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通信技術

学習のポイント

LANやインターネットの基本は通信です。ここでは,
   通信回線の種類と通信機器(アナログ/デジタル回線,モデムなど)
   交換方式(パケット交換,多重化方式など)
   伝送制御手順(フレーム同期,HDLCなど)
   誤り制御(パリティチェック,CRCなど)
などを取り扱います。

キーワード

アナログ回線,デジタル回線,モデム,TA,半二重,全二重,回線交換方式,パケット交換方式,TDM,同期制御,フレーム同期,基本形データ伝送制御手順,コンテンション方式,ポーリング/セレクティング方式,HDLC伝送制御手順,フラグシーケンス,フレームの形式,P/Fビット,NRM,ARM,ABM,マルチリンク,フレームリレー,誤り制御,パリティチェック,CRC方式(巡回符号検査方式),ハミング符号,ITU-T勧告,IEEE

本章の体系図

通信回線と通信機器

通信回線の分類

通信回線を所有権や利用権から分類すると次のようになります。

公衆回線
通常の電話回線のように,誰でもが利用できる通信回線です。公衆回線では,利用のつどダイアルを回して(古い表現ですね!)相手先とつなぐ必要があります。
専用回線
大企業では本社,支店,工場などの事業所間で頻繁に大量の通信をしています。それで,自社だけで利用する回線を借りるほうが経済的ですし,セキュリティも安全です。事業所をまたいで内線のような使い方もできます。専用回線でもダイアルしますが,それは社内で共同利用しているからで,一対の電話(コンピュータ間)だけならつなぎっぱなしにしておくこともできます。
LAN(Local Area Network)
同一建物内,同一敷地内であれば,制約を受けることもなく自由な通信回線を設置することができます。通常は多数のパソコンなどを接続したデータ通信網のことを指します。

通信回線に流れる情報から,アナログ回線とデジタル回線に分類できます。

アナログ回線
通常の電話回線では音声の高低は電流の周波数に音声の強さは波形の大きさに変えて通信します。電流の波は連続的(アナログ的)ですので,このような通信回線をアナログ回線といいます。
デジタル回線
データ通信を目的とした回線です。0と1のパルスで信号を送っています。LANやISDNなどがそれにあたります。

データ通信に関連する装置

パソコンを通信回線に接続する形態を論理的(抽象的)な表現をすると図のようになります。

接続論理図
DTE(Data Terminal Equipment:データ端末装置)
パソコンなどのデータを送受信する装置のことをDTEといいます。
DCE(Data Circuit-terminating Equipment:データ回線終端装置)
DTEを通信回線に接続するための装置をDCEといいます。その装置は通信回線の種類により異なります。
アナログ回線のとき
DTEの内部ではデジタル信号になっています。送信するにはそれをアナログ信号に変える(変調という)必要がありますし,受信するにはアナログ信号をデジタル信号に変える(復調という)必要があります。そのための装置がモデム(MODEM:変復調装置)です。
 ダイアルをする装置をNCU(Network Control Unit)といいますが,一般にはモデムの中にこの機能を内蔵しているので,変復調とダイアル機能を含めてモデムというのが通常になっています。さらに,モデムを内蔵しているパソコンも多く,モデム自体が私たちには見えないこともあります。
デジタル回線のとき
ISDNのようなデジタル回線のときは変復調は不要です。しかし,通信回線とパソコンを直接に接続することはできません。まず家庭内と電話局との境界にDSU(Digital Service Unit:宅内回線終端装置)を置いて,パソコンや電話機に配線します。また,その配線とパソコンの間にTA(Terminal Adapter)というアダプタを設置します。多くのTAがDSUも内蔵しており,これら全体をTAということもあります。
LANの場合は,デジタル回線ですし,他のパソコンとの接続方法は電話とは異なる方式を用いますので,DTEとしては不要ですが,LANと接続するためにLANカードが必要になります。
           公衆回線    専用回線
   アナログ回線  モデム+NCU モデム
   デジタル回線  TA+DSU  TA
   LAN       -     カード
CCU(Communication Control Unit:通信制御装置)
CCUはコンピュータ側の装置です。通信回線からの直列ビット列をコンピュータの並列ビット列に変換したり,伝送間にデータの誤りが発生していないかのチェックなどをします。本来はコンピュータの機能なのですが,これを分離することによりコンピュータの処理効率を高めているのです。

