イーサネットの仕組み

なぜネットワークなのか?

ネットワークにより、あるコンピュータが別のコンピュータと情報を送受信できるようになります。私たちは、コンピューター ネットワーク上の情報に何度もアクセスしていることを常に意識しているわけではありません。確かにインターネットは、世界中の数百万台のコンピュータを接続するコンピュータ ネットワークの最も顕著な例ですが、日常的な情報アクセスには小規模なネットワークも役割を果たしています。多くの公共図書館はカード目録をコンピューター端末に置き換え、利用者がより迅速かつ簡単に本を検索できるようにしています。空港には、到着便と出発便に関する情報を表示する多数のスクリーンがあります。多くの小売店には、POS トランザクションを処理する専用のコンピューターが設置されています。これらのいずれの場合でも、ネットワーキングにより、複数の場所にあるさまざまなデバイスがデータの共有リポジトリにアクセスできるようになります。

イーサネットなどのネットワーク標準の詳細に入る前に、まずネットワーク テクノロジを説明および区別するための基本的な用語と分類を理解する必要があります。それでは、始めましょう。

ローカルエリアとワイドエリア

ネットワーク テクノロジは、2 つの基本グループのいずれかに属するとして分類できます。ローカル エリア ネットワーク(LAN) テクノロジは、通常は同じ建物内にある、比較的近くにある多くのデバイスを接続します。書籍情報を表示する図書館端末は、ローカル エリア ネットワークを介して接続されます。ワイド エリア ネットワーク(WAN) テクノロジは、数キロメートル離れた少数のデバイスを接続します。たとえば、都市の両端にある 2 つの図書館が書籍目録情報を共有したい場合、広域ネットワーク技術を利用する可能性が高くなります。広域ネットワーク技術は、市内の電話会社からリースされた専用回線など、目的のみを目的としています。彼らのデータを持ち歩きます。

WAN と比較すると、LAN は高速で信頼性が高くなりますが、テクノロジーの進歩により境界線は曖昧になり続けています。光ファイバー ケーブルにより、 LAN テクノロジーにより数十キロメートル離れたデバイスを接続できるようになり、同時に WAN の速度と信頼性が大幅に向上しました。

イーサネット

1973 年、ゼロックス コーポレーションのパロアルト研究センター (一般に PARC として知られる) で、研究者のボブ メトカーフが最初のイーサネット ネットワークを設計し、テストしました。ゼロックスの「Alto」コンピュータをプリンタにリンクする方法に取り組んでいる間、Metcalfe はイーサネット上のデバイスを接続する物理的なケーブル接続方法と、ケーブル上の通信を管理する標準を開発しました。それ以来、イーサネットは世界で最も人気があり、最も広く導入されているネットワーク テクノロジになりました。イーサネットに関連する問題の多くは多くのネットワーク テクノロジに共通しており、イーサネットがこれらの問題にどのように対処したかを理解することで、ネットワーク全般に対する理解が深まる基礎を提供できます。

コンピュータ ネットワーキングが成熟するにつれて、イーサネット標準は新しいテクノロジーを包含するように成長しましたが、今日のすべてのイーサネット ネットワークの動作メカニズムは Metcalfe のオリジナルの設計に由来しています。オリジナルのイーサネットは、ネットワーク上のすべてのデバイスで共有される1 本のケーブルを介した通信を記述していました。デバイスがこのケーブルに接続されると、接続された他のデバイスと通信できるようになります。これにより、ネットワーク上の既存のデバイスに変更を加えることなく、新しいデバイスに対応できるようにネットワークを拡張できます。

イーサネットの基本

イーサネットはローカル エリア テクノロジーであり、ネットワークは伝統的に 1 つの建物内で動作し、近接したデバイスを接続します。イーサネット デバイス間のケーブルは最大でも数百メートルしかなく、地理的に分散した場所を接続するのは非現実的です。現代の進歩により、これらの距離は大幅に延長され、イーサネット ネットワークが数十キロメートルに及ぶことが可能になりました。

プロトコル

ネットワーキングにおいて、プロトコルという用語は、通信を管理する一連のルールを指します。コンピュータにとってのプロトコルは、人間にとっての言語と同じです。この記事は英語で書かれているため、理解するには英語が読める必要があります。同様に、ネットワーク上の 2 つのデバイスが正常に通信するには、両方のデバイスが同じプロトコルを理解する必要があります。

