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通信の基礎

注意事項

本章は、通信に関する学習をする以前に、その前提となる基本事項を理解することを目的としています。そのため、わかりやすく記述することを重視し、厳密性や正確性に欠けることがあります。
　また、通信の対象分野は広く利用環境も多様ですが、本章では代表的な話題と環境に絞っています。例えば、通信セキュリティ対策は重要な分野ですが、基本事項として取り扱うには内容が高度なので割愛しました。また、インターネット接続には多様な形態がありますが、ここでは主として、個人が自宅でブロードバンドの常時接続の回線を用い、ＩＳＰと契約する形態に限定しています。

通信の種類

ＬＡＮとＷＡＮ

ＬＡＮ
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。
自宅で複数のパソコンやスマートフォンを接続するのも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
東京本社と大阪支店のような地理的に離れた地点間を結ぶ自社専用のネットワークのことです。
東京本社内のＬＡＮと大阪支店内のＬＡＮを公衆回線網により接続するのですが、通信事業者から自社専用の専用回線を借りたり、公衆回線網を暗号化技術により見かけの専用にしたり（ＶＰＮ）して構築します。

有線通信と無線通信

ケーブルで接続した通信を有線通信といいます。テレビ放送や携帯電話などのように電波による通信を無線通信といいます。

有線では、従来から利用されている銅線以外に、特にデータ通信で光ファイバを用いた光ケーブルが使われるようになりました。
　光ケーブルの利点として、高速かつ長距離の伝送が可能、電磁誘導ノイズの影響を受けない、一つのケーブルが細く多数のケーブルをまとめて敷設できるなどがあります。
　しかし、銅線に比べて高価、折り曲げに弱い、ケーブルの切断や接続が面倒、電力は送れないなどの欠点があります。そのため、個人自宅内ＬＡＮではほとんど使われていません。

無線通信は、送信機と受信機の間を同一周波数の電波を用いて通信します。身近なものに、テレビ放送、スマートフォン、無線ＬＡＮなどがあります。
　スマートフォンは無線通信だとはいえ、無線なのはスマートフォンと無線基地局の間だけで、その向こうは有線通信が使われます。無線を用いたＬＡＮを無線ＬＡＮといいますが、無線なのはパソコンとアクセスポイントあるいは無線ＬＡＮルータの間だけで、大規模ＬＡＮでの幹線やインターネットなどとの接続には有線通信が使われます。

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。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。
　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。それなのに回線というのは、回線を流れる情報が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。

そのため、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ません。
　パソコンの内部はデジタル情報です。アナログ回線（通常の電話回線）を用いてインターネットに接続する場合は、デジタル情報をアナログ情報に変換する機器（モデム）が必要になります。
　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変換は必要ありません。

回線交換方式とパケット交換方式

通常の電話では、電話番号をかけて相手にかかってから受話器を置く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。ところが、データ通信では、Ｗｅｂページ閲覧でもわかるように、利用している時間にくらべて、実際にデータが流れている時間は極度に短いため、この方式は不適切です。
　データ通信では、一般にパケット交換方式を用います。パケット方式では、電文をいくつかの一定の大きさに切断して、それぞれに各種ヘッダをつけたパケット（小包の意味）にします。そして、複数の回線からきた電文を１本の通信回線に混載して送ります。

通信プロトコル

プロトコル（protocol）とは取決めや規約のことです。
　インターネットのように、多様な機器やサービスがある環境では、標準化が重要になります。その代表的なプロトコルにＯＳＩ基本参照モデルとＴＣＰ／ＩＰがあります。

ＯＳＩ基本参照モデルは、国際標準化機構であるＩＳＯ（International Organization for Standardization）が策定した国際規格です。論理的には美しい体系になっていますが、特に上位層では実装するのに適切な規約にするのに難航していました。その間に、インターネットの普及に合わせて、ＴＣＰ／ＩＰが業界標準になり普及しました。

