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Ethernet


Ethernet(イーサネット)は、1970年代前半に米Xerox社の研究所で、現在見られるようなオフィス環境を目指す分散ネットワーク体系の一部として開発され誕生したLANの方式で、その名前は、古代に想像されていた光や電磁波を伝達する媒体の"エーテル"(ether)に由来しています。

 

正式仕様は、DEC社、Intel社、Xerox社が共同でまとめ公開したことから、業界標準として急速に普及しました。また、その後わずかに仕様が拡張され、米国の工業規格IEEE802.3に採用されたため、現在の市販機器はこれに従って作られています。今やEthernetは大変ポピュラーになり、一般の家庭から、オフィス、工場などあらゆる情報伝達の分野で使われています。Ethernetを使用したフィールドネットワークとして、Modbus/TCP、EtherNet/IP、EtherCAT、PROFINETがあります。

 

 

Ethernetの概要

Ethernet(イーサネット)では、原理的には1本のケーブル上に、それぞれアダプタを内蔵する多数のコンピュータが接続されます。1つが情報を送信すると、他の全てのコンピュータのアダプタが受信して、それぞれ自分宛てならコンピュータに取込み、他宛てなら捨てます。複数のコンピュータが同時に送信を始めると混信が起きるため、各送信側では次のような方式が採られています。

 

 1.送信者は、ケーブル上の信号(キャリア)を見て、他からの信号が流れていないのを確認してから送信を始める。
 2.送信中も、波形により他からの送信と衝突していないかどうかを監視する。もしも衝突している場合には、一定量の送信の後中断して、それぞれの送信者ごとに異なる、乱数によるランダムな時間を置いた後、1.からやり直します。


この方式をCSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)と言います。

 

 

通信スピード  

通信スピードとしては当初は10Mbpsのみでしたが、最近ではそれに加え100Mbps、さらには1Gbpsが普及しつつあります。

 

 

ケーブル規格  

Ethernetではケーブル規格として、10BASE5、10BASE2、10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-TXなどを採用しています。

 

先頭の頭文字は最大伝送速度を示し、例えば10の場合は10Mbpsであることを意味します。BASEはデジタル通信であるベースバンドを意味しています。5や2は最大伝送距離で、5は500mの略で、2は200m(正確には185m)です。-Tが付く場合は、伝送距離ではなく、ケーブル内で2線ずつ撚りあわせたツイストペア線が使われていることを意味します。

 

 

表1 Ethernetケーブル規格

  10BASE5 10BASE2 10BASE-T 100BASE-T 1000BASE-T
最大伝送距離 500m 185m 100m 100m 100m
最大伝送速度 10Mbps 10Mbps 10Mbps 100Mbps 1Gbps
ケーブル種 同軸 同軸 UTP、STP UTP、STP UTP、STP
コネクタ AUI BNC RJ45 RJ45 RJ45

 

 

以前は、10BASE5は太い同軸ケーブルで、黄色に着色されていたためイエローケーブルと呼ばれていました。最近は、工事の容易性から、端末へモジュラ端子(RJ45)で接続できるツイストペア線方式が主流になっています。以上のケーブルの規格を表1に示します。

 

なお、ツイストペア線の場合には、通常4〜16ポートをもつHUB(ハブ)と呼ばれる一種のリピータから、各コンピュータに放射状に配線されます。また、複数のHUBをつなげたり、HUBを基幹の同軸ケーブルにつなぐこともできます。

 

 

アドレス  

Ethernetは、オフィス環境でのネットワークを想定していたため、1台の故障が全体に影響を与えないこと、またオンラインのままで脱着や増設ができる柔軟性について配慮されています。各アダプタには、IEEEとベンダで管理された、世界でただ1つの48ビットアドレスが割り当てられているため、アドレスを設定、変更することなく何処のLANに差し込んでも、そのまま使用することができます。加えて、アダプタは複数のグループアドレスも持つことができ、特定のグループに属する全アダプタ宛てに送信することができます。

 

Ethernetの上には、TCP/IP、UDP/IPを始めとする各種のプロトコルが同居して流れます。以下に簡単に説明します。

 

 

