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MS_NetworkBasics

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nishi_74322014 edited this page Aug 3, 2026 · 1 revision

ネットワークの基礎編

概要

「Windowsネットワークの基礎知識、設定・トラブルシュート」3部作の第1部。

TCP, UDP

TCP, UDP

イーサネット上のネットワーク サーバ

  • イーサネット上でネットワーク基盤として機能するネットワーク サーバ。

  • これらのネットワーク基盤として機能するネットワーク サーバの機能により、

    • IPアドレスの付与（など設定 の配布）
    • NetBIOS名・FQDN名の名前解決
    • ネットワーク リソースのグループ化、検索、認証（アクセス許可）

    などの自動化が図られ、ネットワーク、ネットワーク中の
    リソース（ファイル サーバ等）の使い易さ・管理のし易さが向上する。

ネットワーク サーバ

IPアドレスの動的割り当て

DHCPを使用する。

名前解決のためのサーバ

現在のイーサネットではTCP/IPプロトコルが標準的に使われており、
ネットワーク上でコンピュータやネットワーク機器につけられた名前は、
IPアドレスに変換され通信が実行される。これを名前解決と言う。

DNSサーバ

DNSサーバ

WINSサーバ

  • NetBIOS名をIPアドレスに変換する。
  • FQDN名・ホスト名が対象の場合は利用できない。
  • 非WINS環境では、
    NetBIOS名の名前解決はWINSサーバではなく、
    NetBIOSブロードキャストにより行われる。
  • ルータを跨ぐ場合は、クライアントが存在するネットワーク内に中継機能を追加する必要がある。

名前解決のためのファイル（クライアント）

ネットワーク資源管理のサーバ

  • ネットワーク リソースをグループ化するサーバについて纏める。
  • ネットワーク リソースのグループ化の仕組みには、ワークグループとドメインがある。

ワークグループ環境

  • NetBIOSのブラウジング機能を使用した、
    ネットワーク資源のグループ化の基本的な仕組み。
  • ブラウジング機能
    • 同一ネットワーク内の同一ワーク グループに属するホストの一覧を集中管理し、
      ワーク グループ内のホストにこのホスト一覧を展開する機能。
    • ブラウジング機能を提供するサーバは、ネットワーク中のホストから自動的に選定される。

ドメイン環境

の機能を有する

「Active Directory(AD)のドメイン コントローラ(DC)」（ドメイン サービス (AD DS)）

に管理された、より高度な
ネットワーク資源のグループ化の仕組み。

ネットワーク資源

  • ファイルサーバ
  • プリンタサーバ

アドレス

IPv4, v6

IPv4, v6

MACアドレス

  • MACアドレスは、ネットワーク機器固有の物理アドレスであり、通常はNICのROMに固定値で割り当てられている。
  • 48ビットの符号で、
    • 上位24ビットはIEEEがベンダー（製造者）毎に管理・割り当てを行っており、
    • 下位24ビットは各ベンダーが独自に重複しないように割り当てている。
  • この仕組みにより、原則として、MACアドレスは重複しないようになっている。

ARPテーブルの作成

  • ルーティング機能のないイーサネットなどのネットワークでは、内部的にはIPアドレスではなくMACアドレスを使って通信相手を特定している。
  • そのため、イーサネットで通信するためには、IPアドレスだけでなく送信先のMACアドレスを知る必要がある。
  • ただし、現在のWindowsネットワークではホストのアドレスにIPアドレスが使用される。
    そこで必要になるのがIPアドレスとMACアドレスの対応表であり、これを作成するのが ARPプロトコルである。
  • ARPプロトコルにより、
    • お互いのホストはIPアドレスとMACアドレスの対応表（ARPテーブル）を作成できる。
    • 以降、このARPテーブルを使用して通信する。

ARPテーブルの確認（arpコマンド）

  • 「arp -a」コマンドを使用してクライアント マシンのARPテーブルの内容を確認することができる。
  • 以下、「arp -a」コマンドの実行例である。
Interface: xxx.xxx.xxx.xxx --- 0x10003               → ローカル ホスト
Internet Address      Physical Address      Type
yyy.yyy.yyy.yyy       zz-zz-zz-zz-zz-zz     dynamic  → 通信先のホスト
# アイテム 説明
Internet Address IPアドレス
Physical Address MACアドレス
  • ARPテーブルのエントリの寿命
    • また、通常はARPテーブルに記録されるエントリには寿命があり、一定時間が経つと、そのエントリは自動的に消滅する。
    • Windowsシステムではデフォルトでは10分（600秒） となっている。
    • この設定を変更する場合は、以下のレジストリエントリにキャッシュのタイム アウト値を設定する。
HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Tcpip\Parameters
  ArpCacheLife (DWORD)

