TCP技術入門―進化を続ける基本プロトコル(WEB+DB PRESS plusシリーズ) [単行本]
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TCP技術入門―進化を続ける基本プロトコル(WEB+DB PRESS plusシリーズ) [単行本]

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出版社:技術評論社
販売開始日: 2019/07/06
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TCP技術入門―進化を続ける基本プロトコル(WEB+DB PRESS plusシリーズ) の 商品概要

  • 要旨(「BOOK」データベースより)

    本書は、近年幅広い関心を集めているTCPにスポットを当て、長く役立つ基本と先端の研究動向を解説する入門書です。本書は「TCPの基礎」「輻輳制御」「最新動向」の三部構成。序盤ではコンピューターネットワークの基本、TCPの登場に至った歴史的経緯、TCPのプロトコル設計について説明します。中盤ではトラフィックが増え続けるなか、とくに重要な機能と言えるTCPの「輻輳制御」を取り上げます。その考え方と歴代の輻輳制御アルゴリズムを押さえた後、注目度が高まっているCUBICとBBRについてシミュレーションを交えて解説します。終盤では最新動向として、SG、自動運転、IoT、クラウド/データセンターなどの例を紹介します。
  • 目次

    第1章 TCP入門 ……通信の信頼性を保証する
    1.1 通信とプロトコル ……OSI参照モデル、TCP/IP、RFC
    OSI参照モデル
    [第7層]アプリケーション層
    [第6層]プレゼンテーション層
    [第5層]セッション層
    [第4層]トランスポート層
    [第3層]ネットワーク層
    Column IPアドレス
    [第2層]データリンク層
    [第1層]物理層
    TCP/IP ……実装や実用性を主眼に置いたモデル
    RFC
    階層モデルにおけるデータのフォーマット
    プロトコル階層に基づく通信の手順
    1.2 トランスポート層と通信の信頼性 ……データを宛先まで順序誤りや消失なく転送する
    通信の信頼性
    ネットワークの輻輳 ……中の状況を外から見ることができない巨大なネットワークで起きる問題
    通信における要求条件 ……Web、動画、ゲーム……。アプリケーションごとにまったく異なる要求
    トランスポート層の役割
    1.3 UDPの基本 ……コネクションレス型のシンプルな機構
    UDPの基礎知識 ……コネクションレス型
    ユニキャスト、マルチキャスト、ブロードキャスト
    UDPとアプリケーションプログラムにおける信頼性の確保 ……RTP、RUDP
    UDPに適したアプリケーション ……動画ストリーミング、VoIP、DNSなど
    Column QUIC ……UDPベースで信頼性の高い通信路を高速確立
    1.4 TCPの基本 ……信頼性の保証とリアルタイム性
    TCPの基礎知識 ……コネクション型
    TCPとUDPの機能や特徴
    TCPに適したアプリケーション ……確実にデータを転送する
    1.5 TCPの基本機能 ……再送、順序制御、輻輳制御
    コネクション管理
    シーケンス番号
    再送制御 ……再送タイマー、RTT、ACKの利用
    順序制御
    ポート番号
    フロー制御 ……ウィンドウ、ウィンドウサイズ
    輻輳制御と輻輳制御アルゴリズム ……Loss-based、Delay-based
    無線通信とTCP
    無線通信の基本 ……最大の利点と限られた通信範囲、固定型と移動型
    無線特有の難しさ ……TCPへの影響
    1.6 特定の用途向けのプロトコル ……RUDP、W-TCP、SCTP、DCCP
    RUDP ……Reliable User Datagram Protocol
    W-TCP ……Wireless Profiled TCP
    SCTP ……Stream Control Transmission Protocol
    DCCP ……Datagram Congestion Control Protocol
    1.7 まとめ
    参考文献



