ネットワークスイッチとは何ですか?

ネットワーク スイッチは、パケット スイッチング、MAC アドレス識別、およびマルチポート ブリッジ システムを通じて、コンピュータ ネットワークから宛先エンドポイントまでデータを中継する役割を担うハードウェア コンポーネントとして定義されます。 この記事では、ネットワークスイッチの仕組み、種類、用途について説明します。

ネットワーク スイッチは、パケット スイッチング、MAC アドレス識別、およびマルチポート ブリッジ システムを通じて、ネットワークから宛先エンドポイントまでデータを中継する役割を担うハードウェア コンポーネントです。

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ネットワーク スイッチは、ローカル エリア ネットワーク (LAN) 上のデバイスに接続し、デバイスとの間でデータ パケットを送信します。 ルーターとは程遠く、スイッチは、ネットワーク内の複数のデバイスではなく、他のスイッチ、ルーター、ユーザーのコンピュータなど、スイッチが設計された 1 つのデバイスにのみ情報を配布します。

今日、ネットワークは、企業のサポート、接続されたサービスの提供、コラボレーションの実現などに不可欠です。 ネットワーク スイッチは、リソースを共有するデバイスをリンクするため、すべてのネットワークの重要なコンポーネントです。

ネットワーク スイッチは、Open Systems Interconnection (OSI) アーキテクチャのデータ リンク レイヤ 2 で動作します。 物理ポートにリンクされたアクセス ポイントからパケットを受け取り、宛先デバイスに向かうポート経由でのみパケットを送信します。

これらは、ネットワーク レイヤ 3 でルーティングが行われる場合にも機能します。スイッチは、いくつか例を挙げると、イーサネット、ファイバ チャネル、InfiniBand、非同期転送モード (ATM) ネットワークの標準コンポーネントです。 ただし、今日のスイッチの大部分はイーサネットを利用しています。

ネットワーク スイッチは、ネットワーク デバイス (プリンタ、コンピュータ、ワイヤレス デバイス/アクセス ポイント) を接続し、ユーザーがデータ パケットを交換できるようにします。スイッチは、物理システムを管理するハードウェア ベースとソフトウェア ベースの両方の仮想デバイスである場合があります。今日のネットワーク システムでは、スイッチは以下を構成します。膨大な量のネットワーク機器。

これらは、デスクトップ PC、産業機械、ワイヤレス アクセス ポイント、およびインターネット用のカード エントリ システムを含む特定のモノのインターネット (IoT) デバイスを接続します。

これらは、仮想マシン (VM) とほとんどのサーバーおよびストレージ デバイスを操作するデータ センター内のマシンを接続します。 電気通信プロバイダーのネットワークでは、大量のデータが転送されます。

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ネットワーク スイッチは次の 3 つの方法で動作します。

以下に示すように、ネットワーク スイッチは、OSI モデルのデータ接続レイヤー 2 で動作するネットワークのマルチポート ブリッジです。メディア アクセス コントロール アドレス (MAC) アドレスを使用したデータ送信を担当します。 特定のスイッチはルーティング機能を備えているため、データをネットワーク層 (つまり、レイヤー 3) に転送できます。 マルチレイヤー スイッチとしてよく知られるレイヤー 3 スイッチは、そのようなスイッチの例です。

ネットワーク スイッチは OSI モデルのレイヤー 2 の一部です

フレームがスイッチ インフラストラクチャによって認識されない MAC アドレスに送信されると、フレームはすべてのスイッチング ドメインのポートにフラッディングされ、目的の受信者に配信されます。 ブロードキャストやマルチキャストに使用されるフレームでも飽和が発生します。 OSI 設計の一部として、BUM フラッディング機能はスイッチをデータリンク層またはレイヤー 2 デバイスに変換します。 BUM フラッディングとは、不明なユニキャスト、ブロードキャスト、およびマルチキャスト トラフィックのフラッディングを指します。

スイッチはあらゆるネットワークに不可欠なコンポーネントです。 PC、プリンター、ワイヤレス アクセス ポイント、サーバーなど、構内の同じネットワーク上の複数のデバイスをリンクします。

スイッチを使用すると、リンクされたデバイスがデータを転送し、相互に通信できるようになります。 デバイスがスイッチに接続されると、デバイスのメディア アクセス コントロール (MAC) 情報が記録されます。 このアドレスは、デバイスのネットワーク インターフェイス カード (NIC) に保存されているコードです。NIC は、イーサネット ケーブルを介してスイッチに接続するデバイスの一部です。