ＴＣＰ／ＩＰは、狭義には
　ＩＰ（Internet Protocol）
　ＴＣＰ（Transmission Control Protocol）
の二つのプロトコルのことです。
　ＩＰはＯＳＩ基本参照モデルの、ＴＣＰはトランスポート層とセッション層の一部に対応しますが、必ずしも一致していません。強いて言えばＯＳＩ基本参照モデルは体系化を重視した論理的「モデル」を示すことを重視するのにたいして、ＴＣＰ／ＩＰは、各種機能を実装することを重視しており、ＩＰやＴＣＰに関連したプロトコルも含むようです。
　また、広義には、物理層やデータリンク層で広く使われているイーサーネットや、電子メールやＷｅｂ閲覧など多様なアプリケーションの個別プロトコルまでも含んでＴＣＰ／ＩＰということもあります。

ＬＡＮのプロトコル（イーサーネット）

ＬＡＮとは、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です。
　ほとんどのＬＡＮは、ＯＳＩ基本参照モデルのデータリンク層に相当し、ＴＣＰ／ＩＰ系でのイーサネットに準拠して実装されています。
　イーサネットとは、狭義には物理層でのケーブル規格のことですが、通常はデータリンク層も含めたインサーネットＬＡＮ全体のプロトコルを指します。

（注）ホスト、ノード、フレーム

ＬＡＮは、パソコンやサーバなどとルータやスイッチングハブなどの接続機器をケーブルで接続したネットワークです。
　ＬＡＮの用語ではパソコンやサーバなどをホスト、それに接続機器を加えたものをノードといいます。
　また、ＬＡＮではデータをパケット交換方式によるパケットとして伝送しますが、ＬＡＮの主流であるイーサーネットでは、このパケットのことをフレームと呼んでいます。
　しかし本章では、理解を容易にするため、パソコン、接続機器、パケットを使います。

ＭＡＣアドレス

ＬＡＮ（データリンク層）で他のパソコンと接続するときの電話番号に相当するのがＭＡＣアドレス（Media Access Control Address）です。これは、パソコンに内蔵あるいは外付けしたＬＡＮカードに入っています。
　ＭＡＣアドレスは、世界中で一意（重複しない）になっています。ＬＡＮカード製造者に前半部分が割り振られ、後半部分はＬＡＮカード製造者が付けた製品番号になっています。
　ＬＡＮでは、パケットの先頭にあるヘッダに宛先ＭＡＣアドレスが入っており、それによって相手を探します。

ＬＡＮのトポロジ―

ＬＡＮの論理的な接続形態をＬＡＮのトポロジーといいます。
　現在のＬＡＮは、ほとんどがイーサーネットの規約で構築されています。イーサーネットは、当初はバス型を対象としていたのですが、その後、スター型も対象になりました。現在では、スター型が主流ですが、バス型と混在していることもあります。

バス型

バスと呼ばれる幹線にパソコンを枝状に接続した形態です。
　幹線には同軸ケーブル、枝線にはツイストペアケーブルが使われます。
　複数の幹線をリピータやブリッジで接続し大規模ＬＡＮを構築することができます。

バス型では、スター型のスイッチングハブのような管理機器はありません。各パソコンは同等の立場になっています。
　発信元パソコンは幹線にパケットを送出します。パソコンは常にパケットを見ており、宛先ＭＡＣアドレスが自分であれば取り込みます。他人であれば無視します。

送出時に他のパケットが流れていると衝突してしまうので、しばらく待ってから再送出を試みます。このような方式をＣＳＭＡ／ＣＤ方式（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection：搬送波感知多重アクセス/衝突検出方式）といいます。

スター型

スイッチングハブを中心にして放射状にパソコンなどの機器をツイストペアケーブル（大規模ＬＡＮでのルータ間は光ケーブル）でつないだ形態です。スイッチングハブを多階層につないで大規模ＬＡＮを構成できます。スイッチングハブをルータにすればインターネットとの接続もできます。

