ネットワーク基礎

ネットワークの基礎 ~イーサネット~

復習 ~データリンク層(レイヤ2)とは~

隣接ノード間の通信に関するプロトコル群

  • データの送信元と宛先の識別方法に関するルール(物理アドレス)
  • データ衝突の検知や回避に関するルール
  • 送出するためのデータ加工に関するルールetc

イーサネット

  • 物理層~データリンク層を規格するコンピュータネットワーク規格の一つ。
  • LANの物理層~データリンク層はほとんどイーサネット規格で設計
  • 現在はLANだけでなく、WANにも利用が広がってきており、ネットワークの発展とともに進化し続けている規格
  • LAN≒イーサネット

イーサネットの仕様

  • DIXイーサネットIEEE802.3の二つの規格
  • IEEE(Internet Electrical and Electronics Engineers:米国電気電子技術者協会)はLANの標準化を推進する団体
  • ネットワークの発展に伴いイーサネットの進化に寄与し続けている団体
  • 現状、単にイーサネットといえばIEEE802.3
  • ただし、フレームといえばDIX仕様

IEEE仕様

  • IEEEはデータリンク層をさらにMAC副層(Media Access Control)LLC副層(Logical Link Control)に分けた
  • MAC副層ではケーブルや無線といった伝送媒体に依存するフレームの伝送方式に関するルールを定義
  • イーサネット=IEEE802.3トークンリング=IEEE802.5etc
  • LLC副層は媒体に依存しないIEEE802.2という共通規格を定義

イーサネットのフレーム

  • イーサネットで扱われるフレームは、DIX仕様IEEE802.3の二種類
  • インターネットを支えるTCP/IPで使用されているという理由から、DIX仕様が一般的
  • 構造は似ており、イーサネットで動作するノードは、どちらにも対応している
  • フレームを構成する一つ一つの要素=フィールド

フィールドの詳細

フレームフォーマット(DIX仕様)

プリアンプル

  • フレームの開始をノードに認識させるための特殊な信号
  • 受信時に破棄されるため、厳密にはフレームに含まない

送信元・宛先MACアドレス

  • 送信元・宛先のノードを認識するための番号
  • それぞれ6バイトずつ

タイプ

  • 上位層のプロトコルが何であるかを識別するための番号

データ

  • イーサネットフレームによって運ばれる送信データ
  • フレーム内に格納できるデータのサイズは46~1500バイト
  • 46バイト以下ではデータの後ろを0埋め1500バイト以上では分割して別フレームで送信(MTU=1500バイト)
  • MTU=Maxmum Transmission Unit
  • MTUは、一度に送信できるデータの最大サイズ
  • イーサネットの場合は1500バイトが一般的

FCS(Frame Check Sequence)

  • エラーチェック用の値(CRC値)が格納される

フレームフォーマット(IEEE802.3仕様)

長さ

  • データフィールドの長さ

制御情報(DIX仕様のタイプに代わるもの)

  • 上位プロトコルが何であるかを識別するための情報を含む、IEEE仕様で制御する為の情報が格納される

MACアドレス

  • コンピュータのNICやネットワーク機器の各ポートに対して、製造時に重複なしに付与された番号(アドレス)
  • フレームの送信元や宛先を識別するためにデータリンク層(レイヤ2)で利用される
  • 物理アドレス・ハードウェアアドレスとも呼ばれる
  • 48ビット(6バイト)から成り、16進数12ケタで「-」「:」「.」のいずれかで区切って表記される
  • 00-00-4C-01-F4-5C・00:00:4C:01:F4:5C・00.00.4C.01.F4.5C etc…

MACアドレスの構成

  • 前半24ビット(3バイト)はOUI(Organizationally Unique Identifier)と呼ばれるIEEEが各製造会社に割り当てた番号を表す
  • ベンダーコードとも呼ばれる
  • 後半24ビット(3バイト)は各製造会社が割り当てた番号を表す
  • シリアル番号とも呼ばれる

