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2011年10月 3日 (月)

イーサネットwikipedia

イーサネット (Ethernet) はコンピューターネットワークの規格の1つで、世界中のオフィスや家庭で一般的に使用されているLAN (Local Area Network) で最も使用されている技術規格である。現代のLANでは、主に物理的な規格である「イーサネット」と、通信内容の取り決めを決めた「TCP/IPプロトコル」の組み合わせが一般的である。概要 [編集]イーサネット規格は技術の進歩に合わせて毎年のように新たな規格が登場している。初期の同軸ケーブルによるLANから発展を続け、今日では世界中のLANの多くがイーサネット規格を採用し、より広い範囲のネットワークであるMANやWANでも一部の技術は「広域イーサネット」という名称でイーサネット規格を取り込み始めている。イーサネット規格の基本仕様は、7層あるOSI基本参照モデルの下位2つの層、物理層、データリンク層相当で規定されている。イーサネットの発展 下の小さな箱は元ライバル達[1]本項目の後半部で示すように、物理層は伝送速度の違いや物理的な仕様により多種の規格に分かれるが、データリンク層は、世代交代を重ねて来た新旧の規格同士の間にも互換性があり、新旧装置の混在環境でも部分的に低速なネットワークとして機能する。通信速度は、初期の10Mbps(ビット毎秒)の10BASE-Tから、その10倍の100Mbpsの伝送能力がある100BASE-TXが普及し、今日では1Gbpsの1000BASE-Tが普及しつつある。また、新たな規格として10GBASE-T(UTPによる10ギガビット・イーサネット《10GbE》)規格が決定された。さらなる高速規格として40ギガビット・イーサネット (40GbE) や100ギガビット・イーサネット (100GbE) などが国際的な通信規格について話し合う組織であるIEEEにおいて調整段階にある。名称の「イーサ、ether」は、古典物理の時代に光の媒質として宇宙の隅々まで満たしているのではないかと考えられた仮想の物質、「エーテル」(Ether、Aether) から付けられた。歴史 [編集]イーサネットの発想の原点はハワイ大学のノーマン・エブラムソン教授が開発した米国性「ALOHAシステム」と言われている。ハワイ諸島の島々を4,800ビット/秒の無線によるネットワークで結ぶシステムであった[1]。ALOHAシステムのアイデアに基づいて最初のイーサネットは1972年 - 1973年にかけて、米ゼロックスのパロアルト研究所 (PARC) において、ロバート・メトカーフを中心に開発された。1973年5月22日、特許として登録したため、この日がイーサネットの誕生日とされる。発明当初の伝送速度は2.94Mbpsで、これは当時開発中のコンピュータ XeroxのAltoのベース・クロック5.88MHzに合わせた為だとされている。ゼロックス社はその後、特許を開放してオープンな規格とし、インテルとDECを開発に加えて、1979年、3社の頭文字をとってDIX仕様を制定する。伝送速度は10Mbpsだった。翌年の1980年には、この仕様をIEEE 802委員会に「Ethernet 1.0規格」として提出・公開した。このオープン規格に対して世界中の企業・技術者が技術の仕様策定と製品の開発に加わり、様々な商品が生み出されていった。メトカーフ氏自身もゼロックス社を退社して米3Com社を創設し、このネットワーク製品開発競争を主導していった。1980年代当時は、米IBM社が「トークンリング」を、米アップルコンピュータ社がAppleTalkという「ローカルトーク」をそれぞれネットワーク製品として強力に推進していたが、結局、規格を公開して多くの賛同者を得たイーサネットが勝ち残った[2]。現在、普及しているイーサネットは、1982年に提案された「Ethernet 2.0規格」を基に、1983年にIEEE 802.3 CSMA/CDとして策定された仕様である。イーサネット初期の10BASE2/5/-Tの時代は、OS側でのネットワーク・サポートは限定的であり、PCではNovel社のNetwareやIBM社のLan Managerといった専用ソフトを購入しないとファイル共有といった基本的な機能すら得られなかった。