インターネットコミュニケーション 第二回

インターネットコミュニケーション第二回重近　範行

今日のテーマ 音声・画像・動画の種類

デジタル音声・画像・動画の仕組み・種類 Firewall/NAT

Firewall と NAT Peer to Peer

Firewall/NAT を越える

実習 :Peer to Peer アプリケーション Skype / VoIP(IP 電話 ) Net meeting/Polycom

デジタル音声・画像・動画の仕組み

デジタル化の手順サンプリング

量子化符号化

アナログ情報

デジタル情報

数値PCM 符号

音声のデジタル化を例に

サンプリングと量子化

5 3 2 1 0 1 3 5 7 10 11 8 10 13 9 3 0 1 6 10 10 7 7 9 11 10 7 6 8 10 11 12 12 9

サンプリング ( 標本化 )

時間軸 t

サンプリング ( 標本化 )

時間軸

サンプリング ( 標本化 )

量子化変化量

0

5

1 1 0 0 2 3 3 3 4 1 1 3 3 2 3 3 2 3 4 4 2

サンプリング周波数の例 一般電話

11KHz 8bit ラジオ

22KHz 8bit VoIP(G.711)

8KHz 8bit CD

44.1KHz 16bit

Hz = 1 秒間の振幅数を表す単位bit = 2 種類を識別できる情報量の単位

単位

デジタルカメラの有効画素数 メガピクセル

mega pixel

解像度による違い

4x3 (12 pixel)

20x15 (300 pixel)

40x30 (1200 pixel)

80x60 (4800 pixel)

160x120 (19200 pixel)

320x240 (76800 pixel)

640x480 (307200 pixel)

デジタル画像と動画の基本 画像（一枚の絵）

サンプリング 碁盤の目

白黒ドット絵 深さ

ドット絵の色を示す

動画 パラパラ漫画 1 枚ずつの画像をフレームと言う

Height

Width

Depth( 色 )

品質の指標 画像の品質

解像度 ( 碁盤の目の数・画像の細かさ ) 横 × 縦色数（ 1 マス毎の色階調 ) 8/16/24/32bit color

動画の品質画像の品質は当然関係するフレームレート Frame Per Sec(FPS)

1 秒間に何枚の絵を入れ替えるか 動きの細かさ

FPS (Frame Per Second)

1 秒間に表示される画像の数映画 24fpsテレビ 29.97fps

1sec

滑らか

粗い

符号化 数値をある一定の規則に基づいて符号に

変換すること 例：文字列の符号化

日本語の符号化方式EUC-JP ISO-2022-JP(JIS)Shift_JIS

0x41 0x61ASCII コード表

いろいろな符号化半音上げる 00

半音下げる 01

元の音に戻す 10

全音上げる 11

再生 00停止 01一時停止 10ミュート 11

警察署 000消防署 001保健所 010郵便局 011病院 100神社 101寺 110高校 111

楽譜地図

音楽プレーヤー

※ 実際にこの数値が使われているわけではないです

圧縮符号化データ圧縮のしくみ（ 2）ハフマン法 出現頻度の高い要素に短いコードを、出現頻度の低い要素に長いコードを対応させることで圧縮

The Mississippi is the longest river in the United States.テキストデータ

圧縮前のデータ量： 57 文字 × 8 ビット = 456ビット左表の対応コードを使って各文字を置き換えた時のデータ量： 248ビット

出展 情報機器と情報社会のしくみ素材集

非圧縮フォーマット サンプリングしたままの画像の紙芝居

ビットマップ画像データ量 = 解像度 × 色数 × フレーム数

データ量が多い 扱いが簡単

圧縮と伸張 可逆圧縮 ( 圧縮率低 )

圧縮前と同じデータに伸張 ( 復元 ) できる画像だと非圧縮ビットマップに戻せる

不可逆圧縮 ( 圧縮率高 )圧縮前のデータに戻せない圧縮率は高い

不可逆圧縮 人間の目には分からない部分をごまかす

減色（似ている色は同じ色に ) する

圧縮前のデータに戻せない解像度を落とす (4 マスを 1 マスにしてみたり )

フレーム間圧縮フォーマット 動画の変化しない部分に着目

画像の差分で動画が作れる 背景のデータは前と同じだから不要

前後のフレームから動きを予測する口元の動きだけを計算

Encode の際の遅延が高め

1 2 3 4 5

単体で画像になる単体で画像にならない前後の差分から予測・生成される画像

ここはまったく動かない

フレーム内圧縮フォーマット( フレーム間非圧縮フォーマット ) 動画のすべてのフレームが複合可能

高速紙芝居 動きが多い時に強い

画面全体の絵が頻繁に変わる Encode の際の遅延は低め

1 2 3 4 5

単体で 1 枚の画像になる

代表的な規格 フレーム間圧縮フォーマット

MPEG-(1,2,4)前回使った Windows Media Video

MPEG-4ベース フレーム内圧縮フォーマット

DVMotion JPEG(2000)

