技術講座

[技術講座（データ通信―１）] 　　　　　　　　　　　　　　　　（2002/11/12作成）

　データ通信の技術進歩は著しく、知識習得が追いつかないほどめまぐるしく変化し続けています。ここでは、それらの新技術を理解するうえで必要なデータ通信の基礎技術についてまとめることにしました。

１．通信制御

１．１ HDLC（ハイレベルデータリンク制御手順）

１．２ ベーシック手順

１．３ データリンク層とスライディングウインドウ

[出典]
　(1) 電気通信研究会：データ通信テキスト，日本理工出版会（1999-6）

　以上、通信制御についてまとめました。次回はパケット交換網についてまとめる予定です。

２．パケット交換網

２．１ パケット交換方式

（１）バーチャルコール（VC）

　公衆パケット交換サービスとしては、バーチャルコールサービスとデータダイヤグラムサービスがあります。NTT等のコモンキャリアはバーチャルコール（Virtual Call）サービスを推進しました。このバーチャルサーキット網は回線交換とパケット交換の両方の機能を持っています。コール（呼）の要求、トラフィックに対して回線容量が動的に割り当てられる接続交換ですが、複数パケットメッセージは網内の同じルートを通るグループにまとめられます。会話型の通信が始まる前に、網を通じて１つのルートが設定され、それに係わるすべてのノードがコネクション（接続：connection）されたことを知り、すべてのノードはどのルートに送り出すかを知っていて、バッファに蓄積したデータをそこへ送り出します。コネクションは各ノードのポインタの鎖です。

　バーチャルコールは、通信を開始してから終了するまでを１つのコール（呼：Call）とよばれ、物理的に接続された電話での呼と違い、論理的に接続された仮想的な呼であることから仮想呼、すなわちバーチャルコールという名称が付けられました。バーチャルサーキト（仮想回線）は、網のノードにあるアドレスとポインタを含む１つの論理的な概念で、専用の伝送装置は持ちません。セッション（session）でバーチャルサーキットは作られ、網内に流れる呼開放（call clear）情報によって開放されます。ここでセッションとは、端末の使用開始から終了までの間におけるDTEとDCEの一連のやり取りを意味しています。

　端末間でやり取りされる各パケットのセッションは、網内で必ずしも同じパス（path）を使用するとは限りません。バーチャルサーキトは各時点でのトラフィック状況に応じて、この設定フェーズが決められます。これは従来の回線交換と類似の技術です。呼設定のセッションは、呼設定のメッセージがネットワーク内を伝送し、各ノードはどの出リンクを選択すべきかの決定を行うもので、電話回線の接続交換と同じです。

　バーチャルサーキットでは、順序（シーケンス：sequence）どおりにパケットの伝送を行うことができます。各ノードはあるパケットを確認し、そのコネクションに関係するパケットと分かれば、順序どおりに送出します。従って、バーチャルサーキットでは個々のパケットのアドレスを付ける必要がありません。セッションで一度バーチャルサーキットが設定されてしまえば、完全な宛先アドレスの代わりに各リンクに関するバーチャルサーキット識別子（VCI）を用いることができます。バーチャルサーキット識別子は、本質的にはパケット交換機（ノード）の呼のプロセッサにあるメモリアドレスに対するポインタのことです。指定されたメモリアドレスには実際の最終目的のみでなく、パケットのルート選定に関する情報が与えられるように仕組まれています。

（２）公衆パケット網アクセスプロトコル

　公衆パケット交換サービス、具体的にはNTTのDDXやKDDのVENUS-Pでは、利用する端末（DTE）に対して伝送手順（プロトコル）を定めることになりました。これは物理レイヤ、データリンクレイヤ、パケットレイヤの３つの機能群別の層（レイヤ）に分けられています。ここでは物理レイヤを除き、その上位のデータリンクレベルとパケットレイヤの機能を取り上げます。