スイッチングハブには、直接配線しているパソコンのＭＡＣアドレスが記憶されています。発信元からきたパケットの受信先のＭＡＣアドレスを見て、リストにあればそのパソコンにパケットを転送し、そうでなければ他のスイッチングハブへ転送するという方式で発信元と受信先を接続します。

スター型は、
　・他に影響なくパソコンをＬＡＮから外したり付けたりができる。
　・ツイストペアケーブルは取扱が容易である。
　・Ｇbpsクラスの高速ツイストペアケーブルが使えるようになった。
などにより、ＬＡＮの主流になっています。

インターネットのプロトコル（ＴＣＰ／ＩＰ）

インターネットで相手と接続して、電子メールを送ったりＷｅｂページを閲覧するプロトコルを呼び出すまでの仕組みを対象にします。
　ＴＣＰ／ＩＰ（ＯＳＩ基本参照モデルのネットワーク層とトランスポート層）が主になります。ここでは、プロトコルの説明ではなく、代表的な機能の説明をします。

ＩＰアドレス

ＭＡＣアドレスは、ＬＡＮカードメーカーに割り当てたメーカー番号とメーカーが付与した製品番号からなっています。
　ＬＡＮのレベルならば台数が少ないのでＭＡＣアドレスで管理できますが、インターネットでは、無限に近いＭＡＣアドレスがあり、しかも、連続した番号のカードが各国に散在するなど、ＭＡＣアドレスでをベースにしたのでは経路制御が複雑になります。

ＩＰアドレスは、ネットワーク層におけるＭＡＣアドレスのようなものです。
　これも世界中で一意の番号ですが、地域レベル、国レベルで割り振り、さらに、ＩＳＰ（プロバイダ）に割り振ります。そして、ＩＳＰが企業や個人加入者に割り当てます。
　この配分は連続番号でまとめた単位で行われますので、配分の流れを逆に追うことにより、ＩＰアドレスが存在するネットワークにたどりつけます。

これまでのＩＰアドレスはＩＰｖ４という４バイト２進数の体系でしたが、インターネットの爆発的普及により、新しいＩＰアドレスを付与できなくなりました。枯渇解消のため、６バイトのＩＰｖ６体系になりましたが、現在では二つの体系が混在しています。

パケット交換方式でのパケットにはヘッダがついており、宛先などが入っています。このヘッダは、各層を通るたびに、新しいヘッダ部分が追加されます。

パケットのヘッダの仕組みを、電子メールを例に説明します。送信側Ａから受信側Ｂに電文を送るとき、利用者はメールソフトを操作するだけですが、内部では、おおよそ図のような順序で処理されています（ここではイメージを理解するために簡略したものであり、個々のプロトコルの記述も厳格なものではありません）。

図のように、送信側ではＯＳＩ参照モデル（ＴＣＰ/ＩＰでも）の上位から下位のレイヤーの順で処理が行われ、ＴＣＰではＴＣＰヘッダ、ＩＰではＩＰヘッダ、データリンク層ではイーサーネットヘッダが付けられます（ＦＣＳはパケットの最後を示す符号）。
　受信側は、下位から上位のプロトコルへ、そのヘッダを解析することにより、ヘッダを外しながらデータを渡します。

ＴＣＰヘッダにはポート番号が入っています。ポート番号は、メール送信（ＳＭＴＰというプロトコル）なら２５、メール受信（ＰＯＰ３）なら１１０、Ｗｅｂページ閲覧（ＨＴＴＰ）なら８０のようになっており、受信側のサーバやパソコンは、ポート番号により該当アプリケーションを起動します。

