通信一般・通信技術

通信回線の分類

公衆回線と専用回線

公衆回線

公衆回線（public circuit）とは、通常の電話回線のように，不特定多数の利用者によって共有して利用される回線です。
ＮＴＴやＫＤＤＩなどの電気通信事業者（キャリア）が、それぞれの回線や設備を敷設し、他のキャリアと相互接続して、全国に広くネットワークを構築しています。
従来は、電話を対象としたアナログ回線でしたが、近年はデータ通信の発展に伴いデジタル化が進んでいました。

インターネット回線

インターネットも、回線としては主に公衆回線のデジタル回線を利用しています。
公衆回線にインターネットに必要な機器を接続し、キャリア間で相互接続の取決めなどをして、インターネットを構成しているのです。当初からインターネット利用を目的として敷設する公衆回線もありますが、物理的な違いというより運用的な違いといえましょう。

専用回線

専用回線（leased line）は、利用者が独占的に用いている回線です。
大企業では本社，支店，工場などの事業所、関係会社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適切なことがあります。
　・常時接続しても費用がかかりません。リアルタイムで大量データの送受信に適切です。
　・事業所をまたいだＬＡＮのような利用ができます。
　・第三者からのアクセスがないので、セキュリティも安全です。
キャリアから特定の回線を借りるのでかなり高価格になります。

ＶＰＮ（Virtual Private Network）

ＶＰＮとは、物理的には公衆回線（インターネット）を用いますが、暗号化などの手法を用いて論理的に専用回線と同様に使えるようにする技術です。
専用回線に比べてかなり低価格で実現できるので、これが主流になっています。

ＬＡＮとＷＡＮ

ＬＡＮ（Local Area Network）

家庭内や事業所内など、同一構内に限定されたネットワークをＬＡＮといいます。家庭内ＬＡＮをホームネットワークということもあります。
自宅で複数のパソコンやスマートフォンなどを接続するのもＬＡＮですし、大きなオフィスビルで複数階をつないだ大規模なＬＡＮもあります。
ＬＡＮでは、他人に迷惑をかけないので、特定の制約内（通常の市販機器はそれに準拠しています）で自由に構築することができます。

ＷＡＮ（Wide Area Network ）

広義には、ＬＡＮ以外のネットワークのことです（注）が、通常は、地理的に離れた地点間を結ぶ自社専用のネットワークを指します。
典型的な例では、東京本社内のＬＡＮと大阪支店内のＬＡＮを、専用回線やＶＰＮにより接続して、大きな一つのＬＡＮのように運用することなどです。
（注）通信技術の分野では、広義の扱いをすることがあります。例えばルータの外部への接続ポートをＷＡＮポートといいます。これはインターネットだけでなく、一般の回線への接続も対象にしています。

ＭＡＮ（Metropolitan Area Network）

都市（実際には区や市のうち利用者が密集している地域）を対象としたネットワークです。通常はＭＡＮ事業者が光ケーブルなどの高速回線を設置して加入者のＬＡＮと接続します。
この用語があまり普及しないまま、ＶＰＮのサービスとして提供する形態になりました。

イントラネット／エクストラネット

インターネットが普及し始めたころ、ＬＡＮやＷＡＮをインターネット技術（ＴＣＰ/ＩＰ、ブラウザなど）により再構築する動向が進みました。
　近年はあまり使われませんが、次の用語がありました。

• イントラネット
  それまでの社内ネットワーク（ＬＡＮ）は、多くのＬＡＮのＯＳがあり、機器の相互接続が面倒でした。それをイーサーネットに統一します。
  販売システムや流通システムなどでの画面入力や画面表示の操作方法がシステムごとに異なっていたのをＷｅｂブラウザの方法に統一します。
• エクストラネット
  主要取引先とのＷＡＮをインターネットで構築することにより、各社のパソコンの互換性を保ち、通信費用を低減することができます。
  社員が外出先からノートパソコンで社内ネットワークにアクセスして、プレゼンテーション資料を取り出したり、報告業務を行うのが簡単になります。

