#0149（2025/05/24）イーサネットとはどんなプロトコル?

# 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

1. **低コスト** ― UTP ケーブル & 汎用スイッチで安価。
2. **シンプル** ― CSMA/CD → 全二重化で衝突制御不要・実装容易。
3. **スケーラビリティ** ― 10 Mbps から 400 Gbps まで継続的に拡張。
4. **相互運用性** ― IEEE 標準によりベンダー間互換が担保。
5. **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

```text
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

```text
+---------+    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。       |

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### 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