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データリンク層

学習のポイント

本章では,OSI参照モデルの第2層であるデータリンク層について学習します。データリンクとは,単純にいえば,論理的に一つの通信媒体で接続されている範囲のことですが,ここでは特にLAN内でのデータリンクを対象とします(ADSLやCATVなどによる接続については,別章「インターネットへの接続(nw-inet-setsuzoku)」で取り扱います。/p>

キーワード

MACアドレス,イーサーネット,イーサーネットヘッダ,CSMA/CD,スパニングツリー,FDDI,トークンパッシング,スイッチングハブ,VLAN,無線LAN,CSMA/CA,ATM


データリンクとは,論理的に一つの通信媒体で直接接続されている範囲です。「論理的」というのは,物理的に1本の通信媒体で接続されているだけでなく,第1層の機器であるリピータや第2層のブリッジなどで接続された範囲も,一つのデータリンクであると考えるからです。

データリンク層とは同一データリンクにある機器間での通信に関する仕様です。この下位層は物理層で,機器の接続や回線に関する仕様で,実際に通信をする層です。上位層はネットワーク層でTCP/IPでのIPになり,複数のデータリンクをまたがる通信になります。

データリンク層の位置づけ図

データリンク層はさらに二つの層に分けられます。

媒体アクセス制御副層(MAC:Media Access Control)
送信側では,データにMACアドレスなどの制御情報を付加してフレームとして組み立てます。受信側では,フレームを分解して制御情報を削除しLLC層に引き渡します。
論理リンク制御副層(LLC:Logical Link Control)
受信したすべてのフレームに抜けがないか、また正しい情報として受信できたかを判断し、受信フレームに異常があった場合は送信元に再送信を要求する機能です。これは本来はトランスポート層の機能ですが,最低限のチェックはデータリンク層でも行っています。

MACアドレス(Media Access Control address)

電話をかけるには電話番号が必要ですが,他のノードと接続するときの電話番号に相当するのがMACアドレスです。パソコンをLANに接続するには,LANカードが必要ですが,LANカードには,MACアドレスが付けられています。データリンク層での接続相手はMACアドレスにより決定されます。
 MACアドレスは,48ビットからなり,世界中で一意になります。
 前半の24ビット(厳密には,先頭の3ビット目からの22ビット)がベンダ識別子(カード登録業者の番号でIEEEから与えられる)。国情報はない。
 後半の24ビットはベンダがつける製品番号で、8ビットの機種IDと16ビットの製造番号で構成

イーサーネットとCSMA/CD

バス型LANの代表的なものがイーサーネットです。イーサーネットでは,CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)方式でデータを送信します。

イーサーネットヘッダ

イーサーネットでは,送る電文の先頭にイーサーネットヘッダ,最後にイーサーネットトレイラをつけて(その全体をフレームといいます)送信します。そのフレームの大きさは最大1500オクテットです。

オクテットとは8ビットのことで,1バイトに相当します。通信ではバイトでよりもオクテットを多く用います。なお,1Kバイトは1024バイト,1MBは1024バイトですが,1Kオクテットは1000オクテット,1Mオクテットは1000オクテットになります。

イーサーネットフレームの図

このフレームがLANの伝送路を流れているのを,すべてのノードが一斉に受け取り,送信先のMACアドレスを持つノードがそれを受け取ったときに送信相手が確定します。

イーサーネットトレイラは,フレームが正しく到着したことを確認するためのもので,CRC方式というチェック方式を用いています。

CSMA/CD

イーサーネットでは1本の伝送路にいくつかのノードがあるので,どのノードが送信権を持つかを決める必要があります。コンテンション方式とは,早い者勝ちで送信権を得る方法で,CSMA方式ともいいます。CSMA/CD方式とは,CSMA方式を改良したものです。CSMA/CDとは,直訳すれば搬送波感知多重アクセス/衝突検出となりますが,
   多重アクセス:複数のノードが送受信すること
   搬送波:LANを流れるデータのこと
   衝突:データを送信するとき,LANにデータが流れている状態のこと
というような意味です。

