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リピータ、ハブ(物理層)

リピータとハブは、フレームを単なる電気信号として扱う物理層で動作するノードです。通信の距離が長くなると、伝送途中でノイズや減衰が発生し電気信号の波形が崩れます。歪みが酷くなると受信側で解釈ができず正しいビット列に戻せない可能性があります。

リピータは電気信号を増幅し波形を再生して中継を行います。初期のイーサネット(10BASE5/10BASE2)で、最大ケーブル長を延長してネットワークを構築する目的で使われました。

ハブはリピータの機能を持つ集線装置で、リピータハブとも呼ばれています。複数のポートを持ち、受信した電気信号を増幅して波形を再生し、受信ポートを除く全てのポートに信号を中継します。

コリジョンドメイン

イーサネットのネットワークで、電気信号の衝突が伝わる範囲をコリジョンドメインといいます。リピータを用いてネットワークを拡張したり、ハブをカスケード接続するとコリジョンドメインが広がり多数のノードが接続されると、頻繁に衝突が発生し、ネットワークのパフォーマンスが低下します。

ブリッジ、スイッチ(データリンク層)

ブリッジ、スイッチはMACアドレスを使用してフレームの中継を行うデータリンク層のノードです。

ブリッジはネットワークを拡張してコリジョンドメインが拡大した際に、パフォーマンス低下をか解決するために登場しました。ブリッジはフレームヘッダに含まれるMACアドレスを基にフィルタリング(選択遮断)をすることが出来ます。

スイッチは3ポート以上持つことができ、どのポートにフレームを中継するか判断できます。MACアドレステーブルを基に接続されているホスト向けにフレームの中継を行います。

ルータ、レイア3スイッチ(ネットワーク層)

ルータは、IPアドレスなど論理アドレスを使用してパケットを中継するネットワーク層のノードです。

ルーターはパケットを受信するとヘッダに含まれる宛先アドレスを基に、ルーティングテーブルを参照し最適経路を選択してパケットを転送します。この処理をルーティングといいます。

• 複数の経路から最適経路を選択し、パケットを転送する(ルーティング)
• 異なるネットワークを相互に接続する
• ブロードキャストドメインを分割する。

ルータとレイア3スイッチ

ルータはソフトウェア的にルーティング処理を行うのに対して、レイア3スイッチ(以下、L3スイッチ)はレイア2スイッチ(以下、L2スイッチ)と同様にASICを使用したハードウェアによる高速なルーティング処理ができます。

ブロードキャストドメイン

ブロードキャストのフレームが届く範囲をブロードキャストドメインと言います。ハブやL2スイッチ、ブリッジはブロードキャストのフレームを中継しますが、ルータはブロードキャストを他のインターフェイスに転送しません。このためルータ、L3スイッチはポート単位でブロードキャストドメインを分割できます。

デフォルトゲートウェイ

宛先が別ネットワークに存在する場合、パケットはルーターに転送して貰う必要があります。ルータは異なるネットワークへの門となります。これをデフォルトゲートウェイといいます。

各ホストはデフォルトゲートウェイのアドレスを指定しておかなければ外部との通信は出来ません。通常、デフォルトゲートウェイは自身のブロードキャストドメインに接続されたルータのインターフェイスになります。

CSMA/CD

IEEE802.3標準の媒体アクセス制御方式であるCSMA/CDでは、送信前にリンクの空きを確認してからデータを送信します。衝突を検知した場合はランダムに時間を待ち再送信されます。

CS(キャリアセンス)

キャリア(Carrier)はネットワークに流れている信号で、リンク上に信号が流れていないか確認する処理をCS(キャリアセンス)と言います。

信号が流れていない状態をアイドルと言い、ノードはアイドル状態がIFGと呼ばれるフレーム間隔時間だけ継続するとデータ送信を行います。

MA(多重アクセス)

リンクが空いていることを確認すると、ネットワーク上に存在するどのホストもデータ送信を行えます。全てのホストにデータ送信権利がある状態をMA(多重アクセス)と言います。

CD(衝突検出)

2台以上のホストが同タイミングでCSを行うと衝突(コリジョン)が発生します。衝突の発生を検出することをCD(衝突検出)と言います。

MACアドレス

イーサネットや無線LANにおいてフレームの送信元や宛先を識別するためのアドレスです。ネットワークに接続可能な全ての機器にあらかじめ割り当てられているため、「ハードウェアアドレス」、「物理アドレス」とも呼ばれます。