    第2章 TCP/IPの変遷 ……インターネットの普及とともに、進化するプロトコル
    2.1 TCP黎明期 ……1968~1980年
    ARPANETプロジェクト発足(1968年) ……パケット交換の登場
    回線交換方式
    パケット交換方式
    ARPANET ……世界初のパケット交換によるネットワーク構築プロジェクト
    UNIX開発(1969年) ……OSとTCP/IPの普及
    ALOHAnet構築(1970年) ……世界初の無線パケット交換ネットワーク、衝突回避の原型
    TCP誕生(1974年) ……一変したネットワークの基本的な考え方
    イーサネット規格公開(1980年) ……IEEE 802.3とCSMA/CD
    2.2 TCP発展期 ……1980~1995年
    輻輳崩壊への懸念(1980年) ……トラフィック量の増加
    Nagleアルゴリズム(1984年) ……輻輳崩壊を防ぐ、輻輳制御関連手法の先駆け
    輻輳制御アルゴリズムの導入(1988年) ……状況に応じてデータ送出量を調整する
    インターネットへの移行とWWW誕生(1990年) ……アプリケーションによる牽引
    2.3 TCP普及期 ……1995年~
    Windows 95発売(1995年) ……OSとともに普及するTCP/IP
    IPv6運用開始(1999年) ……徐々に進んでいるIPv6移行
    無線LAN登場(1999年) ……IEEE 802.11
    さまざまなインターネットサービス(2004~2006年) ……サービスごとに異なる特性
    2.4 TCP拡充期 ……2000年代後半~
    スマートフォン普及(2007年~) ……モバイルネットワーク接続&Wi-Fi接続
    クラウドコンピューティング登場(2006年~) ……遠距離の通信トラフィックの増大
    モバイルネットワークの高速化(2010年、2015年) ……無線の特性とTCPに求められる性能
    IoTの一般化(2015年) ……低消費電力&長距離データ通信のサービス
    2.5 まとめ
    参考文献



    第3章 [図解で見えてくる]TCPとデータ転送 ……信頼性と効率の両立へ向けて
    3.1 TCPにおけるデータ構造 ……パケットとヘッダーのフォーマット
    パケットのフォーマット ……ヘッダー部とデータ部
    セグメント ……MTU、MSS、経路MTU探索、フラグメンテーション
    TCPヘッダーフォーマット
    UDPヘッダーフォーマット
    3.2 コネクション管理 ……3ウェイハンドシェイク
    コネクションの確立 ……3ウェイハンドシェイク
    コネクションの切断 ……ハーフクローズ
    ポートとコネクション
    3.3 フロー制御とウィンドウ制御 ……多過ぎず少な過ぎず、 適切な転送量と受信側バッファ
    フロー制御 ……ウィンドウとウィンドウサイズ
    バッファリングと遅延
    ウィンドウ制御 ……スライディングウィンドウ
    おさらい:フロー制御、ウィンドウ制御、輻輳制御
    3.4 輻輳制御 ……転送量と、中身が見えない自律的なネットワークの状況の推測
    TCPの輻輳制御の基本コンセプト ……「ネットワークの状態はよくわからない」という前提
    スロースタート
    輻輳回避
    高速リカバリー
    3.5 再送制御 ……確実かつ効率的に、高信頼通信の要
    高信頼通信に必須な再送制御
    [1]再送タイマーによるタイムアウト制御
    SRTTから求める従来からの手法 ……RTO決定法①
    Jacobsonによる新しいアルゴリズム ……RTO決定法②
    RTTの変動例に対する振る舞いの違い
    [2]重複ACKの利用 ……高速再転送アルゴリズム
    輻輳回避アルゴリズムと再送制御の複合的な動作と輻輳ウィンドウの変化
    3.6 TCP初期の代表的な輻輳制御アルゴリズム ……Tahoe、Reno、NewReno、Vegas
    輻輳制御アルゴリズムの進化
    Tahoe ……初期のTCPアルゴリズム
    Reno ……高速リカバリー
    NewReno ……新たなパラメーター(recover)の導入
    Vegas ……Delay-basedの制御方式の登場
    3.7 まとめ
    参考文献



