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
- 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
- 送る:
- 使用中でなければ、データの送信を始める
- 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
- 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
- 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
- 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