ネットワークの基礎 (Networking Basics)

1. ネットワークの基本概念 MOC

• ネットワークの定義と目的
  • コンピュータネットワークとは (複数のコンピュータやデバイスの接続)
  • ネットワークの目的 (リソース共有、情報伝達、負荷分散、信頼性向上)
  • ネットワークの利点と欠点
• ネットワークの種類 (分類)
  • 規模による分類
    • ローカルエリアネットワーク
    • 広域ネットワーク
    • 都市圏ネットワーク
    • パーソナルエリアネットワーク (例: Bluetooth)
  • 接続形態・利用形態による分類
    • イントラネット (Intranet)
    • エクストラネット (Extranet)
    • 仮想プライベートネットワーク
    • インターネット (Internet)
• ネットワークトポロジ (Network Topology)
  • ネットワークトポロジとは (物理的または論理的な接続形態)
  • バス型トポロジ (Bus Topology)
  • スター型トポロジ (Star Topology)
  • リング型トポロジ (Ring Topology)
  • メッシュ型トポロジ (Mesh Topology) (フルメッシュ、パーシャルメッシュ)
  • ツリー型トポロジ (Tree Topology)
  • ハイブリッド型トポロジ (Hybrid Topology)
  • 各トポロジの特徴、利点、欠点
• データ通信の基礎
  • データ (Data) と信号 (Signal)
  • アナログ信号 (Analog Signal) とデジタル信号 (Digital Signal)
  • データ伝送 (Data Transmission)
    • アナログ伝送とデジタル伝送
  • 帯域幅 (Bandwidth) (ヘルツ単位とビット/秒単位)
  • スループット (Throughput)
  • Delay) (伝播遅延、伝送遅延、キューイング遅延、処理遅延)
  • ジッタ (Jitter) (遅延のばらつき)
  • ビットレート (Bit Rate) とボーレート (Baud Rate)
• 通信方式 (Communication Modes)
  • 単方向通信 (Simplex Communication)
  • 半二重通信 (Half-duplex Communication)
  • 全二重通信 (Full-duplex Communication)
• ネットワーク標準化団体 (ISO, IEEE, IETF, W3Cなど - 概要)

2. ネットワークモデルと階層化 MOC

• 階層化アーキテクチャの原則
  • なぜネットワークアーキテクチャを階層化するのか (複雑性の管理、標準化、モジュール性)
  • 各層の役割とインターフェース
  • プロトコル (Protocol) とは (通信規約)
  • サービス (Service) とは (下位層が上位層に提供する機能)
  • カプセル化 (Encapsulation) と非カプセル化 (Decapsulation)
  • PDU (Protocol Data Unit) と SDU (Service Data Unit) (ヘッダ、ペイロード、トレーラ)
• OSI参照モデル (OSI Reference Model) MOC
  • OSI参照モデルの7階層構造の概要
  • 物理層 (Physical Layer - Layer 1) - OSI
    • 物理層の機能 (ビットの伝送、物理的接続)
  • データリンク層 (Data Link Layer - Layer 2) - OSI
    • データリンク層の機能 (フレーミング、物理アドレッシング、フロー制御、エラー制御、アクセスコントロール)
  • ネットワーク層 (Network Layer - Layer 3) - OSI
    • ネットワーク層の機能 (論理アドレッシング、ルーティング)
  • トランスポート層 (Transport Layer - Layer 4) - OSI
    • トランスポート層の機能 (エンドツーエンドの信頼性のある通信、フロー制御、エラー制御)
  • セッション層 (Session Layer - Layer 5) - OSI
    • セッション層の機能 (対話制御、同期)
  • プレゼンテーション層 (Presentation Layer - Layer 6) - OSI
    • プレゼンテーション層の機能 (データ表現形式の変換、暗号化、圧縮)
  • アプリケーション層 (Application Layer - Layer 7) - OSI
    • アプリケーション層の機能 (ユーザーインターフェース、特定のアプリケーションプロトコル)
• IP Protocol Suite) MOC
  • IPモデルの階層構造 (4層または5層モデル)
    • ネットワークインターフェース層 (Network Interface Layer)
    • インターネット層 (Internet Layer)
    • トランスポート層 (Transport Layer)
    • アプリケーション層 (Application Layer)
  • IPにおける各層の主要プロトコル
• IPモデルの比較 MOC
  • 類似点と相違点
  • 各モデルの利点と欠点