ネットワーク構成

ルータによるネットワークの分割・接続

  • ルータは、以下を目的に導入される。
    • リモート ネットワークとの接続
    • ブロードキャスト トラフィック負荷増大の回避のためのネットワーク分割
    • ルーティング情報の分割（or 集約）のためのネットワーク分割（or 集約）
    • 一般的には、イーサネットの１ネットワーク セグメントを１ネットワーク アドレスに対応させる。
      そして、それぞれのネットワーク セグメントをルータで接続して、全体的なネットワークを構築する。

ルーター１

ルータのインターフェイス

ルータには、以下のインターフェイスがある。

  • イーサネット用のインターフェイス
  • シリアルポートのインターフェイス

ルーターのインターフェイス

ネットワークの分割・接続

ルーター２

  • WANを経由してネットワークを接続する場合
    以下の様な、DCE（データ回線終端装置）をシリアルポートのインターフェイスに接続する。
    • モデム
    • DSU（ISDNなどの加入者回線終端装置）
    • TA（インターフェイス変換を行う通信機器）などの

ルーター３

スイッチ（スイッチング ハブ・L2スイッチ）によるイーサネットの構成

スイッチの目的

スイッチ（スイッチング ハブ・L2スイッチ）は、以下の目的で導入される。

スイッチを使用したイーサネットを構成

  • 基本的にはスイッチがツリー状になるように構成する。
  • また、スイッチの接続では、絶対にループ構造を作ってはいけない

スイッチ１

  • スイッチの基本的な接続方法
    • カスケード
      • 既存のスイッチのポートに別のスイッチのカスケード ポートを接続する方法である。
      • 簡単な拡張方法であるが、信号の減衰や遅延があるため最大で何段のカスケード接続が可能かは
        規格によって定められている（10BASE-Tで4段、100BASE-TXで2段など）。

スイッチのカスケード

  • スタック
    • 複数のスイッチを積み上げることによってポート数を増やす方法である。
    • スタックは、カスケードよりも接続の段数が多くなっている。

スイッチのスタック

フレーム転送方式

# フレーム転送方式 概要 メリット デメリット
1 ストア＆フォワード方式 読込んでCRCチェック後転送 高信頼性 速度が遅い
2 カット＆スルー方式 宛先（先頭6バイト）だけ読んで転送 速度が速い エラーフレームも転送
3 フラグメント フリー方式 先頭64バイトを読み、Runtフレームを取り除いて転送 バランスがイイ バランスがイイ

※ Runtフレーム：衝突によって壊れたフレーム

VLAN

VLANの構成

  • ネットワークをL2スイッチの機能により、仮想的なネットワークを構成し端末をグループ化できる。これをVLANと呼ぶ。
  • 「アクセス リンク」
    • VLAN に対応したL2スイッチの「アクセス リンク」ポートでは、
      VLANの識別ために以下の情報を使用する。
      • 「L2スイッチのポート」
        ポート ベースVLAN（スタティックVLAN）
      • 「MACアドレス、IPアドレス」
        アドレス ベースVLAN（IPアドレスを読み取る場合、L3スイッチ機能が必要）
      • 「プロトコル タイプ」、「サブネット・アドレス」
        ポリシー ベースVLAN（ダイナミックVLAN）
    • このため、下図に示すようにL2スイッチを跨がないVLANでは、
      「暗黙的なタグ」（所謂「タグ無しパケット」）を使用できる。

VLANアクセス リンク

  • 「トランク リンク」
    • VLAN に対応したL2スイッチの「トランク リンク」ポートでは、
      VLANの識別ために「明示的なタグ」（所謂「タグ付きパケット」）を使用する。
    • 下図に示すようにL2スイッチを跨ぐVLANでは、「トランク リンク」を使用する必要がある。
    • L2スイッチ上でイーサネット フレームにタグ付けすることを「フレーム タギング」と呼ぶ。
      タギング方式には以下がある。
      • ISL（Cisco独自の方式）と
      • IEEE802.1q（標準化された方式）
    • タグ付けされたフレームは、
      • 宛先スイッチまでフォワーディングされ、
      • 最終的には宛先スイッチ上でタグを削除する。
      • このため、ノード間でタグを意識する必要はない。

