ハブ・スイッチ・ルータの違い

ハブ・スイッチ・ルータは、どれもデータを次へ送る機器です。違うのは、転送先を決めるために何を見ているかです。

ハブは何も見ずに、受信ポート以外の全ポートへそのまま信号を流します。スイッチは第2層のMACアドレスを見て、ルータは第3層のIPアドレスを見ます。L2スイッチやL3スイッチのL2・L3も、どの層の情報を見て転送するかを表しています。この違いが分かると、通信が届く範囲や、障害のときにどの機器を疑うかを判断できます。

商品名と実際の機能は、必ずしも一致しません。家電量販店では、スイッチを単に「ハブ」という商品名で売っていることがよくあります。スイッチは、スイッチングハブとも呼びます。

家庭用の「Wi-Fiルータ」も、実際にはルータ・スイッチ・無線アクセスポイントの機能を1台にまとめた機器です。無線アクセスポイントがどう電波を中継しているかは、無線LANの記事で説明しています。

表の「該当する層」は、OSI参照モデルの記事で説明した層番号です。MACアドレスとIPアドレスがそれぞれどの層のアドレスかは、MACアドレスとIPアドレスの記事で説明しています。

ハブの仕事は、受け取った電気信号を増幅して、受信したポート以外のすべてのポートにそのまま流すことだけです。宛先の情報は、いっさい見ません。

宛先を見ないので、届ける必要のない相手にもデータが流れてしまいます。また、複数の機器が同時に送信すると信号がぶつかります。この現象をコリジョンと呼び、ハブでは避けられません。

こうした欠点があるため、ハブは現在ほぼ使われておらず、次に説明するスイッチに置き換わっています。

半二重・全二重やCSMA/CDといった通信方式は、ネットワークトポロジの記事で説明しています。これらは、信号を共有する回線で衝突をどう検知し、どう回避するかに関わる方式です。

スイッチは、どのMACアドレスの機器がどのポートの先にいるかを示す対応表を、自分で作ります。この表をMACアドレステーブルと呼びます。スイッチはこの表を見て、必要なポートだけにフレーム（第2層で扱うデータの単位）を転送します。ハブと違い、関係のないポートにはデータを流しません。

MACアドレステーブルはどう作られるか

テーブルは管理者が設定するものではなく、スイッチが通信を見ながら自動的に学習します。

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   フレームを受信する

   どこかのポートから、Ethernetフレームが届きます。

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   送信元MACアドレスを学習する

   送信元MACアドレスと受信したポート番号の組を、MACアドレステーブルに記録します。

3. 3

   宛先MACアドレスがテーブルにあれば

   該当するポートだけにフレームを転送します。

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   宛先MACアドレスがテーブルになければ

   受信したポート以外の全ポートに転送します。これをフラッディングと呼びます。

学習に使うのは、宛先ではなく送信元のMACアドレスです。あるポートからあるMACアドレスのフレームが届けば、そのポートの先にそのMACアドレスの機器がいると判断できるからです。

たとえば、3台のPCがそれぞれポート1・2・3に接続されているとします。どのPCも一度は送信していれば、MACアドレステーブルは次のようになります。

まだ一度も送信していない機器は、テーブルに載っていません。その場合は、ステップ4のとおり、いったん全ポートにフラッディングして相手の応答を待ちます。応答が返ってきた時点で、スイッチはその送信元MACアドレスを学習します。

同じ配線でハブとスイッチの動きを比べると、次のようになります。

通常、1つのポートで学習するMACアドレスの数に上限はありません。ポートごとに数を制限する機能は、ポートセキュリティの記事で説明しています。

スイッチによっては、LANケーブルを通して、つないだ機器へ電力も送れます。この機能をPoEと呼びます。

ルータは、フレームの中のIPパケットを見て、宛先IPアドレスをもとに転送先を決めます。

スイッチが同じネットワーク内で転送するのに対し、ルータは別のネットワークへ中継します。そのため、ルータはネットワークとネットワークの境目に置きます。

ルータは、経路表を使って、宛先IPアドレスにどの経路で送ればよいかを選びます。この処理をルーティングと呼びます。具体的な仕組みは、ルーティングの記事で説明しています。

スイッチとルータは、転送先を決める表を自分で作り、自分で参照します。表を作る役割を機器から切り離して1か所に集める考え方もあり、SDNの記事で説明しています。

L3スイッチは、スイッチとしての高速な転送性能を保ったまま、ルーティングも行える機器です。ルータと同じようにIPアドレスを見て、ネットワーク間を中継します。名前のとおり、第2層と第3層の両方を扱います。

ルータでもネットワーク間の中継はできますが、両者には次のような違いがあります。

L3スイッチが得意なのは、社内LANのような組織内での中継です。組織内を複数のネットワークに分けたとき、L3スイッチは分割したネットワークの間を高速に中継します。一方、インターネットとの接続やNATが必要な場面では、今もルータを使います。

L3スイッチがVLANの間を仮想のインターフェース（SVI）で中継する流れは、VLAN間ルーティングの記事に図があります。

機器の違いは、信号が衝突しうる範囲と、ブロードキャストが届く範囲にも現れます。こうした範囲をドメインと呼びます。

コリジョンドメインは、同時に送信するとコリジョンが起きる可能性がある範囲です。ブロードキャストドメインは、ブロードキャストフレームが届く範囲です。

ただし、1台のスイッチの中でブロードキャストドメインを分ける方法もあります。この方法はVLANと呼び、設定だけでスイッチを論理的に分割します。仕組みはVLANの記事で説明しています。

機器を切り替えて2つのドメインの境目を見比べる図は、衝突ドメインとブロードキャストドメインの違いの記事にあります。

LAN全体の配線の形をトポロジと呼びます。1台の機器や1本のケーブルが壊れたときに通信できなくなる範囲は、トポロジによって変わります。詳しくはネットワークトポロジの記事にまとめています。

故障に備えて、スイッチ同士を2本のケーブルでつなぐことがあります。このとき、配線上にループ（輪）ができます。ループがあると、ブロードキャストがスイッチ間を際限なく回り続けます。

この状態を、ブロードキャストストームと呼びます。防ぐ仕組みは、ブリッジとスパニングツリーの記事にまとめています。

機器が、直接つながった隣の機器を自動で見つける仕組みもあります。代表例がCDP・LLDPです。