コンピュータネットワークエンジニアリング - 百科事典

コンピュータネットワーク工学は、コンピュータネットワークの設計、実装、管理を扱う工学の技術分野です。これらのシステムには、ルーター、スイッチ、ケーブルなどの物理的な構成要素だけでなく、プロトコルやネットワークサービスなどの論理的な要素も含まれています。コンピュータネットワークエンジニアは、データがローカルエリアネットワーク（LAN）および広域ネットワーク（WAN）の両方、そしてインターネットを通じて効率的、安全、信頼性を持って送信されることを確保しようとします。

コンピュータネットワークは、テレコミュニケーションからクラウドコンピューティングまで、さまざまな現代産業において重要な役割を果たし、メールやファイル共有、ビデオ会議やオンラインゲームなどの複雑なリアルタイムサービスを可能にしています。

背景
ネットワーク工学の進化は、通信方法に大きな影響を与えた重要なマイルストーンで示されています。これらのマイルストーンは特に、現代ネットワークに不可欠な通信プロトコルの開発における進歩を強調しています。この分野は1960年代にARPANETなどのプロジェクトで始まり、信頼性の高いデータ送信における重要な進歩を促進しました。TCP/IPなどのプロトコルの登場は、異なるシステム間の互換性を可能にし、インターネットの急速な成長を後押ししました。主要な進展としては、プロトコルの標準化や、ますます複雑なレイヤードアーキテクチャへの移行が挙げられます。これらの進歩は、デバイスがグローバルネットワークを介して相互に作用する方法を根本的に変えました。

ネットワークインフラ設計
コンピュータネットワーク工学の基盤は、ネットワークインフラの設計にあります。これは、ネットワークの物理的なレイアウトと論理的なトポロジーを計画し、データの最適なフロー、信頼性、拡張性を確保することを意味します。

= 物理的なインフラ =
物理的なインフラは、データを送信するために使用されるハードウェアで構成されており、OSIモデルの最初のレベルを表しています。

ケーブル
銅ケーブル（ツイストペア上のエタernet）は、特にローカルエリアネットワーク（LAN）での短距離接続に常用されています。一方、光ファイバーは高速な伝送能力と低い干渉に対する耐性のために、長距離通信に好まれています。光ファイバーは、データセンターやインターネットサービスプロバイダ（ISP）インフラのバックボーンとしての大規模ネットワークにおいて重要な役割を果たします。

ウィルスネットワーク
有線接続に加えて、無線ネットワークも物理的なインフラの一般的な構成要素となりました。これらのネットワークは物理的なケーブルを使用せずにデバイス間の通信を可能にし、柔軟性とモビリティを提供します。無線技術は、ラジオ周波数（RF）波、赤外線信号、レーザーに基づく通信などのさまざまな伝送方法を使用します。これにより、デバイスがネットワークに接続できます。Wi-FiはIEEE 802.11標準に基づいており、デバイスとアクセスポイント間のデータ送信にRF波を使用します。無線ネットワークは、2.4 GHzおよび5 GHzなどのさまざまな周波数帯域で動作し、各々が独自の範囲とデータ速度を提供します。2.4 GHz帯域は広範なカバー範囲を提供し、5 GHz帯域は干渉を低減しつつ高速なデータ速度をサポートします。これらの無線技術は、ローカルおよび広域のさまざまな接続ニーズに対応するネットワークを可能にします。

ネットワークデバイス
ルーターとスイッチはデータトラフィックを誘導し、ネットワークセキュリティを維持する助けになります。ネットワークエンジニアはこれらのデバイスを構成し、トラフィックフローを最適化し、ネットワーク混雑を防ぎます。無線ネットワークでは、無線アクセスポイント（WAP）がデバイスがネットワークに接続するために使用されます。カバー範囲を拡張するために、複数のアクセスポイントを配置して無線インフラを構築できます。Wi-Fiに加えて、セルラーネットワークの基局や中継器などのセルラーネットワークコンポーネントも、広域ネットワークでの接続をサポートします。ネットワークコントローラーやファイアウォールはトラフィックとセキュリティポリシーを管理し、実行します。これらのデバイスは、ローカルおよび広域の両方に対応するセキュア、柔軟、拡張可能なネットワークアーキテクチャを可能にします。