3. 物理層 (Physical Layer - Layer 1) 詳細 MOC

• 伝送媒体 (Transmission Media)
  • 有線媒体 (Guided Media)
    • ツイストペアケーブル (Twisted Pair Cable) (UTP, STP, カテゴリ分類)
    • 同軸ケーブル (Coaxial Cable)
    • 光ファイバーケーブル (Fiber Optic Cable) (シングルモード、マルチモード、利点と欠点)
  • 無線媒体 (Unguided Media)
    • 電波 (Radio Waves) (ラジオ、テレビ、携帯電話、Wi-Fi、Bluetooth)
    • マイクロ波 (Microwaves) (地上マイクロ波、衛星マイクロ波)
    • 赤外線 (Infrared)
• デジタル伝送 (Digital Transmission)
  • デジタル信号の利点
  • ラインコーディング (Line Coding) (ビット列をデジタル信号に変換)
    • NRZ (Non-Return-to-Zero)方式 (NRZ-L, NRZ-I)
    • RZ (Return-to-Zero)方式
    • マンチェスタ符号 (Manchester Coding)
    • 差動マンチェスタ符号 (Differential Manchester Coding)
    • (オプション) AMI (Alternate Mark Inversion), B8ZS, HDB3
  • ブロックコーディング (Block Coding) (例: 4B/5B, 8B/10B)
• アナログ伝送 (Analog Transmission)
  • アナログ信号の伝送 (変調の必要性)
  • 変調 (Modulation) (デジタルデータをアナログ信号に変換)
    • 振幅偏移変調 (ASK - Amplitude Shift Keying)
    • 周波数偏移変調 (FSK - Frequency Shift Keying)
    • 位相偏移変調 (PSK - Phase Shift Keying) (BPSK, QPSK)
    • 直交振幅変調 (QAM - Quadrature Amplitude Modulation)
  • (オプション) パルス符号変調 (PCM - Pulse Code Modulation) (アナログ信号をデジタルデータに変換)
• 多重化 (Multiplexing)
  • 多重化とは (複数の信号を単一の伝送路で共有)
  • 周波数分割多重化 (FDM - Frequency Division Multiplexing)
  • 時分割多重化 (TDM - Time Division Multiplexing)
    • 同期TDM (Synchronous TDM)
    • Asynchronous TDM)
  • 波長分割多重化 (WDM - Wavelength Division Multiplexing) (光ファイバー)
    • DWDM (Dense WDM)
  • 符号分割多重アクセス (CDMA - Code Division Multiple Access) (概念)
• 物理層デバイス
  • リピータ (Repeater)
  • ハブ (Hub)
  • ネットワークアダプタ
  • モデム (Modem)
  • トランシーバ (Transceiver)