イーサネットの用語

イーサネットは、その基本的な動作を管理する単純な一連のルールに従います。これらのルールをよりよく理解するには、イーサネット用語の基本を理解することが重要です。

フレームは人間の言語の文章に似ています。英語には、文を構築するためのルールがあります。各文には主語と述語が含まれなければならないことがわかっています。イーサネット プロトコルは、フレームを構築するための一連のルールを指定します。フレームには明示的な最小長と最大長があり、フレーム内に表示する必要がある一連の必須情報があります。各フレームには、たとえば、メッセージの受信者と送信者を識別する宛先アドレスと送信元アドレスの両方が含まれている必要があります。名前が特定の個人を識別するのと同じように、アドレスはノードを一意に識別します。 2 つのイーサネット デバイスが同じアドレスを持つことはできません。

イーサネット媒体

イーサネット媒体上の信号は接続されているすべてのノードに到達するため、宛先アドレスはフレームの意図した受信者を識別するために重要です。

たとえば、上の図では、コンピュータ B がプリンタ C に送信しても、コンピュータ A と D は引き続きフレームを受信して​​検査します。ただし、ステーションが最初にフレームを受信すると、宛先アドレスをチェックして、フレームが自分自身宛てのものであるかどうかを確認します。そうでない場合、ステーションはその内容を検査することなくフレームを破棄します。

イーサネット アドレス指定に関する興味深い点の 1 つは、ブロードキャスト アドレスの実装です。ブロードキャスト アドレスと等しい宛先アドレスを持つフレーム (単にブロードキャストと呼ばれます) は、ネットワーク上のすべてのノードを対象としており、すべてのノードはこのタイプのフレームを受信して​​処理します。

CSMA/CD

CSMA/CD の頭字語は、衝突検出付きキャリアセンス多重アクセスを意味し、イーサネット プロトコルがノード間の通信をどのように規制するかを表します。この用語は恐ろしいように思えるかもしれませんが、この用語を構成要素の概念に分解してみると、人々が丁寧な会話で使用するルールと非常によく似たルールを説明していることがわかります。イーサネットの動作を説明しやすくするために、夕食のテーブルでの会話に例えて説明します。

イーサネット セグメントを夕食のテーブルとして表し、テーブルで丁寧な会話をしている数人をノードとしてみましょう。マルチアクセスという用語は、上ですでに説明した内容をカバーしています。つまり、1 つのイーサネット ステーションが送信すると、媒体上のすべてのステーションがその送信を聞きます。ちょうど、テーブルに座っている 1 人が話していると、その場にいる全員がその人の話を聞くことができるのと同じです。

さて、あなたがテーブルにいて、何か言いたいことがあると想像してみましょう。しかし、現時点では私は話しています。これは丁寧な会話なので、すぐに発言して中断するのではなく、私の話が終わるまで待ってから発言するでしょう。これは、イーサネット プロトコルでキャリア センスとして説明されている概念と同じです。ステーションは送信する前に、メディアを「リッスン」して、別のステーションが送信中かどうかを判断します。メディアが静かであれば、ステーションは送信するのに適切な時間であると認識します。

衝突検知

キャリアセンス多重アクセスは、会話を規制する上で良いスタートを切ることができますが、まだ対処する必要があるシナリオが 1 つあります。夕食のテーブルの例えに戻って、会話に一時的な小康状態があると想像してみましょう。あなたも私も、付け加えたいことがあり、沈黙から「キャリアを感知」したので、ほぼ同時に話し始めます。イーサネットの用語では、両方が同時に話すと衝突が発生します。

会話の中で、この状況を適切に処理することができます。私たちが話しているのと同時に、相手の話が聞こえるので、立ち止まって相手に続けるチャンスを与えることができます。イーサネット ノードは、送信中にメディアをリッスンして、その時点で送信している唯一のステーションであることを確認します。他のステーションが同時に自身のメッセージの送信を開始した場合に起こるように、ステーションが自分自身の送信が文字化けした形式で返されるのを聞いた場合、衝突が発生したことがわかります。単一のイーサネット セグメントは、コリジョン ドメインと呼ばれることもあります。これは、セグメント上の 2 つのステーションが衝突を引き起こすことなく同時に送信できないためです。ステーションが衝突を検出すると、送信を停止し、ランダムな時間待機し、メディア上で再び無音を検出したときに送信を試みます。

ランダムな一時停止と再試行はプロトコルの重要な部分です。一度送信するときに 2 つのステーションが衝突した場合、両方とも再度送信する必要があります。次の適切な送信機会では、前の衝突に関与した両方のステーションで送信準備ができたデータが得られます。最初の機会に再度送信すると、おそらく無限に何度も衝突することになるでしょう。その代わりに、ランダムな遅延により、2 つのステーションが連続して数回以上衝突する可能性は低くなります。

