リンク層 ── Ethernet・ARP・スイッチング

学習目標

本講を終えると、以下の問いに答えられるようになります。

• リンク層 (データリンク層) が「同じサブネット内の隣接ノード間転送」を担うことを説明できる
• MAC アドレスの 48 ビット構造 (OUI 24 bit + シリアル 24 bit) と、ユニキャスト/マルチキャスト/ブロードキャスト の判別方法を述べられる
• Ethernet フレームの主要フィールド (プリアンブル・SFD・宛先 MAC・送信元 MAC・EtherType・ペイロード・FCS) の役割と長さを言える
• 標準フレームサイズ (64 〜 1518 バイト) とジャンボフレームの存在を説明できる
• CSMA/CD が半二重共有メディアの制御で、全二重スイッチ環境では発動しないことを区別できる
• L2 スイッチの 自己学習 (送信元 MAC からの学習)、フォワーディング・フラッディング・フィルタリング を図解できる
• ARP リクエスト (ブロードキャスト) と ARP リプライ (ユニキャスト) による IP→MAC 解決の手順、ARP キャッシュの目的を説明できる
• ARP が信頼ベースの仕組みであり、セキュリティ上の詳しい話題は発展編で扱うことを説明できる

このレッスンの目次

リンク層の役割 ── 「隣の人」までのバトンリレー

リレー走者のたとえ

長距離リレーで考えてみましょう。スタートからゴールまでの 全体経路 を計画するのはコーチ (= IP)、各区間で 次の走者にバトンを渡す のが選手 (= リンク層) です。選手は次の走者の顔さえ知っていればよく、ゴールまでの全体像を把握する必要はありません。

大きな図 ① エンドツーエンドで見るリンク層の働き

図の見方:1 つの IP データグラムは A → R1 → R2 → B と 3 区間を通るとき、IP ヘッダ (発・着 IP) は 変わらない のに対し、MAC ヘッダ (宛先・送信元 MAC) は 区間ごとにルータが書き換える。MAC アドレスは「次の隣のノード」を指す印として使われている。

リンクの種類とアクセス制御

リンクには大きく 2 種類あり、それぞれ メディアアクセス制御 (MAC: Medium Access Control) の必要性が異なります。

考えてみよう: 「IP アドレスがあるなら、MAC アドレスは要らないのでは?」と感じる人もいるはず。実は MAC が必要なのは、(1) 同じセグメント上の どの口 宛てかを示すため (IP は論理アドレスなので物理ポートを指せない)、(2) 付け替え ができるため経路上の各リンクの事情に合わせられるため、です。詳しくは次の節で。

MAC アドレス ── ハードウェアに刻まれた 48 ビット ID

表記と構造

MAC アドレスは 8 ビットごとに区切って 16 進で書きます (例: 1A-23-F9-CD-06-9B や 1a:23:f9:cd:06:9b)。先頭から 24 ビットがベンダを識別する OUI (Organizationally Unique Identifier) で、後半 24 ビットがそのベンダがシリアルとして自由に振る部分です。

大きな図 ② MAC アドレスのビット構造

図の見方:48 ビットを 6 バイトに分け、前 3 バイトが OUI (ベンダ ID)、後 3 バイトが シリアル。先頭バイトの 最下位 2 ビット (b0/b1) で配信種別 (ユニキャスト/マルチキャスト) と管理種別 (グローバル/ローカル) を表す。FF-FF-FF-FF-FF-FF は全ビット 1 で ブロードキャスト。

3 種類の宛先

なぜ IP に加えて MAC が要るのか

「IP アドレスだけでは世界中の機器を識別しきれない」のではなく、役割が違う から両方が要ります。IP は 論理アドレス で、ネットワーク (サブネット) の場所をエンコードしています。MAC は 物理アドレス で、特定の NIC (= 物理ポート) を一意に指します。IP は付け替え可能 (DHCP で配布される/サブネット移動で変わる) なのに対し、MAC は出荷時に固定。この組み合わせで「どこのサブネットの、どの NIC か」を 2 段階で表せるのです。

Ethernet フレーム ── 1 枚のフレームを丸ごと読む

大きな図 ③ Ethernet II フレームの全フィールド

図の見方:Ethernet II フレームは「同期 8 B → ヘッダ 14 B → データ 46〜1500 B → FCS 4 B」の順。色は機能ごとの分類で、緑=同期、桃=アドレス、黄=上位層識別、藍=データ、水色=誤り検出。

主要フィールド早見表

フレームサイズ ── 64〜1518 バイト

Ethernet 標準のフレーム本体 (ヘッダ + データ + FCS) は 最小 64 バイト・最大 1518 バイト です。最大ペイロード長を MTU (Maximum Transmission Unit) と呼び、Ethernet では 1500 バイト がデフォルト。1518 = 14 (ヘッダ) + 1500 (データ) + 4 (FCS) という算数になります。

