エンドツーエンド （E2E ）原則とは、 コンピュータネットワーク における設計原則の一つで、信頼性 やセキュリティといったアプリケーション固有の機能を、ネットワーク自体ではなく、通信を行うエンドノード に実装することを要求します。ネットワークを構築するために存在する中間ノード（ゲートウェイ やルーター など）は、効率性を向上させるためにこれらの機能を実装することがありますが、エンドツーエンドの機能性を保証するものではありません。
後にエンドツーエンド原則と呼ばれることになるものの本質は、1960年代のドナルド・デイビスによる パケット交換ネットワーク に関する研究に含まれていた。ルイ・プーザンは1970年代に CYCLADES ネットワークでエンドツーエンド戦略の使用を先駆的に行った。[ 1 ] [ 2 ] この原則は1981年にソルツァー 、リード 、クラーク によって初めて明確に表現された。[ 3 ] [ a ] [ 4 ]
この原則の基本的な前提は、エンドアプリケーションが必要とする特定の機能を通信サブシステムに追加することによるメリットが急速に減少するということです。エンドホストは、正確性を確保するためにこれらの機能を実装する必要があります。[ b ] ネットワークで 特定の機能を実装すると、その機能が必要かどうかに関わらず、すべてのクライアントにこれらのペナルティが追加されます。
コンセプト エンドツーエンドの原則によれば、ネットワークは端末に対して最善の努力を尽くした接続を提供する責任のみを負う。信頼性やセキュリティといった機能は、端末に備えられたメカニズムやプロトコルによって提供される必要がある。 エンドツーエンド原則の根底にある考え方は、何らかの通信手段を介して相互に通信する2つのプロセスについて、その手段から得られる 信頼性 PAR またはARQ と呼ばれる）によって必要な信頼性を得るよりもコストがかかります。[ c ] 言い換えれば、中間ノード ではなく、ネットワークのエンドホスト のメカニズムによって一定のマージンを超える信頼性を得る方がはるかに容易です。[ d ] [ e ] [ f ]
エンドツーエンドの原則は、エンドツーエンドのエラー制御と訂正、およびセキュリティ以外の機能には適用されません。例えば、レイテンシ やスループット といった通信パラメータについては、エンドツーエンドの原則をそのまま適用することはできません。2001年の論文で、BlumenthalとClarkは次のように述べています。「当初から、エンドツーエンドの原則は、エンドポイントで正しく実装できる要件を中心に展開されていました。ネットワーク内部での実装が要件を満たす唯一の方法である場合、そもそもエンドツーエンドの原則は適切ではありません。」[ 8 ] ：
エンドツーエンド原則は、ネットワーク中立性 の原則と密接に関連しており、時には直接の前身と見なされることもある。[ 9 ]
歴史 1960年代、ポール・バラン とドナルド・デイヴィスは、 ARPANET 以前のネットワークに関する詳細な研究の中で、信頼性について言及した。バランは1962年に仮想回線 の概念を導入した。[ 10 ] [ 11 ] :
デイヴィスは仮想回線の概念に反対していた。[ 12 ] [ 13 ] : NPLネットワークを 構築し、広域ネットワークのシミュレーションに取り組んだ。 [ 14 ] [ 15 ]
ARPANETは、BaranとDaviesが以前に提唱したいくつかの概念を実装した、最初の大規模汎用パケット交換ネットワークでした。 [ 16 ] [ 17 ] Bob Kahn が主導した設計は、信頼性の高い仮想回線に基づいていました。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]
これらのアイデアを基に、ルイ・プーザンは ヒューバート・ツィンマーマン らとともにCYCLADES ネットワークを開発した。[ 22 ] [ 23 ] これは、データグラム を実装し、ネットワーク自体の中央集権的なサービスではなく、ホストが データの信頼性の高い配信を担当する最初の広域ネットワークであった。 [ 1 ] [ 2 ] [ 24 ]
アプリケーション
ARPANET ARPANETは、エンドツーエンド原則のいくつかの重要な側面を実証した。
