Ethernet

Ethernetとは

家庭やオフィスなどで使われているローカルエリアネットワーク（内部ネットワーク）のプロトコルを指している。物理層とデータリンク層のデータ転送方式とフレームを規定している。

Ethernetのフレームと各要素の役割

フレームは送受信データの型のこととして理解する。

• プリアンブル（前置き）
  送信デバイスが受信デバイスに「送信するよ」を知らせるフィールド。
  形は「10101010」7個＋「10101011」1個（8バイト、64ビット）で、
  その特殊な形で受信側は「データが届く」と判断できる。
  
• 宛先、送信先MACアドレス
  デバイスごとにMACアドレスは違うので、一意性があり、ネットワークインターフェースカードなどに埋め込まれている。
  その6バイト、48ビットの識別IDで、受信側は受信したデータが自分宛なのか判断できる。違う場合、廃棄する。
  
• タイプ
  ネットワーク層でどのプロトコルを使っているのかを表す識別ID（6バイト、48ビット）。IPv4プロトコルだと0X0800、ARPプロトコルだと0X0806になる。
  
• ペイロード
  データそのものを表す。長さには46バイト～1500バイトという範囲がある。
  データは46バイト以下の場合、足りない分はパディングで補足する。
  1500バイト以上の場合、余った分は別のフレームで発送する。
  
• FCS
  ペイロードが送受信中に壊れたかどうかをチェックするためのフィールド（32ビット、4バイト）。送信側ではペイロードに対して、計算を行い、その結果を格納する。受信側ではもう一度ペイロードに対して計算を行い、その結果と送信側で出た結果と一致なのかを見る。違う場合、廃棄する。

Ethernetにより拡張されたプロトコル–PPPoe

• PPPoeとは
• PPPoeの動作

PPPoE（Point-to-Point Protocol over Ethernet）はEthernetでカプセル化したPPPということを指している。

そもそもPPPは一対一で通信路を作り、その上でIPパケットを送信するプロトコルだ。
PPPの役割はLCP（Link Control Protocol）、NCP（Network Control Protocol）、CHAP（Challenge Handshake Authentication Protocol）という三つのプロトコルで成り立っている。それぞれの役割は下記通り、
LCP：リンクの接続の管理
NCP：ネットワーク層とのネゴシエーションの管理
CHAP：ユーザ、パスワードの認証
例として、旧式のダイヤルアップ接続はPPPを利用していた。リモートで企業のネットワークに接続する用のVPNにも使われている。

PPPoEは、ISP（インターネットサービスプロバイダー）と接続する際に使用され、複数のユーザー認証とセッション管理を行うことができる。

PPPoeの動作

sequenceDiagram
    participant クライアント
    participant PPPoEサーバー

    Note over クライアント, PPPoEサーバー: ディスカバリステージ
    クライアント->>PPPoEサーバー: PADI（サービス発見要求）<br>「PPPoEサーバーはどこ？」
    PPPoEサーバー->>クライアント: PADO（サービス発見応答）<br>「ここにいるよ」
    クライアント->>PPPoEサーバー: PADR（サービス要求）<br>「接続してください」
    PPPoEサーバー->>クライアント: PADS（サービス確認）<br>「接続します」

    Note over クライアント, PPPoEサーバー: セッションステージ
    クライアント->>PPPoEサーバー: LCP（リンク設定要求）<br>「リンク設定を始めます」
    PPPoEサーバー->>クライアント: LCP（リンク設定応答）<br>「リンク設定を承認します」
    クライアント->>PPPoEサーバー: 認証要求（CHAP/PAP）<br>「ユーザー認証してください」
    PPPoEサーバー->>クライアント: 認証応答<br>「認証成功」

    クライアント->>PPPoEサーバー: IPCP（IP設定要求）<br>「IPアドレスを設定してください」
    PPPoEサーバー->>クライアント: IPCP（IP設定応答）<br>「IPアドレスを設定します」

    クライアント->>PPPoEサーバー: データ通信<br>「データを送信します」
    PPPoEサーバー->>クライアント: データ通信<br>「データを受信します」

    クライアント->>PPPoEサーバー: LCP終了要求<br>「セッションを終了します」
    PPPoEサーバー->>クライアント: LCP終了応答<br>「セッションを終了しました」

MACアドレスを求める用のプロトコル–ARP

レイヤ2で通信する時には、MACアドレスが必要だが、宛先のIPアドレスがわかっているが、MACアドレスがわかっていない場合、ARPプロトコルでMACアドレスを探し出す。

送信側はブロードキャストで「このIPアドレスアドレスを持っているデバイスがいるの？」と送信する。
そのIPアドレスを持っている受信側だけは返信し、フレームの送信元に自分のMACアドレスを付けるので、これで最初の送信側は宛先のMACアドレスを得て、もともと送信したいフレームにつけて、送信する。

sequenceDiagram
    participant 送信側
    participant 受信側

    Note over 送信側: 宛先IPアドレスはわかっているが、MACアドレスが不明
    送信側->>受信側: ARPリクエスト（ブロードキャスト）
    Note over 受信側: 自分のIPアドレスと一致する場合
    受信側->>送信側: ARPリプライ（ユニキャスト、「私です。これが私のMACアドレスです」）
    送信側->>送信側: ARPリプライを受信し、宛先MACアドレスを取得
    送信側->>受信側: もともと送信したいフレームを送信（MACアドレスを付与して）