ネットワークの基礎（ネットワーク方式・データ通信と制御・通信プロトコル・ネットワーク管理・ネットワーク応用）

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基本情報技術者試験のシラバスは「技術要素」を大分類3として位置づけ、その中の中分類10が「ネットワーク」である。LAN・WANの土台（ネットワーク方式）から、データが正しく届く仕組み（データ通信と制御）、通信の取り決め（通信プロトコル）、動いているネットワークを維持・監視する方法（ネットワーク管理）、実際に使われるサービス（ネットワーク応用）まで、設計・運用・利用を一気通貫で扱う。層ごとに登場するプロトコルや機器を対応付けて理解するのが到達目標になる。

1. ネットワーク方式

インターネット接続を仲介するインターネットサービスプロバイダ（ISP）の料金には、使った分だけ払う従量制と毎月定額の月額固定料金がある。データを小さな単位に分割して送るパケット交換網が現在のインターネットの主流であり、通信中は回線を占有する回線交換網とは仕組みが異なる。IoT機器が情報を収集するセンサーネットワークもこの分類に含まれる。

物理的な接続方式には、ケーブルを用いる有線LAN（銅線を使う同軸ケーブル・より対線、光を使う光ファイバケーブル）と、電波や赤外線を使う無線LAN（無線LANアクセスポイント、識別名のSSID）がある。

回線の性能は数値で評価する。たとえば1時間に30件の通話があり平均通話時間が4分なら、呼量は30件×4分÷60分＝2アーランと計算できる。転送速度を表すbps、伝送誤りの割合を示すビット誤り率も基本指標である。

インターネット技術としては、32ビットのIPv4と128ビットのIPv6があり、一意なグローバルIPアドレスと組織内だけのプライベートIPアドレスをNATが相互変換する。ドメイン名を解決するDNS、通信優先度を制御するQoS、不正通信を遮断するファイアウォール、認証を一元管理するRADIUSもここに含まれる。

2. データ通信と制御

接続形態（ネットワークトポロジ）には、1対1のポイントツーポイント、階層状のツリー型、幹線に連なるバス型、集線装置を中心にしたスター型、環状のリング型があり、現在の企業LANはスター型が主流である。

通信の役割分担を7段階に整理したのがOSI基本参照モデル（ISO/IEC 7498-1として標準化）で、下から物理層・データリンク層・ネットワーク層・トランスポート層・セション層・プレゼンテーション層・アプリケーション層と積み重なる。郵便にたとえると、物理層は道路、ネットワーク層は宛先住所による経路選択、トランスポート層は「確実に届いたか」の確認にあたる。

伝送方式には単方向・半二重・全二重があり、波長で多重化するWDM、時間分割のTDMAも使われる。機器は担当層で分類でき、リピータ・ハブは物理層、ブリッジ・レイヤー2スイッチはデータリンク層、ルータ・レイヤー3スイッチはネットワーク層で動作し、ゲートウェイやプロキシサーバも上位で機能を仲介する。ループ経路を止めるスパニングツリーも冗長化LANで重要である。

誤り検出のパリティチェック・CRC、送受信の速度を揃えるフロー制御、通信路を確立するコネクション方式と確立しないコネクションレス方式がある。複数端末の調停には、衝突検知後に再送するCSMA/CD（有線）、衝突回避してから送信するCSMA/CA（無線）、送信権を巡回させるトークンパッシングがある。

3. 通信プロトコル

インターネット標準のTCP/IPでは、データリンク層にPPP・PPPoE・IPoE・VLAN、ネットワーク層にIPアドレスを区切るサブネットマスク、集約表記のCIDR、経路制御のルーティング、ユニキャスト・ブロードキャスト・マルチキャスト、エラー通知のICMP（pingの基盤）がある。トランスポート層では、信頼性重視のTCPと速度重視のUDPがポート番号（HTTPは80番など）で宛先アプリケーションを識別する。

アプリケーション層は用途で使い分ける。WebのHTTP（HTTP/2・HTTP/3）、メール送受信のSMTP・POP・IMAP、ファイル転送のFTP、名前解決のDNS、遠隔操作のTELNET、自動アドレス割当のDHCP、時刻同期のNTPが代表例である。

LAN/WANインタフェースは、有線が10BASE-T〜10GBASE-Tのように速度で呼び分けられ、無線LANはIEEE 802.11規格の世代呼称が試験で問われる。Wi-Fi 4＝IEEE 802.11n、Wi-Fi 5＝IEEE 802.11ac、Wi-Fi 6＝IEEE 802.11ax（2.4/5GHz帯）、Wi-Fi 6E＝IEEE 802.11ax（6GHz帯拡張）という対応を押さえる。メッシュWi-Fi、分散オブジェクト技術のCORBAもこの分類である。

4. ネットワーク管理

構成管理はネットワーク構成やバージョンを記録し、ソフトウェアで通信を制御するSDNと実現プロトコルのOpenFlowが近年の要点である。障害管理は情報収集から切分け・原因特定・復旧・記録までを扱い、死活監視もここに含まれる。性能管理ではトラフィック監視を行う。

運用管理ツールには疎通確認のping、経路確認のtraceroute、設定確認のifconfig・ip、通信状態確認のnetstat・ss、アドレス対応確認のarp、名前解決確認のdigがある。「サイトにつながらない」トラブルでは、まずpingで疎通を確認し、届かなければtracerouteでどの区間で止まっているか切り分ける。

機器を一元監視するSNMPは、機器側のSNMPエージェント、集約するSNMP管理ステーション、管理情報のMIBからなる。仮想的な通信路を作るトンネリング、ネットワーク機能をソフトウェア化するNFVも押さえたい。

5. ネットワーク応用

電子メールは送信にSMTP、受信にPOP3・IMAP4を使い、添付を扱うMIME、装飾メールのHTMLメール（MHTML）、Webメールがある。WebではHTTPを暗号化したHTTPS、動的処理のCGI、状態保持のcookieとセッションIDが使われる。ファイル転送ではアップロード・ダウンロードに加え、アクティブモードとパッシブモードの違いがFTPの出題ポイントである。検索エンジンには全文検索型とロボット型がある。

社内限定のイントラネットでは拠点間を暗号化するVPN、社外連携のエクストラネットではEC・EDIが使われる。通信サービスには専用線サービス、FTTH、広域Ethernet、IP-VPNなどがある。

モバイルでは、通信網を借りるMVNO、LTE・VoLTE・5G・ローカル5G、物理SIM不要のeSIMが身近である。基地局を切り替えるハンドオーバー、他社網を使うローミング、複数アンテナのMIMO、省電力広域のLPWAも試験範囲である。

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参考文献

• IPA「基本情報技術者試験シラバス Ver.9.2」大分類3「技術要素」中分類10「ネットワーク」（PDF本文表記でp.32〜p.37）: https://www.ipa.go.jp/shiken/syllabus/omgdg50000005kpe-att/syllabus_fe_ver9_2.pdf
• Wi-Fi Alliance「Wi-Fi Alliance introduces Wi-Fi 6」（Wi-Fi世代呼称とIEEE 802.11規格の対応関係）: https://www.wi-fi.org/news-events/newsroom/wi-fi-alliance-introduces-wi-fi-6
• JPNIC「OSI基本参照モデル」解説（ISO/IEC 7498-1）: https://www.nic.ad.jp/ja/basics/terms/osi.html