    第4章[押さえておきたい]プログラマーのための輻輳制御アルゴリズム ……増え続ける通信量とネットワークの動き
    4.1 輻輳制御の基本の考え方 ……目的と設計、更新式の基礎
    輻輳制御の目的
    輻輳制御の基本設計
    輻輳制御の有限オートマトン
    5つの状態
    状態遷移図 ……遷移条件と遷移後の動作
    輻輳制御アルゴリズムの例 ……NewReno
    Column Linuxにおける輻輳制御アルゴリズムの実装
    4.2 輻輳制御アルゴリズム ……理論×シミュレーションで深まる理解
    本書で紹介する輻輳制御アルゴリズム ……Loss-based、Delay-based、Hybrid
    NewReno ……輻輳制御アルゴリズムのリファレンスモデル
    AIMD
    AIMDと更新式
    ns-3によるシミュレーション結果 ……NewReno
    Vegas ……Delay-based型の代表的な輻輳制御アルゴリズム
    更新式 ……Vegas
    ns-3によるシミュレーション結果 ……Vegas
    Westwood ……無線通信向けHybrid型輻輳制御アルゴリズム
    更新式 ……Westwood
    ns-3によるシミュレーション結果 ……Westwood
    HighSpeed ……ロングファットパイプ向けLoss-based型の輻輳制御アルゴリズム[1]
    更新式 ……HighSpeed
    ns-3によるシミュレーション結果 ……HighSpeed
    Scalable ……ロングファットパイプ向けLoss-based型輻輳制御アルゴリズム[2]
    更新式 ……Scalable
    ns-3によるシミュレーション結果 ……Scalable
    Veno ……無線通信向けのHybrid型輻輳制御アルゴリズム
    更新式 ……Veno
    ns-3によるシミュレーション結果 ……Veno
    BIC ……ロングファットパイプ向けのLoss-based型輻輳制御アルゴリズム[3]
    更新式 ……BIC
    ns-3によるシミュレーション結果 ……BIC
    H-TCP ……ロングファットパイプ向けのHybrid型輻輳制御アルゴリズム
    更新式 ……H-TCP
    ns-3によるシミュレーション結果 ……H-TCP
    Hybla ……RTTが大きな通信路に対応するLoss-based型の輻輳制御アルゴリズム
    更新式 ……Hybla
    ns-3によるシミュレーション結果 ……Hybla
    Illinois ……BICと比較しておきたいHybrid型輻輳制御アルゴリズム
    更新式 ……Illinois
    ns-3によるシミュレーション結果 ……Illinois
    YeAH ……2つのモードを持つ、ロングファットパイプ向けのHybrid型輻輳制御アルゴリズム
    更新式 ……YeAH
    ns-3によるシミュレーション結果 ……YeAH
    4.3 プロトコルアナライザー「Wireshark」実践入門 ……輻輳制御アルゴリズムの観察?
    Wiresharkとは
    Wiresharkの環境構築
    ネットワーク構成
    セットアップ
    Wiresharkの起動&停止
    WiresharkによるTCPのヘッダー分析
    キャプチャーするインターフェースの選択とパケットの観察
    パケットのTCPのヘッダー分析
    Wiresharkによる輻輳制御アルゴリズムの観察
    採用している輻輳制御アルゴリズムの確認 ……sysctlコマンド(Ubuntu)
    インターフェースの選択とパケット送受状況の確認
    輻輳制御アルゴリズムの挙動の観察 ……TCP Stream Graphs機能
    描画できる5種類のグラフ
    輻輳制御アルゴリズムの切り替え ……sysctlコマンド(Ubuntu)
    4.4 より深い理解へ。ネットワークシミュレーター「ns-3」入門 ……輻輳制御アルゴリズムの観察?
    ns-3の基本
    ns-3の環境構築
    ns-3によるネットワークシミュレーションのための基礎知識
    おもなディレクトリ構成
    ns-3のコマンド
    シナリオファイル「chapter4-base.cc」
    Pythonによるシミュレータ実行/分析/可視化
    scenario_4.pyの中身 ……Python入門
    挙動の確認 ……IPython
    4.5 まとめ
    参考文献



