Ethernet

Ethernet の基礎知識

媒体

Ethernet は、1973年に米ゼロックスのパロアルト研究所で開発され、 1983年にIEEEで標準規格 802.3 として認められました。

その後、いろいろなケーブルを使う規格へと発展してきています。過去および現在よく使われていた規格とケーブルの種類を挙げておきます。

標準規格名	読み方	IEEE仕様名	承認年	速度	サポート媒体	備考
10Base5	テンベースファイブ	802.3	1983	10Mbps	50Ω同軸(thick)	最初のEthernet。80年代〜90年代初めまで主流。
10Base2	テンベースツー	802.3a	1988	10Mbps	50Ω同軸(thin)	80年代終り頃一瞬流行する。
10BaseT	テンベースティー	802.3i	1990	10Mbps	Category3 (内部線4本)	90年代に一気に主流に。現在でもたまに見ることがある。
100BaseTX	ひゃくベースティーエックス	802.3u	1995	100Mbps	Category5 (内部線4本)	2年前ならば主流
1000BaseT	せんベースティー	802.3ab	1998	1Gbps	Category5e (内部線8本)	現在、主流になりつつある

最初の製品は 10Base5 で 1980年に3Comから出荷されました。初期は 10Base5 が主流でしたが、一瞬の10Base2の流行の後、 90年代にはオフィス環境では10BaseT でネットワークを組むのが一般的となりました。 2000年ごろから急速に 100Base-TX が普及してきて、 100Base-TX が主流になりました。 2004年頃から1000Base-T 用の機器の値段が下落してきたので、現在では1000Base-Tに主流が移りつつあります。

[Ethernet の名前の付け方]

    「伝送速度」  ＋ 「伝送方式」  ＋ 「伝送距離」か「ケーブル種類」

「伝送速度(data rate)」: 10Mbps, 100Mbps, 1000Mbps(= 1Gbps)
「伝送方式」: Baseband方式

Baseband方式 --- １本の伝送路に同時に１つの信号だけが通る方式
Broadband方式 --- １本の伝送路に同時に複数の信号が通る方式

「伝送距離」か「ケーブル種類」

5→ 500m
2→180m (約200m)
T→Twisted Pair Cable (100m)
(F→光ファイバ (Fiber) )

10Base5用ケーブルの主要特性

10Base5 では媒体として 50Ωの同軸ケーブルを用います。ケーブル中央に銅またはアルミの導体があり、その回りを絶縁体で囲みさらに外側にはシールド導体、そして絶縁ジャケットで保護されています。 (現在ではいろいろな色のものがありますが)当初は黄色が主流だったので、このケーブルを Yellow Cable と呼びます。
以下の説明の中に「ノード(node)」や「ステーション(station)」という用語がでてきますが、「ネットワークに接続されたコンピュータ」という意味で用いられていると理解して下さい。

10Base5における通信方法

トランシーバは同軸ケーブルを電流源信号によって駆動していて、論理値 0 または 1 がそれぞれ電流を「流さない」または「流す」ことを表しています。 1台のトランシーバは約40mAの電流を流し (シールドを基準点にして同軸ケーブルの中心導体からトランシーバへと負の電流が流れる)、同軸ケーブルの中心導体とシールドの電位差は約2Vになります。

10Base5における衝突の検出

2台のトランシーバが電流を流す場合は、各々が 40mA を流すので電位差は約 4V に上昇します。これによりトランシーバの受信回路が衝突を検出できます。

CSMA/CD

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection) 方式とは、競合によるメッセージの衝突を前提としている通信方式です。チャネルの割り当て機構に衝突を積極的に取り込んでいます (これをコンテンション方式といいます)。

Carrier Sense --- 同軸ケーブルに接続されたアクティブなノードは全て、常に同軸ケーブル上の信号を「聞き取って」います。これを Carrier Sense と言います。
各ノードはチャネル上のトラフィックを検出している (「話す前に聞く(listen-before-talking)」) わけです。チャネル上に既にトラフィックがあれば送信を控えます、トラフィックが無いことを確認してから通信を始めても、信号の伝播 (同軸ケーブル上の信号伝播速度は約0.77c) には時間がかかる (propagation delay) ので、通信中に信号の衝突が起きる可能性は残っています。
Multiple Access --- 複数のノードが一つの通信路(伝送チャネル)にアクセスしている状態を「マルチプル・アクセス」といいます。何もデータが送られていない(=トラフィックが無い, チャネルが空いている) ことを確認すれば、任意のノードは即座にメッセージを送信しても構いません。
Collision Detection --- 送信ノードが、信号が衝突したことを検出できる能力のことです。送信しているノードは、送信中も
- 伝送チャネル上の電気信号の強さ(同軸ケーブルの場合)
- 受信チャネル上の他のノードからの送信信号 (送受信チャネルの分かれた point-to-point リンクの場合)
などを監視することで衝突検出を行なっています。

