イーサネットにおけるコリジョンドメインとブロードキャストドメイン

前回の勉強内容

ponsuke-tarou.hatenablog.com

勉強のきっかけになった問題

ルータで接続された二つのセグメント間でのコリジョンの伝搬とブロードキャストフレームの中継について,適切な組合せはどれか。

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情報セキュリティスペシャリスト平成29年秋期 午前Ⅱ 問18

イーサネットは、コンピュータネットワークにおける有線LANの規格です。

ponsuke-tarou.hatenablog.com

CSMA/CDは、イーサネットでの接続方式の一つです。

  • 正式名称 : Carrier Sense Multiple Access with Collision(衝突) Detection(発見)
  • 日本語 : 搬送波感知多重アクセス/衝突検出方式

各ノードは伝送媒体が使用中かどうかを調べ、使用中でなければ送信を行い、衝突を検出したらランダムな時間経過後に再度送信を行います。

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Ethernet LAN - CSMA/CDとは

それぞれのステーション*1がキャリア検知を行うとともに、送信データの衝突が起きた場合は再送します。
  1. 伝送路上に他のノードからフレームが送出されていないかを確認する
  2. 複数のクライアントは同じ回線を共用し、他者が通信をしていなければ自分の通信を開始する
  3. 複数の通信が同時に行われた場合は衝突を検出し、送信を中止してランダム時間待ってから再び送信をする

平成29年春期問31 CSMA/CDに関する記述|応用情報技術者試験.com

衝突発生時の再送動作によって、衝突の頻度が増すとスループット*2が下がります。

CSMA/CDは、伝送路上の通信量が増加するにつれて衝突の発生も増加し、さらに再送が増え通信量が増えてしまうという欠点があります。一般にCSMA/CD方式では、伝送路の使用率が30%を超えると急激に送信遅延時間が長くなってしまい実用的ではなくなると言われています。
平成24年秋期問30 CSMA/CD方式に関する記述|応用情報技術者試験.com

同時にフレームを送信している端末の間でフレームが衝突することをコリジョンとも言います。

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イーサネット(Ethernet)のしくみ(2) -CSMA/CD方式- - ネットワークエンジニアを目指して

コリジョンが発生する範囲をコリジョンドメインといいます。

http://www.kmownet.com/computer-network/201-ethernet/201-ethernet-fig180.jpg
ローカルエリア|物理ネットワーク|CSMA/CD|メディアアクセスの制御|コリジョンドメイン

コリジョンドメイン内に機器が沢山接続されているとコリジョンが発生しやすくなります。

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コリジョンを発生しにくくするにはコリジョンドメインを分割します。

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OSI参照モデルでの物理層の機器ではコリジョンドメインを分割できません。
OSI参照モデル 機器 説明
物理層 リピータ 通信ネットワークの中継機器で、一方のケーブルから流れてきた信号を単純にもう一方のケーブルに送り出す装置
物理層 ハブ ネットワークの中心に位置する集線装置*3であり、複数のネットワーク機器を接続する装置
物理層 リピータハブ 通信ネットワークのハブの一つで、すべての信号をすべての端末に送る機器、複数のポートを持ってるリピータ

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Ethernet LAN - リピータ・リピータハブ・ブリッジ・スイッチ・ルータ

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OSI参照モデルでのデータリンク層ネットワーク層の機器でコリジョンドメインを分割できます。
OSI参照モデル 機器 説明
ネットワーク層 L3スイッチ ネットワークの中継機器の一つで、
ネットワーク層とリンク層の両方の制御情報に基づいてデータの転送先の決定を行う
ネットワーク層 ルータ 異なるネットワーク同士を接続する機器
データリンク層 L2スイッチ MACアドレスを含んだ情報を使って中継動作を行う
データリンク層 ブリッジ 複数のネットワークを結ぶ中継機器のうち、
受信したデータのMACアドレスなどデータリンク層の宛先情報を参照して中継の可否を判断する

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Ethernet LAN - リピータ・リピータハブ・ブリッジ・スイッチ・ルータ

データリンク層ネットワーク層の機器をまたぐとコリジョンは伝搬されません。

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イーサネットで使用されるアドレスには種類があります。

種類 説明
ユニアドレス 特定の機器にデータを送信するために使用されるアドレス
マルチキャストアドレス 特定の複数機器にデータを送信するために使用されるアドレス
ブロードキャストアドレス ネットワーク内のすべての機器にデータを送信するために使用されるアドレス

