今回はレイヤ2の話です。
レイヤ2と一口に言ってもPPPやHDLCやADCCP等多数のデータリンクプロトコルがありますが、まずはなんといってもイーサネットに関しての理解が必要です。
MACアドレス
レイヤ2において色々と理解すべきことはありますが、まずは何と言っても「MACアドレス」を理解しなくてはいけません。大げさに言えば、私はMACアドレス、レイヤ2の概念をきちんと理解しているかどうかが素人とプロのまず大きな違いだと思っています。そのくらい重要です。
昨今ではTCP/IPが全盛なので、「コンピューターはIPアドレスを持っていて、IPアドレスを住所のように使って通信している」という理解をしている人が多いですし、確かにそれは間違いではありません。ですが、それはレイヤ3を考えた時の話です。レイヤ2で同じようなレベルで理解をするならば「NICはMACアドレスを持っていて、MACアドレスを住所のように使って通信している」ということになります。
「NIC」というのは「Network Interface Card」の略で「LANカード」などとも言われます。このNICに、MACアドレスというものが指定されているわけです。
MACアドレスを確認する
「IPアドレスは設定したことあるけど、MACアドレスなんて設定したことないよ?」という人も多いと思います。まずは自分が今使っているコンピューター(についているNIC)のMACアドレスを確認してみましょう。
コマンドプロンプトで「ipconfig /all」を実行してみてください。
「Physical Address. . . . . . . . . : XX-XX-XX-XX-XX-XX」という行があります。これがMACアドレスです。上の例だと「00-0F-B5-8E-0B-54」ですね。
このMACアドレスはメーカーが工場でNICを生産する際に埋め込みます。ですので基本的に私たちが設定するものではありません。(例外はありますがまずはこの理解でいいでしょう。)
MACアドレスからベンダーを調べる
このMACアドレスは重複しないようにメーカーごとに割り当てることができる範囲が決まっています。ですので、MACアドレスを見ればどのメーカーのNICなのかわかるようになっています。具体的にはMACアドレスの先頭24ビットがベンダーをあらわしています。具体的には以下のようなサイトで調べることができます。
サイトに行って「Search the public OUI listing . . .」という項目に自分のNICのMACアドレスの先頭24ビットの値を入力して「Search!」して見ましょう。
上の例であれば「00-0F-B5」というのは「NETGEAR Inc」のNICであることがわかります。
フレームの構造
レイヤ2のレベルで考えたときには宛先、送信元にMACアドレスが入力され、Ethernetに電気信号として伝えられます。これの塊をレイヤ2では「フレーム」と呼びます。「フレーム」は以下のような構造をしています。
「プリアンブル」「タイプ」「FCS」などの理解はとりあえず後回しで大丈夫です。重要なのは「宛先MACアドレス」と「送信元MACアドレス」です。
原則としてEthernetでは全てのフレームが全てのコンピューターに届けられます。レイヤ1レベルではただの電気信号なので繋がっている全てのコンピューターまで届くわけです。NICはフレーム内の宛先MACアドレスが自分のMACアドレスと等しいかを確認し、自分宛のものであれば上位の層(具体的にはレイヤ3)にデータを渡す、という動きをします。(※例外あり、後述)
どうやって通信相手のMACアドレスを知るのか
では、何か通信をしたい時、送信元MACアドレスには自分が知っている自分自身のMACアドレスを入れればいいとして、宛先MACアドレスはどうしたらいいでしょうか?どうしたらわかるでしょうか?
たとえばpingを考えてみましょう。「ping x.x.x.x」という形でコマンドを打つときには、宛先のipアドレスはコマンドを打つ人が入力してくれますが、このときにMACアドレスを入力するということはしません。
ですので、IPアドレスからMACアドレスを知る仕組みが必要になるわけです。NICの気持ちになって考えてみると「x.x.x.xのIPアドレスを持っている人MACアドレス教えて」という事をネットワークに流せばよさそうです。そしてMACアドレスを教えてもらう。このやり取りをARP(Address Resolution Protocol)と言います。
ARPは正確にはレイヤ3に属するプロトコルなのですがレイヤ2のMACアドレスを理解するために重要なのでここで登場してもらいました。
ブロードキャスト
ところで、「x.x.x.xのIPアドレスを持っている人MACアドレス教えて」という時には宛先MACアドレスには何を入れればいいでしょうか?宛先MACアドレスを知るための通信をするときの宛先MACアドレスです。
なかなか難しいですが、正解は「全員宛て」です。全員に通信を受け取ってもらって、受けとったコンピューターのうち、x.x.x.xのIPアドレスを持っているコンピューターからのみ返事をもらえればいいわけです。
このような「全員宛て」という意味で「FF-FF-FF-FF-FF-FF」というMACアドレスが使われます。先ほど「NICはフレーム内の宛先MACアドレスが自分のMACアドレスと等しいかを確認し、自分宛のものであれば上位の層(具体的にはレイヤ3)にデータを渡す」というように説明しましたが、より正確にはここで宛先MACアドレスとして「ブロードキャストアドレス(FF-FF-FF-FF-FF-FF)」やマルチキャストアドレス「01-00-5E…」であっても受け取って上位層に渡します。
MACアドレスだけではなぜいけないのか?
さて、MACアドレスというものを知りました。宛先のアドレスはブロードキャスト、ARPを使って知ることができます。この仕組みだけあれば他にアドレスは必要ないようにも思います。なぜMACアドレスだけでは駄目なのでしょうか?
実際、昔Windowsネットワークで使われていたNETBEUIというプロトコルには他にアドレスは存在しません。NETBIOS名というものはつけますが、NETBEUIにおいてNETBIOS名はMACアドレスと一対一に対応付けられます。サブネットマスクだのデフォルトゲートウェイだのルーティングだの面倒なことはなにもありません。ネットワークに接続しさえすればきちんと通信できるのです。こっちのほうが楽でいいのではないでしょうか?
この問いへの答えはブロードキャストのことを考えるとわかります。実際にデータを届けるには相手のMACアドレスが必要なわけですからブロードキャストするわけです。そのフレームは全コンピューターに届かなくてはいけません。これは小規模なネットワークなら問題にならないでしょう。ですが、今日最大のネットワークであるインターネットではどうでしょうか?
インターネット上の全てのコンピューターの発するブロードキャストが全てのコンピューターが受信する必要があるとしたら、おそらくブロードキャストパケットだけでネットワークは飽和してしまうでしょう。
ですからEthernetは狭い範囲でのフレームの伝達だけを受け持ちそれぞれを繋げる役目は上位層にゆだねています。詳しくはレイヤ3のエントリで説明しようと思います。
他のコンピューターのMACアドレスを確認する
それではMACアドレスを確認してみましょう。自分自身のMACアドレスは既に確認しました。今度は直接フレームをやり取りできる範囲にある他のコンピューターのMACアドレスです。
コマンドプロンプトで「arp -a」と入力してみましょう。
このコマンドで現在記憶しているIPアドレスとMACアドレスの対応の一覧が表示されます。表示されなければ、一度「ping IPアドレス」などのコマンドを実行してから再度コマンドを実行してみてください。
このようにきちんと他のコンピューターのMACアドレスを認識し、それを使って通信していることが確認できます。
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