101 シリーズ：イーサネットの基本

2019 年 7 月 31 日 / 一般、101 学習、標準および認証、産業用ネットワーク

カリフォルニア州に拠点を置くゼロックスのパロアルトリサーチセンターでコンピューターとプリンターを相互接続するための発明を説明する、この簡単な図を Bob Metcalfe が公開してから 40 年以上が経過しました。彼が特許を取得した衝突検出機能付きマルチポイントデータ接続システムは、後にイーサネットと呼ばれるようになりました。

イーサネットの発明に加え、コンピューターが情報を通信および共有するための機能が登場して以来、私たちの世界は劇的に変化しました。私と同じくらいの年齢であれば、電子メールやインターネットから携帯電話やソーシャルメディアに至るまで、すべての機能が実現したことを目撃しています。イーサネットが業界におけるデータ送信の事実上の選択肢であるため、私たちの多くはその機能を実際に理解することなく、当然のことと考えているかもしれません。

考えのフレーム

イーサネットは、通常サイズが64〜1518バイトのフレームを使用してデバイスとの間で情報を送受信します。1つのフレームでデータを処理する方が、複数の小さなフレームに分割するよりも効率的であるため、大量のデータを送信するための拡張（ジャンボ）フレームもあります。

イーサネットフレームには、フレームの着信を示し、送信者と受信者が接続を確立できるようにするプリアンブルが含まれています。多くの場合、プリアンブルの一部と見なされている SFD（Start of Frame Delimiter：開始フレーム識別子）は、単にフレームの開始を示す 1 バイトのフィールドです。

イーサネットフレームの最も重要な 2 つの部分は、データの宛先となるデバイスの MAC アドレスとデータを送信したデバイスの MAC アドレスを含む、宛先アドレスと送信元アドレスです。MAC（Media Access Control：メディアアクセス制御）アドレスは、ネットワーク上のすべてのデバイスのネットワークインターフェイスカードに統合された一意の識別番号です。

フレーム長フィールドは、受信デバイスにフレームの大きさを伝えるだけです。データフィールドには、送信される実際のデータ（ペイロードとも呼ばれる）が保持されます。フレームの最後の部分はCRC（Cyclic Redundancy Check：巡回冗長検査）であり、破損データの検出に使用されるフレームチェックシーケンスが含まれています。

ある地点から別の地点へ

あるデバイスから別のデバイスにフレームを送信するために、イーサネットはキャリア検知、衝突検出付きマルチアクセス（CSMA/CD）を使用します。

簡単に言えば、キャリア検知はネットワークおよび送信している信号を検出する機能であるため、デバイスはいつ送信できるか認識します。マルチアクセスは、ネットワーク上のすべてのデバイスがすべてのフレームを受信し、宛先アドレスを確認するという事実を説明しています。衝突検出とは、デバイスが別のデバイスと同時に情報を送信しようとしたことを認識し、送信を停止し、送信が可能になったときに再送信する機能です。これらの再送信では、ランダムな一時停止と再試行を使用して、デバイスが衝突し続けるのを防ぎます。

Metcalfe の最初のイーサネット図面には、少数のデバイスしか描かれていないため、簡単にネットワークを実現できました。しかし、単一のネットワークセグメントで送信しようとするデバイスの数が増えると、衝突が増加し、ネットワークが混雑し、送信が遅くなります衝突を軽減するには、ネットワークセグメントを互いに情報を共有する複数のセグメントに分割する必要があります。ここで、スイッチが登場します。

イーサネットスイッチは、すべてのイーサネット伝送をピックアップし、適切なセグメント（リンク）を介して宛先アドレスに転送します。この結果、ネットワーク上の複数のデバイスが同時に通信できるようになります。イーサネットスイッチングには、全二重イーサネットを使用してデータを同時に送受信する機能もあります。最新のスイッチド・ネットワークのデバイスはスイッチとのみ通信し、相互には通信しないため、ほとんどのデバイスで衝突を検出する必要はなくなりました。

フレーム、パケット、レイヤー

イーサネット伝送に言及する場合、フレームとパケットという用語は、しばしば同じ意味で使用されます。しかし、これらは同一ではありません。フレームは、MAC アドレスを使用して同じネットワーク上の 2 つのノード間で情報を送信するために使用され、OSI モデルのレイヤー 2 で生成されます。対照的に、パケットはレイヤー 3 で生成され、異なるネットワーク間で情報を送信するために使用されます。

OSI（Open Systems Interconnection：開放型システム間相互接続）モデルとは、ネットワークの機能を説明する 7 層から成るフレームワークです。最上部から始めると、レイヤー 7 はアプリケーションレイヤーであり、これは基本的にユーザーが直面するレイヤーです（MS Office を考えてください）。レイヤー 6 は、ネットワーク形式（暗号化を考える）用にデータが準備されるプレゼンテーションレイヤーです。レイヤー5は、2 つのノードが互いに通信するように設定されているセッションレイヤーです。レイヤー 4 は、データの送信を調整し、データレートを決定し、エラーのない送信を保証するトランスポートレイヤーです。レイヤー 3 は、パケットがさまざまなネットワークにルーティングされるネットワークレイヤーです。レイヤー 2 は、MAC アドレスとスイッチングを使用して、あるデバイスから別のデバイスに情報が送信されるデータリンクレイヤーです。そして最後になりますが、レイヤー 1 は、伝送に必要な物理メディア（ケーブルと無線周波数）を含む物理レイヤーと、ピン配列、電圧、パフォーマンスパラメーターなどのすべての要件です。

ご参考までに、インターネットプロトコル（IP）は、レイヤー 3 で送信されるパケットを使用します。イーサネットフレームは、IPアドレスを含むデータフィールドに追加情報を含めることで、IP パケット内にカプセル化されます。そのパケットがネットワークスイッチに到達すると、レイヤー 2 が引き継ぎ、デバイスの個々の MAC アドレスに基づいてフレームを送信します。簡単に説明すると、IP アドレスはインターネット上のデバイスを識別するため、レイヤー 3 でパケットとして送信されます。同じネットワーク上に複数のデバイスが存在する場合、それらの IP アドレスの一部は重複します。IP アドレスは、デバイスを別のネットワークに移動したときにも変更される場合があります。 MAC アドレスは、デバイス上の実際の個々のネットワークカードを識別し、レイヤー 2 でフレームとして送信されます。同じネットワークに接続する複数のデバイスには、類似した MAC アドレスは割り当てられません。MAC アドレスはメーカーによって設定され、変更されることはありません。

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