VLANトランク リンク

VLANネットワークの接続

  • 其々のVLANネットワークを接続する場合、ルータに接続する必要がある。
  • また、ネットワークを跨いだVLANは構築できないので注意する。
  • アクセス リンクの場合
    • アクセス リンクの場合、VLANの数だけルータとスイッチにアクセス リンクを作成し、それぞれ個別のケーブルで接続する。
    • ただし、スイッチに、ルータと接続するポートをトランク リンクとして設定し、
      ルータのインターフェイスをサブ インターフェイス に分割すれば、１つの物理的な接続で済む。

VLANルーター・アクセス リンク

  • トランク リンクの場合
    トランク リンクの場合、トランク リンクに対応した１つのポートに接続する。

VLANルーター・トランク リンク

ルーティング

ルータによるルーティング

ルータを導入し離れた場所にあるネットワーク同士を接続した場合、
各ネットワークはツリーではなく、蜘蛛の巣のように相互に接続される。

そのため、あるノードから別のノードへの経路は、一本だけでなく複数存在することになる。

ルータによるルーティング

ルーティング テーブルの作成

  • このためルータは、インターフェイスから受信したIPパケットを
    「ルーティング テーブル」の情報を基に適切なルートへ転送する。

この動作をIPフォワードという。

  • また、ルーティング機能、ルーティング テーブルの作成方法は、
    ルータの使用するルーティング プロトコルにより異なる。

ルーティング テーブルの確認（route printコマンド）

route printコマンド

ICMPを使用したルーティングの確認

  • IPネットワークでは、
    あるノードから別のノードへの経路は一本だけでなく複数存在するため、
    経路上のルータなどが故障した際、どこに原因があるか調査が必要になる。
  • この場合、ICMPを利用した
    pingコマンド、pathpingコマンド、tracertコマンド
    などのコマンドを使用することでルーティングを調査できる。

補足

無線LAN

無線LAN

イーサネット

イーサネットという表現は元々10MbpsタイプのLAN規格の名称だったが、
現在はFast Ethernet（100Mbps）/ Gigabit Ethernet（1Gbps）を含んだ総称としての意味合いが強まっている。

以下、代表的なイーサネットについて列挙する。

10BASE-2

細い同軸ケーブルを利用したバス型
（10Mbps、最大伝送距離185m、最大接続機器数30台）

10BASE-5

太い同軸ケーブルを利用したバス型
（通信速度10Mbps、最大伝送距離500m、最大接続機器数100台）

10BASE-T

TPケーブルを利用したスター型
（通信速度10Mbps、最大伝送距離100m、ハブ多段接続3段）

100BASE-TX

TPケーブル (UTPカテゴリー5)を利用したスター型
（通信速度100Mbps、最大伝送距離100m、ハブ多段接続2段）

1000BASE-T

TPケーブル (UTPカテゴリー5)を利用したスター型
（通信速度1Gbps、最大伝送距離100m）

※ 現在は 2.5GBASE-T / 5GBASE-T（既存のCat5e/Cat6で高速化）、10GBASE-T（Cat6A以上）も普及している。

名前

NetBIOS名

NetBIOSにてホストを識別する名前

ホスト名

TCP/IPで、hostsファイルに記載したホストを識別する名前

FQDN名

TCP/IPで、ドメイン名、サブドメイン名、ホスト名を省略せずにすべて指定した記述形式

ネットワーク構成の例

BBルータと家庭内LAN

  • IPアドレスの付与方法
    • BBルータのグローバルIPアドレス
      光ファイバ プロバイダ（FTTH）からPPPのNCPで割り当てられる。
    • 家庭内LANのプライベートIPアドレス
      BBルータのDHCPサーバ機能で動的に割り当てる。
      若しくは、ユーザにより、静的に割り当てる。
  • BBルータと家庭内LANの例

BBルータと家庭内LAN

  • 補足説明
    • 家庭LAN（B）上のホストから、家庭LAN（A）上のホストにアクセスするには、家庭LAN（A）上のホストに静的にプライベートIPアドレスを割り当て、BBルータの NAT / 静的IPマスカレードなどの機能により家庭LAN（A）のBBルータに割り当てられたグローバルIPアドレス・ポート番号を、家庭LAN（A）上のホストのプライベートIPアドレス・ポート番号に変換する方法がある。
    • DDNSサービスを使用して、BBルータのIPアドレスに対するFQDN名を登録しておくことで、IPアドレスではなくFQDN名を使用したアクセスが可能になる（注：PPP接続確立の度に、NCPで割り当てられるグローバルIPアドレスが変わるので、DDNSサービスを利用する場合は常時接続にしておくか接続のたびにDDNSのレコードを更新する必要がある）。