メリット・デメリット フレーム間圧縮フォーマット

データ量が少ない (転送にも有利 )規格が多い (モバイル通信端末用やDVD用など )激しい動きがぎこちない (予測を使うから ) CPU の計算量が多い

フレーム内圧縮フォーマット激しい動きも滑らか編集や VCR制御 (早送りとか ) に有利 CPU計算量が少ない データ量が多い

品質とデータ ( 音楽 )

アルバム 1 枚分 (74 分 ) の音楽の場合 音楽 CD

1.17Mbps 　 x 74min 650MByte≒1.17Mbit/ 秒 x (74 x 60 秒 )= 5194.8Mbit = 649.35Mbyte

MP3(CD 品質 ) 192Kbps x 74min(74 x 60) 106MByte≒

一般電話 64kbps x 74min(74 x 60) 35MByte≒

品質とデータ量 ( 映像 )

二時間の映画 (SD 品質 ) の場合 非圧縮

( 解像度 )x( 色 )x(1 秒当たりの画像数 ) x ( 時間 ) (720×480)×(24bit)×(30fps)×(2hour) 223GByte≒

MPEG2(DVD用 ) 9.8Mbps × 2hour(2x60x60) 8.82GByte ≒

DV 25Mbps x 2hour(2x60x60) 18GByte≒

格納メディアとデータ量 DVD

通常 : 4.7GByte片面二層メディア : 9.4GByte(4.7x2)MPEG2(DVD用 ) 二時間の映画が入る

CD650MByte – 700MByte音楽 CD アルバム 1 枚 (74 分程度 ) が収まる

実習その 1Netmeeting と Polycom授業の Webページへ

NetMeeting の起動方法

ちょっと復習

あて先の指定 ドメイン名を使う方法

shonan.sfc.wide.ad.jpmail.sfc.keio.ac.jpwww.asahi.com

IP アドレスを使う方法203.178.128.150133.27.4.200

インターネットと IP アドレス IP アドレス

インターネット上における識別子 電話の世界での電話番号みたいなものあるコンピュータを識別する世界で唯一の数字

数字で表現される 133.27.4.127 とか 3桁 (0-255) までの数字の羅列 4 つで表現

IP アドレスと DNS 友達の携帯電話番号覚えてる？

電話帳の名前から番号を調べる IP アドレス ( 数字 ) を覚えるられる？？

数字の羅列を覚えるのは大変 IP アドレスはコンピュータにやさしい

人間は名前の方が覚えやすい IP アドレスの代わりに名前をつけよう“133.27.4.127” は“ web.sfc.keio.ac.jp” と名付けると、人間に

優しくて覚えやすい

ドメイン名名前の付け方のルール

“ドット”で意味の区切りがある階層構造がとられている

後ろから順番に読んでいく

web と言う名前のコンピュータ 慶応の 日本の

SFC にある 大学でweb . sfc . keio . ac . jp

サーバ・クライアントモデルサーバ

・・・・・・

情報の保持

クライアント

2. リクエストの送信3. 情報の配信

1. 情報のアップロード

ピュア P2P Gnutella, Winny など

ファイル転送ファイル検索

情報の保持

情報の保持情報の保持

情報の保持

各通信モデルの利点・欠点 サーバ・クライアントモデル

常に同じコンピュータに接続すればよいアクセスが集中するとサーバは大変

P2Pモデルアクセスの分散各コンピュータの住所を各々が知っている必要がある

これを解決しているのがハイブリッド P2P

Firewall / NAT

サービス電話の場合を考えると・・・

サービス要求側

サービス提供側

天気が知りたい

時刻が知りたい

お店の電話番号が知りたい

177

117

104

関東地方の天気を教えて関東は晴れです日本の現在時刻教えて

日本は現在 10 時 20 分です○○の番号教えて○○○-○○○ です

サービスの種類 番号 情報のやり取り（約束事）

・特定の番号にかけると、求める情報が適切に　返ってくる（約束事が決まっている）

コンピュータ通信と電話サービス177

時間を知りたい現在の日本時間を教えて

現在の日本時間は 10:20

ntp.sfc.keio.ac.jp

時間がわかるサービスPort番号 123

177

ntp.sfc.keio.ac.jp

現在の日本時間を教えて

現在の日本時間は 10:20

Network Time Protocol

プロトコルとは？ コンピュータ同士が通信を行う上で、相互に決められた約束ごと

例 HTTP (Hyper Text Transport Protocol)

Web を見るとき FTP (File Transfer Protocol)

ファイルを転送するとき SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)

メールを送るとき

コンピュータ通信で必要なことお互いの場所を知る

ホスト名＝ IP アドレスどのサービスのやり取りかを識別

ポート番号 http 　８０番　（ Web を見るとき） ftp ２１番　（ファイルと転送したいとき） smtp 25番　（メールを送りたいとき）

firewall というもの パケットフィルタリング

送られてくるパケットを調べ、ルールから外れていたら破棄ルールは様々な定義が出来る

ポート番号 ( アプリケーション )宛先・送り元の　 IP Address 　 (≒ ドメイン )

