LAN（ネットワークインタフェース層）の基礎まとめ【イーサネット・伝送媒体・集線装置などを解説】

　LAN（Local Area Network）は，企業内や家庭内などで広く利用されている通信のしくみであり，基本情報技術者試験をはじめとする情報処理技術者試験で重要となる基礎的な内容です。LANではどのようなしくみでデータをやり取りするのか，正しく理解できていますか？

　TCP/IPのネットワークインタフェース層は，OSI基本参照モデルの物理層とデータリンク層に対応し，隣接する機器同士のデータ（フレーム）の送受信を担当する層です。この層では，Ethernetによる通信方式やMACアドレスによる機器の識別，ケーブルなどの伝送媒体，スイッチやハブなどの集線装置が重要な役割を担っています。

　このページでは，LANの基礎として，イーサネットのしくみ，通信の流れ，伝送媒体（有線LAN・無線LAN），集線装置の役割，MACアドレスについて整理しています。

ネットワークインタフェース層とは

　TCP/IPのネットワークインタフェース層は，OSI基本参照モデルの物理層と，データリンク層に相当します。役割は，隣接ノード間で，データ（フレーム）を送受信することです。使用するプロトコルは環境によって異なり，たとえば，Ethernetの場合，MACアドレスにより（通信相手となるノードや中継ノードとなる）隣接ノードを識別し，データ（フレーム）を送り届けます。

イーサネット（Ethernet）とは

　イーサネットは，有線LANのプロトコルで，現在，ほとんどのLANで利用されています。IEEE802.3として標準化されています。

※ IEEE（The Institute of Electrical and Electronic Engineers）…米国電気電子学会

※ IEEE802委員会…LANの標準化を目的として設立された組織

OSI基本参照モデル
第7層　アプリケーション層
第6層　プレゼンテーション層
第5層　セション層
第4層　トランスポート層
第3層　ネットワーク層
第2層　データリンク層	LLC副層	IEEE802.2	Ethernet
	MAC副層	IEEE802.3，IEEE802.5，IEEE802.11 など
第1層　物理層

※Ethernetは，LLC副層の役割を自身で持っている

LLC副層	論理的なアドレスの割り当てやエラーチェック（ビットエラーのチェック）を行う
MAC副層	物理的な媒体を使用して，データ（フレーム）がどのように転送されるかを定義する

イーサネットでの通信の流れ（同一・異ネットワーク）

　イーサネットでの通信の場合，まず，各端末を設置して（自動または手動で）IPアドレスを割り振り，デフォルトゲートウェイの設定をします。たとえば，次の図のようにします。

※ MACアドレスは，ネットワーク機器やコンピューターのNIC（ネットワークインタフェースカード）に製造時に割り当てられており，同じネットワークの隣接するノードと通信する場合に使用する（手動で割り振ることはない）

※ IPアドレスは，通信相手を識別する場合に使用する（自動または手動で割り振る）

※ デフォルトゲートウェイとは，ネットワークとネットワークをつなぐ装置のことで，図の場合，ルーターが，その役割を担当する（他のネットワークに接続する際の，通信の経由先として，各端末に自動または手動で設定する）

※ ノード…節，集合点という意味。ネットワークは点（機器）と線（伝送路）で表すことができ，この点のことをノードという。具体的には，コンピューターやルーター，スイッチングハブなど，ネットワークに接続されている，すべての機器のことをいう

　イーサネットでは，通信相手のIPアドレス（あて先IPアドレス）から（あて先）MACアドレスを調べ，データ（フレーム）を送信します。通信相手が同じネットワークに存在する場合は，そのMACアドレスを調べて直接送信すればよいのですが，（ルーターを越えた）異なるネットワークに存在する場合は直接送信することはできませんので，デフォルトゲートウェイであるルーターを経由して送信することになります。それでは，実際の通信の流れについてみていきます。