1980年代のPCではネットワーク・インターフェース・カード (NIC) やイーサネット・カードと呼ばれるマザーボードに差し込むISA/EISA/NESA形式のドーターカードがオプションで販売されていることが多かったが、1990年代初めにはPCI形式でのカードが用意されるようになり、1990年代後半にはCPUの専用周辺回路であるブリッジ・チップに最初から回路の一部が含まれるのが普通になったため、マザーボード上にイーサネットのジャックであるRJ-45が装備されるようになった。この頃にはイーサネットによるLAN機能の実装が当たり前になるとともに、イーサネットという用語そのものを使うことがまれになった。2007年現在では、マザーボードによっては2つのネットワーク・ポートを持つものも珍しくない。通信技術 [編集]イーサネットは、OSI参照モデルにおける物理層及びデータリンク層を規定するものであり、IEEEによりIEEE 802.3及びその拡張版として仕様が公開されている[3]。歴史欄で記したように、1970年に原型が開発され、1980年にIEEEに提出・公開され、1983年にIEEE 802.3として規定されたイーサネットは、50Ω同軸一芯ケーブルを利用し、バス型のトポロジーを持ったネットワークであり、半二重通信で10Mbpsを達成したものである。追って、10BASE2のThin Ethernetケーブル、10BROAD36の75Ω同軸ケーブル、FOIRLでマルチモード光ケーブルが使われるようになり、さらに1BASE5、追って10BASE-TでUTPケーブルが使われるようになり、物理的構成でもスター型構成が採られるようになった。その一方でデータリンク層は、後述するジャンボフレームやVLANによる拡張はあるものの、基本的には信号的な互換性があり、メディアコンバータ等を用いて各規格を繋ぎ合わせることで、相互にフレームをやりとりすることができる。
物理層 [編集]この節は執筆の途中です この節は執筆中です。加筆、訂正して下さる協力者を求めています。OSI参照モデルにおけるレイヤー1(物理層)は、50Ω同軸ケーブルによるバス型接続を基本としている。物理的にはスター型構成をとる場合も、論理的にはバス型構成である。現在はIEEE 802.3の拡張により、UTPケーブルや光ケーブルなど、様々なインフラを利用することができるようになっている。イーサネットでは、信号を伝送するにあたり変調が行われる。ベースバンド変調を行うものは名称にBASEを、ブロードバンド変調を行うものは名称にBROADをつける決まりとなっている。マンチェスターコード.PNGベースバンド変調では、10BASExではマンチェスターコードが用いられた。マンチェスターコードは、各ビットを示す信号の中央で常に Lo\toHi や Hi\toLo に信号レベルが変化することで伝送の基準となるクロック信号をデータ信号に重ねて送ることができた。他に、100BASE-TXでは8B-6T、1000BASE-Tでは8B/1Q4 (4D-PAM5) など、それぞれ適した変調が用いられる。初期のイーサネットは論理的、物理的ともにバス型構成であり、複数の端末が1本の同軸ケーブルに接続されていた。多数の端末が繋がっている場合には、任意の端末AとBとの「1対1」の排他的な通信は不可能であり、端末Aから送出されたデータは、同じイーサネットの配線に繋がっている全端末へ届けられる「1対全」の通信方式である。「1対全」の通信である為、既に端末AとBが通信している時に端末Cが新たに送信したい場合は、伝送路の空きを待つ必要がある。複数の端末が接続されている時に、ほぼ同時に送信が行われた場合、衝突することがあり、その場合データが損失する。これを衝突(コリジョン)と呼び、その対策が後に述べるCSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) である。CSMA/CDは、ギガビットイーサネット(IEEE 802.3ab等)までサポートされている。MACフレームの形式 イーサネットの基本的なMACフレームの形式には米デジタル・イクイップメント、米インテル、米ゼロックスが開発した「DIX規格」とIEEE 802.3グループで国際標準化された「IEEE 802.3規格」の2つの形式が存在する。「DIX規格」ではタイプとなっているところが「IEEE 802.3規格」では長さ/タイプとなっているだけが違う。