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📱|日本エイサー「Chromebook 314・712」レビュー、クラウド時代の新たな選択肢になるか


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日本エイサー「Chromebook 314・712」レビュー、クラウド時代の新たな選択肢になるか

 
内容をざっくり書くと
HDMI出力や有線LANを備える多機能なUSBハブ&ドックも便利でしょう。
 

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USBハブ

USBハブ(ユーエスビー ハブ)とは、USB機器を複数接続するためのハブである。

概説

一般に、パソコン本体にあるUSBポートは2 - 4個程度だが、今日ではキーボードマウスプリンターに始まり、外付けHDDUSBメモリからWebカメラ卓上扇風機まで、USB対応機器は大幅に増えた。USBハブはこれらの周辺機器を同時に接続するために用いられる。

USBハブとして一般的に知られているものは4ポートの単体製品(写真を参照)であるが、他の周辺機器に内蔵されているものもある。例えば液晶ディスプレイの側面に3個口程のポートが付いていたり、USB接続のキーボードにUSBハブの機能が搭載されている等である。

筐体の形状は薄型の長方形や正方形が多いが、ポートの配置は製品とその用途によりさまざまである。4個が横に長く並んだ製品や2×2に四角くまとめられた製品の他に、隣接ポートのコネクタ同士の物理的干渉を避ける目的で両サイドに2個ずつや各辺に1個ずつ配置された製品がよく見られる。また、ハブ本体の側面ではなく上面にポートが並ぶ製品や、本体から伸びたケーブルの先にそれぞれポートを持つことで自由な向きから接続できる製品もある。ポートが16個と多く備えられたものなどもあるが、4ポートのものに比べると高価である(理由は技術解説を参照)。

大きさは手の平に乗る程度がほとんどで、持ち運びに便利である。これは必要となる部品の少なさがその理由である。各社から形状やデザインにこだわった様々な製品やVCCIマークが貼り付けられた製品が出されている。

技術解説

USBハブの仕様は、USB本体の規格の一部 (USB 2.0 Specification , Chapter 11) として規定されている。

USBハブはUSBの規格上ホストコントローラとデバイスの間に入って動作する重要な役割を持つ。 主な役割として以下のものがある

  • デバイスの接続検出
  • デバイスの通信速度検出
  • デバイスへの電源供給とその管理
  • 信号の分配
  • 通信速度変換 (USB 2.0)

USBハブは自身が持つ下流のポートに対して電源 (VBUS) の供給をON/OFFできるものがある。このON/OFFはホスト側から指令することができる。USBハブがこの機能を持つかどうかをホストに通知するプロトコルも仕様で定められている。現実には、この機能を持つと報告するものの外部の電気回路が省かれているためONになったままという仕様違反のハブが数多く見られる。

仕様上はUSBハブが持てる下流のポート数は255個である。しかし、現実のUSBハブの実装ではそれ以下である。バスパワード動作時は上流から最大500mA取り出せるが、下流ポート1個につき少なくとも100mA供給する能力が必要とされるためこれを4個つけると計400mAとなり、ハブ自身が使う電力をあわせると4個が最大となる。したがって5個以上の下流ポートをもつハブは必ずセルフパワードでなければならない。

USB2.0規格に対応したUSBハブは、USB2.0において導入されたHigh Speed転送のための速度変換機能を持っている。上流とHigh Speedで接続され、下流ポートにFull SpeedあるいはLow Speedで通信しているデバイスを持つ場合において、Full/Low Speed通信をUSBハブ内でいったんバッファリングしてから、改めてHigh Speedで送信する機能である。この変換を実行する部分をTT (Transaction Translator) と呼んでいる。このTTをハブ全体で1つだけ持つ(ある時点で1つのポートだけをバッファリングできる)ハブと、複数あるハブの2種類がある。前者はSingle TT、後者はMultiple TTと呼ばれる。この2つはハブからホストに通知されるディスクリプタで判別することができる。

USBハブはそれ自体が一つのUSBデバイスであり、USBアドレスを持つ(これは、イーサネットのハブがネットワーク上のノードとみなされないことと対照的である)。したがってハブについてもドライバが必要であるが、USBに対応したシステムでは、ほとんどの場合、ハブのドライバを備えているため、利用者が意識する必要はない。

USBホストコントローラは、ルートハブ (root hub) と呼ばれるハブ相当の回路を内蔵し、通常複数(UHCIでは通常2個)のポートを取り出せるようになっている。

コンパウンドデバイス

USBデバイスの中には、ハブを内蔵したものがある。このようなデバイスをコンパウンドデバイス (compound device) と呼ぶ[1][2]。コンパウンドデバイスでは、デバイス部分は内部的にハブの下に接続される形になっている。例として、2ポートのハブを内蔵したUSBキーボードの場合、内部的には、3ポートのハブと、そのうち1つのポートに接続されたキーボードの組み合わせとなっている。

一つのデバイスで複数の機能をもつもの(ポインティングデバイス内蔵のキーボードなど)をコンポジットデバイス (composite device) というが、それだけではハブとは無関係であるため、コンパウンドデバイスではない。なお、コンポジットデバイスは複合デバイスとも呼ばれる。

