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LAN スイッチ

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スイッチの種類とその違いを知る

LANで使用される主要なネットワーク機器に「LANスイッチ」があります。LANスイッチはその機能によって、レイヤ3スイッチ(L3スイッチ)とレイヤ2スイッチ(L2スイッチ)に大きく分類することができます。

また、従来からLAN構築に使われてきたネットワーク装置に「ハブ」があります。そういえば、LANスイッチとハブも、同じような外見をしています。ハブ、レイヤ2スイッチ、レイヤ3スイッチの違いを理解するためには、ネットワークの階層(レイヤ)というものを知っておかなければなりません。

レイヤとは

ネットワークの勉強を始めると、必ず「 OSI 参照モデル」という用語を目にします。

ネットワーク装置や端末を提供しているのが 1 社だけであれば、その会社が決めた通信手順(プロトコル)だけでネットワークを運用することができます。しかし、ネットワークが普及するにつれて、さまざまな機器をネットワークに接続する要求が生まれ、各社のネットワークに合わせた開発が必要になったのでした。このような問題を解決するために生まれたのが、国際標準化機構( ISO )によって制定された「開放型システム間相互接続( OSI:Open System Interconnect )」です。そして、OSI の設計方針に基づいて通信機能を分割して階層化したのが「 OSI 参照モデル」というわけです。7 つの階層から構成されるため、「 7 階層モデル」と呼ばれることもあります。

ここでは OSI 参照モデルの詳細については説明しませんが、レイヤ(階層)というものを理解してもらうために、OSI 参照モデルのうちの 3 つの階層を簡単に紹介します。

レイヤ 1 (物理層)

 もっとも簡単なネットワーク構成を考えてみましょう。2 台の PC を接続して、相互にファイルの交換ができれば、それで 1 つのネットワークとなります。ただし、これはそれほど簡単なことではありません。まず、物理的な問題が発生します。どのようなケーブルを使うのでしょうか?ケーブルの両端には、どのようなコネクタが付いているべきでしょうか?そして、それに合うインターフェイスが PC に備わっているべきなのでしょうか?
 このような伝送路に関する問題を扱うのがレイヤ 1 (物理層)となります。

 

レイヤ 2 (データリンク層)

 レイヤ 1 の通信は、単なる電気信号でした。レイヤ 2 になると、通信単位が「フレーム」と呼ばれる意味のあるデータ列になります。レイヤ 1 にどのような技術が使われていたとしても、電気信号からフレームを組み立てることができれば、レイヤ 2 での通信に支障はありません。これが階層構造の利点です。
 レイヤ 2 ではフレームが正しく組み立てられないとエラーとなります。エラー検出も重要な機能の 1 つです。また、各端末には識別子(アドレス)が割り当てられ、フレームには送信元と宛先のアドレスの情報が含まれます。この段階で端末同士の相互接続が可能になると言えます。

 

レイヤ 3 (ネットワーク層)

 レイヤ2では、同じスイッチあるいはハブに接続されている端末どうしでの通信が可能になりました。このネットワークの範囲が LAN (ローカルエリアネットワーク)となります。レイヤ 3 では、LAN どうしの接続を実現します。つまり、ネットワークを相互接続する「インターネットワーキング」です。

 

 レイヤ 3 では、データ列を「パケット」という単位で扱います。また、各端末にはレイヤ 3 用のアドレスが割り当てられます。このアドレスは LAN で使われるレイヤ 2 の MAC アドレスとは異なり、相互接続されたネットワーク全体で識別可能という特性があります。
 もっとも普及しているレイヤ 3 の技術はインターネット プロトコル、つまり IP です。IP の通信単位は IP パケット、IP で使われるアドレスは IP アドレスとなります。

レイヤ 1 のネットワーク装置-ハブ

 LAN の技術のなかで最も普及しているのは「イーサネット」です。イーサネットと呼ばれるものにはいくつか種類がありますが、ここでは 10Base-T というイーサネットを考えます。10Base-T というのは、ツイストペアと呼ばれるケーブルを使うもので、通常は端末を「ハブ」と呼ばれる集線装置のポートの1つに接続します。
 端末から発信された信号は、ハブを経由して、同じハブに接続されたすべての端末に送信されます。

 

 

レイヤ 2 のテクノロジー-イーサネット

 レイヤ1の説明でイーサネットを紹介しましたが、イーサネットはレイヤ1だけでなくレイヤ2の機能も備えています。イーサネットで使用されるフレームを「イーサネット フレーム」といいます。また、イーサネットでは「 MAC アドレス」という識別子が使われます。
 ハブを使って LAN を構築した場合、レイヤ1で電気信号がハブに接続されたすべての端末に送信されるわけですから、全端末が電気信号をイーサネットフレームに組み立て直します。そして、宛先アドレスを確認し、自分宛てのフレームなら受け取り、自分宛てでなければフレームを捨てるという処理を行います。

