同じネットワークの中で、何台もつながった機械のうち1台だけに小包を届ける仕組みを説明します。MAC アドレスとは何か、なぜ IP アドレスとは別にあるのか、ハブとスイッチの違い、スイッチが表を自分で学習する流れ（学習・フラッディング・忘却）、全員宛て（ブロードキャスト）、そしてスイッチだけでは外のネットワークへ届けられない理由まで。
1本目で、データは「隣へ隣へ」と渡っていく、と説明しました。2本目で、その「隣へ渡す」を担当するのがリンク層で、宛先には MAC アドレスを書く、と説明しました。
この作品では、その「隣へ渡す」を詳しく見ます。遠くへ運ぶ話（ルーター）は後の作品に回し、まずは同じネットワークの中だけを考えます。家や会社のフロアの中、と思ってください。
同じネットワークの中には、何台もの機械がつながっています。図では、PC-A から PC-D の4台が、真ん中の1台の機械（スイッチ）につながっています。PC-A が PC-C にだけ小包を渡したいとき、どうすれば C だけに届くのでしょうか。
MAC アドレスは、ネットワークにつなぐための部品（LAN の差し込み口や Wi-Fi の部品）に付いている番号です。多くの場合、部品が工場で作られたときに書き込まれています。
3c:22:fb:1a:07:9e のように、16進数で12桁（48ビット）の数字で書きます。前半の6桁は製造元ごとの番号、後半の6桁はその製造元の中の通し番号になっていて、世界中で重ならないように割り振られていま す。この作品では、読みやすさのために aa:aa のように短く書きます。
MAC アドレスは「機械」ではなく「差し込み口」ごとに付いています。ノート PC に有線の LAN と Wi-Fi の両方があれば、MAC アドレスも2つあります。
なお、最近のスマホや PC は、プライバシーのために Wi-Fi ごとにランダムな MAC アドレスを使うことがあります。「工場で付いた番号」が常にそのまま使われるわけではありませんが、「その線の上で、この機械を区別する番号」という役割は同じです。
「IP アドレスがあるのに、なぜ MAC アドレスも要るのか」は、多くの人が引っかかるところです。
2本目で見たとおり、2つは別の層の番号で、役割が違います。
| MAC ア ドレス | IP アドレス | |
|---|---|---|
| 層 | リンク層（L2） | インターネット層（L3） |
| 付く先 | 差し込み口（機械側） | ネットワークに入ったときに割り当てられる |
| 使う範囲 | 同じ線・同じネットワークの中だけ | 世界中（最終の宛先） |
| 並び方 | 製造元ごと。場所とは無関係 | ネットワークごとのまとまり（1本目） |
大事なのは次の2点です。
1つは、MAC アドレスは場所と無関係に振られていることです。同じ製造元の PC が、東京にもニューヨークにもあります。だから MAC アドレスを見ても「どの方面か」は分かりません。遠くへ運ぶには、まとまりで振られた IP アドレスが要ります。
もう1つは、IP アドレスをもらう前でも、線の上では話せる必要があることです。PC がネットワークにつないだ直後、まだ IP アドレスを持っていません。IP アドレスをもらう手続き（8本目の DHCP）そのものが、MAC アドレスを使って行われます。
スイッチの仕組みを見る前に、昔のやり方を見ておくと、スイッチのありがたみが分かります。
昔は、真ん中にハブという機械を置いていました。ハブは、ある口から届いた信号を、全部の口にそのまま流します。PC-A が C 宛てに送ると、B にも C にも D にも届きます。受け取った各 PC は、宛先 MAC を見て、自分宛でなければ捨てます。
これには問題がありました。
| 問題 | 中身 |
|---|---|
| 線が混む | 誰かが送るたびに、全員の線が使われる |
| ぶつかる | 2台が同時に送ると信号が混ざって壊れ、送り直しになる |
| 覗き見できる | 自分宛でない小包も、捨てずに読めば中身が見える |
台数が増えるほど、どんどん遅くなりました。
今の主流はスイッチです。スイッチは、届いた小包の宛先 MAC アドレスを見て、その機械がつながっている口（ポート）にだけ送り出します。
図では、A から C への小包は、A の線と C の線だけを通り、B と D の線は静かなままです。そのあいだに B と D が別の会話をすることもできます。同時にたくさんの会話ができるので、台数が増えても遅くなりにくくなりました。
2本目で「スイッチは MAC の封筒までしか開けない」と書いたのは、このことです。スイッチが見ているのは宛先 MAC アドレスだけで、IP アドレスや中身は見ていません。
では、スイッチは「cc:cc の機械はポート3にいる」ことを、どうやって知るのでしょうか。
スイッチの中には、「この MAC アドレスの機械は、このポートにいる」という表があります。MAC アドレステーブルと呼びます。
ところが、電源を入れた直後、この表は空っぽです。誰がどの口につながっているか、スイッチは何も知りません。人が表を書き込むこともありません。
