イーサネットは、OSI モデルの物理層と媒体アクセス制御サブ層を実装するパケット交換コンピュータ ネットワーク プロトコルですが、規格がサポートするフレーム形式は標準化されており、カプセル化もできるため、イーサネット プロトコルはリンク層に分類されます。イーサネットの MAC およびPHY物理層以外のプロトコルでは、これらの物理層は、速度、伝送媒体、長さ、環境条件に応じて個別の規格の対象となります。
これは当初、ネットワーク上のすべてのマシンを円筒形ケーブル (同軸ケーブル、ツイストペア) で構成される同じ通信回線に接続できるようにするローカル ネットワークテクノロジでした。 1990 年代に最も広く使用され、現在も使用されている規格は IEEE 802.3 (現在は国際規格ISO/CIE 8802-3としても採用されています) です。後者は、トークン リングや ARCNET などの他の標準に大きく取って代わりました。
イーサネットという名前は、宇宙が浸る神話上の媒体であるエーテルと、英語のネットワークの略語であるネットに由来しています。祖先ネットワーク ALOHAnet は、イーサを介して伝播する無線周波数波を使用しました。
歴史
イーサネットは元々、 Xerox PARCの先駆的なプロジェクトの 1 つとして開発されました。よくある話は、1973 年にボブ・メトカーフがイーサネットの可能性について上司にメモを書いたときに発明されたというものです。メトカーフ氏は、イーサネットは実際には何年もかけて発明されたと主張している。 1976 年、Robert Metcalfe と David Boggs (Metcalfe のアシスタント) は、 「Ethernet: Distributed Packet-Switching For Local Computer Networks」というタイトルの論文を発表しました。
メトカーフ氏はパーソナル コンピュータとローカル エリア ネットワークの利用を促進するために 1979 年にゼロックスを退職し、 3Com という会社を設立しました。彼は、DEC、インテル、ゼロックスを説得して、イーサネットを標準として推進するために協力することに成功しました。当時イーサネットは、トークン リングと ARCnet という 2 つの独自システムと競合していましたが、これら 2 つのシステムはイーサネットに比べて急速に人気が低下しました。この間、3Com はコンピュータ ネットワーキング分野の大手企業になりました。
概要
イーサネットは、ネットワーク上のメンバー (ピア) の原理に基づいており、本質的には無線システムであり、共通のワイヤまたはチャネル(イーサ)と呼ばれることもあります。各ピアはMAC アドレスと呼ばれるグローバルに一意のキーによって識別され、イーサネット ネットワーク上のすべてのステーションが個別のアドレスを持つことが保証されます。
Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection ( CSMA /CD)として知られるテクノロジーは、ステーションがメディアにアクセスする方法を制御します。このテクノロジーはもともと 1960 年代に無線を使用したハワイの ALOHAnet のために開発されたもので、トークン リングやマスター制御のネットワークと比較すると比較的単純です。コンピューターが情報を送信する場合、次のアルゴリズムに従います。
- メディアが使用されていない場合は送信を開始します。使用されていない場合は手順 4 に進みます。
- [情報の送信]衝突が検出された場合は、パケットの最小時間を超えるまで送信を続けます (すべてのステーションが衝突を検出することを保証するため)。その後、ステップ 4 に進みます。
- [成功した送信の終了]上位レベルのプロトコルに成功を示し、転送モードを終了します。
- [ケーブルビジー]ワイヤが使用されなくなるまで待ちます。
- [ケーブルが再び自由になりました]ランダムな時間待ってから、送信試行の最大回数を超えていない限り、ステップ 1 に戻ります。
- [最大送信試行回数を超えました]上位プロトコルに失敗を報告し、送信モードを終了します。
