イーサネットとは?LAN技術の歴史・規格・仕組みを徹底解説

イーサネットは、数十年にわたり、比較的安価で十分に高速、そして非常に人気のあるLAN(ローカルエリアネットワーク)技術として実績を積み重ねてきたプロトコルです。本記事では、イーサネットの歴史、技術的な仕組み、規格の種類について詳しく解説します。

イーサネットの歴史

イーサネットは1972年から、エンジニアのボブ・メットカルフ(Bob Metcalfe)とD.R.ボッグス(D.R. Boggs)によって開発が始まりました。彼らの研究成果をもとに、1980年にIEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers:米国電気電子学会)の802.3規格として業界標準が確立されました。イーサネットの仕様では、低レベルのデータ伝送プロトコルや、NIC(ネットワークカード)やケーブルといった製品を製造するために必要な技術的詳細が定義されています。

その後もイーサネット技術は進化と成熟を続けてきました。現在では、市販のイーサネット製品が設計どおりに動作し、相互に問題なく接続できることが当たり前になっています。

イーサネットの技術

従来のイーサネットは、毎秒10メガビット(Mbps)のデータ転送速度をサポートしていました。ネットワークの性能要件が時間とともに高まるにつれ、業界はファストイーサネット(Fast Ethernet)やギガビットイーサネット(Gigabit Ethernet)といった追加の規格を策定してきました。

ファストイーサネットは従来のイーサネットの性能を最大100Mbpsまで拡張し、ギガビットイーサネットは最大1,000Mbpsを実現します。さらに10ギガビットイーサネット(10,000Mbps)は、一般消費者向けには提供されていないものの、一部の企業、データセンター、Internet2などのネットワークを支えています。ただし一般的には導入コストが高いため、広く普及するには至っていません。

イーサネットケーブルと接続方法

イーサネットケーブルも複数の標準仕様に沿って製造されています。最も広く使われているカテゴリー5(CAT5)ケーブルは、従来型イーサネットとファストイーサネットの両方に対応し、カテゴリー5e(CAT5e)およびCAT6ケーブルはギガビットイーサネットに対応しています。

イーサネットケーブルをコンピューターやその他のネットワーク機器に接続するには、機器のイーサネットポートにケーブルを差し込みます。イーサネット非対応の機器でも、USB-Ethernet変換アダプターなどのドングルを使えば接続できる場合があります。イーサネットケーブルのコネクターは、従来の電話線で使われるRJ-45コネクターに似た形状をしています。

OSI参照モデルにおいて、イーサネット技術は物理層(第1層)とデータリンク層(第2層)で動作します。また、TCP/IPをはじめとする主要なネットワークプロトコルや上位層プロトコルをすべてサポートしています。

イーサネットの種類

10Base5(Thicknet)は、イーサネット技術の最初の形態です。1980年代に業界で使用されていましたが、後に登場した10Base2(Thinnet)に取って代わられました。Thicknetと比べ、Thinnetはケーブルが細く(直径5mm対10mm)、柔軟性も高いという利点があり、オフィスビルへの配線が格段に容易になりました。

しかし、従来型イーサネットとして最も一般的だったのは10Base-Tです。10Base-Tは同軸ケーブルではなくシールドなしツイストペア(UTP)配線を使用するため、ThicknetやThinnetよりも優れた電気的特性を備えています。また、光ファイバーケーブルなどの代替手段と比べてもコストパフォーマンスに優れています。

このほかにも、光ファイバーネットワーク向けの10Base-FL、10Base-FB、10Base-FP、ブロードバンド(ケーブルテレビ)配線向けの10Broad36など、あまり知られていない規格も存在します。ただし、ファストイーサネットとギガビットイーサネットの登場により、10Base-Tを含むこれらの従来型規格はすべて旧式化しました。

ファストイーサネットの詳細

1990年代半ば、ファストイーサネット技術が成熟し、既存のイーサネットネットワークを完全に再配線することなく従来のイーサネットの性能を向上させるという設計目標を達成しました。

ファストイーサネットには主に2つの方式があります。

• 100Base-T(シールドなしツイストペアケーブルを使用)
• 100Base-FX(光ファイバーケーブルを使用)