「DIX規格」のほうが広く使用されている。「IEEE 802.3規格」でも「DIX規格」と同じようにタイプを指定できる。イーサネットでは元の送信すべき通信データをまず一定の長さ以下に分割して、決められた形式による情報の固まりを作り上げる。この情報の固まりをMACフレーム (Media Access Control Frame)、または単にフレームと呼ぶ。イーサネットでは常にMACフレームの形で情報が伝送路を流れている。元の情報が分割されているために、ネットワーク機器は一定の長さ以下の情報を扱うだけで済むため、情報転送に関わるあらゆる処理が非常に単純な作業の繰り返しで済む。物理的構成 [編集]イーサネットの物理的構成は、PCやルータ等のネットワーク機器(ノード)及びケーブルで組み立てられる。イーサネットは論理的にバス型構成であるため、一つの論理的バスの固まりをコリジョン・セグメント(または単にセグメント、コリジョンドメイン等)と呼ぶ。コリジョンセグメント内のノードは各々電気的に等価であり、全てのフレームが全ノードのネットワークインターフェイスに受け取られる。各ノードのネットワークインターフェイスはMACアドレスを持ち、自分宛でないフレームは廃棄する。また、スイッチングハブ等、レイヤー2以上のネットワークをサポートする機器を利用した場合全二重通信を行うことができる。セグメント同じデータが到達するネットワークを「コリジョン・セグメント」または単に「セグメント」と呼び、コリジョン検出の物理的な制約によって最長伝送路長が存在し、物理層のイーサネット規格として規定されている。一つのコリジョン・セグメント内に多すぎるノードが存在する場合は、後述するコリジョンの発生頻度が加速度的に高まり、閾値を越えたところで帯域が飽和する。また、機器間の距離が規定より長い場合、データリンクを確立できない可能性がある。規定された以上の長さの伝送路が必要な場合はリピータまたはリピータが多ポート化したリピータハブにより延長することが可能である。さらにブリッジや、ブリッジが多ポート化したスイッチング・ハブを用いてセグメントを拡張することができる。全二重通信と半二重通信「全二重通信」とは、1つの伝送路上の端末間で、常時、送信と受信が可能な通信技術のこと。「半二重通信」は、各端末は送信か受信のどちらか片方向の通信を、必要に応じて切り替えながらでしか行えない通信技術である。半二重通信では送信・受信の切り替え時に無駄が発生することがある。電話は全二重通信であり、CSMA/CDは半二重通信である。端末が自分の発した信号さえ把握していれば、受信した信号から送信されてきた信号(とノイズ)だけを得ることは可能であり、伝送路を伝わったエコー成分を消し去るエコーキャンセラ技術によって全二重通信は可能となった。一般に、PC等の機器間をクロスケーブルで接続する場合や、スイッチングハブ等、データリンク層以上をサポートする機器を介在することで、全二重通信を行うことができる。多くのスイッチングハブは、全二重/半二重を自動で検知し、切り替えることができる機能を持つ(オートネゴシエーション)。MACアドレスイーサネット上パコママの各端末を区別するために、製造段階で割り振られる世界中でただ1つ固有の48ビットのMACアドレスを持っている。先頭2ビットはアドレスの種類(ユニキャスト/マルチキャスト、グローバル/ローカル)、続く上位の22ビットはベンダーの固有値(グローバルアドレスの場合。なお、先頭2ビットとあわせて24ビットで表現されることが多い)、下位の24ビットはベンダーが自由に割り振る通し番号。イーサネットの上位に位置する通信規格であるIPプロトコル (IPv4) の32ビットのIPアドレスとは別である。CSMA/CD [編集]初回の衝突後では#0と#1の2つの待ち時間候補からランダムに選ばれる。2回目の衝突後は#0・#1・#2・#3の4つの待ち時間候補からランダムに選ばれる。3回目の衝突後は#0・#1・#2・#3・#4・#5・#6・#7の8つの待ち時間候補からランダムに選ばれる。同様に10回目の衝突後は#0・#1・#2・#3 - #1022・#1023の1024個の待ち時間候補からランダムに選ばれる。10回目以上の衝突回数後は全て1024個の待ち時間候補からランダムに選ばれる。こうすることで、混み合った場合に各端末が短時間で何度も送信を試みて衝突を繰り返すことを出来るだけ避けるように工夫されている。