いにしえのネットワーク入門

• ケーブルの上の姿 ── Wireshark に見えない前後のバイト、検査用の FCS を計算で確かめる
• ビットを信号に ── 1 バイトの中のビットの送る順、10BASE-T・100BASE-TX・1000BASE-T の違い
• 3つの通り道 ── LAN ケーブル（銅線）、光ファイバー（光）、Wi-Fi（電波）
• 速さの本当の意味 ── 練習用ネットワークの「ケーブル」を 10 M・100 M・1 G に変えて測る

物理層の仕事は、ひとことで言えば0 と 1 を、相手に届く形の信号にすることです。銅線なら電圧、光ファイバーなら光の明るさ、Wi-Fi なら電波の変化。受け手は、その信号を決まった間隔で読み取って、0 と 1 に戻します。

そのために、物理層の規格は細かいところまで決めています。コネクターの形とピンの並び、ケーブルの種類と長さ、電圧や光の波長、1 ビットに何秒使うか、そして受け手がどうやって送り手と時計を合わせるか。逆に、物理層は中身を知りません。ビットが IP なのか JSON なのか、気にしないのです。

ここで単位を1つ。回線の速さは bps（bits per second、1秒に何ビット）で数えます。ファイルの大きさはバイトで数えるので、8 で割るのを忘れずに。1 Gbps の回線でも、1秒に運べるのは最大 125,000,000 バイト（約 125 MB）です。

第1回で Wireshark に見えた申請は 266 バイトでした。でもケーブルの上では、その前後にもう少し付いています。

先頭のプリアンブルは、0 と 1 が交互に並んだ 7 バイト（16 進数で 55）です。受け手はこれを聞いて、送り手の時計に合わせます。続く SFD（d5）が「ここからフレーム」の合図。最後の FCS は、途中で壊れていないかを確かめる 4 バイトの検査用の数で、CRC-32 という計算で作ります。フレームのあとには、最低 12 バイトぶんの休みを入れる決まりです。

FCS は、送る側の NIC（ネットワークの部品）が付け、受け取る側の NIC が確かめてから外すので、ふつう Wireshark には見えません。そこで、第1回の 266 バイトから実際に計算してみました。

# 第1回の 266 バイト（8番の申請）から、ケーブルの最後に付く FCS を計算する
>>> import zlib
>>> frame = bytes.fromhex('020000000101 0200000001100800 4500 …')  # 266 バイト
>>> hex(zlib.crc32(frame))
'0xa27156ea'
>>> fcs = zlib.crc32(frame).to_bytes(4, 'little')   # ケーブルには ea 56 71 a2 の順で付く
>>> hex(zlib.crc32(frame + fcs))
'0x2144df1c'   # 受け取った側の検算。壊れていなければ、いつもこの値
# 途中で 1 ビットだけ化けて、46851 が 56851 になったら……
>>> broken = frame.replace(b'46851', b'56851')
>>> hex(zlib.crc32(broken + fcs))
'0xce86b422'   # 値が合わない → このフレームは捨てられる（上の層には渡らない）

1 ビットでも化けると、検算の値が合わなくなり、そのフレームは黙って捨てられます。物理層とデータリンク層は「壊れたものを届けない」ところまでで、送り直しはしません。送り直すのは、第6回の TCP の仕事です。

ビットを信号にするとき、まず気をつけたいのが送る順です。Ethernet は、バイトは先頭から順に送りますが、1 バイトの中では小さい位のビットから送ります。SFD の d5 は 2 進数で 11010101 ですが、ケーブルには 1,0,1,0,1,0,1,1 の順で出ていきます。

1 を高、0 を低にするだけの「そのまま」の形だと、0 が長く続いたところで、受け手は何ビットぶん続いたのか数えにくくなります（時計がずれていく）。そこで 10BASE-T はマンチェスター符号を使い、毎ビットの真ん中で必ず向きを変えます。受け手はその変わり目で時計を合わせ直せます。そのかわり、信号は2倍の速さで変わることになります。

速い規格ほど、この工夫は凝っています。

1000BASE-T が 100BASE-TX と同じ「1秒に1億2500万回」の変化で10倍速いのは、線を2倍（4ペア）にし、1回に運ぶ情報を増やし（5段階）、さらに同じペアで送りと受けを同時に行っているからです。自分の送った信号の跳ね返りを差し引く「エコー消去」という技で、これを可能にしています。

いちばん身近な通り道は、LAN ケーブル（より対線）です。中には8本の銅線が入っていて、2本ずつより合わされた4つのペアになっています。

なぜよるのか。2本の線に「プラス」と「マイナス」の逆向きの信号を流し、受け手は2本の差を読みます。外から雑音が来ると、よってある2本には同じように乗るので、差をとると消えます。よりの細かさ（とシールド）の違いが、ケーブルの「カテゴリ」の違いです。

家やオフィスなら、いま買うなら Cat6A を選んでおけば困りません。どのカテゴリも、つなげる長さは100 m までが基本です。それより遠くへは、次の光ファイバーを使います。