おおよそ,次のような規則で送信します。

  1. 搬送波衝突がなければ(LANにデータが流れていなければ),データを送信する。
  2. 衝突があれば,乱数による時間を待って,再度1を試みる。
  3. 一定回数(16回)再送に失敗するとエラー通知をして打ち切られる。

このような理由により,伝送路の使用率が増加すると,衝突が頻繁に起こるようになり,伝送待ち時間が急激に増加する欠点があります。
 また,このような欠点を減少させるために,次のような手段がとられています。

ループ検出とスパニングツリー

ブリッジでネットワークを構築したとき,その間にループが存在すると,データが次々とコピーされて永久に巡回してしまう危険があります。それを避けるための方法がスパニングツリーです。
 各ブリッジは,定期的にBPDU(Bridge Protocol Data Unit)というパケットを送信し,それにより,ネットワークの構造をしらべ,ループがあればどこかの経路を使わないようにしてループを解消します。他の個所に障害が起こったときは,使わないようにした経路を復活させるようにバックアップとして利用します。

ループの図

FDDIとトークンパッシング方式

リング型LANの代表的なものがFDDI(Fiber Distributed Data Interface)です。FDDIはトークンパッシング方式を用いています。この方式では,次のような方法で送受信します。

  1. トークンという送信権を示すデータが各ノードに順番に回ってきます。トークンを得たノードが送信をしないときは,次のノードにトークンを渡します。
  2. トークン(送信権)を得たノードが送信をするときは,送信データ(イーサーネットフレーム)にトークンをつけて送信します。
  3. 送信データは各ノードに順番に回ります。送信先のノードがそれを受け取ったら,新規の空のトークンを発行して,1に戻ります。

このように,送信権がトークンにより制御されますので,CSMA/CDのような衝突が起こりません。しかし,各ノードを順番に回りなんらかの処理が行われるので,ノードの台数が多くなると,トークンの巡回時間が多くかかり効率が下がります。
 また,原理的には,あるノードに故障が生じたり,ノードの追加・削除を行うときには,LAN全体を停止させる必要があります。しかし,実際にはそれを回避する手段が講じられています。

イーサーネットが10BASEの同軸ケーブルを用いていた時代では,FDDIは一般的には光ファイバを用いており高速でした。それで,たとえばビルの各階はイーサーネットにして,その階をつなぐ幹線LANとしてFDDIが使われていました。しかし,イーサーネットの高速化が進むにつれて,FDDIはあまり使われないようになりました。

スイッチングハブ

最近はスイッチングハブの発展により,スター型のLANが見直されてきました。スイッチングとは,入ってきたデータを,MACアドレスを見て,そのホストに接続する機能です。それをハードウェアで実現しているので,高速な処理ができます。ブリッジ機能を持つものをレイヤ2スイッチングハブ,ルータの機能を持つレイヤ3スイッチングハブがあります。

イーサーネットやFDDIでは,1本の伝送路を共有する媒体共有型ですので,同時には一つのホストからの送信しかできませんが,スイッチングハブでは,個々のホストとはスター型に媒体非共有型に接続しているので,同時に複数の送信ができます。

スイッチングハブ

VLAN(Virtual LAN)

一つのハブのポートをいくつかのグループに分けて複数のセグメントにすることができます。それをVLANといいます。同じハブに接続されているホストが多いときにVLANにすることにより,管理を容易にしたり,ブロードキャストが流れる範囲が狭くなるのでネットワークの負荷を小さくすることができます。
 しかし,このようにすると同一ハブ内でも他セグメントとの間で通信することになります。それを容易にするために,イーサーネットヘッダにタグを入れてセグメント間の転送をする方法がとられます。

