データ通信と制御

ねらい

ネットワークの構造と制御の仕組みを学びます。このレッスンを終えると、トポロジの種類、OSI基本参照モデルの7層の役割、接続装置がどの層で働くか、メディアアクセス制御の方式を説明できるようになります。

ネットワークトポロジ

端末と機器の接続の形をトポロジといいます。2地点を直接結ぶポイントツーポイント、1本の幹線を共有するバス型、中心の装置から放射状に伸びるスター型、輪の形につなぐリング型、階層状に枝分かれするツリー型があります。現在のLANは、ハブやスイッチを中心とするスター型が主流です。

OSI基本参照モデル：7層の分担表

ISOが策定したOSI基本参照モデルは、通信の機能を7つの層に分けて整理したものです。

層を分けることで、各層の技術を独立に発展させられます。

ネットワーク接続装置：どの層で働くか

接続装置は、働く層と対応付けて覚えるのが近道です。

1. リピータは物理層の装置で、弱った信号を増幅して伝送距離を延ばします。複数の口を持つものがハブです。
2. ブリッジはデータリンク層の装置で、宛先の物理アドレスを見て必要な区間にだけデータを流します。同じ働きを多くの口で高速に行うのがスイッチングハブ（レイヤー2スイッチ、L2スイッチ）です。
3. ルータはネットワーク層の装置で、IPアドレスを見てパケットの経路選択を行います。同等の機能を備えたスイッチはレイヤー3スイッチ（L3スイッチ）と呼ばれます。
4. ゲートウェイは、トランスポート層以上でプロトコルの異なるネットワークどうしを変換して結びます。

こうして、物理層から上の層へ向かうほど、装置が扱う情報も信号からアドレス、経路、プロトコルへと高度になっていきます。

このほか、内部の端末に代わって外部と通信するプロキシサーバ、外部からの要求を受けて内部のサーバへ振り分けるリバースプロキシサーバがあります。スイッチどうしを環状につないだときの無限ループを防ぐ仕組みがスパニングツリーです。ハブを重ねて接続することはカスケード接続と呼びます。

伝送方式と伝送制御

回線には公衆回線と専用線があり、通信の向きには単方向、半二重、全二重がありました。多重化には、光の波長で分けるWDM、時間で分けるTDMAといった方式があります。

データを確実に届けるための制御が伝送制御です。受信側の処理が追いつくように送る量を調整するフロー制御、経路を決めるルーティング制御、区間ごとの伝送を管理するデータリンク制御があり、誤り検出には前に学んだパリティチェックやCRC、同期にはSYN同期、フラグ同期、フレーム同期が使われます。伝送手順には、古くからのベーシック手順、ビット単位で効率よく伝送するHDLC、複数回線を束ねるマルチリンク手順があります。通信の前に相手との接続を確立するコネクション方式と、確立せずに送り出すコネクションレス方式という分類も重要です。回線の使い方には、早い者勝ちで送信権を取り合うコンテンション方式と、親局が順番に問い合わせるポーリング／セレクティング方式があります。

メディアアクセス制御（MAC）

1つの伝送路を複数の機器が共有するとき、送信のタイミングを調停する仕組みがMAC（メディアアクセス制御）です。

1. CSMA/CDは、有線LANで使われてきた方式です。回線が空いていれば送信し、同時送信による衝突を検出したら、少し待ってから送り直します。
2. CSMA/CAは、無線LANの方式です。電波では衝突の検出が難しいため、送信前の待ち時間などで衝突をできるだけ回避します。
3. トークンパッシングは、送信権を表すトークンを順に回し、トークンを持つ機器だけが送信する方式です。

例題

次の問いに答えてください。

問1 OSI基本参照モデルで、宛先までの経路選択を受け持つ層は何ですか。

問2 無線LANで使われる、衝突をできるだけ回避するメディアアクセス制御の方式は何ですか。

解答と解説

問1の答えはネットワーク層（第3層）です。この層の代表的な装置がルータで、IPアドレスを手がかりにパケットの行き先を決めます。

問2の答えはCSMA/CAです。有線LANのCSMA/CDが衝突を「検出」して対処するのに対し、CSMA/CAは衝突を「回避」しようとします。末尾の1文字の違いに意味があります。

応用

本試験を意識した問題を解いてみましょう。

問 OSI基本参照モデルのネットワーク層で動作し、IPアドレスをもとにパケットの経路選択を行う装置はどれでしょうか。次の中から選んでください。

1. ルータ
2. リピータ
3. ブリッジ
4. ゲートウェイ

解答と解説

答えは1のルータです。ネットワーク層の装置として、宛先のIPアドレスを見てパケットをどの経路へ送るかを決めます。2のリピータは物理層の装置で、信号を増幅するだけであり、宛先の判断はしません。3のブリッジはデータリンク層の装置で、IPアドレスではなく物理アドレスを手がかりに転送します。4のゲートウェイはトランスポート層以上で異なるプロトコルの変換を行う装置であり、ネットワーク層の経路選択そのものを受け持つ装置ではありません。