MACアドレスの長さは48ビット(6バイト)あります。「-」や「:」で区切って16進数表示で表記します。

アドレスの構成

48ビット中、前半の24ビットはOUI(Organizationally Unique Identifier)といい、MACアドレスを持つ機器のベンダを表す識別子です。別名「ベンダコード」とも呼ばれています。IEEEが各ベンダに異なる値を割り当てて管理しています。

後半の24ビットは、ベンダが自由に割り当てができます。各ベンダは製造した機器に重複しないように割り当てます。これによってMACアドレスは固有のものとなり、LAN上に存在る全てノードは異なるMACアドレスを持ちます。

アドレスの種類

MACアドレスは3種類に大別されます。

• ユニキャストMACアドレス・・・・・・・・・特定のノードへの通信(1対1)に使用します
• マルチキャストMACアドレス・・・・・・・・特定のグループへの通信(1対n)に使用します
• ブロードキャストMACアドレスアドレス・・・全ノード宛の通信(1対全)にしようします

イーサネット規格の命名規則

IEEE802.3規格では様々な伝送媒体が規格されています。命名規則によって名前の付け方が決まっています。

[通信速度][伝送方式]-[ケーブルの種類]

例）100BASE-TX

通信速度が100Mbps
伝送形式がデジタル信号をそのまま送信する「ベースバンド方式」
ケーブルの種類がT(ツイストペアケーブル)、X(ANSIの技術仕様を利用している)

OSI参照モデルの基礎

通信プロトコルの位置付けや関連性を把握するための役立つ基本モデルです。通信の仕組みなどを学ぶ上でも重要です。

プロトコル

プロトコルは通信を行う上での約束事(ルール)です。通信時には、必ず相手と同じプロトコルを使用します。双方で使っているプロトコルが異なる場合、データをやり取りすることが出来ません。プロトコルには様々な種類があり、通信はたくさんのプロトコルが連携することによって可能になります。数種類のプロトコルを体系的に組み合わせたものをネットワークアーキテクチャ(プロトコルスタック、プロトコルスイート)と呼びます。

OSI参照モデル

OSI参照モデルはネットワークで必要とされる機能を7つの階層(レイヤ)に分割したモデルで、それぞれの階層の役割を果たすためのプロトコルを定義しています。

階層	名前	役割
第7階層	アプリケーション層	ネットワークアプリケーションの機能を提供する
第6階層	プレゼンテーション層	データの表現形式を決定する
第5階層	セッション層	セッションの管理を行う
第4階層	トランスポート層	信頼性のある通信を提供する
第3階層	ネットワーク層	最適経路を決定し、エンドツーエンドの通信を行う
第2階層	データリンク層	隣接するノードと通信を行う
第1階層	物理層	ケーブルや電気信号を定義し、ビットを正しく伝送する

 

物理層(レイヤ1)

物理層の役割は、ノードをケーブルに接続し０と１のデジタルデータを伝送メディアで扱う信号に相互に変換することです。電気的・機械的なハードウェアの物理仕様が決められています。

• コネクタの形状、ピンの数や配置
• ケーブルの種類、長さ
• 電圧レベル、電圧変化のタイミング
• 通信速度、符号化の方式

データリンク層(レイヤ2)

データリンク層の役割は、同一リンク上に接続された隣接ノードと正しく通信をすることです。通信相手(宛先)を選定するための情報としてMACアドレスが使われます。

次のことを定義しています。

• 通信媒体にデータを送り出すときのタイミング
• 伝送中に発生したエラーの検出と対処方法
• データ(フレーム)の構造
• データ送信元および宛先の識別方法

ネットワーク層(レイヤ3)

異なるネットワークを相互に接続し、エンドツーエンド(通信の開始から最後まで)で通信をするための経路選択(ルーティング)を行うことです。データの転送先(宛先)を決定する情報にIPアドレスなどの論理アドレスを使用します。

次のことを定義しています。

• データの送信元および宛先を識別するアドレス割当方法
• データ(パケット)の構造
• 経路選択(ルーティング)の方法
• 選択した経路上にデータを創出する方法

トランスポート層(レイヤ4)

データを確実に届けるための信頼性を提供することです。

次のことを定義しています。

• 仮想回線(コネクション)の確立・維持・終了
• フロー制御(受信側の状態に合わせて送信量を調整する)
• 順序制御(分割されたデータを受信側で元の順番に再構成する)
• 確認応答(データが正しく相手に届いたかどうか確認する)
• 再送制御(送出に失敗した場合は再送信する)