USB-Cハブ

USB Type-Cの登場以降、USB Type-CからUSB Type-Aや、カードスロット、映像出力端子への変換を兼ねた機器が登場した。これらはポートリプリケータと呼ぶべき機器だが、ドック、USB-Cハブと呼ばれる場合もある。詳しくは、ドック(コンピュータ)を参照。

関連項目


脚注

  1. ^ コンパウンドデバイスとは | インターフェイス株式会社”. www.itf.co.jp. 2021年1月18日閲覧。
  2. ^ USB SuperSpeed Compound Device測定の注意点” (英語). 認証試験.com. 2021年1月18日閲覧。


イーサネット

イーサネット (Ethernet) は、家庭、オフィス、データセンター、企業、WANで使用されている有線ネットワーク技術の主流である。イーサネットは、最大100Gbpsのデータレートと数メートルから数十キロの距離をサポートするように進化してきたため、大小さまざまな組織でパーソナルコンピュータ、ワークステーション、サーバー、大容量データストレージデバイスをサポートするために不可欠なものとなっている[1]コンピューターネットワークの規格の1つであり、オフィスや家庭で一般的に使用されている有線LAN (Local Area Network) の技術規格で、OSI参照モデルの下位2つの層である物理層データリンク層に関して規定しており、TCP/IPと組み合わせて利用されることが多い。

概要

技術の進歩に合わせて、より通信速度が高速な、新たな規格が登場し続けており、物理層は伝送速度の違いや物理的な仕様により多種の規格に分かれるが、データリンク層は、新旧の規格同士の間にも互換性がある。

通信速度は、初期の10Mbps(ビット毎秒)の10BASE-Tから、その10倍の100Mbpsの伝送能力がある100BASE-TXが普及し、今日では1Gbpsの1000BASE-Tが普及しつつある。また、新たな規格として10GBASE-T(UTPによる10ギガビット・イーサネット《10GbE》)規格が決定された。さらなる高速規格として40ギガビット・イーサネット (40GbE) や100ギガビット・イーサネット (100GbE) などが国際的な通信規格について話し合う組織であるIEEEにおいて調整段階にある。

初期の同軸ケーブルによるLANから発展を続け、今日では世界中のLANの多くがイーサネットを採用し、より広い範囲のネットワークであるMANWANでも一部の技術は「広域イーサネット」という名称でイーサネット規格を取り込み始めている。

名称の「イーサ、ether」は、古典物理の時代に光の媒質として宇宙の隅々まで満たしているのではないかと考えられた仮想の物質、「エーテル」(Ether、Aether) から付けられた[3]

日本では、「Ethernet」、「イーサネット」は富士ゼロックス商標登録している。[4]

歴史

イーサネットの発想の原点はハワイ大学のノーマン・エブラムソン教授が開発した「ALOHAシステム」と言われている。ハワイ諸島の島々を4,800ビット/秒の無線によるネットワークで結ぶシステムであった[2]

最初のイーサネットはALOHAシステムのアイデアに基づいており、1972年 - 1973年にかけて、米ゼロックスパロアルト研究所 (PARC) においてロバート・メトカーフを中心に開発された。1973年5月22日特許として登録したため、この日がイーサネットの誕生日とされる。発明当初の伝送速度は2.94Mbpsで、これは当時開発中のコンピュータ XeroxのAltoのベース・クロック5.88MHzに合わせたためだとされている。ゼロックス社はその後、特許を開放してオープンな規格とし、インテルDECを開発に加えて、1979年、3社の頭文字をとってDIX仕様を制定する。伝送速度は10Mbpsだった。翌年の1980年には、この仕様をIEEE 802委員会に「Ethernet 1.0規格」として提出・公開した。このオープン規格に対して世界中の企業・技術者が技術の仕様策定と製品の開発に加わり、様々な商品が生み出されていった。メトカーフ自身もゼロックス社を退社して米3Com社を創設し、このネットワーク製品開発競争を主導していった。1980年代当時は、米IBM社が「トークンリング」を、米アップルコンピュータAppleTalkという「ローカルトーク」をそれぞれネットワーク製品として強力に推進していたが、結局、規格を公開して多くの賛同者を得たイーサネットが勝ち残った[5]

現在、普及しているイーサネットは、1982年に提案された「Ethernet 2.0規格」を基に、1983年にIEEE 802.3 CSMA/CDとして策定された仕様である。

イーサネット初期の10BASE2/5/-Tの時代は、OS側でのネットワーク・サポートは限定的であり、PCではNovell社のNetWareマイクロソフトLAN Managerといった専用ソフトを購入しないとファイル共有といった基本的な機能すら得られなかった。(ワークステーションとしては、例えばSun社のNFS(ネットワークファイルシステム)があった。)

1980年代から1990年代にかけてのPCではネットワーク・インターフェース・カード (NIC) やイーサネット・カードと呼ばれるマザーボードに差し込むISA/EISA/NESA/PCI形式のドーターカードがオプションで販売されていることが多かったが、2000年代前半にはチップセットに最初から回路の一部が含まれ、マザーボード上にイーサネットのジャックが装備されるようになった。この頃にはイーサネットによるLAN機能の実装が当たり前になるとともに、イーサネットという規格の用語名そのものを使うことがまれになった(単にネットワーク・インターフェースと呼ばれることが多くなった)。2015年現在では、家庭用・業務用問わずネットワーク・ポートを最初から2つ持つマザーボードも容易に入手できるようになった。

