【ネスぺ対策】物理層とデータリンク層まとめ

イーサネットヘッダは宛先→送信元の順番である一方で，IPヘッダとTCP/UDPヘッダは送信元→宛先の順番であることに注意する。これは，イーサネットが元々はブロードキャスト通信から自分宛のパケットのみを受信する仕組みであったことに由来している。一方で，ネットワーク層以上に関しては「指定するMACアドレスにはたどり着いたことが保証されているため送信元情報から確認する」と理解するとよい。

オクテット（8bit）単位でデータを取り込んで最下位ビットから最上位ビットに向けてビット列を組み立てる。それゆえ，イーサネットにはオクテットごとに前後が入れ替わったビット列が流れる。

• 10101010×7 + 10101011

最初の7bitをプリアンブルといい，末尾の11を含むオクテットをSFD（Start Frame Delimiter）という。

• 宛先MACアドレス：6byte
• 送信元MACアドレス：6byte
• タイプ：2byte
• 802.1QVLANタグ：4byte
• FCS：4byte

相手の応答を待たずにフレーム単位で通信を連続で行うため伝送効率が高く，誤り検知にCRCを利用するため信頼性も担保している。ただし，CRCはあくまでも誤り検知だけであり，誤り訂正の機能は有さないことに注意する。

従来から利用されているクライアントとサーバの伝送制御手順として，ベーシック手順（基本形データ伝送制御手順）が挙げられる。ベーシック手順は，SYN符号01101000でブロックの切れ目を識別し，文字（キャラクタ）ごとにデータを送受信する手順であるため，伝送効率が悪いことが指摘されていた。さらに，誤り検知ではパリティチェックを利用するため2ビット以上の誤りを検知できず，信頼性に欠けるという問題点があった。原理的に，文字コード以外のデータを送受信できなかった点にも注意されたい。

HDLC手順はハイレベルデータリンク手順とも言われ，ベーシック手順の伝送効率の悪さおよび信頼性の低さを克服しようとするものである。具体的には，フラグシーケンス01111110 を用いてフレームの切れ目を識別し，1が5回続いたら0を挿入するというルールが定められているため，原理的に文字コード以外のデータを送受信することが可能になった。誤り検知では巡回冗長検査（CRC）を利用するため，連続したビットの誤りであるバースト誤りを検出することができる。

アドレス部には送信先アドレス，制御部では送信シーケンス番号・受信シーケンス番号や監視に関するフラグ，ペイロード部では送受信したいデータ，FCSではCRCを格納する。

01111110 というフラグシーケンスがフレームの区切りを表すという点。フレーム内部では1が6つ以上連続することは許されないため，5つ以上連続した場合には直後に0を挿入する必要がある。それに伴って，受信側でも1が5つ連続した場合にはその直後の0は削除しなければならないことになっている。したがって，PPPやHDLCのフレームフォーマットでは0の挿入や削除でCPUに大きな負荷をかけてしまうというデメリットがある。

PPPoEのフレームフォーマットは，イーサネットのフレームフォーマットに対して2byteのPPPヘッダと6byteのPPPoEヘッダを挿入したものになっている。イーサネットのフレームフォーマットではMTUは1500byteでMSSは1460byteであるため，イーサネットのフレームフォーマットではMTUは1492byteでMSSは1452byteとなる。なお，図中ではプリアンブルが8byteとなっているが，実際にはプリアンブルが7byteでSFDが1byteの内訳になっている。

パケットキャプチャを行うためには，スイッチにシェアードHUB（バカHUB）を利用するか，ミラーリング機能を利用することにより，流れるパケットをキャプチャするPCに流す必要がある。さらに，実際にはパケットはキャプチャを行うPC宛に流れてきている訳ではないので，パケットを破棄しないようにPCをプロミスキャス（無差別）モードに設定する必要がある。

送信中に電圧が規定範囲外となった場合に衝突と判断する。

送信先が衝突を検知した場合には，ジャム信号と呼ばれる32bitの特別な信号が送られる。このとき，受信側はジャム信号をフレームのFCSと認識してしまい，FCSの計算が合わないため，フレームが破棄される。すなわち，実際には受信先は信号が衝突したことは意識していない。