MAC アドレスは、どの関連デバイスが送信パケットを送信するか、および受信パケットが配信されるアドレスを決定します。 散発的にデバイスに割り当てられ、時間とともに変化するネットワーク レイヤ 3 の IP アドレスとは異なり、MAC アドレスは物理エンドポイント デバイスを永続的に識別するために使用されます。 デバイスが他のデバイスにパケットを送信すると、パケットはスイッチに到達し、パケットのヘッダーをスキャンして次に何をすべきかを判断します。

宛先のアドレスを確認し、適切なポートを介してデバイスにパケットを送信します。 多くのスイッチには、ネットワーク トラフィックの衝突の可能性を最小限に抑えるための全二重機能が装備されています。 これにより、デバイスとスイッチ間の接続の帯域幅全体がパケットに与えられます。

スイッチは通常、レイヤー 2 で機能を実行しますが、レイヤー 3 で実行することもできます。これは、仮想ローカル エリア ネットワーク (VLAN)、つまりサブネットを越えて拡張する論理ネットワーク セグメントを許可するために必要です。 トラフィックは、あるサブネットから別のサブネットに移動するためにスイッチ間を通過する必要がありますが、組み込みのルーティング機能によって容易になります。

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ネットワーク スイッチは、さまざまなユースケースに対応するために、さまざまなタイプとカテゴリで利用できます。 これらは：

ネットワークスイッチの種類

マネージド スイッチは、商業環境や企業環境で最も一般的に見られ、IT 専門家により優れた容量と機能を提供します。 マネージド スイッチを設定するには、コマンドライン インターフェイスが使用されます。 これらにより、ネットワークの問題をトラブルシューティングするための情報を提供する、単純なネットワーク管理プロトコル エージェントが有効になります。

管理者は、それらを使用して仮想 LAN を作成し、ローカル ネットワークをより小さな部分に分割することもできます。 マネージド スイッチは、追加機能があるため、アンマネージド スイッチよりも大幅に高価です。

最も基本的なスイッチは、設定された構成を持つアンマネージド スイッチです。 アンマネージド スイッチは、LAN のイーサネット接続を拡張するだけで、ローカル デバイスへの追加のインターネット接続を可能にします。 アンマネージド スイッチは、デバイスの MAC アドレスを使用してデータを送受信します。 これらは通常、プラグアンドプレイであるため、ユーザーが選択できる選択肢はほとんどありません。

これらのスイッチには、サービス品質などの面でデフォルトの構成を設定できますが、変更することはできません。 アンマネージド スイッチは比較的安価ですが、機能が不十分なため、多くの企業アプリケーションには適していません。

PoE 機能が一部のネットワーク スイッチで利用できるようになり、IoT デバイスやその他の機器の設置がより迅速、簡単、安全になりました。 PoE は、LAN ワイヤを介して低電力デバイスに DC 電力を供給する方法です。 PoE 対応ネットワーク スイッチに接続された低電力デバイスには電源が​​必要なくなります。 隠蔽接続が不可能な場合、追加の電源コンセントの必要性が回避され、設置が効率的になるように見えます。 PoE 対応スイッチは、電力出力が低く、インテリジェントに管理されるため、より安全です。

LAN スイッチ (ローカル エリア ネットワーク スイッチ) は、通常、企業の内部 LAN 上の場所をリンクするために使用されます。 イーサネット スイッチまたはデータ スイッチとも呼ばれます。 帯域幅を効率的に割り当てると、データ パケットがネットワークを通過する際に重複することが防止されます。 LAN スイッチは、配信されたデータ パケットを目的の宛先に送信する前に、それを配信します。 これらのスイッチは、目的の受信者にのみデータのパケットを送信することで、ネットワークの輻輳やボトルネックを軽減します。

マネージド スイッチは、アンマネージド スイッチを超え、従来のマネージド スイッチには及ばない特性を備えた場合、スマート スイッチまたはインテリジェント スイッチと呼ばれます。 したがって、これらはアンマネージド スイッチよりも高度ですが、完全に制御可能なスイッチよりも安価です。

VLAN などの他の代替手段は、完全に制御されたスイッチほど多くの機能を提供しない場合があります。 ただし、コストが低いため、予算が限られ、機能要件が少ない小規模ネットワークに適している可能性があります。

モジュラー スイッチを使用すると、必要に応じて拡張モジュールを追加できるため、ネットワークの成長に合わせて柔軟性が高まります。 アプリ固有の拡張オプションの例としては、ワイヤレス接続、ファイアウォール、ネットワーク分析用の拡張モジュールがあります。

追加の接続、電源、冷却ファンが可能である場合があります。 ただし、これらのスイッチは固定スイッチよりも大幅に高価であり、大規模なネットワークで使用されることがよくあります。 ほとんどの場合、(レイヤー 2 に加えて) レイヤー 3 機能も含まれており、ネットワーク ルーターとして動作できます。