　網アクセスプロトコルは、公衆パケット交換網が開始された当時の状況から２種に分類されました。１つは網を提供するコモンキャリアのNTTやKDDがX.25勧告を満足するプロトコル（含ハードウエア）を装着していると認めるDTEに対する約束事と、X.25プロトコルを持たないDTEに対するものです。前者を実装する端末、コンピュータをパケット(モード)端末（PT）といい、後者を非パケット(モード)端末（NPT）と呼びます。NPTは当時の一般のデータ端末です。この非パケット端末を公衆パケット交換網に収容するためにPAD（Packet Assembly/Disassembly）が用意されました。PADは公衆パケット交換網を介して調歩式端末などの一般の端末が通信できるようにコモンキャリアが準備しました。この状況を図22(a)に示します。PADの基本機能はX.3勧告にあり、パケットの組立／分解、パケット転送、バーチャルコールの管理などです。その他のXシリーズ勧告の概要を表11にまとめて示します。



　　　　　　　　　　図22 公衆パケット交換網プロトコル


　　　　　　　　　　表11　Xシリーズ勧告

プロトコルの勧告	勧告の内容
X.3	PADの基本機能とユーザが選択するPADパラメータを規定している勧告
X.25	パケット（モード）端末と公衆パケット交換網の間のプロトコルを規定し、公衆パケット網を利用するユーザが守るべき網アクセスプロトコルを規定する勧告
X.28	調歩式端末とPADの間のプロトコルを規定する勧告
X.29	PADとパケット（モード）端末の間のプロトコルを規定する勧告
X.32	電話網をアクセスラインとし、パケットモードでデータを転送する端末用網アクセスプロトコルを規定する勧告
X.75	公衆パケット交換網が他の網と相互接続するためのプロトコルを規定する勧告

＜LAPB＞

　データリンクレベルはLAPB（Link Access Procedure B）と呼ばれています。X.25勧告が出されたときはまだHDLCがなかったのですが、後にHDLC勧告が出されたとき、LAPBは平衡型の一種であることが分かったので、Balanced modeのBを付けました。X.25ではHDLCのコマンドSABMまたはその拡張モードSABMEによるリンク設定がなされます。現在、パケットフレームのみでなく、FAX等の情報もHDLCを利用して伝送されています。この状況を図23に示します。HDLCの情報部（Iフレーム）に伝送目的のパケットフレームやFAXの情報を入れます。パケット端末はLAPBが装着されています。



　　　　　　　　　　図23 FAXとパケットをHDLCを利用して伝送


　公衆ディジタル網（PDN）の場合の概念を図24に示します。利用者側から見ると、X.25を満足するPTと一般のNPTいずれも網アクセスプロトコルのみで、ネットワークの構成、機能は隠蔽されています。公衆ディジタル網として始められたパケットサービスでは、アナログ回線用の変復調装置に代えて回線接続装置（DSU）が導入され、網との接続に使用されることになりました。



　　　　　　　図24 公衆ディジタル網の概念図


＜回線設定手段＞

　パケット交換網導入の回線設定で論議された基本的な手段は次の３つです。

　�@ ダイナミック(動的)経路設定：ダイナミック（動的）ルーチング
　�A バーチャルサーキット（仮想回線）
　�B 固定パス：スタティック（固定）ルーチング

　この技術はルーチングといわれ、データ通信のみでなく一般のネットワークに共通のものです。図25(a)はダイナミックルーチング、(b)はバーチャルサーキットと固定パスでのパケット転送状況を示します。



　　　　　　　図25 回線設定（ルーチング）の手段


　ダイナミックルーチングは、パケット転送の都度適切な経路を選択するもので、障害やトラフィックの急激な変化に順応できます。一方、１つのメッセージが網内の異なるルートを通るので、目的地にバラバラに到着し、順番どおりに組み立てる必要があります。さらに欠落したパケットが単なる遅延か、全く失われたのか不明で、複雑な処理になります。固定パスは２点間で常に決まったルートにするので、恒久的なバーチャルサーキットを割り付けることに相当します。活動していないバーチャルサーキットを網内に保有しないようにし、必要に応じて設定する固定パス方式は、固定VC（PVC）としてサービス提供されています。パケット交換といえばバーチャルサーキットを指し、X.25はこの経路設定手段によっています。世界中のコモンキャリアがエンドツーエンドで、確実な通信を保障することを主眼にしたからです。ダイナミックルーチングによるデータダイヤグラムサービスは無視されました。