イーサネットの制限

単一の共有ケーブルは、上で説明した完全なイーサネット ネットワークの基礎として機能します。ただし、この場合、イーサネット ネットワークのサイズには実際的な制限があります。主な懸念事項は、共有ケーブルの長さです。

電気信号はケーブルに沿って非常に速く伝播しますが、伝播するにつれて弱くなり、近隣のデバイス (蛍光灯など) からの電気的干渉によって信号がスクランブルされる可能性があります。ネットワーク ケーブルは、反対側のデバイスが互いの信号を明確に、最小限の遅延で受信できるように、十分に短くする必要があります。これにより、イーサネット ネットワーク上の 2 つのデバイス間の最大分離距離 (ネットワーク直径と呼ばれる) に距離制限が課されます。さらに、CSMA/CD では一度に 1 つのデバイスのみが送信できるため、1 つのネットワーク内で共存できるデバイスの数には実際的な制限があります。 1 つの共有セグメントに接続するデバイスが多すぎると、メディアの競合が増加します。すべてのデバイスは、送信の機会を得るまでに非常に長い時間待機する必要がある場合があります。

エンジニアは、これらの問題を軽減する多くのネットワーク デバイスを開発しました。これらのデバイスの多くはイーサネットに特化したものではなく、他のネットワーク テクノロジーでも同様の役割を果たします。

リピーター

最初に普及したイーサネット媒体は、「シックネット」として知られる銅同軸ケーブルでした。シックネット ケーブルの最大長は 500 メートルでした。大規模な建物やキャンパス環境では、500 メートルのケーブルですべてのネットワーク デバイスに到達できるとは限りません。リピーターはこの問題に対処します。

リピータは複数のイーサネット セグメントを接続し、各セグメントをリッスンし、1 つのセグメントで聞こえた信号をリピータに接続されている他のすべてのセグメントに繰り返します。複数のケーブルを配線し、それらをリピータと結合することで、ネットワークの直径を大幅に拡大できます。

セグメンテーション

夕食のテーブルで例えると、会話を行うテーブルには数人しかいなかったため、常に発言者を 1 人に限定することは、コミュニケーションにとって大きな障壁にはなりませんでした。しかし、テーブルにたくさんの人がいて、一度に発言できるのは 1 人だけだったらどうでしょうか?

実際には、このような状況では類似性が崩れることがわかっています。大人数のグループでは、複数の異なる会話が同時に行われるのが一般的です。混雑した部屋や宴会で、いつでも 1 人しか話すことができなかった場合、多くの人は話す機会を待ちながらイライラするでしょう。人間にとって、この問題は自動的に修正されます。声は遠くまでしか伝わりませんし、耳は周囲の騒音から特定の会話を聞き出すことに熟達しています。これにより、パーティーで多くの小グループが同じ部屋で会話することが容易になります。しかし、ネットワーク ケーブルは長距離にわたって信号を迅速かつ効率的に伝送するため、このような会話の自然な分離は発生しません。

イーサネット ネットワークは、規模が拡大するにつれて輻輳の問題に直面しました。多数のステーションが同じセグメントに接続され、それぞれがかなりの量のトラフィックを生成した場合、多くのステーションが機会があるたびに送信を試みる可能性があります。このような状況では、衝突がより頻繁になり、正常な送信が妨害され始め、完了までに非常に長い時間がかかる可能性があります。輻輳を軽減する 1 つの方法は、単一のセグメントを複数のセグメントに分割し、複数の衝突ドメインを作成することです。このソリューションでは、別個のセグメントが相互に情報を共有できなくなるため、別の問題が発生します。

橋

セグメンテーションの問題を軽減するために、イーサネット ネットワークにはブリッジが実装されました。ブリッジは 2 つ以上のネットワーク セグメントを接続し、リピータと同様にネットワークの直径を拡大しますが、ブリッジはトラフィックの調整にも役立ちます。これらは他のノードと同様に送信を送受信できますが、通常のノードと同じように機能するわけではありません。ブリッジは独自のトラフィックを発信しません。レピーターと同様に、他の局から聞こえる音をエコーするだけです。 (最後の記述は完全に正確ではありません。ブリッジは他のブリッジとの通信を可能にする特別なイーサネット フレームを作成しますが、それについてはこの記事の範囲外です。)