セッション層(レイヤ5)

通信を行うプロセス(プログラム)同士の論理的な通信路(セッション)の確立・維持・終了を定義しています。

セッションとは2つのシステム間で実行される通信の接続の開始から終了までを指します。

WEBサイトを表示するとき、URLを入力して実行すると通信が開始され、ページの全てのデータを読み終えると通信が終了します。一連の流れがセッションに相当します。

プレゼンテーション層(レイヤ6)

データを受信側でも正しく読み取れるようにするために表現形式を定義し、共通の形式にデータを変換することです。文字コード(ASCII、EBCDIC)、静止画(GIF、JPEG)、動画(MPEG)などが該当します。

アプリケーション層(レイヤ7)

利用するアプリケーションに対してネットワークサービスを提供します。電子メールやWEBページ表示、ファイル転送などがあります。

電子メールを送る場合、相手のメールアドレス、件名、本文をメールソフトを使って決められたエリアに入力する必要があります。

同軸ケーブル

同軸ケーブルは、最初のイーサネットである10BASE5、10BASE2で使用されたケーブルです。外的なノイズを遮断するために高周波でも品質の高い信号をう伝送することができます。今では活躍の場は減りましたが、今でもテレビやCATVなどで利用されています。

シリアルケーブル

シリアルケーブルは、1本の信号線を使って1ビットずつデータを転送する方式の通信ケーブルです。一般的にWAN接続で使用されます。信号の形式を定義する規格は数種類あり、Ciscoルーターがサポートしている形式は次のとおりです。

• EIA/TIA-232
• EIA/TIA-449
• V35
• X21
• EIA-530

規格ごとにケーブル上の信号が定義されています。ケーブルの橋のコネクタ形状も指定されています。どのシリアルケーブルを使うかはWAN接続するルータのシリアルポートコネクタ形状とDCEデバイスのインターフェイスを確認して選択する必要があります。ルータ側のポートは通常DB-60コネクタやスマートシリアルインターフェイスを使用します。

光ファイバは、コンピュータの電気信号を光信号に変換して伝送する通信ケーブルの一種です。

光ファイバはコアと呼ばれる屈折率が高い素材を核とし、クラッドと呼ばれる屈折率が低い素材でコアの周囲を包み込んだ構造をしています。コア素材には石英ガラスやプラスチックが使われます。コアとクラッドの屈折率の違いから、境界面で光が全反射することを利用してコア内部に光を閉じ込めて、光の道路を自由に曲げることができます。複数の光ファイバケーブルを1本に集めても干渉しないため超遠距離通信ができます。光信号は電気信号に比べてはるかに多くのデータを一度に伝送できるため、超高速データ通信が可能です。

シングルモード、マルチモード

光ファイバの伝送距離は、コア径(ファイバの直径)により違います。コア径が小さいほど長距離の伝送が可能です。シングルモードファイバ(Single Mode Fiber：SMF)、マルチモードファイバ(Multi Mode Fiber)に大別されます。

SMF(シングルモードファイバ)

ファイバのコア径は9μm程で、1種類の光信号(モード)のみを伝送します。ファイバー内を進むレーザー光は1種類のモードしか存在しないため、分散を起こすことなく高速で長距離伝送が可能です。ファイバーが細いため折り曲げに非常に弱くケーブルの取扱が難しくコストが高い。

MMF(マルチモードファイバ)

ファイバのコア径は50μmまたは62.5μmとシングルモードファイバより大きく、複数の光信号(モード)を伝送します。ファイバ内の光信号は全反射を繰り返しながら進むため、光が多くのモードに分散して伝送されることから信号の到達時間に微妙なズレが生じ、低速で短距離伝送となります。ファイバが太いため取り扱いが比較的容易で安価です。

 

ネットワークを構成するケーブルは種類があります。一般的なケーブルとコネクタの種類と特長を紹介します。

ツイストペアケーブル

ツイストペアケーブルは、8本の芯線を2本ずつより合わせて4対のケーブルです。これによってノイズの発生と影響が抑えられます。通信可能な距離を延長し、「より対線」とも呼ばれて、LANで最もよく使われています。

UTPとSTPケーブル

ツイストペアケーブルはシールドの有り無しによって2種類に分類されます。

• UTP(UnShielded Twisted-Pair)・・・・シールド保護なし
• STP(Shielded Twisted-Pair) ・・・・・シールド保護付き

