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1 情報通信基礎 2017 年 1

2 第 2 部インターネット技術 第 8 章ローカルエリアネットワーク ( 教科書 86p) 本章では現状の主要な LAN 技術であるイーサネットの基礎を学ぶ 1. LAN の定義 2.LAN の主な接続形態 3. イーサネットプロトコルの概要 4.LAN のネットワーク構成 5.VLAN 2

3 < 参考 >8 章で扱う範囲 アプリケーション層 トランスポート層 ネットワーク層 データリンク / 物理層 アプリケーション TCP IP イーサネット ルーティングプロトコル 9 章 10 章 8 章 3

4 1. LAN とは? 家庭 企業 学校内等の 限定された範囲での通信を目的としたネットワークを LAN: Local Aria Network と呼ぶ LAN 内部では, データリンク層以下の機能でパケットを転送する LAN 外の端末と通信をする場合は, ルータを介して接続する 類語として LAN に比べ地理的に広い範囲のネットワークを WAN: Wide Aria Network と呼ぶ : LAN a あわせて WAN LAN b : : ルータ インターネット / 専用線など ルータ : 4

5 < 参考 >LAN と WAN の違い 一般に LAN は全ネットワークを使用者が管理するが WAN は遠距離の接続部分は通信業者から借用する 一般に LAN はデータリンクレイヤの機能により接続される範囲を呼ぶ ( ルータをまたがない ) ただし WAN との対比で ルータを含んでもローカルな範囲であれば LAN と呼ぶ場合もある 明示的にルータを含まないネットワークの範囲を示す場合は レイヤ 2 ネットワーク リンク などと呼ぶ 5

6 2. LAN の主な接続形態 トポロジー ( 接続形態 ) に着目すると LAN は図の 3 種類に大別される (1) バス型 (2) リング型 (3) スター型 A A A B C B C B C 電気的に繋がった一つのケーブルに全端末が接続 隣同士をケーブルで接続し リング状に接続 レイヤ 2 スィッチに全端末が接続 6

7 2. LAN の主な接続形態 (1) バス型 LAN の通信の例 3 ケーブルの信号を監視し 自分宛 ( データリンクアドレス ) の場合は取り込む 4 ケーブルの信号を監視し 自分宛でない場合は無視 1 ケーブルの信号を監視し 未使用な場合に送信 送信元 A 宛先 B C など B 宛フレーム 2 全端末が同じ信号を受信可能 7

8 2. LAN の主な接続形態 (2) リング型 LAN の通信の例 (1/2) 1 トークンと呼ぶ信号をリング内に循環 送信元 A 2 トークンを受信した端末はトークンの代わりにデータを送信可能 宛先 B C など 3 ケーブルの信号を監視し 自分宛 ( データリンクアドレス ) でない場合は転送 8

9 2. LAN の主な接続形態 (2) リング型 LAN の通信の例 (2/2) 5 データが送信元まで戻ってくると代わりにトークンを送信 送信元 A 宛先 B C 4 ケーブルの信号を監視し 自分宛 ( データリンクアドレス ) の場合に取り込んで転送 B 宛フレーム 9

10 2. LAN の主な接続形態 (3) スター型 LAN の通信の例 2 データリンク層の宛先をみてフレームを B に転送 3 フレームを受信 ( 自分宛のフレームのみ ) 宛先 B 送信元 A B 宛 1B 宛のフレームを送信 交換機 C スィッチング HUB など 10

11 2. LAN の主な接続形態 (4) 各接続形態の特徴の比較 それぞれ方式としては一長一短があるが 現状の主要なLANであるイーサネットではバス型とスター型の併用が主流 種別バス型リング型スター型 特徴 LAN での適用例 1 バス上でのデータ衝突対策必要 ( 使用効率低い ) 2 ノードの追加が容易 3 安価 1 リピータ HUB (Dumb HUB) 1 トラヒックが少なくてもトークンの処理が必要 2 ノード追加時の通信継続が難しい 1FDDI 1 伝送路の使用効率が高い 2 ノード追加時に交換機まで接続が必要 3 比較的高価 1 レイヤ 2 スィッチ ( スィッチング HUB) 2PBX( 回線交換 ) 11