媒体共有型のネットワーク。同じ通信路を使ってデータの送受信を行うため，基本的には半二重通信となり，CSMA/CD方式などが必要になる。

媒体非共有型のネットワーク。スイッチがフレームの転送先を振り分けてくれるため，コンピュータとスイッチのポートが一対一に接続される場合には全二重通信が可能である。送受信を同時に行うことができるため，CSMA/CD方式が不要になり，効率の良い通信が可能になる。

搬送波を監視して，データの送信を制御する方式，

SANでは，ファイバチャネルなどによる専用ネットワークが利用される。シリアルATAは内臓ストレージとの接続形態を表し，LANはクライアント・サーバ間の接続形態を表す。SANはサーバ・ストレージ間の接続形態を表す。

送信権制御方式の一つ。

• コンテンション方式：CSMAのこと
• トークンパッシング方式：リング型やスター型のトポロジーでトークンを受け取ったノードだけが送信を行うことができる方式。
• ポーリング／セレクティング方式：マスタコントローラと呼ばれる中央の制御局が，従属局の通信を制御する一対多数方式。制御局→従属局の通信をポーリングと呼び，その逆をセレクティングと呼ぶ。マスタコントローラがメッセージを中継するセントライズド方式と，マスタコントローラが各ノードに送信要求の有無を問い合わせて送信要求のあるノードに送信権を与えるノンセントライズド方式がある。

光ファイバー回線におけるONUと同様に，DSU（Digital Service Unit）はISDN回線などメタル回線における回線終端装置のことを指す。DSUとFWは，RJ-45と呼ばれるモジュラジャックを通して接続される。

覚え方にコツが必要。まず，規格名の冒頭の数字は速度を表していることを理解する。1000であれば1Gbpsで10Gであれば10Gbpsとなる。次に，BASEは伝送方式を表すが，基本的にはBASEだけをおさえておけばよい。ハイフンの後ろのアルファベットはケーブルの種類を表している。Tはツイストペアケーブルを表す。SとLは光ファイバの種類を表す。Sはショートで波長が短いことを表す。短い波長をいくつか組み合わせることで複数のデータを同時に送信できるため，Sは光ファイバのうちマルチモードを表す。Lはロングで波長が長いことを表す。長い波長は高速かつ安定した通信を可能にするため，光ファイバのうちシングルモードを表す。これらのルールにより，1000BASE-LX以外の規格をおさえることができる。1000BASE-LXだけ例外で，Lと付くのにも関わらずマルチモードも可能であるという点に注意が必要だ。

折り曲げへの耐性とコスト。ただし，ケーブル自体のコストにはそこまで差があるわけではなく，光トランシーバのコストに差があることに注意が必要。

Wi-Fi6と呼ばれる規格でもあり，2.4GHz帯と5GHz帯の両方に対応している。多数の端末が接続する高密度な環境において，平均スループットを向上させるプロトコルとなっている。OFDMAは周波数帯域を利用して多重通信を可能にするため，一つの通信で複数の機器に接続することができる。同時に，11axでは空間的な多重化の改善も行っている。具体的には，11acから採用されていたビームフォーミングを利用して空間的に多重化を可能にする技術であるMU-MIMOに関して，11acではダウンリンク（アクセスポイント→クライアント）のみであったのに対し，11axではアップリンク（クライアント→アクセスポイント）もサポートしている。他にも，信号受信待機の必要がないときに，子機側の通信機能をスリープ状態へ移行させるTWT（Target Wake Time）により，省エネを実現している。

一般に，周波数が高ければ高いほど波は直進性が高く，低ければ低いほど波はよく回折する。これは，ホイヘンスの原理を障害物の端点に適用することにより，覚えることなく理解することができる。波は素元波の重ね合わせでできていることから，障害物の裏側には障害物の端点を中心とする素元波が回り込むことになる。このとき，周波数の高い素元波は角度を少し変えるだけで位相が大きくズレてしまうために，隣合う素元波と打ち消し合う作用が強まってしまう。したがって，周波数が高い波ほど障害物の裏に回り込みにくいという性質がある。一方で，周波数が高い波は同じ秒数で多くの情報量を伝えることができる。また，2.4GHzはBluetoothや電子レンジなど多くの機器が利用している周波数帯でもある。これらを踏まえると，2.4GHzと5.0GHzの特徴は以下のようにまとめられる。