企業などで構築する非武装セグメント（DMZ）

以前は、企業のネットワークを接続するのにフレームリレーが
使われることが多かったが、現在は、IP-VPNや広域Ethernetが主流になっている。

  • DMZは
    • パブリック ネットワークとしてもプライベート ネットワークとしても構築できる。
    • ここでは、パブリック ネットワークとして構築する方法について説明する。
  • IPアドレスの付与方法
    • DMZ上のホストのグローバルIPアドレス
      DMZ（パブリック ネットワーク）のネットワーク アドレスは
      「CIDR」方式で決定され、ホストにグローバルIPアドレスが割り当てられる。
    • LAN上のホストのプライベートIPアドレス
      任意の方法でネットワーク アドレス、ホスト アドレスを設定できる。
  • 「三脚境界」の非武装セグメント（DMZ）の例

非武装セグメント（DMZ）の例

  • DMZは、ルータの構成オプションを通じて作られる。
    • 各ネットワーク（WAN、DMZ、LAN）はルータにお互い異なるポートを使って連結される。
    • DMZの構築には、「三脚境界」（中小規模）や「フロント ファイア ウォール / バックエンド ファイア ウォール」（大規模）などの手法がある。

プロトコル

PPP

PPP

スパニング ツリー

データリンク層のプロトコル

  • ルートブリッジを、優先順位（2バイト）とMACアドレス（6バイト）= ブリッジID（8バイト）で決定する。
  • 詳細はスイッチの冗長化を参照。

ARP, RARP

ネットワーク層のプロトコル

  • 概要
    • ARP : IP → MAC
    • RARP : MAC → IP
  • 詳細
    • ARPプロトコルは、与えられたIPアドレスからMACアドレスを求めるためのプロトコルで、
      ARP要求により送信先のIPアドレスと送信元のIPアドレスとMACアドレスが、
      OSI参照モデルの第2層のブロードキャストで送信される。
    • IPアドレスが一致するホストはARP応答によりMACアドレスをユニキャストで返す。
    • ARPは、第2層のブロードキャストを直接使用するため、
      • ネットワーク モニタを使用してイーサネット内のパケットを監視した場合、ネットワーク モニタによっては、
        ARPプロトコルのブロードキャストに送信元と送信先のIPアドレスが表示される。
      • このため、一見してTCP/IPのユニキャストをしているように見えてしまうので、注意する。
    • ARPテーブルの作成・確認（arpコマンド）

GARP

ネットワーク層のプロトコル

  • GARP : Gratuitous ARP
  • ARPと同じ機能だが、
    • 自分のIPに対してARPを行う。
    • 以下の目的で使用する。
      • IPアドレス付与時にIPアドレス重複が無いかを確認する
      • 自身のIPアドレスもしくはMACアドレス変更時に、
        周りの機器へMACアドレステーブルやARPテーブルの更新を促進する

ICMP

ネットワーク層のプロトコル。ICMP を参照。

VoIP

  • IP電話などで使われる、音声を

    • 各種符号化方式で符号化および圧縮し、
    • パケットに変換したものを、
    • IPネットワークでリアルタイムに

    伝送する技術

  • プロトコル

    • 呼制御にSIP（Session Initiation Protocol）
    • 通信にH.323

  • 品質評価

    • R値
      以下のパラメタで評価
      • ノイズ、エコー、遅延の3パラメタ（簡略）
      • その他、17、計20パラメタで評価
      • 国内は、その他、14、計17パラメタで評価
    • MOS値
      利用者の５段階評価

ルーティング プロトコル

TCP/IPモデルの上位プロトコル

  • IGP
    同一のAS内で使用される「ルーティング プロトコル」の総称。
    • RIP-v2やIGRP
      • ディスタンスベクタ型
      • 隣接するルータ同士で「ルーティング テーブル」の情報を交換
      • 距離（Distance）と方向（Vector）によりベストパスを決定する方式。
    • OSPF-v2やIS-IS
      • リンクステート型
      • 隣接するルータ同士で「リンクステート データベース」の情報を交換
      • そこからあて先ネットワークへのベストパスを決定する方式。
    • 共通項
      • マルチキャストにより情報交換（RIP-v1はブロードキャスト）
      • 更新情報を30秒間隔で交換（RIP-v1は差分に対応していない）
      • IPv6対応（RIPng, OSPF-v3）
  • EGPs
    異なるAS間で使用される「ルーティング プロトコル」の総称。
    • EGP
      • インターネットの規模が小さかった時代に作られた
      • 問題点があり、現在ではほとんど使われていない。
    • BGP
      EGP-2の問題を解決したBGPの最新バージョンはBGP-4。
      • EGP-2と違ってTCPを利用することで信頼性を上げ
      • 経路状態に変化があった時にのみ更新情報を送る。

