Ethernet LAN Part1 - careerbeat/dit-ehime GitHub Wiki

1.イーサネットとは

イーサネット (Ethernet) とは

コンピュータネットワークの規格のひとつであり、現在最も使用されているLANの規格である。 現在のLANにおける一般的なコンピュータ通信は、イーサネットが主に物理規格を取り決めて、TCP/IPが通信内容を取り決めている。

イーサネットの歴史

ハワイ諸島の島々を4800bpsの無線ネットワークで結ぶALOHAシステムと言われている。ALOHAシステムに基づき1973年にイーサネットの原型が開発さ、1980年にDIX仕様をEthernet1.0規格として、IEEE802 委員会に提出された。 現在普及している「イーサネットLAN」は Ethernet2.0 規格を元に、1983年にIEEE802.3 CSMA/CDとして策定された仕様である。

IEEE802.3の全体像

IEEEは電気、電子分野における世界最大の学会のことである。IEEE802とはLAN規格を定めている委員会である。IEEE802.3はイーサネットLANに関する規格（またはワーキンググループ）である。 全体像は以下の図。

帯域幅（ bandwidth ）とは

帯域幅には、デジタルとアナログの2種類がある。

• アナログ通信：使用する最低の周波数と最高の周波数の差
• デジタル通信：最大の伝送速度

1995年に規格化されたFastEthernetでは最大伝送速度である「100Mbps」がイーサネットの帯域幅を指している。デジタル通信の場合、帯域幅の基本単位を bps（bit per second = ビット/秒）で表現している。 つまり、100Mbpsの帯域幅のFastEthernetでは1秒間に100Mビット（= 12.5Mバイト）の情報を転送できる。

デジタル通信での帯域幅の単位

単位	一般的な省略表記	その他の表記
ビット/秒	bps	1秒に1ビット
キロビット/秒	Kbps	1000bps
メガビット/秒	Mbps	1000Kbps
ギガビット/秒	Gbps	1000Mbps

アナログ通信での帯域幅の単位

単位	一般的な省略表記	その他の表記
ヘルツ/秒	HZ	1秒に1ビット
キロヘルツ/秒	KHZ	1000HZ
メガヘルツ/秒	MHZ	1000KHZ
ギガヘルツ/秒	GHZ	1000MHZ

2. 規格（ FastEthernet, GigabitEthernet, 10G )

LANの規格

LANの代表的な規格には、イーサネット、トークンリング、FDDIがある。ただし、現在のネットワークではトークンリングやFDDIはほぼ使用されていない。

規格	IEEE	媒体アクセス制御方式	伝送メディア	トポロジー	伝送速度
イーサネット	802.3	CSMA/CD	同軸ケーブル、UTPケーブル、光ファイバーケーブル	バス型、スター型、拡張スター型	10Mbps～
トークンリング	802.5	トークンパッシング	STPケーブル	リング型	4M or 16Mbps
FDDI	-	トークンパッシング	光ファイバーケーブル	二重リング型	100Mbps～

LANの規格は、OSI参照モデルの上では物理層とデータリンク層の2つの階層に位置する。また、IEEEが定義するLAN規格では、データリンク層はLLC副層とMAC副層の2つの副層に分類されている。

MAC (Media Access Contorl) 副層

• 媒体アクセス制御
• MACアドレスのアドレッシング機構を提供
• フレームの 　送受信方法、フレームの形式、誤り検出方法なども規定
• 物理層の上に位置

LLC (Logical Link Control) 副層

• 論理リンク制御
• ネットワーク層からネットワーク媒体を同じ手順で利用できるようにするもの
• 現在では使用されておらずIEEE802.2も活動休止中

現在では、MAC層とLLC層を併せ持つEthernetⅡフレームの使用が一般的となっている。

イーサネット規格の命名規則

イーサネットの規格名は、伝送メディア（ケーブルの種類）や伝送速度により以下の命名規則がある。 例. 100Base-TX

• 100 ：伝送速度、100Mbpsを表す
• Base：伝送方式、ベースバンド方式を表す
• TX ：ケーブルの種類(数字の場合は最大セグメント長)、TはUDP, XはFDDIの技術使用を表す

イーサネット(10Mbps)

10BaseT以前は同軸ケーブルを使用したバス型のトポロジーを採用していたが、10BaseTが登場してからはすぐにUTPケーブルとハブ（集線装置）を使用したスター型のトポロジーに移行した。一箇所に故障が発生した場合、その同軸ケーブルに接続したネットワーク全体が通信できなくなるため、バス型は衰退した。

