. 概念
-----

パケット交換の簡単な定義は次のとおりである。

パケット交換により、 統計的多重化または動的帯域幅割り当て技術を使用して必要に応じて送信リソースを割り当てるコンピュータネットワーク上で、パケットのシーケンスとして実現される可変ビットレートのデータストリームを配信できる。 スイッチやルーターなどのネットワークハードウェアを通過するときに、パケットが受信、バッファー、キューに入れられ、再送信 されるため、リンク容量とネットワーク上のトラフィック負荷に応じて、レイテンシとスループットが変化する。 パケットは通常、非同期で使用してノードの中間ネットワークによって転送されている最初のアウト、最初にバッファリングが、いくつかのスケジューリング規律に従って転送することができる公平キューイング 、 トラフィックシェーピング 、または差別や保証のためのサービス品質のような、 重み付き公平キューイングまたは漏れやすいバケツ 。 パケットベースの通信は、中間転送ノードの有無にかかわらず実装できる。 共有物理メディアの場合、パケットは多元接続方式に従って配信される 。

パケット交換は、別の主要なネットワーキングパラダイムである回線交換とは対照的である。この方法は、ノードごとに一定のビットレートとレイテンシを持つ通信ネットワークごとに専用のネットワーク帯域幅を事前に割り当てる方法である。 セルラー通信サービスなどの有料サービスの場合、回線交換はデータが転送されない場合でも接続時間の単位あたりの料金で特徴付けられるが、パケット交換は文字などの送信される情報単位あたりの料金で特徴付けられる場合がある、パケット、またはメッセージ。

パケットスイッチには、入力ポート、出力ポート、ルーティングプロセッサ、スイッチングファブリックの4つのコンポーネントがある。

2. 歴史
-----

パケット通信は、アメリカ空軍のシンクタンク、ランド研究所のポール・バランと、イギリス国立物理学研究所のドナルド・デービスによってほぼ同時に理論の提唱が行われた。バランの最初の内部提示が1962年、最終的な提案は1964年である。一方デービスは翌1965年に理論の公表を行なっている。

2人の研究は理論としてはほぼ同じであるが、開発経緯とその背景にあった条件は大きく異なる。バランの提唱の目的が「核戦争下」での通信の生き残りであったのに対して、デービスの研究の目的は通信の品質改善であった。バランは、1961年に空軍から核戦争下での通信手段の生き残りを検討するように依頼された。バランは「破壊された通信施設」を用いる事を前提条件として「中央ノードを設けない」「情報をデジタルに置き換える」「データを1024bitのかたまりに小分けする」「データはどういう経路を辿っても構わない」などを骨子とする論文を示した。これが//[1]//である。実際に核攻撃下に晒された場合どの程度のサバイバル性が認められるかについては議論の余地がある。

一方で、デービスは将来的に予想されうるトラフィックの増大、通信されるデータの品質向上などを視野に入れ、これに適した通信方法を模索したが、驚くべきことに、たどり着いた結論はバランのそれと同じであった。唯一デービスがこの通信方式に独自の特徴を残した点があるとすれば小分けされたデータに「小包」を意味する「パケット」という名前を与えた点にある。

バランの研究は、通信網を押さえるAT&Tに提案したが却下され、空軍に採用されず、長いこと忘れ去られていた。一方でARPANETに対して「パケット通信」という通信手段を提供したのはデービスの研究である。

データの小さなブロックを切り替えるという概念は、1960年代初頭にRAND Corporationの Paul Baranと米国で1965年に英国のNational Physical Laboratory でDonald Daviesによって独立して最初に検討された。

1950年代後半、 米空軍は半自動地上環境 レーダー防衛システム用の広域ネットワークを確立した。 彼らは、対応を可能にするために核攻撃を生き延び、敵による先制攻撃の利点の魅力を減少させるシステムを求めた。 バランは、空軍イニシアチブをサポートするために、 //分散型適応メッセージブロックスイッチング//の概念を開発した。 このコンセプトは、1961年の夏にブリーフィングB-265として最初に空軍に提示され、 は1962年にRANDレポートP-2626として公開され 、最後に1964年にレポートRM 3420として公開された レポートP-2626は、大規模な分散型で存続可能な通信ネットワークの一般的なアーキテクチャについて説明している。 作業は3つの主要なアイデアに焦点を当てている。2つのポイント間に複数のパスを持つ分散ネットワークの使用、ユーザーメッセージの//メッセージブロック//への分割、およびストアアンドフォワードスイッチングによるこれらのメッセージの配信。

