ネットワークの混雑による影響を体験しよう！
― 快適なネットワーク環境の実現へ向けて ―
■今日の内容
- ネットワークとは？
- コンピュータの住所を確認しましょう
- データの形式を確認し，データを送信してみましょう
- データの通り道を見てみましょう
- ネットワークの混雑とは？
- ネットワークシミュレータを用いて，ネットワークの混雑を見てみましょう！
- ネットワークの混雑がコミュニケーションに与える影響を体験してみましょう！
- ネットワークの混雑を緩和するためのネットワーク技術
- ネットワークの混雑を緩和するためのネットワーク技術
◆1.ネットワークとは？
● ネットワーク（コンピュータネットワーク）とは，コンピュータ（図1の①）（スマートフォンやタブレットなどの情報端末も含む）同士をケーブル（銅線や光ファイバなど）や赤外線，電波（図1の②）など何らかの手段でつないで，さまざまなデータ（情報）（図1の③）をやり取りできる状態にしたものです．
図1 ネットワークの例（1対1）
図1は2台のコンピュータから構成され，1対1でデータ（情報）をやり取りする最も小さいネットワークです．
● さらに，ネットワークには大きさという概念があります．
⇒ 図1のように2台ではなく，もう少し大きなネットワーク（LAN，WAN，インターネット）を見てましょう！（別ウィンドウが開きます）
【★】：図1ではネットワークの例を見ましたが，実際のネットワークにおいて，通信相手とデータのやりとりを行うためには何が必要でしょうか？
下記の郵便を例に考えてみましょう！
図5 郵便の例
図5に示すように，郵便ではまず，各建物で住所（①）が必要です（住所は郵便だけのためにあるものではないですが）．
次に，郵便はがき（手紙）を宛先に送るためには，はがきに宛先の住所（②）を記述する必要があります．これがないと，当然どこに届ければよいのかわかりません．
また，自分の住所（②）も記述する必要があります（郵便では必須ではありませんが）．
● ネットワーク（コンピュータネットワーク）でも同様に，下記が必要です．
- 各コンピュータの住所を決める．
- 送信するデータに宛先の住所を記述する．
- 送信するデータに自分の住所を記述する．
次に，コンピュータの住所を見てみます．
◇1.1. コンピュータの住所を確認しましょう
● コンピュータにも住所が割り当てられています．これはIPアドレスと呼ばれます．
IPアドレスは192.168.1.3のように，4つの10進数をドットで区切って表されます．
図6 コンピュータの住所（IPアドレス）
図6では，コンピュータAに192.168.1.3，コンピュータBに192.168.1.4のIPアドレスが割り当てられています． これでデータを送信（受信）する環境（住所）が整っていることになります．
【★1】：実際，現在操作しているコンピュータにどのような住所（IPアドレス）が割り当てられているか確認してみましょう！
⇒ こちらを参考に，コンピュータの住所（IPアドレス）を確認してみてください．（別ウィンドウが開きます）
● コンピュータの住所が確認できたら，次に，データの形式とデータの送信方法を見ていきます． また，実際に，データの中の宛先の住所と自分の住所も確認してみます．
◇1.2. データの形式を確認し，データを送信してみましょう
● ネットワーク上でデータを送信する際に，データがどのような形式になっているかを確認してみます．
宛先にデータを送信する際に，データはパケットという単位に分割されます．
このパケットにはヘッダと呼ばれる部分があり，この部分に宛先の住所（IPアドレス）や自分の住所（IPアドレス）などが書き込まれます．
実際の送信するデータはこのヘッダの後に書き込まれます．
図7でパケットの構造とケーブルに流れるパケットの例を確認してみましょう．
図7 パケットの構造
図7では，コンピュータAから「おはよう」という内容のデータをコンピュータBに送信する例を表しています．
ヘッダの最初に送信元IPアドレス（192.168.1.3），次に宛先IPアドレス（192.168.1.4）が書き込まれています．これは，郵便はがきの自分（差出人）の住所，宛先（受取人）の住所に該当します．
また，図7では，「おはよう」という内容のデータは，「おは」と「よう」の2つに分けられ，それぞれ別々のパケットに格納されて，送信されています．
【★2】：では，実際，現在操作しているコンピュータから教卓にあるノートPCにデータを送信してみましょう！（教卓にあるノートPCでは，皆さんから送られてきたパケットを表示します）
⇒ こちらを参考に，現在操作しているコンピュータから教卓にあるノートPCにデータを送信してみてください．（別ウィンドウが開きます）
パケットのおおまかな流れは図8のようになります．
図8 パケットの流れ
今回はpingを用いて，データ送信を行いました．
ネットワークに接続されている各コンピュータには住所（IPアドレス）が割り当てられているので，送信するデータに宛先の住所（IPアドレス）を指定することにより，宛先までデータ（パケット）を送信することが可能になります．
◇1.3. データの通り道を見てみましょう
● データはどのような通り道で，宛先まで届くのでしょうか．
下図に示すように，ネットワークでは中継機器が存在します．データが中継機器に到着したら，中継機器は宛先に応じた方向（ケーブル）にデータを転送します．
図 ネットワークの例（WAN）
上図では，複数の通り道が存在します．
たとえば，東京のLANに属するコンピュータから福岡のLANに属するコンピュータにデータを送りたい場合，東京⇒名古屋⇒大阪⇒福岡と東京⇒大阪⇒福岡の2つの通り道が存在します．