通信技術

イーサネットは、OSI参照モデルにおける物理層及びデータリンク層を規定するものであり、IEEEによりIEEE 802.3及びその拡張版として仕様が公開されている[6]歴史欄で記したように、1970年に原型が開発され、1980年にIEEEに提出・公開され、1983年にIEEE 802.3として規定されたイーサネットは、50Ω同軸一芯ケーブルを利用し、バス型のトポロジーを持ったネットワークであり、半二重通信で10Mbpsを達成したものである。それが直径1cmの堅く重たいケーブルを用いる10BASE5であり、それに続いて同軸ケーブルの径を細くして軽量で引き回しを容易にした10BASE2のThin Ethernetケーブル、10BROAD36の75Ω同軸ケーブル、FOIRLでマルチモード光ケーブルが使われるようになり、それから電話の配線に用いられていた非シールドのより合わせた対の銅線を採用した1BASE5(StarLAN-1)を原型として定着した10BASE-TからはUTPケーブルが使われるようになり、物理的構成でもスター型構成が採られるようになった。その一方でデータリンク層は、後述するジャンボフレームVLANによる拡張はあるものの、基本的には信号的な互換性があり、メディアコンバータ等を用いて各規格を繋ぎ合わせることで、相互にフレームをやりとりすることができる。

物理層

OSI参照モデルにおけるレイヤー1(物理層)は、50Ω同軸ケーブルによるバス型接続を基本としている。物理的にはスター型構成をとる場合も、論理的にはバス型構成である。現在はIEEE 802.3の拡張により、UTPケーブルや光ケーブルなど、様々なインフラを利用することができるようになっている。

イーサネットでは、信号を伝送するにあたり変調が行われる。ベースバンド変調を行うものは名称にBASEを、ブロードバンド変調を行うものは名称にBROADをつける決まりとなっている。

マンチェスターコード.PNG

ベースバンド変調では、10BASExではマンチェスターコードが用いられた。マンチェスターコードは、各ビットを示す信号の中央で常に LoHi や HiLo に信号レベルが変化することで伝送の基準となるクロック信号をデータ信号に重ねて送ることができた。他に、100BASE-TXでは8B-6T、1000BASE-Tでは8B/1Q4 (4D-PAM5) など、それぞれ適した変調が用いられる。

初期のイーサネットは論理的、物理的ともにバス型構成であり、複数の端末が1本の同軸ケーブルに接続されていた。多数の端末が繋がっている場合には、任意の端末AとBとの「1対1」の排他的な通信は不可能であり、端末Aから送出されたデータは、同じイーサネットの配線に繋がっている全端末へ届けられる「1対全」の通信方式である。「1対全」の通信であるため、既に端末AとBが通信している時に端末Cが新たに送信したい場合は、伝送路の空きを待つ必要がある。複数の端末が接続されている時に、ほぼ同時に送信が行われた場合、衝突することがあり、その場合データが損失する。これを衝突(コリジョン)と呼び、その対策が後に述べるCSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) である。CSMA/CDは、ギガビットイーサネット(IEEE 802.3ab等)までサポートされている。

イーサネットでは元の送信すべき通信データをまず一定の長さ以下の決められた形式をもつデータの塊に分割する。このデータの塊りのそれぞれをMACフレーム (Media Access Control Frame)、または単にフレームと呼ぶ。イーサネットではデータは常にMACフレームの形で伝送路を流れている。元の通信すべきデータがフレーム単位に分割されているために、ネットワーク機器は一時には一定以下の長さのフレームのデータを扱うだけで済むので、情報転送に関わる全ての処理は非常に単純な作業の繰り返しに帰着する。

物理的構成

イーサネットの物理的構成は、PCやルータ等のネットワーク機器(ノード)及びケーブルで組み立てられる。イーサネットは論理的にバス型構成であるため、一つの論理的なバスの範囲をコリジョン・セグメント(または単にセグメント、コリジョンドメイン等)と呼ぶ。コリジョンセグメント内のノードは各々電気的に等価であり、全ノードのネットワークインターフェイスは全てのフレームを受信する。各ノードのネットワークインターフェイスはMACアドレスを持ち、受信したフレームのうちで自分宛でないものは廃棄する(コリジョンセグメント内に置かれたパケットをモニタリングする機器により他者の通信内容を傍聴することも可能ではある)。また、スイッチングハブ等、レイヤー2以上のネットワークをサポートする機器に直接結合している場合には全二重通信を行うことができる。