伝送モード

単方向通信(片方向通信)
送信側と受信側が常に固定しているならば,データの流れは一方通行になります。それを単方向通信といいます。
全二重通信
でも,通常は送信側と受信側が変るのが通常です。電話では双方から話をするし,Webページ閲覧でもURLを送信してページを受信しています。そのような通信を双方向通信といいます。
双方向通信をするには2つの方法があります。その一つは全二重通信です。分離線のある道路のように,一方は上り専用,他方は下り専用とする方法です。ツイストペアケーブルを使う10Base-T や 100Base-TX がこれにあたります。1000BASE-Tにおいては全二重通信のみが可能です。
半二重通信
双方向通信のもう一つの方法は半二重通信です。分離線のない道路のように,双方から通信ができますが,同時に行うと衝突が起こることがあります。それを避けるためには,トランシーバーのように,一方から入ってきたら,他方はそれが終わるまでまっているようにします。10Base2 や 10Base5 のように同軸ケーブルを使用したバス型ネットワークが代表的な例でCSMA/CDなどの制御方式が必要になります。

交換方式

交換方式の分類

通信回線は多数の人が利用しています。そのとき,送信者Aと受信者Bの間で回線を確保することを交換といいます。それには次の方式があります。このうち,データ通信で重要なのはパケット交換方式です。

回線交換方式
通常の電話では,ダイアルをかけて相手にかかってから切断するまでの間は回線を占有します。このような方式を回線交換方式といいます。データ通信でもこの方式を使うこともありますが,この方式では,
  送受信していない間も回線を占有してしまう。そのため,費用が高くなる。
  送受信側で同一速度,同一伝送制御方式を採用している必要がある。
という問題が起こります。
蓄積交換方式
送信するデータをいったん交換機(ルータ)に蓄積してから相手を呼び出し,相手の交換機に転送する方式です。これにより,通信速度や伝送速度方式の制約がなくなります。蓄積交換方式には,送るデータをそのまま蓄積するメッセージ交換方式と,データを一定の大きさに分割して(パケットという)送るパケット交換方式があります。

パケット交換方式

パケット交換方式では,電文をいくつかの一定の範囲の大きさに分割して,それぞれに宛先や番号などのヘッダをつけたパケット(小包の意味)にします。そして,複数のパソコンからきた電文を1本の通信回線に混載して送ります。
 受取側のパケット受信装置では,ヘッダを見て宛先に分け,ヘッダ部分を削除して元の電文にして,各宛先に送ります。インターネットでは,通信経路が一定していないので,送信した順序と受信した順序が異なることもありますが,パケットの番号を調べて正しく復元します。
 パケット交換方式により,回線が占有されることがなくなり、通信回線を効率良く利用することができますし,柔軟に経路選択が行なえるため、一部に障害が出ても他の回線で代替できるという利点もあります。それでインターネットに利用されているのです。
 パケット交換方式の一つにフレームリレー(Frame Relay)があります。光ファイバなどの伝送手段の信頼性が向上したため,従来パケット通信に使われていたX.25という規格の誤り訂正手順を簡略化して高速化を図ったものです。

パケットの多重化

多重化方式

多重化とは,1本の高速回線を用いて,複数の通信を同時に行う技術です。多重化方式には次の方式があります。

FDM(Frequency Division Muitiplexing:周波数分割多重化)
アナログ回線の周波数帯域を複数の狭い周波数帯域のチャネルに分割して複数の通信をします。例えば,電話では4KHzの帯域幅があれば十分ですので,48KHzの帯域幅の回線を,12の4KHzに分割すれば,同時に12の電話をすることができます。
TDM(Time Division Muitiplexing:時分割多重化)
1本のデジタル回線を時間で分割して一定時間ごとに切り替えて通信します。そのとき,切り替える順序を固定して繰り返していく方式をSTM(Synchronous Transfer Mode)といい,順序を取り決めないでデータの到着順に送る方式をATM(Asynchronous Transfer Mode)といいます。ATMはLANや広域ネットワークで使われています。
WDM(Wavelength Division Muitiplexing:波長分割多重化)
光ファイバでの多重化です。1本の光ファイバを波長の異なる複数信号で送ります。