最小 64 バイトは CSMA/CD の 衝突検出に必要な時間 (フレームを送り切る前に衝突を検出できなければならない) から決まった値です。短すぎるペイロードは パディング で 46 バイトまで膨らませます。

ジャンボフレーム

標準の MTU 1500 バイトは、衝突検出時代の制約や歴史的な経緯で決まった値です。ギガビット Ethernet 以降のスイッチ環境 では ジャンボフレーム (典型的にペイロード 9000 バイト前後) を使う運用があり、データセンタ間や大量転送 (ストレージ・バックアップ) で ヘッダオーバーヘッドの比率を下げる ことができます。ただし、経路上のすべての機器が同じ MTU をサポートしている必要があり、設定ミスはパケットドロップ・MTU ブラックホールの原因になります。対応サイズや既定値は機器や設定で異なります。

つながる知識: このフレームの中の ペイロード こそが、標準 で扱った IP データグラム です。さらにその中に TCP セグメント (標準) や UDP データグラム (標準)、HTTP メッセージ (標準) と入れ子になります。1 フレームを Wireshark で開けば、これらの階層が ヘッダの順 に剥がれて見えるはずです。

CSMA/CD と全二重 ── 「共有時代」と「スイッチ時代」

古典的な共有 Ethernet ── バス型と CSMA/CD

1980 年代までの Ethernet は 1 本の同軸ケーブル をすべての PC が共有する バス型 構成でした。同時に複数の PC が送信すると信号が 衝突 (collision) し、双方のフレームが破壊されます。これを管理する仕組みが CSMA/CD です。

図の見方:CSMA/CD は「聞いてから送る → 送りながら衝突監視 → 衝突したらジャム + バックオフ」のループ。バス型のように 1 本の媒体を共有 しているからこそ衝突が起きうる。スター型 + スイッチでは別の口同士が干渉しないのでこの仕組みは原則不要になる。

全二重と半二重

コリジョンドメインとブロードキャストドメイン

古典的なバス型 Ethernet やハブで結ばれた範囲が コリジョンドメイン ── 同時送信で衝突が起こりうる範囲です。スイッチを 1 段挟むと、各ポートが 独立したコリジョンドメイン になります (これがスイッチの大きな価値)。一方で、ブロードキャストドメイン (ブロードキャストフレームが届く範囲) は ルータでしか分割できません。スイッチはブロードキャストをそのまま転送します。

歴史的補足: 1990 年代後半までは「Ethernet ＝ CSMA/CD」と教科書で書かれていました。しかし 1Gbps 以上のスイッチ全二重環境では衝突自体が起きえないため、規格上の歴史的な説明としては残りつつも、実務では「衝突が起きないので CSMA/CD は意識しない」が標準です。

L2 スイッチの動作 ── 自己学習する転送装置

3 種類のハブ・スイッチを比較

ハブ (リピータハブ)

動作層:物理層 (L1)。受信した電気信号を全ポートに そのまま増幅して垂れ流す だけ。MAC アドレスを見ない。

• 全ポートが 1 つのコリジョンドメイン:衝突発生で速度低下
• 盗聴し放題 (どのポートにも全フレームが流れる)
• 半二重のみ。CSMA/CD が必要
• 現代では新規導入されない (歴史的遺物)

L2 スイッチ

動作層:データリンク層 (L2)。MAC アドレステーブル を持ち、宛先 MAC を見て該当ポートにのみ転送する。

• 各ポートが 独立したコリジョンドメイン:衝突なし、全二重対応
• 未知宛先・ブロードキャストは フラッディング
• 異なる L2 ネットワークは つなげない (同じサブネット内専用)
• 現代の LAN の主役

ルータ

動作層:ネットワーク層 (L3)。IP アドレス を見てルーチングテーブルから次ホップを決め、MAC ヘッダを付け替えて 転送する。

• 異なるネットワーク (サブネット) を つなぐ 装置
• ブロードキャストドメインを分割 する (デフォルトでブロードキャスト/フラッディングを通さない)
• TTL を 1 減らし、CRC・MAC を再計算
• 詳細は 標準 IP・CIDR・サブネット 参照

大きな図 ④ スイッチの自己学習プロセス (アニメーション)

下のアニメーションは、空っぽの MAC アドレステーブルを持つスイッチが、フレームを受け取るたびに 送信元を学習 し、宛先をテーブルで確認して出口ポートを決める 様子を表します。再生・一時停止・最初から再生のボタンで観察してください。

図の見方:フレームがスイッチに到着した瞬間、スイッチはまず 送信元 MAC を到着ポートに紐づけて学習し、次に 宛先 MAC をテーブルで確認して出口ポートを決める。宛先が未登録なら到着ポート以外へフラッディングし、登録済みならそのポートにだけ転送する。実機ではこのテーブルに エージング (一定時間で自動消去。時間は機種・設定依存) がある。