イーサネットの多重アクセスと共有メディアにより、意図した受信者であるかどうかに関係なく、回線上のすべてのステーションがすべての送信を受信することを意味したことを覚えていますか?ブリッジはこの機能を利用してセグメント間のトラフィックを中継します。上の図では、ブリッジはセグメント 1 と 2 を接続しています。ステーション A または B が送信すると、ブリッジはセグメント 1 で送信も受信します。ブリッジはこのトラフィックにどのように応答すべきでしょうか?リピーターのようにフレームをセグメント 2 に自動的に送信することもできますが、ネットワークが 1 つの長いセグメントのように動作するため、輻輳は緩和されません。

ブリッジの 1 つの目標は、両方のセグメントで不必要なトラフィックを削減することです。これは、フレームの処理方法を決定する前に、フレームの宛先アドレスを調べることによって行われます。宛先アドレスがステーション A または B のアドレスである場合、フレームがセグメント 2 に表示される必要はありません。この場合、ブリッジは何も行いません。ブリッジはフレームをフィルタリングまたはドロップすると言えます。宛先アドレスがステーション C または D のアドレスである場合、またはブロードキャスト アドレスである場合、ブリッジはフレームをセグメント 2 に送信または転送します。パケットを転送することにより、ブリッジは図の 4 つのデバイスのいずれかを許可します。コミュニケーションするために。さらに、ブリッジは、パケットを適切にフィルタリングすることにより、ステーション C がステーション D に送信するのと同時に、ステーション A がステーション B に送信できるようになり、2 つの会話を同時に行うことができます。

スイッチは現代のブリッジに相当するもので、機能的には同等ですが、ネットワーク上のすべてのノードに専用のセグメントを提供します (スイッチについてはこの記事で詳しく説明します)。

ルーター: 論理セグメンテーション

ブリッジは、複数の会話が異なるセグメントで同時に発生できるようにすることで輻輳を軽減できますが、トラフィックのセグメント化にも限界があります。

ブリッジの重要な特徴は、接続されているすべてのセグメントにイーサネット ブロードキャストを転送することです。イーサネット ブロードキャストはネットワーク上のすべてのノードに送信されるため、この動作は必要ですが、ブリッジされたネットワークが大きくなりすぎると問題が発生する可能性があります。多数の放送局がブリッジ ネットワーク上でブロードキャストを行う場合、輻輳はすべてのデバイスが 1 つのセグメント上にある場合と同じくらい悪化する可能性があります。

ルーターは、1 つのネットワークを 2 つの論理的に別個のネットワークに分割できる高度なネットワーク コンポーネントです。イーサネット ブロードキャストは、ネットワーク上のすべてのノードを検索する際にブリッジを通過しますが、ルーターはネットワークの論理境界を形成するため、ルーターを通過しません。

ルーターは、イーサネットやトークン リングなどの特定のネットワーク テクノロジーから独立したプロトコルに基づいて動作します (トークン リングについては後で説明します)。これにより、ルータはローカルエリアと広域エリアの両方でさまざまなネットワーク技術を簡単に相互接続できるようになり、グローバル インターネットの一部として世界中のデバイスを接続する際にルータが広く導入されるようになりました。

このテクノロジーの詳細については、 「ルーターの仕組み」を参照してください。

スイッチドイーサネット

最新のイーサネット実装は、多くの場合、過去のイーサネット実装と全く似ていません。従来のイーサネットでは、長い同軸ケーブルが複数のステーションに接続されていましたが、最新のイーサネット ネットワークでは、ツイスト ペア配線または光ファイバーを使用してステーションを放射状に接続します。従来のイーサネット ネットワークは 10メガビット/秒 (Mbps) でデータを送信していましたが、最新のネットワークは 100 Mbps、さらには 1,000 Mbps で動作することができます。

おそらく、現代のイーサネット ネットワークにおける最も顕著な進歩は、スイッチド イーサネットの使用です。スイッチド ネットワークは、レガシー イーサネットの共有メディアを各ステーションの専用セグメントに置き換えます。これらのセグメントは、イーサネット ブリッジと同様に機能するスイッチに接続しますが、これらの単一ステーション セグメントの多くを接続できます。現在の一部のスイッチは、数百の専用セグメントをサポートできます。セグメント上のデバイスはスイッチとエンド ステーションだけであるため、スイッチは別のノードに到達する前にすべての送信を取得します。その後、スイッチはブリッジのように適切なセグメントを介してフレームを転送しますが、どのセグメントにもノードが 1 つしか含まれていないため、フレームは目的の受信者にのみ到達します。これにより、スイッチド ネットワーク上で多くの会話を同時に行うことができます。 (スイッチング テクノロジの詳細については、 「LAN スイッチの仕組み」を参照してください。)