伝送制御手順

伝送の手順

伝送制御は,次の手順で行います。

   回線接続          受話器をとる
   ↓ データリンクの確立   電話番号をかけて相手を確認する
   ↓ ↓ データの送受信   用件を話す
   ↓ データリンクの解放   さようならをいう
   回線切断          受話器を置く

同期制御

通信をするには,送信側と受信側でタイミングを合わせる必要があります。それを同期制御といいます。現在はフレーム同期が一般に用いられています。

ビット同期(非同期式)
ビット同期は,1文字ごとに,先頭を示すスタートビット(0)と最後を示すストップビット(1)を付け加えて送ります。1文字を1バイト=8ビットとするならば,10ビットで1文字を送ることになります。そして,その各10ビットを受け取る時間間隔を送信側と受信側で決めておきます。現在はほとんど使われていません。
キャラクタ同期
いくつかの文字列をブロックにまとめて送る方式です。ブロックの先頭にSYN符号(10010110)を数個並べておき,これがきたら新しいデータであると認識する方法です。比較的低速の基本形伝送制御手順(ベーシック手順)で用いられています。
フレーム同期
これもブロックでの送信ですが,任意のビット列を送信できます。ビット列の先頭と最後にフラグシーケンスという特殊なビット列を付加して送ります。高速のデータ伝送に適しており,HDLC手順で採用しています。HDLCでのフラグシーケンスには 01111110 が用いられます。フレーム中のフラグシーケンス以外のフィールドにこのビットパターンがあれば,転送の前に1のビットが5個連続すると送信側では強制的に0を6ビット目に挿入し,受信側でそれを取り除くようにしています。

伝送制御手順

伝送制御手順には,基本形データ伝送制御手順とHDLC伝送制御手順があります。基本形は低速通信に用いられるもので,現在では一般にHDLCが用いられています。

基本形データ伝送制御手順

ベーシック手順,BSC手順ともいいます。キャラクタ同期をベースにしたものです。基本形データ伝送制御手順では,次の2つの方式でデータリンクの制御が行われます。

コンテンション方式
ポイントツーポイントで接続されている場合に用いられます。二つのコンピュータが同等の権利を持ち,先に送信した側(SYNを発行した側)が送信権を得て,相手側から肯定応答(ACK)を得たら,データを送信します。
ポーリング/セレクティング方式
伝送を制御する制御局と複数の従属局が分岐回線方式(マルチドロップ方式)で接続されています。ポーリングとは,制御局が全ての従属局に対して順次に送信要求があるかどうか問い合わせます。セレクティングとは,逆に制御局が従属局に送信したいとき,制御局が従属局に対して受信可能かを問い合わせます。
マルチドロップ方式

HDLC(High-level Data Link Control procedure)伝送制御手順

HDLCは,パケット交換方式,フレーム同期の伝送制御手順です。公衆回線にも専用回線にも利用でき,半二重,全二重でも利用できます。基本形とHDLCを比較すると多くの点でHDLCが勝っており,高速のデータ伝送に適した方式ですので,現在ほとんどこの方式になっています。

         基本形            HDLC
   伝送効率  1ブロックごとの送信確認   複数フレーム連続して送る
   信頼性   データの重複発生を防げない  データの抜け、重複が発生しない
   汎用性   業務に依存          上位プロトコルと完全独立
    