実際には、これは通常のチャットのように機能し、全員が共通の媒体 (空気) を使用して他の人と会話します。話す前に、各自は他の人が発言しなくなるまで礼儀正しく待ちます。 2 人が同時に話し始めると、両方とも停止し、ランダムな短い時間待機します。 2 人が別の時間を待って、さらなる衝突を避ける可能性は十分にあります。複数の衝突が連続して発生する場合、指数関数的な待機時間が使用されます。
非交換ネットワークの場合と同様、すべての通信は共有媒体を介して送信され、1 つのステーションから送信された情報は、たとえその情報が 1 人宛てのものであっても、他のすべてのステーションで受信されます。したがって、イーサネットに接続されているコンピュータは、自分たちにとって意図されたものであるかどうかをフィルタリングする必要があります。このタイプの「一人が話し、他の全員が聞く」というイーサネット通信は、イーサネットの弱点の 1 つです。ノードの 1 つが送信している間、ネットワーク上のすべてのマシンが受信し、沈黙を守らなければならないからです。これは、わずか 2 つのステーション間の高速通信がローカル ネットワーク全体を飽和させる可能性があることを意味します。
同様に、衝突の可能性は送信機の数と送信されるデータに比例するため、ネットワークはその容量の 50% を超えると極度に混雑します (トラフィック ソースの数に関係なく)。この問題を解決するために、利用可能な帯域幅を最大化するスイッチが開発されました。
使用する流量に応じて、物理法則によって支配される衝突領域、特に銅ケーブル内の電子の動きを考慮する必要があります。マシン間のこれらの最大距離が尊重されない場合、CSMA/CD プロトコルは存在する理由がありません。
同様に、スイッチが使用されている場合、CSMA/CD は無効になります。これには私たちがよく理解している理由があります。 CSMA/CD では、送信した内容を聞きます。誰かが私と同時に話すと衝突が発生します。したがって、スイッチの全二重モードとの互換性がありません。
スループット、コリジョンウィンドウ、ネットワーク直径
{10Mbit/s、51.2μs、2500m} {100Mbit/s、5.12μs、250m} {1000Mbit/s、0.512μs、25m}
EthernetフレームタイプとEtherTypeフィールド
イーサネットフレームには 4 つのタイプがあります。
- オリジナルの Ethernet バージョン I (現在は使用されていません)
- Ethernet バージョン 2 または Ethernet II (DIX フレームと呼ばれ、現在も使用されています)
- IEEE 802.x LLC
- IEEE 802.x LLC/SNAP
これらの異なるフレーム タイプはフォーマットとMTU値が異なりますが、同じ物理メディア上に共存できます。
オリジナルの Xerox バージョン 1 には、フレームの最大長が 1500 バイトであったにもかかわらず、フレーム サイズを識別する16 ビットのフィールドがありました。このフィールドはすぐに Xerox バージョン 2 で識別フィールドとして再利用され、0 から 1500 までの値は元のイーサネット フレームを示し、より大きな値はいわゆる EtherType を示し、新しいフレームの使用を示すという規則がありました。形式。これは、SNAP ヘッダーを使用する IEEE 802 プロトコルでサポートされるようになりました。
IEEE 802.xa では、MAC アドレスの後の 16 ビット フィールドが長さとして再度定義されました。 Ethernet I は使用されなくなったため、これによりソフトウェアがフレームが Ethernet II タイプであるか IEEE 802.x タイプであるかを判断できるようになり、2 つの規格が同じ物理メディア上で共存できるようになります。すべての 802.x フレームには LLC フィールドがあります。後者を調べることにより、その後に SNAP フィールドが続くかどうかを判断できます。
グラフによる概要
画像は CNRS の G.Requilé による文書から抜粋
完全なドキュメント: 
イーサネットフレーム
バイト単位
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 ————– 1513 | 1514 | 1515 | 1516 | 1517 |
特に長さやその他の特徴を指定する他のタイプのイーサネット フレームがあることに注意してください。 [プロトコル タイプ]フィールドに次の値を設定します。
備考：
