Ethernet

概要

Ethernet（イーサネット）は、1973年にXerox PARCのRobert Metcalfeらが開発した有線LAN規格で、現在はIEEE 802.3として標準化されています。PCやサーバーのネットワーク接続の標準として世界中に普及しており、組み込みシステム・産業機器にも広く採用されています。

通信速度は10Mbps（10BASE-T）から始まり、100Mbps（Fast Ethernet / 100BASE-TX）、1Gbps（Gigabit Ethernet）、10Gbps以上と発展しました。物理的な接続は主にRJ-45コネクタとUTPケーブル（またはSTPケーブル）を使います。

組み込み・産業分野では、標準のEthernetに加えて、1本のツイストペアで済む「Single Pair Ethernet（SPE）」（100BASE-T1・10BASE-T1L等）や、決定論的なリアルタイム通信を実現する「TSN（Time-Sensitive Networking）」などの派生規格が注目されています。

歴史・背景

1973年のXerox PARCでの開発後、1980年にDECとIntel・Xeroxが「DIX Ethernet」仕様を公開。1983年にIEEE 802.3として標準化されました。当初は同軸ケーブルを使う10BASE5（Thicknet）・10BASE2（Thinnet）でしたが、1990年代に登場した10BASE-T（ツイストペアケーブル・スター型接続）が爆発的に普及しました。

1995年の100BASE-TX（Fast Ethernet）、1998年の1000BASE-T（Gigabit Ethernet）で高速化が進みました。産業分野では2005年頃からEtherCAT・PROFINET・EtherNet/IPなどのリアルタイムEthernetが普及し始め、従来のフィールドバス（RS-485、CAN）からの移行が進んでいます。

2020年代はSingle Pair Ethernet（10BASE-T1S・100BASE-T1・10BASE-T1L）が車載・産業IoTでの採用が進んでいます。

技術仕様

Ethernetの速度規格

規格	速度	メディア	ケーブル	最大距離
10BASE-T	10 Mbps	ツイストペア	Cat 3	100 m
100BASE-TX	100 Mbps	ツイストペア	Cat 5	100 m
1000BASE-T	1 Gbps	ツイストペア	Cat 5e	100 m
10GBASE-T	10 Gbps	ツイストペア	Cat 6a	100 m
100BASE-FX	100 Mbps	光ファイバー	MMF	2 km
1000BASE-SX	1 Gbps	光ファイバー	MMF	550 m

産業用・車載Ethernet

規格	速度	ケーブル	主な用途
100BASE-T1	100 Mbps	1ペア	車載ADAS
1000BASE-T1	1 Gbps	1ペア	車載高速通信
10BASE-T1S	10 Mbps	1ペア・マルチドロップ	車載サブネット
10BASE-T1L	10 Mbps	1ペア	産業IoT（最大1km）
EtherCAT	100 Mbps	標準Ethernet	産業リアルタイム制御
PROFINET	100 Mbps〜	標準Ethernet	産業FA
EtherNet/IP	100 Mbps〜	標準Ethernet	産業（Rockwell）

EthernetフレームフォーマットとMACアドレス

Ethernetフレームの基本構造（IEEE 802.3）：

[プリアンブル(7B)][SFD(1B)][宛先MAC(6B)][送信元MAC(6B)][EtherType/Length(2B)][データ(46〜1500B)][FCS(4B)]

MACアドレス: 48ビット（6バイト）
例: 00:1A:2B:3C:4D:5E
    ↑↑     ↑↑↑↑ OUI（メーカーID） + デバイス固有ID
bit0=1: マルチキャストアドレス
bit1=1: ローカル管理アドレス

TCP/IPスタック

Ethernetの上にはIP・TCP/UDPが乗り、組み込み機器でのネットワーク通信はLwIP等のスタックを使います：

アプリ層:   HTTP / MQTT / Modbus TCP / OPC UA
トランスポート: TCP / UDP
ネットワーク: IP（IPv4 / IPv6）
データリンク: Ethernet（MAC）
物理層:    PHY（100BASE-TX等）

動作原理

MAC（Media Access Controller）とPHY

マイコンやSoCには通常、MACコントローラが内蔵されていますが、物理信号の送受信を行うPHY（Physical Layer transceiver）は外付けICが必要です：

[マイコン内蔵MAC] ──RMII/MII── [PHY IC（DP83848・LAN8720等）] ──RJ-45── [LANケーブル]

RMII（Reduced Media Independent Interface）は2ビット幅のデータ線でMACとPHYを接続するインターフェース（クロック50MHz）です。

// STM32 HAL + LwIPを使ったEthernet通信例

#include "lwip.h"
#include "lwip/tcp.h"
#include "lwip/udp.h"