12 3. イーサネットプロトコルの概要 当初 DEC Intel Xerox のコンソーシアムによって仕様化された ( イーサネット II) その後 IEEE で標準化が進められ イーサネット II の仕様をベースに, 高速化や さまざまな物理メディアへの拡張が進められている さらに無線 LAN 用に IEEE が規定されている 以下の講義では有線 LAN=802.3( イーサネット II) として進める ネットワーク層 データリンク層 + 物理層 有線 LAN のスタック例 IP など 802.3(CSMA/CD) イーサネット II 100BaseTX, 1000BaseTX など 無線 LAN のスタック例 IP など ロジカルリンク制御副層 802.2(LLC) MAC 副層 (CSMA/CA) 11b, g, a,n など 12

13 3. イーサネットプロトコルの概要 (1) イーサネットフレームフォーマット ( 有線 ) イーサネットは データリンク層のプロトコル ( 物理層の規定も含む ) MAC アドレスにより LAN 内の宛先端末またはルータまでフレームを転送する IEEE に申請して取得した番号 製品毎に付与される重複の無い, 一意の番号. 先頭 8B プリアンプル +SFD ベンダ識別用 ID(3 バイト ) ( ユニキャストアドレス ) ベンダ管理用番号 (3 バイト ) 6B 6B 2B 46B~1500B 4B MAC アドレス 重要! イーサネットフレーム またはMACフレームと呼ぶ 宛先送信元 Type( 注 ) データ ( 可変長 ) FCS 末尾 フレーム同期用の bit 列 上位レイヤのプロトコル種別 フレームのエラー検出用の冗長符号 注 :802.3 では 長さまたは Type とされているが イーサネット II では Type. ベンダ :Vendor( 英語 ) 製造メーカのこと 13

14 < 参考 >16 進数による表記方法 2 進数表記に比べ文字数が少なく また 1Byte の 1/2 (4 bit) のため扱いやすい 等の理由で コンピュータや通信技術では 16 進数の表記がよく使われる 本講義で桁上がりの単位を区別して表記する場合は 15d, 1111b, Fh と書く (16 進 0xF, xf もよく使われる ) 注 : d = Decimal b = Binary h = Hexadecimal を意味する 10 進数 2 進数 16 進数 進数 2 進数 16 進数 A B C D E F 14

15 < 参考 > イーサネットの特殊な MAC アドレス MAC アドレスには 一つの端末への送信を意味するユニキャストアドレスの他に以下の 2 種類がある ( 一般に 16 進数で表記する ) (1) LAN 内の全端末への送信を意味するブロードキャストアドレス FF-FF-FF-FF-FF-FF (3)LAN 内の特定の複数の端末への送信を意味するマルチキャストアドレス E ~ E-7F-FF-FF 各端末の LAN インタフェース部は 世界中でユニークなユニキャストアドレスが原則割り当てられている [1] [1] 15

16 3. イーサネットプロトコルの概要 (2) バスを共有する仕組み有線と無線では メディアの性質が異なるため バスを共有する仕組み = アクセス制御方式 が異なる 有線 LAN (1 次元を伝搬 信号の減衰 雑音の影響小 ) 無線 LAN (3 次元を伝搬 信号の減衰 雑音の影響大 ) メディアの性質 信号の減衰率が低いため, 送信中に受信信号を監視し衝突を検出可 衝突を除きフレームのエラーはほとんど起きない 送信信号に比べ受信信号が極めて微弱なため, 送信中衝突を検出できない 衝突以外でも フレームのエラーが起きる確率が大 アクセス制御方式への影響 空いていれば送信 衝突したらランダムな時間待って再送 衝突しなければ, 相手まで正しく到着した とみなす 衝突時の影響が大 空いていても衝突しないようにランダムな時間待って送信 1フレーム毎に受信 OKを着端末から発端末に通知 16

