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. ネットワークコア

ネットワークコアは、エンドシステム同士を接続する**パケットスイッチ**と**リンク**のメッシュである。データ転送方式には大きく2つがある：

- **パケット交換（Packet Switching）**

- **回線交換（Circuit Switching）**

2. パケット交換（Packet Switching）

2.1 基本概念

アプリケーション層のメッセージを小さなデータの塊である**パケット（packet）**に分割して送信する。各パケットは通信リンクとパケットスイッチ（ルーター、リンク層スイッチ）を経由して宛先に到達する。

2.2 蓄積転送（Store-and-Forward Transmission）

ほとんどのパケットスイッチは**蓄積転送**方式を使用する。

> スイッチが出力リンクへパケットの最初のビットを送信する**前に**、パケット全体を受信しなければならない。

送信元（Source） ルーター 宛先（Destination）

| | |

|==== パケット1 ===>| |

| |==== パケット1 ===>|

|==== パケット2 ===>| |

| |==== パケット2 ===>|

伝送遅延の計算

パケットサイズが `L` ビット、伝送率が `R` bpsの場合：

- 1つのリンクを通過するのにかかる時間：`L/R` 秒

- `N` 個のリンクを通過する総伝送遅延：`N * L/R` 秒（蓄積転送のため）

**例**：パケットサイズ `L = 10,000 bits`、伝送率 `R = 2 Mbps`、リンク2つ

総遅延 = 2 * (10,000 / 2,000,000) = 0.01秒 = 10ms

2.3 キューイング遅延とパケット損失

各パケットスイッチは複数のリンクに接続されており、各リンクに対して**出力バッファ（output buffer）**または**出力キュー（output queue）**を維持する。

┌──────────────────────────┐

入力 ────>│ 出力キュー（バッファ） │────> 出力リンク

リンク │ [pkt3][pkt2][pkt1] ──> │ (R bps)

└──────────────────────────┘

↑ キューイング遅延発生！

キューイング遅延（Queuing Delay）

パケットが出力リンクへの送信を待つ時間である。ネットワークの混雑度に依存する。

パケット損失（Packet Loss）

バッファ空間は有限であるため、到着したパケットが満杯のキューに遭遇すると**パケットドロップ（drop）**が発生する。これが**パケット損失**である。

シナリオ：バッファサイズ = 3パケット

時点1: [pkt1][pkt2][pkt3] → バッファ満杯

時点2: pkt4到着 → バッファ超過 → pkt4ドロップ！

2.4 フォワーディングテーブルとルーティング

パケットが宛先に到達するためには、ルーターが適切な出力リンクを選択しなければならない。

1. 各エンドシステムは**IPアドレス**を持つ

2. 送信者はパケットヘッダに**宛先IPアドレス**を含める

3. ルーターは**フォワーディングテーブル（forwarding table）**を参照して出力リンクを決定する

4. フォワーディングテーブルは**ルーティングプロトコル**によって自動的に設定される

パケットヘッダ：宛先IP = 121.7.106.83

ルーターフォワーディングテーブル：

┌─────────────────┬────────────┐

│ アドレス範囲 │ 出力リンク │

├─────────────────┼────────────┤

│ 121.7.0.0/16 │ リンク2 │

│ 200.23.0.0/16 │ リンク3 │

│ その他 │ リンク0 │

└─────────────────┴────────────┘

→ リンク2へフォワーディング

3. 回線交換（Circuit Switching）

3.1 基本概念

通信を開始する**前に**、送信者と受信者の間に**専用回線（dedicated circuit）**を設定する。

従来の電話ネットワークが代表的な回線交換ネットワークである。

回線交換の過程：

1. 接続設定（回線予約）

2. データ転送（専用リソース使用）

3. 接続解除（回線返却）

核心的な特徴

- 接続期間中**一定の伝送率を保証**する

- リソースが予約されるため**キューイング遅延がない**

- リソースが使用されていなくても他の接続が使用できない（リソース浪費の可能性）

3.2 FDM（周波数分割多重化）

周波数帯域を複数の**周波数バンド**に分割し、各接続に割り当てる。

周波数

^

│ ┌────────┐

│ │ユーザー4│ バンド4

│ ├────────┤

│ │ユーザー3│ バンド3

│ ├────────┤

│ │ユーザー2│ バンド2

│ ├────────┤

│ │ユーザー1│ バンド1

│ └────────┘

└──────────────────> 時間

- 各接続は割り当てられた周波数バンドのみを使用

- FMラジオ局がFDMの良い例

- 一般的なバンド幅：4 kHz（電話ネットワーク）

3.3 TDM（時分割多重化）

時間を一定の長さの**フレーム**に分割し、各フレームを固定数の**タイムスロット**に分けて各接続に割り当てる。

フレーム1 フレーム2 フレーム3

┌──┬──┬──┬──┐ ┌──┬──┬──┬──┐ ┌──┬──┬──┬──┐

│S1│S2│S3│S4│ │S1│S2│S3│S4│ │S1│S2│S3│S4│

└──┴──┴──┴──┘ └──┴──┴──┴──┘ └──┴──┴──┴──┘

──────────────────────────────────────────> 時間

S1: ユーザー1のスロット、S2: ユーザー2のスロット、...

