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レッスン18: レイヤ2 スイッチ

今回は、スイッチについて説明します。切替えするスイッチそのものをイメージしてください。

例えるなら、電車の切り替えポイントです。ネットワークの場合、切り替えられる電車がデータ、レールがメディアもしくは回路ということになります。これをスイッチングといいます。ルータもスイッチング機能を持っているのですが、ここではスイッチング機能のみを持ったデバイス、レイヤ2スイッチ(スイッチング・ハブ)について説明します。

スイッチング・ハブは、見た目はハブそっくりですが実際はレイヤ2デバイスであるブリッジに近いものです。"マルチポート・ブリッジ"という表現が、一番機能を表しているかもしれません。

まずは、スイッチの機能についてです。スイッチは、ブリッジ同様にMACアドレスによるフィルタリングを行います。異なる点は、マルチポートだというところです。

また、ブリッジは通すか通さないかの二択しかありませんが、ポート密度(そのデバイスが持つポートの数。スイッチは8~48のポートを持ちます)の高いスイッチは、どのポートに送るかまで判断します。アドレステーブルの作り方はブリッジと同じように、フレームを受信したらその宛先とポートを覚えていく方法です。さらに、複数のデバイスが同時に送信可能です。

スイッチは以下のように接続します。



上記の図の場合、例えばAがC宛に送信した場合、フレームを受け取ったポートの受信機と、C宛に送信する送信機とが別々い接続されます。送信元の送信機と、宛先の受信機が直接接続されている形になるのです。

ですが、以下のようにハブが入るとそうはいきません。



また、1つのポートに2つのデバイスがある場合、スイッチはAとBの2つのMACアドレスと1番ポートを対応させます。アドレステーブルはこのようになります。




では複数の送り元から同じ宛先へ同時に送信された場合はどうなるでしょうか?普通に送っていたのでは衝突が発生してしまいます。

そこで活躍するのが、スイッチの持っているバッファメモリ(一次的にデータを退避しておくメモリ)です。ポートに到着したフレームは一旦バッファメモリに蓄積されます。その後、宛先ポートとその伝送路を確認し、開いていたら送信を開始します。そのときにもし同じ宛先へフレームが送られたら、また一旦バッファメモリに蓄積し、伝送路が空いたあとに送信をはじめるのです。これをバッファリングといいます。

このようにバッファリングを行う方式のことをストアアンドフォワード方式といいます。現在のスイッチはこの方式が多く使われています。理由としては、ファストイーサネットの下位互換性です。ポートによって10Mbpsと100Mbpsが混在するので、ファストイーサネットから100Mbpsで送られてきても、イーサネット側では10Mbpsしか通りません。そのため、送り切れない分を一時ためておく必要があるのです。

ストアアンドフォワード以外にも、カットスルー方式(バッファせずに宛先を確認した時点で送る方法。遅延はありませんがエラーフレームを送信する可能性があります。帯域幅の違うメディア同士では使えません)と、フラグメントフリー方式(基本はカットスルーですが、64バイトまでバッファしエラーチェックします。イーサネットでは一番多いショートフレームを除去します)があります。

さて、スイッチは、スイッチング機能で事実用一対一の通信を行うと説明しました。かつ、ストアアンドフォワード方式ですので、衝突が発生しません。つまり、スイッチを使えば送信しながらでも受信ができるのです。(全二重通信)

全二重通信では、理論値で送受信それぞれ100Mbps使えますので、200Mbps使えることになります。

ただ、かならず全二重にできるわけではなく、いくつか条件があるのです。

一つ目は、スイッチのポートとデバイスが一対一でない場合です。以下の図のようにハブが間にあると、ハブは送信用と受信用の伝送路を持っていないため、CとDの間では全二重通信が可能ですが、AとBはできません。



二つ目は、NICが対応していないといけないのです。最近のNICはほとんど対応していますが、昔のNCは半二重通信鹿できないものがあります。

対応しているかどうかは、デバイスマネージャからネットワークアダプタのプロパティを確認してください。Full Duplexが選択可能なら全二重通信に対応したNICということです。

続いて、スイッチの利点についてお話します。

まずまとめになりますが、スイッチは宛先が繋がっているポートだけしかフレームを送信しません。送信元と宛先が一対一になるように接続されます。さらに、衝突ドメインを区切ることができます。これはブリッジと同じですが、異なる点はマルチポートであるという点です。デバイスとポート間のメディアは、そのデバイスしか使わない、つまりそのメディアの帯域幅を効果的に使用できるのです。



さらに、CSMA/CDを無視できるという点も利点です。CSMA/CDは衝突を前提としたアクセス方式のため、そもそも衝突の発生しない全二重通信なら、その手順を踏む必要がありません。

さらに、複数のデバイスが同時に送信可能だったり、ハブと簡単に交換できるというところも利点です。現在のLAN設計には、スイッチが必需品なのです。


★理解度チェック★
Q.ポートに到着したフレームを一旦メモリに溜め、MACアドレスを確認した後目的のポートへ送り出す方式を何というでしょう?


参考:3 Minutes Networking

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