● 輻輳と帯域幅
技術の進歩により、より高速でインテリジェントなデスクトップ・コンピュータおよびワークステーションが次々と登場してきています。より強力なコンピュータ/ワークステーションの組み合わせや、ネットワーク集中型のアプリケーションにより、標準的な共有Ethernet/802.3 LANで使用できる10Mbpsより大きなネットワーク容量や帯域幅が必要となりつつあります。
今日のネットワークは、巨大な画像ファイル、イメージ、フルモーション動画、マルチメディア・アプリケーションなどの伝送量の増大に加えて、ネットワークユーザ数の増加にもさらされています。 これらの要素はすべて、標準的なイーサネットの10Mbps帯域幅容量の限界を超えています。
大きなファイルの共有、ファイルサーバへのアクセス、インターネット接続などにより、ネットワークを利用する人口が増加すると、輻輳が発生します。 これは、ネットワーク遅延が原因で、応答時間が遅くなる、ファイル転送に時間がかかる、 ネットワーク利用者の生産性が低下するといった現象として現れます。 ネットワークの輻輳を緩和するためには、帯域幅を大きくするか、現在の帯域幅をより有効に利用しなければなりません。
● なぜセグメントLANなのか？
ネットワークは、セグメントと呼ばれる小さなユニットに分割できます。各セグメントは、搬送波検知多重アクセス/コリジョン検出（CSMA/CD）プロトコルを使用し、セグメント上のユーザ間のトラフィックを維持します。ネットワークでセグメントを使用することにより、セグメント内で通信する場合、同じ10Mbpsを共有するユーザやデバイスが少なくなります。各セグメントは、それ自体がコリジョン・ドメインとみなされます。
これは、セグメント化されたイーサネット・ネットワークの例です。ネットワーク全体は、15台のコンピュータ（6台のファイルサーバと、9台のＰＣ）で構成されています。セグメント化されていないネットワークでは、15台のデバイスすべてが同じ10Mbps帯域幅を共有し、同じコリジョン・ドメインに存在しています。
ネットワークを3つのセグメントに分割することによって、各セグメント内の輻輳が減少します。 セグメント内でデータ伝送を行う場合、これら5台のデバイスは、セグメント別に10Mbps帯域幅を共有します。
セグメント化されたイーサネットLANにおいて、セグメント間を通過するデータは、ブリッジ、スイッチ、ルータによって、ネットワークのバックボーン上で伝送されます。 バックボーン・ネットワークはそれ自体がコリジョン・ドメインで、セグメント間にベスト・エフォートの配送サービスを提供するためにCSMA/CDを使用します。
● LANスイッチを持つセグメンテーション
スイッチド・イーサネット・トポロジを使用したLANは、送信ノードと受信ノードの２つのノード しか存在しないような動作をするネットワークを実現します。この２つのノードは、10Mbps帯域幅を共有することで、ほとんどすべての帯域幅をデータ伝送に利用できます。スイッチド・イーサネットLANは、効率的に帯域幅を利用するため、標準イーサネットLANよりも高速なLAN トポロジを提供できます。 スイッチド・イーサネット方式では、帯域幅をほぼ100％活用できます。
LANスイッチングの目的は、帯域幅不足の緩和や、複数のPCとリモート・ファイル・サーバ間などに見られる、ネットワーク・ボトルネックを解消することです。LANスイッチは、LANの各ノードまたはセグメント用にそれぞれ1つのポートを持つ、非常に高速なマルチポート・ブリッジです。スイッチは、LANをマイクロセグメントに分割することにより、１つの大きなコリジョン・ドメイン から、コリジョンのないドメインを作成します。
スイッチド・イーサネットは、標準イーサネットに基づいています。各ノードは、スイッチ・ポートの１つか、スイッチポートの１つに接続されたセグメントに直接接続されています。これにより、スイッチ上の各ノードと各セグメント間に、10Mbps帯域幅の接続を提供します。 イーサネット・スイッチに直結されたコンピュータは、それ自体がコリジョン・ドメインとみなされ、10Mbpsの全帯域幅にアクセスします。
