Ethernet のフレームフォーマットと各領域の説明
こんにちは、ひらたつです。
IT 業界に転職してきてから1年が経とうとしています。
この1年はあっという間で、さまざまなことを学びました。
Windows Server、Linux、Active Directory、FortiGate、VMware、ネットワーク全般、ISMS 活動、などです。
この中で特に感動したのがネットワーク技術でした。
日ごろ友人と連絡を取ったり、調べごとをしたり、動画を見たり、と何気なく使っているインターネットですが、知れば知るほど実に奥が深い技術だと感じました。
ネットワークについてより知りたいと思っていた時にネットワークスペシャリスト試験のことを知り、せっかくなら資格を取ってみようと思い立ち勉強に取り組み始めました。
資格の勉強にあたり、本を読んでインプットすることも大切ですが加えてアウトプットするとより理解が深まります。
そこで、「自分の理解を深めるため」＋「同じようにネットワークスペシャリストを目指している方のため」、学んだことを記事として整理していこうと思います。
まず第1回は Ethernet のフレームフォーマット についてです。
フレームフォーマットの前に
OSI 参照モデルでの Ethernet の立ち位置
Ethernet のフレームフォーマットの詳細の前に、OSI 参照モデルでの Ethernet の立ち位置を把握しておきます。
まず、OSI 参照モデルの復習として、OSI 参照モデルの階層構造と各階層の役割、各階層に対応する物理的なイメージを下図にまとめています。
OSI 参照モデル
Ethernet はこの物理層・データリンク層に対応します。
また、下図のように上位層から下位層に向かってデータが渡され、伝送路上を伝達していきます。
データの流れ
より詳細には、第4層で セグメント が作成され、第3層でセグメントに IP ヘッダーが付き パケット になり、第2層でパケットに Ethernet ヘッダーとフッタが付き フレーム になります。
データの流れ（詳細）
従って、Ethernet のフレームは、第2層で扱われるものになります。
Ethernet の種類
「Ethernet フレーム」と言っても、Ethernet フレームを規定している規格には大きく以下の2つがあります。
- Ethernet Ⅱ (DIX 規格 Ethernet)
- IEEE 802.3
Ethernet Ⅱ は DIX (Xerox 社・Intel 社・DEC 社 (現 Hewlett Packard 社) の3社) が策定した規格で、IEEE 802.3 は標準規格を策定することを目指して IEEE 802 委員会が制定したものです。
Ethernetフレームタイプ番号一覧 を参照させていただくと、以下の使い分けがされているようです。
- TCP/IP 向け：Ethernet Ⅱ
- Netware、Netbios 向け：IEEE 802.3
上記のような違いがあるので、OSI 参照モデルとの関係も少し異なります。
「OSI 参照モデルでの Ethernet の立ち位置」章で、Ethernet は物理層・データリンク層に対応すると記載しましたが、厳密には Ethernet の規格で対応関係が異なります。
OSI 参照モデルとプロトコルの関係
Ethernet Ⅱ は物理層・データリンク層を規格化した仕様です。
IEEE 802.3 はデータリンク層を LLC (Logical Link Control) 副層と MAC (Media Access Control) 副層の2つに分け、物理層・MAC 副層の仕様を規格化しています。
LLC 副層は IEEE802.2 で規格化されており、CSMA/CD 以外の伝送方法を規定しています。
上記の違いがあるので、フレームフォーマットも異なります。
以降の章で確認しましょう。
なぜ IEEE802.2 と IEEE802.3 の2つに分かれているのか
IEEE802.2 はイーサネット (IEEE802.3) 以外の物理層の違いを吸収するために作成されています。
IEEE802 委員会ではイーサネット (IEEE802.3) 以外にも、トークンバス (IEEE802.4) やトークンリング (IEEE802.5)、無線 LAN (IEEE802.11) などの物理層のプロトコルも策定されています。
データリンク層より上の階層でこれらの違いを意識しなくて良いように IEEE802.2 で LLC (Logical Link Control) 副層が定義されています。
IEEE802.2 とその他のプロトコルの関係
フレームフォーマットと各領域の説明
各規格のフレームフォーマット
Ethernet Ⅱ
Ethernet Ⅱ のフレームフォーマット
IEEE802.3
IEEE802.3 のフレームフォーマット
各領域の説明
MAC アドレスは良く説明がありご存じの方も多いと思うので、それ以外のプリアンブルとタイプ、FCS について整理します。
プリアンブル
端末間の同期を取るために、プリアンブルを使ってフレームの始まりを表します。
具体的にプリアンブルの中身は以下です。
10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101010 10101011
(0xAAAAAAAAAAAAAAAB)
最後に 11 を続けることで、フレームの始まりを表しています。
※ プリアンブルは物理層で破棄されるため、厳密には フレームの定義には含まれない ようです。
「ネスペの基礎力」でも「マスタリングTCP/IP」でもフレームにはプリアンブルが含まれておらず、なぜだろうと思っていましたがこのような事情がありました。
タイプ
データ領域部にどのようなタイプ (プロトコル) のデータが入っているかを示します。
ここに入る値としては以下があります。
| タイプ番号 (16進数) | プロトコル |
|---|---|
| 0000-05DC | IEEE802.3 Length Field |
| 0101-01FF | 実験用 |
| 0800 | IPv4 |
| 0806 | Address Resolution Protocol ( ARP ) |
| 8035 | Reverse Address Resolution Protocol ( RARP ) |
| 8100 | Customer VLAN Tag Type |
| 814C | SNMP over Ethernet |
| 8191 | NetBIOS/NetBEUI |
| 86DD | IP version 6 ( IPv6 ) |
| 8863 | PPPoE Discovery Stage |
| 8864 | PPPoE Session Stage |
| 8906 | Fibre Channel over Ethernet (FCoE) |
| 9000 | Loopback ( Configuration Test Protocol ) |
【参考】VLAN が入る場合
VLAN が入る場合、フレームは以下となります。
VLAN のフレームフォーマット
VLAN のフレームはタイプの前に入るので、タイプに VLAN を表す信号を入れても読み取れません。
従って、VLAN フレームでは TPID に VLAN を表す 0x8100 が入ります。
その他の項目については別の記事で整理できたらと思います。
※ 0x8100 は 2013年の10月に RFC7042 で規定されたみたいです。
FCS (Frame Check Sequence)
名前の通り、フレームが壊れていないかチェックする領域です。
フレームが壊れていると判断されれば、フレーム自体が破棄されます。
FCS アルゴリズムとして良く用いられるのが CRC (Cyclic Redundancy Check、巡回冗長検査) だそうです。
最後に
勉強した知識を整理しようと思い、まずは Ethernet フレームフォーマットについてまとめてみました。
まとめる中で、やはり自分の理解が浅かったりあいまいに理解している部分があると分かりました。
アウトプットすることは大切だと再認識できました。
これからも勉強した内容を共有できたらと思います。
では、次の記事でお会いしましょう。
