イーサネットとスイッチング

イーサネット

イーサネットとは、PCやNW機器を接続する媒体(LANケーブルや光ケーブル)とフレーム形式の規格です。主に有線LANに用いられます。※無線LANではWi-Fiという別の規格が用いられます。

規格名	通信速度	ケーブル種類	最大ケーブル長	備考
1000BASE-T	1Gbps	UTP（Cat5e以上）	100m	LANケーブル
10GBASE-T	10Gbps	UTP（Cat6a以上）	100m	10G対応のLANケーブル
1000BASE-SX	1Gbps	62.5/50μm マルチモードファイバ	275m(62.5), 550m(50)	短距離用光ケーブル
1000BASE-LX	1Gbps	9μm シングルモードファイバ	5-10km	長距離用光ケーブル

UTP：シールドなしツイストペア

62.5μmなど：光ファイバーのコアの直径

UTPケーブルにはカテゴリーがあります。

カテゴリー	最大伝送速度	最大伝送帯域幅	備考
Cat1	アナログ音声信号	-	電話回線用
Cat3	10Mbps	16 MHz	化石
Cat5	100Mbps	100 MHz	化石
Cat5e	1Gbps	100 MHz	主流
Cat6	1Gbps（50mまで10Gbps）	250 MHz	主流
Cat6a	10Gbps	500 MHz	主流
Cat7	10Gbps	600 MHz	アース処理が必須
Cat8	40Gbps	2000 MHz	データセンター用途（最大30m）

イーサネットフレームの構造

イーサネットでデータを送るときは、フレームという形式で送ります。最も一般的なフレームのタイプは、イーサネットⅡフレームです。

	プリアンブル	宛先MACアドレス	送信元MACアドレス	タイプ	ペイロード	FCS
フィールド長 (byte)	8	6	6	2	46-1500	4

プリアンブル：フレームの始まりを合図する8byteの固定値フィールド

10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101011

宛先MACアドレス：宛先のNICのMACアドレス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：送信元のNICのMACアドレスが入る。

タイプ：ペイロードにカプセル化されたプロトコルを識別するためのEther-Typeと呼ばれる値が入る。

EtherType	プロトコル
0x0800	IPv4
0x0806	ARP
0x86DD	IPv6

ペイロード：上位層プロトコルのヘッダとデータ

| L3ヘッダ | L4ヘッダ | L7ヘッダ | データ |

FCS：フレームに破損がないことを確認するための値が入る。フレームチェックシーケンスの略。

ユニキャスト、ブロードキャスト、マルチキャスト

ネットワーク通信には、主に3つの種類があります。

ユニキャスト：1つの送信元から1つの特定の宛先へフレームが送信される通信。1対1

ブロードキャスト：1つの送信先から、すべてのホストにフレームが送信される通信。1対すべて

マルチキャスト：複数のホストで構成されたグループのメンバーにフレームが送信される。1対グループ

MACアドレス

MACアドレスは、NICのチップに書き込まれている一意のアドレスです。NICの工場出荷時に設定されます。物理アドレスと呼ばれることもあります。データリンク層では、このMACアドレスに基づいてフレームを転送します。

MACアドレスは、48bitの値で12桁の16進数で表記します。書き方はいろいろあります。

00:00:5E:00:53:AA
00-00-5E-00-53-AA
0000.5e00.53aa

など

先頭の24bitは、OUIと呼ばれるネットワーク機器の製造ベンダーを識別する世界共通の番号です。

ブロードキャストMACアドレスは「FF:FF:FF:FF:FF:FF」です。

マルチキャストMACアドレスは、先頭の25bitは「01:00:5E」固定で、あとの23bitはマルチキャストグループIPアドレスから計算される値です。

フレームスイッチング

フレームスイッチングは、ネットワーク機器であるスイッチがデータリンク層（L2）でフレーム単位の転送を行う仕組みのことです。スイッチは、MACアドレステーブルと呼ばれる「MACアドレス」と、「そのMACアドレスに転送する際に使用するポート」の対応表を参照しフレームを転送します。このMACアドレステーブルは、CAMという高速に検索できる特殊なメモリに格納されています。そのため、スイッチのMACアドレステーブルをCAMテーブルと呼ぶこともあります。

