イーサネット

イーサネット (Ethernet) は、家庭・企業・データセンターなどで使用されるコンピューターネットワークにおいて、LANやWANを構成する有線ローカルエリアネットワークの主流な通信規格である。その技術仕様はIEEE 802.3で規定されている。
概要.
初期の同軸ケーブルによるLANから発展を続け、ツイストペアケーブル・光ファイバーケーブルを主に用いた有線LANの技術の進歩に合わせて、より通信速度が高速な、新たな規格が登場し続けている。
今日では世界中のLANの多くがイーサネットを採用し、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が取り込まれている。
大小さまざまな組織でパソコン、ワークステーション、サーバー、大容量データストレージデバイスをサポートするために不可欠なものとなっている。
イーサネットではOSI参照モデルの下位2つの層である物理層とデータリンク層に関して規定しており、2021年現在ではTCP/IPと組み合わせて利用される。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、データリンク層は新旧の規格同士や無線LANとの間にも互換性がある。
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。
通信速度は、1980年代初期の10メガビット・イーサネットから始まり、2000年代にはその10倍の伝送速度を持つ100メガビット・イーサネット、100倍の伝送速度を持つギガビット・イーサネットが普及している。さらに、10ギガビット・イーサネット(10GbE)や100ギガビット・イーサネット(100GbE)などがIEEEで策定されている。
日本では、「Ethernet」、「イーサネット」は富士フイルムビジネスイノベーション（旧：富士ゼロックス）が商標登録している。
歴史.
イーサネットの発想の原点はハワイ大学のノーマン・エイブラムソン教授が開発した「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。
最初のイーサネットはALOHAシステムのアイデアに基づいており、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に合わせたためだとされている。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Apple Computer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。
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。これは、50Ω同軸一芯ケーブルを利用したバス型トポロジーを持ち、半二重通信で10Mbpsを達成したもので、直径1cmの堅く重たいケーブルを用いており、後に「10BASE5」と名付けられた。これに続いて同軸ケーブルの径を細くして軽量で引き回しを容易にした10BASE2のThin Ethernetケーブル、10BROAD36の75Ω同軸ケーブル、FOIRLでマルチモード光ファイバーケーブルが伝送媒体として使われるようになった。それから電話の配線に用いられていた非シールドの合わせた対の銅線を採用した1BASE5 ()が提案され、これを原型として定着した10BASE-Tでは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トポロジーが採られるようになった。
初期の10メガビット・イーサネットの時代は、OS側でのネットワーク・サポートは限定的であり、PCではNovell社のNetWareやマイクロソフトの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。（ワークステーションとしては、例えばSun社のNFSがあった。）
1980年代から1990年代にかけては、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ISA/EISA/NESA/PCI形式のドーターカードがPCのオプションとして別売されることが多く、これをPCのマザーボードに差し込んでイーサネット環境を利用できた。
2000年代前半にはチップセットに最初からイーサネットのLAN機能が回路の一部に含まれ、マザーボード上にイーサネットのジャックが装備されるようになった。この頃にはイーサネットの機能実装が当たり前になるとともに、イーサネットという規格の用語名そのものを使うことがまれになった（単にネットワーク・インターフェースと呼ばれることが多くなった）。2015年現在では、家庭用・業務用問わずネットワーク・ポートを最初から2つ持つマザーボードも容易に入手できるようになった。
通信技術.
イーサネットは、OSI参照モデルにおけるレイヤー1の物理層およびレイヤー2のデータリンク層を規定するものであり、IEEEによりIEEE 802.3としてその技術仕様が公開されている。物理層はその伝送媒体が有線に限定されており、無線媒体における通信規格はIEEE 802.11、IEEE 802.15などで別途規定されている。
イーサネットの物理層は、初期のものとその後の拡張されたものとでは、仕様や電気的構成が大きく異なる。一方でデータリンク層は、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や無線LANなどのネットワーク機器を用いて各規格を繋ぎ合わせることで、相互にデータをやりとりすることができる。
イーサネットでは元の送信すべき通信データをデータリンク層がまず一定の長さ以下の決められた形式をもつデータの塊に分割する。このデータの塊のそれぞれをイーサネットフレーム、または単にフレームと呼ぶ。データは物理層で物理信号に変換されて伝送路上で送受され、常にフレームの形で伝送路を流れている。通信データがフレーム単位に分割されているために、ネットワーク機器は一時には一定以下の長さのフレームのデータを扱うだけで済むので、情報転送に関わる全ての処理は非常に単純な作業の繰り返しに帰着する。
イーサネットの接続構成は、PCやルータ等のノード、スイッチングハブなどのネットワーク機器、ケーブルなどの伝送媒体から成る。各ノードのネットワークインタフェースは各端末同士を識別するための固有値を持ち、これをMACアドレスと呼ぶ。ノードは自身や宛先のMACアドレス情報をフレームに含めて送信し、スイッチングハブや端末ノードはそのアドレス情報に基づいて受信や中継処理を行う。
階層モデル.
イーサネットでは、OSI参照モデルの物理層・データリンク層をさらに細分化したモデルを用いてその仕様を明確化し、物理媒体に依存しない柔軟性を持たせている。レイヤー間接続は階層モデルと異なる実装でもよいが、互換性のある設計が求められる。
物理層.
