ネットワークスイッチ

ネットワークスイッチ(英語: ) は、メッセージを交換することでデータを受信し、ターゲットデバイスに転送するネットワークハードウェアであり、コンピュータネットワーク上のさまざまなデバイスを接続できます。一般的にはスイッチとも呼ばれます。

Avayaの ERS 2550T-PWR 50 ポートネットワークスイッチ

スイッチは、データリンク層でMAC アドレスを使用してデータを転送するマルチポートブリッジです。ルーティング機能の導入により、ネットワーク層でのデータ転送も行うことができるスイッチもあり、このようなスイッチは一般にレイヤ3スイッチやマルチレイヤスイッチと呼ばれます。

イーサネットスイッチは、ネットワークスイッチの最も一般的な形式です。最初のイーサネットスイッチは、Kalpana Corporation ( 1994 年にCiscoに買収) によって導入されました。スイッチは、ファイバチャネル、非同期転送モード、InfiniBandなどの他のタイプのネットワークでも遍在しています。

リピーターはすべてのポートに同じデータを転送するため、デバイスはどのデータが必要かを判断できますが、スイッチは異なり、データを受信する必要があるデバイスにのみデータを転送します。

動作原理

スイッチのあるネットワーク

イーサネットスイッチ

スイッチは、OSI 参照モデルの 2 番目の層であるデータリンク層で動作します。各ポートが正常に接続されると、スイッチ内のCPU はMAC アドレスとポートを照合して MAC テーブルを形成します。今後の通信では、この MAC アドレスに送信されるデータパケットは、すべてのポートではなく、対応するポートにのみ送信されます。したがって、スイッチを使用してデータリンク層のブロードキャスト、つまりコリジョンドメインを分割することはできますが、ネットワーク層のブロードキャスト、つまりブロードキャストドメインを分割することはできません。

スイッチによるデータパケットの転送は、MAC アドレス (物理アドレス) に基づいて行われます。IP ネットワークプロトコルの場合、これは透過的です。つまり、スイッチは、転送時に送信元マシンと宛先を認識しません。また、認識する必要もありません。コンピュータの IP アドレスを知りたい場合は、その物理アドレスだけを知る必要があります。

動作中, スイッチは継続的にデータを収集して独自のアドレステーブルを構築します。このテーブルは非常に単純です。特定の MAC アドレスがどのポートで見つかったかを示すため、スイッチが TCP/IP パケットを受信すると、データパケットの宛先 MAC アドレスを確認し、自身のアドレステーブルをチェックして、どのポートからデータパケットを送信するかを確認します。このプロセスは比較的単純であり、この機能は最新のハードウェアであるASICによって実行されるため、速度は非常に高速です。通常、スイッチが IP パケットの送信先を決定するのにかかる時間はわずか数十マイクロ秒です。

宛先 MAC アドレスがアドレステーブルで見つからない場合、スイッチは、受信したブロードキャストパケットを処理するときと同じように、IP パケットを「フラッディング」します。つまり、各ポートからパケットを送信します。レイヤ 2 スイッチの弱点は、ブロードキャストパケットの処理方法があまり効率的ではないことです。たとえば、スイッチが TCP/IP ワークステーションから送信されたブロードキャストパケットを受信すると、そのパケットを他のすべてのポートに渡します。一部のポートがIPXまたは DECnet ワークステーションに接続されている場合でも。その結果、非 TCP/IP ノードの帯域幅は悪影響を受けます。たとえ同じ TCP/IP ノードであっても、そのサブネットがブロードキャストパケットを送信したワークステーションのサブネットと同じである場合、それらは不合理になります。 . 関係のないネットワークブロードキャストを受信すると、ネットワーク全体の効率が大幅に低下します。

作業の方法

スイッチを設置して構成した後の作業プロセスは次のとおりです。

ネットワークセグメント (A に設定) 上の MAC アドレス X を持つコンピュータから MAC アドレス Y を持つコンピュータへのパケットを受信します。したがって、スイッチは MAC アドレス X がネットワークセグメント A にあることを記録します。これを学習といいます。
スイッチは、どのネットワークセグメントの MAC アドレス Y が存在するかを認識していないため、A を除くすべてのネットワークセグメントにデータパケットを転送します。これをフラッディングといいます。
MAC アドレス Y のコンピュータはデータパケットを受信し、確認応答パケットを MAC アドレス X に送信します。パケットを受信した後、スイッチは MAC アドレス Y が存在するネットワークセグメントを記録します。
スイッチは確認パケットを MAC アドレス X に転送します。これを転送といいます。
スイッチがデータパケットを受信し、テーブルを確認した結果、データパケットの送信元アドレスと宛先アドレスが同じネットワークセグメントに属していることがわかります。スイッチはパケットを処理しません。これをフィルタリングと呼びます。
スイッチ内の MAC アドレス - ネットワークセグメントクエリテーブルの各レコードは、タイムスタンプを使用して最終アクセス時刻を記録します。特定のしきい値 (ユーザーが構成可能) より古いレコードは消去されます。これを老化といいます。