HDLC

フレームの構成

HDLCでは,データをフレームという単位で送信します。フレームは情報部(送るべきデータ)の前後に次のような情報を付加したものです。

HDLCフレーム
情報部
送るべきデータの本文です。フレーム同期ですので任意のビット数でもよいのですが,FCSでの誤り制御をするために8の倍数になるように調整します。なお,情報部があるフレームを情報フレーム,情報部を持たないフレームを制御フレームといいます。
フラグシーケンス
フレーム同期のために,フレームの先頭と最後を示すフラグです。01111110 のビット列です。
アドレス部
送信するフレームの宛先または自局のアドレスです。そのフレームがコマンドのときは,宛先の二次局(複合局)のアドレス,レスポンスのときは,どの二次局(複合局)から送られたかを示すアドレスです。です。どの局(ホスト)がどのアドレスにするかは,ネットワーク設計で決めます。8ビットなので256個のアドレスが付けられますが,00000000 と 11111111 は特殊目的に使うので,最大254個の局が接続できます。
制御部
8ビットからなり,三つの形式と個々のビットの値により,コマンドやレスポンスの制御をします。詳細は後述します。
FCS(フレーム検査シーケンス)
アドレス部,制御部,情報部のビット列が正しく伝送されたかどうかをチェックするためのビット列です。CRCという方法でチェックします。これに関しては「誤り制御」で詳述します。

制御部の詳細

制御部は,次の構成になっています。なお,この図は非拡張形式ですが,16ビットの拡張方式もあります。

制御部の形式

フレームの形式

先頭の1~2ビットで,フレームの種類を示します。

I(Information)形式
実際に情報を送るフレームです。
S(Supervisory)形式
データリンクの監視制御の実行機能だけを持つフレームです。情報フレームに対する返事(レスポンス)と伝送制御用のコマンドで,次の種類があります。
  RR:情報フレームの受信可能を示す。情報フレームを正しく受信したことを通知
  RJE:情報フレームの受入拒否。指定した情報フレーム以降の再送要求
  RNR:情報フレームの受信不可能を通知
  SRE:指定した1つの情報フレームの再送要求
U(Unnumbered)形式
データリンクの設定・切断に使用するフレームです。その他,異常状態の通報など多くの種類があります

動作モード

P/Fは,コマンドの場合P(poll)ビット、レスポンスの場合F(final)ビットといいます。

一次局は基本形伝送制御手順の制御局,二次局は従属局に相当します。一次局は,データリンクの制御を行う局で,アドレスで指定した二次局に対してデータリンク制御機能の実行(送受信など)を指示するコマンドを送信し,二次局は,それに従ってレスポンスを送信します。すなわち,1次局はコマンドのみを送出でき、2次局はレスポンスのみを送出できます。
 複合局は,基本形伝送制御手順でのポイントツーポイントのような位置づけで,相手の複合局からの許可がなくても,コマンドやレスポンスを送信できます。

NRM(Normal Response Mode:正規応答モード)
二次局は,一次局からPビットが1のコマンドを受けたときだけ,それに対応する動作をします。そしてFビットを1としたレスポンスを返信します。
ARM(Asynchronous Response Mode:非同期応答モード)
データリンクが確立すれば,全二重通信ならばいつでも,半二重通信ならば休止チャネル状態のとき,Pビットが1のコマンドを受けなくてもレスポンスを送信できます。
ABM(Asynchronous Balanced Mode:非同期平衡モード)
複合局同士での場合です。互いに相手の許可なしにコマンドまたはレスポンスを送信できます。

送信順序番号N(S)と受信順序番号N(R)

順序番号は3バイトですので0~7,送信側では,送る順にN(S)に1を加えて(7を超えたら0から初めて),最大6個のフレームを一度に送信します。受信側はそれを調べて,正しく受け取れた最終番号をN(R)に入れて返信します。送信側はそれを見て,その次のフレームから送信します。このようにして,抜けや重複の防止に用います(この項は,イメージを容易にするために,厳密性を欠いた説明をしています)。なお,拡張方式では7バイトなので0~127が使えます。

HDLC関連の通信

マルチリンク手順とは,HDLCなどのパケット交換網において構築される個々のデータリンクを論理的に束ねて,一つのデータリンクとして動作させるためのJIS X 5107で規定されているプロトコルです。それにより,1本の通信回線では得られない通信速度を複数の通信回線を組み合わせて実現したり,通信回線が不通になった場合に残りの通信回線で通信を継続することにより信頼性を高めることができます。

