スイッチがフレームを転送する仕組み

スイッチは、LAN内のデバイスを接続する現代的なデバイスで、ハブよりはるかに賢く動作します。データを無条件にリピートするのではなく、アドレスを読み取り、宛先が実際に接続されているポートにだけ各フレームを転送します。この1つの変化によって、速度、効率、セキュリティが大幅に向上します。このレッスンでは、スイッチが転送先をどのように判断するのかを詳しく説明します。

スイッチはデータリンク層（OSIモデルのレイヤー2）で動作します。この層では、データはフレームとして構成され、各デバイスにはネットワークカードに書き込まれた固有のMACアドレス（Media Access Control address）があります。スイッチはフレーム内のMACアドレスを読み取り、どこに送るかを判断します。そのため、スイッチはレイヤー2デバイスと呼ばれます。

すべてのEthernetフレームには、2つのMACアドレスが含まれています。1つは送信元（誰が送信したか）、もう1つは宛先（誰が受信するか）です。スイッチは各フレームのこれらのアドレスを調べます。どのMACアドレスがどのポートに存在するかを記録することで、ハブのように全方向へフラッディングするのではなく、フレームを正確に届けられます。

スイッチは学習によって情報を蓄積します。フレームが到着すると、スイッチは送信元MACアドレスと、そのフレームが入ってきたポートを記録し、その組み合わせをMACアドレステーブルに保存します。デバイスが通信を行うにつれて、スイッチは各デバイスの場所を学習していきます。この自動学習には設定が必要なく、継続的に行われます。

フレームを転送する際、スイッチは宛先MACアドレスをテーブルと照合します。

• 既知のアドレス — 一致するポートにだけフレームを送信します。
• 未知のアドレス — 到着したポート以外のすべてのポートにフラッディングします。

宛先から応答が返ると、スイッチはその場所も学習するため、以降のフレームはそこへ直接送られます。

スイッチが宛先MACアドレスの場所をまだ把握していない場合、ハブと同じように、送信元ポート以外のすべてのポートへフレームをフラッディングします。ただし、これは一時的な動作です。宛先が応答すると、スイッチはそのポートを学習し、そのアドレスに対するフラッディングを停止します。つまり、フラッディングは通常の動作ではなく、フォールバックとして行われるものであり、テーブルはすぐに埋まります。

各スイッチポートは全二重で動作し、送信と受信を同時に行えます。また、接続されたデバイスには共有パイプではなく専用の帯域幅が割り当てられます。これにより、ハブで問題となっていた衝突がなくなり、すべてのデバイスが同時に最大速度で動作できます。これが、スイッチネットワークがハブベースのネットワークを大幅に上回る重要な理由です。

MACテーブルが無限に大きくなることはありません。各エントリにはエージングタイマーがあり、スイッチが一定時間MACアドレスから何も受信しないと、そのエントリを削除します。これにより、デバイスの移動や切断に応じてテーブルを最新の状態に保てます。デバイスが後で再び送信すると、スイッチはその場所を改めて学習するため、正確な転送を維持できます。

スイッチはフレームの種類によって処理を変えます。

• ユニキャスト — 1台のデバイス宛て。宛先が分かっていれば、そのポートに転送します。
• ブロードキャスト — すべてのデバイス宛て。すべてのポートに送信します。
• マルチキャスト — グループ宛て。フラッディングするか、追加機能によって選択的に送信します。

ブロードキャストは常にスイッチ全体に広がります。この点は、後で学ぶブロードキャストドメインに関係します。

スイッチは、さまざまな方法でフレームを転送できます。ストアアンドフォワードでは、フレーム全体を受信してエラーを確認してから転送します。正確ですが、やや低速です。カットスルーでは、宛先アドレスを読み取るとすぐに転送を開始します。高速である一方、エラーを検出できません。信頼性を重視し、現在の多くのスイッチではストアアンドフォワードが使われています。この2つの方式と、速度と正確性のトレードオフを理解しておくと、試験で役立ちます。

スイッチは、賢く転送することでハブに対して3つの大きな利点をもたらします。専用の全二重ポートによるパフォーマンスの向上、各ポートが独自の衝突ドメインになることによる衝突の減少、そしてフレームをすべてのデバイスに送らないことによるセキュリティの向上です。これらの利点があるため、スイッチはあらゆる場所でハブに取って代わり、現代のすべてのLANの基盤となっています。

スイッチングについての理解度を確認しましょう。

スイッチは、フレーム内のMACアドレスを読み取り、賢く転送するレイヤー2デバイスであることを学びました。スイッチは送信元MACアドレスとそのポートを学習してMACアドレステーブルに登録し、既知の宛先には単一のポートから転送し、未知の宛先には一時的にフラッディングします。各ポートは専用帯域幅の全二重で動作するため、衝突がなくなります。テーブルのエントリはエージングアウトされ、最新の状態に保たれます。スイッチは速度、衝突、セキュリティの面でハブを上回り、現代のすべてのLANを支えています。