アナログ回線とデジタル回線

アナログ回線とは、電話のように情報（音声）を電流の波形に変換して通信する方式です。
　その変換方式は多様ですがＡＭ（振幅変調）方式だと図のようになります。基になる一定の周波数をもつ搬送波を、音声の振幅（強さ）に変えた変調波が、回線を流れる電気信号になるのです。
　変調波の波は連続的（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。

デジタル回線とは、通信する情報を０／１のビットとして通信する方式です。近年は、データ通信だけでなく、音声通話もデジタル化して通信するようになってきました。
　現在、アナログ回線を廃止してデジタル回線に統合する動向が進んいます。

アナログ／デジタルの区分は、これらは回線を流れる情報の区分で、ケーブルの種類による区分ではありません（光ケーブルなどケーブルの特質によりデジタル回線に限定していることもありますが）。それなのに区分しているのは、回線を流れる情報がアナログかデジタルかで、ケーブルを流れる間に減衰するのを復元したり、他の回線に渡したりする方式や設備が異なるからです。

方式や設備は、利用者が変更することはできません。デジタル情報をアナログ回線に流したり、デジタル情報をアナログ回線に流すことはできないのです。
　昔は、インターネットに接続するのに、アナログの電話回線していました。パソコンの内部はデジタル情報ですから、アナログ回線でインターネットに接続するには、デジタル情報をアナログ情報に変換（ＡＤ変換）する機器（モデム）が必要でした。
　現在主流になっている光回線などのブロードバンド回線はデジタル回線ですので、このような変換は必要ありません。

オクテット（octet）

通信分野では、８ビットのことをバイトではなくオクテットという単位を用いています。
　現在では１バイト＝８ビットが標準になっていますが、昔は６ビットや９ビットを１バイトとするコンピュータがありました。通信ではその曖昧さを排除するために、オクテットという単位を導入したのです。
　実務上は、オクテットとバイトは同意語だとして差し支えありません。

データ通信に関連する装置

宅内配線と事業者回線との境界

宅内配線と事業者回線との責任上の境界は、通常は引込線の取付口にある保安器になります。
　さらに、パソコン（宅内配線）から、ＩＳＰ（インターネットサービスプロバイダ、事業者回線）に接続するときは、宅内配線の出口にＤＴＥ／ＤＣＥが必要になります。実際には一つの装置になっています。

• 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です。
• 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。

通信回線の種類とＤＣＥ

ＭＯＤＥＭ（モデム）

電話回線やＡＤＳＬ回線などアナログ回線のときに必要なＤＣＥです。
パソコンではデジタル信号ですので、送信ではアナログ信号に変え（変調）、受信ではアナログ信号をデジタル信号に変える（復調）必要があります。モデム（変復調装置）そのための装置です。
　なお、公衆回線で接続するには、ＩＳＰの機器を呼び出すのにダイアルをしますが、自動でダイアルする装置をＮＣＵ（Network Control Unit）といいます。一般にはモデムの中にこの機能を内蔵しています。

ＯＮＵ（Optical Network Unit）

光回線（引込線）はデジタル回線です。光信号と、デジタル信号（電気信号）の相互変換を行う装置です。

ＤＳＵ（Digital Service Unit）とＴＡ（Terminal Adapter）

現在はブロードバンドが主流ですが、以前はＩＳＤＮという公衆デジタル回線が用いられていました。
家庭内と電話局との境界にＤＳＵ（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。その配線とパソコンの間にＴＡ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。

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

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ＬＡＮで使われています。

変調・復調

基本的な用語

変調（modulation）とは元の信号（音声やデジタルデータ）を伝送する際に最適な電気信号に変換すること、復調（demodulation）とは変調した電気信号から元の信号を取り出すことです。

