イーサネットはどんなプロトコル?
1. イーサネットの概要
- IEEE 802.3 で定義されるデータリンク層／物理層の標準プロトコル。
- LAN を実現するための世界標準であり、有線・光・ PoE など多彩な媒体に対応。
- ノード識別に 48bit の MAC アドレス を使用し、データは フレーム 単位で転送される。
2. イーサネットが定めていること
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 通信方式 | パケット通信（データを小さなかたまり＝フレームに分けて送る） |
| 識別方法 | 各機器に一意の MAC アドレス がある |
| 通信媒体 | ツイストペアケーブル（LANケーブル）、光ファイバーなど |
| 通信速度 | 10 Mbps → 100 Mbps → 1 Gbps → 10 Gbps 〜（継続的に高速化） |
| トポロジー | スター型が主流（スイッチを中心に各機器を接続） |
| エラーチェック | フレーム末尾に FCS（Frame Check Sequence）を付与して誤り検出 |
| 衝突制御（古典） | 旧式では CSMA/CD を採用（現在の全二重リンクでは不要） |
3. イーサネットの規格. イーサネットの規格
| 規格 | 速度 | 媒体 | 最大距離* | コネクタ |
|---|---|---|---|---|
| 10BASE‑T | 10 Mbps | UTP Cat3 | 100 m | RJ‑45 |
| 100BASE‑TX | 100 Mbps | UTP Cat5 | 100 m | RJ‑45 |
| 1000BASE‑T | 1 Gbps | UTP Cat5e | 100 m | RJ‑45 |
| 10GBASE‑SR | 10 Gbps | OM3 マルチモード光 | 300 m | LC |
| 100GBASE‑LR4 | 100 Gbps | シングルモード光 | 10 km | LC |
| 400GBASE‑ZR+ | 400 Gbps | シングルモード光 | 120 km | CS |
* 距離は代表値。実際はケーブル品質や環境により変動。
4. イーサネットの利用例
- オフィス／キャンパス LAN: クライアント PC、プリンタ、 VoIP 端末を 1 GbE で接続。
- データセンター: 25/100 GbE を Spine‑Leaf で敷設し、サーバ間イースト‑ウエストトラフィックを高速化。
- 産業・画像処理: GigE Vision カメラや PoE+ で IP カメラに電力供給。
- IoT/スマートホーム: PoE スイッチでセンサーや照明を一括配線。
5. イーサネットが普及した理由
- 低コスト ― UTP ケーブル & 汎用スイッチで安価。
- シンプル ― CSMA/CD → 全二重化で衝突制御不要・実装容易。
- スケーラビリティ ― 10 Mbps から 400 Gbps まで継続的に拡張。
- 相互運用性 ― IEEE 標準によりベンダー間互換が担保。
- 柔軟性 ― VLAN/Q‑in‑Q/EVPN による論理分割、PoE による給電など拡張性が高い。
6. Ethernet 通信の流れ
(1) アプリ層データ
↓ TCP/UDP ヘッダ追加
(2) IP パケット作成 (宛先 IP)
↓ ARP キャッシュ確認
(3) ARP ミスならブロードキャストで問い合わせ
(4) 宛先 MAC 解決後、Ethernet フレーム生成
(5) スイッチが送信元 MAC を学習し、宛先ポートへ転送
(6) 受信ノードでスタックを逆に剥いてアプリ層へ渡す
7. MAC アドレスの動き
-
48bit 構成: OUI 24bit + デバイス固有 24bit。
-
LSB2bit の意味:
- bit0 (I/G): 0=Unicast(Individual), 1=Multicast(Group)
- bit1 (U/L): 0=Universally Administered, 1=Locally Administered
-
スイッチ学習: 受信フレームの送信元 MAC と受信ポートを MAC アドレステーブル に登録し、未使用なら aging ≒ 300 s で削除。
-
端末キャッシュ: IP→MAC の対応は ARP キャッシュ に保持（60〜300 s など）。
図1: 48bit MAC アドレスのビット構成
bit 47 bit 0
+---+---+---------------------------+---------------------------+
|U/L|I/G| OUI (23 bits) | Device ID (24 bits) |
+---+---+---------------------------+---------------------------+
U/L = Universally(0) / Locally(1) Administered
I/G = Individual(0) / Group(1) (Unicast / Multicast)
図2: スイッチによる MAC アドレス学習フロー
+---------+ Frame (Src=A, Dst=B) +-----------+
| Host A | -------------------------> | Switch |
| MAC = A | | |
+---------+ | Learns A→P1
| Forward to P2
+---------+ <------------------------- | |
| Host B | Frame (Src=B, Dst=A) +-----------+
| MAC = B | (Aging ≈ 300s)
+---------+
8. フレームの構造. フレームの構造. フレームの構造
+-------------+-------------+-------+------------------+------+
| 宛先 MAC 6B | 送信元 MAC 6B | Type | Payload 46‑1500B | FCS 4B|
+-------------+-------------+-------+------------------+------+
- Type: 上位プロトコル識別 (0x0800=IPv4, 0x86DD=IPv6, 0x0806=ARP)。
- FCS (Frame Check Sequence): CRC‑32 による誤り検出。
- Jumbo Frame ( > 1518 B) や VLAN タグ (IEEE 802.1Q) で拡張可能。
9. よくある誤解
| 誤解 | 実際 |
|---|---|
| "LAN ケーブル＝イーサネット" | ケーブルは媒体。Ethernet はプロトコル + 物理仕様のセット。 |
| "全二重リンクでも CSMA/CD が必要" | 全二重では衝突が発生しないため CSMA/CD は無効化される。 |
| "MAC は絶対に重複しない" | VM クローンや手動設定、メーカー不備で重複は起こり得る。 |
| "イーサネットは有線限定" | Wi‑Fi (802.11) はヘッダ内部で Ethernet 互換フレームをカプセル化。 |
| "10GbE は高価で特殊" | SFP+ & Cat6A で近年はローコスト化、市販 NAS でも採用例多数。 |
参考文献
- IEEE 802.3‑2024 Standard
- RFC 894 – A Standard for the Transmission of IP Datagrams over Ethernet Networks
- Intel® Ethernet Technology White Papers