• ASK（Amplitude Shift Keying）：振幅変調
  • 搬送波の振幅方向の強弱を利用して伝送する。
• FSK（Frequency Shift Keying）：周波数変調
  • 搬送波の周波数を変化させることで伝送する。
• PSK（Phase Shift Keying）：位相変調
  • 搬送波の位相を変化させることで伝送する。
• QPSK（Quarter Phase Shift Keying）：四位相偏移変調
  • PSKの位相を4つに制限。
• QAM（Quadrature Amplitude Modulation）：直角位相振幅変調
  • 位相が直交する二つの波を合成して搬送波として振幅を変化させる。
• OFDM（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing）：直交周波数分割多重変調
  • 互いに直交した搬送波を用いることで複数の情報を干渉させない。数学的に分解可能という意味。
• OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）：直交周波数分割多元接続
  • OFDMにTDMAを導入。搬送波の使用権を高速に切り替えることで効率化する。
• TDM（Time Division Multiplexing）：時分割多重化
  • 送信時間を高速に切り替えて複数の信号を順番に割り当てる多重化方式。
• TDMA（Time Division Multiplexing Access）：時分割多重化接続
  • TDMを用いた多元接続。
• DSSS（Direct Sequence Spectrum Spreading）：直接拡散方式
  • 拡散（PN）符号とデータの信号を合成する。802.11.bやZigbeeなど。
• CCK（Complementary Code Keying）：相補型符号変調方式
  • 拡散符号に情報を乗せる技術。DSSSと並列の概念で802.11.bの方式。
• FH（Frequency Hopping Spectrum Spreading）：周波数ホッピング方式
  • 周波数を一定の規則に従って高速に切り替える。Bluetoothなど。
• CDM（Code Division Multiplexing）：符号分割多重化
  • 符号化した複数の信号を同時に同じ周波数帯上で送受信する多重化方式。

• OFDM
  • 利点：高速・高品質。限られた周波数帯を利用するためマルチパス（障害）環境に対応可能。
  • 欠点：信号の振幅が大きく変化することから，許容される平均送電電力よりも小さく設計する必要がある。継続的に帯域を占有してしまう。搬送波が固定されるため周波数選択制の妨害に弱い。
• DSSS
  • 利点：信号電圧が雑音レベルになるため秘匿性が高い。
  • 欠点：周波数帯域の利用効率が悪い。利用する周波数帯域が広いため，基地局に近く，かつ同じ周波数帯を利用する電波による遠近問題が起こりやすい。
• FH
  • 利点：回路や制御が単純で省電力化できる。
  • 欠点：周波数帯域の利用効率が悪い。

• MIMO：チャンネルを増やさずにアンテナを複数に束ねる
• チャンネルボンディング：複数のチャンネルを束ねる
• フレームアグリゲーション：宛先が同じ複数のフレームを連結し，ヘッダやプリアンブルのオーバヘッドを少なくする

ATMは「ヘッダ5byte」と「データ48byte」で構成されるセルと呼ばれる小さな単位を用いて回線の占有時間を短くすることにより，効率のよい転送を目指したデータリンクである。送信権の制御がないため，帯域を細かく分ける機能を利用する。しかし，一つのセルには48byteのデータしか格納できず，そのデータにはIPヘッダやTCPヘッダも含まれるため，上位層のデータをほとんど送信することができない。そこで，AAL（ATM Adaptation Layer）と呼ばれるATMとIPの中間層を利用することが多く，最大192個のセルを一つのIPデータグラムとして送信することができる。一方で，ATMにはセルごとの再送機能がないため，一つのセルでエラーが起これば全てのセルを再送する必要がある。このため，ATMでは末端の帯域の合計がバックボーンの帯域よりも小さくなるように設計するなどといった輻輳対策などの工夫が必要になる。