NetBIOSプロトコル

TCP/IPモデルの上位プロトコル（セッション層）

  • NetBIOS: Network Basic Input Output System
  • 主にMicrosoft社が開発したプロトコル

SMBプロトコル

TCP/IPモデルの上位プロトコル（アプリケーション層）

  • SMB: Server Message Block
  • 主にMicrosoft社が開発したプロトコル
  • SMB
    • SMBはNetBIOSを経由する。
    • このため、使用するプロトコルがNBTの場合、NetBIOSの、
      ネームサービス、データグラム サービス、セッション サービスで
      UDPポートの137・138番、TCPポートの139番を使用する。
  • CIFS
    • Sambaでも利用可能な標準仕様をCIFSと呼ぶ（トランスポートに依存しない）。
    • CIFSに対応したSMBをMicrosoft Direct Hosting of SMB（Microsoft-DS）と呼ぶ。
  • Direct Hosting of SMB
    • Direct Hosting of SMBはNBT の仕様に関係のないTCP, UDPポートの445番を使用する。
    • また、NetBIOSを経由しないため、「NetBIOS名」を使わずに
      「ホスト名」・「FQDN名」や、「IP アドレス」でサーバのアドレスを指定することもできる。
    • Windows 2000以降のマシンのデフォルトではDirect Hosting of SMBを使用する。
  • SMBとDirect Hosting of SMB
    • プロトコルスタック

SMBとDirect Hosting of SMBのプロトコルスタック

  • 使用するポート
# プロトコル 使用するポート
1 SMB 137/tcp・udp、138/udp、139/tcp（NBTで使用するポート）
2 Direct Hosting of SMB 445/tcp

補足（最新化）: SMB1（および NBT 経由の SMB）はセキュリティ上の理由から Windows 10 / Server 2016 以降は既定で無効・削除の方向にある。 現行は SMB 2.x / 3.x を 445/tcp の Direct Hosting で使うのが標準。

DHCP

TCP/IPモデルの上位プロトコル（アプリケーション層）。IPv4, v6 を参照。

BootP

TCP/IPモデルの上位プロトコル（アプリケーション層）

  • RFC 951で定義された。
  • ネットワークに接続されたクライアントが、
    サーバから下記のような情報を自動的に取得するためのプロトコル。
  • 主に
    • OSがブートする際に用いられる。
    • 現在ではDHCPがBootPの上位互換プロトコルとなっており、
      BootPは徐々に使用されなくなってきている。

NTP

TCP/IPモデルの上位プロトコル（アプリケーション層）

  • Network Time Protocol（ネットワーク・タイム・プロトコル）
  • stratumと呼ばれる階層構造を持ち、
    • 最上位のサーバが正確な時計から標準時を取得し、
    • 下位のホストはそれを参照する事で時刻を合わせる。

その他、TCP/IPモデルの上位プロトコル

その他

NICの設定と冗長化

ブロードキャスト

  • OSI参照モデルの第2層のブロードキャスト(MACアドレスを使用)
    • ブロードキャスト・フレーム
    • MACアドレス：FF:FF:FF:FF:FF:FF
  • OSI参照モデルの第3層のブロードキャスト（IPアドレスを使用）
    • ブロードキャスト・パケット
    • IPアドレス
      • リミテッド ブロードキャスト（ローカルネットワーク）
      • ディレクティッド ブロードキャスト（任意のネットワーク）

マルチキャスト

マルチキャスト送信者は、ネットワーク上にいる、
すべてのマルチキャスト受信者に対して同時に同じデータを送信する。

  • マルチキャスト送信者
    送信する「マルチキャスト アドレス（グループ）」に「join」していなくてもデータの送信が可能である。
  • マルチキャスト受信者
    • 「マルチキャスト アドレス（グループ）」（224.0.0.0/4）
      と呼ばれるグループに「join」することにより、マルチキャスト データを受け取ることができる。
    • データを受け取る必要がなくなった受信者は、グループから「leave」する。

Tags: IT国際標準, インフラストラクチャ, 通信技術, Windows

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