セグメント
同じデータが到達するネットワークを「コリジョン・セグメント」または単に「セグメント」と呼び、コリジョン検出の物理的な制約によって最長伝送路長が存在し、物理層のイーサネット規格として規定されている。
一つのコリジョン・セグメント内に多すぎるノードが存在する場合は、後述するコリジョンの発生頻度が加速度的に高まり、閾値を越えたところで帯域が飽和する。
また、機器間の距離が規定より長い場合、データリンクを確立できない可能性がある。
規定された以上の長さの伝送路が必要な場合はリピータまたはリピータが多ポート化したリピータハブにより延長することが可能である。さらにブリッジや、ブリッジが多ポート化したスイッチング・ハブを用いてセグメントを拡張することができる。
全二重通信と半二重通信
「全二重通信」とは、1つの伝送路上の端末間で、常時、送信と受信が同時に可能な通信技術のこと。
「半二重通信」は、各端末は送信か受信のどちらか片方向の通信を、必要に応じて切り替えながらでしか行えない通信技術である。半二重通信では送信・受信の切り替え時に無駄が発生することがある。電話は全二重通信であり、CSMA/CDは半二重通信である。
端末が自分の発した信号さえ把握していれば、受信した信号から送信されてきた信号(とノイズ)だけを得ることは可能であり、伝送路を伝わったエコー成分を消し去るエコーキャンセラ技術によって全二重通信が可能となった。
一般に、PC等の機器間をクロスケーブルで接続する場合や、スイッチングハブ等、データリンク層以上をサポートする機器を介在することで、全二重通信を行うことができる。多くのスイッチングハブは、全二重/半二重を自動で検知し、切り替えることができる機能を持つ(オートネゴシエーション)。
MACアドレス
イーサネット上の各端末を区別するために、製造段階で割り振られる世界中でただ1つ固有の48ビットのMACアドレスを持っている。先頭2ビットはアドレスの種類(ユニキャスト/マルチキャスト、グローバル/ローカル)、続く上位の22ビットはベンダーの固有値(グローバルアドレスの場合。なお、先頭2ビットとあわせて24ビットで表現されることが多い)、下位の24ビットはベンダーが自由に割り振る通し番号。イーサネットの上位に位置する通信規格であるIPプロトコル (IPv4) の32ビットのIPアドレスとは別である。

CSMA/CD

イーサネットを特徴づけるものが CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection ; キャリア検知多重アクセス/コリジョン検出)であり、通信経路上での信号の発送手段を規定している。物理的に類似した他方式、トークンリングの場合は、経路上のノード間でトークンと呼ばれる特殊なパケットを回し、受け取ったノードのみがフレームを送信することができるが、イーサネットでは、各ノードは自由に信号を発信することができる。その一方で信号の衝突が発生するため、通信路上を常に監視し(キャリア・センス)、衝突が検出(コリジョン・ディテクション)された場合は、若干の時間待機した後、フレームを再送する。待機時間はTBEBアルゴリズムで決定する。短所として、たとえ混雑して送信待ちの端末が多数あっても常に通信路に空きが生じるため帯域に無駄が生じる。また、他の通信方式でも同様だが、規格で表されている伝送速度は通信路に流せる全ての情報に対する通信容量であり、フレームの頭に付くヘッダーやプリアンブル、フレーム間ギャップも通信容量を消費するため、ユーザーデータの伝送速度は常に規格の速度をある程度下回る。TCPやIPを使用すればその分のヘッダなどがさらに通信容量を消費する。

キャリア・センス
全ての端末は常に通信路上の信号を受信し、監視している。この機能を「キャリア・センス」(Carrier Sense) と呼ぶ。
フレーム送信後、他のどの端末からもフレームが送り出されていない場合、最後のフレームの末尾から96ビット時間[7]以上待ち、次のフレームを通信路に送出することが許される。この待ち時間をフレーム間ギャップと呼び、このように複数の端末が1つの伝送路を共同で使用する機能を「マルチプル・アクセス」(Multiple Access) と呼ぶ。
コリジョン・ディテクション
たまたまほぼ同時に複数の端末がフレームを送り出した場合は「コリジョン」、つまり衝突が発生してしまう。コリジョンによる信号の乱れを検出した場合は受信中のフレームは破棄され、ジャム信号という特殊な信号を伝送路に送信する。送出中の端末はコリジョンによる自身の信号の乱れを検出するかジャム信号を検出すれば、直ちに送出を停止し送信中だったフレームは送信前の状態に戻される。この機能を「コリジョン・ディテクション」(Collision Detection) と呼ぶ。
コリジョンは、送信側がフレーム送出を終了する前に検出される必要がある。そのため、同一ネットワーク上に接続された2つの端末をつなぐ通信路の総延長とフレームの最小サイズが限定される。つまり、リピータなどを介したケーブルの総延長が最小サイズのフレームを送り終える前に2台の端末間を往復できるだけの長さより短い必要がある。基本的にイーサネットにおける最小フレーム長は512ビット=64バイトであり、送出するデータが小さく、フレーム長が64バイトに満たない場合は、足りない分を0で埋めて64バイトとする。これをパディングと呼ぶ。1000Mbit/s (1Gbps) 以上の通信の場合は、最小フレーム長は4096ビット=512バイトとなり、足りない分を補うダミーデータをキャリア・エクステンションと呼ぶ(後述)。
再送時間の決定
フレームの送出を中止した端末は、擬似乱数によるランダムな時間だけ待った後、通信路が空いていれば、自分のフレームを送出することができる。その際にもし再度衝突が発生した場合は、2n個の待ち時間候補の中からランダムに決定される。この方法は「TBEBアルゴリズム」(Truncated binary exponential backoff algorithm) と呼ばれる。