17 3. イーサネットプロトコルの概要 (2) バスを共有する仕組み 有線 LAN の場合 (CSMA/CD) バスに空きがでると早い者勝ちで送信 送信中に衝突を監視し 衝突を検出したら再送信 1 発端末 監視 着端末 1 送信前に 受信を試みて現在通信をしている端末が他にあるかどうか確認 (Carrier Sense) 2 3 送デ信ータ衝突検出 2 通信端末が無ければデータを送信 (Multiple Access ) 3 衝突を検出 (Collision Detection) すると再衝突をさけるためランダムな時間待って1に戻る ( 待ち時間最大値は再送毎に前回の2 倍とする : バイナリバックオフ ) 17

18 3. イーサネットプロトコルの概要 (2) バスを共有する仕組み 無線 LAN の場合 (CSMA/CA) バスに空きがでると 送信タイミングをランダムにずらして送信 衝突を検出できないため, 受信 OK が戻らなければ再送信 1 発端末 監視 着端末 1 送信前に 受信を試みて現在通信をしている端末が他にあるか確認 (Carrier Sense) 2 3 送デ信ータ受信 OKなし 2 通信端末が無ければ一定時間 (IFS)+ ランダムな時間待って (Collision Avoidance) データを送信 (Multiple Access) 誤りなく受信すると着端末は受信 OK を応答 3 衝突が発生すると受信 OKが戻らないので 1に戻る ただし次の2 の待ち時間最大値は前回の2 倍 ( バイナリバックオフ ) 18

19 3. イーサネットプロトコルの概要 (3) CSMA/CDでの最小 MACフレーム長 信号がケーブルを伝わる速度は有限なため 送信を開始してから衝突を検出するまで ある程度の時間がかかる そこで最悪条件 (LAN の片端から送信し最遠端で衝突 ) でも衝突の見逃しが起きないように フレームの最小の長さが決められている フレームの先頭を送信 衝突を 最小フレ ム長 端末 B 最大距離 D 検出! 衝突検出前にフレームの送信が完了しないように最小フレーム長を決定! 伝播時間 =Ti 注 : 厳密には端末や HUB 内での処理時間の考慮も必要 Ti フレームの末尾を送信 端末 A 時間 フレームの先頭が到着 到着の直前に端末 A がフレームの先頭を送信! 19

20 3. イーサネットプロトコルの概要 (3) CSMA/CD での最小 MAC フレーム長 計算の例 最大距離 = 500 m, 伝搬速度 =30m/μs と仮定し 端末内での処理時間を無視して 10M bit/s のイーサネットでの最小フレーム長を求めよ 往復の伝搬時間は 500*2/30= μs 10M bit/s では 前記往復伝搬時間は 10M bit/s * 33.3μs = 333 bit に相当 よって最小フレーム長は 約 42 バイト ( 実際の仕様では 10M, 100M のイーサでの最小フレーム長は 64 バイトと規定されている ) 20

21 3. イーサネットプロトコルの概要 計算の例 2 最大距離 = 600 m, 伝搬速度 =40m/μs と仮定し 端末内での処理時間を無視して 10M bit/s のイーサネットでの最小フレーム長を求めよ 往復の伝搬時間は 600*2/40=30 μs 10M bit/sでは 前記往復伝搬時間は 10M bit/s * 30μs = 300 bit に相当 よって最小フレーム長は 37.5バイト ( 実際の仕様では10M, 100Mのイーサでの最小フレーム長は 64バイトと規定されている ) 21

22 例題 1 各問について 1~3 の中から最も適切なものを一つ選べ (1) 家庭 企業 学校内等の 限定された範囲での通信を目的としたネットワークを (1LAN 2WAN 3PAN) と呼ぶ 類語として地理的に広い範囲のネットワークを (1LAN 2 WAN 3PAN) と呼ぶ (2)LAN はトポロジーに着目すると 3 種類に分類できる 電気的に繋がった一つのケーブルに全端末が接続する LAN は (1 バス型 2 リング型 3 スター型 ) と呼ばれる (3)14d を 16 進数で現すと (116h 2Eh 3Ch) である (4)IEEE802.3( 有線 LAN) で使用しているアクセス制御方式は (1CSMA/CA 2CSMA/CD 3MIMO-OFDM) と呼ばれる 22

