第 7 章 ネットワーク
パケットは層を旅する。この章では次の 14 個の知識点を、解説・インタラクティブ教材・練習問題で学びます。
ネットワークの構成とパケット
ネットワークは、コンピュータなどの機器を通信機器と通信回線でつないだもの。データはそのまま送らず、小さなパケットに分割して送る。回線を独占しないので複数の通信が同時にでき、エラーが起きてもそのパケットだけ再送すればよい。
伝送時間と回線利用率
伝送時間 = データ量 ÷（回線速度 × 伝送効率）。データ量はバイト → ビット（× 8）に直してから割る。回線利用率 = 1 秒あたりに実際に流すデータ量 ÷ 回線速度。制御情報が付く場合はデータ量に上乗せする。
LAN と WAN・CSMA/CD・無線 LAN
LAN は家庭や事業所など狭い範囲、WAN は通信事業者の回線で離れた拠点をつなぐ広い範囲のネットワーク。有線 LAN の大半はイーサネットで、CSMA/CD 方式で通信する：回線が空いているかを監視して送信し、衝突（コリジョン）を検出したらランダムな時間待って再送する。無線 LAN（Wi-Fi）は電波なので暗号化などのセキュリティ対策が必要。
OSI 基本参照モデル
通信に必要な機能を 7 つの層に分けたのが OSI基本参照モデル。第 1 層 物理層（電気信号）・第 2 層 データリンク層（隣の機器まで・MAC アドレス）・第 3 層 ネットワーク層（宛先まで・IP アドレス・経路選択）・第 4 層 トランスポート層（信頼性・TCP／UDP）・第 5 層 セッション層（通信の開始〜終了）・第 6 層 プレゼンテーション層（データの表現形式）・第 7 層 アプリケーション層（アプリ固有のルール）。
中継機器と MAC アドレス・IP アドレス
機器は動作する層で覚える。第 1 層：NIC・リピータ（信号を増幅して距離を延ばす）・リピータハブ。第 2 層：ブリッジ・スイッチングハブ（MACアドレスを見て中継）。第 3 層：ルータ（IPアドレスを見て経路を選び中継）。第 4 層以上：ゲートウェイ（プロトコルを変換）。MAC アドレスは機器固有の番号（体系的でない）、IP アドレスはネットワーク上の住所（体系的）。
TCP/IP モデルと IP・TCP・UDP
インターネットで使われる TCP/IP モデルは 4 層：ネットワークインタフェース層（OSI の 1・2 層）・インターネット層（3 層：IP・ICMP・ARP）・トランスポート層（4 層：TCP・UDP）・アプリケーション層（5〜7 層：HTTP・SMTP など）。IP は IP アドレスでパケットを宛先まで届ける。TCP は接続を確認してから送り、確認応答と再送で信頼性を高める。UDP は確認をしないので信頼性は低いが速く、ライブ配信や通話向き。
IP アドレスと NAT・NAPT
IPv4 アドレスは 32 ビット（8 ビットずつ 10 進数で 192.168.0.1 のように表す）。数が足りなくなり 128 ビットの IPv6 が作られた。インターネットで重複できないグローバルIPアドレスと、LAN の中だけで使うプライベートIPアドレスに分けてアドレスを節約する。LAN からインターネットに出るとき、ルータがプライベートをグローバルに変換する：NAT は 1 対 1、NAPT（IP マスカレード）はポート番号も変換して複数対 1。
DHCP とドメイン・DNS
DHCP は、PC の起動時などに IP アドレスやサブネットマスクなどのネットワーク設定を自動で割り当てる仕組み（LAN 内で重複しないように管理する）。ドメイン名（www.example.jp など）は IP アドレスを人間に分かりやすくした名前で、DNS がドメイン名と IP アドレスを対応付ける。
ネットワーク部・ホスト部とアドレスクラス
IP アドレスは、どのネットワークかを表すネットワーク部と、その中のどの機器かを表すホスト部に分かれる。クラス A（先頭 0・ネットワーク部 8 ビット）・B（先頭 10・16 ビット）・C（先頭 110・24 ビット）。ホスト部が全部 0 はネットワークアドレス、全部 1 はブロードキャストアドレスで、機器には割り当てられない → 割り当てられる数は 2^(ホスト部のビット数) − 2。
サブネットマスクとネットワークアドレスの計算
サブネットマスクは、IP アドレスのどこまでがネットワーク部かを 1 の並びで示す（255.255.255.192 ＝ 1 が 26 個 ＝ CIDR 表記で /26）。IP アドレスとサブネットマスクの論理積（AND）がネットワークアドレス。ホスト部を全部 1 にしたものがブロードキャストアドレス。割り当てられる数は 2^(32 − プレフィックス長) − 2。
アプリケーション層のプロトコルとポート番号
ポート番号は、コンピュータの中で通信相手のアプリケーションを識別する番号。覚える組合せ：HTTP 80（Web）・FTP 20／21（ファイル転送）・NTP 123（時刻合わせ）・SMTP 25（メール送信）・POP3 110（メールを端末に取り込んで受信）・IMAP 143（メールをサーバに置いたまま受信）。MIME はメールで日本語・画像・音声を扱えるようにした規格、S/MIME はそれに暗号化と署名を加えたもの。
誤り検出（パリティチェックと CRC）
パリティチェック：データに 1 ビットを付け、1 の個数を奇数（奇数パリティ）または偶数（偶数パリティ）にそろえる。1 ビットの誤りは検出できるが、訂正はできず、2 ビットの誤りは検出できない。行と列の両方に付ける水平垂直パリティなら 1 ビットの誤りの位置が分かり訂正もできる。CRC：データを生成多項式で割った余りをチェック用に付ける。連続した複数ビットの誤り（バースト誤り）も検出できる。
ネットワーク関連用語（SDN・IPsec・CGI・eSIM・ローカル 5G）
SDN：ネットワークの構成や設定をソフトウェアで管理する技術。代表的な実現技術が OpenFlow（データ転送と経路制御を分ける）。IPsec：ネットワーク層で動き、暗号化の機能をもつプロトコル（AH と ESP を含む）。CGI：Web サーバが要求に応じて外部プログラムを動かし、結果をブラウザに返す仕組み。eSIM：端末に内蔵された電子的な SIM（契約がオンラインで完結）。ローカル5G：企業や自治体が独自に構築する 5G ネットワーク。
ネットワーク管理（ping・BOOTP・MIB）
ping は、ICMP のエコー要求を送り、エコー応答が返ってくるかで相手と通信できるか（疎通）を確認するコマンド。BOOTP は起動時に IP アドレスなどを取得するプロトコル（DHCP の前身）。MIB は SNMP でネットワーク機器を管理するときの管理情報のデータベース。