いろいろなレベルでフィルタできるため、簡易なものから高機能なものまで

firewall (1/2)意図しないパケットを遮断する フィルタするルールは様々

IP アドレスポート番号

宛先133.27.6.1438488ポート

133.27.6.143

許可するポート番号2580

443

firewall (2/2)

フィルタする場所は様々ネットワークの出入り口手元の PC

自分がどのようなネットワークを使っているのか把握しておこう

「このネットワークはオレが守る！」80番以外は通さない

「特定のアプリケーション以外が通信することは許さない！」

グローバル IP アドレスプライベート IP アドレス （グローバル） IP アドレス

世界で一意のコンピュータを示す識別子外線電話番号みたいなもの

プライベート IP アドレス特定ネットワーク内で、コンピュータを示す識別子

家の中だけとか、会社の中だけとか他のネットワークから識別不可能内線電話番号みたいなもの

内線・外線電話番号

03-3333-4444 03-3333-5555

100

101

102

03-3333-5555からの電話だ

03-3333-4444に電話しよう

03-3333-5555の内線 100へ転送するとか工夫が必要

NAT(Network Address Transration) プライベート IP アドレスをグローバル IPアドレスに変換 外と内を繋ぐ

内線と外線の出入り口NAT

A B D

InternetA から Dへ C から Dへ

D から CへD から Aへ C

Private Network

直接 A と D は通信できないNAT で内線・外線のアドレスを覚えておいて変換するD から見ると C と通信してるように見えている

NAT のメリット グローバル IP アドレスの節約が可能

一つのグローバルアドレスを使って、複数のノードが外部と通信できる アクセス制御・匿名性

外部から内部ネットワークが隠蔽される 擬似的な匿名性を確保できる

NAPTの内側Internet

NAT-Box133.27.24.254:2932133.27.24.254:2949

NATによって隠蔽され、外から見えない

192.168.0.5:2911192.168.0.4:2181

NAT のデメリット プロトコルによっては NAT/NAPT を通過でき

ない 例 :FTP,H.323 系の VoIP,NetMeeting アドレス変換時に、アプリケーションデータも書

き換える必要 外部アクセスを受けるアプリケーションが利

用しにくい 外部からも接続が行われるアプリケーション

例 : ネットワークゲーム ,P2P 複数の動的なセッションを利用するアプリケー

ション 例 :FTP, NetMeeting

NAT/Firewall を超えて

ハイブリッド P2P Napster, WinMX など

1. ログイン＆ファイルリスト送信

2. ファイル検索

3. ファイル転送

情報の保持

情報の保持

情報の保持

ユーザリストファイルリスト

Messenger の仕組み

•サインインしたよ

•ファイルの転送

•セッションの開始•コンタクトリスト

サインイン時の通信ファイルの送受信

サーバーメッセージの送受信

•メッセージ

実習Peer to Peer アプリケーション

スーパーノード型 P2P KaZaA, Skype など

スーパーノードクラスター

情報の保持

情報の保持 情報の保持

1. ファイル検索要求

2. ファイル検索

3. ファイル転送

P2P 　 IP 電話　“ Skype”

Skype の技術的特長 VoIP と P2P の融合

P2P 　話し相手を見つけ出し、接続を維持する VoIP 　通話手順（通話プロトコル）を決める

P2P(Peer to Peer) 不特定多数の個人間で直接情報のやり取りを行なうイ

ンターネットの利用形態 VoIP （ Voice over Internet Protocol ）

TCP/IP をネットワークで音声データを送受信する技術

Skype の場合

ノード NAT やファイアウォールによって内向きの接続ができないこと

もある スーパーノードへ接続することで P2P ネットワークへ接続する

スーパーノード ( リレーノード ) スパーノード同士で通信し、ユーザー情報を同期する P2P ネットワークトポロジーの形成 Firewall/NAT でノード同士の直接通信ができない場合の中継役

中継 NMS （ Network Management Server ）

唯一、 Skype(Skype を作ってる団体 ) が管理する スーパーノードの紹介 ネットワークの最適化・ネットワークの品質管理

Skype 通話の仕組み

A B

スーパーノードの条件•グローバル IP アドレス•マシン性能が良い•回線速度が速い•Skype 起動時間が長い、など

1 、 B の IP アドレス問い合わせ2 、 B のスーパーノードが IP アドレスを返信

3 、通話の開始

NAT / Firewall 対策（１）片方がプライベートアドレスもう片方がグローバルアドレスの場合

グローバルアドレスプライベートアドレス 1.定期的にパケットを送信

2.相互に通話

UDP Hole Punching内側から通信を開始することによってポートを利用可能に

NAT / Firewall 対策（２）両方ともプライベートアドレスの場合

A B1 、パケット送信 2 、 A のポート番号通知プライベートアドレス プライベートアドレス

4 、 B のポート番号通知 3 、パケット送信

5 、相互に通信

NAT / Firewall 対策（３）両方が Firewall等により直接通信できない場合

スーパーノードがリレー

今日のまとめ 映像・音声の品質

データ量と品質 インターネット上の障壁

NAT/Firewall NAT/Firewall を超えて

P2P アプリケーションの工夫