Ethernetとは｜規格と速度・フレーム構造・MACアドレス・CSMA/CD

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この記事の要点

Ethernet は LAN で最も普及している有線通信規格。IEEE 802.3 で標準化されている
OSI 参照モデルのデータリンク層（と物理層の一部）に該当し、MAC アドレスでノードを識別する
基本単位はイーサネットフレーム。宛先 MAC / 送信元 MAC / タイプ / ペイロード / FCS の構造
速度は 10Mbps（10BASE-T）→ 100Mbps（100BASE-TX）→ 1Gbps（1000BASE-T）→ 10Gbps / 25 / 40 / 100 / 400Gbps と進化
初期は CSMA/CD（衝突検出付き多重アクセス）が必須だったが、全二重スイッチ時代の現在は事実上廃止された

Ethernet とは

Ethernet（イーサネット）は、現在の有線 LAN で最も広く使われている通信規格です。1973 年に Xerox PARC の Robert Metcalfe らが開発し、1983 年に IEEE 802.3 として標準化されました。家庭・オフィス・データセンターまで、ローカルエリアネットワークの基盤として圧倒的なシェアを占めています。

OSI 参照モデルではデータリンク層（第 2 層）と物理層（第 1 層）の一部を担います。上位の IP は Ethernet の上に乗って動いており、PC やスマホがネットに繋がる土台になっています。

イーサネットフレーム構造

Ethernet で実際に流れるデータの単位をイーサネットフレームと呼びます。代表的な「Ethernet II」形式の構造は次の通りです。

フィールド	長さ	説明
プリアンブル	7 バイト	同期信号（`10101010` の繰り返し）
SFD	1 バイト	フレーム開始識別子（`10101011`）
宛先 MAC アドレス	6 バイト	受信側ノードの MAC
送信元 MAC アドレス	6 バイト	送信側ノードの MAC
タイプ	2 バイト	上位プロトコル（0x0800=IPv4、0x86DD=IPv6、0x0806=ARP）
ペイロード	46〜1500 バイト	実データ。下限割れはパディングで埋める
FCS（CRC32）	4 バイト	誤り検出用チェックサム

標準的なペイロード上限 1500 バイトを MTU（Maximum Transmission Unit）と呼びます。ジャンボフレーム対応のスイッチや NIC では 9000 バイト程度まで拡張できます。

MAC アドレス

各 Ethernet ノードは 48 ビット（6 バイト）の固有識別子 MAC アドレスを持ちます。出荷時に NIC（Network Interface Card）に焼き込まれており、世界で一意になるよう IEEE が管理しています。

例: 00:1A:2B:3C:4D:5E
    └──┬──┘ └──┬──┘
       OUI       NIC固有
   (ベンダ識別)  (シリアル)

主な規格と速度

規格	速度	媒体	主な用途
10BASE-T	10 Mbps	UTP Cat3+	初期 LAN（現役引退）
100BASE-TX	100 Mbps	UTP Cat5	家庭・小規模オフィス
1000BASE-T	1 Gbps	UTP Cat5e/Cat6	現代の家庭 LAN の主流
10GBASE-T	10 Gbps	UTP Cat6a/Cat7	サーバ / NAS / 高速 PC
10GBASE-SR/LR	10 Gbps	光ファイバ	データセンター内
25/40/100/400GBASE	25〜400 Gbps	光ファイバ	データセンター / バックボーン

ケーブル種別の選び方

カテゴリ	対応速度	用途
Cat5e	1Gbps（〜100m）	一般的な家庭 LAN
Cat6	1Gbps（100m）/ 10Gbps（55m まで）	家庭で 10G を準備したい場合
Cat6a	10Gbps（100m）	10G を本格運用する場合の最低ライン
Cat7 / Cat7a	10Gbps（100m）	シールド付き。長距離・ノイズ環境向け
Cat8	40Gbps（30m）	データセンタ短距離

CSMA/CD と全二重化の歴史

初期の Ethernet は同軸ケーブル / リピータハブによる半二重共有メディアでした。複数台が同時送信すると衝突するため、衝突を検出して再送する仕組みが CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection）です。

その後スイッチングハブ＋ツイストペアの普及で全二重動作が当たり前になり、同一セグメント内でも衝突が起きなくなりました。CSMA/CD は IEEE 802.3 規格上は残っていますが、現代の機器では事実上動作しません。

Wi-Fi との関係

Wi-Fi（IEEE 802.11）は無線版の LAN ですが、フレーム形式やアドレス体系の一部を Ethernet と共通化しているため、ブリッジ（Wi-Fi ルータ）を介して透過的に相互接続できます。実装面では「Wi-Fi で受け取ったフレームを Ethernet フレームに変換して有線へ流す」というだけの設計です。

確認・設定でよく使うコマンド

# Linux ─ NIC の状態
ip link show
ethtool eth0

# macOS ─ 速度確認
networksetup -getMedia "Ethernet"

# Windows ─ MAC アドレス / リンク速度
ipconfig /all
Get-NetAdapter

VLAN ─ 同じ物理 LAN を論理的に分ける

1 本の Ethernet ケーブル / 1 台のスイッチを複数の論理ネットワークに分ける仕組みが VLAN（IEEE 802.1Q）です。フレームに 4 バイトの VLAN タグを差し込み、スイッチがタグごとに転送先を分けます。オフィスで「総務 LAN」「開発 LAN」「ゲスト LAN」を 1 台のスイッチで共存させるなど、設計の自由度が大きく上がります。

PoE ─ 電源も同時に供給

PoE（Power over Ethernet、IEEE 802.3af / at / bt）は、Ethernet ケーブルでデータ通信と電源供給を同時に行う規格です。Wi-Fi アクセスポイント、IP カメラ、IP 電話など、AC コンセントから遠い機器に電源コードを別途引かずに済みます。

規格	供給電力	用途例
PoE (802.3af)	15.4W	IP 電話、低消費 AP
PoE+ (802.3at)	30W	Wi-Fi 6 AP、PTZ カメラ
PoE++ (802.3bt Type 3)	60W	ノートPC ドック、デジタルサイネージ
PoE++ (802.3bt Type 4)	90W	シンクライアント、LED 照明

Wake on LAN

電源 OFF（または S5 スリープ）状態の PC を、別 PC から特定の「マジックパケット」を Ethernet 経由で送って起動する仕組みが Wake on LAN（WoL）です。リモートメンテナンスや NAS のオンデマンド起動に使われます。BIOS / UEFI で WoL を有効化し、OS 側でも NIC の電源管理を許可する必要があります。

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