情報ネットワーク ( データリンク・ Ethernet)

情報ネットワーク( データリンク・ Ethernet)

岡村耕二

資料作成者：原田義明2

OSI階層モデル

アプリケーション層

プレゼンテーション層

セッション層

トランスポート層

ネットワーク層

データリンク層

物理層



セッション層




物理層

送信元送信先


OSI階層モデル



セッション層




物理層



セッション層




物理層

業務情報

表現形式の変換

対話の管理

プロセス間の伝送

エンドシステム間の伝送

隣接システム間の伝送

ビット伝送



イーサネットヘッダデータイーサネットトレ

イラ

イーサネット　 (Ethernet)– 現在の LAN で最も利用されている通信メディア

イーサネットフレーム

送信先 MAC アドレス

送信元 MAC アドレス

タイプ FCS

MTU( 最大転送単位 )1500 オクテット

6 オクテット 4 オクテット2 オクテット6 オクテット

上位プロトコルの種類フレームが正しく到着したことを確認する1 オクテット =8bit

資料作成者：原田義明 5

ハブ

ホストＡ

ホストＢホストＡからホスト B へ通

信

データは全部に送信

6

データリンク層通信

• MAC アドレス：　イーサネットカード固有• イーサネットカードは自分の　 MAC アド

レスのフレームのみを受信する– ハードによる処理– ＯＳ　によらない


CSMA/CA (Carrier Sence Multiple Access with Collision Avoidance) 搬送波感知多重アクセス / 衝突回避方式の略で、

無線 LAN に用いられているアクセス制御方式通信が行われていなければ、 DIFS(Distributed coor

dination function Initial interFrame Space) ＋ランダム時間待ち、送信を開始する

送信データを受け取ったときに ack( 応答メッセージ ) を送信することで、データの送信エラー ( 衝突 ) を検出する

ack メッセージを受け取らなかった場合、再送する


ＣＳＭＡ / ＣＡ

A B

C

通信チャネルの使用状況確認

空くまで待機

チャネルの使用状況確認空くまで待機

待機： DIFS 時間分

待機： DIFS 時間分

待機：乱数時間

待機：乱数時間チャネルの使用状況確認空くまで待機

乱数時間の待機終了通信開始

通信が終了SIFC 時間待機

SIFC<DIFC

ack メッセージ受信通信終了

ack( 応答 ) メッセージ送信

A B⇒

C B⇒

SIFC の方が短く、乱数時間待たないので、ack メッセージが早く送信される


スイッチ

ブリッジ MAC アドレスを記憶し、通信を制御（ CAM テーブ

ル）フレーム読み取りの分だけ遅延が発生するブロードキャストを止めることはできない

スイッチストア＆フォワード形式

スイッチ内のメモリにデータをストアし、データの衝突を防ぐ

フレーム読み取りの分だけ遅延が発生するブロードキャストを止めることはできない全二重回線（送信・受信の回線を分ける）が可能


ハブ　～衝突（コリジョン）～

ホストＡ

ホストＢホスト A からホスト B へ通

信

ホストＣ

ホストＤ

ホスト C からホスト D へ通

信

衝突発生


スイッチとは？

ホストＡ

ホストＢホスト A からホスト B へ通

信

ホストＣ

ホストＤ

ホスト C からホスト D へ通

信

競合されていないポートの送受信を同時に転送可能


MAC アドレスによるフィルタリング

MAC:00-00-00-00-00-01

MAC:00-00-00-00-00-04

MAC:00-00-00-00-00-03

MAC:00-00-00-00-00-02

MAC:00-00-00-00-00-01

何処から来たか記憶

MAC:00-00-00-00-00-03

宛先が左のネットワークなので、データを右側のネットワークに送信しない

A から C への通信

B から A への通信

C から A への通信

A

D

C

B

MAC:00-00-00-00-00-02


スパニングツリープロトコル

冗長性のあるネットワークで、しかも MAC アドレスが学習されていないと、ブロードキャストで送信してしまうので、フレームがループしてしまう　⇒このループを回避しないといけない