また各候補は512ビット時間(後述)分の1スロット時間ずつ間隔が空けてある。なお同一セグメント内での端末数の上限数「1024」はこの「1024個の待ち時間候補」から定められた数であり、もし1024の端末全てが再送待ちを行えば必ず衝突が発生することから決められた。イーサネットを特徴づけるものがCSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection ; キャリア検知多重アクセス/コリジョン検出)であり、通信経路上での信号の発送手段を規定している。物理的に類似した他方式、トークンリングの場合は、経路上のノード間でトークンと呼ばれる特殊なパケットを回し、受け取ったノードのみがフレームを送信することができるが、イーサネットでは、各ノードは自由に信号を発信することができる。その一方で信号の衝突が発生するため、通信路上を常に監視し(キャリア・センス)、衝突が検出(コリジョン・デテクション)された場合は、若干の時間待機した後、フレームを再送する。待機時間はTBEBアルゴリズムで決定する。短所として、たとえ混雑して送信待ちの端末が多数あっても常に通信路に空きが生じるため帯域に無駄が生じる。また、他の通信方式でも同様だが、規格で表されている伝送速度は通信路に流せる全ての情報に対する通信容量であり、フレームの頭に付くヘッダーやプリアンブル、フレーム間ギャップも通信容量を消費するため、ユーザーデータの伝送速度は常に規格の速度をある程度下回る。TCPやIPを使用すればその分のヘッダなどがさらに通信容量を消費する。キャリア・センス全ての端末は常に通信路上の信号を受信し、監視している。この機能を「キャリア・センス」(Carrier Sense) と呼ぶ。フレーム送信後、他のどの端末からもフレームが送り出されていない場合、最後のフレームの末尾から96ビット時間[4]以上待ち、次のフレームを通信路に送出することが許される。この待ち時間をフレーム間ギャップと呼び、このように複数の端末が1つの伝送路を共同で使用する機能を「マルチプル・アクセス」(Multiple Access) と呼ぶ。コリジョン・デテクションたまたまほぼ同時に複数の端末がフレームを送り出した場合は「コリジョン」、つまり衝突が発生してしまう。コリジョンによる信号の乱れを検出した場合は受信中のフレームは破棄され、ジャム信号という特殊な信号を伝送路に送信する。送出中の端末はコリジョンによる自身の信号の乱れを検出するかジャム信号を検出すれば、直ちに送出を停止し送信中だったフレームは送信前の状態に戻される。この機能を「コリジョン・デテクション」(Collision Detection) と呼ぶ。コリジョンは、送信側がフレーム送出を終了する前に検出される必要がある。そのため、同一ネットワーク上に接続された2つの端末をつなぐ通信路の総延長とフレームの最小サイズが限定される。つまり、リピータなどを介したケーブルの総延長が最小サイズのフレームを送り終える前に2台の端末間を往復できるだけの長さより短い必要がある。基本的にイーサネットにおける最小フレーム長は512ビット=64バイトであり、送出するデータが小さく、フレーム長が64バイトに満たない場合は、足りない分を0で埋めて64バイトとする。これをパディングと呼ぶ。1000Mbit/s (1Gbps) 以上の通信の場合は、最小フレーム長は4096ビット=512バイトとなり、足りない分を補うダミーデータをキャリア・エクステンションと呼ぶ(後述)。再送時間の決定フレームの送出を中止した端末は、擬似乱数によるランダムな時間だけ待った後、通信路が空いていれば、自分のフレームを送出することができる。その際にもし再度衝突が発生した場合は、2n個の待ち時間候補の中からランダムに決定される。この方法は「TBEBアルゴリズム」(Truncated binary exponential backoff algorithm) と呼ばれる。データリンク層 [編集]この節は執筆の途中です この節は執筆中です。加筆、訂正して下さる協力者を求めています。イーサネット規格のレイヤー2、つまりデータリンク層では、送信するMACフレームの作成や受け取ったMACフレームの解釈に関する作業を規定している。

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