元の信号をベースバンド、変調に用いる情報を乗せる波を搬送波（carrier wave、キャリア）、変調後の波を変調波（Modulated wave）といいます。搬送波は、交流の高周波数の単純な正弦波です（注）。
　変調とは、ある時刻のベースバンドの強弱（波形の高さ）を搬送波の波形に反映して変調波にすることです。その基本的な反映方法として、振幅変調、周波数変調、位相変調の３つがあります。また、ベースバンドがアナログの場合をアナログ変調（analog modulation）、デジタルである場合をデジタル変調（digital modulation）といいます。
（注）搬送波として矩形波（パルス）を用いることもあります。それによる変調をパルス変調（pulse modulation）といいます。

変調の必要性

変調波は、高周波数の交流です。交流にするのは、直流よりも伝送効率がよいからです。そのため、ベースバンドが直流であっても、交流にして伝送するのです。

個々のベースバンドは低い周波数から高い周波数を含んでいるので、無線通信では混信が起こります。有線通信でも、多数の発信源からの通信を一つの回線で伝送する多重伝送では混信が起こります。それを避けるために、各ベースバンドに周波数帯の異なる搬送波に乗せるのです。さらに高周波帯を用いることにより、多くの周波数帯を設定することができます。特に無線通信では、利用できる周波数帯が電波法で限定されています。

また、理由は省略しますが、変調を行なうことにより、雑音にも強くなるうえ、誤り訂正技術などを組み込むことでエラーに強い、信頼性の高い伝送を行なうことができます。

代表的な変調方式

代表的な変調形式と変調波の波形を示します。
　アナログの場合の振幅の幅とは、－２～３の範囲での波ならば、３－（－２）＝５のような解釈をします。
　この図ではデジタルのベースバンドの同時伝送ビット列は１ビットとしています。このベースバンドは、アナログ的には０と１の値をとる（振幅の大きさが１の）極端な波と解釈できます。ビット列が２ビットならば、０、１、２、３の高さをもつ波になります。

ＡＭ（Amplitude Modulation、振幅変調）アナログ
ＡＳＫ（Amplitude-Shift Keying、振幅偏移変調）デジタル

ＡＭでは、ベースバンドの振幅に応じて変調波の振幅を変化させます。
ベースバンドの振幅を、最小値が０になるようにシフトし、それを上下対象にした波（側帯波）を搬送波の幅にしたのが変調波になります。
低速から数kbpsの中速通信で使われています。帯域が狭くても通信が可能なため、主に数十kHz～数十MHzの低い周波数帯で使われています。ＡＭラジオや短波放送に用いられています。

ＡＳＫではベースバンドのビット列に対応して搬送波の振幅を変化させることで送信データを送る方式です。例えばビット列が１バイトで０～２５５までの種類があれば、変調波の振幅は、２５５では搬送波の振幅、０のときは断続した状態になります。送信データが１ビットで０か１だけのときのＡＳＫをＯＯＫ（On Off Keying）といいます。上の図はＯＯＫです。

• 周波数が一定なので、周波数を有効に使えます。変調・復調がし易いという長所があります。
• 振幅を変化させるには電力がかかります。使用電力に制限のあるバッテリを利用したモバイル通信機器には不向きです。
• 無線通信の場合、経路に電波反射する物体があると反射波が生じます。変調波と反射波を合成した波の強度が時間とともに変化し、正しい復調ができなくなります。それをフェージングといいますが、振幅幅で情報を伝えるのでこの影響が大きい欠点があります。

ＦＭ（Frequency Modulation、周波数変調）アナログ
ＦＳＫ（Frequency Shift Keying、周波数偏移変調）デジタル

ベースバンドの強弱（高さ）に応じて搬送波の周波数を変化させます。振幅変化がないので、電力効率がよくフェージングにも強い利点があります。しかし、周波数の変化が激しいので、周波数帯を広く設定する欠点があります。 ＦＭは、ＦＭ放送、コミュニティ放送に用いられています。

