2020-09-19

PCについて

初めに

　普段使用しているPCの中身がどのようになっているのか知りたいと思い、簡単にまとめてみました。

PCの中身

　PCは、主に「HDD」、「SSD」、「CPU」、「SATAケーブル」、「ビデオカード」、「マザーボード」、「メインメモリ」、「BIOS」により構成されている。

HDD (Hard Disk Drive / 補助記憶装置)について

　HDDは、たくさんのデータを保存することができ、更に価格が安い。

メモリだけでは、電源が切れた時などにデータが消えてしまうので補助記憶装置や外部記憶装置と呼ばれるHDDやSSDが必要とされる。

SSD (Solid State Drive / 補助記憶装置)について

　SSDは、データのアクセスが早い

※SSDとHDDは、データの読み取り速度はほぼ同じだが、データがある目的地までに掛かる速さがSSDの方が早い。

CPU (Central Processing Unit / 中央処理装置)について

　CPUは、「ALU (Arithmetric Logic Unit / 算術論理演算装置)」、「レジスタ(記憶装置)」、「制御ユニット」から構成されており、PCの頭脳の役割を持ち、ほとんどの計算はCPUが行っている。（人間の脳みそようなもの）

ビデオカードについて

　ビデオカードは、「ジオメトリエンジン」、「物理エンジン」、「シェーダー」などの部品から構成されており、PCが処理した結果を画像としてディスプレイに表示する役割を持つ

マザーボードについて

　マザーボードは、さまざまなデバイスのソケット、コネクタ、スロットを装備しており、マザーボード内の回路を通してデバイス間の情報交換を行う。

※主なコネクタには、「メモリスロット」、「電源コネクタ」、「バッテリ」、「BIOS」、「SATAコネクタ」、「CPUソケット」、「ポート」、「イーサネットポート」、「USB」などが挙げられる。

SATAケーブルについて

　SATAケーブルは、HDDとマザーボードを接続する役割を持つ

※SATA：HDDで使用されている「ATA (AT Attachment)」という規格を１ビットずつ伝送する方法であるシリアル化をしたもので、「SATA (Serial AT Attachment)」と呼ばれる。

メインメモリ（主記憶装置）について

　メインメモリは、プログラムやデータが処理される時の一時的な保存場所である。

BIOS（Basic Input Output System）について

　BIOSは、PCに電源が入った時に起動される最初のプログラムであり、「HDD」、「CPU」、「メモリ」の種類の確認と設定を行うソフトウェア

参考文献

OS自作入門　川合秀美著
作って理解するOS　林高勲著　川合秀美監修
コンピューター＆テクノロジー解体新書　ロン・ホワイト著　ティモシー・エドワード・ダウンズ(イラスト)　トップスタジオ訳
なるほどナットク！サーバがわかる本　小関祐明著　小野哲監修
絵で見てわかるOS/ストレージ/ネットワーク　小田圭二著
Cプログラミング入門以前第２版　村山公保著

2020-09-17

パケットキャプチャをしよう ④ (UDP)

初めに

　今回は、TCPと同じトランスポート層で動作しているUDPを解析しようと思いました。

UDP (User Datagram Protocol)

f:id:OyogenaiTaiyak1:20201001173911p:plain — 図　UDP

　UDPは、「送信元ポート番号」、「宛先ポート番号」、「UDPデータグラム長」、「チェックサム」から構成されている。

Source Port（送信元ポート番号）について

　送信元ポート番号は16ビットで構成されており、送信元のポート番号を示す。

送信元のポート番号は、プロトコルに対しての返答が不必要な時に、値を「０」にすることができる。

　図では、「Source Port : 60000台の数値」と表示されていたので、Dynamic and/or Private PortsをOSがランダムに選んだ値が入っていることがわかる。

Destination Ports (宛先ポート番号)について

　宛先ポート番号は16ビットで構成されており、宛先のポート番号を示す。

　図では、「Destination Port : 400番台」と表示されていたので、System PortのHTTPSを使用していることがわかる。

Length（パケット長）について

　パケット長は16ビットで構成されており、UDPのヘッダとデータの長さを足した値が示される。

　図では、「Length : 41」と表示されている。数値の単位はオクテットである。

※オクテットとは、８ビットのことである。１オクテット＝８ビット

Checksum (チェックサム)について

　チェックサムは16ビットで構成されており、UDPのヘッダやデータが壊れていないかを示す。

最後に

　UDPは、TCPよりも構成要素が少なく、この構成要素の差が動作の速さや、通信の信頼性に関わるのかなと思いました。

参考文献

マスタリングTCP/IP 入門編　第5版　竹下隆史・村山公保・荒井　透・苅田幸雄共著
マスタリングTCP/IP 応用編　Philip Miller著　苅田幸雄監訳
パケットキャプチャの教科書　みやたひろし著

