コミュニケーション

ネットワークとは、通信やリソース共有を行うために接続されたコンピュータデバイスの集合である。利点：

• リソースの共有（プリンター、ファイルサーバー、インターネット）— 各コンピューターに備えるよりも安価。
• データの共有 — 多くのユーザーが同じファイルをアクセス。
• 集中管理 — ソフトウェアのインストール、ユーザー管理、バックアップをサーバー上で一度行う。
• コミュニケーション — メール、ビデオ通話、メッセージ。
• リモートアクセス — 場所を問わず作業可能。

ローカルエリアネットワーク（LAN）は小規模な地域（家庭、オフィス、学校）をカバーし、通常組織が所有しており、データ転送速度が高くレイテンシが低い。

ワイドエリアネットワーク（WAN）は大規模な地域（都市、国、世界）をカバーする（インターネットは最大のWAN）。电信会社インフラを使用し、公衆交換電話網（PSTN）、専用線、またはファイバーを含むことが多く、データ転送速度は低くレイテンシが高い。WANは複数のLANを接続する。

"LANの2つの特徴を挙げよ"に対しては、地理的に小規模な領域（1つのサイトまたは建屋）をカバーする、ハードウェアは組織が所有し電信会社からリースしていない、独自スイッチ・ケーブル・アクセスポイント経由で接続する、とする。"WANとの違いが2つある

クライアントサーバー

• パワーフルなマシンがサーバーとして機能し、サービス（ファイル、Webページ、メールなど）を提供する。
• 他のマシンはクライアントであり、サービスの要求を行う。
• 集中管理しやすく管理しやすいが、バックアップがない限りサーバーが単一故障ポイントとなる。

ピア・トゥ・ピア（P2P）

• 全機械は等しいピアであり、それぞれがクライアントかつサーバーとして機能する（ピア・トゥ・ピア）。
• リソースはピアに分散されており、中央サーバーはない。単一の故障には耐性があるが、セキュリティと一貫性の維持は難しい。

モデルの選択。 クライアント-サーバーモデルは学校やビジネスに適している：ファイルは中央で保存・バックアップされ、ユーザーはどの機械でも1つのアカウントでログインでき、ソフトウェアとセキュリティは一度管理すればよく、サーバーは強力な機械也可以是充当できる。欠点はサーバーと技術者のコスト、そしてサーバーが単一の故障ポイントであることだ。ピア・トゥ・ピアは数人の友人がファイルを共有したりゲームをしたりする場合に適している：サーバーを購入する必要がなく、セットアップが簡単で、各ユーザーが自分の機械を管理できる。この方式の欠点として挙げられるのは、ファイルが多数の機械に分散されているためバックアップが難しく、ファイル所有者の機械がオフになっている間はファイルにアクセスできないこと、各機械を個別にセキュリティ対策が必要であること、他の機械にサービスを提供するピアの処理速度が遅くなることである。Webブラウザを通じて他のユーザーとオンラインゲームを行う場合はクライアント-サーバーモデルである：ブラウザはクライアントであり、ゲームとその共有された仮想世界は企業のサーバー上で動作し、すべてのプレイヤーの表示を一貫して保つ。

Thinクライアントはローカルでの処理をほとんど行わず、強力なサーバーに依存する（Webターミナル、リモートデスクトップ）。Thickクライアントは強力なローカル処理とストレージを備え、自身でフルアプリケーションを実行する（通常のデスクトップPC）。

役割：Thinクライアントモデルでは、サーバーが処理を行いデータを保存し、クライアントは入力を送信して出力を表示するだけである。安価なターミナルで十分だが、すべてはサーバー上でバックアップ・更新されるものの、ネットワークまたはサーバーが故障すれば何も機能しない。Thickクライアントモデルでは、クライアントがソフトウェアを実行しファイルを自身で保存するため、ネットワーク接続なしでも動作可能でサーバーへの負荷が减轻されるが、より強力（かつ高価）なクライアントが必要となり、それぞれを更新・セキュリティ対策する必要がある。学校のコンピューティングルームではThinクライアント（安価、中央管理）を使用でき、動画編集にはThickクライアントが必要である。

トポロジーとは、ノードとリンクの配置のことである。

• バス型 — 1本の共有ケーブル上のすべてのデバイス。安価だが、バスが故障するとLAN全体が停止し、より多くのデバイスが帯域幅を共有するにつれて性能が低下する。
• スター型 — 各デバイスが中央スイッチに接続。1台のデバイスが故障しても他に影響なく、スイッチが故障すると全て停止。現在最も一般的。
• メッシュ型 — 各デバイスが他と直接接続され、複数の経路が存在。非常に障害許容性が高い（トラフィックの再ルーティング可）が、大量の配線が必要。
• ハイブリッド型 — 組み合わせ（各オフィス内のスター型、オフィス間のメッシュリンク）。

