タイトル: ネットワークインターフェース層(リンク層)(第1層)
SEOタイトル: TCP/IP リンク層 (ネットワークインターフェース層) 完全ガイド
| この記事の要点 |
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TCP/IP 4 層モデルにおける位置づけ
インターネットの通信は階層化されたプロトコル群で実現されています。TCP/IP 4 層モデルでは、最下層に ネットワークインターフェース層 (リンク層、Link Layer) が位置し、物理的な媒体を通じて隣接ノード間でデータを運ぶ役割を担います。
| TCP/IP 4 層 | OSI 7 層 | 主なプロトコル / 規格 | 主な機器 |
|---|---|---|---|
| アプリケーション層 | 第7-5層 | HTTP, HTTPS, DNS, SMTP, FTP, SSH | Web サーバ, ブラウザ |
| トランスポート層 | 第4層 | TCP, UDP, QUIC | L4 ロードバランサ |
| インターネット層 | 第3層 | IP (IPv4/IPv6), ICMP, IGMP | ルータ, L3 スイッチ |
| ネットワークインターフェース層 | 第2-1層 | Ethernet, Wi-Fi, PPP, ARP | HUB, スイッチ, ブリッジ, AP, NIC |
TCP/IP のリンク層は、OSI 参照モデルのデータリンク層 (第2層) と物理層 (第1層) を統合した位置づけです。問題文に「第1層」とあるのはこの統合の慣習に由来します。
この層が解決する課題
- 物理媒体の差を吸収: 銅線 (Cat5e/Cat6/Cat7)、光ファイバ、無線 (2.4GHz/5GHz/6GHz)、Bluetooth など、上位層からは「同じインターフェース」として見える
- フレーミング: ビット列を 1 つの「フレーム」単位に区切り、誤りなく受信側へ届ける
- MAC アドレス指定: 同一セグメント内で「誰宛のフレームか」を識別
- 媒体アクセス制御 (MAC): 1 本の媒体を複数ノードで共有するとき衝突を回避
- 誤り検出: ノイズで化けたフレームを FCS (Frame Check Sequence) で検出して破棄
代表規格 1: Ethernet (IEEE 802.3)
有線 LAN の事実上の標準。1980 年に Xerox / DEC / Intel で開発され、IEEE 802.3 として標準化されました。
| 規格 | 速度 | 媒体 | 主な用途 |
|---|---|---|---|
| 10BASE-T | 10 Mbps | UTP Cat3+ | レガシー |
| 100BASE-TX | 100 Mbps | UTP Cat5 | 2000 年代の標準 |
| 1000BASE-T (GbE) | 1 Gbps | UTP Cat5e+ | 現在の家庭/オフィス標準 |
| 2.5GBASE-T / 5GBASE-T | 2.5/5 Gbps | UTP Cat5e+ | Wi-Fi 6 のバックホール |
| 10GBASE-T | 10 Gbps | UTP Cat6A | サーバ/データセンタ |
| 10GBASE-SR/LR | 10 Gbps | 光ファイバ | 長距離/データセンタ |
| 25/40/100/400GbE | 25-400 Gbps | 光ファイバ | データセンタ間 |
Ethernet フレーム構造
+----------+--------+--------+--------+-----------+--------+
| Preamble | DstMAC | SrcMAC | Type | Payload | FCS |
| (8B) | (6B) | (6B) | (2B) | (46-1500) | (4B) |
+----------+--------+--------+--------+-----------+--------+
^ ^
EtherType CRC32
0x0800 = IPv4
0x0806 = ARP
0x86DD = IPv6
0x8100 = VLAN タグ (802.1Q)
0x88CC = LLDP
ペイロード最大 1500 バイト = MTU (Maximum Transmission Unit)
Jumbo Frame 利用時は 9000 バイト代表規格 2: Wi-Fi (IEEE 802.11)
| 規格 | 通称 | 最大速度 | 周波数 | 登場 |
|---|---|---|---|---|
| 802.11b | - | 11 Mbps | 2.4GHz | 1999 |
| 802.11g | - | 54 Mbps | 2.4GHz | 2003 |
| 802.11n | Wi-Fi 4 | 600 Mbps | 2.4/5GHz | 2009 |
| 802.11ac | Wi-Fi 5 | 6.9 Gbps | 5GHz | 2014 |
| 802.11ax | Wi-Fi 6 / 6E | 9.6 Gbps | 2.4/5/6GHz | 2019 |
| 802.11be | Wi-Fi 7 | 46 Gbps | 2.4/5/6GHz | 2024 |
有線と異なり「衝突検出」が困難なため、Wi-Fi は CSMA/CA (Collision Avoidance) を採用します。送信前に媒体が空くまで待つ + ランダム待機 (バックオフ) + ACK で受信確認、という方式です。
MAC アドレス
NIC (Network Interface Card) に焼き込まれた 48 ビットの一意な識別子。OUI (前半 24bit) + シリアル (後半 24bit) で構成されます。
例: 00:1A:2B:3C:4D:5E
└──┬──┘ └──┬──┘
OUI シリアル
(ベンダ識別 / IEEE 割当)
# Windows
ipconfig /all | findstr "Physical"
getmac /v
# Linux
ip link show
ifconfig
# macOS
ifconfig en0 | grep ether
networksetup -getmacaddress en0
# 仮想化された MAC (随機化)
Windows 10+: 設定 → ネットワーク → ランダムなハードウェアアドレス
