イーサネットとリンク層スイッチング

イーサネットは、フレーム形式、アドレス指定、および物理メディアのファミリーを定義する、主要な有線リンク層技術であり、その起源である共有され衝突が発生しやすい媒体ではなく、今日では全二重スイッチングネットワークとして動作しています。

Definition

イーサネットは、IEEE 802.3として標準化されたリンク層ネットワーキング技術のファミリーであり、フレーム形式、MACアドレス指定、および物理層オプションを規定しています。元々は共有媒体上でCSMA/CDを使用していましたが、現在は主にスイッチングされた全二重リンクとして展開されています。

Scope

このトピックでは、イーサネット標準とそのスイッチング動作について説明します。具体的には、イーサネットフレーム形式（プリアンブル、送信元および宛先MACアドレス、タイプ、ペイロード、CRC）、共有同軸ケーブル上のCSMA/CDから全二重スイッチングツイストペアおよび光ファイバーへの進化、初期のメガビットイーサネットからマルチギガビットバリアントまでの速度範囲、および最新のLANとデータセンターにおけるイーサネットスイッチの役割を扱います。これは、イーサネットの具体的な内容に焦点を当てることで、より広範なスイッチングLANのトピックを補完し、上位層のルーティングは除外します。

Core questions

• イーサネットフレームを構成するフィールドは何であり、それぞれどのような役割を果たしますか？
• イーサネットは、共有CSMA/CD媒体からスイッチングされた全二重リンクへとどのように進化しましたか？
• イーサネットファミリーはどのような速度範囲と物理媒体をカバーしていますか？
• イーサネットスイッチはどのようにフレームを転送し、衝突を排除しますか？
• イーサネットが有線ローカルエリアネットワークおよびデータセンターネットワークで支配的な地位を維持しているのはなぜですか？

Key concepts

• イーサネットフレーム形式
• MACアドレス
• CSMA/CD（レガシー）
• 全二重スイッチングイーサネット
• 物理媒体（ツイストペア、光ファイバー）
• イーサネット速度（ファスト、ギガビット、10G+）
• CRCエラー検出
• イーサネットスイッチ

Key theories

イーサネットフレーム構造

イーサネットフレームは、同期のためのプリアンブル、宛先および送信元MACアドレス、タイプ/長さフィールド、可変長ペイロード、およびエラー検出のためのCRCを運びます。このシンプルで安定した形式は、数十年にわたる速度向上を通じて維持されてきました。

共有CSMA/CDからスイッチング全二重へ

初期のイーサネットは同軸バスを共有し、衝突管理のためにCSMA/CDを使用していました。現代のイーサネットは、各ホストにスイッチへの専用スイッチングリンクを提供し、全二重で動作するため、衝突が排除され、スイッチポート速度に応じて容量を拡張できます。

Clinical relevance

イーサネットは、オフィス、家庭、データセンターにおける有線ネットワーキングの標準であり、そのフレーム形式は、IPおよびインターネットスタックの残りの部分がローカルリンク上で動作するための基盤となっています。そのスイッチングされた全二重形式は、データセンターやエンタープライズネットワークが依存する高い予測可能なスループットを提供し、速度の継続的な向上により、現代のインフラストラクチャの中心であり続けています。

History

メトカーフとボッグスは、1973年から1976年にかけてゼロックスPARCでイーサネットを発明しました。彼らは共有同軸ケーブル上でCSMA/CDを使用しました。これはIEEE 802.3として標準化され、10 Mbpsの共有同軸からツイストペア配線へと進化し、その後、衝突を排除するスイッチング全二重動作へと移行し、さらにファストイーサネット、ギガビットイーサネット、マルチテンギガビットイーサネットへと速度を向上させ、トークンリングなどの競合するLAN技術よりも長続きしました。

Key figures

• Robert Metcalfe
• David Boggs

Seminal works

• metcalfe1976
• kurose2021
• ieee8023-2018

Frequently asked questions

イーサネットはまだCSMA/CDを使用していますか？

現代のスイッチングイーサネットは一般的に使用していません。各ホストはスイッチへの専用全二重リンクを持っているため、衝突は発生せず、CSMA/CDは不要です。このメカニズムは、レガシーな半二重共有セグメントの標準の一部として残っていますが、今日ではほとんど見られません。

イーサネットが他のLAN技術よりも長続きしたのはなぜですか？

イーサネットは、シンプルで安定したフレーム形式と、継続的な速度向上、低コスト、容易なスイッチングを組み合わせました。その下位互換性とエコシステムにより、基本的な抽象化を変更することなく、メガビットから多数のギガビットへと拡張でき、トークンリングなどの代替技術を置き換え、有線ネットワーキングを支配することができました。