データリンク層

イーサネット規格のレイヤー2、つまりデータリンク層では、送信するMACフレームの作成や受け取ったMACフレームの解釈に関する作業を規定している。

送信の場合を考える。ネットワーク端末であるイーサネット通信装置はホストであるコンピュータからの情報を通信路に送出するためには、まず受け取った元データが長ければいくつかの塊りに分割する。このデータの塊りは46 - 1500オクテットの大きさである。これに以下の付加情報を加えてMACフレームを完成させる。以下の説明では8ビットのことをバイトとは云わずに通信分野に於ける用語であるオクテットと表す。これは1バイトが必ずしも8ビットではないシステムも存在した経緯がある。

  • MACフレームの構成
    • 宛先MACアドレス:6オクテット
    • 送信元MACアドレス:6オクテット
    • VLAN:4オクテット)
    • 長さ(長さ/タイプ):2オクテット
    • データ本体:46 - 1500オクテット(VLANの4オクテットを含む場合は42 - 1500オクテット)
    • エラー検出のためのフレーム・チェック・シーケンス (Frame check sequence、FCS) 4オクテット

宛先MACアドレスの前にプリアンブルの8オクテットがあるが、これは96ビット時間以上のフレーム間ギャップと同様にレイヤー1層「物理層」で自動的に挿入されるためにレイヤー2層「データリンク層」であるMACフレームの規格には含めない。

DIX規格でのプリアンブルの8オクテットは実際は10101010で構成された7オクテット分のプリアンブルと1オクテット分のスタート・フレーム・デリミター (Start frame delimiter、SFD) で構成されている。

宛先MACアドレスと送信元MACアドレスの6オクテットは全く同一の構成をとり、最初の2ビットで通信種別を表し、マルチキャストブロードキャストユニキャストなどを指定する。 続く22ビットでMACアドレスを使用するネットワーク機器のベンダーがIEEEから購入したベンダー固有の番号が入る。 最後の24ビットでベンダーが自由に割り振る番号が入り通常は通し番号が使われる。MACアドレスは全世界でただ1つのユニークな番号である(実際にはサーバーの故障修理交換などの際に交代して対応させるなどの目的のために、MACアドレスをフェークする機能を持つ機材が存在する)。

IEEE 802.1Q規格でオプションのVLAN使用時には「長さ/タイプ」の前に4オクテットが付加され、フレーム全体も4オクテット分長くなる。 このVLANという仮想LANのための4オクテットが付加された場合は、最長フレーム長が1518オクテットから1522オクテットへと変わるがネットワーク装置は正しく処理を行う必要がある。 初期のネットワーク装置には1518オクテットを超えるフレームを正しく処理できないものがあったが、最近のネットワーク装置はほとんど1522オクテットまでのフレームを正しく処理できる。

DIX規格でのタイプとIEEE 802.3規格での長さ/タイプは混在していても構わない。 この2オクテット分のフィールドの値が46から1500であればそれはIEEE 802.3規格での長さを表しており、1501以上であればそれはDIX規格でのタイプを表している。

FCSによって、宛先MACアドレス、送信元MACアドレス、タイプ、データの4つの領域の情報が正しいかを判定する。 判定のためのエラー検出方法はCRC (Cyclic redundancy check、巡回冗長検査) 法を使う。

フレームの終了を示す信号は存在せず、最後のFCSの信号が途絶えた時点で受信側はフレームの終了を判断する。 荒っぽい方法であるが、このことによってデータやFCSには完全に自由な2進情報を含めることが可能となり、フレームの簡素化やネットワーク装置の処理の単純化が得られている。

フレーム間ギャップ
各フレーム同士の間には96ビット時間以上の間、信号の無いフレーム間ギャップを確保する。
このMACフレームをレイヤー1、つまり物理層に渡して伝送路の空きで送出する。
受信はこの逆で、受信データをレイヤー1・物理層を通じて受け取り、自分のMACアドレスが「送信先MACアドレス」に無ければそのまま破棄する。自分宛であれば「長さ」が有効であればその「長さ」を、有効でなければMACフレーム全体の長さから逆算して長さを求める。その長さによって「データ本体」と「FCS」を切り出してこれら2つから伝送誤りが無いかを確認して、誤りがあれば普通は上位レイヤーである、レイヤー3・ネットワーク層とレイヤー4・トランスポート層に報告し、レイヤー4からの指示でレイヤー3-2-1と下りて来て再送要求を送る、または再送されずに情報は失われる。伝送誤りが無ければ切り出されたデータをレイヤー3へ渡し1つ分のMACフレームの受信作業は終わる。ここで述べたレイヤー3と4はイーサネット規格の外部であり、多くのネットワークではTCP/IP規格が使用されている領域である。つまり、イーサネット規格では、再送処理や宛先の指定は含まれていない。