同じネットワークに存在する端末への通信の流れ

　たとえば，図の，PC1からPC2へ通信する場合の流れについて見ていきます。

　まずはじめに，送信元のPC1と，あて先のPC2が同じネットワークに存在しているかを調べます。

※ IPアドレス，サブネットマスクについては，「IP（インターネット層）の基礎まとめ」を参照

　PC1とPC2は同じネットワークに存在することが分かりましたので，直接送信することになります。

　次に，PC1は，自身のARPテーブルを参照し，PC2のMACアドレスが分かる場合，PC2に次のようなパケットを送信します。

※ PC2はPC1と同じネットワークに存在し，かつ，隣接しているため，MACアドレスを使用してパケットを送信することができる

※ PC2のMACアドレスが分からない場合は，ARPにより求める

※ ARP，ARPテーブルについては後述

　PC2は，届いたパケットを受信します。

※ このパケットは，スイッチによりPC2のみに届く

異なるネットワークに存在する端末への通信の流れ

　たとえば，図の，PC1からPC3へ通信する場合の流れについて見ていきます。

　まずはじめに，送信元のPC1と，あて先のPC3が同じネットワークに存在しているかを調べます。

※ IPアドレス，サブネットマスクについては，「IP（インターネット層）の基礎まとめ」を参照

　PC1とPC3は異なるネットワークに存在することが分かりましたので，PC3に送信するパケットはデフォルトゲートウェイであるルーターを経由して送信することになります。

　次に，PC1は，自身のARPテーブルを参照し，ルーターのMACアドレスが分かる場合，ルーターに次のような（PC3に送信する）パケットを送信します。

※ ルーターはPC1と同じネットワークに存在し，かつ，隣接しているため，MACアドレスを使用してパケットを送信することができる

※ ルーターのMACアドレスが分からない場合は，ARPにより求める

※ ARP，ARPテーブルについては後述

　ルーターは，PC1から送信されたパケットを受信し，あて先MACアドレスと送信元MACアドレスを付け替えてPC3へ転送します。

　PC3は，届いたパケットを受信します。

※ このパケットは，スイッチによりPC3のみに届く

　通信の流れについては、「インターネットへの接続と通信の流れ（インターネットへの接続方法と通信の仕組み）」も参照してみてください。

伝送媒体とは（有線・無線LAN）

有線LANの伝送媒体（ケーブル種類）

　有線LANの伝送媒体には，次のようなものがあります。

同軸ケーブルとは

　同軸ケーブルは、1本の銅線を中心に周囲を絶縁体，メッシュ銅線，外部被覆で取り囲んだ構造をしています。外部からのノイズに強く伝送距離も長いですが，硬くて曲げにくいため配線が困難です。

ツイストペアケーブル（より対線）とは

　ツイストペアケーブルは，2本の銅線をノイズ低減のため，らせん状により合わせて対（ペア）にし，これを4対集めて外部被覆で覆った構造をしています。安価なため広く普及しています。折り曲げやすくて配線しやすいですが，（同軸ケーブルと比べると）ノイズに弱いです。

光ファイバーケーブルとは

　光ファイバーケーブルは，ガラスやプラスチック製のコアを，同じ素材のクラッドで囲み，これを外部被覆で覆った構造をしています。屈折率の高いコアと屈折率の低いクラッドの境界で光信号を反射しながら伝送します。高速伝送が可能で，ノイズに強く伝送距離も長いですが，折り曲げに弱く，高価です。

主なケーブルの比較

	ケーブルの素材	伝送信号
同軸ケーブル	銅線（メタル）	電気信号	外部からのノイズに強く，伝送距離が長いが，硬くて曲げにくいため配線が困難
ツイストペアケーブル （より対線）			（同軸ケーブルと比べると）ノイズに弱いが，折り曲げやすく配線しやすい。安価
光ファイバーケーブル	ガラス， プラスチック	光	高速伝送が可能で，ノイズに強く伝送距離も長いが，折り曲げに弱い。高価