パケット交換方式では、一部の論理機能が通信エンドポイントに押し付けられる。 分散ネットワークの基本原理がパケット交換であるならば、順序変更や重複検出といった機能は、必然的にネットワークの論理的なエンドポイントで実装されなければならない。したがって、ARPANETは2つの異なるレベルの機能を備えていた。 隣接するネットワークノード間でデータパケットを転送する下位レベル（インターフェースメッセージプロセッサ またはIMPと呼ばれる）と、 データ伝送の様々なエンドツーエンドの側面に関わる、より高次のレベル。[ g ] エンドツーエンド原則に関する論文の著者の一人であるデイブ・クラークは、「パケットの発見はエンドツーエンドの議論の結果ではない。パケットの成功こそがエンドツーエンドの議論を意義あるものにするのだ」と結論付けている。[ 27 ] : エンドツーエンドの確認応答と再送信メカニズムがなければ、任意に信頼性の高いデータ転送は不可能である。 ARPANETは、ネットワークの任意の2つのエンドポイント間で信頼性の高いデータ転送を提供するように設計されました。これ は、コンピュータと近くの周辺機器間の単純なI/Oチャネルによく似ています。[ h ] [ i ] パケット損失 の場合の送信元から宛先への再送信は考慮されていませんでした。しかし、多大な努力にもかかわらず、最初のARPANET仕様で想定されていた完全な信頼性を提供することは不可能であることが判明しました。 これは、ARPANETが最初の4ノードのトポロジーをはるかに超えて成長するにつれて、ますます明らかになりました。[ j ] [ k ] 信頼性、遅延、スループットのトレードオフ 完全な信頼性を追求すると、データ伝送の他の重要なパラメータ、 特に遅延とスループットに悪影響を与える可能性があります。これは、信頼性よりも予測可能なスループットと低遅延を重視するアプリケーションにとって特に重要です。その 典型的な例が、対話型のリアルタイム音声アプリケーションです。ARPANETでは、さまざまな信頼性対策を排除した生メッセージサービスを提供することで、このユースケース に対応し、エンドホストへのより高速で低遅延のデータ伝送サービスを提供しました。[ l ]
インターネットプロトコル （IP）は、配信保証のない コネクションレス型の データグラムサービスです。インターネット上では、ほぼすべての通信にIPが使用されています。エンドツーエンドの確認応答と再送信は、IPの上に構築されたコネクション指向型の伝送制御プロトコル （TCP）の役割です。IPとTCPの機能的な分離は、トランスポートプロトコルの設計においてエンドツーエンドの原則が適切に適用されていることを示しています。
ファイル転送 エンドツーエンド原則の一例として、変動する非自明な規模の分散ネットワーク内の 2 つのエンドポイント間で任意に信頼性の高いファイル転送が挙げられます。 [ 4 ] チェックサム を送信して確認応答することです。このような設定では、より簡略化されたチェックサムと確認応答 ( ACK /NACK) プロトコルは、パフォーマンスを最適化する目的でのみ正当化されます。 これらは大多数のクライアントには有用ですが、この特定のアプリケーションの信頼性要件を満たすには十分ではありません。したがって、徹底的なチェックサムはエンドポイントで実行するのが最適であり、ネットワークはすべてのクライアントに対して比較的低いレベルの複雑さと妥当なパフォーマンスを維持します。[ 4 ]
制限事項 エンドツーエンド原則の最も重要な制約は、その基本前提である、機能を中間ノードではなくアプリケーションのエンドポイントに配置するという考え方を実装するのが容易ではないという点にある。
エンドツーエンド原則の限界の一例として、モバイルIPv6 を搭載したモバイルデバイスが挙げられる。[ 35 ] [ 36 ]
IPv4 が アドレス枯渇 に対処するために利用しているネットワーク アドレス変換 (NAT)の追加により、ネットワークの透過性 が低下するという問題も発生する。[ 37 ] IPv6 の導入により、ユーザーは再び一意の識別子を持つようになり、真のエンドツーエンド接続が可能になる。一意の識別子は物理アドレス に基づく場合もあれば、ホストによってランダムに生成される場合もある。[ 38 ]
エンドツーエンドの原則は、調整関連の機能をより高いレベル、最終的にはアプリケーション層 へと押し上げることを提唱しています。その前提は、アプリケーションレベルの情報によってアプリケーションのエンドポイント間の柔軟な調整が可能になり、必要な調整が正確に行われるため、パフォーマンスが向上するというものです。このことから、各アプリケーションを独自のアプリケーション固有プロトコルでモデル化し、エンドポイント間の望ましい調整をサポートすると同時に、下位層の通信サービスは単純なものだけを想定するという考え方が生まれます。この考え方は、広くアプリケーションセマンティクス（意味論）として知られています。
マルチエージェントシステムは、アプリケーションのセマンティクスに基づいたアプローチを提供し、基盤となる通信サービスからのメッセージの順序付けや配信の保証を必要とせずに、分散アプリケーションを簡単に実装できるようにします。これらのアプローチの基本的な考え方は、情報プロトコル[ 39 ] は 、基盤となるネットワークからメッセージの受信を抽象化し、エンドポイントプログラマがメッセージ送信のビジネスロジックに集中できるようにします。