TCPとUDP 

TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)はインターネットやイントラネット上で広く利用されている通信プロトコルの一種です。その起源となったのは、1969年に米国の研究機関や大学を集めた広域ネットワーク用に開発されたARPANETと呼ばれるプロトコルです。その後、研究グループにより改良や標準化が進められ、1975年にはTCP/IPとしての基本的な仕様が確定しました。1983年にはUNIXシステムに搭載され、本格的な運用が始まりました。

 

 

TCP/IPのプロトコル  

コンピュータ同士が通信を行う場合の各種の「取決め事」を通信プロトコルといいます。それらの「取決め事」は通信における役割の内容によって分割、階層化されており、その国際標準モデルが、ISOの提唱する「OSI(Open Sytem Interconnection)参照モデル」です(表2参照)。OSI参照モデルは通信プロトコルを理解するための良い雛形となります。TCP/IPのプロトコルもOSIの参照モデルと同じような考え方で階層化されていますが、OSI参照モデルでは7層に分かれていたプロトコルをTCP/IPでは5層もしくは4層に分けて考えることが一般的になっています(表2参照)。

 

 

表2 OSI参照モデルとTCP/IPプロトコルモデル

  OSI参照モデル
(7階層モデル)
TCP/IPモデル
(4階層)
TCP/IPモデル
(5階層)
第7層 アプリ
ケーション層
どのような通信サービスを行い、何を実現するか?
(アプリケーションの種類に関する規定)
アプリ
ケーション層
アプリ
ケーション層
第6層 プレゼン
テーション層
どのような表現形式で送るのか?
(データの種類や送信ビット数に関する規定)
第5層 セッション層 どのような対話モードで送るのか?
(通信モードや同期方式に関する規定)
第4層 トランス
ポート層
相手に正確に届いたかどうかの確認方法は?
(送受信確認やアプリケーションの識別に関する規定)
トランスポート層
(TCP/UDP層)
トランスポート層
(TCP/UDP層)
第3層 ネット
ワーク層
相手の識別アドレスは?通信網をどう使うのか?
(通信経路の選択や識別アドレスに関する規定)
インターネット層
(IP層)
インターネット層
(IP層)
第2層 データ
リンク層
伝送路の確保と端末の識別方法は?
(通信路の確保やエラー訂正に関する規定)
ネットワーク
インタフェース層
データリンク層
(MAC層)
第1層 物理層 伝送路に情報を送る媒体、方法は?
(物理的な回線や機器類、電気信号に関する規定)
物理層

 

 

そして、TCP/IPはOSI参照モデルのトランスポート層に相当するTCP(またはUDP)、およびネットワーク層に相当するIPの2層を中核として構成されています。

 

 

TCPとUDPの違い  

コンピュータ同士の通信では、送信側から送られたデータが受信側へ伝達される際に、〈データの損傷〉、〈消失〉、〈重複や遅延〉、〈到着順序のずれ〉などを考慮する必要があります。これらの項目をチェックし、もし検出された場合は自動的に補正することによって、通信の信頼性が確保できます。TCPはデータ通信の際にこのような役割を担い、確固たる信頼性と伝達保証性を提供しています。なお、TCPでは、データ伝達保証性を重視して、エラーチェックや再送要求などの手続きが増えるために、「高速にデータを届ける」という点において、その性能に制約を受けます。そこで、TCPの伝達保証性を省略し、代わりに高速性を重視したプロトコルとして利用されているのがUDP(User Datagram Protocol)です。

 

UDPでは、送受信確認や再送要求といった伝達保証機能が提供されていないため、TCPに比較してやや信頼性に乏しくなります。しかし、実際には、UDPの上位層であるアプリケーション層にユーザが独自に工夫をして、実用上充分な信頼性を実現しています。ただし最近は、ネットワークの物理層として高速のEthernet(100Mbps)が普及してきたことやパソコンの処理スピードも著しく向上したため、TCPでも相当な高速性が実現できるようになっています。そのため、オートメーションの制御BusにもTCPが用いられるようになってきました。

 

 

参考文献 

池田冬彦 他 エーアイ出版社「図解でわかるTCP/IP基本の基本」

 

 

●関連リンク(Ethernet上で動作するネットワーク):
 ・Modbus/TCP(モドバス ティーシーピー)
 ・EtherNet/IP(イーサネット アイピー)
 ・EtherCAT(イーサキャット)

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