ＰＭ（Phase Modulation、位相変調）アナログ
ＰＳＫ（Phase-Shift Keying、位相偏移変調）デジタル

位相に情報を与えて伝送する方式です。
　上図ではＦＭなどとの違いが不明確ですが、単純にいえば搬送波を sin(θ) としたとき、ベースバンドの強弱を何らかの計算で角度αに変換し、sin(θ＋α）にするのです。アナログ変換のＰＭはほとんど用いられません。ＰＳＫでビット列が１ビット（０と１）ならば、sin(θ) と、sin(θ＋π) の２つの位相だけになります。これをＢＰＳＫ（Binary PSK）といいます。
　ＰＳＫは、振幅は一定ですし、周波数も２つたけです。そのため、ＡＳＫ、ＦＳＫの欠点がカバーできます。
　この発展として、４つの位相を利用するＱＰＳＫ（Quadrature PSK）、８つの位相を利用する８ＰＳＫなどがあり、１回の変調で２ビット、３ビットの変換ができます。
　ＢＰＳＫやＱＰＳＫは、ＧＰＳ、携帯電話、アマチュア無線、業務用無線などで利用されています。

その他の変調方式

ＰＡＭ（Pulse-Amplitude Modulation、パルス振幅変調）アナログ

パルスの強さ（振幅）により、流す電流や電圧を制御する方式です。エアコンなどに用いられるパルス振幅変調インバータでは、整流部の電圧をコントロールすることでパルス電圧の振幅を変化させます。

ＰＣＭ（Pulse Code Modulation、パルス符号変調）アナログ

音声のようなアナログ信号をデジタル信号（パルス列）に変換するパルス変調方式です。用途には、CD（CD-DA）、PCMレコーダー、Blu-ray（BDMV）などが挙げられます。

ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation、直角位相振幅変調）デジタル

互いに独立（位相が直交）な２つの搬送波を用い２系統のベースバンドをＡＳＫ変調します。これにより通信速度は２倍になります。

ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing、直交周波数分割多重変調）デジタル

多数の搬送波を同時に伝送する多重伝送方式の一つで、基本的にはＱＡＭを用いて変調します。
　電力消費が少ない、フェージングに強いだけでなく、搬送波の周波数帯域がお互いに重なっても，混ざらずに受信側で分離できる機能、ベースバンドに誤り訂正用の冗長ビットを付け加える機能などをもっています。
　無線LAN（IEEE802.11a，11b，11g），WiMAX、地上デジタル放送、第４世代モバイル通信などに広く用いられている方式です。

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（Circuit Switching）

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する方式です。
回線交換の長所
　　通信密度が高い通信に向いている。
　　伝送路を確保するため、リアルタイム性が要求される通信に向いている。
　　遅延時間がパケット交換に比べて短い（音声品質がよい）。
回線交換の短所
　　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。
このため、電話には向いていますが、データ通信では不適切なので現在では使われていません。

蓄積交換方式（Store and Forward Switchin）

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して送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（Packet Exchange Method）

パケット交換方式では，電文をオクテット（＝８ビット）の単位で、一定の範囲の長さ（固定長方式と非固定長方式がある）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。一定の形式に従ったパケットをフレームといいます。

そして，複数のパソコンからきたフレームを１本の通信回線に混載して送り、フレームの宛先を見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，受取側は，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。

回線交換方式とパケット交換方式の特徴

　　　　　　　回線交換方式　　　　　　　パケット交換方式
　通信路確保　通信中一つの通信路を確保　通信路の共有。パケットによる多重通信
　通信信号　　アナログ・デジタル　　　　デジタル情報のみ
　有線・無線　どちらも使える　　　　　　どちらも使える
　用途　　　　連続的通信（電話）　　　　断続的通信（データ通信）　　→注

(注）当初、電話でのパケット交換方式は、安価になるが音質が悪いといわれていましたが、現在では遜色ない状態になっています。携帯電話での電話は、例外を除きパケット交換方式です。スマートフォンでは、回線交換方式とパケット交換方式の両方に対応しています。固定電話は原則として回線交換方式ですがＩＰ電話はパケット交換方式です。