- 各接続は各フレーム内の自分のタイムスロット中のみデータ送信

- 伝送率：リンク伝送率が `R` でスロット数が `N` の場合、各接続の伝送率は `R/N`

4. パケット交換 vs 回線交換の比較

4.1 定量的な比較例

リンク容量：`1 Mbps`

| 方式 | 同時ユーザー数 |

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

| 回線交換（各100 kbps） | 10人 |

| パケット交換（平均10%アクティブ） | 35人以上可能 |

なぜパケット交換がより多くのユーザーを収容できるのか

ユーザーが `100 kbps` でデータを生成するが、全時間の10%しかアクティブでないと仮定する。

- **回線交換**：アクティブかどうかに関係なく各ユーザーに `100 kbps` を予約 → 最大10人

- **パケット交換**：35人のユーザー中、同時に11人以上がアクティブになる確率は0.0004未満

パケット交換の統計的多重化（Statistical Multiplexing）：

35人のユーザー、各10%のアクティブ確率

同時アクティブユーザー数の期待値 = 35 * 0.1 = 3.5人

→ 1 Mbpsリンクで十分対応可能

4.2 メリット・デメリット比較

| 基準 | パケット交換 | 回線交換 |

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

| リソース効率 | 高い（統計的多重化） | 低い（リソース予約） |

| 実装の複雑さ | 低い | 高い（接続設定が必要） |

| 遅延保証 | 保証不可 | 一定の遅延を保証 |

| 混雑時 | パケット損失、遅延増加 | 接続拒否 |

| バースト的トラフィック | 適切に処理 | 非効率的 |

4.3 結論

今日のインターネットは**パケット交換**方式を使用している。

- バースト（bursty）トラフィックに対してより効率的

- よりシンプルでコスト効率が良い

- ただし、リアルタイムサービス（音声、映像）のQoS保証はまだ課題

5. ネットワークのネットワーク（A Network of Networks）

5.1 ISP階層構造の発展

エンドシステムはアクセスISPを通じてインターネットに接続する。では、アクセスISP同士はどのように接続されるのか。

構造1：すべてのアクセスISPを1つのグローバルISPに接続

アクセスISP ─┐

アクセスISP ─┼── グローバルISP

アクセスISP ─┘

非現実的：1つのISPが全世界をカバーしなければならない

構造2：複数のグローバルISPが競争

アクセスISP ── グローバルISP A ── IXP ── グローバルISP B ── アクセスISP

- **IXP（Internet Exchange Point）**：ISP同士がトラフィックを交換するポイント

構造3：多階層構造

アクセスISP ── 地域ISP ── Tier-1 ISP ── 地域ISP ── アクセスISP

5.2 現代のインターネット構造

┌─────────────────────┐

│ Tier-1 ISP │

│ (AT&T, NTT等) │

└──────┬──────┬───────┘

│ IXP │

┌────────────┤ ├────────────┐

│ │ │ │

┌────┴────┐ ┌───┴───┐ ┌────┴────┐

│地域ISP │ │地域ISP│ │地域ISP │

└────┬────┘ └───┬───┘ └────┬────┘

│ │ │

┌────┴────┐ ┌───┴───┐ ┌────┴────┐

│アクセス │ │アクセス│ │アクセス │

│ ISP │ │ ISP │ │ ISP │

└─────────┘ └───────┘ └─────────┘

主要な構成要素

- **Tier-1 ISP**：全世界をカバーする最上位ISP（約12社）

- **IXP**：ISP間の直接トラフィック交換ポイント（全世界600以上）

- **ピアリング（Peering）**：同じ階層のISP間の無精算トラフィック交換

- **コンテンツプロバイダネットワーク**：Google、Microsoftなどが自社ネットワークを構築

Googleのネットワーク戦略：

┌────────────────────────────────┐

│ Googleデータセンター（全世界） │

│ 自社プライベートネットワークで接続│

│ Tier-1、IXPに直接接続 │

│ → 中間ISPコスト削減 │

│ → サービス品質を直接制御 │

└────────────────────────────────┘

6. まとめ

ネットワークコアの核心比較：

パケット交換 回線交換

────────── ────────

蓄積転送 専用回線設定

キューイング遅延発生 キューイング遅延なし

統計的多重化 FDM / TDM

パケット損失の可能性 リソース浪費の可能性

今日のインターネット 従来の電話ネットワーク

7. 確認問題

パケットスイッチが出力リンクへ最初のビットを送信する前に、パケットの**すべてのビットを受信完了**しなければならない伝送方式である。これにより、各リンクを通過するたびに `L/R` 秒の伝送遅延が追加される。

パケットスイッチの出力バッファ（キュー）空間が有限であるためである。到着率が出力リンクの伝送率を超えるとパケットがキューに溜まり、キューが満杯になると新しく到着するパケットが**ドロップ（drop）**される。

**統計的多重化（statistical multiplexing）**のおかげである。すべてのユーザーが同時にデータを送信するわけではないため、パケット交換はリソースを事前に予約せず必要な時だけリンクを使用する。これにより、同じリソースでより多くのユーザーを収容できる。