4. データリンク層 (Data Link Layer - Layer 2) 詳細 MOC

• データリンク層の機能と役割
• フレーミング (Framing)
  • フレームとは (ビットストリームを管理可能な単位に分割)
  • 固定長フレーミングと可変長フレーミング
  • フレーミング手法
    • 文字数カウント (Character Count)
    • Byte Stuffing) (例: PPPのDLE STX, DLE ETX)
    • ビットスタッフィング (Bit Stuffing) (例: HDLC, SONET)
    • 物理層コーディング違反を利用したフレーミング
• 物理アドレッシング (Physical Addressing)
  • MACアドレス (Media Access Control Address)
    • MACアドレスの構造 (OUI, NIC固有番号)
    • ユニキャスト、マルチキャスト、ブロードキャストMACアドレス
• フロー制御 (Flow Control) (データリンク層レベル)
  • 送信者と受信者の速度調整
  • ストップアンドウェイトARQ (Stop-and-Wait ARQ)
  • スライディングウィンドウARQ (Sliding Window ARQ)
    • ゴーバックN ARQ (Go-Back-N ARQ)
    • Selective Reject ARQ)
• エラー制御 (Error Control) (データリンク層レベル)
  • エラーの種類 (シングルビットエラー、バーストエラー)
  • エラー検出 (Error Detection)
    • パリティチェック (Parity Check) (垂直パリティ、水平パリティ、2次元パリティ)
    • チェックサム (Checksum) (例: インターネットチェックサム)
    • 巡回冗長検査 (CRC - Cyclic Redundancy Check)
      • CRCの生成多項式と計算方法
  • エラー訂正 (Error Correction)
    • ハミング符号 (Hamming Code)
    • 前方誤り訂正 (FEC - Forward Error Correction)
• メディアアクセス制御 (MAC - Media Access Control) サブレイヤ
  • MACサブレイヤの役割 (共有メディアへのアクセス制御)
  • ランダムアクセスプロトコル (Random Access Protocols / Contention-based Protocols)
    • ALOHAプロトコル (Pure ALOHA, Slotted ALOHA)
    • 搬送波感知多重アクセス
      • CSMAのパーシステンス戦略 (1-persistent, non-persistent, p-persistent)
    • CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) (有線LAN/イーサネット)
      • CDの衝突検出とバックオフアルゴリズム (Binary Exponential Backoff)
    • CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) (無線LAN/Wi-Fi)
      • CTS, ACK, NAV)
  • 制御アクセスプロトコル (Controlled Access Protocols)
    • ポーリング (Polling)
    • トークンパッシング (Token Passing) (例: トークンリング, トークンバス)
  • チャネライゼーションプロトコル (Channelization Protocols / Channel Partitioning Protocols)
    • FDMA (Frequency Division Multiple Access)
    • TDMA (Time Division Multiple Access)
    • CDMA (Code Division Multiple Access)
• イーサネット (Ethernet - IEEE 802.3) MOC
  • イーサネットの歴史と標準
  • Length, Data, FCS)
  • イーサネットの物理層規格 (10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T, 10GBASE-Tなど)
  • イーサネットスイッチ (L2スイッチ) の動作 (学習、フィルタリング、フォワーディング)
• Wi-Fi) MOC
  • Ad hoc)
  • Wi-Fi 7)
  • IEEE 802.11のMACサブレイヤ (DCF, PCF)
  • 無線LANのセキュリティ (WEP, WPA, WPA2, WPA3)
• データリンク層デバイス
  • ブリッジ (Bridge)
  • L2スイッチ)
• 仮想LAN MOC
  • VLANの概念と利点 (ブロードキャストドメインの分割、セキュリティ向上)
  • タグVLAN (IEEE 802.1Q)
• (オプション) PPP (Point-to-Point Protocol) (ダイヤルアップ、WAN接続)
• (オプション) HDLC (High-Level Data Link Control)
• (オプション) ATM (Asynchronous Transfer Mode)
• (オプション) MPLS (Multiprotocol Label Switching) (L2.5技術)

5. ネットワーク層 (Network Layer - Layer 3) 詳細 MOC

• ネットワーク層の機能と役割 (ホスト間のデータ配信)
• 論理アドレッシング (Logical Addressing)
  • IPアドレス (Internet Protocol Address)
    • IPv4アドレス (Internet Protocol version 4) MOC
      • IPv4アドレスの構造 (32ビット、ドット付き10進表記)
      • IPv4アドレスクラス (クラスA, B, C, D, E) (歴史的)
      • プライベートIPアドレスとパブリックIPアドレス
      • サブネット化 (Subnetting)
        • サブネットマスク
        • サブネット化の目的と手順
      • クラスレスアドレッシング
        • 24)
      • (オプション) VLSM (Variable Length Subnet Masking)
    • IPv6アドレス (Internet Protocol version 6) MOC
      • IPv6の必要性と利点 (アドレス空間枯渇対策、セキュリティ向上など)
      • IPv6アドレスの構造 (128ビット、コロン付き16進表記、省略記法)
      • IPv6アドレスの種類 (ユニキャスト、マルチキャスト、エニーキャスト)
      • IPv6のヘッダフォーマット
      • IPv4からIPv6への移行技術 (デュアルスタック、トンネリング、トランスレーション)
• ルーティング (Routing)
  • フォワーディング (Forwarding) とルーティング (Routing) の違い
  • ルーティングテーブル (Routing Table) (宛先ネットワーク、ネクストホップ、メトリックなど)
  • スタティックルーティング (Static Routing)
  • ダイナミックルーティング (Dynamic Routing)
  • ルーティングアルゴリズム MOC
    • 経路制御プロトコル (Routing Protocols) の分類 (IGP/EGP, 距離ベクトル型/リンクステート型)
    • 距離ベクトル型ルーティングアルゴリズム (Distance Vector Routing Algorithm)
      • ベルマン・フォードアルゴリズムの応用
      • RIP (Routing Information Protocol)
      • EIGRP (Cisco独自)
      • 無限カウント問題と解決策 (スプリットホライズン、ポイズンリバース)
    • リンクステート型ルーティングアルゴリズム (Link State Routing Algorithm)
      • ダイクストラアルゴリズムの応用
      • OSPF (Open Shortest Path First)
      • IS-IS (Intermediate System to Intermediate System)
    • パスベクトル型ルーティングプロトコル (Path Vector Routing Protocol)
      • BGP (Border Gateway Protocol) (インターネットの基幹ルーティング)
  • (オプション)階層的ルーティング (Hierarchical Routing) (AS - Autonomous System)
• インターネットプロトコル (IP - Internet Protocol) MOC
  • IPの役割 (コネクションレス、ベストエフォート型配信)
  • IPデータグラムフォーマット (IPv4ヘッダ、IPv6ヘッダ)
  • IPフラグメンテーション (Fragmentation) と再構成 (Reassembly)
  • ホップリミット
• ICMP (Internet Control Message Protocol) MOC
  • ICMPの役割 (エラー報告、制御メッセージ)
  • 応答 - ping, 宛先到達不能, 時間超過など)
  • traceroute (tracert) の仕組み (ICMPとTTLを利用)
  • ICMPv6
• ARP (Address Resolution Protocol) MOC
  • ARPの役割 (IPアドレスからMACアドレスへの解決)
  • 応答
• RARP (Reverse Address Resolution Protocol) MOC (歴史的、DHCPに代替)
• ネットワーク層デバイス
  • ルータ (Router)
  • L3スイッチ (Layer 3 Switch)
• (オプション) NAT (Network Address Translation) MOC
  • IPマスカレード)
  • NATの利点と欠点 (IPv4延命、セキュリティ、エンドツーエンド接続性の問題)
• (オプション) DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) MOC (IPアドレス自動割り当て) - (アプリケーション層プロトコルだがネットワーク層と密接)