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およびこれを組み合わせた方式があります。

ＳＤＭ（Space Division Muitiplexing：空間分割多重化）

有線のときは、１本の導線には１つの通信だけだが、複数の導線を束めたケーブルにして複数の通信を行う方式です。特に高速化を目的としたものをマルチリンク方式といいます。
無線の場合は、電波を複数の受信者に向けた方向に送ることによる同時通信と、複数のアンテナを使って同時に複数の電波を送受信するＭＩＭＯがあります。ＭＩＭＯは無線ＬＡＮ（WiFi）で広く利用されています。

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。
ＦＤＭは、テレビ放送がアナログであったときに広く採用されていました。

ＴＤＭ（Time Division Muitiplexing：時分割多重化）

１本のデジタル回線をタイムスロットという単位時間で分割して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。
ＴＤＭは、現在のデジタル通信で広く使われている方式です。

ＣＤＭ（Code Division Multiplexing：符号分割多重化）

データごとに違う符号（コード）を混ぜて送信します。受信先で元の符号を使うと対応したデータだけ元の情報に戻すことができ、他のデータは解読できません（無線では雑音になります）。そのため、暗号化も兼ねることができます。
携帯電話や無線ＬＡＮ（WiFi）などで使われています。

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。

キャリアアグリゲーション（Carrier Aggregation）

キャリア（搬送波）をアグリゲート（結合）する技術です。ＦＤＭと同様に複数の異なる周波数帯の電波を束ねて、1つの通信回線として多重化する技術ですが、アナログ回線ではなく、搬送波の周波数により多重化します。主にスマートフォンでのＬＴＥや５Ｇでの回線多重化の意味で用いられています。

伝送制御

コネクション方式

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

データリンクの確立～解放をデータリンク制御といいます。
　ここでのデータリンクとは論理的な伝送路のことで、ＯＳＩ基本参照モデルでのデータリンク層とは違います。インターネットで相手と回線接続するのはネットワーク層（ＩＰ）で、データリンクの確立はトランスポート層（ＴＣＰ）です。

データリンク制御には次の２つの機能があります。トランスポート層の機能の一部でもあります。

ルーティング（経路）制御

通信相手との経路が複数ある場合、どの経路を通るか決めることです。

フロー制御

伝送中にデータ受取の取りこぼしを防ぐための制御です。

このようなデータリンク制御を行うものをコネクション方式（ＴＣＰ）といいます。それに対して、映像配信のように、少々エラーがあっても高速に伝送したい場合、データリンク制御をしないものをうものをコネクションレス方式（ＵＤＰ）といいます。

データリンクの確立方式

コンテンション方式

ポイントツーポイント（１対１の接続方式）で接続されている場合に用いられます。双方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。

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（調歩同期）

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（ＳＹＮ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（フラグ同期）

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

ベーシック手順

基本形データ伝送制御手順，ＢＳＣ手順ともいいます。キャラクタ同期、パリティチェック方式をベースにしたものです。伝送できるのはテキストデータだけです。

ＨＤＬＣ（High-level Data Link Control procedure）

パケット交換方式，フレーム同期、ＣＲＣ方式の伝送制御手順です。
任意のビットパターンを高速に伝送するための伝送手順で、多重化方式を採用、全二重でも利用できます。

　　　　　　　　　基本形　　　　　　　　　　　　ＨＤＬＣ
　　　伝送制御　　コネクション方式　　　　　　　コネクション方式
　　　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
　　　同期方式　　キャラクタ同期方式　　　　　　フレーム同期方式
　　　伝送速度　　中速　　　　　　　　　　　　　高速
　　　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
　　　誤り制御　　パリティチェック　　　　　　　ＣＲＣ

