本記事は James Kurose, Keith Ross 著 Computer Networking: A Top-Down Approach (6th Edition) の教科書を基にまとめた内容です。

1. インターネット：構成要素の観点（Nuts-and-Bolts Description）

インターネットは、世界中の数十億のコンピューティングデバイスを接続するコンピュータネットワークである。

1.1 ホスト（Host）またはエンドシステム（End System）

インターネットに接続されたすべてのデバイスを**ホスト**または**エンドシステム**と呼ぶ。従来のデスクトップPC、サーバーだけでなく、スマートフォン、タブレット、IoTデバイスなどもすべて含まれる。

1.2 通信リンクとパケットスイッチ

エンドシステムは**通信リンク（communication link）**と**パケットスイッチ（packet switch）**のネットワークで接続される。

- **通信リンク**：同軸ケーブル、銅線、光ファイバー、無線スペクトラムなど様々な物理メディアで構成

- **伝送率（transmission rate）**：リンクごとに異なり、単位は**bps（bits per second）**

データ送信時、送信エンドシステムはデータを**セグメント（segment）**に分割し、各セグメントに**ヘッダ（header）**を付けて**パケット（packet）**を作成する。

1.3 パケットスイッチ

パケットスイッチは入力通信リンクから到着するパケットを受け取り、出力通信リンクへ転送する。代表的なパケットスイッチは以下の通りである：

- **ルーター（Router）**：ネットワークコアで使用

- **リンク層スイッチ（Link-layer Switch）**：アクセスネットワークで使用

1.4 ISP（Internet Service Provider）

エンドシステムは**ISP**を通じてインターネットに接続する。

エンドシステム → アクセスISP → 地域ISP → Tier-1 ISP → インターネットバックボーン

各ISPは独立して管理されるパケットスイッチと通信リンクのネットワークである。

1.5 プロトコルと標準

インターネットのすべての活動は**プロトコル**によって制御される。最も重要な2つのプロトコルは以下の通りである：

- **TCP（Transmission Control Protocol）**

- **IP（Internet Protocol）**：ルーターとエンドシステム間で送受信されるパケットの形式を規定

インターネット標準は**IETF（Internet Engineering Task Force）**で開発され、標準文書は**RFC（Request for Comments）**と呼ばれる。

2. インターネット：サービスの観点（Services Description）

インターネットを**アプリケーションにサービスを提供するインフラ**として見ることができる。

分散アプリケーション（メール、Web、ソーシャルネットワーク、ストリーミングなど）は、互いにデータを交換するエンドシステム上で実行される。この際、インターネットは**ソケットインタフェース（socket interface）**を提供し、プログラムが他のエンドシステムにデータを届けられるようにする。

ソケットインタフェースは、送信プログラムが従わなければならない一連の規則である。郵便システムに例えると、手紙を封筒に入れ、住所を書き、切手を貼り、ポストに投函する規則と同じである。

3. プロトコルとは何か

3.1 人間のプロトコルとの類比

人間の会話にもプロトコルがある：

人物A: 「こんにちは」 → メッセージ送信

人物B: 「こんにちは」 → 応答メッセージ

人物A: 「今何時ですか？」 → リクエスト

人物B: 「2時30分です」 → レスポンス

3.2 ネットワークプロトコルの定義

> ネットワークプロトコルは、2つ以上の通信エンティティ間で交換される**メッセージの形式と順序**、およびメッセージの送受信やその他のイベントに伴う**動作**を定義する。

