物理層・データリンク層

ケーブルや電波で「0 と 1」を運ぶ層と、隣接ノード間でフレームをやり取りする層。 Ethernet / Wi-Fi / MAC / ARP / スイッチ / VLAN を一通り。

物理層 (L1)

役割

ビット列を電気信号 / 光 / 電波に変換して送出する。逆方向では受け取った信号からビット列を復元する。

主な伝送媒体

媒体	特徴	用途
ツイストペアケーブル (UTP)	銅線、安価、最大 100m 程度	家庭・オフィスの LAN
同軸ケーブル	古典的、ノイズに強い	CATV、放送
光ファイバ	高速、遠距離、ノイズ無し	WAN、データセンター
無線 (2.4 / 5 / 6 GHz)	無線、可動性高い	Wi-Fi、Bluetooth

イーサネット規格と速度

規格	速度	媒体
10BASE-T	10 Mbps	UTP Cat3
100BASE-TX	100 Mbps	UTP Cat5
1000BASE-T (GbE)	1 Gbps	UTP Cat5e
10GBASE-T	10 Gbps	UTP Cat6a
100GBASE-SR4 など	100 Gbps〜	光ファイバ

ケーブルカテゴリ

Cat5e: 1Gbps まで（家庭用）
Cat6 / 6a: 10Gbps（業務用）
Cat7 / 8: 高速・短距離

データリンク層 (L2)

役割

同じネットワーク内（同一サブネット）でフレームを届ける。フレームの宛先はMAC アドレスで指定される。

イーサネットフレームの構造

+---------+---------+--------+--------+----------+-----+
| 宛先MAC | 送信MAC | EtherT | データ   | パディング| FCS |
| 6 B     | 6 B     | 2 B    | 46-1500B|          | 4 B |
+---------+---------+--------+--------+----------+-----+

EtherType: 上位プロトコル（0x0800=IPv4, 0x86DD=IPv6, 0x0806=ARP）
MTU: データ部分の最大サイズ。Ethernet は標準 1500 バイト
FCS: フレーム末尾のチェックサム（CRC-32）

MAC アドレス

NIC（ネットワークインタフェースカード）に焼かれた48 ビットの識別子。

00:1A:2B:3C:4D:5E
└──────┘ └──────┘
 OUI     シリアル
 (ベンダ)

16 進 12 桁、コロン or ハイフンで区切る
上位 24 ビット (OUI) は IEEE がベンダーに割り当て
同じ LAN 内で重複してはいけない
仮想化 / コンテナでは仮想 MAC が動的に発行される
ランダム化 MAC（プライバシー対策）が iOS / Android / Win11 で標準化

特別な MAC アドレス

FF:FF:FF:FF:FF:FF — ブロードキャスト（同じ LAN 全員へ）
01:00:5E:xx:xx:xx — IPv4 マルチキャスト
33:33:xx:xx:xx:xx — IPv6 マルチキャスト

ARP（Address Resolution Protocol）

IP アドレスから MAC アドレスを引く仕組み。同じ LAN 内でブロードキャストして問い合わせる。

A: "192.168.1.1 は誰？" (broadcast)
   → みんなに届く
B: "私だ。MAC は 00:1A:2B:3C:4D:5E"
A: ARP テーブルにキャッシュ

ARP テーブル

arp -a
# ? (192.168.1.1) at 00:1a:2b:3c:4d:5e on en0 ifscope [ethernet]
# ? (192.168.1.10) at aa:bb:cc:dd:ee:ff on en0 ifscope [ethernet]

ARP スプーフィング

攻撃者が偽の ARP 応答を流し、自分宛にトラフィックを引き寄せる中間者攻撃。対策は静的 ARP / DHCP Snooping / Dynamic ARP Inspection。

IPv6 では NDP

IPv6 では ARP の代わりにNDP（Neighbor Discovery Protocol）が ICMPv6 上で同等の役割を担う。

スイッチ（L2 スイッチ）

受け取ったフレームを宛先 MAC を見て該当ポートだけに転送する装置。

動作の中身

フレームが入ってきたら送信元 MAC を学習（どのポートに居るか覚える）
宛先 MAC を MAC アドレステーブルから探す
見つかればそのポートだけに転送（unicast）
見つからなければ全ポートにフラッディング
ブロードキャスト/マルチキャスト宛は全ポートに転送

ハブ（古典）は全ポートに垂れ流していたが、スイッチは賢い。

VLAN

1 つの物理スイッチを論理的に複数の LAN に分割する技術。802.1Q タグ。

セグメント分離（営業 VLAN / 開発 VLAN など）
ブロードキャスト範囲を絞る → 性能と安全性
VLAN 間通信はL3（ルータ）必須
タグ付けで複数 VLAN を 1 ケーブルで運ぶ（trunk）

STP（Spanning Tree Protocol）

L2 ループ（同じフレームがぐるぐる回り続ける障害）を防ぐ。スイッチ同士が話し合って木構造を作り、不要なリンクを論理的に止める。

無線 LAN（Wi-Fi）

規格	世代名	周波数	速度
802.11n	Wi-Fi 4	2.4 / 5 GHz	〜600 Mbps
802.11ac	Wi-Fi 5	5 GHz	〜6.9 Gbps
802.11ax	Wi-Fi 6 / 6E	2.4 / 5 / 6 GHz	〜9.6 Gbps
802.11be	Wi-Fi 7	2.4 / 5 / 6 GHz	〜46 Gbps

無線特有の課題

電波干渉、距離・障害物で減衰
共有メディア（CSMA/CA で衝突回避）
暗号化が必須（WPA2 / WPA3）
SSID / パスワードでアクセス制御

PoE（Power over Ethernet）

Ethernet ケーブルで電源も供給。AP / IP カメラ / IP 電話で広く使われる。

MTU と Path MTU

Ethernet の MTU は1500 バイト（payload）
VPN / PPPoE 経由だと小さくなる（1492 / 1454 など）
経路上の最小 MTU を「Path MTU」と呼ぶ
大きすぎるパケットは分割（fragmentation）されるが性能劣化
Path MTU Discovery（PMTUD）で最適サイズを学習
ジャンボフレーム: MTU 9000 など。データセンタ内で使用

L1 / L2 のトラブル例

症状	原因
リンクランプつかない	ケーブル断線、ポート故障、ケーブル種別違い
速度が出ない	auto-negotiation 失敗、Cat5e で 10G を流す等
同じ LAN なのに通信できない	VLAN 違い、スイッチ MAC テーブル汚染
パケットロス	ノイズ、ケーブル品質、無線干渉
突然全部止まる	L2 ループ（STP 未設定）

L1/L2 の確認コマンド

# macOS / Linux
ip link               # NIC 一覧と状態
ip a                  # IP も含め
ifconfig              # 古典版

ethtool eth0          # Linux: 速度・全二重・リンク状態
networksetup -listallhardwareports  # macOS

arp -a                # ARP テーブル
ip neigh              # IPv6 含む隣接表（Linux）

# Wi-Fi
iw dev wlan0 link     # Linux
airport -I            # macOS（深い場所にある）

L2 のキーワード

MAC、フレーム、スイッチ、ARP、VLAN、ブロードキャストドメイン。上位層のトラブルでもL2 を疑うべき場面は意外に多い。