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伝送速度、遅延、輻輳

伝送速度と帯域

• トラフィック
  ネットワークトラフィックとは、ネットワーク上で一定時間に転送されるデータ量のことです。
  単位は、bps（ビット数/秒）ですが、厳密に数値で表すよりも、利用者が急速に増えてネットワーク上に大量のデータが流れることを「トラフィックが増える」などのように使うのが一般的です。
  トラフィックが増えると、実際の伝送速度が遅くなり、例えばＷｅｂページの表示やダウンロードの時間が長くなります。それが極端になった状態を輻輳（ふくそう）といいます（後述）。
• 周波数
  周波数とは１秒間に含まれる波の数です。単位はヘルツ Hz（個/秒）です。単純には波一つで１ビットを送れます。それで Hz（ビット/秒）とすることもあります。
  周波数が高くなると単位時間当たりの波の数が多くなるため、１秒間に送ることができるデータ量が多くなります。つまり、周波数が高いほど通信速度を速くできるといえます。
• 帯域
  帯域は、帯域幅、バンド幅ともいいます。ネットワークで利用できる「最も高い周波数」と「最も低い周波数」の範囲です。道路での車線数のように、帯域が大きいと同時に送れるビット量が大きくなります。
  帯域で１秒間に送信できる量をといい、bps（ビット/秒）の単位で表されます。

遅延

伝送路容量は、理論的な伝送能力です。実際の伝送では多様な環境による低下があります。
遅延とは、「あるデータのパケットが、クライントとサーバ間のネットワークを、往復するのにかかった時間」のことで、ＲＴＴ（Round Trip Time：往復遅延時間）が尺度になります。
　　ＲＴＴ ＝ アプリケーション遅延 + 伝送遅延 + 伝搬遅延 + 輻輳遅延

• アプリケーション遅延
  サーバが要求を受け取ってから処理結果を得るまでの時間。通信技術とは無関係の時間です。
• 伝送遅延
  パケットの最初のビットが送出されてから最後のビットが送出されるまでの時間。
  パケットの長さと回線の帯域幅が関係します。
• 伝搬遅延
  光の速さによる遅延です。ＴＣＰでは、データが一つ一つ宛先に届いたかどうか確認してから次のデータを送る仕組みなので２点間を数往復するので、これを考慮する場合（衛星通信など）があります。
• 輻輳遅延
  
  回線の輻輳が生じたとき、ネットワーク上のルータなどの接続機器は、パケットをバッファに保持し、輻輳が消滅したときに送出します。

遅延の尺度

• レイテンシ
  レイテンシとは、ネットワーク内で発生する遅延時間を指します。通常はラウンドトリップ（往復時間）を用います。例えばＷｅｂページのリンクをクリックしたから新しいページの表示が始まるまでの時間です。単位はms（ミリ秒）です。
• ping値
  pingとは、相手のホストが存在するか、ネットワーク内の遅延状況はどうかを調べるコマンドです。レイテンシではアプリによるサーバ内部での処理時間が含まれることもあります。ping値は、その影響を少なくした値だといえます。単位はms（ミリ秒）です。
• ジッタ
  パケット交換方式では，各々のパケットの送信環境により、パケットが送信した順序で受信できないことがあります（注）。そのとき後のパケットの到着を待ちますが、その現象あるいは待ち時間をジッタといいます。
  レイテンシはデータ転送の遅延であり、ジッタはその遅延の変動を示します。

（注）パケットロス

データ送信経路で、パケットが消失してしまうことです。
　　　電波干渉
　　　中継装置の故障
のほかに、輻輳遅延も原因になります。
　輻輳遅延があまりに長いことがあります。輻輳時に迂回経路を通ることにより到着パケットが送信順序と異なることもあります。
　このようなとき、サーバはパケットロスだとして再送信を要求します。パケットロス率が高いと、送信のやり直しが何回も行われるので、データ通信の速度が遅くなります。

輻輳

通信回線に一時的に多数のトラフィックが殺到し、想定容量（帯域幅）を超過する事態を輻輳といいます。

輻輳が発生すると
　　　通信ができない（つながらない）
　　　通信設備の負荷が増大し機能停止する
　　　輻輳した回線に接続している回線に輻輳が伝播し広域化する
などの被害が起こります。