各トポロジーにおけるパケットの転送

バス型：送信デバイスはパケットを共有ケーブルに乗せ、すべてのデバイスがそれを見受け、アドレスが一致するものだけが受け取る。同時に送信できるのは1台のみなので、衝突が発生する（CSMA/CD、後述）。スター型：送信者はパケットを中央スイッチに渡し、スイッチは宛先アドレスを読み取り、そのデバイス向けのケーブルのみを通じて転送する。他の2台のデバイスも同時に通信可能。メッシュ型：パケットは可能な経路の一つに沿ってノードからノードへ渡され、最終目的地に到達する。リンクが故障した場合は別の経路が使われる。

トポロジーを選択する理由：教室やオフィスのスター型（故障ケーブルは1台のデバイスのみ影響、デバイスの追加が容易、スイッチ使用時は衝突なし）、信頼性が最重要となるメッシュ型（病院、インターネットのバックボーン）、コストが最重要で fewer デバイスが共有する場所でのみバス型。「スター型トポロジーを描け」という指示の場合：中央のスイッチ、スイッチから各コンピュータへの1本ずつの線、サーバー（および varsa ラウタ）をスイッチへの独立した線で結ぶことを意味する。

クラウドコンピューティングは、サードパーティによりホストされる計算サービス（サーバー、ストレージ、ソフトウェア）をインターネット経由で提供する。メリット：スケーラビリティ（必要な分だけ支払う）、低コスト、どこからのでもアクセス可能、信頼性の高い冗長データセンター。デメリット：インターネット接続が必要、データをサードパーティに預ける、ベンダーロックインの可能性がある。

1点定義問題の場合：クラウドコンピューティングとは、**第三者がインターネットを通じて提供するオンデマンドコンピューティングサービス（ストレージ、処理、ソフトウェア）**です。パブリッククラウドはプロバイダーが所有し、多くの顧客がインターネット上で共有するものです。プライベートクラウドは単一の組織に専用で、その独自のハードウェア上使用するか、またはその組織のみがホストするものです。このモデルが認める利点は以下の通りです。ファイルはインターネット接続があるどのデバイスでもアクセス可能である；必要に応じてストレージをスケールアップ・ダウンできる；プロバイダーがハードウェア、バックアップ、セキュリティ更新を管理する；ローカルサーバーの購入や保守不要である。欠点は以下の通りです。インターネット接続がないとアクセスできない；データが第三者のハードウェア上にあるため、セキュリティやプライバシーはプロバイダーに依存する；継続的なサブスクリプションコストがかかる；プロバイダーが倒産したり攻撃を受けたりする可能性がある；大規模ファイルの転送が遅くなる場合がある。「企業がパブリッククラウドを使用する理由」への回答としては、自社でハードウェアを所有する必要がなく、使用した分だけ支払い、ユーザーがどこからでもアクセスできる点が挙げられます。

• 有線（ツイストペアや光ファイバーによるイーサネット）：高速、低レイテンシ、誤りが少ない、より安全。
• 無線（Wi-Fi、Bluetooth、セルラー）：ケーブル不要、デバイスが移動可能だが、速度が遅く、干渉や盗聴のリスクが高い。

同じ世代において、有線は速度と信頼性で優位であり、無線は利便性で優位である。

伝送媒体

試験では両方向での比較を求められます。有線は速度、信頼性（干渉なし）、セキュリティ（ケーブルを物理的にtapする必要がある）、一貫性の面で優れています。無線是有線の mobility、設置コスト、ケーブルなしでのデバイス追加の面で優れています。両方併用することで、学生はノートパソコンやスマートフォンを持ち歩きながら固定デスクトップはより高速で安全な接続を維持でき、ネットワークポートのないデバイスも接続可能です。铜ケーブルの代わりにサテライトを使用すればケーブルが届かない場所にもアクセスできますが、遅延が増え、天候による干渉が高額になるという代償があります。