冗長ループの問題点1 2

21

A B2 : A1 : A


スパニングツリープロトコル冗長構成によるデータのループを防ぐためのプロトコルループのない木構造を作成する BPDU (Bridge Protocol Data Unit) というデータを相互に交換し、ス

パニングツリーを構成する

SW1

SW2

SW3

seg1

seg2

seg3

SW1

SW2 SW3

seg2

seg3

seg1

スパニングツリー

××

このポートから転送しないもし、 SW2 が

ダウンしたら･･･

スパニングツリーを再構成する



BPDU とは？ルート情報

ルート（根）に指定されたブリッジの ID( さっきの図のSW1)

パスコストそのリンクのルートブリッジからの距離

ブリッジ情報 BPDU を送信したブリッジの情報

ポート情報 BPDU を送信したポートの情報

タイマスパニングツリーを構成するための時間



ルートブリッジＩＤ (BID) によって決まる

プライオリティ (2bit) と MAC アドレス (6bit) で、小さいものパスコスト

帯域幅によって決められており、コストの少ない通信路を選ぶ

タイマ hello タイマ　： BPDU の送信間隔スイッチダイアメータ　：スパニングツリーの最大ホップ数最大タイマ　：連絡がないとダウンしたと見なす時間最大遅延　：ツリーの再構成のために、データをブロックす

る時間　　　　（再構成中にはループが起きる可能性があるため）



seg1 : 10 seg4 : 15

seg3 : 10

seg2 : 15 seg5 : 15

sw1

sw2

sw3

sw400

15

101010

25

30

1515

20

25

25

25

40

40

ルートポートroot:15

root:10

root:25

指定ポート各スイッチの中で、最もコストの少ないセグメント

各セグメントの中に一つ、ルートに近いスイッチのポー

ト非指定ポートどちらにも選ばれなかったポ

ート

root:0

データ送受信、 BPDU 送受信

データ破棄、 BPDU 受信



SW1

SW2 SW3

seg2

seg3

seg1

seg5seg4 SW4



ネットワーク障害が起きた場合検出

hello タイマ時間毎に BPDU を転送しているが、最大タイマ時間返信が来なければ、スイッチがダウンしていると見なすデフォルトでは、 hello タイマ : 2sec , 最大タイマ : 20sec

スパニングツリー再構築通信路が変更されるので、 CAM テーブルの消去依頼を行うコストの再計算が必要なスイッチでのみ再構築が行われる最大遅延時間分、データの送信を行わず、 BPDU の送受信

を行い、ツリーを再構築するツリー構築後、最大遅延時間分ＣＡＭテーブルの構築を行

う。データの転送は行わない



フレーム転送

MAC アドレス学習

BPDU の交換

ブロッキング × × 受信のみリスニング × × ○

ラーニング × ○ ○

フォワーディング ○ ○ ○


スパニングツリー再構築

スイッチのダウン検出最大タイマ : 20sec

ブロッキング（ BPDU 受信）

ラーニング（ CAM テーブル作成）50sec

リスニング（ BPDU 送受信）

フォワーディング

20sec

15sec

15sec

70sec


スパニングツリー再構築

ネットワークの再構築を高速化するために、様々な技術がある RSTP

非指定ポートを代替ポートとバックアップポートにさらに分け、障害時に迅速な通信路変換を提供

PortFast (Cisco 独自 ) 端末が接続されたポート (BPDU が受信されないポー

ト ) をすぐフォワーディング状態にする UplinkFast (Cisco 独自 )

障害を検知すると、すぐにブロッキング状態からフォワーディング状態にする


ＶＬＡＮ

スイッチの技術発展により、大きなネットワークの構築が可能になった

ブロードキャストドメインの巨大化

ブロードキャストドメインを仮想的に分割したい

VLAN (Vertial LAN)


