■ イーサネットとIEEE802.3の関係

さて、レイヤ２の話が続く。
今日はイーサネットとIEEE802.3の話だ。

LANの規格ですね。
その２つはほぼ同一と聞きましたけど？

そうだな、当然と言えば当然だ。
まず、最初にイーサネットが存在した。

創世記みたいですね。
そしてイーサネットはこう言いたもうた。「光あれ」

黙って聞け。
1970年代の末期にXeroxが開発。1980年に、Xerox、intel、DECの３社が共同で規格をまとめた。これを３社の頭文字をとって、DIX-Ethernetと言う。▼ link

最初からIEEEの規格ではなかったってことですか？

そうだ。
このDIX-Ethernetが便利だっていうので、IEEEが標準化したものがIEEE802.3だ。

イーサネットはIEEE802.3の生みの親なんですね。
確かに同じになりますね、これは。

うむ。
なので最近では、IEEE802.3も含めてイーサネットと表記されることが多い。

ははぁ、了解です。

■ イーサネットのフレーム構造

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する。

あれ？ 同軸ケーブルって今は使うのはよろしくない、となっているのでは？

うむ。今はそうだ。
だが、イーサネット/IEEE802.3が作られた当初は同軸ケーブルが基本だったのだ。なのでそういうことになっている。

過去の名残って奴ですか。

そうだな。これについてはまた先で説明する。
それはともかく、レイヤ２ではフレームを作成するのだったな。

また出てきましたね。カプセル化って奴ですか。
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す、はい。

うむうむ。いくらなんでも覚えたようだな。
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る。

青色の所は、フレームに包まれるパケットの部分だ。それ以外のところが、イーサネットでフレームを作るときに付け加えられる情報になる。
このようなレイヤ２の情報を付加するということだな。

パケットが最小で46バイトだから、１フレーム全体で最小72バイト。最大で1526バイトってことですか。

そう考えることもできる。だがプリアンプルは、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だ。
ここは計算に入れないで、最小64バイト、最大1518バイトと考えるのが普通だ。

ふむふむ。

プリアンブルが終わると、宛先MACアドレスと送信元MACアドレスがある。
MACアドレスについては前回話したな。

えぇ、48ビットのNICにつけられたアドレスですよね。

その後、タイプがある。ここまでがパケットの先頭につける情報だ。
そして、パケットの後ろにエラーチェック用のFCSをつけて、フレームが完成する。

なるほどなるほど。
その後レイヤ１に引き渡し、電気信号に変えて相手に伝えるわけですね。

そうだ。ちなみにIEEE802.3ではタイプのところが「長さ/タイプ」が入る。
さらにパケットが最大1497バイトになり、減った３バイト分IEEE802.2で決められたLLC副層の情報が入る。そこがイーサネットとIEEE802.3の違いだ。

そんだけなんですか？

他にも４ビットほどオプションがつけれるようになったが、それだけだ。
実際の長さはオプションをつけなければ変わらないし、中身もほぼ同一だ。

ははぁ。

■ イーサネットの特徴

さて、このように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る。

イーサネットでは、送信されたフレームは、メディアを通りすべてのノードに到達する。
このような型をブロードキャスト型という。

ぶろーどきゃすと？
全員が受け取るんですね。

そうだ。特定の誰かにデータを送るときでも、全員が受け取ることになる。
とりあえず、全員に送っておけば、送りたい人にも届く。シンプルだろ？

シンプルっていうか、豪快っていうか。

■ CSMA/CD

問題は、誰かが送っている最中は他の人は送信できない。同軸ケーブルは伝送路が１本しかないので衝突が発生するからだ。

同軸ケーブルは、銅線１本でベースバンド方式だから、信号が１つしか通らないんですよね。

露骨な解説ありがとう。
ともかく、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」時にCSMA/CDという制御を使う。

しーえすえむえー/しーでぃー？

これ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だ。
そうだな自由に発言権がある会議だと考えるのが手っ取り早い。