デイビスは1965年に同様のメッセージルーティングコンセプトを開発した。 彼はそれを単に//パケット交換//と呼び、英国に全国的なネットワークを構築することを提案した。 彼は1966年にこの提案について講演し、その後、国防省 の担当者がバランの仕事について彼に話した。 DaviesのチームのメンバーであるRoger Scantleburyは、1967 年のオペレーティングシステム原則に関するシンポジウムでLawrence Robertsに会い、ARPANETでの使用を提案した。 Daviesは、1024ビットのパケットサイズなど、Baranと同じパラメータを彼の元のネットワーク設計に選択していた。 1966年、デービスはNPLのニーズに応え、パケット交換の実現可能性を証明するために、研究所でネットワークを構築することを提案した。 1969年のパイロット実験の後、 NPLデータ通信ネットワークは1970年にサービスを開始した。

Leonard Kleinrockは、1961-2年にMITで博士論文のキューイング理論に関する研究を行い、1964年にメッセージ交換の分野で本として出版した。 1968年、ローレンスロバーツはUCLAのクラインロックと契約し、1970年代初頭にネットワークの開発を支えたARPANETのパフォーマンスをモデル化する理論的な作業を実行した。 NPLチームは、 データグラムネットワークを含むパケットネットワークのシミュレーション作業も行った。

1970年代初頭にLouis Pouzinによって設計されたフランスのCYCLADESネットワークは、 エンドツーエンドの原則として知られるようになったものを採用し、パケット交換ネットワーク上のデータの信頼性の高い配信をホストに 任せた最初のネットワークである。これは、ネットワーク自体の一元化されたサービスではない。

1974年5月、 Vint CerfとBob Kahnは、ノード間でパケット交換を使用してリソースを共有するためのインターネットワーキングプロトコルであるTransmission Control Programについて説明した。 その後、TCPの仕様は675}} 、1974年12月にVint Cerf、 Yogen Dalal 、Carl Sunshineが作成。 このモノリシックプロトコルは、 インターネットプロトコル の//上に伝送制御プロトコル として後に階層化された。//

相補型金属酸化膜半導体 VLSI 技術ブロードバンド 1990 1980年代にパケット交換。

3. 特徴
-----

3.1. 利点
-------

複数の端末で伝送路や交換設備の共有が可能で、それらの利用効率が良い。
データが一度蓄積されるので異なる速度の端末装置同士の通信が容易である。
伝送路や交換設備が複数繋がれている場合、通信途中での動的な経路選択が容易であり、障害に強い。
データを一度蓄積しており、誤り検出した場合に再送信を求めることが可能なため、データ誤りの無い通信を提供できる。

3.2. 欠点
-------

パケット通信を行っているため、RAS  で直接データ通信できないという問題がある。64kPIAFS通信などでは、その通信方式に対応したターミナルアダプタ  を配置することで直接にデータ通信が可能であったが、パケット通信ではパケットの組み立て分解を行うサーバを介する必要がある。このため、通常はISP経由での接続を行うことが多い。
実効通信速度の保障を行いにくい。
輻輳やパケットロスにより、伝送遅延時間が変動する。

4. 回線構成
-------

PADを持たない端末装置の場合、外付けしてパケット通信網に接続する。

　|DTE|--|PAD|--|DCE|--|交換設備|--|中継回線|--|交換設備|--|DCE|--|PAD|--|DTE|

PADを持つ端末装置の場合、直接パケット通信網に接続する。

　|DTE + PAD|--|DCE|--|交換設備|--|中継回線|--|交換設備|--|DCE|--|PAD + DTE|

DTE  : データ端末装置
PAD  : パケット組み立て分解機能
DCE  : データ回線終端装置

5. 方式
-----

Virtual Call : 仮想回線  を設定してからデータを送信。
コネクションレス型通信 : 事前の経路確保無しに、データ送信を開始

6. コネクションレス型およびコネクション型モード
-------------------------

パケット交換は、に分類することができるコネクションとしても知られるパケット交換、 データグラム切り替え、及びコネクション型としても知られる、パケット交換仮想回線切替。 コネクションレス型システムの例としては、 イーサネット 、 インターネットプロトコル 、およびユーザーデータグラムプロトコル がある。 接続指向のシステムには、 X.25 、 フレームリレー 、 マルチプロトコルラベルスイッチング 、および伝送制御プロトコル が含まれる。

コネクションレスモードでは、各パケットは宛先アドレス、送信元アドレス、およびポート番号でラベル付けされる。 パケットのシーケンス番号でラベル付けされる場合もある。 この情報により、パケットが宛先までの経路を見つけるのに役立つ事前に確立されたパスが不要になるが、パケットヘッダーにはより多くの情報が必要になるため、サイズが大きくなる。 パケットは個別にルーティングされるが、異なるパスをたどることにより、 順序どおりに配信されないことがある。 宛先では、パケットのシーケンス番号に基づいて、元のメッセージが正しい順序で再構成される。 したがって、ネットワークはコネクションレス型ネットワーク層サービスしか提供しないが、 バイトストリームを運ぶ仮想回線がトランスポート層プロトコルによってアプリケーションに提供される。