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固定構成スイッチはポート数が固定されており、多くの場合拡張できないため、長期的には手頃な価格になります。 市場で最も一般的なスイッチは次のとおりです。 これらには、8 ギガビット ポート、16 ポート、24 ポート、48 ポートなど、あらかじめ決められた数のイーサネット ポートがあります。 さまざまなポートを (速度と接続の点で) 持つことができます。 ただし、ポート速度は通常 1 Gbps (少なくとも) で、接続の選択肢は有線電気ポート (RJ45) または光ファイバー ポートのいずれかです。

スタッカブル スイッチを使用すると、ネットワークの信頼性を向上させながらネットワークを最適化できます。 実際のスタッカブル スイッチでは、これらのスイッチ クラスタは、単一の SNMP/RMON エージェント、1 つのドメイン、1 つのコマンド ライン インターフェイス (CLI)、または Web インターフェイスによって動作する単一のスイッチとして機能します。

スタック内の複数のユニットをカバーするリンク アグリゲーション グループを作成し、スタック内の 1 つのコンポーネントから別のコンポーネントにミラー トラフィックを転送し、すべてのユニットを網羅するサービス品質 (QoS) を設定できる機能はすべて、接続にこれらのタイプのスイッチを使用する利点です。

スイッチは、OSI モデルのレイヤー 2 レイヤーの一部です。 これらはデータ ネットワーク層で機能し、主な仕事はイーサネット フレームをあるポートから別のポートにできるだけ早く転送することです。 これらのスイッチは OSI モデルのネットワーク層で動作するため、レイヤー 3 スイッチと呼ばれます。 レイヤ 3 スイッチは、レイヤ 2 デバイスとレイヤ 3 デバイスのハイブリッドです。 同社のソフトウェアは従来のレイヤ 2 スイッチよりも複雑で、動的ルーティング プロトコルを実行できます。

データセンターは近年爆発的に人気が高まっています。 ほとんどすべての主要な組織は、管理や管理などの理由から、IT 資産とネットワークをいくつかの大規模なデータ センターに統合しています。 その結果、データセンター スイッチには、高速パフォーマンス、大規模なポート容量、低遅延、仮想化サポート、セキュリティ、QoS などの機能が必須となります。

Cisco Nexus の一連のデバイスは、データセンター スイッチの優れた例です。 これらのスイッチは、ソフトウェア定義ネットワーク (SDN) の概念を実装し、仮想化とプログラマビリティを提供するのに最適です。

RJ45 コネクタは標準のイーサネット ケーブルに接続し、最も一般的なスイッチ インターフェイスです。 多くの状況では、標準のイーサネット ケーブルの 100 メートル制限を超えて接続を延長するには、光ファイバー接続を使用する必要があります。 光ファイバー ポートを備えたスイッチには、多くの場合、RJ45 ポートと、ファイバー接続に接続するための追加の光ファイバー ポートがあります。

スモールフォームファクターのプラグイン可能な光ファイバーポートは、そのように呼ばれています。 ほとんどの場合、光ファイバー ポートは、同じ建物内または数キロメートル離れた施設にある他のリモート スイッチに接続するために利用されます。

このスイッチは、多数のコンピュータをキーボード、マウス、またはモニタに接続します。 これらのスイッチは、デスクトップからコードを取り外しながらサーバーのグループを制御するためによく使用されます。 KVM スイッチは、単一のコンソールから多数のマシンを処理したいユーザーにとって優れたインターフェイスです。 通常、これらのデバイスにはキーボード ホットキーが設定されており、PC 間をすばやく切り替えることができます。 KVM エクステンダーは、DVI、VGA、または HDMI ビデオ伝送を送信するために、スイッチの到達距離を数百フィート延長する場合があります。

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ネットワーク スイッチを導入する場合、IT 管理者は次の使用例とアプリケーションを覚えておく必要があります。

ネットワークスイッチの用途

ネットワーク スイッチには、ケーブルを接続するための無限のポートがある場合があり、これはスター トポロジで役立ちます。 さらに、スイッチは多くのコンピュータをネットワーク システムに接続します。 コンピュータが部屋の反対側にある場合でも、地球の反対側にある場合でも、ネットワーク スイッチの主な機能は、あるコンピュータから別のコンピュータにデータ パケットを効率的に移動することです。 これは、デバイス間の物理的な距離に関係なく当てはまります。 他にもいくつかのデバイスがルートに沿ったデータの転送を支援しますが、スイッチはネットワーク設計の重要なコンポーネントです。

ネットワーク スイッチ上のすべてのポートには、同じ転送またはフィルタリング メカニズムがあります。 ユーザーは、複数のスイッチをカスケード接続することで各スイッチをリンクする複数のポートを持つことができ、すべてのスイッチをグループ内で個別に設定および操作できます。