衝突の窓 (Collision Window)

ノード host1 がフレームを送出してからネットワークの隅々にまで信号が伝播するには一定の時間 t がかかるとします。すると、送信を開始した後にこの時間 t が経過すれば、もはや他のノードはフレームを送出しませんから衝突は起こりません。衝突が起きた場合に衝突信号が返ってくる時間を考慮して、信号が媒体を1往復する時間を T = 2t とすると、host1 は送信を開始してから時間 T が経過したあとは伝送チャネルは host1 が確実に占有したと判断できます。この T を「衝突の窓 (Collision Window) 」といいます。

衝突発生時の振舞い

jam --- 衝突に関わった送信ノードは、他のノードが衝突を確実に検出できるように一定時間 (32 bit時間) ジャム信号 (0x55...) を出し続けます。
back off --- 衝突を検知すると、送信ノードは送信を中断し、ある時間待ってから再び同じメッセージを送信します。これを Truncated Binary Exponential Back-Off と呼び、 Back-Off Limit = 10, 再試行は16回までです。休止時間は、
```
    休止時間 = slot time × r
    ただし 0 ≦ r ＜ 2^min(k,10)
           kは試行回数
```
で計算されます。
slot time --- 送信ノード自身も含む全てのノードがチャネル上の衝突を確実に知るためには1回に送出されるフレームの大きさはある値よりも大きくなければなりません。この値を slot time といいます。ネットワークの最遠隔ノード間を信号が1往復する伝播時間 (480 bit時間) と、ジャム信号の送出時間 (32 bit時間) の合計以上にする必要があるので、 512 bit時間と規定されています。ここで「1 bit時間」とは 1bitを送るのに必要な時間のことです。 Etherne上の通信速度は 10Mbps であるので1bitを送るのに必要な時間は 1/10Mとなり、1bit時間=10^{-7} 秒 = 0.1 マイクロ秒となります。
ノードがフレームを送信し始めてから slot time が経過すればそのノードが確実にチャネルを獲得したことになり、これ以降は他のノードはフレームを送出しません(フレームの衝突は起こらなくなります)。したがって、平均のフレームサイズが slot time よりどれだけ大きいかがネットワークの効率を決定することになります。一般に、フレームサイズが大きい方が効率は良くなります。

Ethernetフレーム

フレームの受信

Ethenet フレームは最小 64 byte, 最大 1518 byte となります。受信ノードは carrier sense 信号を監視しており、これが on から off になると1つのフレームが受信されたとみなします。

受信フレームが byte の整数倍でないと最も近い byte 整数にまるめます(普通はこの結果 FCS check error となります。 64 byte 未満の場合はラント・エラー)。 1518 byte よりも大きい場合は1518 byte で切ります。

フレームの送信

Ethernetフレームの送信は、

他のどのノードも送信していない。
送信していればその終了後 9.6 μ sec 以上経過している (フレーム間ギャップ)。

という条件を満たした時に行なわれます。条件を満たさない場合は、条件を満たすまでフレームの送信を控えます。

符合化方式

マンチェスタ符合化 --- 1ビット・セルを2分割し、前半をオリジナルの補数、後半をオリジナルにする方式です。 10Base5, 10Base2, 10BaseT の時に使われていました。

プリアンブル

物理的に信号立ち上がり時は不安定なので、データを送出する前にチャネルを安定し同期をとる仕事が必要になります。送信側はデータ送出に先だって 8 octet のプリアンブルを送り出します。受信側はプリアンブルの最後 2bit に1が連続することを利用してデータの先頭を検出します。

Ethernetアドレス(MACアドレス)

Ethernetフレームの中で、宛先や発信元を表すために 48bit のビットパターンが使われています。これを「Ethernetアドレス」または「MACアドレス」と言います(MAC = Media Access Control)。 48bitのうち、上位24bitがベンダー(製造会社)固有の番号で、下位24bitが各(Ethernet用)ハードウェア固有の番号となります。これにより、特定のMACアドレスを持つ機器は世界中で1個しかないことが保証されます。

48bitの全てのbitが1であるMACアドレスは特別で、Ethernet Broadcast Address と呼ばれます。これは同じEthernetに接続している全ての機器(の「MACアドレス」) を指定したことになります。

リピータ

リピータとは、２本のEthernetを接続するための装置(増幅機)です。基本的に「一方のEthernetから来た信号を増幅して、他方のEthernetへ送り出す」という動作を行います。

フル・リピータ --- 本体から2本のトランシーバ・ケーブルが出るタイプ。
ハーフ・リピータ --- 1本のトランシーバ・ケーブルと光ファイバがでるタイプ。(注) HUB (リピータハブ、ダムハブなど)も計算上はハーフ・リピータ扱いです。

リピータは

一方のEthernetからプリアンブルを含むEthernetフレームを受け取り、
マンチェスタ符合化されたEthernetフレームをリピータ内部で一旦デコードし、
再びマンチェスタ符号化して、
プリアンブルを付加して、他方のEthernetへとEthernetフレームを送り出す