= 論理的なトポロジー =

物理的なインフラの他に、ネットワークは論理的に構成される必要があります。これは、デバイス間のデータルーティング方法を定義します。ネットワークの要件に応じて、スター、メッシュ、階層的な設計などのさまざまなトポロジーが採用されます。例えば、スタートポロジーでは、すべてのデバイスがトラフィックを誘導する中央のハブに接続されています。この構成は管理やトラブルシューティングが比較的簡単ですが、単一の故障ポイントを作り出す可能性があります。対照的に、メッシュトポロジーでは、各デバイスが複数の他のデバイスと相互に接続されており、高い冗長性と信頼性を提供しますが、より複雑な設計と大きなハードウェア投資が必要です。特に企業の大規模ネットワークでは、スケーラビリティとパフォーマンスを向上させるために、コア、分布、アクセスレイヤーにネットワークを分割する階層モデルがよく使用されます。

ネットワークプロトコルと通信標準
通信プロトコルは、ネットワーク内のデータが送信、ルーティング、配達される方法を定義します。特定のネットワークの目標に応じて、ネットワークが効率的かつ安全に機能するようにプロトコルが選択されます。

ネットワークセキュリティ
ネットワークがビジネス運営や個人通信において不可欠な役割を果たすようになったため、堅牢なセキュリティ対策の需要が増えました。ネットワークセキュリティはコンピュータネットワーク工学の重要な要素であり、ネットワークに対する未許可のアクセス、データ漏洩、さまざまなサイバー脅威に対する保護に集中しています。エンジニアは、ネットワークを介して送信されるデータの完全性と機密性を確保するセキュリティ対策を設計および実装する責任があります。

ネットワークパフォーマンスと最適化
現代のネットワークが複雑さとスケールを増し、クラウドコンピューティング、高解像度のビデオストリーミング、分散システムなどのデータ密集型アプリケーションによって推進される中、ネットワークパフォーマンスの最適化はネットワークエンジニアの重要な責任となりました。ネットワークパフォーマンスと最適化ツールは、スケーラビリティ、復元性、効率的なリソース使用を最適化し、性能への負の影響を最小限に抑えることを目指します。

クラウドコンピューティング工学
クラウドコンピューティングの登場は、ネットワーク工学の新しいパラダイムを導入し、仮想化インフラの設計と最適化に焦点を当てました。ネットワークエンジニアは、拡張性、信頼性、セキュリティを向上させるために、オンプレミスシステムとクラウドサービスの統合を管理します。

新興トレンド
ネットワーク工学は、技術の進歩と新しい接続ニーズに応じて急速に進化しています。一つのトレンドは、人工知能（AI）と機械学習（ML）のネットワーク管理への統合です。AI搭載ツールは、ネットワーク自動化と最適化、予測解析、高度な障害検出に使用され、ますます増えています。AIはサイバーセキュリティにおいても役割を拡大し、ネットワーク動作のパターンを分析することで脅威を特定および軽減します。

IoT
インターネットのモノのインターネット（IoT）は、このレビューペーパーで中心的なテーマです。これは、インターネットと物理世界を接続する際に直面するさまざまな課題を解決する包括的なフレームワークを提供します。現在、インターネットは日常生活において重要な役割を果たし、人々の体験を大幅に変革しています。この技術的進歩の鍵となる要素の一つは、通信システムにさまざまな技術の統合です。IoTの最も重要なアプリケーションの1つは、スマートオブジェクトの特定と追跡です。無線センシングネットワーク（WSN）は、普遍的なセンシングメカニズムを提供し、現代生活の多くの面に影響を与えています。これらのデバイスが通信と応答的なネットワーク内で成長する中で、最終的にはインターネットのモノのインターネットが形成されます。この文脈では、センサーやアクチュエータが周囲の環境とシームレスに相互作用し、さまざまなプラットフォーム間での情報共有を促進して、共通の作業画像（COP）を開発します。IoTは、高度な情報と無線通信技術を通じてデジタルと物理の領域が相互に接続された未来を想定しています。この調査では、インターネットのモノのインターネット（IoT）のビジョン、概念、技術、課題、革新的な方向性、およびアプリケーションを概説しています。

参考文献