• ネットワークインターフェースカード（NIC）— デバイスがネットワーク上で送信・受信できるようにします；固有のMACアドレス（48ビットのハードウェアアドレス）を持っています。無線デバイスはワイヤレスネットワークインターフェースカード（WNIC）を使用します。
• スイッチ — イーサネットフレームを目的のMACアドレスに対応するポートのみへ転送します。
• ハブ — トラフィックをすべてのポートへコピーする simpler なデバイス（現在は廃止済み）。
• ワイヤレスアクセスポイント（WAP）— 無線クライアントが有線LANに参加できるようにします。
• ケーブル — 短距離用はツイストペア、長距離・高速用は光ファイバー。
• サーバー — ファイル、印刷、ウェブページ、メールストレージなどのサービスを他のデバイスに提供するコンピュータ。
• ブリッジ — 2つのLANセグメントを1つのネットワークに結合し、その間でトラフィックを渡します。
• リピーター — 減衰した信号を受信し、フル強度で再送信してケーブルの届く範囲を延長します。

WNICの機能について、4点説明問題の場合：データを無線信号に変換して戻す；デバイスの固有のMACアドレスを保持する；デバイスとワイヤレスアクセスポイントを接続し、無線プロトコル（チャネルと周波数の使用）に従う；デバイスに対して着信信号をデコードする。 NICを持つ30台のコンピュータを物理的に接続できる2つのデバイス：スイッチ、またはハブ。

ルーターは異なるネットワークを接続し、その間でデータを転送します。通常はLANとインターネットの境界部で行われます。以下の機能を担います。

• フォワーディング — 各パケットの目的IPアドレスを読み取り、ルーティングテーブルを使用して適切なポートから送出します。
• ネットワークアドレス変換（NAT）— 複数の private LANアドレスが1つの public IPを共有できるようにします。
• DHCP — LANデバイスに private IPアドレスを割り当てます。
• ファイアウォール — 不要な着信トラフィックをブロックします。

パケットスイッチングでは、メッセージは複数のパケットに分割され、それぞれ独立して送信されます。各ルーターはパケットの宛先IPアドレスを読み取り、ルーティングテーブルで次のホップを検索して転送するため、1つのメッセージのパケットは異なる経路をたどり、宛先で順序立てて再構成されます。ルーターはパケットを受信し、ネットワーク間で転送し、IPアドレスを割り当てますが、URLに対応するIPアドレスを探すことはありません（これはDNSが担当します）、またWebページを保存することもありません。家庭用ルーターにはモデムと無線アクセスポイントも含まれているため、1台の機器でLANをインターネットに接続できます。

イーサネットは有線LANのための標準プロトコルです。デバイスはツイストペアまたはファイバーケーブルで接続され、データはソースおよびターゲットMACアドレスを含むフレームとして送信され、共有メディアでは干渉を回避するためにCSMA/CDを使用します。共有メディア上では、2台以上のデバイスが同時に送信すると干渉が発生することがあります。このプロトコルはCSMA/CD（キャリアセンス・マルチプル・アクセス・コリジョン・ディテクション）と呼ばれます：

1. キャリアセンス — 送信前にラインを確認し、回線が混雑している場合は待機します。
2. マルチプルアクセス — 多数のデバイスがメディアを共有使用します。
3. コリジョン・ディテクション — 送信中も継続的にラインを確認し、衝突したことを検知します。
4. 干渉が発生した場合、両者は一時的な「ジャム」信号を送信して停止し、再送信之前にランダムバックオフ時間を待ちます。

この3つのタスクは、体系の定義通りです：デバイスは送信前にラインを確認（キャリアを検知）し、送信中は干渉の有無を継続的にチェックし、干渉が発生すれば停止してジャム信号を送信し、ランダム時間を待ってから再送信します。

現代のスウィッチドイーサネットではフルデュプレックスのポイント・トゥ・ポイントリンクが使用されるため、干渉は発生しません。

ビットストリーミングとは、ファイル全体をダウンロードするのではなく、受信中に連続したストリームとして受信側が再生する方式です。

• リアルタイム（ライブ）：生放送のように撮影・配信されます（スポーツ中継、ビデオ通話）。巻き戻しはできません。低レイテンシが重要です。
• オンデマンド：サーバー上に事前録画されたコンテンツ（YouTube、Netflix）。一時停止や巻き戻しが可能です。サーバー側ではバッファリングによって先行読み込みが行われます。

リアルタイムストリーミングは短いパイプラインとして動作します：

1. ソース（カメラやマイク）からキャプチャとサンプリングを行います。
2. エンコードを行い、圧縮によってデータを圧縮します。
3. パケットとしてネットワーク経由で送信します。
4. 受信側が少しバッファリングした後にライブ再生しますが、遅れて届いたパケットは破棄されます。なぜなら、ライブストリームはそれを待つことができないからです。