23 例題 2 以下の文章の空欄に 有線 LAN と 無線 LAN の何れかを埋めよ (1) 有線 LAN と無線 LAN では メディアの違いにより以下の特徴がある 有線 LAN では 送信中に他端末の送信との衝突を監視することができるが 無線 LAN では監視することが難しい 有線 LAN では 衝突を除きフレームのエラーはほとんど起きないが 無線 LAN では衝突以外でも 減衰 雑音の影響でフレームのエラーが起きる確率が比較的高い 23

24 例題 2 以下の文章の空欄に 有線 LAN と 無線 LAN の何れかを埋めよ (2) 前ページの理由により 有線 LAN と無線 LAN のバスを共有する仕組み = アクセス制御方式は以下の違いがある 有線 LAN ではバスの空きを検出すると送信を開始する 衝突を検出 (Collision Detection) すると再送を行う 無線 LAN ではバスの空きを検出するとランダムな時間待ってから送信を開始することで衝突の確率を減らす (Collision Avoidance) 万が一衝突すれば 受信端末からの受信 OK の通知が来ないので再送を行う 24

25 4. LAN のネットワーク構成 実際の LAN では バス型とスター型の組み合わせが多い リピータ HUB (Dumb HUB) スィッチング HUB( レイヤ 2 スィッチ ) LAN(L2 ネットワーク ) ルータ スター型 スィッチング HUB バス型 リピータ HUB バス型 リピータ HUB 25

26 4. LAN のネットワーク構成 (1) リピータ (HUB) の機能 各ポートから入力した MAC フレームを 波形を再生して 全てのポートに送信 ( ブロードキャスト ) する リタイミング 波形再生機能雑音成分の入った歪波形 再生された波形 セグメント HUB( リピータ ) セグメント 物理層の装置 26

27 4. LAN のネットワーク構成 (2) スイッチングハブの機能各ポートに入力されるフレームの送信元アドレスを記録し 他のポートからそのアドレス宛のフレームを受信するとそのポートのみへ送信する 次スライド以降でスィッチングの動作例を示す スィッチングテーブル MAC アドレス ポート番号 スィッチング HUB ポート 送信元 =A B C D E 送信先 = F 27

28 4. LAN のネットワーク構成 (2) スイッチングハブの動作例 (1/4) 1A からフレームが初めて送られると スィッチングテーブルにアドレス A とポートの対応を記録 (F 宛のフレーム ) スィッチングテーブル MAC アドレス A ポート番号 1 スィッチング HUB ポート 送信元 =A B C D E 送信先 = F 28

29 4. LAN のネットワーク構成 (2) スイッチングハブの動作例 (2/4) 2 宛先 F のアドレスがテーブルにないので 全てのポートにフレームを送信 ( ブロードキャスト ) スィッチングテーブル MAC アドレス A ポート番号 1 スィッチング HUB ポート 送信元 =A B C D E 送信先 = F 29

30 4. LAN のネットワーク構成 (2) スイッチングハブの動作例 (3/4) スィッチングテーブル MAC アドレス A F ポート番号 1 6 3F から A へ応答のフレームが送られると スィッチングテーブルにアドレス F とポートの対応を記録 スィッチング HUB ポート 送信元 =A B C D E 送信先 = F 30

31 4. LAN のネットワーク構成 (2) スイッチングハブの動作例 (4/4) 5 以後, 端末 A と F との通信は, ブロードキャストされずにユニキャストで転送される スィッチングテーブル MAC アドレス A F ポート番号 データリンク層の装置 1 4テーブルからAはポート 6 1とわかるので ポート1のみにフレームを送信 ( ユニキャスト ) スィッチングHUB ポート 送信元 =A B C D E 送信先 = F 31