2020-09-14

パケットキャプチャをしよう ③ (TCP)

Wireshark

前回まで

　①データリンク層、②ネットワーク層と解析してきたので、この回ではトランスポート層のTCPを解析していきます。

TCP（Transmission Control Protocol）

f:id:OyogenaiTaiyak1:20200917151801p:plain — 図　TCP

　TCPは、「送信元ポート番号」、「宛先ポート番号」、「シーケンス番号」、「確認応答番号」、「データオフセット」、「予約」、「コントロールフラグ」、「ウィンドウサイズ」、「チェックサム」、「緊急ポインタ」、「オプション」、「パディング」により構成されている。

Source Port（送信元ポート番号）について

　送信元ポートは16ビットで構成されており、送信元のポート番号を示す。

ポート番号は大きく３つに分けられており、

System Ports： 0 ~ 1023
User Ports　：1024 ~ 49151
Dynamic and Private Ports：49152 ~ 65535

となっている。（より詳細なポート番号は省きます。）

　図では、「Source Port : 443」と表されているので、送信元ポート番号は、System Ports内の443番を使用していることがわかる。

また、System Portsの443番はHTTPSを表しているので、HTTPSを使用していることがわかる。

Distination Port（宛先ポート番号）について

　宛先ポート番号は16ビットで構成されており、宛先のポート番号を示す。

　図では、「Destination Port : 50000台の値」と表されていたので、Dynamic and Private Portsを使用していることがわかる。

Sequence Number（シーケンス番号）について

　シーケンス番号は32ビットで構成されており、TCPのセグメントを分裂させて送信している時に、分裂したデータを元に戻す時に使用する。

シーケンス番号は、「０」や「１」のような定まった数値ではなく、OSがランダムに決めた値をシーケンス番号として与えている。

　図では、「Sequence number : 328272」と表されている。

Aknowledgment number（応答確認番号）について

　応答確認番号は32ビットで構成されており、TCPのセグメントが分裂して送られてきたと時に、次に送信してもらいたいセグメントの番号を示す。

※応答確認番号は、ACKフラグが「１」の時のみ有効となる。

　図では、「Aknowledgment number : 157708」となっており、シーケンス番号と比較するとかなり数値が違いますが、今のところ理由はわかりません。（わかり次第更新します）

Header Length（データオフセット）について

　データオフセットは4ビットで構成されており、TCPのヘッダの長さを示す。

※ネットワーク層のIPv4のHeader Lengthと同じ動きをする。

　図では、「0101 . . . . = Header Length : 20 bytes (5) 」と表されており、TCPのヘッダが20バイトということがわかる。

Flags（コントロールフラグ）について

　コントロールフラグは現在使用されていない予約のビットを含めると12ビットで構成されており、意味が設定されているビットに「１」が入ると、意味に沿った機能が動く。

Reserved：将来使用するための拡張用ビット
Nonce：実験用のビット
Congestion Window Reduced(CWR)：TCPのふくそう通知に使用される
ECN-Echo：CWRと同様にTCPのふくそう通知に使用される。
Urgent：緊急に処理したいデータが含まれている時に使用される。
Acknowledgment：確認応答番号が有効の時に使用される。
Push：受信したデータをアプリケーションに渡すときに使用される。
Reset：TCPコネクションを強制的に切りたい時に使用される。
Syn：TCPコネクションを確立したい時に使用される。
FIN：TCPコネクションを切りたい時に使用される。

