コンピュータネットワーク：解説つき練習問題

1コンピュータネットワークとは

ネットワークは、データをやり取りする機器の集まりです：ノートパソコン、スマートフォン、サーバー、プリンターなど。その上の機器をホストといいます。

1 つの建物やキャンパス内のネットワークが LAN（ローカルエリアネットワーク）です。都市や国をまたぐネットワークは WAN（ワイドエリアネットワーク）です。インターネットは、何百万ものネットワークをつないでいます。

データは、1 本の長い流れとして進むのではありません。パケットと呼ばれる小さな断片に切られ、各パケットは自分で宛先への道を見つけます。

機器どうしが理解し合えるのは、同じ規則に従っているときだけです。メッセージの形式と順序についてのそのような規則の集まりがプロトコルです。TCP、IP、HTTP はプロトコルです。

ほとんどのサービスはクライアント・サーバーモデルに従います：ブラウザのようなクライアントが要求を送り、サーバーが答えを返します。

接続の速さを表す言葉が 2 つあります。帯域幅は最大のデータ転送速度で、たとえば 100 Mbit/s です。遅延（レイテンシ）は、データが届くまでの遅れで、ミリ秒で測ります。

2階層とカプセル化

ネットワークは階層に分けられます。各階層は 1 つの問題を解決し、その下の階層を使います。OSI 参照モデルは 7 階層で、インターネットで使われる TCP/IP モデルは、それを 4 または 5 階層にまとめます。

• 第 1 層 物理層：ケーブルや空間を通して、電気、光、電波の信号として、生のビットを送ります。
• 第 2 層 データリンク層：MAC アドレスを使って、同じローカルネットワーク内の機器間でフレームを届けます。イーサネットと Wi-Fi はここにあります。
• 第 3 層 ネットワーク層：IP アドレスを使って、ネットワークをまたいでパケットを届けます。ルーターはここで働きます。
• 第 4 層 トランスポート層：ポート番号を使って、プログラム間でデータを届けます。TCP はセグメントを、UDP はデータグラムを送ります。
• 第 5〜7 層 セッション層、プレゼンテーション層、アプリケーション層：人が使うサービス。たとえば、ウェブの HTTP、名前の DNS、電子メールの SMTP です。

データを送るとき、各階層は上の階層から受け取ったデータの前に、自分のヘッダを付け加えます。これをカプセル化といいます。受信側は、ヘッダを逆の順序で取り除きます。

TCPはまず接続を確立します（3 ウェイ・ハンドシェイク：SYN、SYN-ACK、ACK）。データに番号を付け、確認応答を待ち、失われたものを再送します。信頼性があり、順序が保たれます。

UDPは、接続なし、再送なしで送ります。より速く、失われたパケットよりも遅延が重要な場面で使われます：ライブ映像、ゲーム、短い DNS 問い合わせ。

3アドレス、機器、補助プロトコル

3 種類のアドレスが、階層ごとに 1 つずつ連携して働きます：

• MAC アドレス（第 2 層）：ネットワークカードの 48 ビットのハードウェアアドレス。ローカルネットワークの中だけで使われます。
• IP アドレス（第 3 層）：IPv4 アドレスは 32 ビット、IPv6 アドレスは 128 ビット。ホストがインターネットのどこにあるかを示します。
• ポート番号（第 4 層）：ホスト上のプログラムを選びます。ウェルノウンポートは 0 から 1023 まで：HTTP は 80、HTTPS は 443、SSH は 22、DNS は 53、SMTP は 25。

機器も同じ階層に対応します。ハブ（第 1 層）は、すべての信号をすべてのポートにコピーします。スイッチ（第 2 層）は、フレームを宛先 MAC アドレスのポートにだけ送ります。ルーター（第 3 層）は、ネットワーク間でパケットを転送します。

いくつかの補助プロトコルが、これを機能させます：

• DHCPは、ホストがネットワークに参加するときに、IP アドレス、マスク、デフォルトゲートウェイ、DNS サーバーを与えます。
• DNSは、example.com のような名前を、電話帳のように IP アドレスに変換します。
• ARPは、ローカルネットワーク上で、IP アドレスに対応する MAC アドレスを見つけます。
• ICMPは、エラーやテストのメッセージを運びます。ping コマンドは ICMP エコー要求を使います。
• NATは、プライベートアドレス（10.x、172.16–31.x、192.168.x）をもつ多くの機器が、1 つの公開アドレスを共有できるようにします。

デフォルトゲートウェイは、宛先が自分のサブネットの外にあるときに、ホストがすべてのパケットを送るルーターです。

4ステップごとの方法

定義からトラブルシューティングの事例まで、ほとんどの問題は同じ手順で答えられます。

1. 階層を見つけます。問題は、信号、フレームと MAC アドレス、パケットと IP アドレス、ポートと接続、アプリケーションのどれについてのものか。
2. その階層で働く機器やプロトコルを挙げます：ハブ、スイッチ、ルーター。イーサネット、IP、TCP、UDP。DNS、DHCP、HTTP。
3. 障害では、まだ働いているものと、失敗しているものを列挙します。働いているものがあれば、その下のすべての階層が正常であることが証明されます。
4. 失敗しているすべてを説明できる、最も低い階層を探します。それが最も可能性の高い原因です。
5. 答えを、問題の他の事実と照らして確認します：すべてを説明できなければなりません。

短い計算では：伝送遅延はパケットの大きさを回線の速度で割ったもの、伝搬遅延は距離を信号の速さで割ったものです。

5例題

すべてのステップをたどりましょう。開く前に次のステップを予想してみましょう。

6よくある間違い

• DNS と DHCP を混同する。DNS は名前をアドレスに変換し、DHCP はアドレスを割り当てます。
• スイッチとルーターを混同する。スイッチは 1 つのネットワーク内で MAC アドレスを使い、ルーターはネットワーク間で IP アドレスを使います。
• UDP を「劣った TCP」だと考える。再送よりも低遅延が重要なときに、あえて選ばれます。
• 帯域幅（容量）と遅延（待ち時間）を混同する。
• ポート番号をネットワーク層に置く。ポートはトランスポート層、IP アドレスはネットワーク層に属します。
• デフォルトゲートウェイを忘れる。それがないと、ホストは自分のサブネットには届いても、その先には届きません。

7試験問題の例

• やさしい：用語と事実。OSI の階層の数、DNS や DHCP の働き、既定のポート番号、IPv4 アドレスの大きさ。
• ふつう：概念の応用。機器の階層、プロトコルが選ばれる理由、ARP・NAT・TCP ハンドシェイクの働き、簡単なサブネットと遅延の計算。
• むずかしい：事例と分析。トラブルシューティングの事例、損失と輻輳時の TCP の挙動、ルーティングプロトコル、ARP スプーフィングや SYN フラッドのような攻撃、TLS。

すべての問題に選択肢が 4 つあります。まず、誤った階層に属する選択肢を除きましょう。1 つだけ残ることがよくあります。