レイヤー1にあたる物理層では、イーサネットフレームと相互変換される電気信号や光信号の物理仕様を規定している。この処理デバイスをPHYと呼ぶ。
1983年に規定された初期のものは、同軸ケーブルによるバス型構成で半二重通信を可能にしたものである。その後、ツイストペアケーブルや光ファイバーケーブルが使われるようになると、スター型構成による接続が基本となった。さらに、1Gbps以上の通信規格が登場してからは、通信開始前のリンク確立時にオートネゴシエーションが必須となり、全二重通信が前提となっている。
信号伝送に用いられる変調方式は、ほとんどがベースバンド伝送であるが、初期にはブロードバンド伝送を行う方式があった。ベースバンド伝送では、10BASExではマンチェスタ符号、100BASE-TXでは4b/5bと、1000BASE-Tでは8B/1Q4 (4D-PAM5)、1000BASE-Xでは8b/10bなど、それぞれの物理媒体・通信速度に適した変調が用いられる。さらに、10Gbps以上の通信規格では、符号化にあたり誤り訂正を付加するものがある。
データリンク層.
レイヤー2にあたるデータリンク層では、送信するフレームの作成や受信したフレームの解釈に関する作業を規定している。このプロトコルまたは処理部をMACと呼ぶ。
データリンク層は、IEEE 802全体に渡ってLLCとMACの2つの副層に分かれており、イーサネットは、このうちのMAC副層のみを主対象として取り扱っている。
フレームの送信.
ネットワーク端末であるイーサネット通信装置は、データを送信するために、まず元データをいくつかの塊（ペイロード）に分割し、46–1500オクテット（バイト）の大きさに分ける。データリンク層では、このペイロードの前後にアドレスやチェックシーケンスなどの付加情報を加え、以下のようなフレームを完成させる。
このフレームは物理層で物理信号に変換され送信される。
フレームを連続して送付する場合は、96ビット分のフレーム間隔を空けて送信することが規定されている。
フレームの受信.
イーサネット通信装置は受信データを物理層で受け取り、フレームとして再構成する。
端末ノードは、自分のMACアドレスが「宛先MACアドレス」でなければそのまま破棄する。フレーム全体からFCSを切り出して計算し、誤りがあれば伝送誤りとして破棄する。また、ペイロードの長さが46-1500オクテットの範囲外となる場合も破棄する。破棄がなければペイロード部分を上位レイヤーへ渡し1フレームの受信作業は終わる。破棄された受信フレームについては、イーサネットで再送処理は用意されていない。一般的に上位レイヤーは多くのネットワークではTCP/IP規格が使用されており、イーサネットで破棄がある場合はTCPからの指示で再送要求を送ることができる。
スイッチングハブなどのネットワーク機器では、FCSやペイロード長に異常があれば破棄するのは端末ノードと同様であるが、受信フレームから送信元アドレスを読み取り、それぞれ接続されたポートごとに所属する端末のMACアドレスを一覧リストとして保持している。フレーム受信する度に宛先アドレスをアドレス一覧リストから高速で比較して転送先を決定している。
こういったレイヤー2スイッチング・ハブの動作はIEEE 802.1Dで規定されており、全ての速度・形式のイーサネット規格で同一である。
機器及びケーブル.
イーサネットを構成するための機器及びケーブルについて説明する。
機器.
イーサネットの中継を行う機器は、その接続構成や役割によって4つに大別される。
ケーブル.
イーサネットの接続に用いられる伝送媒体として、以下のものがある。
同軸ケーブル.
導線を筒状の導体で覆ったケーブル。初期イーサネットである10BASE5・10BASE2では、共に50Ωインピーダンスの同軸ケーブルが使用された。10BASE5は直径10mmの通称Thick Ethernetケーブル（またはイエローケーブル）を使用している。後発の10BASE2ではタイプの通称Thin Ethernetケーブルを使用し、直径5mmに改善されている。10BROAD36ではRF接続による通信路としてケーブルテレビで用いられる75Ωインピーダンスの同軸ケーブルが用いられた。
10GBASE-CX4や100GBASE-CR4では、データセンター内の高速短距離用途で2芯同軸ケーブル(Twinaxケーブル)が用いられ、主にダイレクトアタッチケーブルの着脱モジュールとして実装されている。
光ファイバーケーブル.
光信号を伝送するケーブル。多くは送受信号用に2本を用いるが、異なる2つの波長信号を1ケーブル内で同時に送受する方式もある。
短距離用にマルチモードファイバー(MMF)、長距離用にシングルモードファイバー(SMF)を使用する。
10BASE-F、100BASE-FX、1000BASE-SX/LX、10GBASE-SR/LR/ER、100GBASE-Rなどで使われる。イーサネットの光ファイバー通信におけるケーブルは、おおむねファイバーチャネルやSONET/SDHで用いられている技術を踏襲し、以下のようにISO 11801で仕様が規定されているものを用いる。1kmあたりの減衰量や帯域幅などの信号特性によってカテゴリに分類されており、特にMMFは通信速度向上に伴い上位のケーブル仕様が要求される。
ツイステッド・ペア・ケーブル.
による平衡接続で100Ωの特性インピーダンスを持つ銅線ケーブル。特に4対8線で両端にオス型8P8C（通称RJ-45）コネクタのついたものが最も多く使用され、一般に「LANケーブル」と呼ばれる。圧接工具を使えば容易に任意の長さのケーブルにコネクタを接続することもできる。ケーブルには配線構成によっていくつかの種類がある。
物理層の規格仕様.
通信媒体・伝送速度の違いにより多種の物理層仕様が規定されている。主要な規格名のおおむねの付け方を以下に示す。
formula_1
例えば「10BASE-T」は、「10」で10Mbpsの転送速度、「BASE」でベースバンド伝送、「T」でツイストペアケーブルを使用することを意味する。