接続指向の送信では、パケットが転送される前に、通信のパラメータを確立するためのセットアップフェーズが必要である。 セットアップに使用されるシグナリングプロトコルにより、アプリケーションはその要件を指定し、リンクパラメータを検出できる。 サービスパラメータの許容値は、ネゴシエートされる場合がある。 転送されるパケットには、アドレス情報ではなく接続識別子が含まれる場合があり、このコードと、パケットごとに異なる長さ、タイムスタンプ、シーケンス番号などの情報を含めるだけでよいので、パケットヘッダーを小さくできる。 この場合、宛先へのルートが発見され、接続が通過する各ネットワークノードのスイッチングテーブルにエントリが追加されるときに、接続セットアップフェーズ中にのみアドレス情報が各ノードに転送される。 接続識別子を使用する場合、パケットをルーティングするには、ノードがテーブルで接続識別子を検索する必要がある。

TCPなどの接続指向のトランスポート層プロトコルは、基盤となるコネクションレス型ネットワークを使用して接続指向のサービスを提供する。 この場合、 エンドツーエンドの原則により、ネットワーク自体ではなく、エンドノードが接続指向の動作に責任を負うことが規定されている。

7. ネットワークでのパケット交換
-----------------

パケット交換は、コンピューターネットワークなどのデジタル通信ネットワークで利用可能なチャネル容量の使用を最適化し、伝送遅延 を最小限に抑え、通信の堅牢性を高めるために使用される。

パケット交換は、 インターネットおよびほとんどのローカルエリアネットワークで使用されている 。 インターネットは、さまざまなリンク層テクノロジーを使用するインターネットプロトコルスイートによって実装される。 たとえば、 イーサネットとフレームリレーは一般的である。 新しい携帯電話技術もパケット交換を使用している。 これらのシステムでは、データを交換する前に通信当事者間で接続合意を確立する必要がないため、パケット交換はコネクションレス型ネットワーキングに関連付けられている。

X.25は、パケットスイッチング方式に基づいているにもかかわらず、 仮想回線をユーザーに提供するという点で、パケットスイッチングの注目すべき使用法である。 これらの仮想回線は可変長パケットを伝送する。 1978年に、X.25は最初の国際および商用パケット交換ネットワークである国際パケット交換サービス を提供した。 非同期転送モード も、固定長のセルリレー接続指向のパケットスイッチングを使用する仮想回線技術である。

マルチプロトコルラベルスイッチング やリソース予約プロトコル などのテクノロジは、データグラムネットワーク上に仮想回線を作成する。 MPLSとその前身、およびATMは「高速パケット」テクノロジーと呼ばれている。 実際、MPLSは「セルのないATM」と呼ばれている。 仮想回路は、堅牢なフェイルオーバーメカニズムを構築し、遅延の影響を受けやすいアプリケーションに帯域幅を割り当てる場合に特に役立ちる。

8. パケット交換ネットワーク
---------------

パケット交換ネットワークの歴史は、3つの重複する時代に分けることができる。X.25とOSIモデルが導入される前の初期のネットワーク、多くの郵便、電話、および電信会社がX.25インターフェースを持つネットワークを使用したX.25時代、そしてインターネット時代。

8.1. 初期のネットワーク
--------------

国立物理研究所 でのパケットスイッチングの研究は、1965年の広域ネットワーク と1966年のローカルエリアネットワークの提案から始まった。 ARPANETの資金は、1966年にボブテイラーによって確保され、計画は1967年にラリーロバーツを雇ったときに始まった。 NPLネットワーク、ARPANET、およびSITA HLNは1969年に稼働した。 1973年にX.25が導入される前は 約20の異なるネットワーク技術が開発されていた。 2つの基本的な違いは、ネットワークのエッジにあるホストとネットワークコア間の機能とタスクの分割に関係していた。 エンドツーエンドの原則に従って動作するデータグラムシステムでは、ホストはパケットの規則正しい配信を保証する責任がある。 仮想コールシステムでは、ネットワークはホストへのデータのシーケンス配信を保証する。 これにより、ホストインターフェイスがシンプルになるが、ネットワークが複雑になる。 X.25プロトコルスイートはこのネットワークタイプを使用する。