- 場合によっては、1 と 0 が交互に並び、最後の 2 ビットが 1 である 64 同期ビットのプリアンブルが存在することに注意してください (フレームには示されていません)。
- イーサネットブロードキャストアドレスのすべてのビットが1に設定されています。
- 最小データ サイズは 46 バイトです ( RFC 894 – フレーム フォーマット)
イーサネットの種類
以下のセクションでは、すべてのイーサネット メディア タイプの概要を示します。これらすべての公式標準に加えて、いくつかのベンダーがさまざまな理由で独自のメディア タイプを実装しています。場合によっては、光ファイバーによる長距離をサポートするためです。
いくつかの古い種類のイーサネット
- Xerox Ethernet — Ethernet の元の実装。開発中にバージョン 1 と 2 の 2 つのバージョンがありました。バージョン 2 は今でもよく使用されます。
- 10BASE5 (シック イーサネットとも呼ばれます) — この初期に発行された IEEE 規格では、ケーブルに穴を開けて接続を挿入する単純な同軸ケーブルを使用して、中心とアースに接続します (ヴァンパイアプラグ)。大部分は廃止されていますが、非常に初期にいくつかの大規模なインストールが実行されたため、一部のシステムはまだ使用されている可能性があります。
- 10BROAD36 — 廃止されました。長距離のイーサネットをサポートする古い標準。同軸ケーブル上で動作するケーブル モデムで採用されているものと同様の広帯域変調技術が使用されていました。
- 1BASE5 — 低コストのローカル ネットワークのソリューションを標準化する試み。 1 Mbit/s で動作しますが、商業的には失敗でした。
10Mbpsイーサネット
- 10BASE2 ( ThinNetまたは安価ネットとも呼ばれます) — 50 オームの同軸ケーブルでマシンを接続し、各マシンは T アダプターを使用してネットワーク カードに接続します。両端での終端が必要です。数年間、これが主要なイーサネット標準でした。
- 10BASE-T — RJ45 コネクタを備えた CAT-3 または CAT-5 ケーブル上の 4 本のワイヤ (2 本のツイストペア) で動作します。コンセントレータ(またはハブ) またはスイッチはネットワークの中心にあり、各ノードに 1 つのポートがあります。これは、100BASE-Tおよびギガビット イーサネット(CAT-6 ケーブル) にも使用される構成です。中央ノード (ハブ) の存在は視覚的にスタートポロジの印象を与えますが、実際にはバス トポロジであり、送信されたすべての信号は接続されているすべてのマシンによって受信されます。スター トポロジは、スイッチが使用されている場合にのみ表示されます。
- FOIRL —光ファイバーのリピータ間リンク。光ファイバー上のイーサネットの独自の規格。
- 10BASE-F — 新しい 10 Mbit/s イーサネット ファミリの総称: 10BASE-FL、10BASE-FB、および 10BASE-FP。このうち、よく使われるのは 10BASE-FL だけです。
- 10BASE-FL — FOIRL 標準のアップデート。
- 10BASE-FB — ネットワークのコアでハブまたはスイッチを相互接続することを目的としていましたが、現在は廃止されています。
- 10BASE-FP —リピータを必要としないスター型ネットワークですが、実現されることはありませんでした。
ファストイーサネット(100Mbit/s)
- 100BASE-T — 100 Mbit/sツイストペア規格のいずれかを表す用語。 100BASE-TX 、 100BASE-T4、100BASE -T2が含まれます。
- 100BASE-TX — 2 ペアを使用し、CAT-5 ケーブルが必要です。 10BASE-Tに対応したハブやスイッチを使用したスター型トポロジー。
- 100BASE-T4 — CAT-3 ケーブル (10BASE-T の設置で使用された) 経由で 100 Mbps (半二重のみ) が可能です。 4 組のケーブルをすべて使用します。現在の標準は CAT-5 であるため、現在は廃止されています。
- 100BASE-T2 — 製品が存在しません。全二重モードをサポートし、CAT-3 ケーブルを使用して 2 ペアのみを使用します。機能的には 100BASE-TX と同等ですが、古いケーブルもサポートします。