光ファイバーは、髪の毛ほどのガラスの中に光を閉じこめて運びます。電気を使わないので雑音に強く、遠くまで届きます。建物と建物、データセンターの中、海の底のケーブルまで、長い距離はほとんど光です。

スイッチの側では、SFP という差しかえ式の部品で光と電気を変換します。同じスイッチでも、挿す SFP を変えれば、マルチモードにもシングルモードにも、銅線にもつなげます。

ガラスの中の光は、真空の約3分の2の速さで進みます。1 km 進むのに約 5 マイクロ秒。この数字は、九でもう一度使います。

Wi-Fi は、電波でビットを運ぶ物理層です（データリンク層の決まりも一緒に IEEE 802.11 で決めています）。世代ごとに、こう速くなってきました。

日本では 2022年9月2日から、6 GHz 帯のうち 5925〜6425 MHz が無線 LAN に使えるようになりました。Wi-Fi 7 の認証は 2024年1月に始まっています。

ただし、表の数字は「条件がすべてそろったときの理論上の最大」です。電波は空中をみんなで分け合うので、同時には1台しか話せません（半二重）。壁や距離で弱まり、隣の家の Wi-Fi ともぶつかります。速さが大事な機械や、デスクに据えた PC は、ケーブルでつなぐのがいちばん確実です。

ケーブルを何本もまとめる箱には、2種類あります。古いハブは、ある口に来た信号を、ほかの全部の口にそのまま流す、物理層の機械です。

ハブにつながった機械は、1本の線を全員で分け合っているのと同じです。2台が同時に送ると信号がぶつかる（衝突）ので、送る前に線が空いているか聞き、ぶつかったら少し待って送り直す、という決まり（CSMA/CD）で譲り合っていました。

いまのスイッチは、宛先の MAC アドレスを見て、その相手がいる口にだけ流します（第3回でくわしく）。口ごとに道が分かれているので、ぶつかりません。送りと受けを同時に行う全二重が当たり前になり、衝突の心配はほぼ過去のものになりました。

口の上のランプは、物理層の「つながっている」のしるしです（リンク）。ケーブルを挿すと、両端の機械は自分の使える速さと方式を教え合い（オートネゴシエーション）、いちばん速い組み合わせを選びます。だから、ランプが点くのに少し時間がかかります。

冒頭の問いに戻ります。1 Gbps の回線は、10 Mbps より何倍速いのか。第1回の練習用ネットワークで、ルーターの両側に「1秒に何ビットまで」の栓をして、ケーブルの速さを 10 M・100 M・1 G に変えて測りました（Linux の tc という機能です）。

# ルーターの両側の口に「1秒に 10 メガビットまで」の栓をする（tbf）
$ tc qdisc add dev lan0 root tbf rate 10mbit burst 15kb latency 100ms
$ tc qdisc add dev wan0 root tbf rate 10mbit burst 15kb latency 100ms
# 100 Mbps、1 Gbps も同じように。外せば元に戻る

測ったのは2つ。500 万バイトのファイルのダウンロードと、第1回と同じ1回の申請（POST）です。

大きなダウンロードは、速さに比例して 4.175 秒 → 0.416 秒 → 0.042 秒と、ちょうど100倍速くなりました（実際に出た速さは 9.6・96.3・951.2 Mbps。見出しの分だけ、回線の速さより少し下がります）。ところが申請のほうは 1.21 → 1.07 → 1.03 ミリ秒で、1.2倍にしかなりません。266 バイトは、10 Mbps でも 0.2 ミリ秒ほどで流れ切ってしまうからです。

回線の速さには、太さ（帯域）と長さ（遅延）の2つがあります。この練習用ネットワークは1台の機械の中なので「長さ」がほぼ 0 ですが、本物のネットワークでは、光が進む時間だけでもこれだけかかります（光ファイバーで 1 km あたり約 5 マイクロ秒として計算した、理論上の下限）。

実際のケーブルはまっすぐではなく、途中のルーターでも待つので、本当の値はこれより大きくなります。どれだけ回線を太くしても、光の速さは変わりません。小さな API 呼び出しを速くしたければ、往復の回数を減らすか、サーバーを近くに置く。バックエンドを作るときに効いてくる考え方です。

ちなみに、第1回からの練習用ネットワークの「ケーブル」を調べると、こう名乗りました。

# 第1回の練習用ネットワークの PC 側の「ケーブル」を ethtool で見る
$ ethtool eth0
    Speed: 10000Mb/s
    Duplex: Full
    Auto-negotiation: off
    Port: Twisted Pair
    Link detected: yes
$ ethtool -i eth0
    driver: veth
# veth＝ソフトウェアの中だけの仮想のケーブル。速さも「より対線」も名目

自分の PC がどの速さでつながっているかは、こうして見られます。

物理層の故障は、ほかの層からは「なんとなく遅い」「ときどき切れる」に見えます。よくあるものを並べておきます。