規格名	IEEE	伝送媒体	コネクタ	最大長	トポロジー
10Base5	IEEE802.3	同軸ケーブル	AUI	500m	バス
10Base2	IEEE802.3a	同軸ケーブル	BNS	185m	バス
10Base-T	IEEE802.3i	UTPケーブル(2対のCAT3以上)	RJ-45	100m	スター

ファーストイーサネット(100Mbps)

通信速度を100Mbpsにしたイーサネット規格で、最も使用されている規格が100Base-TXである。エンドユーザのPCとLANスイッチ間の通信速度が100Mbpsが一般的である。

規格名	IEEE	伝送媒体	コネクタ	最大長	トポロジー
100Base-TX	IEEE802.3u	UTPケーブル(2対のCAT5以上)	RJ-45	100m	スター
100Base-T4	IEEE802.3u	UTPケーブル(2対のCAT3以上)	RJ-45	100m	スター
100Base-FX	IEEE802.3u	光ファイバ(マルチモード)	ST	400m	スター

ギガビットイーサネット(1Gbps)

通信速度を1000Mbpsにしたイーサネット規格。バックボーンのネットワークではギガビットイーサネットにすることが一般的である。1000Base-CXは工場などのノイズが多い場所でも高い通信速度を求められる状況で使用される。

規格名	IEEE	伝送媒体	コネクタ	最大長	トポロジー
1000Base-CX	IEEE802.3z	STPケーブル	RJ-45	25m	スター
1000Base-T	IEEE802.3ab	UTPケーブル	RJ-45	100m	スター
1000Base-SX	IEEE802.3z	光ファイバ(マルチモード)	SC or LC	550m	スター
1000Base-LX	IEEE802.3z	光ファイバ(マルチモード)	SC or LC	550m	スター
1000Base-LX	IEEE802.3z	光ファイバ(シングルモード)	SC or LC	10km	スター
1000Base-ZX	Cisco独自	光ファイバ(シングルモード)	LC	100km	スター

Cisco機器で光ファイバー接続を行う場合のLCコネクタとしては、企業ネットワークではGLC-SX-MM= を使用するケースが多い。光ファイバーを使用する場合はビルのフロアー間接続などが主であり、距離的にシングルモードの光ファイバを必要としないため。

10ギガビットイーサネット(10Gbps)

通信速度を10Gbpsにしたイーサネット規格。10Gbpsのイーサネット規格は大きくLAN向けの「LAN PHY」とWAN向けの「WAN PHY」の2つに分かれる。WAN PHYはSONET/SDHネットワークに接続可能な仕様のグループを指し、用途や距離に応じて使用する。

LAN PHY

規格名	IEEE	伝送媒体	最大長
10GBase-T	IEEE802.3an	UTPケーブル(CAT6a/CAT7)	100m
10GBase-LX4	IEEE802.3ae	MMF	240m
10GBase-LX4	IEEE802.3ae	SMF	10km
10GBase-SR	IEEE802.3ae	SMF	300m
10GBase-LR	IEEE802.3ae	MMF	10km
10GBase-ER	IEEE802.3ae	SMF	40km

WAN PHY

規格名	IEEE	伝送媒体	最大長
10GBase-SW	IEEE802.3ae	MMF	300m
10GBase-LW	IEEE802.3ae	SMF	10km
10GBase-EW	IEEE802.3ae	SMF	40km

MMF(Multi Mode Fiber) ：マルチモード光ファイバー

SMF(Single Mode Fiber)：シングルモード光ファイバー

3. 伝送メディア（ 同軸ケーブル、UTPケーブル、光 ）

イーサネットの伝送メディア

イーサネットでは、コンピュータ間で通信する際に使用する伝送メディアには、有線と無線の2種類がある。有線の場合は同軸ケーブル、UTPケーブル、STPケーブル、光ファイバーの媒体がある。

イーサネット：同軸ケーブル

同軸ケーブルは、10Base5、10Base2で使用されていたケーブル。現在のLANでは見ることは先ずないが、テレビ受信機とアンテナとを接続する給電線や、電子機器内部の配線として使用されている。

参考画像 ： IPA（情報処理推進機構） 「教育用画像素材集サイト」 http://www2.edu.ipa.go.jp/gz/

イーサネット：UTPケーブル

UTP(Unshielded Twisted Pair)ケーブルは、最も使用されているLANケーブル。銅線を2本ずつより合わせて4ペアで構成されており、アとなる2本の１本が電圧の「＋」、もう一本が電圧の「－」になり、電圧を変化させることで「0」と「1」のデジタル通信でのデータ送受信を可能とする。シールドがされていない分、STPケーブルよりも安価だがノイズには弱い。

