Ethernet LAN Part2 - careerbeat/dit-ehime GitHub Wiki

6. CSMA/CDとは

CSMA/CDとは

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)はEthernetが採用している通信方式の1つ。初期イーサネットLANで使用されていたアクセス制御方式。同軸ケーブルを使用したバス型のトポロジーや、半二重通信しかサポートしないハブを使用したスター型トポロジーでも、CSMA/CD方式は使用される。ただし、現在のイーサネットLANでは、CSMA/CDはほぼ見られなくなった(この仕組みを理解しておくことは重要)。

CSMA/CDの動作

CSMA/CDは次のような動作を行う。

イーサネットフレームを伝送したいPC端末はケーブルの通信状況（電気信号の状況）を確認
フレームが伝送されていなければ自身のフレームを送信
複数の機器が同時に送信してデータが衝突した場合(コリジョン発生)、ある時間を待って再送信

このCSMA/CD方式によって、1本のケーブル上(1つのネットワークの媒体上)を複数のノードがお互いにアクセス(Multiple Access)できるようになる。以下はフレームが衝突した場合の詳細なフロー。バックオフは15回繰り返されて16回目にフレームを廃棄。

このようにあるノードが通信していると他の端末は通信できないが、人の目からPCの通信状況を見ると、複数の端末が同時に通信できているように見える。

CSMA/CDは半二重(half duplex)の通信において使用する通信方式であり、全二重 (full duplex) の通信でCSMA/CDは使用されない。スイッチングハブに接続されたノードはいつでもデータの送受信が可能です。

7. リピータ、ブリッジ、スイッチ、ルータ

Ethernet LAN上でのネットワークデバイス

Ethernet LANでは多くのネットワークデバイスが存在する。今では使用されていないリピータ、リピータハブ、ブリッジや、現在主流のL2スイッチ、L3スイッチ、ルータなどがある。

リピータ(Layer1のデバイス)

リピータはOSI参照モデルの物理層で動作する機器。リピータはケーブルで流れる＊＊電気信号を増幅＊＊し波形を整えてもう一方のインターフェースから電気信号を流す。イーサネットLANにおいて電気信号は伝送距離が長ければ長いほど信号がだんだん弱くなり減衰するため、ケーブル延長時には必ず使用されていた。

リピータハブ(Layer1のデバイス)

リピータハブはOSI参照モデルの物理層で動作する機器。リピータと同様に電気信号の波形の増幅や整形を行う。リピータとは、複数のポートを持ってる点とリピータハブに接続する場合は10Base-Tのケーブルを使用する点が異なる。リピータハブでは、端末がフレームを送信することで1つのポートで電気信号を受信すると、電気信号の波形の増幅と整形後に他の全てのポートに電気信号を送信する。他のハブと接続(＝カスケード接続)を行える。

ブリッジ(Layer2のデバイス)

ブリッジはOSI参照モデルのデータリンク層で動作する機器。リピータ同様に電気信号の波形の増幅、整形を行えるだけでなく、イーサネットフレームのヘッダを理解できる。イーサネットフレームヘッダの宛先MACアドレスを見て、適切なポートにフレームを転送できる。

このブリッジのメリットは以下のフィルタリングでわかる。

ブリッジはホストのMACアドレスを学習するとMACアドレステーブルに従いフレームを転送する。そのため、無駄なトラフィックの発生を防いだり、コリジョンが起こりにくいので通信効率も上がる。ブリッジはコリジョンの発生範囲コリジョンドメイン)**を分割できるデバイス。

スイッチ(Layer2のデバイス)

スイッチはOSI参照モデルのデータリンク層で動作する機器。スイッチングハブまたはL2スイッチとも呼ばれている。ブリッジとの違いは、フレームをソフトウェアにより処理するのに対し、スイッチはハードウェア（ASIC)により処理するところ。

スイッチにはOSI参照モデルのネットワーク層で動作するL3スイッチがある。L3スイッチはL2スイッチの機能に加え、各ポートがルーティングできる機能を有している。ルータよりもパケット処理能力が高く、企業内のLANネットワークのコア機器として位置づけられる。ただし、ルータのようにWAN接続（シリアルやISDN)などの機能や暗号化処理など高度なソフトウェア処理を行うことはできない。

ルータ(Layer3のデバイス)

ルータはOSI参照モデルのネットワーク層で動作する機器。ネットワーク層で動作する機器とはいえルータは物理層では電気信号の送受信を行い、データリンク層では、フレームヘッダのタイプを見ることにより上位層のプロトコルを識別する。IPパケットの場合、ネットワーク層でパケットヘッダの「宛先アドレス」をみてルーティングテーブルに従ってパケットを転送する。

ルータは、イーサネットだけではなくトークンリング、FDDI、ISDN、ATMといった色々なインターフェースを持つことができるため、イーサネットLANと様々な規格のデータリンク層との接続を実現している。