＜VCとPVCの呼設定＞

　X.25ではユーザセッションを確立するとき（DTEがパケット通信を開始するとき）VCとPVCの２種があります。図26に交換型バーチャルコール（Virtual Call：VC）を示します。発信側のDTEはセッションの設定要求（call-request：CR）を送ります。ネットワーク側DCEに到着し、通常は受け取られます。時に拒否されることもあります。設定要求が受け付けられると呼受付（call-accepted：CA）が相手側DTEから戻され、要求側まで返送されます。この２つはX.25のコントロールパケットといわれ、どちらにもセッションまたは呼設定のための識別情報が含まれています。X.25では同時に行われるユーザセッション数の制限があり、受付を拒否されることもあります。呼設定がなされた後ユーザデータを格納したパケット(データパケット)が交換されます。このときX.25はパケットのフロー制御をウインドウ方式で行っています。すべてのユーザデータの転送が終われば、発信側が呼解放のためにclear-request（復旧要求）パケットを送ります。相手の受信側が確認のclear-confirmation（復旧確認）パケットを送ると、セッションは終了します。



　　　　　　　　　　図26 交換型バーチャルコール（VC）


　この交換型VCはDDX-P（パケット交換サービス）としてNTTが提供しています。このほかDDX-C（回線交換サービス）といわれるVCを常時保持の固定VC（Permanent VC：PVC）で提供しています。これは電話網での回線接続と似ていますが、あくまで仮想呼（Virtual Call）です。図27に固定VCのセッションを示します。これは、両方の端末がPVCとして設定されることに合意している場合のみ設定されます。送信側DTEがパケット網DCEにパケットを送ったとき、パケットに含まれる識別情報によってPVCの要求であり、DCEと両側のDTEが合意していることが分かると、送信側DTEと受信側DTEはVCにて接続されます。セッションによる確認動作は行われず、VCにより常にデータ転送が可能になります。また、PVCでは呼設定のみでなく呼解放でも手続きによるやり取りは不要です。



　　　　　　　　　　図27 固定VC（PVC）の設定


　VCは専用線と同じように固定の相手とのデータ転送に便利です。ディジタル伝送路と接続する端末は、モデムではなくDSU（Digital Service Unit）を用います。電話網を通して端末をパケット網に収容するサービスもあり、このときのアナログ回線の伝送にはモデムが用いられます。

＜パケット多重＞

　パケット通信ではブロック化したパケットにアドレスを持ち、これにより各パケットの識別を行うので、同一の物理回線上に異なる宛先のパケットを乗せることができます。これをパケットの多重化といいます。アドレスをラベルと見てラベル多重ということもあります。この場合、音声の時分割多重の回線交換方式とは異なり、伝送路上のパケット相互の間隔や長さを調整するための同期が不要なので、パケット通信は非同期型の転送といえます。時分割多重では各チャネルにタイムスロットを同期的に割り当て、チャネルが時間を割り当てたスロット内で送信します。対応するソースに送るべきものがあるか否かにかかわらず割り当てられます。これに対してパケット多重では、データストリームのブロックにタイミングを合わせ、ソースが活動を始めたときのみタイムスロットを割り当てます。それ故これをブロック同期あるいはパケット同期と呼びます。ここでの同期・非同期は、伝送リンク上のタイミングとは関係ありません。パケットは同期式のHDLCで包まれて伝送されるし、調歩式の非同期式でも伝送されます。非同期のパケットは、統一したタイミング同期によるSDH網で伝送されています。

　日本ではデータグラムサービスのパケット交換はありません。これはコネクションレス型といわれ、相手端末のデータパケット受信を待たずに、パケット交換機が正常受信した応答を返す方式です。これをローカル方式といいます。これに対して、相手までのVC接続を確認してからデータパケットを送出するのを、エンドツーエンド方式といいます。この両者を図28に示します。



　　　　　　　図28 エンドツーエンド方式とローカル方式


＜パケット網への端末の収容＞

　公衆パケット交換網は一般の端末、いわゆる非パケット(モード)端末（NPT）を接続できるようにPADを用意し、各種の伝送手順に対応できるようにしています。PADはベーシック手順のヘッダや伝送制御文字を除いて、通常ベーシックのブロック長のままパケットに組み立てます。逆にDCEからのパケットは、通常そのままの長さで１ブロックとし、ベーシック手順にのせて送出されます。調歩式端末がパケット網に収容される場合には、ネットワークを通してPADを制御する信号がパケット端末側（PT）から送られます。このとき、PTがパケットの組立／分解機能を制御し、処理するために参照するパラメータをPADパラメータと呼びます。PADに関するXシリーズ勧告は３つあり、X.3はPADの機能自体を規定し、X.28は端末とPADの間のプロトコル、X.29はパケット端末（PT）とPADの間のプロトコルを規定しています。図29にこれらの関係を示します。