参考画像 ： IPA（情報処理推進機構） 「教育用画像素材集サイト」 http://www2.edu.ipa.go.jp/gz/

STP(Shielded Twisted Pair)ケーブルは、その名の通り8本の銅線に対して「シールド」されており、ノイズには強いがコストは高い。工場などのノイズの多い場所や高い周波数が求められる10GBaseTの通信でよく使用される。

イーサネット：RJ-45コネクタ

RJ-45とはケーブルを接続するコネクタ形状の１つ。イーサネットケーブルだけではなく、ISDN回線などにも使用される。UTPケーブルの両端に、このRJ-45を取り付けることにより、ネットワーク機器やパソコンのLANカードにケーブル接続ができるようになる。

UTPケーブルの中の8本の銅線は、EIA/TIA-568規格によって、どの色とペアとなりRJ-45コネクタのどのピンに結線されるのかを定義している。規格ごとにピン配列が異なる。

• ストレートケーブルを作成したい場合：RJ-45の両端を「EIA/TIA-568-B」のピン配列にする
• クロスケーブルを作成したい場合：一方のRJ-45のコネクタを「EIA/TIA-568-A」にし、もう一方のRJ-45のコネクタを「EIA/TIA-568-B」にする

EIA/TIA-568のピン配列

規格	1	2	3	4	5	6	7	8
EIA/TIA-568-A	白緑	緑	白橙	青	白青	橙	白茶	茶
EIA/TIA-568-B	白橙	橙	白緑	青	白青	緑	白茶	茶

イーサネット：光ファイバーケーブル

光ファイバーは、コンピュータの電気信号をレーザーを使用して光信号に変換する。そして生成されたレーザー光を光ファイバーケーブルに通してデータの送受信する。下図の先端のレーザー光に「データ」がある。光ファイバーはコアとクラッドの2層で構成されており、材質には石英ガラスやプラスチック等を使用する。

参考画像 ： IPA（情報処理推進機構） 「教育用画像素材集サイト」 http://www2.edu.ipa.go.jp/gz/

光ファイバーケーブル

ケーブル	概要
MMF(マルチモードファイバ)	材質にプラスチックも利用できるため安価で折り曲げにも強い。SMFに比べると長距離伝送には不向きで、企業ネットワークなどで構内通信に使用される。
SMF(シングルモードファイバ)	材質にガラス繊維を使用する必要があるため高価で配線が難。長距離伝送が可能で、市間の接続や基幹通信網などで使用される。

4. LANケーブル（ストレートケーブル、クロスケーブル）

UTPケーブルの種類 - ストレートケーブルとクロスケーブル

UTPケーブルには、ストレートケーブルとクロスケーブルの2種類がある。

• ストレートケーブル：ケーブル内の銅線が途中で交差せずケーブル両端で同じピン配列
• クロスケーブル：ケーブル内の銅線が途中で交差しておりケーブル両端で異なるピン配列

LANケーブルのRJ45コネクタの先端を見ることで判別できる。

LAN接続では、ケーブルを接続する機器の組み合わせでストレートケーブルまたはクロスケーブルのどちらを使用するかを決める。

• ストレートケーブル：PCとスイッチを接続する
• クロスケーブル：PCとPCを接続する

Ethernet機器のポートにはMDIとMDI-Xの2つのタイプがある。

• MDI：送信用にピン「 1, 2 」、受信用にピン「 3, 6 」を割り当てられたポート。PC、ルータ等が該当。
• MDI-X：送信用にピン「 3, 6 」、受信用にピン「 1, 2 」を割り当てられたポート。スイッチ等が該当。

ネットワーク通信を行うためには、送信用ピンで送信した信号が、接続先の受信用ピンで受信する必要がある。そのため、MDIとMDI-Xの接続はストレート、MDI同士、MDI-X同士の接続はクロスケーブルを使用する。

最近は、接続先のポートタイプ(MDI or MDI-X)を自動判別し、ストレート、クロスケーブルに関係なく　相互接続できるようにするAutoMDI/MDI-X機能をサポートするスイッチなどが非常に増えてきている。

