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データリンク層の制御とプロトコル

データリンク層の制御とプロトコル

2026.10.09

このページでは、CSMA/CDなどのアクセス制御、ARPとRARP、PPPとPPPoE、IEEE 802.3とPoE・リンクアグリゲーションがわかります。

  • 一言で言うと：
    • 1本のケーブルを複数の機器で使うときに、データがぶつからないように送る順番を決める方法（メディアアクセス制御）と、データリンク層の主なプロトコル、イーサネットの規格（IEEE 802.3）の話

ぶつからない送り方（CSMA/CD、トークンパッシング、TDMA）→ 住所を調べる・2点をつなぐ（ARP、RARP、PPP、PPPoE）→ イーサネットの規格（IEEE 802.3、PoE、リンクアグリゲーション）

覚え方の軸

  • アクセス制御は「ぶつかってから直すか、ぶつからないようにするか」
    • CSMA/CDは、空いていれば送り、衝突したら待って送り直す（イーサネット）
    • トークンパッシングは、送信権（トークン）を持つ人だけが送る（衝突しない）
    • TDMAは、時間を区切って順番に独占する
  • CSMA/CDは「空いているときは速いが、混むと一気に遅くなる」
    • 伝送路の使用率が30％を超えると、実用的でなくなる
    • トークンパッシングは、混んでも遅れ方がゆるやか
  • ARPとRARPは「何から何を調べるか」が逆
    • ARPは、IPアドレス → MACアドレス
    • RARPは、MACアドレス → IPアドレス
  • IEEE 802はデータリンク層を2つに分ける
    • 上がLLC副層（論理リンク制御）、下がMAC副層（メディアアクセス制御）
  • PoEは「数字が増えるほど電力が大きい」
    • PoE（15.4W）→ PoE+（30W）→ PoE++（90W）

メディアアクセス制御：ぶつからないように送る（★）

  • メディアアクセス制御：
    • 複数のデータを1つのケーブルで送受するとき、データの衝突（コリジョン）を避けるための制御
    • 媒体アクセス制御とも呼ばれる（Media Access Control：MAC）

① CSMA/CD

  • CSMA/CD：
    • Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection（搬送波感知多重アクセス／衝突検出）の略
    • イーサネットで採用されているメディアアクセス制御方式
    • 衝突検知方式を採用している
  • イーサネット：
    • IEEE 802.3として標準化されているLAN規格

CSMA/CD方式の手順

  1. 空いているか確かめる：
    • 各ノードは、伝送媒体が使用中かどうかを調べる
  2. 送る：
    • 使用中でなければ、データの送信を始める
  3. ぶつかる：
    • 複数のノードが同時に送信を始めると、データの衝突が起き、データが壊れる
  4. 待って送り直す：
    • 衝突を検知したら、一定時間（ランダム）待ってから再送する
  • CSMA/CDの制約：
    • 一定の距離以上のケーブルでは、衝突を検知できない
  • CSMA/CDの弱点：
    • トラフィックが増えると衝突が多くなり、再送が増え、さらにトラフィックが増える、という悪循環に陥るおそれがある
    • そのため、伝送路の使用率が30％を超えると実用的でなくなる
    • 30％を超えると、急激に遅延時間が増える
  • CSMA/CDの例え：
    • 会議で、誰も話していなければ話し始める。2人が同時に話し始めたら、2人とも黙って、少しずつ違う間をおいてからもう一度話す。人数が多いと、ぶつかってばかりで話が進まない

② トークンパッシング方式

  • トークンパッシング方式：
    • トークンで送信を制御する方式
  • トークンパッシング方式の種類：
    • バス型のLANで使うトークンバス方式
    • リング型のLANで使うトークンリング方式
  • トークンパッシング方式の仕組み：
    • ネットワーク上を、フリートークンという送信権のためのパケットが巡回する
    • フリートークンを獲得したノードだけが送信するので、衝突を避けられる
  • トークンパッシング方式の特徴：
    • 伝送媒体上で衝突は起きない
    • でも、トラフィックが増えると、トークンを獲得しにくくなり、徐々に遅延時間が増える
    • 衝突による再送制御がいらないので、伝送路の使用率に対する遅延時間の増え方は、CSMA/CDよりゆるやか
  • トークンパッシング方式の例え：
    • 会議で、マイク（トークン）を順番に回し、マイクを持っている人だけが話す。ぶつからないが、人が多いとマイクが回ってくるまで待つ

CSMA/CD方式とトークンパッシング方式の比較

CSMA/CD トークンパッシング
衝突 起きる（検知して再送） 起きない
伝送路がすいているとき オーバヘッドが小さいので、CSMA/CDのほうが速い トークンを待つ分、少し遅い
伝送路が混んでいるとき 30％程度がしきい値。超えると遅延時間が急激に増える 遅延時間はゆるやかに増える