全二重イーサネット

イーサネット スイッチングは、全二重イーサネットという別の進歩をもたらしました。全二重とは、データを同時に送信および受信できる機能を指すデータ通信用語です。

レガシー イーサネットは半二重です。つまり、情報は一度に一方向にのみ移動できます。完全にスイッチ化されたネットワークでは、ノードはスイッチとのみ通信し、ノード同士は直接通信しません。スイッチド ネットワークでは、ツイスト ペアまたは光ファイバー ケーブルも使用され、どちらもデータの送受信に別の導体を使用します。このタイプの環境では、イーサネット ステーションは媒体にアクセスできる唯一の潜在的なデバイスであるため、衝突検出プロセスを無視して自由に送信できます。これにより、スイッチがエンド ステーションに送信するのと同時に、エンド ステーションもスイッチに送信できるようになり、衝突のない環境が実現します。

イーサネットまたは 802.3?

イーサネットという用語の代わりに、またはイーサネットという用語と組み合わせて、 802.3 という用語が使用されているのを聞いたことがあるかもしれません。 「イーサネット」は元々、Digital、Intel、および Xerox によって標準化されたネットワーク実装を指しました。 (このため、 DIX標準とも呼ばれます。)

1980 年 2 月、電気電子学会 ( IEEE (「アイ トリプル E」と発音)) は、ネットワーク テクノロジを標準化する委員会を設立しました。 IEEE はこれを、結成年月にちなんで 802 ワーキング グループと名付けました。 802 ワーキング グループの分科会は、ネットワーキングのさまざまな側面に個別に取り組みました。 IEEE は、802.X という番号を付けて各分科会を区別しました。X は各分科会の一意の番号を表します。 802.3 グループは、DIX イーサネットと機能的に同等の CSMA/CD ネットワークの動作を標準化しました。

イーサネットと 802.3 は、用語とフレームのデータ形式が若干異なりますが、ほとんどの点で同一です。現在、イーサネットという用語は、DIX イーサネット実装と IEEE 802.3 標準の両方を総称して指します。

代替ネットワーク技術: トークンリング

イーサネットに代わる最も一般的なローカル エリア ネットワークは、IBM が開発したトークン リングと呼ばれるネットワーク テクノロジです。イーサネットが送信間のランダムなギャップに依存してメディアへのアクセスを制御するのに対し、トークン リングは厳密で秩序あるアクセス方法を実装します。トークンリング ネットワークは、以下に示すように、論理リング内にノードを配置します。ノードはリングの周りを一方向にフレームを転送し、リングを 1 周するとフレームを削除します。

トークンリング ノードは、キャリア信号を探したり、衝突をリッスンしたりしません。トークン フレームの存在により、ステーションが別のステーションの割り込みを恐れることなくデータ フレームを送信できることが保証されます。ステーションはトークンを渡す前に 1 つのデータ フレームのみを送信するため、リング上の各ステーションは決定的かつ公平な方法で通信する順番を受け取ります。トークンリング ネットワークは通常、4 Mbps または 16 Mbps でデータを送信します。

光ファイバー分散データ インターフェイス(FDDI) は、1 対の光ファイバー リング上で動作するもう 1 つのトークン パッシング テクノロジであり、各リングは反対方向にトークンを渡します。 FDDI ネットワークは 100 Mbps の伝送速度を提供したため、当初は高速ネットワークとして非常に人気がありました。安価で管理が容易な 100 Mbps イーサネットの出現により、FDDI の人気は低下しました。

代替ネットワーク技術: 非同期転送モード

言及に値する最後のネットワーク テクノロジは、非同期転送モード(ATM) です。 ATM ネットワークは、ローカル エリア ネットワークとワイド エリア ネットワークの間の境界線を曖昧にし、国中であっても、多くの異なるデバイスを高い信頼性と高速で接続できるようにします。 ATM ネットワークは、データだけでなく音声やビデオのトラフィックの伝送にも適しているため、多用途で拡張可能です。 ATM は当初の予測ほど急速には受け入れられていませんが、それでも将来に向けた堅実なネットワーク テクノロジです。

イーサネットの人気は高まり続けています。約 30 年にわたり業界で受け入れられてきたこの標準はよく知られており、よく理解されているため、構成とトラブルシューティングが容易になります。他のテクノロジーの進歩に合わせてイーサネットも進化し、速度と機能が向上しました。