8.1.1. AppleTalk
----------------

AppleTalkがによって開発されたプロトコルのネットワークの独自スイートであるAppleのために1985年にアップル社のMacintoshコンピュータを。 これは、1980年代から1990年代にかけてAppleデバイスが使用した主要なプロトコルでした。 AppleTalkには、集中型ルーターやサーバーを必要とせずにローカルエリアネットワークを//アドホック//で確立できる機能が含まれていた。 AppleTalkシステムは、アドレスを自動的に割り当て、分散ネームスペースを更新し、必要なネットワーク間ルーティングを構成した。 プラグアンドプレイのシステムでした。

AppleTalk実装も、 IBM PCとその互換機、およびApple IIGS向けにリリースされた。 AppleTalkのサポートは、ほとんどのネットワークプリンター、特にレーザープリンター 、一部のファイルサーバー 、 ルーターで利用できた。 AppleTalkサポートは2009年に終了し、 TCP / IPプロトコルに置き換えられた。

8.1.2. アルパネット
-------------

ARPANETは、インターネットの前駆ネットワークであり、パケットスイッチングテクノロジーを使用してTCP / IPスイートを実行するためのARPAのSATNETとともに、最初のネットワークの1つだった。

8.1.3. BNRNET
-------------

BNRNETは、 Bell-Northern Researchが内部で使用するために開発したネットワークである。 最初はホストは1つだけでしたが、多くのホストをサポートするように設計されていた。 BNRはその後、CCITT X.25プロジェクトに大きく貢献した。

8.1.4. CYCLADES
---------------

CYCLADESパケット交換ネットワークは、 Louis Pouzinによって設計および監督されたフランスの研究ネットワークでした。 1973年に最初に実証され、それは初期のARPANET設計の代替案を模索し、一般的にネットワーク研究をサポートするために開発された。 これは、ネットワーク自体ではなく、 エンドツーエンドの原則を使用し、ホストがデータの信頼できる配信を担当する最初のネットワークでした。 このネットワークの概念は、後のARPANETアーキテクチャに影響を与えた。

8.1.5. DECnet
-------------

DECnetは、2台のPDP-11 ミニコンピュータを接続するために1975年に最初にリリースされたDigital Equipment Corporationによって作成されたネットワークプロトコルのスイートである。 それは最初のピアツーピアネットワークアーキテクチャの1つに進化し、1980年代にDECをネットワーキングパワーハウスに変えた。最初は3 層で構築されていたが、後で7層OSI準拠のネットワークプロトコルに進化した。 DECnetプロトコルは、完全にDigital Equipment Corporationによって設計された。 ただし、DECnetフェーズIIは公開された仕様を備えたオープンスタンダードであり、Linux用を含むいくつかの実装がDECの外部で開発された。

8.1.6. DDX-1
------------

DDX-1は日本PTTの実験的なネットワークでした。 回線交換とパケット交換が混在している。 DDX-2に引き継がれた。

8.1.7. EIN
----------

元々COST 11と呼ばれていたEuropean Informatics Networkは、1971年にイギリス、フランス、イタリア、スイス、 Euratomのネットワークをリンクするプロジェクトでした。 他の6つのヨーロッパ諸国もネットワークプロトコルの研究に参加した。 デレクバーバーがプロジェクトを指揮し、 ロジャースキャントルベリーが英国の技術的貢献を主導した。どちらもNPLからのものでした。 作業は1973年に始まり、 NPLネットワークとCYCLADESをリンクするノードを含め、1976年に稼働した。 EINのトランスポートプロトコルは、 国際ネットワーキングワーキンググループで採用されたプロトコルの基礎でした。 EINは1979年にユーロネットに置き換えられた。

8.1.8. EPSS
-----------

実験的パケット交換サービスは、1975年に英国の学術コミュニティによって定義されたColored Bookプロトコルに基づく英国の郵便局通信の実験である。 1977年に運用を開始したとき、英国で最初の公共データネットワークでした。 Ferrantiはハードウェアとソフトウェアを提供した。 リンク制御メッセージの処理は、他のほとんどのネットワークとは異なった。

8.1.9. GEIS
-----------

General Electric Information Servicesとして、 General Electricは情報サービスの主要な国際的プロバイダーでした。 同社はもともと、内部の音声電話ネットワークとして機能する電話ネットワークを設計していた。

1965年、ワーナーシンバックの扇動で、この音声電話ネットワークに基づくデータネットワークは、GEの4つのコンピューター販売およびサービスセンターを接続してコンピューターのタイムシェアリングサービスを促進するように設計された、明らかに世界初の商用オンラインサービス。

数年後に国際化した後、GEISはオハイオ州クリーブランドの近くにネットワークデータセンターを設立した。 彼らのネットワークの内部の詳細についてはほとんど公開されていません。 ）//