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[2007/02/19]
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[2007/01/29]
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[2007/01/15]
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[2006/12/25]
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[2006/12/18]
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[2006/12/11]
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[2006/12/04]
■ その102「WMAの歴史」
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■ その101「AACの特徴」
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[2006/11/13]
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■ その98「H.264・MPEG-4 AVCの特徴」
[2006/10/30]
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[2006/10/23]
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[2006/10/16]
■ その95「PNGの現状と今後」
[2006/10/02]
■ その94「GIFの構造」
[2006/09/25]
■ その93「10GBASEの種類（2）」
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■ その92「10GBASEの種類」
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■ その88「MPEGの仕組み」
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■ その85「QuickTimeの変遷」
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■ その84「Realのこれまでと今後」
[2006/06/26]
■ その83「ShareとWinny」
[2006/06/19]
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[2006/06/12]
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[2006/06/05]
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[2006/05/29]
■ その79「Skypeの仕組み」
[2006/05/22]
■ その78「BitTorrentの特徴と今後」
[2006/05/15]
■ その77「Winnyの仕組みと現状」
[2006/05/08]
■ その76「WinMXの特徴」
[2006/04/24]
■ その75「Gnutellaの歴史と構造」
[2006/04/17]
■ その74「Napsterの歴史」
[2006/04/10]
■ その73「P2Pのいろいろ」
[2006/04/03]
■ その72「IEEE 802.11nの動向」
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[2005/11/21]
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[2005/11/14]
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■ その47「OFDMAの仕組みとOFDMとの違い」
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■ その46「OFDMの仕組み」
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■ その36「スイッチとその進化」
[2005/05/09]
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■ その23「SSHの仕組みと応用」
[2005/01/24]
■ その22「SSLの役割」
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■ その21「POP3とIMAP4の違い」
[2004/12/27]
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[2004/12/20]
■ その19「SMTPの機能と問題点」
[2004/12/13]
■ その18「SPIとパケットフィルタリング」
[2004/12/06]
■ その17「LANの概念とその広がり」
[2004/11/29]
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■ その14「VoIPの仕組み」
[2004/11/01]
■ その13「イーサネットとは」
[2004/10/25]
■ その12「IP/TCP/UDP/ICMPとは」
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[2004/09/27]
■ その9「DMZとその効果」
[2004/09/13]
■ その8「ファイアウォールとは」
[2004/09/06]
■ その7「NATとNAPTの違いとIPマスカレード」
[2004/08/30]
■ その6「VPNとVPNパススルーの仕組み」
[2004/08/23]
■ その5「無線LANの問題とWEP」
[2004/08/09]
■ その4「IEEE 802.11a/b/gって何を意味しているの？」
[2004/08/02]
■ その3「ダイナミックDNSって？」
[2004/07/26]
■ その2「グローバルIPアドレスとプライベートIPアドレス」
[2004/07/12]
■ その1「PPPoEって何だろう？」
[2004/07/05]

その36「スイッチとその進化」


■ スイッチって何？

図1：クロスバースイッチ
　今回はスイッチについて説明したいと思います。最近のスイッチとルータは本質的に同じと以前お話したと思います。ではなんでスイッチという言葉が登場したか、を説明しましょう。

　スイッチの語源になるのは、「クロスバースイッチ（Crossbar Switch）」と呼ばれる方式です。日本語では「腕木式」とも言われたりしますが、縦横2種類の配線を組み合わせる方式を指します。

　このクロスバースイッチが最初に利用されたのは、電話交換機です。電話の場合、複数の人が同時に通話することが求められます。そこで例えば1～6までの拠点がある場合、これを図1のような構成で接続します。こうすると、例えば1と5、2と6、3と4が同時に通話したいと思ったときは、図2のように3カ所のスイッチをオンにすることで、お互いが同時に通話できることになります。

　当然、回路などは巨大にならざるを得ないわけで、初期のクロスバースイッチ方式の電話交換機は、数千回線分のものでタンス数十個分の大きさという代物でした。しかし、その後はさまざまな改良によってどんどん小型化が進み、今では非常に小さなものになっています。


図2：1と5、2と6、3と4が接続

　さて、このクロスバースイッチが最初に導入されたのは、ハブにおける分野でした。ハブと言えば、当時はリピータハブしかなかったわけですが、リピータの場合は同時に通信できるのが1対のみ、という制限がついています。例えば、電話交換機をリピータハブの方式で構成すると、図3のようになってしまいます。このままだと、1度に通信できるのは図4のように1対のみで、たとえば1と5が通信中は、他のポートは一切通信できないことになります。そこで、ハブに図1のようなクロスバースイッチを導入すれば、複数の通信を同時に行なえることになるわけです。

　こうして生まれたのが、スイッチングハブです。当初は従来のリピータハブと区別するために「クロスバースイッチングハブ」などと言われていましたが、名前が長すぎることもあり、スイッチングハブと称されるようになり、今では単にスイッチと言えばこのクロスバースイッチングハブを指すのが一般的になってきています。

　このスイッチがリピータと異なるのは、「どのポートと、どのポートを繋ぐスイッチをオンにするか」というのを、パケットの中身を見て判断する必要があるからです。当初はレイヤ2、つまり宛先MACアドレスを見て判断していましたが、そうなるとスイッチの動作は基本的にブリッジと同じと言うことがおわかりいただけるかと思います。