LAP(Limk Access Procedure)とX.25

LAPとは,伝送制御手順のことですが,一般にはHDLC手順のことをいっています。LAPには,ISDN用のLAP-Dとパケット交換での平衡型用のLAP-Bがあります。LAP-BはX.25のプロトコルで規定されています。それによる電話網の改良版として,公衆パケットサービスというネットワークサービスが提供されました。しかし,現在ではフレームリレーやその他の利用が進み,使われなくなっています。

フレームリレー(Frame Relay)

光ファイバなどの伝送手段の信頼性が向上したため,実務的には,フレーム送信時の順序番号の付与やチェック,再送機能などの重要性が少なくなりました。それで,X.25の誤り訂正手順を簡略化し高速化を図ったものがフレームリレーです。1.5Mbps以上のデータ通信サービスが各社により提供されており,専用回線に広く利用されるようになりました。しかしこれも専用回線からインターネットへと移行する動きが進んでいます。

DLCI(Data Link Connection Identifier)
フレームリレーでは多重化方式で通信しますが,そのときの論理パスの識別子です。
PVC(Permanent Virtual Circuit)/SVC(Switched VC)
DLCIを固定的に設定するのをPVC,動的に付番するのをSVCといいます。
LMI(Link Management Interface)
PVC状態の確認手順。DLCI番号とIPアドレスの対応づけをします。
CIR(Committed Information Rate)
フレームリレーが保証する転送速度。これにより,輻輳(ふくそう)によりデータが全然転送できなくなるのを防ぐために設定します。
LAPF(Limk Access Procedure for Frame mode baerer service)
フレームリレーの転送プロトコルです。

誤り制御

垂直パリティチェック方式(Vertical Redundancy Check)

キャラクタ単位に、誤りがないかチェックする方式です。送信時にキャラクタ内の1の個数がすべて偶数個(偶数パリティといいます。すべて奇数にするなら奇数パリティです)になるように,1ビットのパリティビットを付加して送信します。受信側で1のビット数を数えることにより誤りの検出ができます。簡単な方法であり,奇数個の誤りは検出できますが,偶数個の誤り時には検出できません。また訂正はできません。

垂直パリティチェック方式

水平パリティチェック方式(Longitudinal Redundancy Check)

ブロックについて,キャラクタの各ビット桁の1の数が偶数になるようにBCC(Block Check Character)を付加して、誤りを検出する方式です。一般に垂直パリティ方式と併せて使用されます。受信側で垂直・水平パリティチェックをすることにより,誤りの訂正もできます。しかし,検出できない場合もあります。

水平パリティチェック方式

CRC方式(Cyclic Redundancy Check)

巡回符号検査方式ともいいます。送信データをビット列を多項式として,それを決められた生成多項式(16ビットの生成多項式はX16+X12+X+1)で割り,その余りのビット列を付加します。受信側ではその逆算を行って誤りを検出します。非常に高い精度で の誤り検出が可能です。特に通信では連続的にビット誤りが発生します。それをバースト誤りといいますが,その検出に効果的です。CRCはHDLCでの誤り制御に採用されているので,LANやインターネットで広く用いられている方法です。

CRCの説明はかなり面倒ですので,簡単な例題で説明します。

 例えば,送信するべきビット列を1111,生成多項式をG(X)=X+X+1とします。すると,

   X X X  1   X X X X X X  1
                1  1     1         .
   1  0  1  1 ) 1  1  1  1         
                1  0  1  1         .
                   1  
                   1  0  1  1      .
                         1  1
                         1  0  1  1
                            1  1  1

となります(ここで0-1が-1ではなく,+1になっていますが,気にしないでください)。

余りがX+X+1ですので,付加するビットは111になり,これを検査ビット(FCS)といいます。

 受信側にデータ1111とFCS111が送られてきたときは,
   X X X  1   X X X X X X  1
                1  1     1         .
   1  0  1  1 ) 1  1  1  1  1  1  1      
                1  0  1  1         .
                   1  0  0  1  1  1
                   1  0  1  1      .
                         1  0  1  1
                         1  0  1  1
                                  0
となり,割り切れますので,誤りがなかったことがわかります。