　図では、「Acknoeledgment」のビットのみが「１」となっているので、確認応答を返していることがわかる。

Window size（ウィンドウサイズ）について

　ウィンドウサイズは16ビットで構成されており、受信側のPCやサーバーが受け取れるデータの大きさを示す。

Checksum（チェックサム）について

　チェックサムは16ビットで構成されており、TCPが壊れていないかや、欠損部分が無いか等を調べるために使用される。

Urgent pointer（緊急ポインタ）について

　緊急ポインタは16ビットで構成されており、コントロールフラグのUrgentが「１」の時のみ有効となる。

緊急で処理を行いたいデータが存在するときに、データがどこの場所にあるかを示す。

まとめ

　今回、①データリンク層、②ネットワーク層、③トランスポート層とTCPまでのパケットを見てきたことにより、今日、私たちが当たり前のように使用しているインターネットの中に多くの知識が詰め込まれていることが少し理解できたと思う。

　今後、機会があればIPv6やDNS、UDP、HTTPS、SSL(TLS)などの様々なプロトコルをWiresharkでキャプチャを行い、パケットの解析を行いたいと思いました。

参考文献

マスタリングTCP/IP 入門編　第5版　竹下隆史・村山公保・荒井　透・苅田幸雄共著
マスタリングTCP/IP 応用編　Philip Miller著　苅田幸雄監訳
パケットキャプチャの教科書　みやたひろし著

2020-09-14

パケットキャプチャをしよう ② (IPv4)

Wireshark

前回

　前回の記事では、データリンク層を解析したので、今回はネットワーク層のIPv4を解析していこうと思います。

ネットワーク層

f:id:OyogenaiTaiyak1:20201001174427p:plain — 図　IPv4

　ネットワーク層のIPv4のフレームは、「バージョン」、「ヘッダー長」、「ToS（Type of Service）」、「パケット長」、「識別子」、「フラグ」、「フラグメントオフセット」、「TTL (Time To Live)」、「プロトコル番号」、「ヘッダーチェックサム」、「送信元IPアドレス」、「宛先IPアドレス」から構成されている。

バージョンについて

　バージョンは4ビットで構成されており、IPのバージョンを表している。

バージョンは現時点で、

４： IPv4　(2進数表記で0100)
５： ST Datagram Mode
６： IPv6　(2進数表記で0110)
７： TP/IX
８： PIP　(The P Internet Protocol)
９： TUBA

の6種類となっている。

　図では、「0100 = Version 4」となっているので、IPv4を使用していることがわかる。

※バージョンがIPv6になるとパケットのフォーマットもIPv6仕様になる。

ヘッダー長について

　ヘッダー長(Internet Header Length)は4ビットで構成されており、IPヘッダの長さを32ビット単位に変換した値を表している。

　ヘッダー長を見ることにより、IPヘッダの終了する位置やIPデータの開始位置を知ることが可能となる。

　図では、「Heder Length 20 Bytes (5)」と表示されており、IPヘッダーの長さが20バイトということを知らせてくれている。

Different Service Field (ToS)について

　ToS(Type of Service)は、8ビットで構成されており、送信しているIPの品質や、優先度を表している。

※Wiresharkでは、ToS(Type of Service)ではなく、Different Service Fieldと表されている。

０、１、２ビット：「優先度」
３、４、５ビット：D、T、Rと呼ばれパケットに対しての「必要な遅延」、「スループット」、「信頼性」を提供する
６ビット：RFCでは設定されているがまだ使用は不可
７ビット：将来の予備用のビット

　図では、０～７ビットまで全て「０」となっているので、優先度も低く、さらに、パケットへのサービスも通常通りに処理を行うことを表している。

Total Length（パケット長）について

　パケット長は、16ビットで構成されており、ヘッダとデータを含めたデータグラム全体の長さを表している。

パケット長は16ビットなので、2の16乗＝65535オクテットまでIPパケットを送信することが可能。

Identification（識別子）について

　識別子は、16ビットで構成されており、データを分裂させて（フラグメント）送信した後に、再びデータをくっつける際に識別子として使用する。

　識別子は、送信元のPCやサーバーが割り当てるので、途中で変更されることはない。

　図では、「Identification : 0x3363 (13155)」と表されている。

Flags（フラグ）について

　フラグは、3ビットで構成されており、データグラムを分裂（フラグメント）する時に使用する。

先頭１ビット目：未使用
中間２ビット目：DFビット「Don't Fragment」とされており、データグラムを分裂させたくない時に「１」を、分裂させたい時に「０」を指定する。
最終３ビット目：MFビット「More Fragment」とされており、分裂したデータグラムを送信している時に、残りのデータがまだ送られてくるなら「１」を、送らてこなければ「０」を指定する。

　図のFlagsでは、