スイッチはフレームを受信すると、送信元または宛先アドレスを読みとります。スイッチは、フレームからの情報に基づいて、どのスイッチ動作を実行するか決定します。その後、フレームはその宛先にスイッチされます。
● LANスイッチングの概観
LANスイッチは、マイクロセグメンテーションを行うため、コリジョンドメインのないマルチポート・ブリッジと考えられます。パケットを宛先へスイッチングすることで、データは高速に交換されます。
スイッチは、ブリッジ同様、パケットの宛先であるレイヤ2MACアドレスを読むことにより高速伝送を実現します。 パケット全体を受信する前に、スイッチはパケットを受信端末のポートへ送信します。 これによって、パケットを、低いレイテンシーレベルで高速に転送できます。
イーサネット・スイッチングは、ネットワーク上の帯域幅を増加します。専用のネットワーク・セグメントを構築し（ポイントツーポイント接続）、 そのセグメントをスイッチ内の仮想ネットワーク上で接続することによって実現します。この仮想ネットワーク回線は、2つのノードが通信する必要がある時だけ存在します。これが仮想回線と呼ばれる理由です。必要な時だけ存在し、スイッチ内部にのみ存在します。
LANスイッチがコリジョン・ドメインを取り除いても、 スイッチに接続されたすべてのホストは同じブロードキャスト・ドメイン内に存在します。したがって、あるノードからのブロードキャストは、LANスイッチで接続された他のノードすべてで検出されます。
● LANスイッチのアドレス取得方法
イーサネット・スイッチは、次の方法でネットワーク上の各デバイスのアドレスを取得します。
* 伝送された各パケットの送信元アドレスを読み込む。
* フレームが通過したポートを記録する。
スイッチは転送データベースにこの情報を追加します。アドレスは、動的に取得されます。新しいアドレスが読み取られると、内容参照可能メモリ(CAM)に取得/格納されます。つまり、CAM内にない送信元が読みとられると、次回の利用のため、取得/格納されます。
格納されるたびに、アドレスにはタイムスタンプが付加されます。 これによって、アドレスの格納期間を設定できます。さらに、CAM内でアドレスが参照された場合も、新しいタイムスタンプが付加されます。設定した格納期間内に参照されなかったアドレスは、リストから削除されます。このように、古くなったアドレスを削除することによって、CAMは正確かつ機能的な転送データベースを維持できます。
● 対称なスイッチング
対称なスイッチングは、スイッチの各ポートに割り当てられた帯域幅に応じて、LANスイッチに特性を与える方法の１つです。
対称なスイッチは、同じ帯域幅（すべて10Mbpsのポート、またはすべて100Mbpsのポートなど）のポート間でスイッチ接続を提供します。
対称なスイッチは、ネットワーク全体にわたるトラフィックの均等分散に最適です。
● 非対称なスイッチング
非対称なLANスイッチは、異なる帯域幅のポート間（10Mbpsポートと100Mbpsポートなど）にスイッチ接続を提供します。このタイプのスイッチングは、10/100スイッチングとも呼ばれます。
非対称なスイッチングは、複数のクライアントがサーバと同時通信するような、クライアント−サーバ型ネットワークのトラフィック・フローに最適です。サーバが接続しているスイッチポートに発生するボトルネックを解消するために、より多くの専用帯域幅が必要となるからです。
100Mbpsポートから10Mbpsポートへの伝送の際、10Mbpsポート側で過度な輻輳を発生させないために、非対称なスイッチのメモリバッファが必要となります。
● 2つのスイッチング方式
スイッチによってフレームを転送する方式として、2つのスイッチング・モードを選択できます。これらのスイッチング・モードのレイテンシーは、 スイッチがフレームを転送する方法によって異なります。 高速なスイッチ・モードでは、スイッチ内のレイテンシーは小さくなります。フレームの高速転送を実現するため、スイッチはエラーチェックの時間を短くします。ただし、エラーチェックを簡略化することで、再送信の回数が増加する可能性があります。
スイッチによるフレーム転送の方法は、次の２つです。
