媒体アクセス制御

IEEE 802 LAN/MAN 標準では、メディア アクセス制御( MAC ) は、メディア アクセス制御とも呼ばれ、有線(電気または光) または無線伝送メディアとのやり取りを担当するハードウェアを制御する層です。 MAC サブ層と論理リンク制御(LLC) サブ層が一緒になってデータ リンク層を構成します。 LLC は論理リンク ( EtherType、802.1Q VLAN タグなど) のフロー制御と多重化を提供し、 MAC は伝送メディアのフロー制御と多重化を提供します。

これら 2 つのサブレイヤーは、OSI モデルの第 2 レイヤーに対応します。互換性の理由から、LLC はIEEE 802.3の実装ではオプション(フレームは「生」) ですが、他の IEEE 802 物理レイヤー標準の実装では必須です。OSI モデルと IEEE 802 標準の階層内では、MAC サブレイヤーは物理レイヤーの制御抽象化を提供し、物理リンク制御の複雑さが LLC とネットワーク スタックの上位レイヤーには見えません。したがって、任意の LLC サブレイヤー (および上位レイヤー) を任意の MAC で使用できます。次に、メディア アクセス制御ブロックは、メディアに依存しないインターフェイスを介してPHYに正式に接続されます。今日では、MAC ブロックは通常、同じデバイス パッケージ内で PHY と統合されていますが、歴史的には、伝送メディアに関係なく、任意の MAC を任意の PHY で使用できました。

ネットワーク上の別のデバイスにデータを送信する場合、MAC サブレイヤーは、上位レベルのフレームを伝送媒体に適したフレームにカプセル化し (つまり、MAC は同期ワード プリアンブルを追加し、必要に応じてパディングも追加します)、フレーム チェック シーケンスを追加して伝送エラーを識別し、適切なチャネル アクセス メソッドが許可するとすぐにデータを物理レイヤーに転送します。衝突ドメインを持つトポロジ(バス、リング、メッシュ、ポイントツーマルチポイント トポロジ) の場合、衝突を回避するために、いつデータを送信するか、いつ待機するかを制御する必要があります。さらに、MAC は、ジャム信号が検出されると再送信を開始して衝突を補正する役割も担っています。物理レイヤーからデータを受信する場合、MAC ブロックは送信者のフレーム チェック シーケンスを検証してデータの整合性を確保し、データを上位レイヤーに渡す前に送信者のプリアンブルとパディングを取り除きます。

IEEE Std 802-2001セクション6.2.3「MACサブレイヤー」によれば、MACレイヤーによって実行される主な機能は次のとおりです。^[2]

• フレームの区切りと認識
• 宛先ステーションのアドレス指定（個々のステーションとステーションのグループの両方）
• 送信局アドレス情報の伝達
• LLC PDU の透過的なデータ転送、またはイーサネット サブレイヤー内の同等の情報の転送
• 一般的にはフレームチェックシーケンスの生成とチェックによるエラー防止
• 物理的な伝送媒体へのアクセスの制御

イーサネットの場合、MACに求められる機能は以下の通りである。^[3]

• 通常のフレームを受信/送信する
• 半二重再送信およびバックオフ機能
• FCS（フレームチェックシーケンス）の追加/チェック
• フレーム間ギャップの強制
• 不正なフレームを破棄する
• プリアンブル、SFD（開始フレーム区切り文字）、パディングを付加（送信）/削除（受信）する
• 半二重互換性: MAC アドレスの追加(tx)/削除(rx)

IEEE 802ネットワークおよびFDDIネットワークで使用されるローカル ネットワーク アドレスはMAC アドレスと呼ばれ、初期のイーサネット実装で使用されたアドレス指定方式に基づいています。 MAC アドレスは、一意のシリアル番号として使用することを目的としています。 MAC アドレスは通常、製造時にネットワーク インターフェイス ハードウェアに割り当てられます。 アドレスの最上位部分によって製造元が識別され、製造元がアドレスの残りの部分を割り当てるため、潜在的に一意のアドレスが提供されます。 これにより、ネットワーク層ルーターではなく、リピータ、ハブ、ブリッジ、スイッチの組み合わせによってホストを相互接続するネットワーク リンク上でフレームを配信できるようになります。 したがって、たとえば、IPパケットが宛先 (サブ) ネットワークに到達すると、宛先 IP アドレス (レイヤー 3 またはネットワーク層の概念) は、 IPv4のアドレス解決プロトコルまたは近隣探索プロトコル(IPv6) によって、宛先ホストの MAC アドレス (レイヤー 2 の概念) に解決されます。

物理ネットワークの例としては、イーサネットネットワークやWi-Fiネットワークなどがあります。どちらも IEEE 802 ネットワークであり、IEEE 802 48 ビット MAC アドレスを使用します。

全二重 ポイントツーポイント通信では MAC 層は必要ありませんが、互換性上の理由から、一部のポイントツーポイント プロトコルにはアドレス フィールドが含まれています。

MAC 層によって提供されるチャネル アクセス制御メカニズムは、多重アクセス方式とも呼ばれます。これにより、同じ物理メディアに接続された複数のステーションでそのメディアを共有できます。共有物理メディアの例としては、バス ネットワーク、リング ネットワーク、ハブ ネットワーク、ワイヤレス ネットワーク、半二重ポイントツーポイント リンクなどがあります。多重アクセス方式では、パケット モード競合ベースのチャネル アクセス方式が使用されている場合はデータ パケットの衝突を検出または回避し、回線交換またはチャネル化ベースのチャネル アクセス方式が使用されている場合は論理チャネルを確立するためのリソースを予約します。チャネル アクセス制御メカニズムは、物理層の多重化方式に依存しています。

最も普及している多重アクセス方式は、イーサネット ネットワークで使用される競合ベースのCSMA/CDです。このメカニズムは、イーサネット バス ネットワークやハブベースのスター トポロジ ネットワークなどのネットワーク衝突ドメイン内でのみ使用されます。イーサネット ネットワークは、ブリッジとスイッチによって相互接続された複数の衝突ドメインに分割される場合があります。

今日のスイッチ型イーサネット ネットワークなどの スイッチ型全二重ネットワークでは、多重アクセス方式は必須ではありませんが、互換性の理由から機器で利用できる場合がよくあります。

無線パーソナルエリアネットワークで指向性アンテナとミリ波通信を使用すると、局所的なエリア内で干渉しない送信を同時にスケジューリングする確率が高まり、ネットワークスループットが大幅に向上します。ただし、同時送信の最適なスケジューリングはNP困難な問題です。^[4]

GSM、UMTS、LTEネットワークなどのセルラーネットワークもMAC層を使用します。セルラーネットワークのMACプロトコルは、高価なライセンススペクトルの利用を最大化するように設計されています。^[5]セルラーネットワークのエアインターフェースは、OSIモデルのレイヤー1と2にあります。レイヤー2では、複数のプロトコル層に分割されています。UMTSとLTEでは、これらのプロトコルは、パケットデータコンバージェンスプロトコル（PDCP）、無線リンク制御（RLC）プロトコル、およびMACプロトコルです。基地局はエアインターフェースを完全に制御し、すべてのデバイスのダウンリンクアクセスとアップリンクアクセスをスケジュールします。MACプロトコルは、 UMTSの場合は3GPPのTS 25.321 ^[6]、LTEの場合はTS 36.321 ^{[7] 、} 5Gの場合はTS 38.321 ^[8]で指定されています。

• アイソクロナスメディアアクセスコントローラ
• チャネルアクセス方法のリスト
• MAC強制転送
• MACsec (IEEE 802.1AE)