スイッチングLAN

スイッチングLANは、MACアドレスに基づいてフレームを転送し、ネットワークトポロジーを自動的に学習し、ネットワークを個別のコリジョンドメインに分割するリンク層スイッチを介して、限られたエリア内のホストを接続します。

Definition

スイッチングLANは、リンク層スイッチがホストを相互接続し、宛先MACアドレスに基づいてフレームを選択的に転送し、どのポートを介してどのアドレスに到達可能かを自動的に学習するローカルエリアネットワークです。

Scope

このトピックでは、スイッチングLANの動作について説明します。具体的には、リンク層（MAC）アドレス指定、IPアドレスをローカルリンク上のMACアドレスにマッピングするアドレス解決プロトコル、学習型スイッチがフレームを監視して転送テーブルを構築する方法、単一のブロードキャストドメインを維持しながらコリジョンドメインをセグメント化する方法、および物理スイッチを論理ネットワークに分割する仮想LAN（VLAN）についてです。専用のイーサネットのトピックで扱われる特定のイーサネットフレーム形式とスイッチングハードウェア、およびネットワーク層のネットワーク間ルーティングは除外します。

Core questions

• リンク層（MAC）アドレスはどのように構成されており、IPアドレスとどのように異なりますか？
• アドレス解決プロトコルは、ローカルリンク上のIPアドレスをMACアドレスにどのようにマッピングしますか？
• スイッチはホストの位置をどのように学習し、転送テーブルを構築しますか？
• スイッチは単一のブロードキャストドメインを維持しながら、コリジョンドメインをどのようにセグメント化しますか？
• 仮想LAN（VLAN）とは何ですか、そしてなぜ使用されるのですか？

Key concepts

• MAC（リンク層）アドレス
• アドレス解決プロトコル（ARP）
• リンク層スイッチ
• スイッチ転送テーブル
• 自己学習
• コリジョンドメインとブロードキャストドメイン
• 仮想LAN（VLAN）
• スパニングツリープロトコル

Key theories

自己学習型透過スイッチング

イーサネットスイッチは、各フレームの送信元MACアドレスと受信ポートを記録し、転送テーブルを構築します。これにより、後続のフレームを宛先に向かうポートにのみ送信できるようになります。この学習は自動的であり、ホストからは透過的です。

アドレス解決

ホストは互いのIPアドレスを知っていますが、リンク配信にはMACアドレスが必要なため、アドレス解決プロトコルはローカルIPアドレスに対応するMACアドレスのクエリをブロードキャストし、その応答をキャッシュすることで、ネットワーク層とリンク層を橋渡しします。

コリジョンドメインのセグメンテーションとVLAN

スイッチはコリジョンを個々のリンクに限定し、仮想LANに論理的に分割することができます。これにより、ブロードキャストトラフィックを分離し、セキュリティと管理性のために物理的な配線とは独立してホストをグループ化できます。

Clinical relevance

スイッチングLANは、企業、キャンパス、データセンターネットワークの日常的な構成要素です。自己学習型スイッチはプラグアンドプレイのローカルネットワーキングを可能にし、VLANは1つの物理インフラストラクチャで分離とセキュリティのために多くの論理ネットワークを提供します。また、ARPとブロードキャストドメインを理解することは、接続性の問題、ブロードキャストストーム、アドレス競合の診断に不可欠です。

History

初期のLANは、すべてのホストが1つのコリジョンドメインを共有する共有メディアを使用していました。透過型ブリッジと、それらの間のループを防ぐためのRadia Perlmanのスパニングツリープロトコルにより、複数のセグメントを安全に結合できるようになりました。アドレス解決プロトコル（RFC 826、1982年）は、IPをイーサネットアドレス指定にリンクしました。ブリッジは高ポート密度のスイッチへと進化し、LANをVLANサポートを備えた完全にスイッチングされた全二重ネットワークに変えました。

Key figures

• Radia Perlman
• David C. Plummer
• Larry L. Peterson

Seminal works

• kurose2021
• rfc826

Frequently asked questions

スイッチはフレームをどこに送信するかをどのように知るのですか？

スイッチはトラフィックを監視することで学習します。フレームが到着すると、送信元MACアドレスとそれが受信されたポートを記録します。時間をかけてアドレスとポートをマッピングするテーブルを構築し、それによってフレームを宛先に向かうポートにのみ転送できるようになります。宛先がまだ不明な場合にのみ、すべてのポートにフラッディングします。

VLANとは何ですか？

仮想LANは、物理スイッチ（または一連のスイッチ）を複数の論理ブロードキャストドメインに分割します。異なるVLANのホストは、あたかも別々のスイッチ上にいるかのように動作し、これによりセキュリティと分離が向上し、管理者は物理的な接続場所ではなく論理的にデバイスをグループ化できます。