経路制御

ＩＰヘッダの宛先ＩＰアドレスで宛先のＬＡＮサーバと接続する仕組みは次のようになります。

インターネットでは、多数のルータを経由して相手に接続します。しかし、その相手先は世界中の膨大な数になるので、発信側のルータが、どのルータを経由すればよいのかの経路表を持つのは不可能です。
　ルータは、よく使われるＩＰアドレスと最初に接続すべきルータ、それ以外のＩＰアドレスの場合に最初の接続ルータだけの対応表だけをもっています。これにより、最初のルータにパケットを送ります。受け取ったルータも同様にして他のルータに渡します。
　このようにバケツリレーで渡している間に、「友達の友達は友達」ですので、いつかは相手に送ることができます。最終的には、上述のＩＰアドレスの配分の仕組みをたどることにより、相手に送ることができます。

バケツリレーに参加するはずのルータのなかには故障しているものもあります。対応表に複数のルータを指定しておけば、代わりのルータに接続することにより、新しいバケツリレーが継続できます。
このようにＩＰアドレスにより動的に経路を決定し通信するしくみを経路制御といい、ネットワーク層の重要な機能です。

バケツリレーでは心もとないように思われますが、ネットワークの一部に不通個所があっても、なんとかつながるという利点があります。そもそもインターネットは米軍の他国からの攻撃に耐える軍用通信網の研究が起源になったのです。
　また、インターネットに新しいパソコンやサーバを追加接続するには、ＩＰアドレスを与え、最初に接続するＩＳＰのルータの対応表を変えればよいだけです。このような便利さがインターネット普及に役立ちました。

インターネットの構成

キャリアとＩＳＰ

インターネットの通信網は、主にＮＴＴやＫＤＤＩなどのキャリア（電気通信事業者）と、ＳＯＮＥＴやＯＣＮなどの（Internet Service Provider：インターネット接続事業者）が支えています。

インターネットの通信回線は、通常はキャリアが敷設したパケット交換方式に対応した一般のデジタル回線を利用しています。その回線には、キャリアやＩＳＰがＴＣＰ／ＩＰに準拠したルータやサーバが接続されています。
　それで、ＴＣＰ／ＩＰに準拠したデータを送ると、電子メールやＷｅｂ閲覧などのアプリケーションができる仕組みになっています。

個人がインターネットを利用するには、ＩＳＰと契約して、メールアドレスなどのＩＤを取得します。
　利用者がインターネットに接続するとき、キャリア回線を介してＩＰＳが設置したアクセスポイントを呼び出します。
　ＩＳＰは利用者のＩＤとパスワードを確認し、正規の利用者であれば利用者のパソコン等とＩＳＰの所有するルータ（アクセスポイント）の間で一時的なＬＡＮを構成します。そのルータを介してインターネットと接続します。

例えば電話を含めてＮＴＴと回線契約をし、インターネット利用はＳＯＮＥＴと契約するというように、両者は別途の契約です（両方の契約を一つの事業者と行うこともあります。スマートフォンでインターネットにアクセスできるのは、ドコモやソフトバンクなどの携帯電話会社がキャリアであり、系列のＩＳＰをもっているからです）。

インターネットの構成

インターネットは多くのネットワークを接続したものです。次のような構成で世界中とつながっています。

  1. キャリアとブロードバンド回線での常時接続契約をしているならば、電子メールやブラウザなどのインターネットのアプリケーションを起動した段階で、ＩＳＰのアクセスポイント（ＡＰ）までは、一時的なＬＡＮが構成されます。
  2. ＡＰに到着した電文は、高速回線でＮＯＣ（Network Operation Center）に集められます。
  3. いくつかのＮＯＣが相互接続してＡＳ（Autonomous System）という地域的にまとまったネットワークが構成されます。
  4. ＡＳを代表するＮＯＣは、ＩＸ（Inernet eXchange）という設備を用いて、他のＡＳを代表するＮＯＣと超高速回線（バックボーン回線）で接続されます。
  5. さらに衛星や海底テーブルを用いて海外と接続されます。

ＮＯＣやＩＸなどの設備は、キャリアや大ＩＳＰが設置・運用しており、小ＩＳＰはそれらを使わせてもらっています。

インターネットの費用

個人がインターネットを使うために必要な費用は、ＩＳＰとの契約費用とＩＳＰアクセスポイントまでの通信費用だけです。インターネットの回線を使う料金は、明示的に支払うことはありません。
　当然ですが、誰かが慈善行為で提供しているのではありません。利用者が分担しているのです。

