Ethernetフレームとは何か

Ethernetは、パソコンやスイッチなどを有線LANで接続するときに広く使われている通信方式です。

パソコンが別の機器へデータを送るときは、送りたいデータの前後に情報を追加します。 その完成した単位がEthernetフレームです。

手紙に置き換えると、Ethernetフレームは 封筒に宛先と差出人を書き、中へ手紙を入れた状態 に似ています。

データがEthernetフレームになるまで

前回の記事では、TCP/IPモデルには複数の階層があることを学びました。

Webブラウザなどが作成したデータは、上位の層から下位の層へ渡されるたびに、 通信に必要な情報が追加されます。

Ethernetフレームのデータ部分には、一般的にIPパケットが入ります。

つまり、IPパケットがEthernetフレームという入れ物に包まれて、 LANケーブルなどを通って送信されます。

フレーム・パケット・セグメントの違い

Ethernetフレームの基本構造

Ethernet通信では、実際にはフレームの前に プリアンブルとSFDも送信されます。

Ethernetフレームの各フィールド

1．プリアンブル

プリアンブルは7バイトの情報で、フレーム本体の前に送信されます。

受信側に対して「これからデータを送ります」と知らせ、 送信側と受信側のタイミングを合わせるために使われます。

2．SFD

SFDは、Start Frame Delimiterの略です。

1バイトの情報で、プリアンブルの終わりと Ethernetフレーム本体の開始位置を示します。

プリアンブルとSFDは通信に必要ですが、 通常はフレームの各フィールドを学ぶ際に簡略化して省略されることもあります。

3．宛先MACアドレス

宛先MACアドレスは6バイトで、 このフレームをどの機器へ届けるのかを示します。

スイッチはこの宛先MACアドレスを確認し、 どのポートからフレームを転送するかを判断します。

次の記事で学ぶARPでは、通信相手のMACアドレスが分からないときに、 ブロードキャストフレームを利用して問い合わせます。

4．送信元MACアドレス

送信元MACアドレスも6バイトで、 どの機器がフレームを送信したのかを示します。

スイッチは受信したフレームの送信元MACアドレスを確認し、 「このMACアドレスの機器は、このポートの先にある」と学習します。

5．EtherType

EtherTypeは2バイトで、 Ethernetフレームのデータ部分に何が入っているのかを示します。

受信側はEtherTypeを確認することで、 データ部分をIPv4、ARP、IPv6などのどの処理へ渡すべきか判断できます。

6．データ

データ部分には、実際に運びたい情報が入ります。

TCP/IP通信では、多くの場合、 IPヘッダーやTCPヘッダーを含んだIPパケットが格納されます。

7．パディング

Ethernetフレームのデータ部分は、最小46バイト必要です。

運びたいデータが46バイトより小さい場合は、 不足分を埋めるためにパディングと呼ばれるデータを追加します。

8．FCS

FCSは、Frame Check Sequenceの略です。

フレームが通信中に壊れていないかを確認するための4バイトの情報です。 送信側はフレームの内容から確認用の値を計算し、FCSとして付加します。

受信側も同じ方法で値を計算し、受信したFCSと比較します。 値が一致しなければ、通信途中でデータが変化した可能性があります。

Ethernetフレームのサイズ

一般的なEthernet IIフレームは、次のサイズで送信されます。

最小サイズは64バイト

データ部分が46バイトの場合、合計は次のようになります。

最大サイズは1,518バイト

データ部分が最大の1,500バイトの場合は、次のようになります。

1,514バイトと表示されることがある理由

パケットキャプチャーや機器の表示では、 Ethernetフレームが1,514バイトと表示されることがあります。

これは、ネットワークインターフェースがFCSを取り除いてから OSやキャプチャーソフトへ渡す場合があるためです。

MTUとの関係

MTUは、1回の通信で運べる上位層のデータサイズを表す値です。

一般的なEthernetのMTUは1,500バイトです。 これはEthernetフレーム全体のサイズではなく、 Ethernetフレームのデータ部分へ格納できるIPパケットの最大サイズ を指します。

スイッチはフレームをどう処理するのか

スイッチは、Ethernetフレームに含まれるMACアドレスを使って、 フレームの転送先を判断します。

1. PC-Aがフレームを送信する 送信元MACアドレスにはPC-A、宛先MACアドレスにはPC-BのMACアドレスが入ります。
2. スイッチが送信元MACアドレスを学習する スイッチは、PC-AのMACアドレスがフレームを受信したポートの先にあると記録します。
3. スイッチが宛先MACアドレスを確認する MACアドレステーブルを調べ、PC-Bが接続されているポートを探します。
4. 該当ポートからフレームを転送する PC-Bが接続されているポートからフレームを送信します。
5. PC-Bがフレームを受信する PC-Bは宛先MACアドレスが自分のMACアドレスと一致するため、データを受け取ります。

宛先MACアドレスが未学習の場合

スイッチのMACアドレステーブルに宛先MACアドレスが登録されていない場合、 スイッチは転送先を特定できません。

この場合、フレームを受信したポート以外の同じLAN内のポートへ フレームを転送します。 この動作をフラッディングと呼びます。

スイッチが確認する情報

ルーターを越えるとフレームはどうなるのか

Ethernetフレームは、基本的に1つのLAN区間で使われます。

宛先が別のネットワークにある場合、 パソコンは最終的な通信相手のMACアドレスではなく、 デフォルトゲートウェイであるルーターのMACアドレス を宛先MACアドレスに設定します。

1. PC-Aがルーター宛てのフレームを作る 宛先MACアドレスには、デフォルトゲートウェイのMACアドレスを設定します。
2. ルーターがフレームを受信する ルーターはEthernetヘッダーとFCSを取り外し、中のIPパケットを確認します。
3. ルーターが宛先IPアドレスを確認する ルーティングテーブルを使って、次に転送する経路を判断します。
4. ルーターが新しいフレームを作る 次のLAN区間で使用する送信元MACアドレスと宛先MACアドレスを設定します。
5. 新しいフレームを送信する IPパケットを新しいEthernetフレームへ入れて、次の機器へ送信します。

VLANタグ付きEthernetフレーム

スイッチ間で複数のVLANを運ぶ場合などは、 EthernetフレームへVLAN情報を追加することがあります。

IEEE 802.1Qでは、送信元MACアドレスとEtherTypeの間へ 4バイトのVLANタグを挿入します。

VLANタグが4バイト追加されるため、 一般的なタグ付きEthernetフレームの最大サイズは 1,522バイトになります。

Wiresharkで確認するときのポイント

Wiresharkなどのパケットキャプチャーソフトを使うと、 Ethernetフレームの内容を確認できます。

表示される項目名は環境や通信によって異なりますが、 最初は次の部分を確認しましょう。

Ethernetフレームに関するよくある勘違い

自分の言葉で説明する課題

最後に、次の質問へ自分の言葉で答えてください。