ＶＬＡＮ

仮想的にネットワークを構築する技術レイヤ２スイッチでブロードキャストドメインを分割

ＶＬＡＮ１ＶＬＡＮ２


ＶＬＡＮ

スタティックＶＬＡＮ静的にＶＬＡＮを設定する。

ポートごとに所属ＶＬＡＮを設定（ポートベースＶＬＡＮ）ダイナミックＶＬＡＮ

動的にＶＬＡＮを設定するＭＡＣベースＶＬＡＮ

ＭＡＣアドレスごとに所属ＶＬＡＮを設定するサブネットベースＶＬＡＮ

ＩＰアドレスごとに所属ＶＬＡＮを設定するユーザベースＶＬＡＮ

ログオンしたユーザ情報 (Wincows ドメインのユーザ名等 ) から分割


トランクリンク

ＶＬＡＮ１ＶＬＡＮ２ＶＬＡＮ１ＶＬＡＮ２

複数のＶＬＡＮのデータを転送できるポートスイッチ間で転送されるデータに、所属ＶＬＡＮの情報を付加する必要がある

トランクリンクVLAN1VLAN2


ダイナミックＶＬＡＮとトランクリンク Cisco 独自のものと、 IEEE 標準のものがある

ISL(Inter-Switch Link) Cisco 独自のカプセル化プロトコル

IEEE802.1Q IEEE 標準のタギングプロトコル

ISL ヘッダ(26バイト )

イーサネットフレーム(26 ～ 1518バイト )

FCS

(4バイト )

ISL

送信先 ( 元 )MAC アドレス

タグ

タイプ

データ FCSIEEE802.1Q



IEEE802.1Q では、 IEEE802.1Q に対応していないスイッチやホストと通信できるように、ネイティブ LAN という概念を利用しているタグをつけていないデータはネイティブ VLAN と

見なすデフォルトで VLAN1 管理用として利用されている (BPDU の転送など )

送信先 ( 元 )MAC アドレス

タグ

タイプ

データ FCSIEEE802.1Q



ISL では、 Cisco のスイッチだけでネットワークが構成されている必要があるフレームをカプセル化するので、 ISL 対応でない

と、データの認識ができず、エラーとなる

ISL ヘッダ(26バイト )

イーサネットフレーム(26 ～ 1518バイト )

FCS

(4バイト )

ISL


スパニングツリープロトコルとＶＬＡＮ

非指定ポート

sw1

sw2

sw3

sw4VLAN1

VLAN1

VLAN2

VLAN2

sw3 から sw4 への通信があったら･･･

seg15

seg15seg15

seg15

seg10

こっちの方が近い


スパニングツリープロトコルとＶＬＡＮ ISL では、 PVST (Per VLAN Spanning Tree)

と呼ばれる、 VLAN ごとに STP を構築する方法を利用している

IEEE802.1Q では、 CST(Common Spanning Tree) を利用している BPDU がネイティブ LAN として転送されるため、

所属 VLAN を認識できず、それぞれに ST を構築できない


ＰＶＳＴ

sw1

sw2

sw3

sw4VLAN1

VLAN1

VLAN2

VLAN2

seg15

seg15seg10

seg15

seg10

VLAN1

ＶＬＡＮごとにプライオリティを設定し、それぞれのルートを設定する

root

root

VLAN1 の非指定ポート

VLAN2 の非指定ポート

VLAN1の通信

VLAN2の通信


スパニングツリーとＶＬＡＮ

CST PVST

プロトコル

IEEE802.1Q ISL

ツリー 1 つ VLANごとに 1 つ消費帯域 STP が一つのため

少ないSTPごとに BPDUが必要なので大きい

計算量少ない大きい最適パス場合によっては不

可可能


スパニングツリーとＶＬＡＮ

Cisco PVST+

ISL環境では PVST として機能し、 IEEE802.1Q環境では PVST+( ネイティブ VLAN で CST が動作 ) として機能する

IEEE802.1Q MST (Multiple Spanning Tree)

複数の VLAN を一つのスパニングツリーインスタンスにマップする方式

往来のブリッジとの相互対話が困難な場合がある

37

来週（ 5月 17日）は休講

http://okaweb.ec.kyushu-u.ac.jp/lectures/in/ に課題を掲示翌日 5 月 18 日までに、電子メールで、

[email protected] に回答などを提出すること。（出席ではない。）

情報ネットワーク ( データリンク・ Ethernet)

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