6. トランスポート層 (Transport Layer - Layer 4) 詳細 MOC

• トランスポート層の機能と役割 (プロセス間通信の実現)
• サービスポイントアドレッシング (Service Point Addressing / Port Addressing)
  • ポート番号 (Port Number)
    • プライベートポート)
    • ソケットアドレス (IPアドレス + ポート番号)
• セグメンテーションと再構成 (Segmentation and Reassembly)
• コネクション制御 (Connection Control) (コネクション指向サービスの場合)
• フロー制御 (Flow Control) (トランスポート層レベル)
• エラー制御 (Error Control) (トランスポート層レベル)
• UDP (User Datagram Protocol) MOC
  • UDPの特徴 (コネクションレス、非信頼性、低オーバーヘッド)
  • UDPデータグラムフォーマット (ヘッダ構造)
  • UDPチェックサム
  • UDPの利用例 (DNS, DHCP, SNMP, VoIP, オンラインゲーム)
• TCP (Transmission Control Protocol) MOC
  • TCPの特徴 (コネクション指向、信頼性、順序保証、ストリーム指向)
  • TCPセグメントフォーマット (ヘッダ構造)
  • TCPコネクション管理
    • TCPコネクション確立 (3ウェイハンドシェイク: SYN, SYN-ACK, ACK)
    • TCPコネクション解放 (FIN, ACK) (4ウェイハンドシェイク、ハーフクローズ)
  • TCPの信頼性確保メカニズム
    • シーケンス番号と確認応答番号 (ACK番号)
    • 肯定応答 (Acknowledgement - ACK)
    • タイムアウトと再送 (Retransmission)
      • RTO (Retransmission Timeout) の計算 (RTTの推定)
  • TCPフロー制御
    • スライディングウィンドウプロトコル (TCP版)
    • 受信ウィンドウ (rwnd)
  • TCP輻輳制御 (Congestion Control)
    • 輻輳とは (ネットワークの混雑)
    • 輻輳ウィンドウ (cwnd)
    • TCP輻輳制御アルゴリズム
      • スロースタート (Slow Start)
      • 輻輳回避 (Congestion Avoidance) (AIMD: Additive Increase, Multiplicative Decrease)
      • 高速再送 (Fast Retransmit) (3つの重複ACK)
      • 高速回復 (Fast Recovery)
      • (オプション) TCP Tahoe, Reno, NewReno, Vegas, CUBIC
  • SSH)
• (オプション) SCTP (Stream Control Transmission Protocol) MOC
  • SCTPの特徴 (マルチストリーミング、マルチホーミング)

7. (概要) 上位層 (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) MOC

• セッション層 (Session Layer - Layer 5) の役割と機能 (OSIモデル)
  • 対話制御 (Dialog Control) (単方向、半二重、全二重)
  • 同期点 (Synchronization Points)
• プレゼンテーション層 (Presentation Layer - Layer 6) の役割と機能 (OSIモデル)
  • デコーディング) (例: ASCII, EBCDIC, ASN.1)
  • 暗号化 (Encryption) と復号 (Decryption)
  • データ圧縮 (Data Compression)
• アプリケーション層 (Application Layer - Layer 7) の役割と機能
  • ユーザーとの直接的なインターフェース提供
  • ネットワークアプリケーションの基盤