レイヤー2の情報は「行き先MACアドレス」が要求すればLAN上のスイッチング・ハブによってセグメントを越えて伝送される。 つまりレイヤー1だけではセグメントの境界にスイッチング・ハブが位置しており、送出された信号はセグメントを越えることは無いが、スイッチング・ハブの内部では一度レイヤー2まで階層を登って解釈され行き先MACアドレスを読み取って、隣のセグメントやその先のセグメントであれば、別のセグメントへと転送されるため、セグメントを越えることが出来る。 このため、スイッチング・ハブの内部ではそれぞれ接続されたセグメントごとに所属する端末のMACアドレスを一覧リストとして保持しており、MACフレームを受信する度に高速で比較して転送先を決定している。 こういったレイヤー2スイッチング・ハブの動作は全ての速度・形式のイーサネット規格で同一である。

フレーム長の規定について
イーサネットでは、最短フレームサイズ64オクテット、最長フレームサイズは1518オクテットである。
CSMA/CDでのコリジョンを正しく検出するには、送信された信号が送信を終える前に、伝送路上で衝突して信号が乱れた結果を送信側が受信できなければならない。

このためには送信される信号はある程度の長さを持たねばならず、その長さは、コリジョン検出に最も時間が掛かる場合を想定して計算されなければならない。 伝送路の片方の端から送信された信号がもう一方の端に着いた瞬間に別の送信が開始される場合が最も時間が掛かるので、この場合の時間は最初の信号が端から端まで伝播するのに掛かった時間と、コリジョンが発生した信号が同じ道を戻る時間の合計となり、これは単純に伝送路の2倍の距離を信号が伝播する時間となる。

CSMA/CDのコリジョンの検出のための往復電波遅延時間の計算は往復分2,500m × 2の5,000mに対するケーブルでの遅延時間 約26μSecと、リピータやトランシーバーの遅延時間分 約20μSecの合計で46.38μSecと計算される。

この長さは10BASE-xでは464ビット時間に相当する。

これらの計算から最初の本格的なイーサネットの規格である10メガビット・イーサネットでは、最短のフレームサイズを余裕をもって512ビット(64オクテット)時間とした。
最長フレームサイズを1518オクテットと決めたことには明瞭な根拠はなく、あまり長くすると転送処理を行う装置の送受信のパケットバッファ・メモリーを大きな容量にしなければならず、あまり短かくするとネットワーク上を流れるのがフレームヘッダばかりになって通信の効率が悪いため、当時のハードウェア環境から案配して、最も長いデータの長さを1,500オクテットと決めた。これにフレームヘッダの長さが加わり、最長フレームサイズは1518オクテットと決まった。VLANを使う場合には、さらにVLANのタグ(4オクテット)が追加されて、合計で1522オクテットになる。

個別のイーサネット規格名

同軸ツイストペア光ファイバーなどの通信路の違いや、10M/100M/1G/10Gbps等の伝送速度の違いにより多種の規格が規定されている。イーサネットの規格名の大体の付け方を以下に示す。

「10BASE-T」では「10」は10Mbpsの転送速度、「BASE」は変調を行わないベースバンド転送を、「T」は通信路にアンシールデット・ツイステッド・ペア・ケーブル (Twisted pair cable) を使用する事を意味している。もちろん上記の全ての組み合わせがある訳ではない。

機器及びケーブル

イーサネットを構成するための機器及びケーブルについて説明する。

機器

イーサネットの物理層に対して給電を行い、信号を中継し、MACフレームを構成し、CSMA/CDに従ってフレームを送受信する。ここでは、イーサネットが規定する物理層、データリンク層をサポートする機器について解説する。

リピータ、ブリッジ

リピータ
リピータは、ネットワーク間の電気信号を中継、再生し、ネットワークを延長するための機器。物理層をサポートする。現在は、多インターフェイスのリピータとしてハブが多く利用される。
ブリッジ
ブリッジは、データリンク層でサポートされる機能を持つ。

ハブ

ハブ(ダムハブ、リピータハブ、カスケードハブ等)
ハブは、スター型構成の中心になる機器であり、複数の端末を接続し、リピータとして信号の中継、再生を行う。OSI参照モデルの第1層(物理層)での信号の伝送を行う装置。
スイッチングハブ
スイッチングハブはレイヤー2スイッチとも呼ばれ、その名前の通り、OSI参照モデルの第2層「データリンク層」での情報転送を行う装置であり、インターネットのMACフレームをMACアドレスによって転送先を決める。「レイヤー2スイッチ」(L2スイッチ)は「LANスイッチ」や「スイッチング・ハブ」とも呼ばれる最も代表的なイーサネットのネットワーク機器である。元々イーサネットの登場初期にリピーター・ハブと呼ばれる伝送路の中継アンプがあり、その機能を大幅に発展させたものがスイッチング・ハブつまりレイヤー2スイッチである。


ケーブル

同軸ケーブル

10BASE2・10BASE5は共に50Ωの同軸ケーブルを使用する。10BASE5では直径12mmの、通称Thickケーブル(またはイエローケーブル)を使用する。また10BASE2では10BASE5のケーブルの約半分、直径5mmの、通称Thinケーブルを使用する。

