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レッスン14: レイヤ2 イーサネット/IEEE802.3

イーサネットとIEEE802.3はLANの規格です。まず、最初にイーサネットが存在しました。

1970年代の末期にXeroxが開発、1980年にXerox、intel、DECの3社が共同で企画をまとめました。この頭文字をとってDIX-Ethernetといいます。これがとても便利なものだったので、IEEEが標準化し、IEEE802.3が開発されました。そのため、規格がほぼ同一なのです。最近ではIEEE802.3も含めてイーサネットと表記されることが多いです。

イーサネットは、LANの規格として同軸ケーブル(10Mbps)、CSMA/CDアクセス制御方式、バス型・スター型物理トポロジを使用します。

レイヤ2では、レイヤ3で作成されたパケットをフレームにするんでしたね。さて、イーサネットの場合、パケットに付け加えられる情報は以下の通りになります。



青いところは、フレームに包まれるパケットの部分です。パケットの頭(フレームヘッダ)と後ろ(フレームトレーラ)に情報が付け加えられます。レイヤ2の情報を付加すると考えてください。

プリアンブルは、「これはフレームですよ。プリアンブルが終わるとデータが始まりますよ」という前触れの部分です。プリアンブルが終わると、宛先MACアドレスと送信元MACアドレスです。その後に、タイプです。ここまでがパケットの先頭につける部分です。最後に、パケットの後ろにエラーチェック用のFCSをつけてフレーム完成です。

このようにして作られたイーサネットのフレームは、NICを通してメディア上を流れます。イーサネットでは、送信されたフレームは、メディアを通り全てのノードに到達し、このような型をブロードキャスト型といいます。(特定の誰かに送るときでも全員が受け取ることになるのです。とりあえず全員に送っておけば送りたい相手にも届く、ということです。)ブロードキャスト型にも問題があります。それは、誰かが送っている最中は他の人が送信できないという点です。同軸ケーブルは伝送路が一つしかないため、衝突が発生するのです。そのためイーサネットでは、フレームを送る(メディアへアクセスする)とき、CSMA/CDという制御を使います。

CSMA/CDとは、メディアへアクセスする際の3つの行動の頭文字をとったものです。自由な発言権がある会議をイメージしてください。発言がある場合、他の人が発言していないかどうか確かめる。誰かが話していたら終わるのを待つ。これがキャリア検知(CS)です。

誰かが話し終わったら次は誰でも発言できます。これが多重アクセス(MA)です。

発言したい人がたまたま同時に発言してしまった場合…つまり自分がしゃべりつつ他人の声が聞こえた時は一旦話すのをやめて待ちます。これが衝突検知(CD)です。音が伝わるまでにラグが発生する為、誰かの声が聞こえる前に喋ってしまうことだと思ってください。

実際のイーサネットでは以下のようになります。

1.送信準備:イーサネットフレームを作成、衝突カウンタ(衝突の回数を数えるもの)を0にする。

2.CSMA :キャリア信号を検知する。無ければ一定時間待ったあと送信開始。

3.CD   :送信中に衝突したかどうか検出、衝突していなければ送信完了。衝突していた場合フレームの送信を一時中止しJAM信号を送信し、4へ進む。

4.バックオフ:衝突カウンターをプラス1。衝突カウンタが16ならば作成したフォームを破棄、送信中止。16未満ならはランダムな時間待機後、2に戻る。

あまり連続して衝突が発生する場合、ネットワーク自体に障害が発生しているかあまりにも混雑していることが多く、何度やっても無意味なので送信を中止します。

続いて、フレームを受け取ったほうの処理についてです。最初にお話したとおり、イーサネットはフレームが全員に届きます。受信した段階で、宛先MACアドレスと自分のMACアドレスを比較します。そして、自分宛でない場合その場で破棄します。自分宛だった場合はエラーが無いかを確かめ、エラーであれば破棄、正しければレイヤ3へと引き渡します。

イーサネットはこのようにシンプルなアクセス制御方式を行うため、制御に特別な機器が必要ありません。なので安価にネットワークが構築できるのです。

ですが、エラーフレームを問答無用で破棄してしまう点に問題があります。エラーの原因がわからず、送信した側は破棄されたかどうかも分からないのです。かといって、受け取った側がエラーを修正することもありません。このような通信方法を、ベストエフォート型配送といいます。


★理解度チェック★
Q.キャリア検知、多重アクセス、衝突検知の3つの頭文字をとって名づけられたアクセス制御方式の名称はなんでしょうか?


参考:3 Minutes Networking

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