最も普及しているのは100Base-Tで、この規格には100Base-TX(カテゴリー5 UTP)、100Base-T2(カテゴリー3以上のUTP)、100Base-T4(100Base-T2の配線に2組の追加ワイヤペアを加えたもの)が含まれます。

ギガビットイーサネットの詳細

ファストイーサネットが従来のイーサネットを10Mbpsから100Mbpsへと高速化したのに対し、ギガビットイーサネットはファストイーサネットをさらに上回る1,000Mbps(1Gbps)の速度を提供します。当初は光ケーブルや銅線ケーブルでの伝送が中心でしたが、現在では1000Base-T規格でもサポートされています。1000Base-Tは100Mbpsイーサネットと同様にカテゴリー5ケーブルを使用できますが、ギガビット速度を実現するには追加のワイヤペアを使用する必要があります。

イーサネットのトポロジーとプロトコル

従来のイーサネットはバス型トポロジーを採用しており、ネットワーク上のすべてのデバイス(ホスト)が同じ共有通信回線を使用します。各デバイスはMACアドレスとも呼ばれるイーサネットアドレスを持っており、送信側デバイスはこのアドレスを使ってメッセージの宛先を指定します。

イーサネット上で送信されるデータは「フレーム」という形式で扱われます。イーサネットフレームはヘッダー、データ部、フッターで構成され、合計長は1,518バイト以下です。ヘッダーには宛先と送信元の両方のアドレスが含まれています。

イーサネット上で送信されたデータは、ネットワーク上のすべてのデバイスに自動的にブロードキャストされます。各イーサネットデバイスは、フレームヘッダー内のアドレスと自身のイーサネットアドレスを照合して、そのフレームが自分宛てかどうかを判断し、必要に応じて読み取るか破棄します。この機能はネットワークアダプターのハードウェアに組み込まれています。

イーサネットネットワーク上で送信したいデバイスは、まず通信媒体が利用可能かどうか、あるいは他の通信が進行中かどうかを事前に確認します。利用可能であれば送信を行います。しかし、2台のデバイスがほぼ同時にこのチェックを行い、同時に送信してしまう可能性があります。

イーサネット規格は、性能とのトレードオフとして、意図的に同時送信を防止しない設計になっています。このような「衝突(コリジョン)」が発生すると、両方の送信が失敗し、両方の送信デバイスが再送信する必要があります。イーサネットはランダムな遅延時間に基づくアルゴリズムを使って、再送信までの適切な待ち時間を決定します。このアルゴリズムもネットワークアダプターに実装されています。

従来のイーサネットにおける、このブロードキャスト、リスニング、衝突検出の一連のプロトコルはCSMA/CD(搬送波感知多重アクセス/衝突検出)と呼ばれます。一方、新しい世代のイーサネットの中にはCSMA/CDを使用しないものもあります。それらは全二重(full-duplex)イーサネットプロトコルを採用しており、リスニング不要でポイントツーポイントの同時送受信をサポートします。

イーサネット機器の種類

イーサネットケーブルには到達距離の制限があり、その距離(最短100m程度)では中〜大規模なネットワーク構築には不十分です。イーサネットネットワーキングにおけるリピーター(repeater)を使うと、複数のケーブルを接続してより長い距離をカバーできます。ブリッジ(bridge)デバイスを使うと、イーサネットを無線ネットワークなど異なる種類のネットワークと接続できます。リピーター機器の代表例がイーサネットハブ(hub)です。ハブと混同されやすい機器に、スイッチ(switch)やルーター(router)があります。

イーサネットネットワークアダプターにもさまざまな形式があります。コンピューターやゲーム機には内蔵のイーサネットアダプターが搭載されており、USB-Ethernet変換アダプターや無線イーサネットアダプターも多くの機器で利用できます。

まとめ

イーサネットはインターネットを支える重要な技術の一つです。長い歴史を持つにもかかわらず、今なお世界中の多くのローカルエリアネットワークを支え続けており、将来の高性能ネットワーキングの需要に応えるべく絶えず進化を続けています。