光ファイバーケーブル

光ケーブル参照。10BASE-F・100BASE-FX・1000BASE-SX/LX等で使用する。一般にマルチモードファイバー (MMF) とシングルモードファイバー (SMF) を使用する。一般にMMFは芯線が太く、曲げに強く扱いやすいが、通信距離が短く速度が遅い。屋内配線等に向く。SMFは芯線が細く、曲げに弱く高価であるが伝送損失が小さく、遠距離通信に向く。

ツイステッド・ペア・ケーブル

イーサネットに使用するケーブルの内、最も多く使用されているのはツイステッド・ペア・ケーブル (Twisted Pair Cable) である。ツイステッド・ペア・ケーブルは大別すれば「UTP」「STP」に分けられる。

  • UTPはアンシールデット・ツイステッド・ペア・ケーブル (Unshielded twisted pair cable) の略であり、シールドがない、より対線(よりついせん)のケーブルである。カテゴリー6以下のグレードがUTPである。
  • STPはシールデット・ツイステッド・ペア・ケーブル (Shielded twisted pair cable) の略であり、シールドの施された、より対線のケーブルである。Augmentedカテゴリー6以上のグレードがSTPである[要検証]

これらの各転送速度に応じた周波数特性を満たすケーブルが「LANケーブル」や「イーサネット・ケーブル」と呼ばれて販売されている。それぞれの上限周波数によってケーブルのグレードがカテゴリー数で分類されている。多くが両端のRJ-45プラグが接続済みであるが、専用工具を使えば容易に自分で希望する長さのケーブルにプラグを接続することも出来る。ケーブルに付くプラグは両端ともオスであり、ネットワーク装置側は常にメスのソケットである。通常使うケーブルは「ストレート・ケーブル」と呼ばれる、両端のRJ-45プラグの同じピン番号同士がストレートに接続されているものを使うが、旧型のハブを複数台カスケード接続する場合や、PCのイーサネット・ポート同士を1対1で接続する場合にはピン番号が1-3、2-6、4-7、5-8で交差接続されている「クロス・ケーブル」を使用する。現在販売されている多くのスイッチング・ハブ製品のカスケード・ポートを含む全ての接続ポートはAutoMDI/MDI-Xと呼ばれるMDIとMDI-Xの自動判別機能が備わっている為に、クロス・ケーブルは必要がない場合がほとんどである。

以下にカテゴリー数と適用転送速度規格を示す。STPはシールドやその他の工夫によって高い周波数特性を持っている。

  • UTP
    • カテゴリー3:~16MHz:10BASE-T
    • カテゴリー5:~100MHz:100BASE-TX
    • エンハンストカテゴリー5:~100MHz:100BASE-TX、1000BASE-T、2.5GBASE-T
    • カテゴリー6:~250MHz:1000BASE-TX、5GBASE-T
    • エンハンストカテゴリー6:~500MHz:10GBASE-T[要検証]
  • STP
    • Augmentedカテゴリー6:~500MHz:10GBASE-T等[要検証]
    • カテゴリー7:~600MHz:10GBASE-T等

カテゴリー6以下のUTPでは、上位互換性があり周波数特性に優れたグレードの高いケーブルを下位の伝送速度での接続に使用しても問題がない。販売されているケーブルにはカテゴリー数の略称が「Cat5」や「Cat5-e」などと表示されている。

ケーブル規格一覧[8][9][10][11][12][13][14][15][16][17]

カテゴリ伝送速度使用可能距離伝送周波数帯域ノイズシールド対線コネクタ形状備考
CAT120kbps4芯2対RJ-11音声電話(モジュラージャック)等に利用
CAT24Mbps1MHzUTP8芯4対RJ-45ISDN等に利用
CAT310Mbps100m16MHzUTP8芯4対RJ-45
CAT410Mbps100m20MHzUTP8芯4対RJ-45
CAT5100Mbps100m100MHzUTP8芯4対RJ-45ATM規格での伝送速度は155Mbps、Ethernet規格の100BASE-TXでは4芯2対のみ利用。現在の光通信が1Gbpsであるため通信速度が遅い時の原因としてよく挙げられる。
CAT5e1Gbps100m100MHzUTP8芯4対RJ-451Gbpsまで対応している現在の一般的な仕様。

手頃な価格と日常使いで十分なスペック。

CAT61Gbps100m250MHzUTP8芯4対RJ-45ATM規格での伝送速度は1.2Gbps
10Gbps55m250MHzUTP8芯4対RJ-45
CAT6a10Gbps100m500MHzUTP/STP8芯4対RJ-45
CAT710Gbps100m600MHzSTP8芯4対GG45/TERA最速だが高価なため、企業のサーバー用途などに使われることが多い。
CAT7a40Gbps50m1000MHzSTP8芯4対GG45/TERA
100Gbps15m1000MHzSTP8芯4対GG45/TERA
CAT840Gbps30m2000MHzSTP8芯4対GG45/TERA