ストレートケーブルとクロスケーブルの接続例

前節で説明した通り、

• ポートタイプが「MDI」であるデバイスは「PC、ルータ」などが該当。
• ポートタイプが「MDI-X」であるデバイスは「スイッチ、リピータハブ、ONU」などが該当。
• MDI と MDI-X のデバイス間の接続はストレートケーブルを使用。
• MDI同士またはMDI-X同士のデバイス間の接続はクロスケーブルを使用。

ケーブルの接続例：

5. イーサネットフレーム & MACアドレスとは

イーサネットフレーム

イーサネットフレームは、イーサネットLANの通信を行う際に使用するデータのフォーマットのことである。TCP/IPでいうパケットという用語の代わりに、イーサネットではフレームという用語を使用する。イーサネットフレームは複数のフレームが存在し、EthernetⅡフレームとIEEE802.3フレームが代表的なものである。現在、最も使用されているイーサネットフレームはDIX仕様であり、イーサネットフレームといえばEthernetⅡを指す。

現在、TCP/IPが完全に主流だが、NetwareやNetBIOSを使用しているならIEEE802.3フレームを使用している場合もある。

プリアンブル

イーサネット通信で送受信の同期を取り、フレームの始まりを合図するために用いる特別なビット列のこと。IEEE802.3フレームではこの特別なビット列の最初の7バイトをプリアンブル、最後の1バイトをSFDと呼ぶ。イーサネット通信で送受信の同期を取り、フレームの始まりを合図するために用いる特別なビット列のこと。IEEE802.3フレームではこの特別なビット列の最初の7バイトをプリアンブル、最後の1バイトをSFDと呼ぶ。プリアンブルは、ハードウェアにより生成され受信後に破棄されるためイーサネットフレームのサイズには含まれない。サイズは、最小64byte、最大1518byteとされている。

宛先MACアドレス

イーサネットでは通信するためにMACアドレスを使用する。通信相手となる宛先のコンピュータのMACアドレスの情報、またはマルチキャストアドレス、ブロードキャストアドレスが入る。

送信元MACアドレス

イーサネットフレームを送信するコンピュータのNICのMACアドレスの情報が入る。

タイプ

「データ」フィールドに格納する上位層プロトコルを識別するフィールドが入る。タイプコードは16進数で表すため「0x」から始まる。

タイプコード	プロトコル
0x0800	IPv4
0x0806	ARP
0x809b	AppleTalk
0x8100	IEEE802.1q
0x8137	IPX
0x86dd	IPv6

長さ

「データ｣フィールドのサイズを示すフィールドが入る。 上位層プロトコルの識別のためにIEEE802.2フィールドを使用する。

データ

最小で46byte、最大で1500byteのデータが入る。 データが46byte未満である場合、ダミーのデータ「0」を追加して46byteにする。これをパディングと言い、セグメント内での衝突検出を行うためには、フレームの全体長がFCSも含めて64byte以上である必要があるため行う。

FCS

受信したフレームに誤りがないかどうかを調べるために付加されるデータ。CRCという値が含まれる。

MACアドレスとは

MACアドレスはイーサネットLAN通信において使用されるアドレスであり、物理アドレスとも呼ばれる。PCのNICやルータのLANポートなど各イーサネットカード（ポート）に固有のID番号であるため、それぞれに一意のMACアドレスが割り当てられ、IEEEで管理している。

MACアドレスは48ビット(6バイト)で構成されている。 上位の24ビットがベンダーコード(またはOUI)と呼ばれていて各ベンダーに固有に割り当てられている値。 下位24ビットは各ベンダーが一意となるように割り当てられる値。 48ビットは8ビットごとに区切り、8ビットごとに16進数で表記し、通常2桁ずつまたは4桁ずつ区切り表記される。PCのNICのMACアドレスはコマンドプロンプトを開いてipconfig/allで確認できる。

ベンダーコードは上位24ビットであるため16進数の「00-17-94」の部分となる。ベンダーコードは、実は3byte全てをベンダー識別のために使用している訳ではなく、はじめの1byteのうち、先頭から7ビット目をU/Lビット、8ビット目をI/Gビットとして予約している。

U/Lビット

• 「0」である場合はグローバルアドレスを指す
• 「1」の場合はローカルアドレスを指す
• 通常は「0」となっている。

I/Gビット

• 「0」の場合はユニキャスト通信を指す
• 「1」の場合はマルチキャストまたはブロードキャストを指す

48ビットの全てが「1」である場合、つまりMACアドレスが「FFFF.FFFF.FFFF」の場合はブロードキャストアドレスを指す。MACアドレスが 0100.5E から始まる場合はマルチキャストアドレスを指す。