  1. 個人の契約者がＩＳＰに料金を支払う
  2. ＩＳＰは、その料金収入から、自前の設備を整備し、キャリアに回線接続費用を支払う。
  3. キャリアは、ＩＳＰからの収入により、自社回線網の維持管理をする。
  4. キャリア同士で回線乗り入れの契約をしている（ＩＸなど）。
  5. キャリアは国際回線（衛星通信や海底ケーブル）事業者に回線使用料を支払う

アプリケーション

インターネットの利用では、多様なアプリケーションがありますが、ここでは電子メールとＷｅｂ閲覧、その前提であるＤＮＳだけに絞りました。

ＤＮＳ

インターネットはＩＰアドレスにより相手と接続するといいましたが、ＩＰアドレスは４バイトあるいは６バイトの２進数です。通常の利用者はＩＰアドレスなどを使ったことはないでしょう。
　　メールを送るには、hitoshi@kogures.com
　　Ｗｅｂサーバを閲覧するには、http://www.kogures.com/hitoshi/webtext/index.html
　　　　（これをＵＲＬといいます）
のように指定しています。

この「kogures.com」の部分をドメイン名といいます。ドメイン名は、所有者が自由に付けられますが、世界中で一意でなければならず、ＩＰアドレスと１対１の対応がとられています（といよりドメイン名を申請するときに、ＩＰアドレスが付与されるのです）。

ドメイン名は人間には理解しやすいが、これで経路制御をするのは面倒です。それでドメイン名とＩＰアドレスを変換する仕組みが必要で、ＤＮＳといいます。
　これもすべての対応表を作るのは不可能なので、バケツリレーにより行うようになっています。

電子メール

電子メールの仕組みは、郵便での私書箱の仕組みと似ています。

  1. 郵便：手紙をポストに投函する。最寄りの郵便局に集められる。
    電子メール：メールソフトのＳＭＴＰプロトコルで、加入しているＩＳＰのメールサーバへ発信する。
  2. 郵便：郵便局は郵便番号や住所により、いくつかの郵便局経由して宛先の最寄りの郵便局へ転送する。
    電子メール：発信者側のＩＳＰは、宛先メールアドレスから受信者が加入しているＩＳＰのメールサーバのドメイン名（ＩＰアドレス）を知り、いくつかのルータをバケツリレーで経由して、受信者側ＩＳＰのメールサーバに転送する（ＳＭＴＰ）。
  3. 郵便：宛先側郵便局はは、宛先者の私書箱に手紙を保管する。
    電子メール：受信者側ＩＳＰは、メールを受信者のメールボックスに保管する。
  4. 郵便：宛先者は、鍵を用いて私書箱を開き手紙を取り出す。
    電子メール：受信者は、メールソフトのＰＯＰ３で受信者が加入しているＩＳＰメールサーバにアクセスし、パスワードを入力して、メールボックスにあるメールを自分のパソコンにダウンロードする。あるいは、ＩＭＡＰ４により、直接にメールボックス内のメールを読む。

Ｗｅｂページ閲覧

上記の「http://www.kogures.com/hitoshi/webtext/index.html」とは、
「ドメイン名kogures.comの配下にあるサーバwww.kogures.comにあるディレクトリhitoshi/webtext/にあるファイルindex.htmlをhttpというプロトコルでアクセスせよ」という意味です。

利用者側のＩＰＳルータからkogures.comがあるＷｅｂサイトまでの接続と通信は、バケツリレー方式で行われます。

httpとは、そのファイルをパソコンにインストールされているＷｅｂブラウザに渡す機能で、Ｗｅｂブラウザはファイル内容を解析した結果をパソコンに表示します。
　なお、htmlとは、表示内容をＷｅｂブラウザで表示させるための文法htmlで記述していることを示す拡張子です。