電話回線はアナログ回線のうち音声帯域のみを抽出した回線であり，ADSLではそれ以外の帯域を活用する。具体的には，電話局の交換機手前までの回線にスプリッタと呼ばれる分配器を設置して，音声帯域とデータ通信用の帯域を分離・混合する。ちなみに，上記形式の回線はADSL以外にもVDSL/HDSL/SDSLなどがあり，総称してxDSLと呼ぶこともあるが，ADSLが最も普及していた方式である。

Low Power, Wide Areaの略称。消費電力が低く長距離のデータ通信が可能なネットワークのことを指す。例えば，Wi-SUN（Wireless Smart Utility Network）は920MHz帯を使用するLPWA規格のメッシュ型ネットワークである。

• IEEE802.1D：スパニングツリー
• IEEE802.1ab：LLDP（Link Layer Discovery Protocol）
• IEEE802.1ax：リンクアグリゲーション

BDPUはBridge Protocol Data Unitの略称であり，ブリッジIDフィールドと呼ばれる以下のフィールドを利用する。

• ループの回避
• 冗長性の確保

なお，帯域確保が可能であるという観点から，L2における冗長性の確保はスタックやリンクアグリゲーションの方が好んで用いられる。

下位スイッチのルートポートから，上位スイッチの指定ポートへ通信経路を確保する。

このことを覚えておけば，STPにおけるポートの種類の決め方も理解できる。まず，プライオリティ値とMACアドレスによってルートブリッジを定め，ルートブリッジのポートを指定ポートに設定する。非ルートブリッジにおいて，パスコスト基準で最も近いポートがルートポートになる。各接続において，ルートブリッジに近いポートを指定ポートとして，遠いポートを非指定ポート，すなわちブロッキングポートとする。このような設定を行うことで，下位スイッチのルートポートから上位スイッチの指定ポートへ通信経路を確保した木構造が構成される。

STPには以下の四つのポート状態が存在する。

以上を見て分かる通り，STPでは待ち時間に最大約50sを要する。これは「PCを接続しても直ちに通信が可能な状態にならない」ことを意味している。RSTPでは，非指定ポートを代替ポート（とバックアップポート）として役割を変更させ，ネットワーク全体ではなく障害が起きたポートの周辺のみで情報交換することにより，迅速にポートの種類を決定するBDPU2の仕組みを採用している。BDPU2では，以下のフラグが設定できる。

結果として，RSTPでは以下の三つのポート状態が存在する。

STPと比べて，ブロッキングとリスニングがディスカーディングにマージされている。待ち時間の設定はSTPと同様である一方で，ポートの種類を周りのポートとBDPUのフラグを通じて情報交換することで決定するため，ネットワーク全体から定めるSTPと比べて高速にフォワーディング状態に遷移することが可能になる。

• 帯域拡大
• 冗長化

• スイッチ：リンクアグリゲーション
• サーバ：チーミング

なお，スイッチの各ポートはMACアドレスを持たず，サーバのNICはMACアドレスを持つという違いがある。

IEEE802.1sで規定されているMSTP（Multiple STP）

• STPを動作させてブロックポートを設ける
• リンクアグリゲーションで単一のリンクとして扱う

スパニングツリープロトコル

IPアドレスとは異なりMACアドレスには階層性がないため，フォワーディングテーブルのエントリがデータリンク内に存在する機器の数だけ必要になること。

ストア&フォワード方式とカットスルー方式。前者はフレームのFCSをチェックしてから転送を行う一方で，後者は送信先のMACアドレスが分かり次第転送を開始する。

消費電力が15.4WのPoEはIEEE802.3afで規格化されており，消費電力が30WのPoEはIEEE802.3atで規格化されている。有線LANは802.3で無線LANは802.11と覚える。

• TypeA：通信で利用しているRJ45コネクタの1,2,3,6番で電源を供給
• TypeB：通信で利用していないRJ45コネクタの4,5,7,8番で電源を供給

送信元MACアドレス

不要である。一方で，管理用にスイッチングハブにIPアドレスを設定する場合があり，そのときにはMACアドレスが設定される。

• コリジョンドメイン：スイッチングハブ
• ブロードキャストドメイン：VLAN

• 正規のDHCPサーバが接続されるポートを指定する機能
• 正規のDHCPサーバからIPアドレスを割り当てたPCだけを通信させる機能