8. 代表的なアプリケーション層プロトコル MOC

• DNS (Domain Name System) MOC
  • DNSの役割 (ドメイン名とIPアドレスの相互変換)
  • DNSの名前空間 (階層構造)
  • リゾルバ)
  • DNSクエリの種類 (再帰的問い合わせ、反復的問い合わせ)
  • DNSレコードの種類 (A, AAAA, CNAME, MX, NS, PTR, SOAなど)
  • DNSキャッシュ
• HTTPS (HTTP Secure) MOC
  • HTTPの役割 (Webコンテンツの転送)
  • HTTPリクエストとHTTPレスポンスのメッセージ構造
  • HTTPメソッド (GET, POST, PUT, DELETEなど)
  • HTTPステータスコード (200 OK, 404 Not Found, 500 Internal Server Errorなど)
  • HTTPのコネクション (非永続的HTTP, 永続的HTTP)
  • TLSによる暗号化)
  • Cookieとセッション管理
  • 3 (QUIC)
• 電子メールプロトコル
  • SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) MOC (メール送信)
  • POP3 (Post Office Protocol version 3) MOC (メール受信)
  • IMAP (Internet Message Access Protocol) MOC (メール受信・管理)
  • MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions)
• FTP (File Transfer Protocol) MOC
  • FTPの役割 (ファイル転送)
  • FTPのコネクション (制御コネクション、データコネクション)
  • アクティブモードとパッシブモード
• SSH (Secure Shell) MOC
  • Telnet (リモートログイン、非暗号化)
  • SSH (セキュアなリモートログイン、暗号化、ポートフォワーディング)
• DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) MOC (再掲、アプリケーション層としての詳細)
  • DHCPの役割 (IPアドレス等の自動割り当て)
  • DHCPの動作 (Discover, Offer, Request, Acknowledge - DORA)
• (オプション) NTP (Network Time Protocol) (時刻同期)
• (オプション) SNMP (Simple Network Management Protocol) (ネットワーク管理)

9. ネットワークセキュリティの基礎 MOC

• ネットワークセキュリティのCIA (機密性、完全性、可用性)
• 一般的なネットワーク脅威
  • Sniffing)
  • なりすまし (Spoofing) (IPスプーフィング、MACスプーフィング、DNSスプーフィング)
  • サービス妨害攻撃 (DoS - Denial of Service) (例: SYNフラッド、Ping of Death)
  • 分散サービス妨害攻撃 (DDoS - Distributed Denial of Service)
  • 中間者攻撃 (MitM - Man-in-the-Middle Attack)
  • マルウェア (Malware) のネットワーク経由の拡散
• 基本的なセキュリティ対策技術
  • ファイアウォール (Firewall) MOC
    • ファイアウォールの種類 (パケットフィルタリング、ステートフルインスペクション、プロキシサーバ、アプリケーションゲートウェイ)
  • 侵入防止システム (IPS - Intrusion Prevention System) MOC
  • VPN (Virtual Private Network) MOC (再掲、セキュリティ観点)
    • IPsec, OpenVPN, SSL-VPN)
  • 暗号化技術のネットワークへの応用
    • TLS (Transport Layer Security)
    • IPsec (Internet Protocol Security)
    • WEP, WPA, WPA2, WPA3 (無線LANセキュリティ)
  • 認証 (Authentication)、認可 (Authorization)、アカウンティング (Accounting) - AAA
• セキュアなネットワーク設計の原則

10. (概要) 現代のネットワークトピックと将来展望 MOC

• Software-Defined Networking (SDN) MOC
  • SDNの概念 (コントロールプレーンとデータプレーンの分離)
  • OpenFlowプロトコル
• Network Function Virtualization (NFV) MOC
  • NFVの概念 (ネットワーク機能の仮想化)
• Content Delivery Network (CDN) MOC
  • CDNの仕組みと利点
• IoT (Internet of Things) ネットワーキング MOC
  • IoTネットワークの課題 (省電力、多数デバイス接続、セキュリティ)
  • LPWA (Low Power Wide Area) ネットワーク (LoRaWAN, Sigfox, NB-IoTなど)
• 5Gネットワーキング MOC
  • 5Gの特徴 (超高速・大容量、超低遅延、多数同時接続)
  • 5Gのネットワークアーキテクチャ (ネットワークスライシングなど)
• (概要) クラウドネットワーキング (VPC, ロードバランサなど)
• (概要) ゼロトラストネットワーク