無線通信

無線ＬＡＮ

家庭でも数台のパソコンが各室にあり、プリンタの共有もしています。パソコンとスマートフォンやタブレットの接続もしています。
　これらをケーブルで接続するのは面倒ですし、美観を損ないますので、無線で接続するのが一般的になっています。

無線ＬＡＮルータ（親機）をおき、それにパソコンなどを子機としてスター型に接続します。
　通常の無線ＬＡＮルータは、有線ＬＡＮやインターネットへの接続機能をもっています。それで、複数の無線ＬＡＮルータ間を有線接続して大規模ＬＡＮを構築したり、無線ＬＡＮルータからは有線でＩＳＰのアクセスポイントへ接続してインターネットを利用したりできます。

現在、家庭内での無線ＬＡＮの方式は、ほとんどがＷｉ-Ｆｉという規格で構成されています。
　空港、図書館、レストラン、喫茶店などでも無線ＬＡＮルータやそれに接続しているアクセスポイントを設置しており、携帯している端末からインターネットが使えます。この設置場所をホットスポットといい、このような利用をモバイルWi-Fiといいます。

スマートフォン

スマートフォンにより電話（音声通信）やインターネット利用（データ通信）をするには、ドコモ、ソフトバンク、ａｕなどのキャリア（移動体通信事業者）と加入契約する必要があります。通常はキャリア関連のＩＳＰとの契約も同時にします。

キャリアは、無線基地局（高い塔から街角の電柱に設置したボックスまで多様です）を設置しています。無線基地局が親機、スマートフォンが子機の関係になります。

無線通信だとはいっても無線なのはスマートフォンと無線基地局の間だけで、無線基地局以降は電話回線やデジタル回線などの有線でつながっています。
　これらの回線は、インターネットの構成で述べたようにキャリア独自（あるいはＮＴＴやＫＤＤＩなどの関連会社）の回線であり、それが互いに相乗りしているので、加入キャリアが異なっても通話ができるのです。

データ通信に関しては、これまでのインターネットの説明とほぼ同様です。無線基地局およびそれにつながるＮＯＣがＩＳＰになり、インターネットにつながります。

音声通信は、従来の３Ｇ対応の携帯電話では回線交換方式が使われていましたが、近年の４Ｇ（ＬＴＥ）や最近の５Ｇでは、データ通信と同様にパケット交換方式が使われるようになりました（ＩＰ電話）。現在のスマートフォンならどちらも使えます。
　ＩＰ電話は、インターネット内は世界中無料ですから、通信料金がかなり低減され、遠近による料金格差もなくなります。

無線基地局と周波数

無線通信は無線基地局（親機）とスマートフォン（子機）が同じ周波数で交信します。その周波数に近い周波数が近地域にあると混信が起こります。また、無線は直進性があり山や建物の裏側では十分な受信ができません。

無線塔のような大出力の無線基地局は、広範囲をカバーできるので局数を少なくできますが、同時に交信するスマートフォンが多く、多くのチャネルを使うので広い周波数帯が必要になります。また、広範囲だとはいえ、受信しにくい場所が生じます。
　小出力ならば、到達距離が短いので、互いに離れた場所ならば同じ周波数を使っても混信しません。しかも、小出力基地局は安価です。それで建物が密集している場所では多数のボックス型の基地局が多いのです。

位置確認

スマートフォンは電源が入っていれば、自動的に最も強い電波を出している無線基地局に信号を送っています。それによりＮＯＣなどではスマートフォンの位置情報を把握してデータベースを更新しています。
　その情報データベースにより、相手のスマートフォンがどこにいても交信できるのです。

また、スマートフォンが基地局のカバーしている地域から他の地域へ移動するとき、電波の高い周波数を出している基地局に切り替えます。それをハンドオフといいます。

テザリング

ホットスポットのない場所で、無線機能をもたないパソコンにスマートフォンをつないでインターネットを利用することができます。それをテザリングといいます。

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