特別なMACアドレス

  • ユニキャストで送信したい場合は、宛先に相手のMACアドレス
  • ブロードキャストの場合は、ブロードキャストMACアドレス(FFFF.FFFF.FFFF)を指定
  • この際、送信されるフレームは、ブロードキャストフレームと呼ばれる
  • マルチキャストで送信したい場合は、マルチキャストグループに設定されたマルチキャストMACアドレスを指定

イーサネットの命名規則

  • 規格の命名は「通信速度」「伝送方式」「ケーブルの種類」の3部で構成される

例:100 BASE – TX

  • 100 :通信速度
  • 単位はMbps
  • BASE:伝送方式
  • デジタル信号をそのまま送信(ベースバンド方式)
  • BROADの場合は、アナログ信号に変換して送信
  • TX :ケーブルの種類
  • 5or2 :最大ケーブルの長さ
  • T :ツイストペアケーブル
  • F :光ファイバケーブル
  • X :ANSIの技術一部使用etc

代表的なイーサネット規格

  • 特に、グループUTPケーブルの関係は覚える
グループ規格名ケーブル
イーサネット
(10Mbps)
10BASE…
10BASE-T
UTP(Cat3)
ファストイーサネット
(100Mbps)
100BASE…
10BASE-TX
UTP(Cat5)
ギガビットイーサネット
(1Gbps)
1000BASE…
1000BASE-T
UTP(Cat5e)
10ギガビットイーサネット
(10Gbps)
10GBASE…

オートネゴシエーション

  • ノード内の通信規格の違いを判定し、最適な通信規格を自動で選ぶ機能
  • オートネゴシエーションが有効な機器同士、互いにFLP(Fast Link Pulse)という自身の通信規格を知らせる信号を送り合って擦り合わせを行う
  • 共通かつ一番性質のいいものに決定する
  • オートネゴシエーション非対応機種は、NLP(Normal Link Pulse)やIdleという信号を発している

イーサネットの媒体アクセス制御「CSMA/CD(電気の通り道の交通整理・交通ルール)」

  • CSMA/CDは、イーサネットで使用される媒体アクセス制御方式の一つ
  • 一定時間(IFG)のアイドル状態を確認してから送信する
  • コリジョンが発生したら、ジャム信号で全ホストに知らせた後、バックオフで再送処理を行う

CSMA/CDの詳細

  • CS:キャリアセンス
  • 安全重視
  • データを送信できるか確認する
  • キャリア(ネットワーク伝送中の信号)がない状態(アイドル状態)が一定時間(IFG:Interframe Gap)続くとデータ送信可能と判断する
  • MA:多重アクセス(Multiple Access)
  • スピード重視
  • ネットワーク上の全てのホストに送信権利が平等に与えられている
  • CD:衝突検出(Collision Detection)
  • 衝突(コリジョン)を検出し、バックオフで再送を行う

衝突検出時の動作

  • 送信ホストは衝突検出すると送信を停止。直ちに衝突発生を知らせる信号(ジャム信号)が全てのホストに送信される
  • ジャム信号を受け取ったホストは受信を停止。受信データも破棄
  • 送信ホストはランダム時間待機してから再送を行う(バックオフ)。ネットワーク障害などで16回繰り返してダメならフレームを破棄する

全二重通信・半二重通信

  • 全二重通信(full duplex)は送受信同時に行える通信方式。半二重通信は不可
  • 全二重通信は通信速度・効率が良く、コリジョンも起こらない
  • 現在は全二重通信が一般的
  • CSMA/CDは半二重通信のイーサネットで用いられる。全二重通信ではコリジョンが起こらないので不要

全二重通信の条件

  • ノードが全二重通信をサポートしている
  • 集線機器がスイッチ(ハブを使うと半二重通信)
  • ポイントツーポイント(1:1)接続である

レイヤ2デバイスの特徴

  • ブリッジやスイッチといったL2デバイスはL1デバイスと違い、フレームを読み取ることからMACアドレス、つまりノードを識別する為の情報を扱うことができる
  • これを学習することにより、送る必要のないノードには送らないといった制御ができるようになる