③ TDMA方式

  • TDMA（Time Division Multiple Access：時分割多重アクセス）：
    • CSMA/CD、トークンパッシング方式と並ぶ、主要なデータリンク技術
    • ネットワーク（伝送路）を使える時間を細かく区切り、割り当てられた時間は各ノードが独占する
    • コネクション型の通信で、相手との通信路を確立してから通信する
  • TDM（時分割多重）：
    • ネットワーク上にデータを送る時間を割り当て（これをタイムスロットという）、タイムスロットごとに違うデータを送って多重化する
    • TDMを使ったアクセス制御がTDMA
  • TDMAの例え：
    • 1台のカラオケマイクを、「Aさんは0〜5分、Bさんは5〜10分」と時間で区切って使う

データリンク層の主なプロトコル：住所を調べる、2点をつなぐ（★）

① ARP

  • ARP（Address Resolution Protocol）：
    • 通信相手のIPアドレスからMACアドレスを取得するためのプロトコル
    • 前に見たように、同じネットワークの中で実際に届けるにはMACアドレスが必要だから

ARPの動作

  1. ARP要求（ブロードキャスト）：
    • ブロードキャストを使い、目的のIPアドレスを指定したARP要求パケットを、LAN全体に流す
  2. ARP応答（ユニキャスト）：
    • 各ノードは、自分のIPアドレスと比べる
    • 一致したノードだけが、ARP応答パケットに自分のMACアドレスを入れて、ユニキャストで返す
  • ARPの例え：
    • 教室で「出席番号10番（IPアドレス）の人、席はどこ？」と全員に聞き（ブロードキャスト）、10番の人だけが「ここです（MACアドレス）」と答える（ユニキャスト）
  • GARP（Gratuitous ARP）：
    • ARPを使ったもの
    • 主な目的は、自分に設定するIPアドレスの重複確認と、ARPテーブルの更新
    • 目的IPアドレスに自分が使うIPアドレスを指定して、MACアドレスを問い合わせる（返事が来たら、同じIPアドレスを使っている機器がいるとわかる）

② RARP

  • RARP（Reverse-ARP：逆アドレス解決プロトコル）：
    • MACアドレスからIPアドレスを取得するためのプロトコル
    • 電源オフ時にIPアドレスを保持できない（IPアドレスを保持するハードディスクを持たない）機器が、電源オン時に、自分のMACアドレスから、自分に割り当てられたIPアドレスを知るために使う
  • RARPサーバ：
    • RARPを使うには、MACアドレスとIPアドレスの対応表を設定したRARPサーバが必要
    • IPアドレスを知りたい機器は、自分のMACアドレスを入れたRARP要求をブロードキャストする
    • RARPサーバは、そのMACアドレスに対応するIPアドレスを返す

③ PPP

  • PPP（Point to Point Protocol）：
    • 2点間をポイントツーポイントでつなぐための、データリンクプロトコル
    • WANを介して2つのノードをダイヤルアップ接続するときに使われている
    • リンク制御やエラー処理の機能を持つ
  • PPPの構成：
    • ネットワーク層とのネゴシエーションをするNCP（Network Control Protocol：ネットワーク制御プロトコル）
    • リンクネゴシエーションをするLCP（Link Control Protocol：リンク制御プロトコル）

④ PPPoE

  • PPPoE（PPP over Ethernet）：
    • PPPと同じ機能を、イーサネット（LAN）上で実現するプロトコル
    • PPPフレームを、イーサネットフレームでカプセル化して実現する
    • 例えば、光回線のプロバイダにつなぐときに、ルータにIDとパスワードを設定するのがPPPoE
  • カプセル化の例え：
    • PPPの手紙を、イーサネットの封筒に入れて送る

IEEE 802.3規格：イーサネットの決まりごと（★）

  • IEEE 802.3：
    • OSI基本参照モデルのデータリンク層と物理層の、プロトコルとサービスを対象とする規格
    • データリンク層を、LLC副層とMAC副層の2つに分ける
    • 物理層のLANで使う伝送媒体や、MAC副層のフレームの構成、衝突検出の仕組みなどを決めている

IEEE 802参照モデル

OSI基本参照モデル IEEE 802参照モデル 中身
データリンク層 LLC副層（Logical Link Control） 論理リンク制御
データリンク層 MAC副層（Media Access Control） メディアアクセス制御。CSMA/CD、トークンリング
物理層 物理層 光ファイバ、UTP、無線LAN