- 100BASE-FX — 光ファイバー上の 100 Mbit/s イーサネット。
ギガビットイーサネット(1000Mbps)
- 1000BASE-T — カテゴリ 5e 以上のツイストペア ケーブルで 1 Gbit/s、最大長 100 m。 4 つのペアすべてを全二重で使用し、各ペアは5 モーメント コードを使用してボーごとに 2 bps を送信します。これは、各方向の 4 つのペアすべてでクロック ティックごとに合計1バイトになります。 100BASE-TX、10BASE-Tに対応しており、送受信を自動検出します。 1000 Mbps のハブがないため、ここのトポロジは依然としてスターです。したがって、必然的にスイッチを使用します。
- 1000BASE-X — メディア (マルチ光ファイバ、シングルモード、銅線) に適合したモジュラー インターフェイス (GBIC と呼ばれる) を使用する 1 Gbit/s。
- 1000BASE-SX — 光ファイバー経由で 1 Gbps。
- 1000BASE-LX — 光ファイバー経由で 1 Gbps。シングルモードファイバーでの長距離用に最適化されています。
- 1000BASE-CX — 特殊な銅線ケーブルを使用した 1 Gbit/s の短距離 (最大 25 m) 用のソリューション。 1000BASE-T よりも前のもので、現在は廃止されています。
10ギガビット/秒イーサネット
新しい 10 ギガビット イーサネット規格には、ローカル エリア ネットワーク、メトロポリタン エリア ネットワーク、ワイド エリア ネットワーク用の 7 つの異なるメディア タイプが含まれています。現在、追加の標準である IEEE 802.3ae によって規定されており、IEEE 802.3 の将来のリビジョンに組み込まれる予定です。
- 10GBASE-CX4 (銅線、インフィニバンド ケーブル、802.3ak) — 最大長 15 メートルの 4x インフィニバンド銅線ケーブルを使用します。
- 10GBASE-T — カテゴリ 6、6A または 7 (802.3an) ケーブルを介した伝送。ケーブルに選択されたカテゴリ (および必要なノイズ耐性) に応じて、コーディングモーメントの数に応じて 4 ペアで全二重で送信されます。最長100メートル。 1000BASE-T、100BASE-TX、10BASE-Tと互換性がある必要があります
- 10GBASE-SR (850nm MM、300 メートル、ダーク ファイバー) — マルチモード光ファイバー上の短距離をサポートするために作成され、ケーブル タイプに応じて 26 ～ 82 メートルの範囲があります。また、新しい 2000 MHz マルチモード ファイバーで最大 300 m の距離もサポートします。
- 10GBASE-LX4 —波長分割多重を使用して、マルチモード ファイバー上で 240 ～ 300 メートルの距離をサポートします。シングルモードファイバーで最大10kmもサポート。
- 10GBASE-LR (1310nm SM、10km、ダーク ファイバー) および 10GBASE-ER (1550nm SM、40km、ダーク ファイバー) — これらの規格は、シングルモード ファイバーでそれぞれ最大 10 km と 40 km をサポートします。
- 10GBASE-SW（850nm MM、300メートル、SONET）、10GBASE-LW（1310nm SM、10km、SONET）および10GBASE-EW（1550nm SM、40km SONET）。これらの品種はWAN PHYを使用し、OC-192 / STM-64 SONET/SDH 機器と相互運用するように設計されています。これらは物理レベルでそれぞれ 10GBASE-SR、10GBASE-LR、および 10GBASE-ER に対応し、同じ距離をサポートするだけでなく、同じタイプのファイバーを使用します。 (10GBASE-LX4に対応するWAN PHY規格はありません。)
10 ギガビット イーサネットはかなり新しいものであり、どの規格が企業に受け入れられるかはまだわかりません。
LAN 上で使用される 10GBASE-R および WAN 上で使用され、イーサネットを SDH またはSONETフレームにカプセル化する 10GBASE-W の技術詳細。