順を追って:学習のステップ

1. 初期状態: MAC アドレステーブルは空。
2. A → B のフレームが到着: スイッチは送信元 MAC = AA を入ってきた P1 と紐づけて記録。宛先 MAC = BB はテーブルに 無い ので、到着ポート (P1) 以外の全ポート にフラッディング。
3. B が応答 (B → A): 送信元 MAC = BB を P2 と紐づけて記録。宛先 MAC = AA は すでに知っている ので、P1 にだけフォワーディング (これでフラッディングは止む)。
4. D → C のフレーム到着: 送信元 MAC = DD を P4 と紐づけて記録。宛先 MAC = CC は未知なのでフラッディング。応答で CC も P3 として学習される。
5. その後: テーブルは {AA→P1, BB→P2, CC→P3, DD→P4} で安定。以降は 常にユニキャスト転送 となり、無駄な帯域消費がなくなる。

スイッチとブリッジの違い (歴史的)

機能的には同じ 「MAC を見てフレームを転送する L2 装置」 ですが、歴史と接続形態が違います。ブリッジ は 1980 年代に登場した 2 ポート程度 の装置で、ソフトウェアで MAC を学習・転送していました。スイッチ (スイッチングハブ) はその後継で、多ポート + ASIC によるハードウェア高速化で、現代の LAN の中心になっています。「ブリッジを多ポート化したのがスイッチ」と覚えてかまいません。

つながる知識: 同じ L2 ネットワーク内に ループ (スイッチ間に冗長経路) があると、フラッディングしたフレームが永久に巡回して ブロードキャストストーム を起こします。これを防ぐ STP (Spanning Tree Protocol) は 発展 VLAN(802.1Q・トランク) で扱います。

ARP ── IP アドレスから MAC を引く 2 段階の通信

ARP リクエストとリプライをステップで歩く

図の見方:① リクエストは全員に飛ぶブロードキャスト、③ リプライは本人 → 質問者の 1:1 ユニキャスト。⑤ で実フレームの送信が初めて成立する。「ARP は通信の前準備」 と覚えるとよい。

サブネット越え: 宛先 IP の MAC ではなくゲートウェイの MAC を ARP する

「世界中どこへでも届く IP」とは違って、ARP の問い合わせ範囲は 同じセグメントのみ です。なぜならブロードキャストはルータで止まるからです。では、サブネット外への通信ではどうするのでしょうか?

• 送信側ホストは IP アドレス + サブネットマスクで「相手は同じサブネットか?」を判定
• 同じサブネット → 相手の IP を ARP
• 違うサブネット → デフォルトゲートウェイ (= 自セグメントのルータ) の IP を ARP

結果として、フレームの 宛先 MAC はゲートウェイの MAC、宛先 IP は最終目的地の IP という組み合わせで送出されます。ルータはこのフレームを受け取り、IP ヘッダの宛先を見て次ホップを決め、新しい MAC ヘッダを付け替えて 送り直します (1 節で見たリレーの仕組み)。

ARP キャッシュをのぞく

考えてみよう: IPv6 では ARP が無くなり、代わりに ICMPv6 上の 近隣探索プロトコル (NDP: Neighbor Discovery Protocol) がブロードキャストではなく マルチキャスト で同等の機能を実現しています。「ブロードキャストは無駄が多い」を避けるための再設計です。

発展へ ── ARP のセキュリティ

標準編で覚えること: ARP は 同じセグメント内で IP→MAC を解決する前準備。セキュリティ面では「嘘の ARP を信じると問題になる」(ARP スプーフィング)という認識を持ち、対策(静的 ARP、Dynamic ARP Inspection、ポートセキュリティ等)は実機運用で都度学んでください。

まとめと用語チェック

本講の要点 5 つ

• リンク層は 同じセグメント内・隣接ノード間 の転送を担当。MAC ヘッダは 1 ホップごとに付け替えられる
• MAC アドレスは 48 ビット (OUI 24 + シリアル 24)。FF-FF-FF-FF-FF-FF はブロードキャスト
• Ethernet II フレーム = プリアンブル+SFD(8B) / 宛先MAC(6) / 送信元MAC(6) / EtherType(2) / ペイロード(46〜1500) / FCS(4)、本体 64〜1518 B
• L2 スイッチは 送信元 MAC からの自己学習 + 宛先 MAC でのフォワーディング/フラッディング。コリジョンドメインを分割する
• ARP は同セグメントで ブロードキャストで質問 → 本人がユニキャストで応答。サブネット外宛は ゲートウェイの MAC を解決する。ARP セキュリティは発展編で扱う

用語チェック

確認問題