各中継機器はもっともよい通り道を選んで，データを転送します．この通り道は経路と呼ばれます．
【★3】：実際にデータがどのような経路を通っているか確認してみましょう！
⇒ こちらを参考に，データの経路を確認してみてください．（別ウィンドウが開きます）
● 次はネットワークの混雑する原因や混雑状態を見ていきます．
◆2.ネットワークの混雑とは？
● 今回のパケット送信で用いたping（1秒間隔）は，（単位時間あたりの）送信データ量が多くないので，ネットワークの混雑は発生しませんが， 送信データ量が多くなると，ネットワークが混雑してしまいます．
● ネットワークの混雑は交通渋滞と似ているので，下図の交通渋滞を例に見てみましょう！
図9 交通渋滞あり
図10 交通渋滞なし
図9が交通渋滞が発生している例で，図10が交通渋滞が発生していない例です．
図9では交通量が多いため（単位時間あたりに進入する車が多いため），交差点（赤枠の部分）で渋滞が発生しますが，図10は交通量が少ないため交差点（赤枠の部分）で渋滞が発生しません．
● ネットワーク（コンピュータネットワーク）でも同様に，（単位時間あたりの）送信データ量が多くなるとネットワークの混雑が発生し，品質が著しく劣化してしまいます． たとえば，動画配信などでは動画の一部が乱れたりします．
図11 ネットワークの混雑
図11がネットワークが混雑している例です．交通道路では交差点で渋滞が発生しますが，ネットワークでは中継機器（ハブやルータ）で発生します．
図11では，左側の2つの端末からそれぞれ1秒間に100Mビットのデータが到着しますが，中央のケーブル（共有）では1秒間に100Mビットのデータしか処理できないために，中継機器においてネットワークの混雑が発生し，パケットの遅れや損失が発生することになります．
◆3. ネットワークシミュレータを用いて，ネットワークの混雑を見てみましょう！
新しいプロトコルの開発を行う際に，直接実機にプロトコルを実装して実験・評価を行うと，多くのコストと時間がかかってしまいます．
そこで，実機での新しいプロトコルの動きを模擬するシミュレーションが利用されます．
ネットワークシミュレータは，現実の現象を模擬的に再現するソフトウェア（あるいは装置）であり，ネットワーク技術を研究・開発する基本的な方法の1つとして，多くの大学や研究機関で利用されています．
● 図11のネットワークが混雑している状況と混雑していない状況を，ネットワークシミュレータを用いて動作（再現）させてみます．左下の端末からのデータ送信の時間は0.1秒から3秒まで，左上の端末からのデータ送信の時間は0.5秒から2.5秒までとなっています，
図12 ネットワークシミュレータによるネットワークの混雑状況（アニメーション）
画面の左上が図11のネットワークが混雑している状況です．画面の右上が左側の2つの端末からデータ速度を1/2にした場合，画面の右下が左側の2つの端末からデータ速度を1/4にした場合のネットワークの混雑状況です．
● ネットワークシミュレータでは，様々な実験データが簡単に取得できます．下図は，測定されたデータ速度です．
図13 ネットワークシミュレータによる測定されたデータ速度
このように，ネットワークシミュレータを用いると，比較的容易に短期間で，新しいプロトコルの開発や評価が行えるようになります．
● ネットワークシミュレータでは，無線環境や移動体など，様々な動作をシミュレーションできます．下図は，端末がランダムに移動し，端末0と端末1が通信している例です．
無線環境と移動体によるシミュレーション
◆4. ネットワークの混雑がコミュニケーションに与える影響を体験してみましょう！
● 図12に示すような，ネットワークの混雑が発生するネットワーク環境が構築してあります．
図13に示すネットワーク機器で構築しています．（今回は映像（動画）のみです）
図12 実機によるネットワークの構成
図13 ネットワーク機器説明
【★4】：実機によるネットワーク環境で，ネットワークの混雑を体験してみましょう！
- 図12に示すように，Webカメラが2台のノートPCに接続してあるので，混雑していない状況で，本学学生や友人と映像でやりとりしてみてください．
- 次に，混雑している状況で，本学学生や友人と映像でやりとりしてみてください．
● 各中継機器（ルータ）とパケットジェネレータ（トラヒック負荷器）では，下記のような設定を学生が行っています．簡単に紹介します．
下記の図14では，全体のネットワーク構成と，各インターフェース（LANケーブルの接続されている口）の割り当てIPアドレス（住所）を示しています．これがネットワークの設計図となり，これに従って，各機器の設定を行っていきます．
● ネットワークの混雑を緩和するために様々なネットワーク技術が開発されています．その一部を下記で紹介します．
図14は，混雑緩和のためにパケットの通り道（経路）を複数用意し，空いている道（経路）を使う技術です．
図15は，音声や動画など，時間通りに宛先に届かないといけないパケット（優先パケット）を中継機器で先に転送する技術です．
このようにネットワークでも様々な技術を用いて，混雑しないようにしています．
図16 経路制御
図17 優先制御
また，最近では，スマホの高性能化や映像サービスの普及により，インターネット上の通信トラヒックが急激に増大しています．そこで，最近，速度制限（帯域制限）という言葉をよく耳にすることがあります．
中継機器でも速度制限（帯域制限）を，ポリシングやシェーピングというネットワーク技術（図18）を使って，簡単に掛けることができます．このようなネットワーク技術も研究対象となります．
詳しくは，帯域幅制限に関するトラフィック ポリシングとトラフィック シェーピングの比較を参考にしてください．