という働きをします。このときに時間遅れが生じたり、Ethernetフレーム間の間隔が変ったりします。

そのため、Ethernetをリピータでつないで拡張するには限度があります。フルリピータを1個,ハーフリピータを0.5 個と数えることにすると、「Ethernet上のどの２つのノード間も合計 2 個以下のリピータしか存在してはいけない」という規則があります。

ブリッジ

ブリッジは、Ethernet フレームを一旦受け取ってから、必要に応じてネットワークに転送します。

したがって、ブリッジを越えて衝突が起きることはありません。つまりリピータの2段ルールはブリッジがあるとそこで切れる (一まとまりになる)ことになります。

Ethernetで、衝突が起きる可能性能がある範囲を「コリージョン・ドメイン」と言います。ブリッジがあるとそこで「コリージョン・ドメイン」は途切れます。リピータでは途切れません。

Ethernetのブロードキャスト・フレームが伝わる範囲を「ブロードキャスト・ドメイン」と言います。リピータもブリッジはブロードキャスト・フレームも転送しますので、「ブロードキャスト・ドメイン」はリピータやブリッジでは途切れません。

スイッチ

最近流行の「スイッチ」も一種のブリッジですが、2個以上のインターフェイスを持ち、インターフェイス間のトラフィックを並列に処理する点が異なります。

しかも「スイッチ」では "cut through" (フレームを全部受け取ってから転送するのではなく、宛先アドレスを読み終るとすぐに送りだし始める) 技術を使って遅延時間を最小にするのが普通です。

ただし、"cut through" 技術では、壊れたEthernet Frameも転送してしまう (宛先アドレスまでは正しいことが多いので)という欠点があります。このため、多少遅延時間は増えますが64バイトまで受け取ってから転送を開始する "adaptive cut through" 方式を採用するスイッチが多くなってきています。

最近よく目にする「スイッチングハブ (switching HUB)」というのは、「スイッチ」の一種です。

10BaseT

10Base5 や 10Base2 においてはいずれも50Ω同軸ケーブルを敷設する必要がありました。 10BaseTは、既に建物に埋め込まれた電話用ツイストペア・ケーブル (category 3)を利用するために規定されました。

2つのMAUが point-to-pointで接続されます。 MAU( = Medium Attachment Unit)とは Ethernetなどにおいて、物理的な媒体に信号を送出したり、受信したり、衝突を検出したりする装置のことです。トランシーバもMAUです。
１つのセグメントは100mまで。
通信は半２重（送信と受信が同時にはできない）。送信と受信が同時に起きた場合を衝突とみなす。本当は衝突は起きていない。

100Base-TX

Ethernet (10Mbps) と FastEthernet (100Mbps) の MAC (Medium Access Control)パラメータの比較

パラメータ	Ethernet	FastEthernet
slotTime	512bit-times	同左
InterFrameGap	9.6μs(最小)	0.96μs(最小)
attemptLimit	16(試行)	同左
backoffLimit	10(指数)	同左
jamSize	32bits	同左
maxFrameSize	1518bytes	同左
minFrameSize	64bytes(512bits)	同左
addressSize	48bits	同左

FastEthernetの100Base-TXではカテゴリー5のケーブルを用います。また、100Base-TXのリピータ規則は次の通りです。

Class I のリピータは、遅延時間が 0.7μ秒以下。
Class II のリピータは、遅延時間が 0.46μ秒以下。
Class I のリピータを用いる場合、ホップは1度だけ許される。
Class II のリピータを用いる場合、ホップは2度まで許される。リピータ間のリンクは5mまで。
ケーブルの長さは100mまで。

現在では 10 Mbps と 100 Mbps の両方を自動判別するスイッチングHUB が非常に安価(8 port 用で数千円)で入手できるようになっています。したがって100Base-TX でリピータHUBを使うことはまずないでしょう。したがって、100Base-TXのリピータ規則は忘れても結構です。ただし、10Base-T用の古いHUB（リピータハブ、ダムハブ）を使ってネットワークを構築するときは 10Base-Tのリピータ規則にはやはり気をつける必要があります。

スイッチングHUBはスイッチ(一種のブリッジ)ですが、ポート毎にバッファがあるので一旦データを受け取ってから、他のポートに転送することができるのです。 10Mbps と 100Mbps の自動変換が可能なのもこのためです。

スイッチングHUBはバッファが溢れそうになると、「半２重」通信の場合はJam信号を出して送信を停止させます。

100BaseTX用のスイッチングHUBを使うと、接続されている機器(パソコン)が対応していれば「全２重」（＝送信と受信が同時にできる）で通信することもできます。この場合は、送受が同時に起きることが衝突とはなりませんので、スイッチングHUBのバッファが溢れそうになったら IEEE802.3xで定められた「ポーズフレーム」を送ることで、送信を止めてもらいます。