Ethernet TSN（11）プリエンプション機能追加

開始フラグメント、継続フラグメントと最終フラグメントの構造はお話しした。開始フラグメントの SMD-Sx 、SMD-Cx とFragment Count の8ビットの不思議な数値について説明する。

SMD-Sx

図1 のように、SMD-Sx は先頭フラグメントを表し、4つの状態（ステート）を循環するようになっている。4つの値を巡回する理由は、この開始フラグメントを受信する以前に受信したフラグメントフレームとの識別用だ。プリエンプションのフラグメントは再送機能がないため、複数セットのフラグメントを扱うことができない。新しい開始フラグメントを受信すると、古いフラグメントデータ（残っていれば）は廃棄される。SMD-Sx の値は、表1 の4種類を使用する。

状態	State0	State1	State2	State3
開始フラグメント	SMD-S0	SMD-S1	SMD-S2	SMD-S3
値	0xE6	0x4C	0x7F	0xB3

SMD-Cx

継続フラグメントと最終フラグメントの SMD-Cx は、SMD-Sx と同様に4つの状態（ステート）がある。使用する SMD-Cx は、開始フラグメントの SMD-Sx と同じステート番号を使用する。開始フラグメントが SMD-S0 ならば SMD-C0 、SMD-S1 ならば SMD-C1 になる。例えば、開始フラグメントに続き2つの継続フラグメントと最終フラグメントがある場合、SMD-S0 → SMD-C0 → SMD-C0 → SMD-C0 となる。表2 は、SMD-Cx の値とSMD-Sx との対応表だ。

状態	State0	State1	State2	State3
開始フラグメント	SMD-S0	SMD-S1	SMD-S2	SMD-S3
継続フラグメント 最終フラグメント	SMD-C0	SMD-C1	SMD-C2	SMD-C3
Cx 値	0x61	0x52	0x9E	0x2A

Fragment Count

フラグメントカウンタも、SMD-Sx/SMD-Cx と同様に4つの状態がある。フラグメントカウンタは、開始フラグメントに続く最初のフラグメントに State0 、次のフラグメントに State1 と順次インクリメントし、State3 の次は State0 の戻る。4つの State を巡回する（図2 参照）。各ステートの値は、00/01/10/11 ではなく、表3 のように 0XE6/0x4C/0x7F/0xB3 を使用する。

	State0	State1	State2	State3
値	0xE6	0x4C	0x7F	0xB3

フラグメントまとめ

図3 は、具体的なプリエンプション機能でのフラグメントの例だ。最初のイーサネットフレームは6個に分割、2番目は3個、3番目は2個に分割されている。最初のフレームでは、開始フラグメントの SMD にはSMD-S0 、継続フラグメントと最終フラグメントでは、SMD-S0 に対応した SMD-C0 になる。フラグメントカウンタは、State0 から始まり State0 → State1 → State2 → State3 → State0と循環する。2番目のフレームでは、開始フラグメントの SMD には SMD-S1、継続フラグメントと最終フラグメントでは、SMD-S1 に対応した SMD-C1 になる。3番目のフレームも同様に、開始フラグメントの SMD にはSMD-S2 、継続フラグメントと最終フラグメントでは、SMD-S2 に対応した SMD-C2 になる。

プリエンプションでの変更領域の一覧は 表4 、各ステートの値一覧は 表5 を参照いただきたい。

現実のネットワークを考えてみよう。時分割多重で設定する「その他」時間帯は、少なくとも最大長フレームより長くするはずだ。現実のネットワークでは、イーサネットフレームは2個に分割されることはあるが、3個以上に分割されることはない。通信規格としては、あらゆる状況でも破綻しないことが重要だが、かなり過剰な規格だ。

	標準 イーサネット	Verify	Response	開始 フラグメント	継続 フラグメント	最終 フラグメント
ギャップ	12バイト	12バイト	12バイト	12バイト	12バイト	12バイト
プリアンブル	7バイト 0x55	7バイト 0x55	7バイト 0x55	7バイト 0x55	6バイト 0x55	6バイト 0x55
SFD/SMD	1バイト 0xD5	SMD-V 0x07	SMD-R 0x19	SMD-Sx	SMD-Cx	SMD-Cx
CRC	FCS	mCRC	mCRC	mCRC	mCRC	FCS

