高校情報I ネットワークとパケット—機器の役割と通信の経路を順番に整理する｜武蔵野個別指導塾

バイトをビットにそろえる計算と受信した断片の照合を通じ、転送時間や欠落したパケットの扱いを判断できます。

よくあるのは、通信速度の単位とデータ量の単位をそのまま割ってしまう場面です。例えばバイトで表した資料の大きさを、毎秒何ビットという速度で割ると、単位がそろわないまま答えが出てしまいます。数値を計算機に入れる前に、何を運び、どの単位で数え、どんな条件で届くのかを整理しましょう。授業の範囲表とノートを見て、機器の名称や計算の条件がどこまで指定されているかも照らし合わせてください。

テストでたどる3つの道筋

1つ目は機器と範囲を対応させる問題です。教室内の端末をつないだまとまりと、別のネットワークへ中継する機器を見分けます。線がつながっている絵を見たら、端末から目的の側まで順に指でたどり、どこでネットワークが切り替わるかを説明します。

2つ目は通信の決まりとパケットの問題です。送信する情報を小分けにして運ぶ意味、受信側で元の順序に戻す必要を問われます。途中の経路が異なる場合や一部が届かない場合も、送った順に受け取れると決めつけず、問題に与えられた再送の規則に従って考えます。

3つ目は通信量と時間の計算です。データ部分だけか、パケットごとの付加情報も含むかを区別します。単位をそろえてから割り算し、答えに秒を付けます。速度が一定で待ち時間がないという理想条件の答えは、現実の通信にかかる時間をそのまま保証する値ではありません。

つながりと小分けの関係

LANは、教室や建物など比較的限られた範囲で機器をつなぐネットワークです。ネットワーク同士を接続し、宛先に向かう転送先を判断する機器がルータです。端末同士が直接1本の線で結ばれていなくても、途中の機器を経由して情報を運べます。ルータが資料の本文を作るわけではありません。

図1のように、端末Aから別のLANにある端末Bへの通信は、途中のルータを通ります。ここでは線を経路の例として示しています。実際にどの経路が使われるかは、接続や転送の条件によります。

機器が互いに通信するには、情報の形式や送受信の手順について共通の決まりが必要です。この決まりをプロトコルと呼びます。言葉を知っているだけではなく、双方が対応する決まりに従うから情報をやり取りできる、と説明できるようにします。プロトコルの名称を並べることと、その役割を記述することは別の作業です。

パケット交換では、送るデータを小さな単位に分け、それぞれに宛先などの制御に必要な情報を付けて運びます。分けた単位をパケットと呼びます。複数の通信がネットワークを共有しやすい一方、経路の混雑などによって到着の順番が変わったり、途中で失われたりする場合があります。受信側は必要な情報を使って組み立てますが、欠落への対応は利用する通信の仕組みや問題の条件に依存します。パケットという名前だけから必ず再送されると判断してはいけません。

速度の単位にも注意します。毎秒何ビットという表現は、1秒間に運べるビット数を表します。データ量をビットに直した後、速度で割ると秒が残ります。逆に、時間と速度がわかっていれば、掛け算でその間の量を求められます。式の意味を単位で説明できると、掛け算と割り算の取り違えを防げます。

基本例題：資料を送る時間

あるLANの端末から別のLANの端末へ、ルータを経由して資料を送ります。資料は6000バイトです。1バイトを8ビット、通信速度を毎秒24000ビットとします。資料以外の付加情報、待ち時間、再送を考えず、速度は一定とします。資料全体の送信に必要な理想転送時間を秒で求め、整数で答えてください。

図2のように、まず資料の単位を速度の単位に合わせます。端末とルータを通る絵は経路の理解に役立ちますが、指定の速度を経路上で何回も掛けたり、根拠なく時間を倍にしたりはしません。この問題は指定速度で資料全体を送る単純なモデルです。

1行ずつ、単位とともに進めます。

1. 資料の量は6000バイトです。
2. 1バイトは8ビットなので、6000 × 8で48000ビットです。
3. 1秒に24000ビットを送るので、48000 ÷ 24000で2秒です。
4. 答えを戻すと、2秒間に24000 × 2で48000ビットを送ります。
5. 48000ビットは6000バイトなので、元の資料の量と一致します。

答えは2秒です。バイトとビットをそろえず6000を24000で割ると0.25秒になりますが、これは資料を6000ビットと誤って扱った結果です。数の大小だけで判断せず、割り算の前後に単位を書くと誤りを見つけやすくなります。

この計算は付加情報も待ち時間もない条件に限られます。実際の通信ではパケットの制御情報や混雑などが時間に影響します。問題にそれらの量や待ち時間が与えられなければ勝手に追加せず、理想値と実測値の違いを言葉で区別します。

発展例題：付加情報と欠落を分けて数える

送信するデータは900バイトで、1パケットにつきデータ300バイトずつに分けます。各パケットには20バイトの制御情報が付きます。1バイトは8ビット、速度は毎秒5120ビットで一定です。待ち時間はなく、同じ通信路で各パケットを順に送ります。最初の送信で2番目のパケットが失われ、受信側からの通知により、それを制御情報ごと1回だけ再送して届いたとします。通知の通信量と時間は無視します。送信された総量をバイト、送信に要した時間を秒で、それぞれ整数で求めてください。

まず900 ÷ 300で、元のデータは3パケットです。最初に送る量は、各320バイトのパケット3個で960バイトです。受信できなかった2番目は、データ部分だけでなく制御情報を付けた320バイトを再送します。したがって総量は960 + 320で1280バイトです。

