技術アウトプット(CCNA編)
皆さんこんにちは！エンジニアファーストの会社、株式会社CRE-COのTaiseiと申します！今回も技術アウトプットやっていきたいと思いますのでよろしくお願いいたします！今回はイーサネットLANの基礎について紹介していきたいと思います！
※本記事では下記を中心に参考文献から学習した結果、要点をまとめて投稿しています。
イーサネットLANの基礎について
イーサネットはLANで最も使われているプロトコルです。イーサネットはOSI参照モデルではデータリンク層と物理層、TCP/IPモデルではリンク層で動作します。まずは使われているケーブルについてみていきましょう。
イーサネットLANのケーブルと規格
ネットワークを構築する際、環境や利用する危機などに応じて様々なケーブルを使用します。
同軸ケーブル 伝送用の一本の動線を絶縁体で囲んだケーブル。LANのほか、テレビのアンテナ用に使用される。
ツイストペアケーブル 銅線を２本ずつペアにして合わせたケーブル。シールド付きのSTP、シールドなしのUTPがありLANに使用される。
光ファイバーケーブル 石英などで作られたコアという芯をクラッドが童心円状に覆う構造で光信号を反射させて利用するケーブル。光通信に利用される。
以上、三つの種類があります。企業や家庭でLANを構築する際には、ほとんどの場合、ツイストペアケーブル利用します。 ペアケーブルにはノイズに強いシールド付きのSTPとシールドなしのUDPがありますが、日本ではUTPが主流です。ツイストペアケーブルは、一般的にはLANケーブルと呼ばれます。
LANケーブルのピンの割り当て
LANケーブルのコネクタにある電極一つ一つをピンと呼びます。４対８線式のLANケーブルの場合、１から８までで構成されます。
LANケーブルには、ストレートケーブルとクロスケーブルに2種類があり、このピンの並びに違いがあります。
ストレートケーブルはケーブル内で８本の銅線がストレートに配線されているため、ケーブルの両端でピンの並びが同じとなっています。
クロスケーブルはケーブル内で８本の銅線の一部がクロスして配線されているため、ケーブルの両端でピンの並びが異なっています。
これらのケーブルの使い分けは、どう行った機器を接続するかで変わります。使い分け方を理解するためにLANケーブルを差し込むポートの仕様についてみていきましょう。
MDIとMDI-X
LANケーブルを差し込むポートには、MDIとMDI-Xの２種類があり、機器によってどちらの仕様かが決まっています。この２種類は受信と送信で使用するピンが異なる仕様となっています。
MDI ８本のうち１番目と２番目を送信、３番目と６番目を受信に使用する。ルーターやPCなどに使われる。
MDI-X ８本のうち１番目と２番目を送信、３番目と６番目を受信に使用する。ハブやスイッチなどに使われる。
通信する際は、送信と受信が向かい合うように接続する必要があります。
MDIのポートをもつ機器同士やMDI-Xのポートを持つ機器同士をそのまま繋いでしまうと、お互いに送信と受信が向かい合ってしまいます。
そのために、先ほどのストレートケーブルとクロスケーブルを使い分ける必要があるのです。
ストレートケーブルは、MDIのポートを持つ機器とMDI-Xのポートを持つ機器を繋げるために使用します。
クロスケーブルを使う際は、MDIのポートを持つ機器同士やMDI-Xのポートを持つ機器同士で接続する際に使用します。ストレートに銅線を伸ばすと送信と受信が向かい合わないため途中で銅線をクロスさせて送信と受信が向き合うようにします。
同じ仕様のポートを持つ機器同士はクロスケーブル、異なる仕様のポートを持つ機器同士はストレートケーブルで接続することになります。
近年では、MDIのポートとMDI-Xのポートを自動で切り替えることができる、Auto MDI/MDI-Xという機能を備えた機器が多くなっています。この機能がある機器では、ストレートケーブルでもクロスケーブルでもどちらのケーブルでも問題なく接続することができます。
イーサネットの規格
イーサネットは、現在LANで最も利用されている規格です。IEEE 802.3委員会によって標準化されています。
イーサネットは接続方式やアクセス制御方式、ケーブルの伝送速度や長さ、フレームの形式などを規定しています。ネットワークの技術の進捗に合わせて伝送速度が速い仕様が追加されてきました。このイーサネットにはいくつかの規格があります。