　　　　　　　　　　図29 X.3,X.28,X.29,X.25勧告の関係


＜LAPBの手順＞

　LAPB（Link Access Procedure Balanced）は、DTEがネットワーク(DCE)にアクセスするデータリンクレベルの手順の標準タイプです。LAPBはHDLC手順のサブセットで、オプションを付けてパケット交換用としています。HDLCは階層構成を成していて、図30に示すようにパケットレベルフォーマットを包み込んでいます。HDLCのフレームの種類は、制御フレームCによって識別されます。HDLCは標準の基本的な手順クラスを用意しており、このなかの平衡型非同期平衡モード（BA）クラスをX.25は採用しました。



　　　　　　　図30 HDLCとパケットフォーマットの関係


　表12にLAPBで使用するコマンド／レスポンスを示します。LAPBでは基本手順クラスのBAよりREJ（reject）のみが多いだけで、これは回線使用効率を向上させるためのものです。LAPBは拡張モードもとることができます。モジュラス128を使用する拡張順序番号を付けることができます。これは衛星回線のように、遅延の大きい回線に使用すると有効とみられています。


　　　　　　　　表12　LAPBのコマンド／レスポンス

(a) 基本（モジュロ8）動作

フォー マット	コマンド	レスポンス	符　　号
情報伝達	I（情報）		0　|　N(S)	P	N(R)
監 視	RR（受信可）	RR（受信可）	１　0　0　0	P/F	N(R)
	RNR（受信不可）	RNR（受信不可）	1　0　1　0	P/F	N(R)
	REJ（リジェクト）	REJ（リジェクト）	1　0　0　1	P/F	N(R)
非番号制	SABM（非同期平衡モード設定）		1　1　1　1	P	1　0　0
	DISC（切断）		1　1　0　0	P	0　1　0
		DM（切断モード）	1　1　1　1	F	0　0　0
		UA（非番号制確認）	1　1　0　0	F	1　1　0
		FRMR（フレームリジェクト）	1　1　1　0	F	0　0　1

(b) 拡張（モジュロ128）動作

フォー マット	コマンド	レスポンス	符　　号
情報伝達	I（情報）		0　|　　　　N(S)			P	N(R)
監 視	RR（受信可）	RR（受信可）	1　0　0　0　0　0　0　0			P/F	N(R)
	RNR（受信不可）	RNR（受信不可）	1　0　1　0　0　0　0　0			P/F	N(R)
	REJ（リジェクト）	REJ（リジェクト）	1　0　0　1　0　0　0　0			P/F	N(R)
非番号制	SABME（拡張非同期平衡モード設定）		1　1　1　1	P	1　1　0
	DISC（切断）		1　1　0　0	P	0　1　0
		DM（切断モード）	1　1　1　1	F	0　0　0
		UA（非番号制確認）	1　1　0　0	F	1　1　0
		FRMR（フレームリジェクト）	1　1　1　0	F	0　0　1

　制御フィールドCによって、フォーマットフレームは3種類に分類されます。情報(転送)はIフレーム、監視はSフレーム、非番号制はUフレームといわれ、P/F（poll/final）やN(S)、N(R)の送信あるいは受信順序番号など全くHDLC手順と同じです。リンク設定は、SABMフレームあるいはSABMEフレーム（モジュラス128）を、DTEあるいはDCEが送信することにより開始されます。この状況を図31に示します。 データリンクレベルのやりとりは、このようにHDLCそのものです。情報Iフレームでパケットデータが転送されます。X.25はIフレームのみでパケットレベルの情報を転送することを規定しています。



　　　　　図31 LAPBの手順


　データリンクレイヤでの誤り制御は、フレーム再送による回復ができない場合はフレームリジェクト状態となり、リンク再設定つまりSABMフレームからのやり直しで、HDLCと同じです。X.25データリンクレイヤで複数の物理回線を使用するMLP（Multi-Link Procedure）手順を規定しています。各回線上では単一のLAPBを用い、これを１つにまとめて単一リンクとして制御します。この状況を図32に示します。MLPに対して、1本の物理回線で単一のリンクを設定するものをSLP（Single Link Procedure）といいます。物理回線(伝送路レベル)のチャネル間の同期で、SLPの上位にリンクレイヤサブエンティティを作り、これを実現しています。