フレームスイッチングの動作

	アクション
1	スイッチのポート1でPC Aからのフレームを受信します。
2	スイッチは、（PC Aの）送信元MACアドレスと、フレームを受信したポートをテーブルに記録します。
3	スイッチは、テーブルに宛先MACアドレスがあるか確認します。未知のアドレスだったので、フレームを受信したポート以外のすべてのポートにフレームをフラッディングします。この例では、PC BとPC Cの両方がフレームを受信します。
4	宛先MACアドレスと一致するMACアドレスを持つデバイス（PC B）が応答し、フレームをPC A宛に送信します。宛先MACアドレスと一致しないMACアドレスを持つデバイス（PC C）はフレームを破棄します。
5	スイッチは（PC Bの）送信元MACアドレスと、フレームを受信したポート番号をテーブルに記録します。
6	宛先MACアドレスのポートがテーブルに登録されているので、フラッディングを行うことなく、ポート1のみにフレームを送信します。

ステップ1

スイッチのポート1でPC Aからのフレームを受信します。

MACアドレス	ポート
-	-

ステップ1

ステップ2

スイッチは、（PC Aの）送信元MACアドレスと、フレームを受信したポートをテーブルに記録します。

MACアドレス	ポート
AA:AA	1

ステップ2

ステップ3

スイッチは、テーブルに宛先MACアドレスがあるか確認します。未知のアドレスだったので、フラッディング（フレームを受信したポート以外のすべてのポートにフレームを送信）します。この例では、PC BとPC Cの両方がフレームを受信します。

MACアドレス	ポート
AA:AA	1

ステップ3

ステップ4

宛先MACアドレスと一致するMACアドレスを持つデバイス（PC B）が応答し、フレームをPC A宛に送信します。宛先MACアドレスと一致しないMACアドレスを持つデバイス（PC C）はフレームを破棄します。

MACアドレス	ポート
AA:AA	1

ステップ4

ステップ5

スイッチは（PC Bの）送信元MACアドレスと、フレームを受信したポート番号をテーブルに記録します。

MACアドレス	ポート
AA:AA	1
BB:BB	3

ステップ5

ステップ6

宛先MACアドレスのポートがテーブルに登録されているので、スイッチは、ポート1のみにフレームを送信します。

MACアドレス	ポート
AA:AA	1
BB:BB	3

ステップ6

MACアドレスエントリの保存期間

MACアドレスエントリとは、MACアドレステーブルの1行のことです。スイッチは、MACアドレステーブルにエントリを追加した際に、このエントリに対してデフォルトで300秒のエージングタイマーを開始します。エージングタイマーが時間切れになると、そのエントリはMACアドレステーブルから削除されます。

フレームスイッチングに関するよくある勘違い

フレームスイッチングはシンプルな仕組みですが、いくつか誤解されやすいポイントがあります。

スイッチは宛先MACアドレスで学習する

間違いです。スイッチが学習するのは送信元MACアドレスです。つまり、フレームを送ったきた方のMACアドレスを記録します。宛先MACアドレスは、テーブルから探すだけです。

未知の宛先フレームは破棄される

間違いです。未知の宛先フレームはフラッディングされます。

フレームスイッチングは、IPアドレスも影響する

間違いです。フレームスイッチングにおいては、L2ヘッダ（MACアドレス）だけを使用し、IPアドレスやポート番号は全く関係ありません。※ただし、L3スイッチのACL、QoSなどの機能ではIPアドレスなどを参照することがあります。

ポートとMACアドレスは常に1対1で対応する

間違いです。実際には、1つのポートに対して複数のMACアドレスが登録されることもあります。この例では、スイッチ1のポート2に、PC BとPC Cの2つMACアドレスが登録されます。

MACアドレス	ポート
AA:AA	1
BB:BB	2
CC:CC	2

スイッチは複雑で難しい

間違いです。スイッチの基本機能は、宛先MACアドレスとMACアドレステーブルに従ってフレームを転送する。ただそれだけです。

おわり

以上、イーサネットとフレームスイッチングの基本でした!