シールドは、より線の周りを囲んだ絶縁体のことです。これによってノイズの影響を抑える効果があります。その分コストが高くなります。一般的なオフィスや家庭ではUTPが使われ、STPはノイズの発生源が多い工場や研究所のような特殊な環境で使われます。

カテゴリ

ツイストペアケーブルは次の表の様に、いくつかのカテゴリに分けられて規格化されています。LANで使用されるものはカテゴリ３以上になります。

カテゴリ	伝送速度	最大周波数	適用範囲
1	20kbps	規定なし	電話線(４線２対)、コネクタは電話用(RJ-11)
2	4Mbps	1MHz	ISDN、デジタルPBX、低速データ通信用
3	16Mbps	16MHz	10BASE-T、トークンリング
4	20Mbps	20Mbps	トークンリング(16Mbps)
5	100Mbps	100Mbps	100BASE-TX
5e	1Gbps	100Mbps	1000BASE-T、Cat5よりも性能が高い
6	1.2Gbps	250Mbps	1000BASE-T、10GBASE-T(ただし、最大ケーブル長は55m)
6a	10Gbps	500Mbps	10GBASE-T、Cat6よりも安定した通信が可能
7	10Gbps	600Mbps	10GBASE-T、シールドがされたSTPケーブル

 

カテゴリは伝送速度を高速にするための方法によって分類されています。数字が大きほど高品質で高速伝送が可能です。上位カテゴリのケーブルで下位カテゴリのケーブルの代替えが可能です。

RJ-45コネクタ

ツイストペアケーブルの両端にRJ-45(Registered-Jack-45)という規格コネクタが使われます。NICやネットワーク機器に差し込んで接続します。

1本のツイストペアケーブルを分解してみると、8本の色分けされた導線が入っています。EIA/TIA-568規格により、配線ペア、何番目のスロットに結線されるか決められています。T568-A、T568-Bの2つの規格があります。

【EIA/TIAピン配列】

	1	2	3	4	5	6	7	8
T568-A	白/緑	緑	白/橙	青	白/青	橙	白/茶	茶
T568-B	白/橙	橙	白/緑	青	白/青	緑	白/茶	茶

 

芯線の色は規格によって一部異なりますが、ポート番号が

1-2、3-6、4-5、7-8

とそれぞれペアになってより合わせられます。これによって8本の芯線で電気信号が流れます。

ストレートケーブルとクロスケーブル

ツイストペアケーブルにはストレートケーブルとクロスケーブルの2つに大別されます。

・ストレートケーブル：ケーブルの両端を同一のピン配列で結線したケーブル。ストレートスルーケーブルとも言われる。
・クロスケーブル：ケーブルの両端を異なったピン配列で結線したケーブル。クロスオーバーケーブルとも呼ばれる。

100BASE-TXと10BASE-Tの通信では1,2,3,6番ピンを接続する2対みのを使用します。

ストレートケーブル

ストレートケーブルは同じピン配列ですので、画像は割愛いたします。

クロスケーブル

▼▽▼▽▼▽100BASE-TX▼▽▼▽▼▽

▼▽▼▽▼▽1000BASE-T▼▽▼▽▼▽

画像を見ると混乱するかもしれませんが、
より線のペアになっている、

1-2、3-6、4-5、7-8

のピン配列が入れ替わります。

MDIとMDI-X

実際にケーブルを使う場合にストレートかクロスのどちらかを判断する場合、接続するデバイスの組み合わせによって決まります。モジュラージャック(ポート)へは、各ピンへの信号が割り当てによってMDI(Medium Dependent Interface)とMDI-X(Medium Dependent Interface X)の2種類があります。

• MDI：<送信>１・２ピン端子、<送信>3・6ピン端子
• MDI-X：<送信>３・６ピン端子、<送信>１・２ピン端子

電気信号の衝突を避けるために、送信側から送出された電気信号を、受信側で着信できるように接続しなければなりません。従ってMDIとMDI-Xを接続するときはストレートケーブル、MDIとMDIまたはMDI-XとMDI-Xを接続する場合はクロスケーブルを使います。

タイプ	ノード
MDI	コンピュータ(NIC)、ルータ
MDI-X	リピータハブ、スイッチ

 

異なる階層の機器同士を接続する場合はストレートケーブル、同じ階層同士の機器を接続する場合はクロスケーブルを使います。