ここでは**-lossy**圧縮が使用されます。動画では小さなデータ損失を視覚的に隠すことができ、ストリームは帯域幅に収まるように小さく保たれる必要があります。

リアルタイムストリーミングの前に映像を圧縮する理由：未圧縮ストリームは接続よりも多くの帯域幅を必要とするため、フレームが遅れて到着し、再生がフリーズします。圧縮によりビット数が削減されるため、ビットレートがブロードバンド速度以下に抑えられ、遅延も小さく、両端でのストレージ容量やコストも削減されます。ビットレートは接続速度より低くなければなりません。高いビットレートは高品質を提供しますが、より高速な接続が必要であり、データが再生速度より遅く到着するとバッファが空になり、映像が止まります。オンデマンドストリーミングはファイルの先行読み込みを多く行うことができるため、低速な接続にも耐えられますが、リアルタイムストリーミングはそれができません。

インターネットは、共通のプロトコルスイート（TCP/IP）を用いる世界的なネットワーク・オブ・ネットワークです。ワールドワイドウェブ（WWW）はその上で動作するサービスです。URLで識別されるハイパーリンク付き文書が、HTTP/HTTPSを介してブラウザで表示されます。メールやファイル転送もインターネット上のサービスですが、WWWの一部ではありません。

Webメールは両方を利用します。Webであるのは、メイルボックスがブラウザ内のURLを介してHTTPでアクセスできるWebページだからです。またインターネットであるのは、メール自体がネットワーク・オブ・ネットワークを通過して移動するためです（メールはWebとは別個のインターネットサービスです）。

インターネットを支えるハードウェア

• モデム — コンピュータのデジタル信号を電話回線のアナログ信号に変換し、相手側で再び元に戻します（変調と復調）。
• PSTN — エクスチェンジと回線で構成される公衆電話網；ダイヤルアップまたはDSL接続はこの上を介してインターネットデータを送信します。
• 専用回線 — 組織とISPとの間の leased line；常にオンで、帯域幅が固定されており共有されないため、速く信頼性が高いものの、高価です。
• 携帯電話網 — 電話がラジオ波で最寄りのセルタワー（ベースステーション）へデータを送信します。タワーは電話会社の網に接続されており、データをインターネットへルーティングします。電話が移動すると、隣接するセルへのハンドオーバーが行われます。

IPアドレスはデバイスを一意に識別します。

• IPv4 — 32ビット、0〜255の4つの十進数 (192.168.1.10)；約 $4.3 \times 10^{9}$ のアドレス（現在 exhausted）。
• IPv6 — 128ビット、4桁の十六進数字の8グループ、約$3.4 \times 10^{38}$個のアドレス。

IPv4はドットで区切られた4つの十進数グループで表記され、各グループは8ビットの数であるため、0から255までとなる。IPv6はコロンで区切られた8つの****4桁の十六進数字グループで表記され、2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329、连续するゼロのグループの列は::に短縮できる。したがって、192.168.3.2はIPv6ではない: 4つのグループしかなく、8つではなく、コロンではなくドットで区切られており、そのグループは十進数であり、十六進数ではない。256.0.0.Aはどちらの形式でも有効なアドレスではない: IPv4のグループは255を超えてはならず、またアルファベットであってはならず、IPv6はコロンと8つのグループを必要とする。

サブネット化

ネットワークをサブネットに分割できます。IPアドレスはサブネットマスクによってネットワーク部とホスト部に分割されます（例：255.255.255.0 = 最初の24ビットがネットワーク）。サブネット化は管理を改善し、ブロードキャストトラフィックを削減し、セキュリティを向上させます。

サブネット内のアドレスの2つの部分：ネットワークID（最初のビット、そのサブネット内のすべてのデバイスで同一、マスクの1で指定）とホストID（残りのビット、各デバイス固有）。「2つの利点を説明せよ」に対するサブネット化の利点：各部分でのトラフィック減少（ブロードキャストがサブネット内に留まるため）、より高いセキュリティ（ある部署のトラフィックが他から遮断されるため）、容易な管理とトラブルシューティング、アドレスの有効な利用。マスク255.255.255.0を持つ2台のデバイスは、最初の3つのグループが異なる場合、異なるサブネットに属します。

パブリックとプライベートアドレス

• プライベートアドレスはLAN内で使用され、インターネット上ではルーティングできません（例：192.168.0.0/16）。
• パブリックIPアドレスはグローバルに一意であり、ルーティング可能で、ISPによって割り当てられます。