会議ですか？

うむ。
まず、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)だ。

ふむふむ。

誰かが話し終わったら、誰でも次に発言してよい。
別に発言の順番などない。これが多重アクセス(MA)。

多重アクセス。

発言したい人がたまたま同時に発言してしまった場合。つまり自分が喋りつつ、他人の声が聞こえた場合、いったん話すのを止め、少し待つ。
これが衝突検出(CD)だ。

ん？
誰かの発言が終わるのを待ってから喋るのに、何故他の人と発言がぶつかる事があるんですか？

それは、音が伝わるスピードに限界があるからだ。
誰かが喋る声が聞こえる前に、誰も喋っていないから発言してしまうという可能性があるのだ。さらに誰も喋っていないことを確認してから、喋りだすまでにラグがあるからだな。

ははぁ。

実際のイーサネットの場合は、以下のようになる。

衝突カウンタって？

衝突の回数を数えるものだ。後で使う。

何故一定時間待つかというと、フレームを連続して送るノードがあった場合、そのノードが占有してしまうことになる。
なので一定時間まって、他ノードが送信するチャンスを与えるためだ。

ははぁ、多重アクセスですね。

そうだ。

衝突してなければ、これで終わりですか。

衝突が発生してなければ、無事相手に届いたことになるからな。

この衝突が起きた場合の行動をバックオフと言い、待つランダムな時間のことをバックオフ時間と呼ぶ。

ふむふむ。衝突が起きて、相手に上手く届かなかった場合、もう一度送りなおすのですね。
でも、何故16回送るのに失敗したら、止めてしまうのです？

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、あまりにも混雑しすぎている事が多い。
その場合、何度やっても無意味だからだ。

ははぁ。

言葉だけでは、わかりづらいかもしれんので、下の図でもう一度説明する。

うむ。CSMA/CDはわかったかな？

う〜ん。なんとか。

■ 受信側の対応

ならばよし。
さて、送信の場合はCSMA/CDでアクセス制御を行うわけだが。フレームを受け取った側が行うことも説明する。

うへぇ。受信側もなにか制御をするんですか。

送信時ほど複雑なことを行わない。
イーサネットはフレームが全員に届くのだったな？

えぇ、上でそうおっしゃってますよね。

誰かに送ったのだが、全員に届いてしまう。
それだったら、宛先など必要ないだろう？

そう言われればそうですね。

だが、自分が読む必要のないデータをわざわざ読んで、「これは自分にはいらない」と判断するのも莫迦らしい。
なのでやはり宛先は必要なのだよ。

それもそうですけど。いるのかいらないのかどっちなんですか？

もちろん必要だ。
なので、受信した時点で、宛先MACアドレスと自分のMACアドレスを比較する。

自分宛てかどうか確かめるんですね。

そうだ。自分宛でない場合は、その場で破棄する。
そうすれば、わざわざ自分宛てでないフレームを処理する手間が省ける。

なるほど。

その後、エラーチェックを行い、正しいデータであることを確かめる。
エラーだったら、破棄する。それが終わったなら、レイヤ３に引き渡し、上位の処理を行うわけだ。

自分宛かどうか確かめ、エラーがないかどうか確かめ、その上で次に進む、と。

■ ベストエフォート型配送

さきほども言ったが、イーサネットはCSMA/CDというシンプルなアクセス制御を行う。
言葉にすれば、「誰かが通信してるなら、待つ。誰もしてないなら送信できる。もし誰かとぶつかったらもう１回」だ。

そう聞くと、なんかやけに簡単ですね。

簡単なのだよ。なので制御に特別な機器が必要ない。なので安価にネットワークが構築できるわけだ。
これがイーサネットが普及し、現在の主流になってる理由の１つだな。

シンプルさは勝利の秘訣って感じですか。

だが、シンプルさ故の欠点もある。エラーフレームは問答無用で破棄してしまう所だ。
もしかしたら、衝突以外のノイズなどでエラーになってしまったかもしれない。しかし送信した側は破棄されたかどうかわからない。

そうですね。
相手に送ったはいいですけど、それが破棄されたかどうか確かにわからないですね。

だからといって、受け取った側がエラーだからと修正したりもしない。
このような通信方法はベストエフォート型配送という。

べすとえふぉーと。

うむ。まあイーサネットはかなり信頼性の高い方式なので、それほどエラー発生率が高いわけではないけどな。
ただ上位レイヤで、確実に配送する方法を確保するためのプロトコルを使用はする。

え〜っと。レイヤ４ですね。

ほほぅ、その通りだ。それについてはその時話そう。
さて、イーサネットについてはもう少し話すことがあるので、次回もイーサネットの話だ。

了解です。
３分間ネットワーキングでした〜♪