イーサネットフレームと CSMA/CD・スイッチング原理

イーサネットは「共有媒体の調停」から始まった

イーサネット（IEEE 802.3）の出発点は、1本の同軸ケーブルを全端末で共有する 半二重のバス型ネットワーク でした。複数の端末が同時に送信すると信号が重なって壊れる。この「衝突（collision）」をどう扱うかが初期イーサネットの中心問題であり、その解が CSMA/CD です。現在主流のスイッチ＋全二重環境では衝突は起きませんが、フレーム構造の最小サイズなど 当時の設計が今も制約として残っている ため、原理を押さえる価値があります。層構造の位置づけは /network/osi/ を参照してください。

イーサネットフレームの構造

L2で運ばれる1単位がフレームです。各フィールドの役割を正確に押さえます。

ポイントが3つあります。第一に、宛先MACの 先頭バイトの最下位ビット（I/Gビット） が1ならマルチキャスト/ブロードキャスト、0ならユニキャストです。全ビット1の FF:FF:FF:FF:FF:FF がブロードキャストアドレスで、扱いは /network/multicast-broadcast/ に詳しいです。

第二に、ペイロード下限が46バイトなのは、ヘッダ18バイトと合わせて 最小フレーム長64バイト を保証するためです。データが46バイトに満たなければパディングで埋めます。この64という数字はCSMA/CDの衝突検出可能性から逆算された値で、後述します。

第三に、最大ペイロード1500バイトが標準的なMTUの根拠です。これを超える転送やジャンボフレームの扱いは /network/mtu/ で補完できます。

CSMA/CD：衝突を前提とした再送アルゴリズム

CSMA/CD は Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection の略です。3つの要素を分けて理解します。

• CS（Carrier Sense）: 送る前に媒体が空いているか確認する。使用中なら待つ。
• MA（Multiple Access）: 複数端末が同じ媒体を共有する前提。
• CD（Collision Detection）: 送信中も媒体を監視し、自分の信号と異なる電圧を検知したら衝突と判断する。

衝突を検知した端末の動作は次の手順です。

1. 送信中に衝突を検出
2. ジャム信号（32ビット）を送出し、衝突を全端末に確実に伝える
3. 試行回数 n に応じて待ち時間を決める（二進指数バックオフ）
   待ちスロット数 = 0 以上 (2^k - 1) 以下の一様乱数
   ただし k = min(n, 10)
4. 決めた時間だけ待ってから再送
5. 16回連続で失敗したら上位層にエラーを返して諦める

二進指数バックオフ（binary exponential backoff）の肝は、衝突が繰り返されるほど待ち時間の上限を指数的に広げる点です。k が n とともに増えるので候補スロットが倍々に増え、再衝突の確率が下がります。ただし k は10で頭打ち（最大1023スロット）になり、再送は16回で打ち切ります。

全二重スイッチングが衝突を消した

現在のスイッチドイーサネットでは、各ポートと端末が 専用の全二重リンク で結ばれます。送信用と受信用の経路が物理的に分かれるため、同時送受信しても衝突しません。結果として CSMA/CD は不要になり、ギガビット以降は事実上使われません。

ハブは受信した信号を 全ポートに電気的に中継するだけ で、全体が1つの衝突ドメインでした。スイッチはポートごとに衝突ドメインを分割し、さらにフレームを宛先ポートにだけ送る「賢さ」を持ちます。この賢さの正体が次のMACアドレステーブルです。

L2スイッチの内部動作：学習とフォワーディング

スイッチの仕事は2つの単純な規則に集約されます。送信元MACで学習し、宛先MACで転送する ことです。

1. 学習（learning）

フレームを受信すると、スイッチは 送信元MACアドレスと受信ポート番号 の対応をMACアドレステーブル（CAMテーブル、フォワーディングテーブル）に記録します。「このMACはこのポートの先にいる」という地図を、流れてくるフレームから自動で作ります。各エントリにはタイマがあり、一定時間（既定で多くは300秒）通信がなければ エージング で削除され、機器の移動に追従します。

2. 転送判断（forwarding/filtering）

宛先MACでテーブルを引き、結果に応じて動作が分かれます。

未知の宛先をフラッディングするのは、「どのポートの先にいるか分からないから、とりあえず全方向に投げて本人に届ける」ためです。やがてその宛先が応答すれば、今度はその送信元MACが学習され、次回からはピンポイント転送になります。ARPの問い合わせがブロードキャストで飛ぶ仕組みは /network/arp/ と合わせて読むと、L2の挙動が一本につながります。

受信フレーム到着
  │
  ├─ 送信元MAC → 受信ポート をテーブルに登録／更新（学習）
  │
  └─ 宛先MACでテーブル検索
        ├─ ヒットして別ポート   → そのポートへ転送
        ├─ ヒットして同一ポート → 破棄（フィルタ）
        └─ 未ヒット or ブロードキャスト → 全ポートへフラッディング

ループ・テーブル溢れという落とし穴

L2には致命的な弱点があります。フレームにはL3の TTLに相当する寿命がありません。スイッチを冗長配線して物理ループができると、ブロードキャストやフラッディングしたフレームが永遠に回り続け、指数的に増殖して帯域を食い尽くします。これが ブロードキャストストーム です。

セキュリティ面では MACフラッディング攻撃 に注意します。偽の送信元MACを大量に送りつけてテーブルを溢れさせると、スイッチは正規エントリを保持できず、本来ピンポイント転送すべきフレームまでフラッディングしてしまいます。これは盗聴の足がかりになり、対策がポートあたりの学習MAC数を制限する ポートセキュリティ です。

まとめ

イーサネットは「共有媒体での衝突調停」という制約から生まれ、CSMA/CDの二進指数バックオフでそれを乗り越え、最小フレーム長64バイトという痕跡を今に残しました。スイッチはこの世界を全二重リンクで作り替え、衝突を消すと同時に、送信元MACでの学習と宛先MACでの転送 というシンプルな規則で賢い配送を実現します。未知宛先のフラッディング、ループに対するSTP、テーブル溢れへのポートセキュリティまで一続きで捉えれば、L2の動作は「自動で育つ地図とその防御」として読み解けます。