	State0	State1	State2	State3
SMD-Sx	0xE6	0x4C	0x7F	0xB3
SMD-Cx	0x61	0x52	0x9E	0x2A
Fragment Count	0xE6	0x4C	0x7F	0xB3

エラー処理

開始フラグメントの SMD-Sx 、継続フラグメントと最終フラグメントの SMD-Cx とフラグメントカウンタは CRC 演算の対象外だ。ビット反転等のエラーに極めて弱い。これらはいずれも4つのステートを持ち、仮に 00/01/10/11 のようなビット列で表現すると、ビット反転で簡単に他のステートと重なり区別できなくなる。この問題を解決するために、IEEE は「ハミング距離」を持ち込んだ。

ハミング距離（Hamming distance）は、同じ数の文字列を別の文字列に変える際に必要な置き換え回数のことだ。逆な言い方をすれば、同じ数の文字列の対応する位置にある異なる文字の数だ。例えば、Include と Exclude いずれも7文字で、一致しない文字数は2文字で、ハミング距離は2になる。

ハミング距離は、通信での固定長バイナリー文字列（2進数）のエラーの起きやすさの程度を示すのに用いられ、「信号距離」とも呼ばれる。文字数 n の1ビット文字列間のハミング距離は、文字列間の排他的論理和で求めることができる。例えば、2進数ビット列「1110 0110」と「0100 1100」のハミングの距離は4になる。

ハミング距離はアメリカの数学者リチャード・ハミング（Richard Wesley Hamming）にちなんで命名された。

図4 は、SMD-Sx とフラグメントカウンタの State0/1/2/3 を基準にしたハミング距離の確認表だ。青色が基準ステートと異なる箇所で、4カ所または8カ所が異なる。ハミング距離は4（一部は8）で、3ビットまでの反転であれば、他のステートと重なることはなく、ビット反転エラーに対し強度が上がっている。

図5 は、SMD-Cx の State0/1/2/3 基準のハミング距離確認表だ。図4 同様、青色が基準ステートと異なる箇所で、4カ所または8カ所が異なる。ハミング距離は4または8で、3ビットまでの反転であれば、他のステートと重なることはなく、ビット反転エラーに対し強度が上がっている。

フラグメント処理は、フラグメントの欠落やエラーを考えるとかなり複雑だ。例えば、最終フラグメントが欠落し、開始フラグメントといくつかの継続フラグメントが残っている状態で、次の開始フラグメントを受信したところで、古いフラグメントデータをすべて廃棄しなければならない。また、継続フラグメントが欠落し、最終フラグメントを受信すると、開始フラグメントから最終フラグメント迄をすべて廃棄しなければならない。

新たなフレームを受信するたびに、フラグメントフレーム組み立て、フラグメントフレーム廃棄、再フラグメントを繰り返す必要があり、高速処理が必要だ。
フラグメント処理は、処理の複雑さに見合った効率が得られるようには見えない。ガードバンド・ケース1（送信フレーム長不明）の例（図6）では、その他時間帯の約16％が使えずロスになる。逆の見方をすれば、このような簡単な仕組みでも約 84% の効率を実現できる。もちろん、重要な「CDN専用時間帯」を妨害することはない。

一般的な第2層スイッチはフレーム長が分かっている。図7 ガードバンド・ケース2（フレーム長既知）の場合だ。この場合はさらに効率が改善する。イーサネット上を流れるフレームの平均長は諸説あるが、256バイトから512バイト程度だと言われている。仮に、512バイト付近であれば平均的に512バイト程度のロスが発生する。ロス率は高々6％程度だ。

複雑なフラグメント解説にお付き合いいただいた方々には申し訳ないが、フラグメント機能が普及し活用されるかは疑問だ。