* ストア・アンド・フォワード - フレーム全体を受信するまで、転送は行われません。 宛先、または発信元アドレスが読み込まれ、フィルタリングが行われた後、フレームが転送されるます。 フレームの受信中にレイテンシーが発生します。フレームが大きくなれば、レイテンシーも大きくなります（フレーム全体を読み込むのに時間がかかるため）。フレーム全体を受信する間にエラーチェックを実行できるため、エラーの検出は高くなります。
* カット・スルー - スイッチは、フレーム全体を受信する前に宛先アドレスを読み込みます。したがって、フレームは、全体が到着する前に転送されます。 このモードでは、伝送のレイテンシーは減少しますが、エラー検出率は低くなります。
● VLANの概論
LANを共通のバックボーン経由で鉄属されたワークグループに分割し、バーチャルLAN(VLAN)トポロジを構築することが多くなっています。VLANは、物理的なLANインフラストラクチャを異なるサブネット(イーサネットではブロードキャスト・ドメイン）に論理的にセグメント化するもので、これにより、ブロードキャスト・フレームは、同じVLAN内のポート間でのみスイッチされます。
初期のネットワークには、ポート・マッピング機能があり、デフォルトのデバイス・グループ間でブロードキャスト・ドメインを確立していました。現在のネットワーク要件では、ネットワーク全体をカバーする VLAN機能が要求されます。VLANによって、地理的に離れたユーザをグループ化し、ネットワーク全体で仮想トポロジを実現できます。
● フレーム・フィルタリング
フレーム・フィルタリングは、個々のフレームについて、特定の情報を比較/検討する技術です。
フレーム・フィルタリングの概念は、ルータのフィルタリングの概念とよく似ています。スイッチごとにフィルタリング・テーブルが作成され、各フレーム内の多くの属性を比較/検討することで、高レベルな管理が可能となります。LANスイッチの性能が高ければ、ステーションのMAC アドレス、ネットワーク層プロトコルタイプ、アプリケーション・タイプに基づいて、ユーザをグループ化できます。 テーブル・エントリは、スイッチによってフィルタリングされたフレームと比較されます。 スイッチは、エントリに基づいて適切な処理を行います。
● フレーム・タギング
フレーム識別（フレーム・タギング）は、各フレームに、一意に決まるユーザ定義ＩＤを割り当てます。 フレーム・タギングは、拡張性に優れているため、IEEE準拠の技術として認められています。
VLANでのフレーム・タギングは、特にスイッチ通信用の技術として開発されています。 各フレームのヘッダに一意に決まる識別子を与え、それをネットワーク・バックボーン経由で転送します。各スイッチは、受け取った識別子の読み取り/検証を行ったあと、ブロードキャストや、他のスイッチ、ルータ、終端デバイスへの転送を行います。フレームがネットワーク・バックボーンを出る際、スイッチはフレームの識別子を削除し、それからフレームを宛先の端末ステーションに伝送します。
レイヤ２のフレーム・タギング機能では、処理または管理上のオーバヘッドがほとんど必要ありません。
● VLANのブロードキャスト・ドメイン確立
VLANは、ルータのファイヤウォール機能をスイッチ構造まで拡張し、害を及ぼす可能性のあるブロードキャスト問題からネットワークを保護するための効果的なメカニズムです。加えて、VLANはスイッチの性能的利点をすべて保持します。ファイヤウォール機能は、スイッチ・ポートまたはユーザを、スイッチ単体内と、接続された複数のスイッチ内の両方で特定のVLANグループに割り当てることによって実現します。ある1つのVLAN内のブロードキャスト・トラフィックは、そのVLAN外へは転送されません。逆に、隣接ポートは、他のVLANからのブロードキャスト・トラフィックを受け取りません。このような構成によって、ブロードキャスト・トラフィックの全体量を大幅に減少させ、帯域幅を、本当に必要なユーザ間トラフィックに解放し、ネットワークがブロードキャスト・ストームにさらされるのを防ぎます。