フィルタリング

  • スイッチもブリッジも宛先MACアドレスがどのポートに接続されているかを判断し、接続のあるポートにのみフレームを転送
  • フィルタリングは適切なポートを選んで送り出すというより、全てのポートから送り出すというハブの機能に不適切なポートを閉じるイメージ
  • 基本は、ハブ+不要ポートの遮断(フィルタリング)

MACアドレステーブル

  • L2デバイスが内部に持つMACアドレスポート対応表
  • フィルタリング宛先MACアドレスとMACアドレステーブルを照合することで行われる
  • シスコではCAMテーブル(Content Addressable Memory Table)と呼んでいる
  • 作成手段は、ダイナミック(動的=デバイスが自動作成)とスタティック(静的=管理者が手動登録)の二種類

MACアドレス学習(ダイナミック)

  • 初期状態では未登録
  • フレームの流入がある度に送信元MACアドレス受信ポートを紐付けて学習
  • なお、動的に作られたデータにはエージングタイムという有効期限がある(Catalystスイッチ:300秒)
  • スタティックの場合はない

フラッディング

  • MACアドレステーブルに登録がないデータが送られてきた場合、ハブのように受信ポート以外のポート全体にデータを送信してしまう

スイッチとブリッジの違い

スイッチの特徴

  • 転送先のポートを識別する
  • ハードウェア主体(ASICというMACアドレス学習や転送といったスイッチング処理ごとに用意されたICチップ)で判断する
  • 処理が高速
  • 3ポート〜数百ポートを持てる(ポート密度が高い)

ブリッジの特徴

  • 「受信側のポートにいるかどうか」しか識別しない
  • ソフトウェア主体(自前のCPU)で判断する
  • 処理が低速
  • 基本的に2ポートしかない

コリジョンドメイン

  • コリジョンの伝わる範囲(セグメントと呼ぶこともある)
  • L1デバイス(ハブ、リピータ)は全て半二重通信となる為、接続する全てのリンクコリジョンドメインとなる
  • カスケード接続(ハブとハブの接続)するとコリジョンドメインがさらに拡大
  • コリジョンドメインが広いとコリジョンの発生確率が上がり、再送処理が増えてパフォーマンスが低下する
  • L2・L3デバイスはMACアドレスから適切なポートのみにデータを送信するので、ポートごとにコリジョンドメインを分割する役割がある
  • 一つのスイッチポートにつき一つのホストを接続することで、コリジョンドメインを最小分割すること=マイクロセグメンテーション

レイヤ3デバイスの特徴

  • L3デバイスは、隣接していないノードとの通信を可能にし、異なるネットワークを相互接続する
  • L3デバイスは、複数の経路から最適な経路を選択し、パケットを効率的に転送する(ルーティング)
  • L3デバイスは、ポートごとにブロードキャストドメイン(ブロードキャストで届けられる範囲)を分割する
  • なお、レイヤ2以下のデバイスはブロードキャストを中継する

ルータとL3スイッチの違い

  • 現在は開発が進んで双方のデメリットが小さくなっており、その差が曖昧になってきている

L3スイッチの特徴

  • イーサネットでの使用が中心
  • ハードウェア主体(ASIC)で判断する
  • 処理が高速
  • ポート単価が安い
  • 主に、企業LAN向け

ルータの特徴

  • イーサネットのみならず、様々なWANサービスに対応
  • ソフトウェア主体で判断する
  • 処理が低速
  • ポート単価が高い
  • 主に、WANやインターネット向け

ブロードキャストストーム

  • ネットワーク上で一斉配信(ブロードキャスト)用の特殊なデータや信号が際限なく転送され続ける現象
  • 二台以上のネットワークスイッチなどに環状(ループ)の経路が形成されることによって生じ、最終的には帯域を使い尽くしてネットワーク全体が機能を停止する
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