無線LAN

無線LANは,各パソコンには無線LANカードが必要で,それとスター型LANでのハブに相当するベースステーションと呼ばれる中継機器を無線により通信を行ないます。パソコンとの接続線が不要になるので,パソコンを他の場所に移して利用するのに便利ですし,配線が少なくなるのでオフィスの美化にも効果的です。
 IEEE802.11という規格があり,そのプロトコルには,CSMA/CDに似た方式のCSMA/CA(CSMA Collision Avoidance:搬送波感知多重アクセス/衝突回避方式)を用いています。
 無線LANは便利ではありますが,障害物があると到達距離が短くなるので,同じ階でのいくつかの室だけを単位にして,幹線はイーサーネットなどの有線を用いるのが通常です。また,有線にくらべて不正傍受の危険が高くなります。

Bluetooth

これは,オフィスよりも家庭での利用を対象にしたもので,携帯電話や情報家電など小型の機器を10m以内の範囲で用いる規格です。

ATM(Asynchronous Transfer Mode)

ATMは,データを効率的に送信する技術です。一時LANへの適用が行われましたが,現在では通常のLANに用いられることは少なく,主に専用回線などによる広域ネットワークで用いられています。

多重化方式

複数の低速な通信回線あるいは通信機器をまとめて1本の高速回線で接続する方式を多重化方式といいます。ATMは非同期・固定長の多重化方式です。ATMでは,低速回線から来たデータを,到着順に,固定長のセルに分割し,それに低速回線の番号などのあるヘッダを付けて高速回線で送信します。高速回線の反対側にあるATMは,そのヘッダにより,どの通信かを識別して,セルに分割したものを元通りに復元します。

ATM接続図
 多重化方式には,ATM以外に次のものがあります。
     多重化方式─┬─同期方式─────────TDM
           └─非同期方式─┬─固定長──ATM
                   └─可変長──X.25,フレームリレー

同期方式のTDMでは,低速回線に番号をつけておき,一定時間間隔で回線を巡回して送ります。順番がきた回線に送るデータがないと空のセルを送ります。このような理由により,非同期方式のATMのほうが回線効率が高くなります。
 X.25は,公衆パケット交換サービスと呼ばれるものですが,伝送速度が遅いので利用されていません。それに代わって,LAN間の高速回線ではフレームリレーが利用されてきました。フレームリレーには固定長と可変長のものもあります。

ATMでの問題点

ATMのセルは固定長で48オクテットです。単にデータを送るだけならよいのですが,それでも細切れになってしまいます。それに,インターネットで利用するには,IPヘッダやTCPヘッダなどを付加するので,ほとんど本文を入れる余裕がありません。それで,AAL(ATM Adaptation Layer)という上位層と合わせて用いられます,それにより,連続して192個のセルを送ることができます。

AALによる連続セルの図

しかし,これではすべてセルが正確に受信できないと,すべてのセルを再送信しなければなりません。ATMではイーサーネットやFDDIと異なり送信権の制御をしていないために,通信回線が輻輳することがあり,輻輳するとセルの脱落が発生する可能性が高くなり,それがさらに輻輳を招くという危険があります。それを防ぐために,ATMの回線は高速にする必要があります。


理解度チェック

第1問

  1. LANを構築するとき,バス型,リング型,スター型を混在させることはできない。
  2. イーサーネットはリング型のLANであり,その制御にはCSMA/CAが用いられる。
  3. オクテットとは8ビッツのことである。1Kオクテットは1024オクテットである。
  4. CSMA/CDでは,データリンク内にデータが流れているときに送信しようとすると,一定時間後で再送するようになっている。
  5. バス型でのデータリンクがループ状になっていると,データが永続的に巡回する危険がある。
  6. FDDIもイーサーネットも回線利用率が高くなると,送信の待ち時間が増大するが,その影響はFDDIのほうが大きい。
  7. スイッチングハブとは,それを利用するときに自動的に電源が入るハブのことで,省エネに効果的である。
  8. 無線LANは伝達距離が長いので,理論的には超高層ビルでも一つの中継機器で全階をカバーすることができる。
  9. ATMは,輻輳になりやすいので,比較的小規模なLANに利用されている。
  10. ATMは同期方式の多重化方式であり,セルの長さは可変長である。

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