VLAN のサイズを制限し、VLAN内のスイッチ・ポート数およびポート割り当てるユーザ数を制限することで、ブロードキャスト・ドメインのサイズを容易に調整できます。VLANグループが小さくなれば、そのVLANグループ内のブロードキャスト・トラフィックの影響を受けるユーザ数も少なくなります。
● ポート中心のVLAN
ポートを中心としたVLANを構成すると、次の理由で転送効率が最大となります。
* ユーザがポートによって割り当てられる。
* VLANの管理が容易。
* VLAN間のセキュリティ機能が最大になる。
* パケットが、他のドメインへ「漏洩」しない。
* VLANとその構成員を、ネットワーク内で容易に管理できる。
● スタティック（静的）VLAN
スタティックVLANは、1つのVLANに静的に割り当てられたスイッチ上のポートで構成されます。変更されない限り、これらのポートは、割り当てられたVLANの構成を保持します。変更はユーザ自身が行う必要がありますが、スタティックVLANは、安全で構成しやすく、モニタリングが容易なネットワークです。このタイプのVLANは、データの移動が制限および管理されているネットワークで機能を発揮します。
● ダイナミック（動的）VLAN
ダイナミックVLANは、VLAN割り当てを自動的に決定するスイッチ上のポートで構成されます。スイッチを製造するほとんどのメーカーは、情報管理ソフトウェアを使用しています。
ダイナミックVLANは、データ・パケットのMACアドレス、論理アドレス、プロトコルタイプに基づいて機能します。
あるステーションが最初に、割り当てのないスイッチポートに接続されていると、該当するスイッチはVLAN 管理データベース内のMACアドレスエントリを確認し、そのアドレスに対応するVLAN設定を持つポートを動的に構成します。ダイナミックVLANの大きな利点は、ユーザの追加または移動の際に、ワイヤリング・クローゼット内の管理作業が少なくてすむことと、 未確認ユーザがネットワークに追加された場合に、中央から統一した形で通知できることです。一般的に、VLAN管理ソフトウェア内にデータベースを設定したり、全ネットワークユーザの正確なデータベースを用意する必要があり、事前の管理作業は多くなります。
● ＬＡＮ構築の目標
ローカルエリアネットワーク（LAN）構築の最初のステップは、設計目標を確立し、ドキュメント化することです。これらの目標は、組織形態や状況に即したものとなりますが、どのようなネットワークにおいても見られる、一般的な要件は次の通りです。
* 機能性 - ネットワークは動作する必要がある。つまり、ユーザが各自の業務要件を満たせるようなネットワークである必要がある。またネットワークは、ユーザ間もしくはユーザ-アプリケーション間に、妥当なスピードと信頼性のある接続を提供しなければならない。
* 拡張性 - ネットワークは、成長できなければならない。つまり、ネットワークの初期設計は、全体の設計に大きな変更を加えることなく成長できるものにすべきである。
* 適応性 - ネットワークは、将来のテクノロジを視野に入れて設計しなければならない。新しいテクノロジが現実化した場合に、その実装が制限される要素を含むべきではない。
* 管理性 - 安定した動作を保証するため、ネットワークは監視や管理が容易になるよう設計するべきである。
● 設計の方法論
左の図の３つのステップは、ネットワーク設計に用いられる単純なモデルを示しています。 ネットワーク・トポロジの設計、アドレッシングの考案、ネーミングの規定などのステップは早期に完了すべきです。また、後で大きな変更を必要としないようにします。
● 解決すべき問題は何か？
インターネットワーキングデバイスを使用するかどうかは、クライアントのために解決しようとしている問題によって異なります。
メディア・コンテンションとは、イーサネット上の過剰なコリジョン（衝突）のことです。多くのデバイスによる、ネットワーク・セグメントへの高い要求によって発生します。
ブロードキャスト数が過剰になるのは次の場合です。サービスを求めるクライアント・パケットが多すぎる場合、サーバ・パケットのサービス通知が多すぎる場合、ルーティング・テーブルのアップデートが多すぎる場合、ARPなどのプロトコルに依存するブロードキャストが多すぎる場合。