有線LANのケーブル規格一覧

　有線LANで使用するケーブルの規格は，IEEE802.3で定められています。

転送速度	「Mビット／秒」を単位とした値
変調方式	BASE…ベースバンド方式。1つの伝送路で1チャネルだけを伝送する BROAD…ブロードバンド方式。1つの伝送路で複数チャネルを伝送する
媒体情報	T…ツイストペアケーブル F…光ファイバケーブル など

　主なケーブルの種類は，次のとおりです。

規格	最大伝送速度	ケーブル	最大伝送距離	接続形態
10BASE5	10Mビット／秒	同軸ケーブル	500m	バス型
10BASE2		同軸ケーブル	185m	バス型
10BASE-T		CAT3	100m	スター型
100BASE-TX	100Mビット／秒	CAT5	100m	スター型
100BASE-FX		光ファイバー	20km	スター型
1000BASE-LX	1Gビット／秒	光ファイバー	5km	スター型
1000BASE-SX		光ファイバー	550m	スター型
1000BASE-T		CAT5e	100m	スター型
10GBASE-T	10Gビット／秒	CAT6A	100m	スター型
10GBASE-T		CAT7	100m	スター型
40GBASE-T	40Gビット／秒	CAT8	30m	スター型

無線LANの伝送媒体（規格・周波数）

　無線では，データを電波や赤外線などの媒体を利用して送信します。

電波	無線免許なしで使用できる2.4GHz帯と5GHz帯の電波を使用する。通常，無線LANで利用する
赤外線	赤外線は障害物に弱いため，近距離通信に使用される

無線LANの規格一覧

　無線LANの規格は，IEEE802.11で定められています。

規格	最大伝送速度	周波数帯
IEEE 802.11	2Mビット／秒	2.4GHz帯
IEEE 802.11b	11Mビット／秒	2.4GHz帯
IEEE 802.11g	54Mビット／秒	2.4GHz帯
IEEE 802.11a	54Mビット／秒	5GHz帯
IEEE 802.11n	600Mビット／秒	2.4GHz帯／5GHz帯
IEEE 802.11ac	6.9Gビット／秒	5GHz帯
IEEE 802.11ad	6.8Gビット／秒	60GHz帯
IEEE 802.11ax	9.6Gビット／秒	2.4GHz帯／5GHz帯

無線LANの周波数帯と特徴

　無線LANで使用する電波の周波数帯には，次のような特徴があります。

2.4GHz帯	障害物に強い。電子レンジやBluetoothと同じ周波数帯のため干渉しやすい
5GHz帯	障害物に弱い。同じ周波数帯を使用する機器がないため干渉が少ない
60GHz帯	電波の直進性が強い。空気中の酸素分子に吸収されやすいため，狭い範囲での通信（半径約10m）に限られるが，高速通信が可能

集線装置とは

　集線装置には，次のようなものがあります（OSI基本参照モデルに対応させてまとめています）。

アプリケーション層	ゲートウェイ	異なるプロトコルのネットワークを接続する
プレゼンテーション層
セション層
トランスポート層
ネットワーク層	レイヤ3スイッチ	IPアドレスを基に，データを中継する。ハードウェア処理なので高速。ポート数が多い
		ルーター	IPアドレスを基に，データを中継する。ソフトウェア処理なので低速。ポート数が少ない
データリンク層	スイッチングハブ （レイヤ2スイッチ）	MACアドレスを基に，必要なポートにデータを中継する。ハードウェア処理なので高速。ポート数が多い
		ブリッジ	MACアドレスを基に，必要なポートにデータを中継する。ソフトウェア処理なので低速。ポート数が少ない
物理層	ハブ	複数のケーブルを集約するための装置。MACアドレステーブルを持たないので、すべてのポートにデータを中継する
		リピータ	減衰した電気信号を増幅し，伝送距離を延ばす