ブロードキャストアドレスIPアドレスは、ホスト部の全ビットが1になります。

IPアドレスが 192.168.0.x でサブネットマスクが 255.255.255.0 の TCP/IPネットワークで,ブロードキャストアドレスはどれか。

イ. 192.168.0.255
平成20年秋期問50 ブロードキャストアドレス|基本情報技術者試験.com

IPアドレス 192.168.57.123/22 が属するネットワークのブロードキャストアドレスはどれか。

ウ. 192.168.59.255

まず、IPアドレス 192.168.57.123 は2進数表記では以下のビット列です。
 11000000 10101000 00111001 01111011
ブロードキャストアドレスはホストアドレス部である下位10ビットを全て"1"にした以下のビット列です。
 11000000 10101000 00111011 11111111
平成28年春期問34 ブロードキャストアドレスはどれか|基本情報技術者試験.com

ネットワークアドレス192.168.10.192/28のサブネットにおけるブロードキャストアドレスはどれか。

イ. 192.168.10.207

 11000000 10100000 00001010 11000000
ブロードキャストアドレスは、ホストアドレス部のビットをすべて「1」にした次のアドレスになります。
 11000000 10100000 00001010 11001111
平成19年秋期問52 ブロードキャストアドレス|応用情報技術者試験.com

IPv4アドレス 172.22.29.44/20 のホストが存在するネットワークのブロードキャストアドレスはどれか。

ウ. 172.22.31.255
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平成26年春期問33 ブロードキャストアドレスはどれか|応用情報技術者試験.com

ブロードキャストアドレスは、用途が決まっているのでネットワークに接続する機器に割り振っていはいけません。

次のネットワークアドレスとサブネットマスクをもつネットワークがある。このネットワークを利用する場合,PCに割り振ってはいけないIPアドレスはどれか。

ネットワークアドレス: 200.170.70.16
サブネットマスク  : 255.255.255.240

エ. 200.170.70.31
平成26年秋期問34 割り振ってはいけないIPアドレス|基本情報技術者試験.com

TCP/IPネットワークにおいてARPというプロトコルを使うことでIPアドレスからMACアドレスを得ることができます。

  • 正式名称 : Address Resolution(èzəlúːʃən、解明) Protocol
  1. 要求パケットに送信元のIPアドレスMACアドレスと通信相手の IPアドレスの情報を格納して、Ethernet ネットワークにブロードキャストする。
  2. 要求パケットを受け取った各ノードは、自分の IPアドレスと同一であれば、自分の MACアドレスを送信元に伝える。

平成19年春期問52 ARPの説明|基本情報技術者試験.com

MACアドレスフィルタリングは、ARPを利用してPCのMACアドレスを確認し、事前に登録されているMACアドレスである場合だけ通信を許可する機能です。

https://network.yamaha.com/var/site/storage/images/8/4/1/9/129148-1-jpn-JP/01_mac-wlx313.jpg
MACアドレスフィルタリングを使用して無線端末を制限 : WLX313 Web GUI設定

ARPは、要求パケットに通信相手の IPアドレスの情報を格納して、Ethernet ネットワークにブロードキャストします。

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平成23年特別問37 ARP要求・応答パケット|応用情報技術者試験.com

ARPはブロードキャストを使用するので、同じネットワーク内の機器のMACアドレスを取得できます。

ARPとは逆にMACアドレスからIPアドレスを求めるプロトコルRARPといいます。

  • 英語: Reverse Address Resolution Protocol

機器固有のMACアドレスから対応するIPアドレスを取得するためのプロトコルです。
平成25年春期問33 RARPの機能として適切なもの|応用情報技術者試験.com

ブロードキャストできるネットワークの範囲をブロードキャストドメインといいます。

ブロードキャストドメイン内に機器が沢山接続されているとARP要求があるとすべての機器で処理が発生します。

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負荷を下げるためにはブロードキャストドメインを分割します。

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OSI参照モデルでの物理層データリンク層の機器ではブロードキャストドメインを分割できません。

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ネットワーク層の機器をまたぐとブロードキャストフレームは伝搬されません。

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次回の勉強内容

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*1:イーサネットの規格では、ノードのことを「ステーション」と呼んでいる。ステーションはネットワークに接続されるコンピュータの総称で、コンピュータやプリンタなどネットワークを介して通信するすべてのデバイスを表す。出典:第6回 イーサネット(その1) - イーサネットの規格とCSMA/CDアクセス制御方式 (3/5):詳説 TCP/IPプロトコル - @IT

*2:e-words.jp

*3:複数の伝送路を収容、接続する装置