それでもスイッチは、次のページから見る方法で、自分で表を埋めていきます。
PC-A が C 宛ての小包を送ると、小包はポート1からスイッチに入ってきます。
スイッチは、まず小包の送信元 MAC アドレスを見ます。aa:aa と書いてあります。ポート1から入ってきたのだから、「aa:aa の機械はポート1にいる」と分かります。これを表に書き込みます。
これを学習と呼びます。スイッチは、宛先を調べる前に、まず送信元を見て覚えるのです。小包が通るたびに、送った機械の場所が1つずつ分かっていきます。
次に、スイッチは宛先 MAC アドレス cc:cc を表で探します。ところが、まだ cc:cc の場所は知りません。
このとき、スイッチは来た口（ポート1）以外の全部の口に流します。これをフラッディングと呼びます。ハブと同じ「全員に叫ぶ」ですが、知らないときだけの一時しのぎです。
B と D は、宛先 MAC が自分でないので捨てます。C だけが受け取ります。
C が返事を送ります。返事はポート3からスイッチに入ってきます。
スイッチは、また送信元を見ます。cc:cc です。「cc:cc の機械はポート3にいる」と表に書き込みます。
次に宛先 aa:aa を表で探すと、今度は「ポート1」と書いてあります。だから、返事はポート1にだけ流します。フラッディングはしません。
ネットワークの会話のほとんどは「送ったら返事が来る」やりとりなので、最初の1往復で、両者の場所が表に載ります。
これで、A から C への小包も、C から A への小包も、最初から宛先の口にだけ流れるようになりました。
B や D も何かを送れば、そのたびに表に載っていきます。しばらくすると、表は全員分で埋まります。
大事なのは、誰も表を手で書いていないことです。スイッチは、通っていく小包を見ているだけで、勝手に賢くなります。PC を新しく差し込んでも、何の設定もなしにすぐ使えるのは、この仕組みのおかげです。
表の行は、ずっと残るわけではありません。しばらく使われなかった行は消えます。よくある設定は5分程度です。これをエージングと呼びます。
忘れる理由は、ネットワークが変わるからです。PC を別の口に差し替えたり、ノート PC を持って別の場所に移ったりします。古い行が残り続けると、もういない口に小包を流し続けてしまいます。
消えても困ることはありません。次に小包が来れば、また送信元を見て覚え直すだけです。
MAC アドレスには、特別な宛先があります。すべての桁が f の `ff:ff:ff:ff:ff:ff` です。これは「このネットワークの全員へ」という意味で、ブロードキャストと呼びます。
宛先がブロードキャストの小包を受け取ると、スイッチは表を見ずに、来た口以外の全部に流します。受け取った全員が、中身を読みます。
「全員へ」が必要になるのは、「誰に聞けばいいか分からないことを、みんなに聞きたいとき」です。たとえば「192.168.1.1 の人、あなたの MAC アドレスを教えて」という質問がそうです。これが5本目で見る ARP です。
ここまで の仕組みは、同じネットワークの中ではとてもうまく働きます。では、スイッチを世界中につなげば、インターネット全体でも使えるでしょうか。無理です。
| 無理な理由 | 中身 |
|---|---|
| 覚えきれない | 世界中の何十億台の MAC アドレスを、1台の表に載せることはできない |
| 叫べない | 知らない宛先のたびに世界中にフラッディングしたら、網が溢れる |
| 方面が分からない | MAC アドレスは場所と無関係に振られているので、「だいたいあっち」が言えない |
だから、ネットワークはある程度の大きさで区切られ、区切りの外へは、IP アドレスを見るルーターが運ぶことになっています。
では、「区切り」はどこにあり、「相手は区切りの中か外か」はどう判定するのでしょうか。それが次の作品のテーマです。
この作品で見たことをまとめます。
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| MAC アドレス | 差し込み口ごとの番号。同じネットワークの中で「どの機械か」を区別する |
| ハブ | 全員に流す。混む・ぶつかる・覗ける |
| スイッチ | 宛先 MAC を見て、その口にだけ流す |
| 学習 | 小包の送信元を見て、「この MAC はこの口」と表に書く |
| フラッディング | 宛先が表に無いときだけ、全部の口に流す |
| エージング | しばらく使わない行は忘れる |
| ブロードキャスト | ff:ff:ff:ff:ff:ff は全員宛て |
| 限界 | 世界中は覚えられない。外へはルーターが要る |
冒頭の疑問に引きつけると、スイッチもまた「全体を最初から知っているわけではない」機械です。通っていく小包から、少しずつ学んでいきます。ルーターの表も「話し合って」埋まっていく（7本目）ので、ここに共通する考え方があります。
次の作品では、IP アドレスとネットワークの区切りを見ていきます。
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