※ レイヤ3スイッチやルーター，サーバー，PCなど，IPアドレスを割り振られる機器はARPテーブルを持つ。ARPについては後述

※ レイヤ3スイッチやルーター，スイッチングハブ，ブリッジは，必要なポートにデータを中継するため，MACアドレステーブルを持つ。MACアドレスについては後述

※ ブロードバンドルーター（ホームゲートウェイ）…小規模なLANから，ADSLやCATV，FTTHなどを利用してインターネットに接続する場合に使用する小型のルーター。NAT（NAPT）機能やDHCPサーバー機能，ハブ機能，Wi-Fiアクセスポイントの機能などを備えている

MACアドレスの付け替えの仕組み

　データを送信する際，あて先IPアドレスと送信元IPアドレスは基本的には変わりませんが，あて先MACアドレスと送信元MACアドレスはレイヤ3スイッチやルータを経由するたびに変わります。

※ MACアドレスについては後述

ネットワークトポロジーとは（形状と特徴）

　LANのネットワークトポロジーには，次のようなものがあります。

バス型トポロジーの特徴

　バス型は，1本のケーブル（バス）に複数のノードを接続する形態です。1本のバスを共有するため，バスに障害が発生すると，すべてのノードが通信できなくなります。

※ ノード…節，集合点という意味。ネットワークは点（機器）と線（伝送路）で表すことができ，この点のことをノードという。具体的には，コンピューターやルーターなどのこと

スター型トポロジーの特徴

　スター型は，ハブなどの集線装置に複数のノードを接続する形態です。集線装置に障害が発生すると，すべてのノードが通信できなくなります。

リング型トポロジーの特徴

　リング型は，リング状のケーブルに複数のノードを接続する形態です。データは一方向に巡回します。ノードやケーブルに障害が発生すると，データが巡回できなくなります。

MACアドレスとは

　MACアドレスは，ネットワーク機器やコンピューターのNIC（ネットワークインタフェースカード）に割り当てられている48ビットのビット列で，（ルーターの内側の）ネットワークにある機器を識別するために使用されています。

※MACアドレスは，固有（世界で1つ）の番号で，製造時に割り当てられる

MACアドレスの表記

　MACアドレスは，48ビットのビット列を8ビットずつに区切り，それぞれを16進数に変換して表記します。

　MACアドレスの上位24ビットは製造元を表すベンダーコードで，下位24ビットは製造元が自由に割り当てることができる製品番号になります（ユーザーが書き換えることはできません）。

ブロードキャストアドレスとは

　ブロードキャストとは，同じネットワーク内のすべてのノードに対して行う通信のことをいい，次のアドレスを使用します。

MACアドレステーブルとは（管理情報）

　MACアドレステーブルとは，ポート（port；端子）に，どのMACアドレスを持つ機器が接続されているかという情報を集めたもので，自動で設定されます（手動で設定することはありません）。レイヤ3スイッチやルーター，スイッチングハブ，ブリッジなどは，必要なポートにデータを中継するため，MACアドレステーブルを持っています。

アクセス制御方式とは（LANの衝突回避）

　LANでは1本の伝送路を複数の端末で共有していますので，（基本的には）複数のデータを同時に送信することはできません。複数のデータを同時に送信した場合，衝突（コリジョン）が起こりデータは破壊されます。

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）方式とは

　CSMA/CD方式は，イーサネットで使用され広く普及していたアクセス制御方式です。データを送信したい端末は，伝送路の通信状況を確認し，他の端末から送信されたデータが流れていなければ送信を開始します（伝送路に他の端末から送信されたデータが流れていれば待機します）。このとき，他の端末が同時に送信を開始していた場合，衝突（コリジョン）が起こりデータは破壊されます。衝突が起こった場合，それを検知した端末は送信を一旦中止し，ランダムに決めた時間（数ミリ秒程度）経過後に再送します。