 1101111が送られてきたときは,
   X X X  1   X X X X X X  1
                1  1  1  1         .
   1  0  1  1 ) 1  1  0  1  1  1  1      
                1  0  1  1         .
                   1  1  0  1  1  1
                   1  0  1  1      .
                      1  1  0  1  1
                      1  0  1  1   .
                         1  1  0  1
                         1  0  1  1
                            1  1  0
となり,割り切れないので,誤りがあることがわかります。

ハミング符号

ハミング符号とは,情報ビットに冗長ビットを付加して,2ビットの誤り検出と1ビットの誤り訂正機能をできるようにしたものです。自動訂正機能に採用されています。
 4ビットX,X,X,Xを送りたいとします。そのとき,冗長ビットとして,

   X   +X+X+P      =偶数
   X+X   +X   +P   =偶数
   X+X+X         +P=偶数

となるようなP,P,Pの3ビットを付加して,Xを送るのです。

たとえば,1011を送るのであれば,

   1  +1+1+P      =偶数
   1+0  +1   +P   =偶数
   1+0+1        +P=偶数

から,P=1,P=0,P=0ですので,1011100として送ります。

もし,1110011を受け取ったとします。

   X X X X P P P
   1  1  0  0  1  1  1
   1    +0 +0 +1       =偶数 (a)
   1 +1    +0    +1    =奇数 (b)
   1 +1 +0          +1 =奇数 (c)

なので,bとcの両方にあってaにない変数Xが誤りで,1を0にする必要があること,すなわち,送信元は1010を送ったのだということがわかります。


通信に関する規格

通信分野では,X.25とかIEEE802などの規格がよく出現します。本シリーズに関係しているものをいくつか列挙します。

ITU-T勧告

ITU(International Telecommunication Union:国際電気通信連合)は,電気通信に関する規格を作っている機関で,そのなかの国際電気通信連合電気通信標準化部門が規定している勧告をITU-T勧告といいます。

Hシリーズ(マルチメディア関連)
H.222.0 MPEG-2の仕様
H.264  MPEG-4の仕様
Vシリーズ(アナログのデータ通信,モデム関連)
V.24   RS-232C
V.90   56kbpsモデム 下り56kbps 上り33.6kbps
Xシリーズ(データ通信網関連)
X.25   パケット交換網の規格
X.500  ディレクトリサービスの規格

IEEE規格

IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers:米国電気電子技術者協会)も電子・通信を中心とする規格の設定をしています。
   IEEE1394 「FireWire」といわれる高速なSCSI規格
   IEEE802シリーズ(無線LAN規格)
   IEEE802.3    イーサーネットのCSMA/CDに関する規格
   IEEE802.11b/g/n 11Mbpsの高速な無線LANの仕様


理解度チェック

第1問

  1. 自宅パソコンからインターネットに接続するとき,ADSL接続でもFTTHでもモデムが必要である。
    × FTTHはデジタル回線なので不要
  2. 「以上です。どうぞ」と交互に話すときには全二重通信になる。
    × 半二重通信である
  3. パケット交換方式は,回線交換方式にくらべて,回線の利用効率が高い。
  4. 多重度方式において,一般的にはFDMはアナログ回線,TDMはデジタル回線,WDMは光ファイバ回線に利用される。
  5. コンテンション方式方式は,接続がマルチドロップ方式のときに使われる。
    × コンテンション方式→ポーリング/セレクティング方式
  6. HDLCは,パケット交換方式,フレーム同期の伝送制御手順である。
  7. HDLCでは,パケットの先頭と末尾にフラグシーケンスを付加している。
  8. HDLCのNRMモードでは,二次局はいつでも一次局に通信できる。
    × 一次局と二次局が逆
  9. CRCにおいて,生成多項式をG(X)=X+X+1とし,送られてきたきたビット列はデータが1001でFCSが110であるとき,これは正しく送れられてきたといえる。
    ○ 1001001を1011で割ってみよ
  10. 偶数チェックによるハミング符号において,データのビット列が1001,付加ビットが111であるならば,正しく転送されたことになる。
         1 0 0 1 1 1 0
      A  1  +0+1+1    =3
      B  1+0  +1  +1  =3
      C  1+0+0      +0=2
    だから,AとBにありCにないビットが誤りである。
    すなわち,正しいデータは1000である。
    

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