    第5章 CUBIC ……3次関数でシンプルに問題解決する
    5.1 ネットワーク高速化とTCP輻輳制御 ……ロングファットパイプがもたらした変化
    Reno/NewReno ……広く利用されてきたアルゴリズム
    高速リカバリー ……NewRenoの特徴
    ネットワークの高速化とロングファットパイプ ……通信環境の変化の観点から
    end-to-endの三大遅延 ……処理遅延、キューイング遅延、伝搬遅延
    ロングファットパイプにおけるNewRenoの課題
    広帯域を有効活用できない
    広帯域環境ではそもそも送信レートが不十分
    高遅延環境になるほどスループットが低下
    5.2 Loss-based輻輳制御 ……パケットロスの数を指標に用いる歴史ある手法
    Loss-based輻輳制御の基本 ……パケットロスの数、輻輳ウィンドウサイズ、AIMD
    AIMD制御 ……加算的な増加、乗算的な減少
    [実測]NewRenoの輻輳ウィンドウサイズの振る舞い ……シミュレーション条件、測定項目の確認から
    シナリオ1の実行&測定結果の保存場所
    シミュレーション実行結果 ……ロングファットパイプにおけるNewRenoの課題を確認
    HighSpeedとScalable ……ロングファットパイプ向け輻輳制御
    HighSpeedとScalableのシミュレーション
    シミュレーション実行結果 ……HighSpeedとScalableの課題を確認
    親和性 ……HighSpeedとScalableの課題[1]
    親和性の課題を確認するシミュレーションの実行
    シミュレーション実行結果 ……アグレッシブ過ぎでNewRenoが追い出される…… 親和性に課題あり
    RTT公平性 ……HighSpeedとScalableの課題[2]
    RTT公平性の課題を確認するシミュレーションの実行
    シミュレーション実行結果 ……RTTが小さいフローが占有…… RTT公平性に課題あり
    5.3 BIC ……広帯域/高遅延環境を前提にしたアルゴリズム
    BICとは
    輻輳ウィンドウサイズを増やす2つのフェーズ ……加算的な増加と二分探索
    BICの輻輳ウィンドウサイズの振る舞い
    BICの課題
    5.4 CUBICの仕組み ……3次関数で複雑な輻輳ウィンドウサイズ制御手法を大幅に簡略化
    CUBICの基本
    ウィンドウ制御アルゴリズムのポイント
    CUBICの輻輳ウィンドウサイズの振る舞い
    シミュレーションで確認する親和性の高さ
    シミュレーションで確認するRTT公平性
    狭帯域低遅延環境への適応性
    CUBICの課題
    5.5 [疑似コードで見る]CUBICのアルゴリズム ……おもな動作と処理内容
    初期化
    ACK受信時の動作
    パケットロス時の動作
    タイムアウト時の動作
    おもな関数と処理
    cubic_update()関数
    cubic_tcp_friendliness()関数
    cubic_reset()関数
    5.6 まとめ
    参考文献



    第6章 BBR ……スループットとRTTをモニタリングして、データ送出量を調節
    6.1 バッファサイズ増加とバッファ遅延増大 ……メモリーの低価格化の影響
    ネットワーク上のバッファサイズ増加
    バッファブロート ……バッファサイズの増加がもたらした「遅延増大」という弊害
    AQMと、REDアルゴリズム
    Loss-based輻輳制御とバッファブロートの関係
    バッファサイズによるCUBICへの影響 ……シミュレーションによる確認
    シミュレーション実行結果 ……バッファサイズの増加に伴って、RTTが顕著に増大
    6.2 Delay-based輻輳制御 ……RTTを指標にするアルゴリズムの基本とVegasの例
    3種類の輻輳制御アルゴリズムと環境に合わせたアルゴリズムの選択
    Delay-based輻輳制御の基本となる考え方 ……RTT増大とキューイング遅延の増大
    Vegasの輻輳ウィンドウサイズの振る舞い
    シミュレーション実行結果 ……RTT、スループットともにバッファサイズに依存しない
    従来のDelay-based制御の課題 ……アグレッシブ性が非常に低く、追い出されやすい
    シミュレーション実行結果 ……Loss-based輻輳制御との共存が難しい
    6.3 BBRの仕組み ……データ
  • 内容紹介

    5G(第5世代移動通信)、IoT(Internet of Things)、自動運転をはじめ、
    ネットワークにまつわるサービスは飛躍的な発展を遂げつつあります。
    通信の高速化、端末の爆発的な増加、クラウドによる遠隔送受信をはじめとした大きな変化のなか、
    通信の信頼性や効率性を担うTCPの存在感が増してきました。