// LwIPの初期化（MX_LWIP_Init()でCubeMXが生成）
MX_LWIP_Init();

// UDP送信
struct udp_pcb *udp_client;
ip_addr_t dest_ip;

udp_client = udp_new();
IP4_ADDR(&dest_ip, 192, 168, 1, 100);
udp_connect(udp_client, &dest_ip, 8080);

struct pbuf *p = pbuf_alloc(PBUF_TRANSPORT, 32, PBUF_RAM);
const char *msg = "Hello Ethernet!";
memcpy(p->payload, msg, strlen(msg));
udp_send(udp_client, p);
pbuf_free(p);

// TCP サーバー
struct tcp_pcb *tcp_server;
tcp_server = tcp_new();
tcp_bind(tcp_server, IP_ADDR_ANY, 80);
tcp_server = tcp_listen(tcp_server);
tcp_accept(tcp_server, tcp_accept_callback);

PHY初期化とAuto-Negotiation

Ethernet PHYはリンク速度・デュプレックスを自動ネゴシエーション（Auto-Negotiation）します。PHYの設定はMDIO/MDCインターフェース（管理インターフェース）で行います：

// PHY管理レジスタへのアクセス（MACのMDIO経由）
HAL_ETH_ReadPHYRegister(&heth, PHY_ADDR, PHY_BSR, &bsr);  // ベーシックステータスレジスタ読み取り
if (bsr & PHY_LINKED_STATUS) {
    // リンクアップ
}

TSN（Time-Sensitive Networking）

IEEE 802.1シリーズのTSN規格は、標準Ethernetに決定論的な遅延保証・時刻同期を追加します：

IEEE 802.1AS: gPTP（精密時刻同期）
IEEE 802.1Qbv: スケジュールトラフィックシェーピング
IEEE 802.1Qbu/802.3br: フレームプリエンプション

用途・ユースケース

組み込み・産業分野でのEthernet活用例：

産業用コントローラ（PLC）: EtherCAT・PROFINET・EtherNet/IPでモーターコントローラ・センサーと高速リアルタイム通信
IoTゲートウェイ: フィールド機器（RS-485/CAN）のデータをEthernet経由でクラウドに転送
産業カメラ・ビジョンシステム: GigE Vision規格でカメラ画像を高速転送
車載ネットワーク: ADAS・インフォテインメント系のEthernetバックボーン（100BASE-T1/1000BASE-T1）
医療機器: 患者モニタリングデータのネットワーク転送
スマートファクトリー: OPC UAサーバーを持つマイコンがEthernet経由でMES/SCADAと通信

実装・開発のポイント

PHYチップの選定

PHY	速度	メーカー	特徴
LAN8720	100M	Microchip	低コスト、STM32と相性良い
DP83848	100M	TI	定番・実績あり
KSZ8081	100M	Microchip	車載グレード対応あり
RTL8211	1G	Realtek	汎用Gigabit PHY
NCN26010	10BASE-T1S	onsemi	産業用SPE

LwIPスタックの設定

LwIPはマイコン向けの軽量TCP/IPスタックとして広く使われています。重要な設定パラメータ：

// lwipopts.h の主な設定
#define MEM_SIZE              (10 * 1024)  // ヒープサイズ
#define MEMP_NUM_PBUF         10           // pbufプールサイズ
#define TCP_MSS               1460         // TCP最大セグメントサイズ
#define TCP_WND               (4 * TCP_MSS)  // TCPウィンドウサイズ
#define LWIP_NETIF_HOSTNAME   1            // ホスト名有効
#define LWIP_DHCP             1            // DHCP有効

EMC対策

産業環境でのEthernetには適切なEMC（電磁適合性）対策が必要です：

パルストランス: RJ-45コネクタに内蔵するか外付けで挿入。コモンモードノイズを除去
TVSダイオード: ESD保護のためRJ-45近くに配置
グランドプレーン: PHY周辺はベタグランドで囲み、ノイズを最小化

他技術との比較

Ethernet vs Wi-Fi

項目	Ethernet	Wi-Fi
信頼性	高い（有線）	環境依存（無線）
速度	安定（1Gbps〜）	変動あり
配線	ケーブルが必要	ケーブル不要
セキュリティ	物理接続で高い	暗号化が必須
レイテンシ	低い・安定	やや高い・変動あり

Ethernet vs RS-485

RS-485は低コスト・長距離・ノイズ耐性に優れますが、速度（最大10Mbps）と接続数の限界があります。Ethernetはプロトコル・セキュリティ・速度で圧倒的に優れますが、配線コストとPHYコストが高くなります。

概要