例：TCP接続確立プロセス

クライアント サーバー

|--- TCP接続要求 ----------->|

|<-- TCP接続応答 ------------|

|--- GET /index.html ------->|

|<-- HTTPレスポンスデータ ----|

4. ネットワークエッジ（Network Edge）

4.1 エンドシステムの役割

エンドシステムはネットワークの端に位置するため、**エッジ（edge）**とも呼ばれる。エンドシステムは以下の2つの役割を果たす：

- **クライアント（Client）**：サービスを要求する側（デスクトップ、スマートフォンなど）

- **サーバー（Server）**：サービスを提供する側（データセンターに設置）

4.2 クライアント-サーバーモデル vs P2Pモデル

| 区分 | クライアント-サーバー | P2P |

| -------- | --------------------- | ------------------------------ |

| サーバー | 常時稼働 | なし（ピアがサーバー役も兼任） |

| 拡張性 | サーバー増設が必要 | ピア増加時に自動拡張 |

| 例 | Web、メール | BitTorrent、Skype |

5. アクセスネットワーク（Access Networks）

エンドシステムを最初のルーター（エッジルーター）に接続するネットワークを**アクセスネットワーク**と呼ぶ。

5.1 家庭用アクセス：DSL、ケーブル、FTTH

DSL（Digital Subscriber Line）

既存の電話回線を利用する。電話会社がISPの役割も兼ねる。

家庭 ──── DSLモデム ──── 電話回線 ──── DSLAM ──── ISP

|

電話ネットワーク

- **アップストリーム**：1〜2.5 Mbps（一般的）

- **ダウンストリーム**：10〜24 Mbps（一般的）

- 非対称（asymmetric）伝送

ケーブルインターネット

HFC（Hybrid Fiber Coax）ネットワークを使用する。ケーブルTVインフラを活用する。

家庭 ──── ケーブルモデム ──── 同軸ケーブル ──── 光ファイバーノード ──── CMTS ──── ISP

- ダウンストリーム：42.8 Mbps（共有）

- アップストリーム：30.7 Mbps（共有）

- **共有ブロードキャストメディア**：複数ユーザーが帯域幅を共有

FTTH（Fiber To The Home）

光ファイバーを家庭まで直接接続する。

- **AON（Active Optical Network）**：イーサネットスイッチベース

- **PON（Passive Optical Network）**：スプリッターベース（より一般的）

5.2 企業アクセス：イーサネットとWiFi

エンドシステム ── イーサネットスイッチ ── 機関ルーター ── ISP

|

無線アクセスポイント(AP) ── WiFiデバイス

- **イーサネット**：100 Mbps〜10 Gbps

- **WiFi（802.11）**：11 Mbps〜数Gbps（規格による）

5.3 広域無線アクセス：3G/4G/5G

移動通信事業者の基地局を通じて接続する。数十km圏内で使用可能である。

6. 物理メディア（Physical Media）

物理メディアは大きく**誘導メディア（guided media）**と**非誘導メディア（unguided media）**に分かれる。

6.1 誘導メディア

| メディア | 特徴 | 伝送率 |

| ----------------------------- | -------------------------- | ---------------- |

| ツイストペア（Twisted Pair） | 最も安価、電話回線に使用 | 10 Mbps〜10 Gbps |

| 同軸ケーブル（Coaxial Cable） | ケーブルTVに使用、共有媒体 | 数百Mbps |

| 光ファイバー（Fiber Optic） | 光パルス使用、干渉なし | 数十Gbps以上 |

ツイストペアの詳細

- **UTP（Unshielded Twisted Pair）**：建物内LANで主に使用

- カテゴリーにより性能差：Cat 5e（1 Gbps）、Cat 6（10 Gbps）など

光ファイバーの詳細

- 電磁干渉に対して免疫

- 減衰が非常に低く、長距離伝送に適する

- 海底ケーブルに使用

6.2 非誘導メディア

電磁波が自由空間を通じて伝搬する。

- **地上波無線チャネル**：WiFi、セルラー

- **衛星無線チャネル**：静止軌道衛星（GEO）、低軌道衛星（LEO）

地上波無線チャネルの分類：

├── 近距離（1〜2m）：Bluetooth、個人用デバイス

├── ローカルエリア（数十〜数百m）：WiFi（802.11）

└── 広域（数十km）：セルラー（3G/4G/5G）

7. まとめ

インターネットを理解するための2つの視点：

1. **構成要素の視点**：ホスト、ルーター、リンク、プロトコルで構成されたネットワーク

2. **サービスの視点**：分散アプリケーションにサービスを提供するインフラ

重要な概念：

- プロトコルはメッセージの形式、順序、動作を定義する

- ネットワークエッジにはエンドシステムが、コアにはルーターとスイッチが位置する

- アクセスネットワークはエンドシステムをネットワークコアに接続する

- 物理メディアは誘導（銅線、光ファイバー）と非誘導（無線）メディアに分かれる

8. 確認問題

違いはない。ホストとエンドシステムは同じ意味である。エンドシステムをホストと呼ぶのは、Webサーバーやメールサーバーなどのアプリケーションプログラムを**ホスト（host、主催）**するためである。

- **ルーター**：ネットワークコアで使用され、パケットの宛先アドレスを見てフォワーディングを行う

- **リンク層スイッチ**：アクセスネットワークで使用され、リンク層アドレス（MAC）に基づいてフォワーディングを行う

- **DSL**：電話回線を利用し、各家庭に専用回線を割り当てる（非共有）

- **ケーブル**：HFCネットワークを利用し、複数の家庭が帯域幅を共有する

ケーブルは共有メディアであるため、同時に多くのユーザーが接続すると速度が低下する可能性がある。