NAT背後にあるプライベートアドレスのデバイスは、インターネットからは直接到達できないため、ある程度の保護が得られます。

表が求めている記述： パブリックアドレスはインターネット上で可視化され、全体を通じて一意であり、ISPによって割り当てられます。プライベートアドレスはLAN内のみで可視化され、多くのLANで再利用され、インターネットに到達するにはNATが必要です。スタティックアドレスは変更 never change（手動設定またはサーバーが必要な場合などの予約）；ダイナミックアドレスはデバイスが接続するたびにDHCPによって割り当てられ、変更される可能性があります。

スタティック vs ダイナミック

• スタティックIPアドレスは固定されており、既知のアドレスで見つけられる必要があるサーバーで使用されます。
• ダイナミックIPアドレスはDHCPによって割り当てられ、変更される可能性があります；クライアントデバイスには便利で、限られたアドレスプールを効率的に使用します。

** worked example.** ホストにIPアドレス192.168.10.130、サブネットマスク255.255.255.192があります。どのネットワークに所属しており、192.168.10.200も同じか？ マスクの最終オクテット192は2進数で11000000なので、最初の26ビットがネットワーク部、最後の6ビットがホストを指します。これにより、サブネットは$256 - 192 = 64$のブロック単位でステップします：.0, .64, .128, .192。アドレス130は.128で始まるブロックに含まれるため、ホストはネットワーク**192.168.10.128/26にあり、利用可能なホストは.129から.190までです（.191はブロードキャストアドレス）。200は次のブロック（.192）に含まれるため、異なるサブネットにあり、両者の間のトラフィックはルーター**を通過する必要があります。ブロックサイズをまずマスクから取得してください（$256$からマスクのオクテットを引く）— 最初の3つのオクテットから推測することは、ここで失敗する原因です。

URL（Uniform Resource Locator）はWWW上のリソースの場所を特定します：

https://www.example.com/about/contact.html
protocol     domain name        path

• プロトコル: http, https など。
• ドメイン名: 読みやすいサーバーアドレス。
• パス: そのサーバー上のリソース。

ドメインネームシステム（DNS、またドメインネームサービスとも呼ばれる）は、分散したサーバーのセットであり、ドメイン名をIPアドレスに変換します。URLを入力すると、ブラウザはDNSレゾルバにIPを問い合わせ、それがDNSサーバー（ルート → トップレベル → 権威あるサーバー）を照会して見つけるまで探します；その後、ブラウザはそのIPに接続してパスを要求します。DNSは人間がIPアドレスを記憶するのを助け、サイトがサーバーを変更しても名前を変えずに済みます。

「ブラウザがURL如何使用を説明せよ」に対する回答： ブラウザはURLをプロトコル、ドメイン名、パスに分割します；ドメイン名をDNSサーバーに送信し、対応するIPアドレスを返します（コンピュータまたはISPのキャッシュが最初に答えることがあります）；プロトコルを使用してそのIPアドレスに接続（ポート443でのHTTPS）；パスの要求を送信；そしてウェブサーバーがページを返し、ブラウザがレンダリングします。DNS検索が失敗した場合、ブラウザはサーバーが見つからないことを報告します。

定義問題は固定された用語に基づいて採点されます。これらを正確に覚えてください。

• LAN vs WAN および クライアント-サーバー vs ピア・トゥ・ピア を、リソースの保存および管理を行う主体によって区別する。
• 各トポロジー（バス、スター、メッシュ）を、その利点と欠点（コスト、信頼性、干渉）に対応させる。
• 各デバイスの役割を理解する：スイッチはMACアドレスに基づいてLAN内で方向を指定し、ルーターはIPアドレスに基づいてネットワーク間でルーティングする。
• ビットストリーミングを説明し、バファリングが必要な理由を述べる（データ到着速度と再生速度が異なるため）。
• IPv4 vs IPv6 およびパブリックアドレスとプライベートアドレスを区別する；DNSはURLをIPアドレスに変換する。

一般的なミス

• スイッチがIPアドレスで動作すると誤解する。スイッチはLAN内でMACアドレスで転送し、ルーターはネットワーク間でIPアドレスで転送する。
• インターネットとワールドワイドウェブを同一視する。Webはインターネット上で動作する一つのサービスであり、メールやファイル転送も別のサービスである。
• 有線と無線の比較を「速い」だけで述べる。速さだけでなく、より信頼性が高く、より安全であることを述べ、質問が比較を求めている場合は無線側の利点（移動性、配線不要）も含める。
• ルーターがURLに対応するIPアドレスを探すと記述する。これはDNSの役割であり、ルーターはパケットをそこへ転送するだけである。
• 点と十進数グループでIPv6を記述する。4桁の十六進数8グループで構成され、コロンで区切られる。
• スター型トポロジーをリングや鎖のように描く。すべてのデバイスが中央のスイッチに独自のラインを持つ。