技術アウトプット（CCNA編）

Taisei

　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内の機器について紹介していきたいとおもいます！

※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内の機器

　イーサネットLAN内で使用される機器には様々なものがあります。LAN内にある多くの機器を接続するには、複数のケーブルを接続するような集線装置が必要になります。ここではそうしたネットワーク機器について説明します。

主要な機器

　一般的なネットワークは、サーバやPC、LANケーブル、ルータやLANスイッチなどのネットワーク機器から構成されます。
　ネットワーク機器は、OSI参照モデルのレイヤ１からレイヤ３までに対応しています。
　まず初めに、物理層の機器であるリピータハブやデータリンク層の機器でるレイヤ２スイッチについて紹介していきます。

リピータハブ

　リピータハブは、受信した電気信号を中継する機器で、ネットワークに複数の端末を接続するために使われます。OSI参照モデルの物理層で動作する機器です。
　リピータハブは端末から届いた電気信号を増幅したり、整えたりする機能を持っていますが、中継するだけで宛先を見て転送先を決定するといった機能は持っていません。そのために、リピータハブはあるポートから電気信号を受信すると、受信したポート以外の全てのポートからデータを送信します。結果として関係ない端末にもデータがと届いてしまいます。端末は宛先を確認するため、関係ないデータは破棄しますが、無駄にデータが流れてくることになります。リピータハブにつながっている機器は、全員で一つの回線を共有している形になります。
　また半二重通信しかできないため、送信と受信を同時にできません。複数のポートから同時に電気信号を受信した場合は、データの制御ができないためコリジョンが発生します。
　そのため接続する端末が増えてくると通信効率が悪くになります。最近ではスイッチの機能の一部を持ったスイッチングハブやスイッチを使用することが多いため、リピータハブを使用することはなくなっています。

リピータハブ

レイヤ２スイッチ

　ネットワークを構成する上で重要であるレイヤ２スイッチ（スイッチ）について紹介していきます。
　スイッチは、ネットワークを構成する上で重要な機器です。集線装置であり、接続したコンピュータなどの機器同士の相互通信を可能にします。LAN内で使用されるスイッチをLANスイッチといいます。LANスイッチにはL３スイッチとL２スイッチがあります。
　L２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です。
　先ほど説明したリピータハブは、基本的にデータを受信したポート以外の全てのポートにデータを送信します。一方、スイッチは、目的の場所に対してデータを送信することができ、また同時に複数の端末が通信可能です。
　こうした動作が実現できるようにスイッチは、フィルタリング、MACアドレスの学習、フロー制御といった機能を備えています。
　次にスイッチの機能について見ていきます。


スイッチ


１：フィルタリング機能

　スイッチが目的の相手にのみデータを送信するには、その相手がスイッチのどのポートの接続しているかを識別できるようにしなければなりません。スイッチでは、受信したフレームの宛先MACアドレスを基に送信先を識別します。そのため、スイッチは内部に、スイッチのポートとそのポートに接続している端末のMACアドレスを紐付けたMACアドレステーブルをもっています。
　スイッチは受け取った電気信号をフレームに変換し、宛先MACアドレス確認します。その後、宛先MACアドレスを基にMACアドレステーブルを検索し、該当するポートにデータを送信します。この動作をフィルタリングと言います。

２：MACアドレスの学習　

　フィルタリングに使用するMACアドレステーブルは、最初からMACアドレスとポートの情報が登録されているわけではなく、最初はどのポートにどの端末が接続されているか分かりません。
　スイッチはデータを転送しながらMACアドレスを学習していきます。その手順を見ていきましょう。
　初期状態や再起動状態のスイッチでは、MACアドレステーブルに何も情報が登録されていません。つまり、MACアドレスを学習していない状態です。この状態のスイッチに接続されている、PC1からPC3へ通信を行なった際の動きとMACアドレスの学習について以下の通りになります。

  1. スイッチはPC1からフレームを受信します。

  2. 受信したスイッチでは、フレームの送信元MACアドレス(PC1)と受信したポートを紐付けて、MACアドレステーブルに登録します。

  3. 宛先MACアドレス(PC3)を基にMACアドレステーブルを検索した結果、宛先に該当する情報がないため、受信したポート以外の全てのポートからフレームを送信します。この動作をフラッディングと言います。

  4. PC2とPC3はフレームを受信します。PC2は自分宛のフレームではないため破棄します。PC3は自分宛なので処理します。PC1に対して応答をする必要がある場合、フレームをPC1に向けて送信します。この時フレームの送信元MACアドレスはPC3のMACアドレスになり、宛先MACアドレスはPC1のMACアドレスとなります。

  5. PC3からフレームを受信したスイッチは、送信元MACアドレス(PC3)と受信したポートを紐付けて、MACアドレステーブルに登録します。

  6. フレームの宛先MACテーブル(PC1)を基にMACアドレステーブルを検索してみると、すでに登録されており、最初に登録したポートにだけフレームを送信します。

　このようにして、スイッチはMACアドレスを学習していきます。宛先がFF-FF-FF-FF-FF-FFとなったブロードキャストの通信を受信した際は、受信したポートからフレームを転送します。
　学習したMACアドレスは、一定時間が経過するとMACアドレステーブルから削除されます。これをMACアドレスのエージングと言います。
　MACアドレスに情報が登録されたため、次回以降はPC1からPC3までへフレームを送信する際に、MACアドレステーブルを参照して登録したポートから転送します。
　MACアドレステーブルに宛先MACアドレスの情報が登録されている場合は、そのポートからデータを転送します。MACアドレスに該当する情報がない場合はフラッディングを行います。

３：フロー制御

　スイッチには、MACアドレステーブルが保存されているメモリとは別にバッファメモリがあり、そこに全てのポートで受信したフレームが蓄積されます。受信処理が追いつかなくなり、バッファメモリが溢れそうになると、各ポートに接続している機器に信号を送り、フレームの制御を抑制します。これをフロー制御といい、バックプレッシャ制御とI.EEE 802.3xフロー制御の二つの方式があります。

　バックプレッシャ制御はフロー制御の一つで、CSMA/CD方式のアクセス制御を応用して輻輳制御を行います。輻輳とは、トラフィック量が増大してデータを処理できなくなる状態のことです。
　スイッチは、基本的に受信したフレームをバッファメモリに格納し、そのデータを監視しています。バックプレッシャ制御では、バッファメモリの残り容量に基づき、次の方法で輻輳制御を行います。

  1. 端末からフレームを受信し、バッファメモリに格納する。

  2. 処理が追いつかなくなり、バッファメモリの残りの容量が減少し、溢れそうになる。

  3. 送信側にジャム信号を送る。

  4. フレームの送信元の端末は、コリジョンが発生したと判断し、CSMA/CD方式の従ってランダムな時間待つことで送信するデータ量を抑制する。

　バックプレッシャ制御では、CSMa/CD方式を応用した輻輳制御を行うため、半二重通信で使用されます。

　I.EEE 802.3xフロー制御は、スイッチ上のバッファメモリを監視する点は同じですが、データの送信を制御するためにPAUSEフレームを送信します。

  1. 端末からフレームを受信し、バッファに格納する。

  2. 処理が追いつかなくなり、バッファメモリの残りの容量が減少し溢れそうになる。

  3. 送信側にPAUSEフレームを送信する

  4. フレームの送信元の端末は、PAUSEフレームの情報を基に指定時間だけデータ送信を停止する。

　I.EEE 802.3xフロー制御は全二重通信で使用されます。

　イーサネットLAN内の機器についてまとめていきました！次回はイーサネットLAN内の機器の続き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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