イーサネット仕様

規格名別名通信速度標準化規格使用ケーブル距離
1BASE51MbpsIEEE 802.3eUTP(2対)250m
10BASE2Thin Ethernet10MbpsIEEE 802.3a50Ω同軸 (5mm)185m
10BASE5Thick EthernetIEEE 802.350Ω同軸 (12mm)500m
10BASE-TIEEE 802.3iUTP/STP (Cat3)100m
10BROAD36IEEE 802.3b75Ω同軸3600m
10BASE-F10BASE-FBIEEE 802.3j光マルチモード2000m
10BASE-FP光マルチモード1000m
10BASE-FL光マルチモード2000m
100BASE-T100BASE-TXFast Ethernet100MbpsIEEE 802.3uUTP (Cat5)100m
100BASE-T4UTP(4対Cat3)100m
100BASE-T2IEEE 802.3yUTP(2対Cat3)100m
100BASE-F100BASE-FXIEEE 802.3u光マルチモード/シングルモード2000m/20km
1000BASE-T1000BASE-TGigabit Ethernet1000MbpsIEEE 802.3abUTP(4対Cat5e)100m
1000BASE-TXTIA-EIA/-854UTP(4対Cat6)100m
1000BASE-X1000BASE-SXIEEE 802.3z光マルチモード550m
1000BASE-LX光マルチモード/シングルモード550m/5000m
1000BASE-CX同軸ケーブル(2芯並行)25m
2.5GBASE-T2.5GbpsIEEE 802.3bzUTP(4対Cat5e)100m
5GBASE-T5GbpsIEEE 802.3bzUTP(4対Cat6)100m
10GBASE-T10GbpsIEEE 802.3anUTP(4対Cat6)100m
10GBASE-R10GBASE-SRIEEE 802.3ae光マルチモード300m
10GBASE-LR光シングルモード10km
10GBASE-ER光シングルモード40km
10GBASE-ZR光シングルモード40km以上を想定
10GBASE-W10GBASE-SW光マルチモード300m
10GBASE-LW光シングルモード10km
10GBASE-EW光シングルモード40km
10GBASE-X10GBASE-LX4光シングルモード10km
10GBASE-CXIEEE 802.3ak4対2芯銅線 (CX4) 同軸15m
25GBASE-T25GbpsIEEE P802.3bqUTP(4対Cat7)30m
40GBASE-T40GbpsIEEE P802.3bqUTP(4対Cat7)30m
40GBASE-R40GBASE-KR440GbpsIEEE 802.3ba
40GBASE-CR4
40GBASE-SR4
40GBASE-LR4
100GBASE-R100GBASE-CR4100GbpsIEEE 802.3bj
100GBASE-CR10IEEE 802.3ba
100GBASE-SR10
100GBASE-LR4
100GBASE-ER4

出典

  • 日経ネットワーク2002年2月号「初めてのギガビット・イーサネット」
  • 日経ネットワーク2003年7月号「レイヤーで知る通信のしくみ」
  • 日経ネットワーク2005年11月号「発展過程で明らかになったイーサネットの本質」
  • 日経ネットワーク2005年12月号「CSMA/CDの意味と意義」
  • ネットワークマガジン編集部『ゼロからはじめるスイッチ&ルータ増補・新装版』アスキー、2007年9月。ISBN 978-4-7561-5004-2
  1. ^ Stallings, William,. Foundations of modern networking : SDN, NFV, QoE, IoT, and Cloud. Agboma, Florence,, Jelassi, Sofiene,. Indianapolis, Indiana. ISBN 978-0-13-417547-8. OCLC 927715441. https://www.worldcat.org/oclc/927715441 
  2. ^ a b 日経ネットワーク2005年10月号「継承されるもの,生み出されたもの」
  3. ^ イーサネット40年の技術 - ITpro(2013年12月9日).2013年12月12日閲覧。
  4. ^ 日本の商標は特許情報プラットフォームで検索できる。なお、「Ethernet」を含む商標には他社が登録しているものも存在する。
  5. ^ 日経ネットワーク2005年10月号「イーサネット技術読本」p131
  6. ^ IEEE 802.3 ETHERNET (英語)
  7. ^ イーサネット上で1ビットの情報をやり取りする時間を示す。例えば10Mbpsでは1ビット時間は10M分の1の100ナノ秒となり1Gbpsでは1G分の1の1ナノ秒になる。
  8. ^ LANケーブルの規格やカテゴリーの話 配線レスキューブログ
  9. ^ 規格別ケーブル最長距離一覧 エイム電子株式会社
  10. ^ LANケーブルの違いと選び方 Web便利ノート
  11. ^ 【TECHブログ】CATケーブルについて。40GBASE-T! PGDブログ
  12. ^ LANケーブルのCat5e、CAT6、CAT6A、CAT6E、CAT7の違いは何? TeraDas
  13. ^ CAT3 と CAT4 Black Box 用語事典
  14. ^ ASCII.jp:古いLANケーブルでギガビットEthernetは使えるか|ネットワークの禁忌に触れる
  15. ^ 【10GBASE-T、ついに普及?】さらに高速化! 40Gbpsもイケる「25G-40GBASE-T」の普及は何年後!【期待のネット新技術】 - INTERNET Watch
  16. ^ イーサネットとはLANケーブルのこと!ケーブル種類と選び方を解説 | WiFiスタイル
  17. ^ LANケーブルの種類|カテゴリと選び方

関連項目

外部リンク


 

 

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