フレームとは？データリンク層における通信単位の基礎知識
フレームとは、データリンク層における通信の基本単位であり、送信元および宛先の物理アドレス、エラーチェック用の情報、実際のデータを含む構造体です。
フレームはネットワーク上でデータを正確かつ効率的に伝送するために使用され、各ノードは受信したフレームを解析して必要な処理を行います。
エラーチェックには一般的に\(\text{CRC}\)(巡回冗長検査)が用いられ、データの整合性を保証します。
フレームの適切な管理と制御は、信頼性の高い通信を実現するために不可欠です。
フレームの基本
フレームは、コンピュータネットワークにおけるデータリンク層で使用される基本的な通信単位です。
データリンク層はOSI参照モデルの第2層に位置し、隣接するネットワークノード間での信頼性の高いデータ転送を担います。
この層では、データをフレームという単位に分割し、エラー検出やフロー制御を行うことで、効率的かつ正確な通信を実現します。
フレームは、送信元から受信先へデータを正確に届けるための枠組みを提供します。
各フレームには、データそのものに加えて、制御情報やアドレッシング情報が含まれており、これにより通信の管理やエラー処理が可能となります。
フレームの構造や処理方法は、使用するネットワークプロトコルや技術によって異なりますが、基本的な概念は共通しています。
フレームの構造と要素
フレームは、主に以下のような構造と要素で構成されています。
各要素は、データの転送や通信の管理において重要な役割を果たします。
| 要素名 | 説明 |
|---|---|
| プリアンブル | フレームの開始を示すための同期信号。受信側がデータの開始を認識するために使用されます。 |
| 宛先アドレス | フレームの受信者のアドレス。ネットワーク上でデバイスを一意に識別します。 |
| 送信元アドレス | フレームの送信者のアドレス。通信の出所を特定するために使用されます。 |
| タイプフィールド | ペイロードの種類やプロトコル情報を示すフィールド。どのプロトコルが使用されているかを識別します。 |
| ペイロード | 実際に転送されるデータ本体。ユーザーデータや制御情報が含まれます。 |
| CRC(巡回冗長検査) | フレーム内のデータの誤り検出用のチェック値。データの整合性を確認するために使用されます。 |
プリアンブル
プリアンブルはフレームの先頭に位置し、受信側がフレームの開始を検出し、データの同期を取るために使用されます。
一般的には、連続するビットパターンで構成されており、特定の長さとパターンがプロトコルによって規定されています。
アドレスフィールド
宛先アドレスと送信元アドレスは、ネットワーク内のデバイスを一意に識別するために使用されます。
これらのフィールドは、フレームが正確に目的のデバイスへ届けられるようにするために不可欠です。
アドレスの長さや形式は、使用されるネットワーク技術によって異なります。
ペイロードとプロトコルタイプ
ペイロードは、実際に転送されるデータの部分であり、例えばインターネットプロトコル(IP)のパケットやその他の高層プロトコルのデータが含まれます。
タイプフィールドは、このペイロードがどのプロトコルに属するかを示し、受信側が適切にデータを処理できるようにします。
エラーチェックフィールド
CRCフィールドは、フレーム全体のエラーチェックを行うために使用されます。
送信時に計算されたCRC値がフレームに付加され、受信側では再度CRCを計算して一致するかどうかを確認します。
一致しない場合、データに誤りが含まれていると判断され、再送要求が行われることがあります。
データリンク層におけるフレームの役割
データリンク層におけるフレームの主な役割は、物理層を通じて隣接するネットワークデバイス間での信頼性の高いデータ転送を実現することです。
具体的には、以下の機能を果たします。
エラーチェックと訂正
フレームはエラーチェック機能を持ち、データの伝送中に発生したビットエラーを検出します。
CRCフィールドなどを用いてデータの整合性を確認し、エラーが検出された場合には再送を要求することで、正確なデータ通信を保証します。
フロー制御
フロー制御は、送信側と受信側の間でデータの流れを調整する機能です。
受信側が処理できる速度に合わせて送信側がデータの送出を制御することで、データの溢れやバッファのオーバーフローを防ぎます。
これにより、効率的なデータ転送が可能となります。
アドレッシング
フレームには宛先アドレスと送信元アドレスが含まれており、ネットワーク上でのデバイスの識別とデータの目的地の特定を行います。
これにより、正確に目的のデバイスへデータを届けることが可能となります。
メディアアクセス制御
複数のデバイスが同一の物理メディアを共有する場合、フレームはメディアアクセス制御(MAC)機能を通じて、データの送信タイミングやアクセス権限を管理します。
これにより、データの衝突や干渉を最小限に抑えることができます。
フレーム制御とエラーチェック
フレーム制御とエラーチェックは、データリンク層における信頼性の高いデータ通信を実現するための重要な機能です。
これらの機能は、データの正確性と効率性を確保するために欠かせません。
フレーム制御
フレーム制御は、データの送受信を管理し、通信の効率を向上させるためのメカニズムです。
主な制御手法として以下が挙げられます。
- フロー制御: 送信側と受信側のデータ処理速度を調整し、過負荷やバッファの溢れを防ぎます。代表的な手法には、ストップ・アンド・ウェイト方式やスライディングウィンドウ方式があります。
- メディアアクセス制御(MAC): 複数のデバイスが共有する物理メディア上でのデータ送信を調整します。CSMA/CD(キャリア感知多重アクセス/衝突検出)やCSMA/CA(キャリア感知多重アクセス/衝突回避)などのプロトコルが用いられます。
エラーチェック
エラーチェックは、データ伝送中に発生する可能性のある誤りを検出し、必要に応じて訂正を行うための仕組みです。
主なエラーチェック手法には以下があります。
- 巡回冗長検査(CRC): フレーム全体のビットパターンを特定の生成多項式で割り、余りをCRCフィールドとして付加します。受信側では同じ計算を行い、余りが一致するかを確認することでエラーを検出します。
- パリティチェック: 各バイトやビット列に対してパリティビットを設定し、偶数パリティや奇数パリティを用いて誤りを検出します。ただし、単一ビットの誤りしか検出できないため、CRCに比べて精度は低いです。
- チェックサム: フレーム内のデータを一定の規則で合計し、その結果をチェックサムとして付加します。受信側でも同様の計算を行い、一致するかを確認します。複数ビットの誤りにも対応可能ですが、CRCほどの検出能力はありません。
エラーチェックに加えて、エラーが検出された場合の対処方法として、再送要求(ARQ: Automatic Repeat reQuest)やフォワードエラー訂正(FEC: Forward Error Correction)などが採用されます。
これらの手法により、信頼性の高いデータ通信が維持されます。
まとめ
この記事では、データリンク層におけるフレームの基本からその構造、役割、そして制御やエラーチェックの方法について詳しく説明しました。
フレームがネットワーク通信の信頼性と効率性を支える重要な要素であることが理解できたでしょう。
今後のネットワーク設計やトラブルシューティングに役立てて、さらに実践的な知識を身につけてください。