レイヤ3スイッチ

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レイヤ3スイッチ(L3スイッチ)とは、コンピュータネットワークの構成機器で、主にLANの中核を構成する機器。OSI参照モデルにおけるネットワーク層(レイヤ3)データの転送処理を主な機能とする。

同様にレイヤ3機器であるルーターとは機能的に重複する部分が多く、従来、L3スイッチとルーターの違いは、ルーターが各種の低速回線インターフェースを構成可能なことに対し、L3スイッチはEthernetインターフェースのみ持つとされていた。しかし、レイヤ3スイッチの多機能化に伴い、レイヤ3スイッチにおいても、レイヤ3同士のプロトコル変換、または、レイヤ3-レイヤ2のプロトコル変換機能が実装されるようになり、両者の明確な違いは曖昧になりつつある。現状においては、レイヤ3プロトコルの処理を主にハードウェア(もしくはそれに準ずるFPGA)で処理するものがレイヤ3スイッチ、主にソフトウェアで処理するものをルーターと分類する傾向にある。

L3スイッチの動作[編集]

L3スイッチは、L2スイッチ(スイッチングハブ)から派生したもので、その処理ロジックはルーターよりもL2スイッチに似ている。一部の動作モードを除き、L2スイッチがEthernetフレームのヘッダのみをスキャンしてMACアドレスを元にMACテーブルを作成し、フレームをフォワードするのに対し、L3スイッチでは主にFDBForwarding DataBase:後述)と呼ばれるテーブルで3層とMACおよび物理ポート番号を統合して管理する。

L3スイッチ出現の契機[編集]

1996年頃始めまでのL3機器は、ルーターが主流であった。ルーター販売事業は、枯れて価格のこなれた安定したパーツにより、大きな収益を上げていた。当時主流のルーター用のメモリは、デスクトップPCが10ns(ナノ)のSDRAMに置き換わった時期であるというのに、60nsのFPM(Fast Page Mode)であった。しかも、運用中のルーターの動作不良の多くが、このメモリとメモリソケットの接触不良によるものだった。[要出典]

2年以上無停止で運用されたルーターは、メモリソケットの端子が埃で腐食し、再起動ができなくなる障害により交換となった。そういったルーターの運用難点が露呈してきた頃、128MBのSDRAMをオンボードで実装し、専用設計の高速ASICと数倍高速になったCPU、柔軟なVLAN構成設定を掲げて、L3スイッチは登場した。ルーターの内部遅延が20ms(ミリ秒)とされていた頃に、L3スイッチの内部遅延は1ms以下であった。[要出典]

FDB(Forwarding DataBase)[編集]

通常のL3機器では、経路情報とARP情報が別々のテーブルにて管理されるが、L3スイッチにおいては、FDBにより経路情報とARP情報が一元管理される。以下に簡略したものではあるが例を示す。

  • ルータの経路情報
宛先ネット マスク      次ノード
10.0.0.0   255.0.0.0   192.168.0.1
172.16.0.0 255.255.0.0 192.168.0.2
0.0.0.0   0.0.0.0     192.168.0.3
  • ルータのARP情報
IPアドレス   MACアドレス        インターフェース
192.168.0.1 00:00:C0:11:11:11 FastEthernet0/0
192.168.0.2 00:00:C0:22:22:22 FastEthernet0/1
192.168.0.3 FF:FF:FF:FF:FF:FF Serial0/0
  • L3スイッチのFDB
宛先ネット マスク       次ノード      MACアドレス      ポート
10.0.0.0  255.0.0.0    192.168.0.1 00:00:C0:11:11:11 1
172.16.0.0 255.255.0.0 192.168.0.2 00:00:C0:22:22:22 9
0.0.0.0   0.0.0.0      192.168.0.3 00:00:C0:33:33:33 17

ルータの場合は、1.受信フレーム内のIPヘッダから送信先のIPアドレスを抽出した後、2.経路情報を参照して次ノードを決定し、3.ARP情報を参照して送出インターフェースの決定とフレームヘッダのMACの書き換えをおこなう。

L3スイッチでは、1.受信フレーム内のIPヘッダから送信先のIPアドレスを抽出した後、2.FDBを参照して送出ポートの決定とフレームヘッダのMACの書き換えを行う。

この1手差の違いと高速なASIC、速いメモリの組み合わせが、高速なルーティングを可能にしている。

高速ASIC[編集]

通信機器の動作は通信ASICの能力に大きく依存する。

最初のL3スイッチが出現した1998年当時、最も製造プロセスの進んでいるCPUは、0.25umプロセスラインでの製造が終わろうとしており、次の0.18umプロセスでの大量生産が計画されていたのに対し、[要出典]1996年頃の通信機器のASIC製造は0.5umプロセスがあたりまえのように使われ、パッケージも旧式のQFPであった。

このような状況下で、Altera社やXilinx社を始めとするセミコン開発設計装置メーカーが数々のチャレンジを行った結果が、L3スイッチで採用された新世代の通信ASICである。おりしも、パソコンチップセット画像処理チップとして、0.25umプロセス+BGAパッケージが主流になって来ており、韓国や台湾での製造ボリュームも大きくなってきていて、充分なスケールメリットが得られる状態であった。[要出典]

現在では、2000年頃のL3スイッチで使われたASICが、家庭用のブロードバンドルータに使われている。これは、L3スイッチのサブセットに、パソコン向けの機能を追加したものである。(ISDNを収容できるYAMAHA製品については異なる。)[要出典]

主なL3スイッチ製品とベンダ[編集]

関連項目[編集]