1280 × 8は10240ビット、10240 ÷ 5120は2秒です。検算では毎秒5120ビットに2秒を掛けると10240ビット、すなわち1280バイトに戻ります。資料900バイトに対して、最初の制御情報60バイトと再送320バイトを加えても同じ総量です。

この例では失われたパケットも通信路へ送られたため、総送信量に含めます。受信した資料の大きさ900バイトと、送信された量1280バイトは同じ意味ではありません。欠落があっても再送の条件が示されなければ、回数や総時間を一意には決められません。到着順が変わった場合も、番号などを使って並べ直す条件があれば元の順に組み立てられますが、足りない部分を順序の調整だけで作ることはできません。

通信量を数えるときには、何を数えた値なのかを欄に書いておくと整理できます。この例では「元のデータ」「最初に送った量」「再送分」「総送信量」の4つが異なります。最初の送信で失われた分を総量から引くと、通信路に実際に流した量が不足します。一方、受信側にそろった元のデータを尋ねられた場合は、再送分を重複して資料の大きさに足しません。

条件を少し変え、最初の送信で欠落がなかったと考えると、再送分は0バイトで総量は960バイトです。速度が同じなら、必要な時間は960 × 8 ÷ 5120で1.5秒です。1.5秒に送れる7680ビットは960バイトに戻ります。欠落の有無によって追加の送信量が変わることと、再送の規則が問題に書かれていることを合わせて確認します。通信路が途中で使えなくなった場合などは、与えられた一定速度のモデル自体が適用できるかを考える必要があります。

誤答から単位と条件を直す

基本例題に対して「6000 ÷ 24000で0.25秒」という誤答を考えます。原因は、資料の6000をビット数として扱ったことです。速度は毎秒ビットで表されているので、図3のように資料を48000ビットに直してから割ります。修正後の2秒を速度に掛け、元の6000バイトへ戻るところまで確認します。

別の誤りは「パケットが1個届かなかったが、残りを並べ替えれば元の資料が完成する」という説明です。順番の入れ替わりと欠落を同じ問題として扱ったことが原因です。並べ替えは届いた部分の位置を直します。欠けた部分が必要なら、対応する再送などを問題の条件に従って考えます。再送が与えられていないときは、届かない資料を完成できたと書かず、必要な条件が不足していると答えます。

ルータについて「同じLANの端末そのものがルータである」と書くのも、役割の混同です。端末は情報の送受信に使い、ルータはネットワーク間の転送先を判断します。図の中で機器の位置と役割を別々に記すと、接続先と機器名を取り違えにくくなります。

自分で確かめる4問

以下の通信量の問題では、1バイトを8ビットとし、指定のない付加情報、待ち時間、再送を無視します。速度は一定です。答えを問題の条件に戻し、単位まで確認してください。

問題

1. 1500バイトの記録を毎秒6000ビットで送ります。理想転送時間を整数の秒で求めてください。
2. あるデータを4個のパケットに分け、各パケットはデータ200バイトと制御情報10バイトからなります。欠落も再送もありません。送信された総量を整数のバイトで求めてください。
3. 3個の断片に番号1、2、3を付けて送り、受信側には3、1、2の順に届きました。番号を使って並べ直す仕組みがあるとき、元の順に並べた番号を答えてください。
4. 別の通信では番号1、2、3を送ったものの、受信側には1と3しか届きません。再送や別の復元方法の条件は与えられていません。並べ替えだけで元の3個をそろえられるか、理由とともに答えてください。

答えと解き方

1. 1500 × 8は12000ビットです。12000 ÷ 6000は2なので、答えは2秒です。2秒に送る量は6000 × 2で12000ビット、つまり1500バイトです。単位を戻すと記録の大きさと一致します。
2. 1個は200 + 10で210バイトです。4個では210 × 4で840バイトです。データ800バイトと制御情報40バイトを別々に足しても840バイトになります。データだけの量と総量を区別します。
3. 答えは1、2、3です。受信した3、1、2を番号順に置き直し、各番号が1回ずつあることを確かめます。到着順が違っても、この条件では欠落していないため、並べ直せます。
4. そろえられません。並べ替えても手元にある番号は1と3で、番号2の内容は増えないからです。2を受け取るための再送などが必要ですが、条件がないので、どの方法でいつ届くかは決められません。

問題3と4はどちらも受信順や受信結果を扱いますが、前者は位置の問題、後者は不足の問題です。受け取った番号を列挙してから考えると、見た目の似た2問を区別できます。計算問題では逆算で元の量を再構成し、文章問題では受信側に存在する断片を列挙するという違いも意識してください。

要点を手元に残す

LANは限られた範囲のネットワーク、ルータはネットワーク間の転送を担います。
プロトコルは通信の形式や手順に関する決まりです。
パケットは小分けにして運び、順序の変更や欠落を区別します。
転送時間は量と速度の単位をそろえて求めます。
付加情報や再送を数えるかは問題の条件で決まります。

手が止まる場所を見つける

機器の問題で迷う場合は、図の線を端末から順にたどり、各機器が何と何をつなぐかをノートに書いてみます。パケットの問題では、送信した番号と受信した番号を別の列に並べ、順序の違いと不足をそれぞれ指摘できるかを確かめます。説明が曖昧なら、受信側に実際にある断片を1個ずつ指すと、どこで判断が飛んだか見えてきます。

個別指導で確認するなら、計算結果だけでなく、単位を書いた途中式と逆算の記録を見せてください。誤答が出た行に戻り、バイトをビットに変換したか、制御情報や失われた送信を条件どおり数えたかを一緒に点検できます。経路、断片、単位を順に書き出せば、通信の問題は途中から立て直せます。