輻輳を防ぐには、一時的にはトラフィックを
　　　通信事業者による発信規制
　　　迂回回線により負荷分散を図る
　　　優先順位を設定する
などの輻輳制御（congestion control）をします。
　また、根本的には
　　　回線の容量を大きくする
　　　回線の有効利用を図る。パケット交換方式や多重化など
　　　送信データを圧縮してトラフィック量を小さくする
ことが重要で、多様な方法がとられています。

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いくつかの伝送方式

フレームリレー（Frame Relay）

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。
　専用回線に広く利用されていましたが、イーサーネットをベースとした回線の普及に伴い現在はサービスを終了しています。

ＡＴＭ（Asynchronous Transfer Mode）（セルリレー）

ＡＴＭは，非同期方式、固定長のＴＤＭ（時分割多重化）による伝送プロトコルです（フレームリレーには固定長と可変長のものもあります）。
　ＡＴＭでは，低速回線から来たデータを，到着順に，固定長のセルに分割し，それに低速回線の番号などのあるヘッダを付けて高速回線で送信します。高速回線の反対側にあるＡＴＭは，そのヘッダにより，どの通信かを識別して，セルに分割したものを元通りに復元します。
　このような方式をセルリレーといいます。

通常のパケット交換方式のパケットと異なり、ＡＴＭのセルは固定長で４８バイト＋ヘッダ５バイトになっています。それではデータ部分があまりにも細切れになってしまいますので，ＡＡＬ（ATM Adaptation Layer）という上位層と合わせて用い，連続して最大１９２個のセルを送ることができます。

ＡＴＭは、音声電話を高度化して高速なデータ通信に対応させるB-ISDN構想から生まれた技術です。スター状にホストと接続したり、ＡＴＭをカスケード接続したりして、広域の高速伝送ができ、通信事業者の基幹回線網などに利用されていました。しかしその後、広域イーサネットへと移行しました。
　現在では、身近な例として、ＡＤＳＬでインターネットを利用するとき、ＩＳＰへの接続のプロトコルに用いられます。

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誤り制御

データは伝送やコピーなどの操作により、ビット単位での誤りが発生することがあります。それを検出できれば訂正することが重要です。それを誤り制御といいます。
　誤り発生は伝送中に発生することが多いので、ここで取り上げました。

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。

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。

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Ｘ^１６＋Ｘ^１２＋Ｘ^５+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)＝Ｘ３＋Ｘ＋１とします。すると，

　　　Ｘ３　Ｘ２　Ｘ　　１　　　Ｘ６　Ｘ５　Ｘ４　Ｘ３　Ｘ２　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^２＋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，
　　　Ｘ３　Ｘ２　Ｘ　　１　　　Ｘ６　Ｘ５　Ｘ４　Ｘ３　Ｘ２　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，
　　　Ｘ３　Ｘ２　Ｘ　　１　　　Ｘ６　Ｘ５　Ｘ４　Ｘ３　Ｘ２　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_１，Ｘ_２，Ｘ_３，Ｘ_４を送りたいとします。そのとき，冗長ビットとして，

　　　Ｘ１　　　＋Ｘ３＋Ｘ４＋Ｐ１　　　　　　＝偶数
　　　Ｘ１＋Ｘ２　　　＋Ｘ４　　　＋Ｐ２　　　＝偶数
　　　Ｘ１＋Ｘ２＋Ｘ３　　　　　　　　　＋Ｐ３＝偶数

となるようなＰ_１，Ｐ_２，Ｐ_３の３ビットを付加して，Ｘ_１Ｘ_２Ｘ_３Ｘ_４Ｐ_１Ｐ_２Ｐ_３を送るのです。

たとえば，１０１１を送るのであれば，

　　　１　　＋１＋１＋Ｐ１　　　　　　＝偶数
　　　１＋０　　＋１　　　＋Ｐ２　　　＝偶数
　　　１＋０＋１　　　　　　　　＋Ｐ３＝偶数

から，Ｐ_１＝１，Ｐ_２＝０，Ｐ_３＝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。

　　　Ｘ１　Ｘ２　Ｘ３　Ｘ４　Ｐ１　Ｐ２　Ｐ３
　　　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_２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。

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