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» 2019年05月13日 06時00分 公開

はじめての車載イーサネット(1):イーサネットがなぜクルマに必要? 期待される役割は (3/3)

[中村伸彦(ベクター・ジャパン),MONOist]
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OSI参照モデルとPDU(PCI/SDU)

 では「イーサネット」と「(上位プロトコル)TCP/IP」というのは何が違うのでしょうか。それを理解するための考え方として「OSI参照モデル」(※3)というものがあります。これは、OSI(Open System Interconnection)の名が示すように、異なるコンピュータネットワークや通信システム間での情報のやりとりを実現するための通信機能の構造を示したもので、通信に必要とされる機能を7つの階層(レイヤー)に分割したモデルです。

(※3)ISO/IEC 7498:1984として規格化されています(現在はISO/IEC 7498:1994)。

 階層ごとに担う役割を定めていて、上位層は下位層からもたらされる実データを扱うので、「各通信プロトコルが、どの階層に相当するか」「どの階層で切り口を合わせるか」を考えやすくなります。以下の図は、それぞれの階層の名称と簡単な説明、それと本稿で取り上げる予定のプロトコルの対応を示します。ただし、あくまで“参照”なので厳密な定義ではなく、この枠に収まらないものも多くある点も、記憶に留めておいていただければと思います。

図5 OSI参照モデルの各層と車載アプリケーションで使われるプロトコル(クリックして拡大) 出典:ベクター・ジャパン

 この図をご覧いただくと、イーサネットは第1層フィジカルレイヤーと第2層データリンクレイヤーに、IPは第3層ネットワークレイヤー、TCP/UDPは第4層トランスポートレイヤーに相当していることが分かります。つまり、イーサネットとTCP/IPは担っている役割(階層)が異なるということです。まず、フィジカルレイヤーは物理媒体上で情報をやりとりするための取り決め、例えばどのような媒体を使うか、その媒体上でビット(0/1)をどのように表すのか、どの位のスピードで行うのか、どのような単位でやりとりをするのかなどの部分を担っています。

 次に、データリンクレイヤーではフィジカルレイヤーが定めた単位(ビットの塊)にどのような意味を持たせ、情報の単位を定め、それとともに、それをやりとりするための必要な識別子等を定める役割を担っています。そして、ネットワークレイヤーはデータリンクレイヤーが運んできた情報を取り出し、状況に応じて異なる通信経路に渡す役割を担っています。さらにその上のトランスポートレイヤーは、ネットワークレイヤーの運んできた情報の統合やエラー検出、それに伴う再送などを行います。

 このように、階層ごとに役割があり、そこでの通信の際の約束事があります。複数の階層にまたがることもある、そのような約束事や通信手順のことをプロトコル(Protocol)といいます。先ほどの「上位プロトコル」という言葉の意味は、このOSI参照モデルにおける「上位」であり下位プロトコルの扱う情報のうち、自プロトコルにとって有用な部分だけを扱う存在ということです。

 ここでいう「下位プロトコルの扱う情報のうち、自プロトコルにとって有用な部分」とは、どういうことなのでしょうか。実は、階層化されたプロトコルにおいては、上位から下位に行くに従って制御情報が付け足され、少しずつそのサイズが大きくなります。逆に言えば、上位に行けば行くほど一度に運べる実データのサイズは小さくなります。

 つまり、特定のプロトコルが扱う情報の中には、そのプロトコルでの制御情報と、そのプロトコルが運び上位プロトコルに渡す実情報に分かれているということです。前者をPCI(Protocol Control Information)、後者をSDU(Service Data Unit)と呼び、両者を併せたものをPDU(Protocol Data Unit)と呼びます。これが階層ごとに入れ子になっているということです。

図6 PDUの構造とプロトコルレイヤー(クリックして拡大) 出典:ベクター・ジャパン

 これを私たちの生活に例えるのであれば、宅配便で送りたい内容物とそれを入れる箱、そして複数の箱を行き先別に入れたバスケット、複数のバスケットを積んだトラック(もしくは、マトリョーシカ人形)というイメージです。なお、入れ子構造であるということは、今後本稿の中でも同じ概念を示す言葉が表現を変えて繰り返し出てくること(例えばMACアドレス、IPアドレス、ポート)と、その言葉が示す情報を直接扱うのは原則その階層においてのみであるということを示しています。

 これは筆者自身の経験から、イーサネットおよびTCP/IPを学んでいくときに引っ掛かりやすいポイントだと思っています。もしかすると、概要の把握という目的であれば「下位プロトコルは上位プロトコルの情報を運ぶためのインフラである」くらいに開き直って理解してもよいかもしれません。

次回(以降)の予告

 ここまで、イーサネットが車載ネットワーク技術として注目されている背景や、その期待される役割、イーサネット(およびTCP/IP)とOSI参照モデルの関係やPDUの構造を紹介してまいりました。次回以降は、OSI参照モデルを、1番下のフィジカルレイヤーから順にお話ししていきます。なお、途中の第3層(IP)と第4層(TCP/UDP)は車載特有というわけではありませんが、SOME/IPやDoIPといったクルマで使われる上位プロトコルが、これらの階層、プロトコルに依存していますので、併せて紹介していく予定です。

筆者紹介

ベクター・ジャパン株式会社 トレーニング部 テクニカルトレーナー
中村 伸彦(なかむら のぶひこ)

ベクター・ジャパンにて、AUTOSAR関連およびイーサネットのトレーニングサービスに従事。限られた時間のなかで、受講者の役に立つ情報を、より分かりやすく提供することを目指し、日々業務に取り組んでいる。

▼ベクター・ジャパン

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