概要

３分間 Networking を見ていて忘れてしまいそうな単語などを備忘録としてまとめました。
内容的にはレイヤ2です。前回の続き。

レイヤ２のネットワーキングデバイス

レイヤ2には、スイッチとブリッジがある。

ブリッジ

ブリッジはハブ(レイヤ1)より頭がいい。
送られてきた信号をそのまま流すのではなく、何かしらの制御を行うデバイス。

名前通りLANとLANの架け橋となる。
ハブでLAN同士を繋ぐと2つのLANに違いがなく１つのLANになってしまう。
ブリッジでは接続されたLANをそれぞれ別のセグメントとして扱うことができる。

セグメント
ルーター、ブリッジ、スイッチによって分断されたネットワークの区切りのこと。
衝突ドメインとほぼ同義。

衝突ドメイン
イーサネットで信号の衝突が起きる（起こる可能性がある）範囲のこと。

ブリッジの種類

1. ソースルートブリッジ(SRB)

Source-route bridge.
IEEE802.5(トークンリング)同士をつなげるブリッジ。SRBは他リング宛のパケットを受け取ると、全ルート探索パケットを使って宛先までの全てのルートを探し出す。それをルーティング情報として表形式で保持する。

全ルート探索パケット
全リングに対してブロードキャストを行う。受け取った宛先が返答を返し、一番早く返答が返ってきたルートを最短ルートとして表に記憶する。

下記画像のような場合は、下側よりも上側のルートを通る方が経由するリングが少ないので、上側のルートが最短ルートとして登録されるイメージ。(リングに接続されている機器の数とかによっても変わってくるかもなので、各リングを通るのに経由する機器の数は同じ想定で考えるのが良さそうです。)

参照元

2. トランスペアレントブリッジ

transparent bridge.
ソースルートブリッジほど制御せず通過させる。同じアクセス制御方式のセグメントを繋ぐ。

アクセス制御方式
CSMA/CD、トークンパッシングなど

3. 変換ブリッジ(SRTB)

Source-route transparent bridge.
異なるアクセス制御方式のセグメントを繋ぐ。

4. エンキャプスレーションブリッジ

encapsulation bridge.
WAN用にカプセル化するブリッジ。
同じアクセス制御方式のセグメントをWANを通して中継する。

ブリッジの機能

MACアドレスフィルタリング

受け取ったフレームを解析して、それを元に制御する。
宛先MACアドレスを読み取り、宛先が同じセグメントの場合は通さない。
ブリッジはポート毎にアドレステーブルを持っており、ポートと接続しているデバイスを記録する。
ブリッジはどのポートに宛先があるかまでは知らない。その為、止めるか通すかの２つの処理だけを行う。
通す時は全てのポートに送信(ブロードキャスト)する。
宛先が同じセグメント宛のフレームの場合、ブリッジによって止められ、他のセグメントに余計なデータを送らない。

メリット

ネットワーク全体のトラフィック(通信量)を減らすことができる。トラフィックが減るということは、衝突する可能性を減らせるということ。また、衝突によって壊れたデータや、JAM信号などもブリッジで止められるので、隣のセグメントの衝突を機にする必要がなくなる。

デメリット

ブリッジはフレームを読み取り処理を行うので多少時間が必要になる。具体的には、宛先MACアドレス、送信元MACアドレス、MACアドレスをアドレステーブルに記憶、エラーチェックなど。
その為通過するのにかかる時間だと、レイヤ１のハブに比べると10~30%程度遅くなる。(だが、ハブで頻繁に衝突が起こるよりはネットワーク全体の遅延がだいぶ少ないので、ブリッジの方がよく使われる。)
TCP/IPではブロードキャストが多い為、MACアドレスフィルタリングの機能が生かされないこともある。(ブリッジではブロードキャストを止められないので。)

スイッチ

スイッチング機能のみを有するものがレイヤ2スイッチと呼ばれる。
レイヤ3スイッチなど他のレイヤにも存在する模様。
ルーターもスイッチング機能を持っているが、スイッチング機能だけでなくルーティングルーティング機能も持っているので別物。
レイヤ2スイッチは一般的にはスイッチングハブと呼ばれたりもする。

スイッチとブリッジの違い

• ブリッジはMACアドレスでフィルターをかけて、通す or 通さないを判断する。 通す場合は全てのポートに送信する。(ブロードキャスト)
• スイッチはブリッジの機能に、どのポートに送るかまでを判断する機能が追加されたもの。 また、デバイスの持つポートの数が多い。（8〜48くらい）

スイッチの機能

スイッチは宛先がつながっているポートだけしかフレームを送信しない。
ブリッジと同様にアドレステーブルを作り、MACアドレスとポート番号の対応を保持する。
スイッチはバッファメモリを持っているので、受け取ったデータを一時的に保持することができる。
保持したデータは伝送路が空いたら送信することで衝突を回避している。
バッファリングを行う方式をストアアンドフォワード方式という。

ストアアンドフォワード
ストアが貯める、記憶するなどの意味を持ち、フォワードはあるポートから宛先に接続されているポートへフレームを送ること。

一般的なスイッチはほとんどがストアアンドフォワード方式が採用されている。
ファストイーサネットが下位互換であるのが理由とされている。
100Mbpsのメディアを通して送信されたデータを、10Mbpsのメディアに送信しようとすると、どうしても10Mbpsのメディアがボトルネックになってしまう。これを防ぐ為に、送りきれないデータを一時的にバッファに保持することで、ネットワークの占有率を下げることができる。

そのほかにもカットスルー方式や、フラグメントフリー方式がある。

カットスルー方式
バッファをせずにすぐ送信する。エラーフレームを送信する可能性がある。同じ帯域幅でないと使えない。

フラグメントフリー方式
基本カットスルー方式と同じ。64バイトまではバッファしてエラーチェックをする。これによって、イーサネットで一番多いショートフレームを除去することができる。

スイッチのメリット

複数デバイスが同時に送信可能(バッファ)。
バッファを使用してデータを保持する時はエラーチェックもする。（エラーの場合は他のセグメントに送信しない）
ブリッジと同様にポート1つ1つが衝突ドメインになっている（マイクロセグメンテーション）。
ポートにデバイスを１つしか接続しない場合、そのデバイスがメディアを占有できるので帯域幅を効果的に使用できる。
スイッチの内部は送信と受信で別れているため、スイッチを使用すると全二重イーサネットにすることができる。
ただしNICによっては対応していない可能性もある為、ネットワークアダプタのプロパティなどで確認する必要がある。
スイッチを使用した全二重通信になっていると、CSMA/CDで必要だった手順を無視できる。（キャリア検知、多重アクセスの待ち時間など）
ネットワークの効率を上げたい時に、設定や、トポロジを意識せずハブをスイッチにそのまま変更することができる。

スイッチのデメリット

ブリッジのデメリットがそのまま当てはまる。
フレーム読み取りの時間分だけ遅延が発生することと、ブロードキャストを止めることができないこと。

まとめ

無線LANルーターのブリッジモード（APモード）みたいな部分と関連させながら考えるとなんとなく理解が深まった気がしました。