図で解剖！スイッチ＆ルータ 第1回

通信の流れがしっかりわかる!

ネットワーク機器の代表「スイッチ」の役割とは?

スイッチングハブ＝マルチポートブリッジ

　スイッチングハブは、ブリッジにハブの機能を持たせた、いわばマルチポートブリッジである。

　スイッチングハブは受信したフレームからMACアドレスを学習し、アドレステーブルに登録。各ポートにつながっている端末を識別する。もちろん、学習していない状態では、転送先のポートがわからないので、初期状態では各ポートにブロードキャストする。学習した後、は宛先の端末がつながっているポートにしかフレームを流さないようになる。もちろん、特定の端末宛ではなく、ブロードキャストの場合は、同一LAN内の全端末に送信する。

　スイッチングハブが学習できるアドレスの件数は、当初はかなり制限があったが、現在では数千件から数万件と十分要件を満たしている。学習したMACアドレスは一定時間が過ぎると、アドレステーブルのエントリから自動的に削除される。

　図8はリピータハブとスイッチングハブの動作を比べたものだ。見てわかる通り、リピータハブでは同時に通信できるのは1台のみで、異なる端末が同時に送信するとコリジョンが発生する。一方で、スイッチングハブのほうはA－D、C-Bという2対の通信が同時に行なえる。利用するEthernetの規格は同じでありながら、スイッチングハブを用いれば、コリジョンを抑えつつ、より効率よい通信が行なえるのだ。

図8　リピータハブとスイッチングハブ

図9　スイッチングハブの転送メカニズムとメリット

全二重通信の導入で事実上コリジョンは消滅

　またスイッチでは、コリジョンの発生を技術的に抑える方法として、全二重通信を導入している。

　従来のEthernetは、1つの通信チャネルで送信と受信のいずれかしか行なえない半二重通信であった。送信と受信が同時に行なわれるともちろんコリジョンが発生してしまう。つまり、半二重通信は、どちらかが話していると、もう片方は聞くだけというトランシーバに喩えられる。同軸ケーブルを用いる10BASE5や10BASE2は半二重通信を用いた規格である。

　一方、全二重通信は2つの通信チャネルを用いて、送信と受信を同時に行なえるというものだ。こちらは相手の声を聞きながら話ができる電話に喩えられるだろう。10BASE-Tでは当初サポートされていなかったが、UTPケーブルを用いた全二重通信があとから正式に規格化された。

　伝送媒体においても送信と受信が同時に行なえる全二重通信、そして送信元と宛先と論理的に直結するスイッチの登場により、コリジョンはほとんど起こらなくなった。また、10Mbpsと100Mbpsを意識せず使える環境を実現できるようになったため、LANの高速化に大きく寄与することになった。

　さらに、これら全二重通信と半二重通信のほか、10BASE-Tと100BASE-TX等を自動的に認識する「オートネゴシエーション」の機能も登場した。通信速度が異なるインターフェイスを混在できるのも、フレームをいったんバッファに格納し、送信タイミングを変えられるスイッチならではのメリットといえる。

　とはいえ、大量のフレームが一度に送信されるとバッファをあふれてしまう可能性がある。そのため、スイッチでは送信量を抑えるためのフロー制御_＊7の機能を搭載している。

＊7：フロー制御　処理能力を超えるフレームが送られてこないよう、送信元に対して送信を抑えるよう働きかける仕組み。半二重通信と全二重通信で実現方法が異なる。

どこまで読み込む?フレームの転送モード

　信号を増幅・整形するだけのリピータハブと異なり、スイッチングハブは、受信したフレームをいったんバッファに格納し、チェックした上で転送する。しかし、フレームをどこまで読み込むかという転送モードには「ストア＆フォワード」と「カットスルー」という2つの方式が存在する（図10）。

図10　フレームの転送モード

　「ため込んで転送」という名前の通り、ストア＆フォワードではフレームをすべてバッファにため込んで、受け取ったフレームにエラーがないこと_＊8を確認し、転送を行なう。

＊8：エラーがないこと　ここでいうエラーとは、送信された際のデータが欠損していないかを調べることで、フレームの最後に付いている「FCS（Frame Check Sequence）」を元にチェックする。

　一方のカットスルーは、フレームのヘッダのみを読み込み、転送先のMACアドレスがわかった段階で、すぐに転送する方式。バッファに要する時間がないため、きわめて遅延が少ないが、エラーはチェックされない。

　現在、スイッチングハブで一般的に用いられているのは、前者のストア＆フォワードである。

　こうした革新的な機能を搭載した世界最初のLANスイッチが開発されたのは、1990年。その後は企業だけではなく、家庭も含め、多くのLANで一般的に用いられるようになった。

　次回は企業向け製品の機能についてもう少し詳しく見ていきたい。