図3：リピータ方式の構図

■ スイッチの進化

図4：リピータ方式の問題
　さて、そのスイッチですが、まず全二重の仕組みが取り入れられました。図4で示すように、当初のスイッチは各ポートともに、1度に送信と受信を行なうことはできません。これは、元々イーサネットが送受信を同一の配線で行なっていたから、避けることはできませんでした。

　ところが10BASE-Tでは4対の信号線がありますから、このうち1対を送信、1対を受信にすれば、同時に送受信が行なえることになり、利用効率がさらに上がります。このための規格がIEEE 802.3xと呼ばれるもので、10BASE-Tそのもの（IEEE 802.3i）や100BASE-T（TX/T4/FX）と同時に利用できる規格として定められました。

　そうなると、スイッチの側でもこれに対応する必要があります。そこで図5のように、送信と受信を分けてクロスバー回路を構成する全二重スイッチが登場するようになりました（*1）。

　また、上に述べた通りスイッチは当初宛先MACアドレスを見て接続先を判断していたわけですが、これも次第にIPアドレスを見て接続先を判断する製品や、さらにデータプロトコルを見て判断する製品など、多くの高機能製品が登場しました。一般にMACアドレスを見てスイッチングする製品をレイヤ2スイッチ（L2スイッチ）、IPアドレスを見てスイッチングするものをレイヤ3スイッチ（L3スイッチ）などと呼びます。

　さらに上位の製品では、レイヤ4～7のプロトコルで判断するということで、レイヤ4～7スイッチ（L4～L7スイッチ）などと称する場合もありますが、もうこのあたりになると機能的にはルータそのものということになります。こうなると、スイッチとルータの違いは、何ポート接続できるかというあたりになります。

　*1：全二重化とスイッチは別の話だ、というご指摘をいただきました。確かに全二重のリピータハブというものも、ごく小数ですが存在します。ただ、この方式ではさして効率が上がらなかった関係で、ほとんど普及しませんでした。全二重化で性能が出るようになったのは、スイッチの仕組みと組み合わせてからの話なので、ここでは敢えて一緒に論じています。


図5：全二重スイッチ

図6：スイッチ付きルータ
　通常、送受信各1ポートのものはルータ、2ポート以上のものはスイッチというのが原則なのですが、中には4ポートほど装備して「スイッチ付きルータ」などと、一見わかりにくい記述になっている製品すらあるほどです。

　ただこれには理由があって、こうした製品は図6のような構成になっています。ブロードバンドルータではこういう構成のケースが多く、WAN回線とのルータ機能自体はレイヤ3相当ですが、LAN側はレイヤ2相当なので、こういう表現になったわけです。正確に書けば「L3ルータ（LAN側L2スイッチ内蔵）」というあたりでしょうが、これでは商品コピーとしてはややインパクトに欠ける（というか、わかりにくい）ためか、「スイッチ付きルータ」になったのでしょう。

　それとは別に、スイッチングに関してもいくつか進歩があります。当初、スイッチではストア＆フォワードという方式が使われていました（今でも広く使われています）。この方式は図7のように、まずパケットを全部受信してからヘッダを確認し、宛先を決めて送り出すというものです。この方式はインプリメントも簡単で良いのですが、パケットを受け取ってから送り出すまでのレイテンシ（遅延時間）が大きくなるという欠点があります。


図7：ストア＆フォワード

図8：カットスルー
　ところが冷静に考えると、例えばMACアドレスを使うのであれば、先頭のヘッダ部で宛先さえ確認できれば、全部受信するのを待つ必要がありません。そこで登場したのが図8のようなカットスルー方式です。ヘッダ部だけ受信したら、そこからすぐに宛先を判断して送り出すという仕組みで、これによりレイテンシを減らすことが可能になりました。しかし今度は、受信したパケットが壊れていた場合でもカットスルーでは判断できずに送り出してしまうので、無効パケットが増えてしまうという問題がありました。

　ただし、ストア＆フォワードならば、受信後に全パケットの内容を確認できるので、壊れていればそこでパケットを破棄できるため、これはカットスルー特有の問題になります。これに対処するため、修正カットスルーという方式が現在では使われています。修正カットスルーでは、ヘッダ＋データを64バイト読み込んだ時点で宛先判断とパケットのチェックを行ないます。これにより、壊れたパケットをかなりの確率で破棄できるようになり、かつストア＆フォワードほどレイテンシが大きくならないということで、今では広く利用されています。

　ただカットスルーや修正カットスルーでは、どうしても高機能なコントローラが必要となる関係で、廉価なスイッチでは今でもストア＆フォワードが広く利用されています。

[UPDATE]
　5月16日付けで原稿を改訂いたしました。




2005/05/09 10:57
槻ノ木 隆
　国内某メーカーのネットワーク関係「エンジニア」から「元エンジニア」に限りなく近いところに流れてきてしまった。ここ２年ほどは、企画とか教育、営業に近いことばかりやっており、まもなく肩書きは「退役エンジニア」になると思われる。（イラスト：Mikebow）
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