新しいペイロードの伝送ニーズとしては、音声およびビデオ・ネットワーク・サービスを提供するニーズなどがあります。これらのサービスでは、現在のネットワークやバックボーンで利用可能な帯域幅より、はるかに多くの帯域幅が必要となる可能性があります。
ネットワーク層のアドレッシング問題には、IPアドレスの不足、物理的に分割されたサブネットの必要性、プロトコルに関連したその他の問題などが含まれます。
● LANトポロジの開発
ネットワーク全体の要件を収集したら、LAN全体のトポロジまたはモデルを開発できます。
トポロジ設計の主要部分は、OSI参照モデル独自の3つのカテゴリに分類できます。
レイヤ1 - 物理層
カテゴリ5UTPや光ファイバ・ケーブルのような、配線メディア・タイプ、さらにレイアウトおよび配線接続計画のEIA/TIA 568標準を含みます。
設計目標 − OSI参照モデルのこの層を構築する際、速度と拡張性を持たせること。
レイヤ2 - データ・リンク層
LANセグメントを構築するためにレイヤ1メディアの相互接続に使用される、ブリッジやLANスイッチなどの、レイヤ2デバイスの選択が含まれます。この層のデバイスによって、コリジョンおよびブロードキャスト・ドメインのサイズが決まります。
設計目標
* レイヤ1でエンド・ホストをグループ化できるような集中点を、MDFや IDFの内部に作成することで、1つの物理的なLANセグメントを構築する。
* コリジョン・ドメインのサイズ低減のため、マイクロセグメンテーションを使用するLANスイッチング・デバイスを導入する
* 仮想ワークグループ（VLAN）および独自のブロードキャスト・ドメインにユーザをグループ化できるような、(レイヤ2における) トポロジ・ポイントを作成する。
レイヤ3 - ネットワーク層
独自のLANセグメントを構築し、IPアドレスのようなレイヤ3アドレッシングに基づいたセグメント間通信を可能にする、ルータなどのレイヤ3デバイスの選択を含みます。
設計目標
* データパケット・フローをフィルタリングする、LANセグメント間のパスを構築する。
* ARPプロトコルによるブロードキャストを隔離する。
* セグメント間のコリジョンを隔離する。
* セグメント間のレイヤ4サービスをフィルタリングする。
● レイヤ1
LANトポロジの開発
このセクションでは、レイヤ1（物理層） スターおよび拡張スタートポロジにいて説明します。
これまで学習したように、送信元と宛先ノード間のデータ伝送方法は、物理層によって制御されます。
選択したメディアおよびトポロジのタイプによって、ネットワーク上のデータ転送量および転送速度が決まります。
● 拡張スター・トポロジ
大規模なネットワークでは、複数のワイヤリング・クローゼットを設置することは珍しくありません。カテゴリ5UTPイーサネットの100ｍ限界外に、ネットワークへの接続が必要な複数のホストが存在する場合があるからです。
複数のワイヤリング・クローゼットを設置することで、複数のキャッチメント・エリアが構築されます。この2次的なワイヤリング・クローゼットは、中間分散ファシリティ（IDF）と呼ばれます。
EIA/TIA 568 標準では、IDFは垂直ケーブリングでMDFに接続するように規定されています。通常、この垂直ケーブリングには、光ファイバケーブルが使用されます。光ファイバケーブルなら、配線距離をより長くできるからです。
MDFとIDFの大きな違いは、垂直クロス・コネクト（VCC）として使用できる、もう1つのパッチ・パネルが実装されているかどうかです。VCCは、さまざまな IDFと中央MDFとの相互接続に使用されます。通常、垂直ケーブルの限界長はカテゴリ5UTPケーブルの限界である100ｍより長いので、光ファイバ・ケーブルを使用するのが一般的です。
設計のヒント - 垂直ケーブルは、IDFとMDF間の全データ・トラフィックを伝送するので、接続スピードがネットワーク中で最速のリンクとなるよう設計する必要があります。最低でも100Ｍbpsのリンクが推奨されます。
また、ネットワークの将来的な成長を考慮して、予備の垂直ケーブルも敷設しておくべきです。
