物理層とデータリンク層

OSIモデルは、ハードウェアに最も近い部分から下位層として始まります。第1層は物理層、第2層はデータリンク層です。この2つの層が連携して、生のビットを伝送媒体に送り、同じローカルネットワーク上の次のデバイスへ確実に届けます。この2層は、それ以外のすべての層を支える基盤であり、電気信号や光信号を利用可能なフレームに変換します。

物理層は、ビットを信号として実際に伝送する処理を担当します。ケーブル、コネクタ、電圧レベル、光パルス、電波などが対象です。物理層が扱うのは、生の1と0を伝送媒体上で移動させることだけであり、アドレスや意味は理解しません。ケーブルやポートのように物理的に触れられるものは、物理層に属します。

第1層では、データは物理信号としてエンコードされたビットのストリームにすぎません。銅線ではビットは電圧の変化、光ファイバーでは光のパルス、Wi-Fiでは電波として表されます。物理層は1と0をどのように表現するかを定義し、通信の両端が同じ認識を持てるようにします。これを誤るとビットが正しく届かないため、それより上位の層は機能できません。

データリンク層は、生のビットをフレームと呼ばれる構造化された単位にまとめ、ローカルアドレスとエラーチェック情報を追加します。役割は、同じローカルネットワークセグメント上にある2台のデバイス間でデータを確実に届けることです。第1層が信号を送るだけなのに対し、第2層はその信号に構造と宛先を与え、ローカル通信を確実なものにします。

フレームは、データリンク層で扱う単位です。データをヘッダーとトレーラーで包み、そこに送信元と宛先のハードウェアアドレス、およびエラーチェック値を含めます。ヘッダーは、次のデバイスにフレームの受信者を知らせます。トレーラーによって、受信側はフレームが損なわれずに届いたことを確認できます。フレーミングとは、第2層がビットをローカル配送用にパッケージ化する仕組みです。

第2層では、ローカルネットワーク上のデバイスを識別するためにMACアドレス（Media Access Control）を使用します。MACアドレスはネットワークアダプターにあらかじめ書き込まれた一意のハードウェアアドレスで、16進数2桁の組を6つ並べて表記します。IPアドレスとは異なり、MACアドレスはローカルなもので、物理デバイスに結び付いています。スイッチはMACアドレスを使って、LAN上の正しいポートへフレームを届けます。

データリンク層は、フレームチェックシーケンスと呼ばれるトレーラー内の値を使って、各フレームにエラーがないか確認します。受信側はこの値を再計算して比較し、異なっていればフレームが破損したと判断して破棄します。これにより、電気的なノイズや干渉による損傷を検出できます。第2層のエラー検出によって、破損したデータが気付かれないまま上位層に影響を及ぼすことを防ぎます。

データリンク層は2つの部分に分かれます。MACサブレイヤーは、媒体へのアクセスを制御し、ハードウェアアドレスを扱います。LLC（Logical Link Control）サブレイヤーは、上位層との通信を管理します。この分割により、1つの上位インターフェースでさまざまな物理技術を利用できます。ハードウェアアドレスと媒体アクセスを担うのがMACサブレイヤーです。

主にこれらの層で動作するデバイスがあります。ハブと単純なケーブルは第1層で動作し、信号をそのまま移動させます。スイッチは第2層で動作し、MACアドレスを読み取って正しいポートへフレームを転送します。デバイスがどの層で動作するかを知ることは、そのデバイスに何ができて何ができないかを判断するうえで重要です。これはネットワークの設計やトラブル対応に欠かせません。

第1層と第2層が扱うのは、1つのローカルネットワーク内の通信だけです。MACアドレスはグローバルなルーティング用に設計されていないため、別々のネットワーク間でデータを転送することはできません。あるネットワークから別のネットワークへ移動するには、第3層とIPアドレスが必要です。この境界があるからこそ上位層が存在し、異なるネットワークを接続するのはスイッチではなくルーターになります。

物理層は媒体上で生のビットを信号として送り、データリンク層はそれらのビットをMACアドレスとエラーチェック情報を含むフレームにまとめて、ローカルネットワーク内で確実に届けます。ハブは第1層、スイッチは第2層に位置します。この下位2層が連携することで、電気信号や光信号が、同じネットワーク上の隣接デバイス間で信頼できる通信になります。

データリンク層は、物理層から受け取った生のビットに何を追加しますか？

物理層（第1層）は、ケーブル、光ファイバー、電波を通じて生のビットを信号として伝送します。データリンク層（第2層）は、ビットをフレームにまとめ、MACアドレスとエラー検出用のフレームチェックシーケンスを付加して、ローカルネットワーク内で確実に届けます。第2層にはMACとLLCのサブレイヤーがあります。ハブは第1層、スイッチは第2層で動作します。これらの層が扱うのはローカル通信だけであり、ネットワーク間を移動するには第3層が必要です。