注記 ↑ 1981 年の論文[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] ↑ Saltzer、Reed、Clarkの論文からの引用全文は次のとおりです。 [ 4 ] ↑ 実際、ローカルエリアネットワーク でも通信障害が発生する確率はゼロではない。 「ネットワークの制御戦略に関係なく、より高いレベルでの信頼性に注意を払う必要がある」。 [ 6 ] ↑ 経済学的に言えば、ネットワークにおける信頼性向上にかかる限界費用は、エンドホストにおける対策によって同じ信頼性向上を実現する限界費用を上回ります。ネットワーク内部における信頼性向上の経済的に効率的なレベルは、具体的な状況によって異なりますが、決してゼロに近いものではありません。 [ 4 ] ↑ 強制力のある契約上の救済措置の可能性はさておき、中間リソースが非決定論的な方法で共有されるネットワークでは、完全な信頼性を保証することは不可能である。せいぜい、統計的なパフォーマンス平均値を提示できる程度である。 ↑ より正確には： [ 7 ] ↑ ARPANET RFQ [ 25 ] (47頁以降)に従って、ARPANET は概念的に特定の機能を分離しました。BBN が 1977 年の論文で指摘しているように、 [ 26 ] ↑ この要件はARPANETのRFQ に明記されており、「ネットワークのユーザーであるARPA契約業者の観点からすると、通信サブネットは自己完結型の設備であり、そのソフトウェアとハードウェアはネットワーク契約業者によって維持管理される。相互接続ソフトウェアの設計においては、サブネットへのデータの入出力のためのI/O規約のみを使用すればよく、サブネットの動作の詳細には関与する必要はない。具体的には、信頼性の高いネットワーク性能を保証するために必要なエラーチェック、障害検出、メッセージ交換、障害回復、回線交換、キャリア障害、キャリア品質評価は、ネットワーク契約業者の単独の責任である。」 [ 25 ] ： 25 ↑ ウォールデンは1972年の論文で次のように述べている。「各IMPは、パケットが正しく受信されたという肯定的な確認応答を次のIMPから受け取るまで、パケットを保持します。確認応答を受け取れば、すべて順調です。IMPは次のIMPがパケットの責任を負っていることを認識し、送信側のIMPはパケットのコピーを破棄できます。」 [ 28 ] : ↑ 1973年までに、 BBNは ARPANET内部での完全な信頼性という当初の目標は達成不可能であることを認めた。「当初、ネットワーク設計においてエラーが発生しやすいコンポーネントは通信回路のみであり、IMPのモデムインターフェースにはCRCチェックサムが装備され、そのようなエラーの『ほぼすべて』を検出できると考えられていた。ホストインターフェース、IMPプロセッサ、メモリ、インターフェースを含むシステムの残りの部分はすべてエラーフリーであると考えられていた。我々は経験を踏まえ、この立場を再評価する必要があった。 [ 29 ] ： [ 30 ] ： [ 31 ] ： ↑ ちなみに、ARPANETは、エンドツーエンドの信頼性メカニズムのコストとそれによって得られるメリットとのトレードオフの良い例でもあります。仕様では、2つのエンドポイント間で同時に最大8つのホストレベルメッセージが送信され、それぞれが最大8000ビットを超える可能性があると規定されていたため、真のエンドツーエンドの信頼性メカニズムは当時、法外なコストがかかりました。宛先IMPから確認応答がない場合に再送信できるように、これらのデータのコピーを保持するために必要なメモリ量は、費用対効果に見合わないほど高額でした。ホストベースのエンドツーエンドの信頼性メカニズムについては、一般的なホストレベルプロトコル（ ホスト間プロトコル ）にかなりの複雑さが加わりました。RFC 1ではホスト間信頼性メカニズムの望ましさが述べられていましたが、議論 の末、それらは廃止されました（もちろん、上位レベルのプロトコルやアプリケーションは、そのようなメカニズムを独自に実装することは自由でした）。当時の議論の経緯については、Bärwolff 2010、 [ 32 ] ↑ パケット音声に関する初期の実験は 1971 年に遡り、1972 年までに ARPA によるこの主題に関するより正式な研究が開始されました。RFC 660 ( p. 2) に記載されているように、 [ 33 ] [ 34 ]の 55 頁以降を参照)。Bärwolff 2010、 [ 32 ]
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