 

 

レイヤ 3 のネットワーク装置-ルータ

 ルータは「 LAN 間接続装置」と呼ばれていた頃があります。基本的には 2 つのネットワークを相互接続する装置ですから、2 つのインターフェイスを持っています。インターフェイスの種類には、イーサネットのほかにも、WAN 接続のためのフレームリレー、シリアル、ISDN などがあり、ルータにどのような種類のインターフェイスが付いているかが重要となります。
 ルータの主な機能は、その名のとおりに経路(ルート)の計算です。あるネットワークから別のネットワークに到達するためには、どのような経路を選択すべきであり、受け取ったパケットをどこに転送するかを決めることです。経路計算の方法にはいくつかの種類があり、それらを「ルーティング プロトコル」と呼んでいます。ルーティング プロトコルには、RIP、OSPF、EIGRP などがあります。

 

レイヤ 2 スイッチからレイヤ 3 スイッチへ

レイヤ 2 とレイヤ 3 の意味がわかったところで簡単に説明してしまうと、レイヤ 3 スイッチは OSI 参照モデルのネットワーク層(レイヤ 3 )でパケットの宛先を判断して転送を行なう装置であるのに対して、レイヤ 2 スイッチは OSI 参照モデルのデータリンク層(レイヤ 2 )でフレームの宛先を判断して転送を行う装置ということになります。しかしこれでは、レイヤ 3 スイッチが「多くのポートを備えたルータ」のように誤解されてしまいそうです。

レイヤ 3 スイッチをさらに理解するために、VLAN の説明から始めましょう。

VLAN

 レイヤ2のフレームをインテリジェントに処理する LAN スイッチの、さらにインテリジェントな機能に VLAN(Virtual LAN) があります。レイヤ 2 の説明で、「同じスイッチに接続された端末で 1 つの LAN を構成できる」と言いました。これは、物理的な接続がネットワークの構成に直接結びついていることを意味します。VLAN 機能では、物理的な接続に関係なく、互いに通信できる論理的なグループを構成することができます。
 VLAN 機能の利点を考えてみましょう。まず、自分の会社を見回してみてください。同じフロアに複数の部署がありませんか。たとえば、営業のすぐ隣に財務部門があったり、人事部の隣がお客様用の会議室であることも考えられます。これらの部署が同じスイッチに接続していると、誰もが財務部門のサーバや人事部のサーバにアクセスを試みることができます。
 VLAN 機能を使って 1 つのスイッチのなかに複数の LAN を構築すると、同じスイッチに接続されていても、別の VLAN として構成されている端末との通信はできなくなります。

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 また、VLAN を利用すると、スイッチの物理的な接続とは切り離した LAN の構築ができるため、社内のレイアウト変更や人事異動にも対応できます。管理者は、リモートからスイッチの設定を変更するだけで、ポートが所属する VLAN を変更することができるのです。

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VLAN の相互接続 - レイヤ3スイッチ

 さて、VLAN 機能を利用すると、同じスイッチに接続しているからといって、必ずしも相互に通信が可能とは限らないことになります。1 つのスイッチのなかに複数の LAN が存在しているようなものですから、VLAN 間の通信にはルータが必要になります。

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 そこで、LAN スイッチにルータの機能を組み込んだ装置が開発されました。それがレイヤ 3 スイッチなのです。1 台の装置のなかに複数台のレイヤ 2 スイッチとルータが組み込まれているようなものなのです。

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レイヤ 3 スイッチの設定は難しい?

レイヤ 3 スイッチでは、レイヤ 2 スイッチの設定とルータの設定が必要になります。実はレイヤ 2 スイッチの場合、特別な設定をしなくてもスイッチを入れて端末を接続するだけで、使用を開始することができます。そのために一般ユーザからはハブとの区別がつきにくくなっています。

ルータには少なくとも IP アドレスとルーティングの設定が必要になるように、レイヤ 3 スイッチにもルータと同じような設定が必要になります。「レイヤ 3 ルータは難しい」というのは、このような使い始めの手順にも影響されているのでしょう。

まとめ

外見が似ているハブ、レイヤ 2 スイッチ、レイヤ 3 スイッチの機能の違いを理解できたでしょうか。最後にこれらの装置の特徴をまとめましたので、参考にしてください。

ネットワーク装置 ハブ レイヤ 2 スイッチ レイヤ 3 スイッチ
OSI 参照モデル レイヤ 1 レイヤ 2 レイヤ 3
構成 レイヤ1 レイヤ2 レイヤ3

 

 

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