コリジョンドメインとブロードキャストドメイン

|デバイス|OSI参照モデル|デバイスの特徴|コリジョンドメインの分割|ブロードキャストドメインの分割| |:---:|:---:|:---:|:---:|:---:|:---:| |ルータ|ネットワーク層|宛先IPを見てパケット転送|〇|〇| |L3スイッチ|ネットワーク層|宛先IPを見てパケット転送|〇|〇| |L2スイッチ|データリンク|宛先MACを見てフレーム転送|〇|×| |ブリッジ|データリンク|宛先MACを見てフレーム転送|〇|×| |リピータハブ|物理層|電気信号を増幅し信号転送|×|×| |リピータ|物理層|電気信号を増幅し信号転送|×|×|

8. L2スイッチング（フィルタリング、フレーム転送方式）

Layer2スイッチの機能

Layer2スイッチはデータリンク層でMACアドレスを見ながらフレームの宛先を判断して転送を行う機器。Layer2スイッチにはフラッディング、フィルタリング、エージング等の機能がある。

スイッチに電源を入れた起動時では端末がデータの送受信をしていない場合、スイッチ上のMACアドレステーブルにはどのホストのMACアドレスも学習していない状態。

ホストAがCにフレームを送信すると、送信元MACアドレスが「0000.0000.0001」宛先MACアドレスが「0000.0000.0003」となる。スイッチは、そのフレームの送信元MACアドレス、受信したポート番号、そのポートが所属するVLAN番号の情報をキャッシュする。このMACアドレスの情報は、スイッチに手動（Static）ではなく自動（Dynamic）でキャッシュなのでタイプはDYNAMICとなる。

宛先MACアドレス「0000.0000.0003」がキャッシュされていないスイッチは、F0/1を除く全ポート(受信ポートを除く全てのポート)にフレームを転送する。この動作をフラッディングという。ホストCはこのフレームを受信し処理し、ホストBは自分宛ではないのでフレームを破棄する。

ホストCがAにフレームを送信すると、送信元MACアドレスが「0000.0000.0003」宛先MACアドレスが「0000.0000.0001」となる。スイッチは先ほど同様に各種情報をキャッシュする。宛先MACアドレス「0000.0000.0001」がキャッシュされているスイッチは、宛先となるポート(F0/1）にのみフレームを転送する。この動作をフィルタリングと言う。

MACエントリの最適化のため、MACアドレステーブルの情報は、一定時間（Catalystの場合には300秒）通信が発生しなければ削除される。この動作をエージングと言う。

Layer2スイッチのフレーム転送方式

スイッチにおけるフレームの転送方式はストアアンドフォワード、カットスルー、フラグメントフリーの3つがある。スイッチが高性能化している現在、どのメーカーのスイッチも転送方式にストアアンドフォワードを採用している。

ストアアンドフォワード

1つのフレーム全体を受信した後、メモリに蓄積（ストア）してから、FCSによるエラーチェックを行う。問題なければ転送（フォワード）する。他の方式に比べ転送速度が遅くなりやや高価な機器が必要となるが、通信品質の良いフレームの転送方式。

カットスルー

フレームの先頭6byteだけ(宛先MACアドレスだけ）を読み込み、転送する。転送速度が高速になるが、エラーチェックができないことから通信品質は低下する.。

フラグメントフリー

フレームの先頭64byteだけを読み込み、フレームが正常か確認して、問題がある場合破棄して、正常であれば転送する。カットスルーよりも信頼性が高く、ストアアンドフォワードに比べると転送速度が高速となる。

Layer2スイッチの管理設定

Layer2スイッチにIPアドレスやデフォルトゲートウェイを設定していなくても、スイッチに　接続するホストやルータは問題なく通信できる。しかし、スイッチのステータス確認や設定変更を行いたい場合　に、スイッチにアクセスするためには、IPアドレスやデフォルトゲートウェイを設定する必要がある。

Catalystスイッチの管理設定の基本であるホスト名、IPアドレス、デフォルトゲートウェイのを紹介する。

9. 半二重通信/全二重通信

全二重通信 / 半二重通信

全二重通信 ( full duplex ) とは、データの送信と受信を双方から同時に行える通信方式。
半二重通信 ( half duplex ) とは、データの送信と受信を同時に行えず、時間を区切って片方向からの送信しかできない通信方式。

全二重通信は、半二重の2倍の帯域幅を利用することが可能。

オートネゴシエーション機能

イーサネットLANでは機器同士で通信速度や通信モードを合わせていなければ通信が不安定になる。IEEE802.3uにより標準化されたオートネゴシエーション機能では通信速度と通信モードを自動的に最適化する。機器間でFLPバーストという信号を交換することで相手の通信速度と通信モードを検出し、以下の優先順位に従い決定する。