LANケーブルのカテゴリ
LANによく使われるUTPはカテゴリに分けられており、カテゴリごとに対応するLANの規格が違います。
イーサネットLANにおけるデータの送受信
イーサネットでは、通信の際にネットワーク内の端末をMACアドレスで識別します。まずMACアドレスについてみていきます。
イーサネットのアドレス
MACアドレスはネットワークインターフェースカード(NIC)に割り当てられている固有の識別子で、物理アドレスやハードアドレスとも呼ばれます。
MACアドレスは４８ビットで１２桁の１６進数を２桁毎にハイフンまたはコロンで区切っています。
前半の２４ビットはNICのベンダを識別するIDでOUIと言います。このIDはIEEEが管理しています。後半の２４ビットは各ベンダが独自に割り振ります。その際にベンダ内で重複しないように割り振りられています。そのためこの２つを合わせると世界で唯一のMACアドレスになります。
イーサネットで扱うデータ
イーサネットでは下記に示すフォーマットのデータを扱います。このデータをイーサネットフレームと言います。イーサネットフレームには、IEEE 802.3形式とEthernet Ⅱ形式があります。
下記にイーサネットフレームのフィールドをまとめます。
プリアンブル １と０のビット列の信号で、イーサネットフレームでの通信時に同期を取るために利用される。IEEE 802.3形式では７バイトのプリアンブルと１バイトのSFDで構成される。
宛先MACアドレス 通信する宛先のMACアドレス
送信元MACアドレス 通信する送信元のMACアドレス
タイプ 上位層のプロトコルを表す値
データ 最小４６バイト、最大１５００バイトのデータを格納する
FCS 受信したデータに誤りがないかどうかをチェックするためのフィールド
データ部にはパケットが格納されています。パケットにプリアンブル、イーサネットヘッダとFCSを付加することで、イーサネットフレームとなります。FCSにはエラーチェック用のCRC値が入っています。
イーサネットヘッダの部分に、宛先や送信元を識別するためのMACアドレスの情報が格納されます。イーサネットフレームの最大サイズを計算するにはそれぞれのサイズを計算すればいいのですが、この時プリアンブルは含めない為、イーサネットフレームの最大サイズは１５１８バイトとなります。
半二重通信と全二重通信
イーサネットでは半二重または全二重で通信を行います。
半二重通信は、データの送信と受信を同時に行わず、送信側と受信側が交互にデータを送信することで通信を行う形式です。
一方、全二重通信は、データの送信と受信を受信側が同時に行うことができる方式です。現在一般的にツイストペアケーブルが使用されているLAN環境では、ほとんどが全二重通信となります。
CSMA/CD方式のアクセス制御
半二重通信の場合、同時にデータを送信してしまうとデータの衝突（コリジョン）が発生してしまいます。後述するリピータハブを使うと半二重になります。データの衝突が起きるとデータの送受信ができなくなるためアクセス制御により通信を制御します。
イーサネットでは、アクセス制御にCSMA/CD方式を利用します。
CSMA/CD方式では、端末は通信ルート上にデータが流れていないことを確認してからデータを送信します。その後データの衝突が発生していないかを監視します。衝突が発生した場合、それを検知し、衝突が起きたことを知らせるためのジャム信号を送信します。
回線を共有している他の端末はジャム信号を受け取るとデータの送信を中止し、ランダムな時間待機してからデータを再送信します。ランダムな時間なので、先に待ち時間が終わった端末から通信を再開し、他の端末は通信が終わってから通信を再開します。
近年では全二重で通信することが多く、リピータハブを使うこともないためCSMA/CD方式でのアクセス制御を行うことはありません。
今回はイーサネットの基礎についてまとめていきました！次回はイーサネットLAN内の機器についてまとめていきたいと思います！よろしくお願いします。
今回はここまでです。最後まで読んでくださってありがとうございました。
エンジニアファーストの会社
株式会社CRE-CO Taisei
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