パケット交換と通信の流れ

学習目標

本講を終えると、以下の問いに答えられるようになります。

• 「パケット」とは何か、身近なたとえで説明できる
• 「回線交換」と「パケット交換」のちがいを、利点と欠点もあわせて言える
• 送信側のPCから、ルータを経由して受信側のサーバまで、データがどう届くかをおおまかに描ける
• パケットが 消える(ロス) ・ 順番が入れ替わる ことは珍しくないと知っている
• なぜインターネットがパケット交換を選んだのか、3つの理由を挙げられる

このレッスンの目次

パケットとは何か

身近なたとえ:引っ越しと荷物

大きな家具を1つのトラックに丸ごと積んで運ぶことを想像してみましょう。大きすぎてエレベータに入らず、玄関も通れず、ぶつけたら全部おしまい…。でも、家具をいくつかの段ボール箱に 分けて 入れ、それぞれに 「〇〇さん 新居3階」 と 送り先のラベル を貼って送ったらどうでしょう。1箱ずつ運べば取り回しがきき、もし1箱なくしても残りは無事。これがパケット交換の基本イメージです。

1 元データ

2 分割

3 パケット化

4 1個の中身

5 並べ直し

図の見方:1枚の大きな画像のようなサイズの大きいデータは、扱いやすい大きさに切り分けられる。図では番号を強調しているが、実際のパケットには 宛先などの管理情報 も付く。受信側は番号などを手がかりに元の順番へ並べ直し、1枚の画像データとして復元する。

考えてみよう:

バケツに大きな石だけを詰めると、同じ重さを運ぶバケツの数は少なくて済むが、石と石の間にすき間が多く残る。一方、砂のように粒が小さいとすき間は埋めやすいが、同じ重さを運ぼうとすると、たくさんのバケツに分けて管理することになる。データも同じで、大きすぎると回線の空きを使いにくく、小さすぎると管理が増える。大切なのは 「ほどよい大きさに分ける」 ことだ。

回線交換とパケット交換

回線交換とは

通信を始める前に、送信者と受信者の間に 専用の通り道(回線) を1本つなぎ、通話が終わるまで ずっと占有 します。昔の電話交換手が、まさに手作業で線を差し替えてつないでいた仕組みの延長です。

パケット交換とは

事前に通り道を予約せず、送りたいデータを 小さなパケット に分けて、宛先ラベルを貼って その都度 送り出します。途中の道は みんなで共有 し、空いた瞬間に各パケットが順番に通り抜けていきます。インターネットはこの方式です。

2方式を並べて比較

考えてみよう: 高速道路に「自分専用レーン」をずっと確保するのと、「みんなで車線を共有しながら、すいた瞬間に進む」のとでは、後者のほうが多くの人を運べそうですね。インターネットも同じ発想で道(線) を使っています。

通信の流れ:パケットの旅

図の見方:同じ宛先のパケットでも、ネットワークの混み具合に応じて 違う経路 を通りえます。途中のルータは「自分の担当範囲で次にどこへ転送するか」だけを決め、順番の整理は受信側がやる という分担になっています。

登場人物の役割をおさらい

図の見方:3つのパケットが、ルータごとに 一旦保存され、宛先ラベルを読まれ、次の道へ送り出される(蓄積交換)を繰り返しながら受信側へ届いていきます。再生ボタンで動かしたり止めたりできます。

考えてみよう: 1つの宛先に同じ日に3通の手紙を送ったとき、それぞれ別の郵便局を経由して、到着する日がバラバラになることがありますね。インターネットも、近いことが起きていると考えるとイメージしやすいです。

ロスと順序の乱れ:消える・入れ替わる

なぜパケットロスは起きるの?

ルータには「順番待ちの行列(バッファ)」のような置き場があり、ここに到着したパケットを一時的にためておきます。ところが動画視聴や大きなダウンロードなどが重なって行列が 満杯 になると、新しく来たパケットは あふれて捨てられて しまいます。これがいわゆる パケットロス です。

消えても大丈夫?

そこで活躍するのが 「届かなかったら送り直す」 仕組みです。受信側は到着したパケットの番号を見て、「② が抜けてるよ」 と気づくことができます。すると送信側に「② をもう1回送って!」と頼み、再送が行われます。これを繰り返すことで、多少消えてもメッセージ全体としては届く のです。

回線が混むとどう見える?: 動画を見ているときに ぐるぐる(読み込み中) が出るのは、まさにパケットが行列で待たされていたり、ロスしたパケットの再送が起きていたりするサイン。パケットの遅れやロスは、実際の通信ではかなり身近な現象です。

なぜインターネットはパケット交換を選んだのか

でも、サービスとしては大丈夫?

パケット交換は線をみんなで効率よく共有できる便利な仕組みですが、第4回(ロスと順序の乱れ) で見たように 途中でパケットが消える(ロス) ことや 順番が入れ替わる ことがあります。これを身近な「郵便」にたとえてみると、どうでしょうか。

「配達中に消えることがある。もう一度送ってくれるかは保証されていない」── そんな郵便会社、ふつうは使いたくないですよね。じつは パケット交換そのもの は、まさにこういう「届くこともあるし、届かないこともある」だけのサービスです。これを ベストエフォート(できる範囲でがんばる) 型のサービスといいます。

では、なぜインターネットがちゃんと使えるサービスに見えるのか? それは、ベストエフォートなパケット交換の 上に 、TCP のような 「届かなかったら再送する係」 や 「順番に並べ直す係」 を組み合わせて、最終的に「ちゃんと届く」ように見せているからです。役割分担で支え合う仕組みですね(詳しくは 第3回 以降)。

つながる知識: 次の 第3回 では、ここで出てきた「宛先ラベル」 や「順番情報」 が、実は 層ごとに役割分担された仕組み として整理されていることを学びます。今回学んだイメージが、そこできれいに位置づけられますよ。

まとめと用語チェック

用語チェック

確認問題