NIC（ネットワークインターフェースカード）— データを信号に変える

中級の「宛先MAC・送信元MAC＋データ」を、上級ではフレームの構造と末尾の誤り検出まで下ろします。

1. 送信するデータの前にヘッダ（宛先MAC※1・送信元MAC・種別）を、後ろにFCS※2 を付けてフレームの形にする
2. 宛先MACには、その回線に1台へ届けるユニキャストのほか、全員宛のブロードキャスト、特定グループ宛のマルチキャストがある
3. 受信側NICは、まず宛先MACが自分宛（またはブロードキャスト等）かを見て、無関係なフレームはMAC層で捨てる
4. 自分宛ならFCSを再計算して照合し、壊れていれば黙って破棄する。訂正はせず、再送は上位（TCP）に委ねる

登場人物メモ（※の説明）:

• ※1 宛先MAC — 48ビットの機器固有番号。先頭側にベンダー識別子（OUI）を含み、同じ回線内で「どれに渡すか」を一意に指す
• ※2 FCS — Frame Check Sequence。フレーム全体から計算したCRC値。受信側で再計算して一致を見る、誤り検出専用の番人（訂正はしない）

⚠️ イレギュラー（正常系との違いが学びどころ）:

• 無差別モード（プロミスキャス） — 通常は自分宛以外を捨てるが、この設定にすると全フレームを取り込む。パケットキャプチャはこれを使う
• 壊れたフレーム — FCS不一致は破棄されるだけで、送信元は「届かなかった」ことをここでは知らない。気づくのは上位の再送タイマ

届いたフレームをどうやってCPUのメモリに載せ、CPUへ知らせるか。ここが受信性能の心臓部です。

1. NICは受信フレームを、DMA※1 でCPUを介さず直接メインメモリへ書き込む。書き込む先はあらかじめOSが用意したリングバッファ※2 の空きスロット
2. 置き終えたらNICは割り込み※3 でCPUに「届いた」と知らせる
3. CPUは割り込みハンドラで、リングバッファに溜まったフレームを取り出し、上位（IPスタック）へ渡す
4. 取り出して空いたスロットは、次の受信のためにNICへ返却（補充）する。リングは使い回される輪

登場人物メモ（※の説明）:

• ※1 DMA — Direct Memory Access。周辺機器がCPUを介さずメモリを読み書きする仕組み。CPUはコピー作業から解放される
• ※2 リングバッファ — 受信用スロットを環状に並べた領域（ディスクリプタの列）。先頭と末尾を追いかけっこさせて、コピーなしで受け渡す
• ※3 割り込み — 機器がCPUの今の処理に割り込んで通知するハードの仕組み。応答は速いが、出入りに段取りコストがかかる

⚠️ イレギュラー（速さが仇になる）:

• 割り込みライブロック — 高速回線で毎パケット割り込むと、割り込み処理の段取りだけでCPUが埋まり、実処理が進まない
• ポーリングへの切替（NAPI） — 最初の1回を割り込みのきっかけにし、以降は割り込みを止めてまとめて刈り取る折衷。低負荷では割り込みの速さ、高負荷ではポーリングの効率を取る
• リング溢れ — 取り出しが追いつかないとスロットが尽き、以降のフレームはNICで取りこぼす（ドロップカウンタが増える）

CPUの負担を下げるため、定型作業をNIC側の回路に肩代わりさせます。これがオフロードです。

• チェックサムオフロード — IP/TCPのチェックサム計算・検証をNICが行う。CPUは全バイトを舐めずに済む
• TSO／LRO — 送信時、大きな塊をNICがMTU※1 サイズのフレーム群へ分割するのがTSO。受信時、細切れフレームをNICが1つの大きな塊へ束ねて渡すのがLRO。どちらも1パケットあたりのCPU手間を減らす
• 受信側スケーリング（RSS） — 複数のリングバッファを用意し、フローごとに別々のCPUコアへ割り当てて並列に処理する。1コアが受信で飽和するのを防ぐ

登場人物メモ（※の説明）:

• ※1 MTU — Maximum Transmission Unit。1フレームに載せられる最大サイズ。イーサネットは標準1500バイト。これを超えるデータは複数フレームに刻む必要がある

⚠️ イレギュラー（肩代わりの副作用）:

• キャプチャが嘘をつく — チェックサムはNICが送出直前に埋めるため、手前で覗くツールには「未計算＝不正」に見える。実回線上は正しい
• LROとルーティングの相性 — 受信で束ねてしまうと、そのまま転送する機器では都合が悪いことがある（束ねた塊をまた刻み直す羽目になる）
• オフロードのバグ — 特定のNIC・ドライバでオフロードが誤動作すると、原因が上位ソフトに見えて切り分けが難しい。疑うときは一時的に無効化して比較する

NICは1枚に見えて、内部は信号を扱う層とフレームを扱う層に分かれています。

• PHY（物理層） — ビット列を電気・光・電波の信号へ変調して載せ、受信では信号からビットを復調する。ケーブルや電波との境目そのもの
• MAC（データリンク層） — フレームの組立・宛先MAC判定・送受信のアクセス制御（いつ送ってよいか）を担う。①②で見た仕事はここ
• 両者のつなぎ目 — PHYとMACはMII系のインターフェースで結ばれ、速度規格（100M／1G／10G…）は主にPHYと相手との取り決め（中級で見たオートネゴシエーション）で決まる

登場人物メモ（※の説明）:

• ※1 変調／復調 — デジタルのビットを、送れる形の物理信号に変える／戻す操作。何をどう変調するかが速度規格の中身

⚠️ イレギュラー（層をまたぐ切り分け）:

• リンクは上がるのに通信できない — PHY同士はつながった（リンクアップ）が、MAC以上（速度・全二重の食い違いなど）で不整合、という切り分けが要る場面
• 速度が出ない — ケーブル品質やPHYの劣化で、規格上の最高速へ上がりきらずに落ちることがある（オートネゴシエーションが安全側へ倒れる）

受信の内部が見えると、次のような詰まりどころが同じ絵の上で読めます。

• 割り込み過多を見落とす — 高速回線ほど毎パケット割り込みが害になる。NAPI／割り込み合体（interrupt coalescing）で通知をまとめるのが定石
• コピーコストの軽視 — DMAでメモリには載っても、そこから上位へ何度もコピーするとCPUを食う。ゼロコピー系の工夫はこの重複コピーを削る
• オフロード副作用の誤診 — チェックサム不正表示やLROの束ねを「異常」と早合点しない。切り分けは一時無効化して比較する
• リングサイズの当てずっぽう — 溢れて取りこぼすなら増やす、というだけでなく、大きすぎれば遅延（バッファ膨張）を招く。捨てている数（ドロップ）を見て釣り合わせる
• 「NICは速いから大丈夫」という過信 — 物理速度が出ても、割り込み・コピー・1コア集中がボトルネックになれば実効速度は伸びない。速さは回線だけでなく受け渡しの設計で決まる

まとめ——NICの中では、フレーム（宛先判定とFCS）／DMAとリングバッファ（どうメモリへ載せCPUへ渡すか）／割り込みとポーリング（いつ知らせるか）／オフロード（何を肩代わりさせるか）／PHYとMAC（信号とフレームの分業）という何段もの受け渡しが連なっています。速さも、CPU負荷も、そして調査時の勘違いも、すべてこの受け渡しの上で起きている——ここまで見えれば、スイッチ・ルータ・高速サーバの通信設計は、同じ受け渡しをどこで束ね、どこへ分散するかの応用として読めるようになります。