● レイヤ2
LANトポロジの開発
ネットワークにおけるレイヤ2デバイスの目的は、フロー制御、エラー検出および訂正などの機能を提供して、ネットワークの輻輳の低減することです。
最も一般的なレイヤ2デバイスは（ネットワーク上の各ホストが必ず持たなければならない NICを除けば）、ブリッジとLANスイッチです。 このセクションでは、レイヤ2におけるLANスイッチングについて説明します。
ネットワークの性能にマイナスの影響を与える２つの要因は、コリジョンおよびコリジョン・ドメイン・サイズです。LANスイッチングによって、ネットワークのマイクロセグメンテーションを作成することができ、その結果、コリジョンの効果的な排除と、コリジョン・ドメイン・サイズの低減が可能となります。LANスイッチのもう1つの重要な特性は、ポートごとに帯域幅を割り当てることで、垂直ケーブル、アップリンク、サーバなどで、より多くの帯域幅が利用できることです。
技術の進歩により、より高速でインテリジェントなデスクトップ・コンピュータおよびワークステーションが次々と登場してきています。より強力なコンピュータ/ワークステーションの組み合わせや、ネットワーク集中型のアプリケーションにより、標準的な共有Ethernet/802.3 LANで使用できる10Mbpsより大きなネットワーク容量や帯域幅が必要となりつつあります。
今日のネットワークは、巨大な画像ファイル、イメージ、フルモーション動画、マルチメディア・アプリケーションなどの伝送量の増大に加えて、ネットワークユーザ数の増加にもさらされています。 これらの要素はすべて、標準的なイーサネットの10Mbps帯域幅容量の限界を超えています。
大きなファイルの共有、ファイルサーバへのアクセス、インターネット接続などにより、ネットワークを利用する人口が増加すると、輻輳が発生します。 これは、ネットワーク遅延が原因で、応答時間が遅くなる、ファイル転送に時間がかかる、 ネットワーク利用者の生産性が低下するといった現象として現れます。 ネットワークの輻輳を緩和するためには、帯域幅を大きくするか、現在の帯域幅をより有効に利用しなければなりません。
● なぜセグメントLANなのか？
ネットワークは、セグメントと呼ばれる小さなユニットに分割できます。各セグメントは、搬送波検知多重アクセス/コリジョン検出（CSMA/CD）プロトコルを使用し、セグメント上のユーザ間のトラフィックを維持します。ネットワークでセグメントを使用することにより、セグメント内で通信する場合、同じ10Mbpsを共有するユーザやデバイスが少なくなります。各セグメントは、それ自体がコリジョン・ドメインとみなされます。
これは、セグメント化されたイーサネット・ネットワークの例です。ネットワーク全体は、15台のコンピュータ（6台のファイルサーバと、9台のＰＣ）で構成されています。セグメント化されていないネットワークでは、15台のデバイスすべてが同じ10Mbps帯域幅を共有し、同じコリジョン・ドメインに存在しています。
ネットワークを3つのセグメントに分割することによって、各セグメント内の輻輳が減少します。 セグメント内でデータ伝送を行う場合、これら5台のデバイスは、セグメント別に10Mbps帯域幅を共有します。
セグメント化されたイーサネットLANにおいて、セグメント間を通過するデータは、ブリッジ、スイッチ、ルータによって、ネットワークのバックボーン上で伝送されます。 バックボーン・ネットワークはそれ自体がコリジョン・ドメインで、セグメント間にベスト・エフォートの配送サービスを提供するためにCSMA/CDを使用します。
● LANスイッチを持つセグメンテーション
スイッチド・イーサネット・トポロジを使用したLANは、送信ノードと受信ノードの２つのノード しか存在しないような動作をするネットワークを実現します。この２つのノードは、10Mbps帯域幅を共有することで、ほとんどすべての帯域幅をデータ伝送に利用できます。スイッチド・イーサネットLANは、効率的に帯域幅を利用するため、標準イーサネットLANよりも高速なLAN トポロジを提供できます。 スイッチド・イーサネット方式では、帯域幅をほぼ100％活用できます。