分析上の理由からトラフィックをオフロードするためにスイッチを使用するのが一般的です。 ネットワーク内のスイッチは、ネットワークに出入りするトラフィックや、パーソナル コンピュータやワイヤレス アクセス ポイントなどの多くのネットワーク デバイスを接続するトラフィックなど、さまざまな種類のネットワーク トラフィックを規制するのに役立ちます。 この点で重要な概念は「転送」です。

転送は、ネットワーク スイッチの 1 つのポートに接続されている 1 つのデバイスから、スイッチの別のポートに接続されている別のデバイスにネットワーク トラフィックをルーティングするプロセスです。 このプロセスは、1 つのデバイスが 1 つのポートに接続されると開始され、別のデバイスが別のスイッチ ポートに接続されると終了します。

これは、トラフィックが LAN に送信される前にスイッチをワイド エリア ネットワーク (WAN) ルーターの前に配置できるため、ネットワーク セキュリティに役立ちます。 また、ネットワーク スイッチを使用すると、侵入検知、パフォーマンス分析、ファイアウォールの設定が簡単になるようです。 たとえば、データがパケット スニファや侵入検知システムに送信される前に、ポート ミラーリングはスイッチを通過する情報のミラー コピーを作成するのに役立ちます。 これは、情報が宛先に送信される前に発生します。 これは将来の分析に役立ちます。

ネットワーク スイッチは、LAN ネットワークをブロードバンド接続を持つ多くのコリジョン ドメインに分割し、その結果 LAN 周波数帯域が増加します。 フレームの転送中、ネットワーク スイッチは変更されていない方形電気信号を生成できます。

スイッチは、データ リンク、ネットワーク、トランスポート層など、複数の OSI モデル レベルで同時に機能するデバイスです。 マルチレイヤ スイッチは、多くのレイヤで同時に動作するデバイスです。 ビデオやその他の帯域幅を大量に消費するアプリ、より多くのユーザー デバイス、サーバーやクラウド ストレージ宛てのより多くのパケットによるネットワーク トラフィックの増加を処理するには、効果的なスイッチングが必要です。 中小企業は、ユーザーが必要とする速度と信頼性を維持するために LAN スイッチングを使用することがあります。

レイヤ 2 デバイスとして、スイッチはすべての決定を L2 ヘッダーに含まれるデータに基づいて行います。 MAC アドレスの送信元と宛先に応じて、スイッチは転送パスを決定します。 スイッチの各スイッチ ポートを、接続されているデバイスの MAC 位置と照合する MAC アドレス データベースを確立することは、スイッチのジョブの 1 つです。

MAC アドレス データベースは最初は空であり、スイッチがデータを受信すると、受信フレームの発信元 MAC アドレス フィールドをチェックします。 送信元 MAC アドレスとパケットを収集するスイッチ ポートを MAC アドレス データベースに入力します。 接続された各デバイスが何かを配信すると、スイッチには最終的に完全に設定された MAC アドレス テーブルが作成されます。 このテーブルを利用して、フレームを目的の位置にインテリジェントに進めることができます。

最後に、ネットワーク スイッチのフィルタリングの使用例について説明します。 この機能は、スイッチがフレームを受信したのと同じポートからフレームを転送しないことを指定します。 MAC アドレス フィルターを使用して、特定のノードの接続を防ぐことができます。 これは、スイッチの送信元 (受信) ポートで送信元と宛先の MAC 層イーサネット アドレスをフィルタリングすることで実現できます。

ネットワーク アクセス制御のニーズに応じて、フィルタリング MAC アドレスはユニキャスト、マルチキャスト、またはブロードキャストになります。 スイッチがフレームをフラッディングする必要がある場合、フレームはコピーされ、受信したポートを除くすべてのスイッチ ポートに送信されます。 ホストが自身の MAC アドレスを宛先とするフレームを送信することはほとんどありません。 これは多くの場合、ホストに不正な状況があるか、悪意があることが原因です。 これが発生した場合、スイッチはいずれの場合もフレームを単に破棄します。

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リモート接続の時代と IoT の台頭をサポートするために、ネットワーク スイッチに対する世界的な需要は増加し続けています。 IDC の世界規模の追跡調査によると、世界のスイッチ市場は 2021 年第 3 四半期に 7.5% 増加しました。これは、ネットワーク スイッチが大規模なクラウド全体でのリソース分散の調整、維持、安定化に役立つため、クラウド コンピューティングの採用の増加によるものでもあります。コンピューティング環境。 今後数年間で、この需要はさらに高まるため、ネットワーク スイッチの動作について知ることが不可欠になります。

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テクニカルライター