iOS 14+: プライベート Wi-Fi アドレス (デフォルト ON)ARP (Address Resolution Protocol)
IP アドレスから MAC アドレスを解決するプロトコル。リンク層と上のインターネット層を繋ぐ役割です。
通信フロー:
1. PC-A (192.168.1.10) が PC-B (192.168.1.20) に IP パケット送信したい
2. PC-A は ARP テーブルに 192.168.1.20 の MAC が無い
3. PC-A はブロードキャスト ARP Request を送信
「Who has 192.168.1.20? Tell 192.168.1.10」
4. PC-B が ARP Reply を返す
「192.168.1.20 is at 00:1A:2B:3C:4D:5E」
5. PC-A は ARP テーブルにキャッシュ (デフォルト数分)
6. 以降のフレームは PC-B の MAC 宛にユニキャスト送信
# ARP テーブル確認
arp -a # Windows / Linux / macOS 共通
ip neigh # Linux 推奨L2 機器: HUB / ブリッジ / スイッチ
| 機器 | 動作 | 用途 |
|---|---|---|
| リピータ HUB | 全ポートにフレーム再送 (コリジョン発生) | レガシー、現在ほぼ無し |
| ブリッジ | MAC アドレスを学習して該当ポートのみへ転送 | L2 セグメント分割 |
| L2 スイッチ | ブリッジの多ポート版 (ハードウェア処理) | 現在の標準 LAN 機器 |
| L3 スイッチ | L2 スイッチ + ルーティング機能 | VLAN 間ルーティング |
VLAN (Virtual LAN) / IEEE 802.1Q
1 台のスイッチを論理的に複数の LAN に分割する技術。Ethernet フレームに 4 バイトの VLAN タグを挿入します。
通常 Ethernet:
| DstMAC | SrcMAC | EtherType=0x0800 | Payload | FCS |
802.1Q タグ付き:
| DstMAC | SrcMAC | 0x8100 | TPID/VID | EtherType | Payload | FCS |
└──────┬──────────┘
VLAN タグ (12bit VID = 0-4095)
# Cisco IOS 設定例
interface GigabitEthernet0/1
switchport mode access
switchport access vlan 10 # 営業部 VLAN
interface GigabitEthernet0/24
switchport mode trunk
switchport trunk allowed vlan 10,20,30STP (Spanning Tree Protocol) / IEEE 802.1D
L2 ループを自動検知・回避するプロトコル。冗長構成のスイッチネットワークで必須です。BPDU (Bridge Protocol Data Unit) を交換してツリー構造を構築します。
- STP (オリジナル): 収束に最大 50 秒
- RSTP (Rapid STP) / 802.1w: 数秒で収束
- MSTP (Multiple STP) / 802.1s: VLAN ごとにツリー
- PVST+ (Cisco 独自): 各 VLAN ごとの STP
PoE (Power over Ethernet) / IEEE 802.3af/at/bt
Ethernet ケーブル経由で電源供給する技術。IP 電話、無線 AP、監視カメラの設置を簡素化します。
| 規格 | 通称 | 最大電力 |
|---|---|---|
| 802.3af | PoE | 15.4W |
| 802.3at | PoE+ | 30W |
| 802.3bt Type 3 | PoE++ | 60W |
| 802.3bt Type 4 | PoE++ / 4PPoE | 90W (Wi-Fi 6 AP, PTZ カメラ) |
CSMA/CD と CSMA/CA
| 方式 | 用途 | 仕組み |
|---|---|---|
| CSMA/CD (Collision Detection) | 有線 Ethernet (半二重) | 送信中に衝突検出 → ランダム時間後再送。現代の全二重スイッチでは事実上無効 |
| CSMA/CA (Collision Avoidance) | 無線 LAN (Wi-Fi) | 送信前に媒体空き確認 + バックオフ + ACK で受信確認。衝突検出が物理的に困難なため回避型 |
FCS (Frame Check Sequence)
Ethernet フレーム末尾の 4 バイト CRC32 値。ノイズで化けたフレームを検出します。FCS エラーが多発する場合はケーブル不良 / 電磁ノイズ / NIC 故障を疑います。
# Linux でインターフェース統計確認
ip -s link show eth0
# RX errors: 0 dropped: 0 CRC: 0 ← CRC が増えるとケーブル/NIC 問題
# Cisco でインターフェース確認
show interfaces GigabitEthernet0/1
# CRC, frame, runts, giants が増えていれば物理層異常FAQ
Q: TCP/IP 4 層モデルの「リンク層」と OSI 7 層モデルの「データリンク層」は同じ？
A: 厳密には違います。TCP/IP の「ネットワークインターフェース層」は OSI のデータリンク層 + 物理層を統合した範囲を指します。Ethernet 規格自体も MAC 副層 + 物理副層を含みます。
Q: ARP は何層のプロトコル？
A: 議論があります。IP アドレスを扱うのでインターネット層と解釈する人もいますが、フレーム単位で動作し MAC アドレスを解決するため、一般的にはリンク層に分類されます。RFC 1122 もリンク層とします。
Q: MAC アドレスは変更できる？
A: 焼き込みアドレスは原則変更不可ですが、OS 層で上書き可能 (MAC スプーフィング)。Windows 10+ や iOS はプライバシー保護のため、Wi-Fi 接続時に MAC をランダム化します。