　　　　　　　図32 MLPの原理


　パケットデータはIフレームの情報フィールドに1個入れられます。Iフレームに複数のパケットをつめることはありません。HDLCのIフレームで、個々にCRCによるエラー検出をされることからほとんどエラーは発生しません。これはパケットレイヤレベル、つまりネットワーク内でも同じです。

（３）ルーチング／フロー制御とデータ保証

　フロー制御には主としてウインドウ制御とバッファ制御の2種があります。バッファ制御は、X.25のパケット交換では端末制御に使用しており、端末のバッファ不足のとき、一時的に入力規制をするのに使用されます。ウインドウ制御はネットワークで用いられます。ルーチングでは、個々の呼接続要求に対する網内の伝送路や経路の割り当てを行い、直通ルートあるいは代替ルートを決定することになります。パケット交換ではノード（交換機）の障害を回避する代替ルートや、近隣ノードの待ち行列状況による出リンク選択などの判断が、蓄積交換のためさらに加えられます。

　フロー制御はネットワークを流れるトラフィック量の管理です。代替ルーティングの制御がネットワーク内の伝送路を如何に利用するかという観点であるのに対し、フロー制御はトラフィックをさばく観点からのコントロールです。都市の自動車の交通（トラフィック）によくたとえられます。ある交叉点で1つの方向に車が流れると、道路が空いているにもかかわらず車の進行が妨げられることがあります。つまり、ある方向における過度なトラフィック通過は、他の方向における障害になります。電話網で、ネットワークに加えるトラフィック量（呼設定要求）を増加していくと、接続完了し運べるトラフィック量は順次増加しますが、ある点から接続不可の呼が急増し、運べるトラフィック量が減少し始めます。さらに加える呼接続要求を増すと全く接続できなくなり、運べる呼が皆無となるネットワークも現れます。これは網内の共通の処理設備（伝送路や交換機）を呼接続のため競合して求め合い、呼が拒絶されて放棄されるために起こります。フロー制御は円滑にトラフィックが運べるように共通設備を制御することです。

　パケット交換のみでなく一般の交換網において、ルーチングとフロー制御は密接に関係した運用上の必要事項です。パケット網の特徴はフロー制御でのバッファ管理です。蓄積してその宛先を見て出ルートを決定しており、バッファがいっぱいのときはそれ以上のパケットを受信できないことです。パケット交換ノードは、データ送信しても直ちに蓄積しているバッファを解放しません。バッファは相手先の受信ノードから受け取りの肯定応答があってから解放されます。つまりローカル方式ではなく、エンドツーエンド方式です。コネクション(指向)型といわれ、データ保証あり（guarantee reliable delivery）です。フロー制御は、パケット交換網のインタフェースノード(ネットワークノード)のすべての過負荷の状態を知り、呼（コール）の遅延を少なくすることと、新たな呼を拒否することです。

　X.25のフロー制御の考え方は、データリンクのウインドウの考え方と似ています。フローは各論理チャネルごと各通信出線ごとにDTE-DCE間のインタフェースで制御されます。フローは受信側のバッファで制御されており、P(S)およびP(R)フィールドはウインドウを調整するのに用いられます。第2層データリンクレベルと第3層パケットレベルの両層でフロー制御にウインドウを使っています。X.25ではウインドウの大きさを特別に大きくできます。

　あるパケット網サービスでは、トランザクションタイプの呼（1個または2個のパケット）しか送らないアプリケーションで、たとえばクレジットの問い合わせ、口座などの転送などに適した特別な手順と、単純化したファーストセレクト（fast-select）と呼ばれる転送のサービスがあります。これはデータ保障のための面倒な手順を簡略化したものです。

２．２ X.25のパケットレベルプロトコル

[出典]
　(1) 電気通信研究会：データ通信テキスト，日本理工出版会（1999-6）

　以上、パケット交換網についてまとめました。次回はLANとOSIについてまとめる予定です。

３．LANとOSI

３．１ LANの標準化