フルスイッチ LAN では、スイッチの各ポートに接続されるデバイスは 1 つだけであるため、衝突は発生しません。スイッチはフィルタリングを行う必要はありません。

OSIのさまざまなレベルで動作するスイッチングテクノロジー

最新のビジネススイッチは主にイーサネットインターフェイスを使用します。マルチポートレイヤ 2 ブリッジングの提供はイーサネットスイッチの中核機能であり、多くのスイッチは他のレイヤのサービスも提供します。ブリッジ機能だけを提供するこの種のスイッチはマルチレイヤスイッチとも呼ばれます。マルチレイヤスイッチは、多くのレベルでトポロジを学習でき、1 つ以上のレイヤで転送することもできます。

層

ハブなど、トラフィックを制御せずにデータを送信するネットワークデバイスの層。受信ポートのパケットはすべて、受信ポートを除くすべてのポートに転送されます。具体的には、各ビットまたはシンボルはそのまま送信されます。各パケットはすべてのポートに分散されるため、その衝突はネットワーク全体に影響を及ぼし、その結果全体の機能が制限される可能性があります。2000 年代初頭までには、ハブとローエンドスイッチの価格差は最小限になりました。[1]特定のアプリケーションでは、ハブは、パケットアナライザーにネットワークトラフィックのコピーを提供するなど、しばらくは役立ちます。ネットワークスプリッターとスイッチのポートミラーリングでも同じ機能を実現できます。

二階

アイテム:橋

レイヤ 2 スイッチは、ハードウェアアドレス (MAC アドレス) に基づいてデータリンク層 (レイヤ 2) でネットワークフレームを送信します。レイヤ 2 スイッチはルーターやホストに対して「透過的」であり、主に 802.1d 標準に準拠しています。この規格では、スイッチが各ポートのデータフレームを監視して送信元 MAC アドレスを取得し、スイッチが内部の高速キャッシュに MAC アドレスとポートの間のマッピングテーブルを確立することが規定されています。スイッチが受け付けたデータフレームの宛先アドレスがマッピングテーブルにある場合、スイッチは対応するポートにデータフレームを送信します。見つからない場合は、そのポートが属する仮想ローカルエリアネットワーク (VLAN) のすべてのポートにデータフレームをブロードキャストし、応答データパケットがある場合、スイッチは新しい対応関係をマッピングテーブル。スイッチが初めてネットワークに参加するときは、マッピングテーブルが空であるため、スイッチが各 MAC アドレスを「学習」するまで、すべてのデータフレームが仮想 LAN 内のすべてのポートに送信されます。この観点から見ると、スイッチは起動直後は従来の共有ハブと同様であり、マッピングテーブルが確立されるまではその性能を発揮できません。この方法は、共有イーサネットのトラフィックの混雑の仕方を変え、異なる進行方向に高架を敷設するようなもので、異なる方向に進む車両が同時に通過できるため、トラフィックが大幅に改善されます。VLAN の観点から見ると、サブネット内のノードのみが帯域幅をめぐって競合するため、パフォーマンスが向上します。ホスト 1 はホスト 2 にアクセスします。同時に、ホスト 3 はホスト 4 にアクセスできます。この利点は、各部門が独自の独立したサーバーを持っている場合にさらに顕著になります。しかし、サーバーは集中管理される傾向があり、このモデルはインターネットアプリケーションには適していないため、この環境は大きく変化しつつあります。異なる VLAN 間の通信はルーターを介して完結する必要がありますが、異なるネットワークセグメント間の通信を実現するには相互接続にもルーターが必要です。

3階建て

レイヤ 3 スイッチは、レイヤ 3 ネットワーク層プロトコルを処理でき、異なるネットワーク、デフォルトゲートウェイを照会して学習することで2 つのネットワークセグメント間の直接接続を確立するために使用されます。

レイヤ 3 スイッチはルータの機能の全部または一部を実現できますが、同じ種類の LAN サブネット間の相互接続にしか使用できません。このようにして、レイヤー 3 スイッチは、レイヤー 2 スイッチのように MAC アドレスによってデータパケットを識別でき、従来のルーターのように 2 つの LAN サブネット間で弱いルーティングと転送を実行することもできます。そのルーティングと転送はソフトウェアによって維持されません。ただし、これらの転送を処理するために専用の ASIC チップを使用します。

4階建て

4 層スイッチは、第 4 層のトランスポート層プロトコルを処理でき、セッションを特定の IP アドレスにバインドして仮想 IP を実現できます[2]。

7階

よりスマートなスイッチは、帯域幅リソースを最大限に活用して、アプリケーション層のデータ変換のためにスイッチングデバイスをフィルタリング、識別、および処理できます。

帯域幅

ネットワークスイッチの帯域幅は、10Mb/s、100Mb/s、 1Gb/s、10Gb/s、40Gb/s、100Gb/sに分かれています。

Mbpsを MB/秒に変換: 1Mbps=0.125MB/秒。

参考文献

^ Matthew Glidden. . この特定の Macintosh ブログについて. 2001 年 10 月 [2011 年 6 月 9 日]. (元のコンテンツは2019 年 1 月 6 日にアーカイブ)。
^ . Pacific Internet. 2004-06-08 [2014-11-18]. (オリジナルコンテンツは2014-02-28 にアーカイブされました)。