    本書では、TCPの「今」に主眼を置き、
    TCP/IPの基礎からTCPの主要機能、歴史、プロトコル設計、
    最近のLinuxで主要な輻輳制御アルゴリズムCUBIC、新たに登場したBBR、
    そして各種応用技術の最新動向まで平易に解説。

    全体を通して、現在の主流となった無線通信を想定している点も特徴です。
    押さえておきたいツールWiresharkやns-3による解析やシミュレーションの基本も丁寧にカバー。

    広く初学者の方々に向けて具体例を豊富に盛り込み、
    現場で役立つ技術基礎を平易に解き明かしていきます。
  • 著者紹介(「BOOK著者紹介情報」より)(本データはこの書籍が刊行された当時に掲載されていたものです)

    安永 遼真(ヤスナガ リョウマ)
    2011年東京大学工学部卒業、2013年東京大学大学院工学系研究科航空宇宙工学専攻修了、同年日本電信電話株式会社入社、2016年Nokia Bell Labs出向。おもにコンピューターネットワークの数理モデル化に関する研究に従事。2018年より都内マーケティング会社に勤務。現在は機械学習・統計解析を用いたマーケティング技術の研究に従事する

    中山 悠(ナカヤマ ユウ)
    2006年東京大学農学部卒業、2008年東京大学大学院新領域創成科学研究科自然環境学専攻修了、同年日本電信電話株式会社入社。2018年東京大学大学院情報理工学系研究科電子情報学専攻博士課程修了。博士(情報理工学)。現在、東京農工大学工学研究院・准教授。モバイルコンピューティング、低遅延ネットワーク、IoT等の研究に取り組む。平成29年度東京大学大学院情報理工学系研究科長賞等

    丸田 一輝(マルタ カズキ)
    2006年九州大学工学部卒業、2008年九州大学大学院システム情報科学府知能システム学専攻修了、同年日本電信電話株式会社入社。2016年九州大学大学院システム情報科学府情報知能工学専攻博士後期課程修了。博士(工学)。2017年3月より千葉大学大学院工学研究院・助教。無線ネットワークにおける干渉低減技術の研究に従事。2017年度電子情報通信学会論文賞、RCS研究会最優秀貢献賞等
  • 著者について

    安永 遼真、中山 悠 (ヤスナガ リョウマ ナカヤマ ユウ)
    安永 遼真 Yasunaga Ryoma2011年東京大学工学部卒業、2013年東京大学大学院工学系研究科航空宇宙工学専攻修了、同年日本電信電話株式会社入社、2016年Nokia Bell Labs出向。おもにコンピューターネットワークの数理モデル化に関する研究に従事。2018年より都内マーケティング会社に勤務。現在は機械学習・統計解析を用いたマーケティング技術の研究に従事する傍ら、趣味でコンピューターネットワークの研究を続けている。中山 悠 Nakayama Yu2006年東京大学農学部卒業、2008年東京大学大学院新領域創成科学研究科自然環境学専攻修了、同年日本電信電話株式会社入社。2018年東京大学大学院情報理工学系研究科電子情報学専攻博士課程修了。博士(情報理工学)。現在、東京農工大学工学研究院・准教授。モバイルコンピューティング、低遅延ネットワーク、IoT等の研究に取り組む。平成29年度東京大学大学院情報理工学系研究科長賞等。

    丸田 一輝 (マルタ カズキ)
    丸田 一輝 Maruta Kazuki2006年九州大学工学部卒業、2008年九州大学大学院システム情報科学府知能システム学専攻修了、同年日本電信電話株式会社入社。2016年九州大学大学院システム情報科学府情報知能工学専攻博士後期課程修了。博士(工学)。2017年3月より千葉大学大学院工学研究院・助教。無線ネットワークにおける干渉低減技術の研究に従事。2017年度電子情報通信学会論文賞、RCS研究会最優秀貢献賞等。

TCP技術入門―進化を続ける基本プロトコル(WEB+DB PRESS plusシリーズ) の商品スペック

商品仕様
出版社名:技術評論社
著者名:安永 遼真(著)/中山 悠(著)/丸田 一輝(著)
発行年月日:2019/07/19
ISBN-10:429710623X
ISBN-13:9784297106232
判型:A5
対象:専門
発行形態:単行本
内容:電子通信
言語:日本語
ページ数:262ページ
縦:21cm
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