32 4. LAN のネットワーク構成 < 参考 > HUB の接続インタフェース スイッチング ハブ 8 ピンモジュラージャック RJ-45 コネクタ (ISO8877 規格 ) 32

33 4. LAN のネットワーク構成 < 参考 > ハブ, スイッチ, ルータのデータ転送範囲の違い HUB による電気的中継 ( 増幅 ) LAN スイッチによる MAC アドレスを用いたスィッチング ルータによる IP アドレスを用いたルーチング コリジョンドメイン = ユニキャストフレームが通常到達する範囲 L2 ネットワーク = ブロードキャストドメイン 33

34 5. VLAN 物理的な設備は共有するが 仮想的には LAN を分離する技術 セキュリティのためにブロードキャスト範囲を分けたいなどの都合で L2 ネットワークを分割したいが 専用の設備を置くと割高になる場合等で利用される 34

35 5. VLAN 1 LAN スイッチを用いた VLAN 構成例 ブロードキャストドメインを分離し仮想的に 2 つの LAN スィッチとする LANスイッチ ( レイヤ2スイッチ ) 相互接続は不可 VLAN1 VLAN2 ブロードキャストドメイン ブロードキャストドメイン A B ルータ VLAN1,VLAN2 間の通信はルータが実施 ( :A から B への通信用ルート ) VLAN1 用ポート VLAN2 用ポート 35

36 5. VLAN 2 タグを利用した VLAN 構成 VLAN を識別するタグを MAC フレームに追加し 1 つのポート ( ケーブル ) を複数の VLAN で共有する LAN 用スイッチ LAN 用スイッチ b 20 B a タグ 20:B 宛タグ 10:A 宛 10 A VLAN タグ あて先送信元 Type TCI データ ( 可変長 ) FCS 優先度識別子 VLAN ID TCI:tag control information 3 ビット 1 ビット 12 ビット 36

37 < 参考 > 有線 LAN の主な種類 規格名別名通信速度標準化規格使用ケーブル距離 100BASE-TX Fast Ethernet 100Mbps IEEE 802.3u UTP(Cat5) 100m 1000BASE-T 1000BASE- LX Gigabit Ethernet 1000Mbps IEEE 802.3ab UTP(4 対 Cat5e) 100m IEEE 802.3z 光マルチモード / シングルモード 550m/ 5000m 10GBASE-T 10GBASE-LR 10 Gigabit Ethernet 10Gbps IEEE 802.3an UTP(4 対 Cat6) 100m IEEE 802.3ae 光シングルモード 10000m ( 注 ) 一般に,a BASE n では, a は伝送速度, n はケーブルの種類を示す. 10 Gigabit 以上の Ethernet では CSMA/CD を用いない (1:1 通信に特化 バス型の接続はできないが使用効率が高くなった ) 37

38 < 参考 > 無線 LAN の主な種類 規格 伝送速度 ( 最大 ) 使用周波数帯域 通信方式 IEEE802.11a 54Mbps 5.2GHz 帯 IEEE802.11b 11Mbps 2.4GHz 帯 IEEE802.11g 54Mbps 2.4GHz 帯 OFDM 方式 DS-SS 方式 OFDM 方式 周波数が高いために 伝送距離が比較的短く 障害物の影響を受けやすい 周波数が低いため 比較的伝送距離が長く 障害物の影響も受けにくい 2.4GHz 帯は多くの電子機器が使用するので 比較的 混信やノイズの影響を受け伝送速度が低下しやすい IEEE802.11n 600Mbps 5.2GHz/ 2.4GHz 帯 MIMO-OFDM 方式 正式規格 ( 注 )MIMO: 複数のアンテナを用いた空間多重による高速化技術 OFDM: 複数の搬送波を用いるFDMの一種の変調方式 従来のFDMに比べ周波数の利用効率が高い DS-SS: 位相変調したあとに拡散符号により周波数スペクトラムを広帯域に拡散して送信する方式 38 ノイズに強い (CDMAのベースとなる方式)