　なお，CSMA/CD方式は，半二重通信の場合に使用する方式であり，全二重通信の場合は使用されません。

※ 現在のイーサネットでは，全二重通信を採用することがほとんどなので，CSMA/CD方式を使用することはほとんどない

CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方式とは

　CSMA/CA方式は，無線LANで使用されているアクセス制御方式です。データを送信したい端末は，伝送路（電波）の通信状況を確認し，他の端末から送信されたデータが流れていなければ，ランダムな時間だけ待機して送信を開始します（伝送路に他の端末から送信されたデータが流れていれば待機します）。データを受信したAP（アクセスポイント）は，ESS内のすべての無線LAN端末に対してACK（確認応答）を送信し，正しく届けられたことを伝えます。

※ 無線LANでは，衝突（コリジョン）を検出できないため，各端末がランダムな時間だけ待機して送信することにより衝突を回避する

トークンパッシング方式とは

　トークンパッシング方式は，バス型LANや，リング型LANで使用されているアクセス制御方式です。LAN内にトークンというデータを巡回させ，そのトークンを受け取った端末だけが送信権を獲得し，データを送信します。

※ バス型LANの場合はトークンバス方式，リング型LANの場合はトークンリング方式という

ARP（Address Resolution Protocol）とは

　ARPとは，IPアドレスを基に，NICに割り当てられたMACアドレスを調べるためのプロトコルです。

　イーサネットで通信する際には， IPアドレスを使用して通信相手を指定しますが，物理的に隣接ノード（中継ノードや通信相手となるノード）にデータを送る際には，MACアドレスを使用します。このとき，隣接ノードのMACアドレスは分かりませんのでARPにより調べ，ARPテーブルに設定する必要があります。

　通信相手が異なるネットワークに存在する場合は，デフォルトゲートウェイであるルーターにデータを送信しますが，このとき，MACアドレスが分からなければ，同じ方法でMACアドレスを調ます。

　具体的な流れについては，「インターネットへの接続と通信の流れ（インターネットへの接続方法と通信の仕組み）」を参照してください。

ARPテーブルとは（MACアドレス解決）

　ARPテーブルとは，IPアドレスと，ARPにより割り出したMACアドレスの対応を集めたもので，レイヤ3スイッチやルーター，サーバー，PCなど，IPアドレスを割り振られた機器が持っています。

RARP（Reverse Address Resolution Protocol）とは

　RARPは，IPアドレスを記憶できない端末が，MACアドレスを基にIPアドレスを調べるためのプロトコルです。

※ ほとんど使用されていない

まとめ

　今回は，LAN（ネットワークインタフェース層）のしくみについて，イーサネットを中心に通信の流れや伝送媒体，集線装置，MACアドレスなどの基本技術をシンプルにまとめてみました。ネットワークインタフェース層は，隣接する機器同士でデータをやり取りする役割を持ち，実際の通信ではEthernetによるフレーム転送やMACアドレスによる機器識別が重要になります。

　ネットワーク分野では多くの用語やしくみが登場しますが，大切なのは「どの層でどの役割を持つ技術なのか」を整理して理解することです。まずは，LANの基本的なしくみを押さえ，ネットワーク全体の通信の流れを理解できるようにしておきましょう。

• インターネットへの接続と通信の流れ
• OSI基本参照モデルとTCP/IPの基礎まとめ
• IP（インターネット層）の基礎まとめ
• TCP・UDP（トランスポート層）の基礎まとめ
• アプリケーションプロトコル（アプリケーション層）の基礎まとめ

　理解が進んだら，基本情報技術者試験の過去問題にもチャレンジしてみてください。

• ネットワーク方式・データ通信と制御・通信プロトコルの過去問・解説（LANへ）

※ このページでは読みやすさを考慮し「コンピューター」，「サーバー」など長音付きで表記していますが，試験では「コンピュータ」，「サーバ」と表記されます

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