IEEE 802.3で標準化されている主な技術・仕様（★）

技術・仕様 概要 規格名
PoE Power over Ethernetの略。機器への給電を、電力線ではなくLANケーブルで行う。給電能力は15.4W。主に無線LANアクセスポイントやIP電話機で使う IEEE 802.3af
PoE+ PoEの後継。カテゴリ5e以上のLANケーブルを使い、1ポートあたり30Wの給電能力 IEEE 802.3at
PoE++ 4対の芯線をすべて電力路として使い、90Wの給電能力 IEEE 802.3bt
リンクアグリゲーション ネットワーク機器間（例えば、2つのスイッチ間）を複数の物理回線で結び、回線を束ねて高速化する。1本に障害が起きても他の回線で通信を続けられるので、耐障害性も上がる IEEE 802.3ad
1000BASE-T ツイストペアケーブルで、1000Mbpsを実現するギガビットイーサネットの仕様 IEEE 802.3ab
1000BASE-X 光ファイバケーブルで、1000Mbpsを実現するギガビットイーサネットの仕様 IEEE 802.3z
10GBASE 伝送速度が10Gbpsの通信（10ギガビットイーサネット）の総称。10GBASE系以降、CSMA/CDは規格から削除されている IEEE 802.3ae
  • PoEの例え：
    • 天井の無線LANアクセスポイントに、コンセントを引かなくても、LANケーブル1本で電気もデータも届く
  • リンクアグリゲーションの例え：
    • 1車線の道路を3車線にする。速く流れるうえ、1車線が工事中でも残りで通れる
  • ツイストペアケーブル：
    • 4本のより対線（2本ずつより合わせた線が4組）が基本
    • シールド処理されたSTPと、シールド未処理のUTPがある。今はほとんどがUTP
  • ギガビットイーサネット：
    • 1000Mbpsクラスの伝送速度を持つLAN（イーサネット）規格の総称
  • 10GBASEでCSMA/CDが削除された理由：
    • 今のイーサネットは、スイッチと全二重通信（送信と受信を同時に別の線で行う）が当たり前で、そもそも衝突が起きないから
  • BASEの前後の読み方：
    • 「1000BASE-T」の「1000」は速度（Mbps）、「BASE」はベースバンド方式、「T」はツイストペア
  • 注意（新しい情報）：
    • リンクアグリゲーションの規格は、2008年にIEEE 802.3adからIEEE 802.1AXに移されている
    • PoEの15.4W・30W・90Wは、給電する側（スイッチ）が出す電力。ケーブルで失われる分があるので、受け取る機器が使える電力はこれより少ない（PoEなら約13W）
    • 試験では、上の規格名（802.3ad）と数値で覚えておけばよい

混同しやすいペア

  • CSMA/CD ／ トークンパッシング
    • CSMA/CDは、空いていれば送り、衝突したらランダムな時間待って再送する（イーサネット）
    • トークンパッシングは、フリートークンを獲得したノードだけが送るので、衝突しない
  • CSMA/CDの遅延 ／ トークンパッシングの遅延
    • CSMA/CDは、すいていれば速いが、使用率30％を超えると急激に遅くなる
    • トークンパッシングは、混んでくると遅延が徐々に増えるが、増え方はゆるやか
  • トークンバス方式 ／ トークンリング方式
    • トークンバス方式は、バス型のLANで使う
    • トークンリング方式は、リング型のLANで使う
  • TDM ／ TDMA
    • TDMは、タイムスロットごとに違うデータを送って多重化する技術
    • TDMAは、TDMを使ったアクセス制御方式（コネクション型）
  • ARP ／ RARP
    • ARPは、IPアドレスからMACアドレスを調べる
    • RARPは、MACアドレスからIPアドレスを調べる（RARPサーバが必要）
  • ARP要求 ／ ARP応答
    • ARP要求は、ブロードキャストでLAN全体に流す
    • ARP応答は、該当するノードだけがユニキャストで返す
  • ARP ／ GARP
    • ARPは、相手のMACアドレスを調べる
    • GARPは、自分のIPアドレスを指定して、重複確認やARPテーブルの更新をする
  • PPP ／ PPPoE
    • PPPは、2点間をつなぐデータリンクプロトコル（ダイヤルアップ）
    • PPPoEは、PPPの機能をイーサネット上で実現する（PPPフレームをイーサネットフレームでカプセル化）
  • NCP ／ LCP
    • NCPは、ネットワーク層とのネゴシエーションをする
    • LCPは、リンクのネゴシエーションをする
  • LLC副層 ／ MAC副層
    • LLC副層は、論理リンク制御（データリンク層の上側）
    • MAC副層は、メディアアクセス制御（CSMA/CDなど。データリンク層の下側）
  • MAC（メディアアクセス制御） ／ MAC（メッセージ認証符号）
    • メディアアクセス制御は、データリンク層の制御（MACアドレスのMAC）
    • メッセージ認証符号は、改ざんを見つけるための値
  • PoE ／ PoE+ ／ PoE++
    • PoEは、15.4W（IEEE 802.3af）
    • PoE+は、30W。カテゴリ5e以上のケーブル（IEEE 802.3at）
    • PoE++は、90W。4対の芯線をすべて使う（IEEE 802.3bt）
  • 1000BASE-T ／ 1000BASE-X
    • 1000BASE-Tは、ツイストペアケーブル（IEEE 802.3ab）
    • 1000BASE-Xは、光ファイバケーブル（IEEE 802.3z）
  • STP（シールドあり） ／ UTP（シールドなし）
    • STPは、シールド処理されたツイストペアケーブル
    • UTPは、シールド未処理のツイストペアケーブル。今はほとんどこれ
  • STP（ケーブル） ／ STP（スパニングツリープロトコル）
    • ケーブルのSTPは、Shielded Twisted Pair
    • プロトコルのSTPは、Spanning Tree Protocol
  • リンクアグリゲーション ／ VRRP
    • リンクアグリゲーションは、複数の回線を束ねて、高速化と耐障害性の向上をする
    • VRRPは、複数のルータを仮想的に1台に見せて、ルータを冗長化する

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