39 例題 3 各問について 1~3 の中から最も適切なものを一つ選べ (1) リピータ HUB はあるポートから入力した MAC フレームを全てのポートにブロードキャストするが (1 ダム HUB 2 スィッチング HUB 3 ルータ ) は端末が接続するポートの位置を学習して 該当するポートにのみ MAC フレームを転送する (2) 物理的な設備は共有するが 仮想的には LAN を分離する技術を (1VLAN 2VPN 3BAN) と呼ぶ (3)MAC フレームに追加した (1VLAN-ID 2MAC アドレス 3 IP アドレス ) を使用することで 異なる VLAN に属する MAC フレームを一本の物理ケーブル上で識別可能である (4) 複数のアンテナを同時に使用する MIMO 技術などを適用することで最大 600Mbit/s( 公称値 ) を実現する無線 LAN 技術は ( a, g n) である 39

40 8 章のまとめ 本章では現状の主要な LAN 技術であるイーサネットの基礎として以下を学んだ 1. LAN の定義 2.LAN の主な接続形態 (1) スター型 (2) リング型 (2) バス型 3. イーサネットプロトコルの概要 (1) フレームフォーマット (2) バス共有の仕組み 1CSMA/CD 2CSMA/CA 4.LAN のネットワーク構成 (1) リピータ HUB (2) スィッチング HUB 5.VLAN 40

41 以下解答 41

42 例題 1 各問について 1~3 の中から最も適切なものを一つ選べ (1) 家庭 企業 学校内等の 限定された範囲での通信を目的としたネットワークを (1LAN 2WAN 3PAN) と呼ぶ 類語として地理的に広い範囲のネットワークを (1LAN 2 WAN 3PAN) と呼ぶ (2)LAN はトポロジーに着目すると 3 種類に分類できる 電気的に繋がった一つのケーブルに全端末が接続する LAN は (1 バス型 2 リング型 3 スター型 ) と呼ばれる (3)14d を 16 進数で現すと (116h 2Eh 3Ch) である (4)IEEE802.3( 有線 LAN) で使用しているアクセス制御方式は (1CSMA/CA 2CSMA/CD 3MIMO-OFDM) と呼ばれる 42

43 例題 2 以下の文章の空欄に 有線 LAN と 無線 LAN の何れかを埋めよ (1) 有線 LAN と無線 LAN では メディアの違いにより以下の特徴がある 有線 LAN では 送信中に他端末の送信との衝突を監視することができるが 無線 LAN では監視することが難しい 有線 LAN では 衝突を除きフレームのエラーはほとんど起きないが 無線 LAN では衝突以外でも 減衰 雑音の影響でフレームのエラーが起きる確率が比較的高い 43

44 例題 2 以下の文章の空欄に 有線 LAN と 無線 LAN の何れかを埋めよ (2) 前ページの理由により 有線 LAN と無線 LAN のバスを共有する仕組み = アクセス制御方式は以下の違いがある 有線 LAN ではバスの空きを検出すると送信を開始する 衝突を検出すると (Collision Detection) 再送を行う 無線 LAN ではバスの空きを検出するとランダムな時間待ってから送信を開始することで衝突の確率を減らす (Collision Avoidance) 万が一衝突すれば 受信端末からの受信 OK の通知が来ないので再送を行う 44

45 例題 3 各問について 1~3 の中から最も適切なものを一つ選べ (1) リピータ HUB はあるポートから入力した MAC フレームを全てのポートにブロードキャストするが (1 ダム HUB 2 スィッチング HUB 3 ルータ ) は端末が接続するポートの位置を学習して 該当するポートにのみ MAC フレームを転送する (2) 物理的な設備は共有するが 仮想的には LAN を分離する技術を (1VLAN 2VPN 3BAN) と呼ぶ (3)MAC フレームに追加した (1VLAN-ID 2MAC アドレス 3IP アドレス ) を使用することで 異なる VLAN に属する MAC フレームを一本の物理ケーブル上で識別可能である (4) 複数のアンテナを同時に使用するMIMO 技術などを適用することで最大 600Mbit/s( 公称値 ) を実現する無線 LAN 技術は ( a, g n) である 45