① 100BaseTXの全二重 ⇒ ② 100BaseTXの半二重 ⇒ ③ 10BaseTの全二重 ⇒ ④ 10BaseTの半二重

オートネゴシエーション機能のトラブル

両方の機器がオートネゴシエーション機能をサポートしている場合は、便利だが、対向機器がサポートしていない場合や無効にしている場合ではオートネゴシエーションが失敗する。以下のとおり通信モードの不一致が発生する。

通信モードの不一致が発生するとデータトラフィックの送受信なら半二重通信でも遅いだけだが、ボイストラフィックの送受信の場合には、半二重通信では「音声品質がボロボロ」となるため、絶対に行ってはならない。

10. ルータの動作の仕組み

ルータの動作の仕組み

通信相手のホストが異なるネットワークセグメントにいる場合、ルータやL3スイッチを経由して通信を行う必要がある。今回はルータを経由したホストAとBの通信がどのようになるか説明する。

ホストAは自身のIPアドレスとサブネットマスクの情報から、通信相手のホストBは異なるセグメントにいると認識してデフォルトゲートウェイにデータを送信しようとしている。
Ethernet LANで通信するためにはMACアドレスの情報が必要なのでARPリクエストをブロードキャスト。
ルータFa0/1で受信すると、要求されるIPが自分のIPと一致したのでARPリプライでMACアドレスを通知。

ホストAはデフォルトゲートウェイ（ルータ）のFa0/1のMACアドレスを知られたため、ルータにパケットを転送する。
パケットを受信したルータは、宛先MACアドレスが自身のFa0/1のアドレスであると分かるが、宛先IPアドレスは自身インターフェースのIPアドレスではないと分かる。
ルータはルーティングテーブルに従いパケットをFa0/0に転送する。
ネクストホップがconnectedであることから、ルータ自身のインターフェース（Fa0/0）のセグメントであると分かる。

宛先IPアドレスが自身のインターフェースのセグメントなので、ルータは 192.168.2.1 のMACアドレスをARPキャッシュしていないか確認してARPテーブルに 192.168.2.1 とMACアドレス情報がない場合、ARPリクエストを送信。
ホストBは自身のIPアドレスと合致したので、ARPリプライで自身のMACを通知。

ホストBからのARPリプライにより、ホストBのMACアドレスが分かったルータはホストBにパケットを転送。先ほどのパケットフォーマットとの変更点は、送信元MACアドレスと宛先MACアドレスである。
今度は逆にホストBからAへの通信は同様の流れで、ホストBが192.168.2.254のMACアドレスを知ることから開始。

ネットワークデバイスとOSI参照モデル

スイッチはデータリンク層の機器だが第二層まで見て、ルータはネットワーク層の機器だが第三層までみて動作を行っている。

ホストの場合、物理層で受信したイーサネットフレームをデータリンク層から順番にアプリケーション層まで非カプセル化を行っていき、最終的に人間の目で見てわかるデータをパソコン上の画面に出力する。

11. PLC（電力線通信）とは

PLC（Power Line Communication）とは

PLCとは電力線を通信回線として使用する技術のこと。電力線通信、高速電力線通信と呼ばれている。

低速PLC

周波数：10kHz ～ 450kHz
特徴　：9600bpsの低速であり、この周波数での製品は現在ほぼない

高速PLC

周波数：2MHz ～ 50MHz
特徴　：2006年10月に省令改正して使用できるようになった周波数であり現在の主流

UTPケーブルが敷設できない環境や、無線LANの電波が届かない特殊な環境（小規模ネットワーク）で、このPLCを使用することが稀にある。ただし、PLCによる漏洩電波が無線通信や医療機器に影響を与える可能性があると指摘されていることもあり、基本的に普及していない。

PLCの構成

PLCを利用するためには最低でも2台のPLCモデムが必要となる。1つをマスターアダプターとして使用してもう1つをターミナルアダプターとして使用する。PLCが電力線を使用するとはいえPLCモデムへはUTPのLANケーブルで接続する。

PLC - 通信規格

日本国内で利用可能なPLCの通信規格には以下の3つがある。

HD-PLC：CEPCA(CE-Powerline Communication Alliance)で作られた規格で、同団体のパナソニックの登録商標。現在、国内で主流な規格。
HomePlug AV：HomePlug Powerline Alliance（HomePlug）で作られた規格。この団体はアメリカ合衆国の業界団体。
UPA：UPA (Universal Powerline Association) という団体で作られた規格。この団体はスペインの業界団体。

変調方式	メディアアクセス制御方式	暗号技術	使用周波数帯	最大物理速度
Wavelet OFDM/PAM	TDMA・CSMA/CA	AES 128bit	4 - 28MHz	210Mbps

HD-PLCに準拠した世界初の第3世代PLCアダプター

I-O DATAのPLC-HP240EA-S はHD-PLCに準拠した第3世代PLCアダプター。最大240Mbps（規格値）の高速通信を実現。