LANスイッチングの目的は、帯域幅不足の緩和や、複数のPCとリモート・ファイル・サーバ間などに見られる、ネットワーク・ボトルネックを解消することです。LANスイッチは、LANの各ノードまたはセグメント用にそれぞれ1つのポートを持つ、非常に高速なマルチポート・ブリッジです。スイッチは、LANをマイクロセグメントに分割することにより、１つの大きなコリジョン・ドメイン から、コリジョンのないドメインを作成します。
スイッチド・イーサネットは、標準イーサネットに基づいています。各ノードは、スイッチ・ポートの１つか、スイッチポートの１つに接続されたセグメントに直接接続されています。これにより、スイッチ上の各ノードと各セグメント間に、10Mbps帯域幅の接続を提供します。 イーサネット・スイッチに直結されたコンピュータは、それ自体がコリジョン・ドメインとみなされ、10Mbpsの全帯域幅にアクセスします。
スイッチはフレームを受信すると、送信元または宛先アドレスを読みとります。スイッチは、フレームからの情報に基づいて、どのスイッチ動作を実行するか決定します。その後、フレームはその宛先にスイッチされます。
● LANスイッチングの概観
LANスイッチは、マイクロセグメンテーションを行うため、コリジョンドメインのないマルチポート・ブリッジと考えられます。パケットを宛先へスイッチングすることで、データは高速に交換されます。
スイッチは、ブリッジ同様、パケットの宛先であるレイヤ2MACアドレスを読むことにより高速伝送を実現します。 パケット全体を受信する前に、スイッチはパケットを受信端末のポートへ送信します。 これによって、パケットを、低いレイテンシーレベルで高速に転送できます。
イーサネット・スイッチングは、ネットワーク上の帯域幅を増加します。専用のネットワーク・セグメントを構築し（ポイントツーポイント接続）、 そのセグメントをスイッチ内の仮想ネットワーク上で接続することによって実現します。この仮想ネットワーク回線は、2つのノードが通信する必要がある時だけ存在します。これが仮想回線と呼ばれる理由です。必要な時だけ存在し、スイッチ内部にのみ存在します。
LANスイッチがコリジョン・ドメインを取り除いても、 スイッチに接続されたすべてのホストは同じブロードキャスト・ドメイン内に存在します。したがって、あるノードからのブロードキャストは、LANスイッチで接続された他のノードすべてで検出されます。
● LANスイッチのアドレス取得方法
イーサネット・スイッチは、次の方法でネットワーク上の各デバイスのアドレスを取得します。
* 伝送された各パケットの送信元アドレスを読み込む。
* フレームが通過したポートを記録する。
スイッチは転送データベースにこの情報を追加します。アドレスは、動的に取得されます。新しいアドレスが読み取られると、内容参照可能メモリ(CAM)に取得/格納されます。つまり、CAM内にない送信元が読みとられると、次回の利用のため、取得/格納されます。
格納されるたびに、アドレスにはタイムスタンプが付加されます。 これによって、アドレスの格納期間を設定できます。さらに、CAM内でアドレスが参照された場合も、新しいタイムスタンプが付加されます。設定した格納期間内に参照されなかったアドレスは、リストから削除されます。このように、古くなったアドレスを削除することによって、CAMは正確かつ機能的な転送データベースを維持できます。
● 対称なスイッチング
対称なスイッチングは、スイッチの各ポートに割り当てられた帯域幅に応じて、LANスイッチに特性を与える方法の１つです。
対称なスイッチは、同じ帯域幅（すべて10Mbpsのポート、またはすべて100Mbpsのポートなど）のポート間でスイッチ接続を提供します。
対称なスイッチは、ネットワーク全体にわたるトラフィックの均等分散に最適です。
● 非対称なスイッチング
非対称なLANスイッチは、異なる帯域幅のポート間（10Mbpsポートと100Mbpsポートなど）にスイッチ接続を提供します。このタイプのスイッチングは、10/100スイッチングとも呼ばれます。
非対称なスイッチングは、複数のクライアントがサーバと同時通信するような、クライアント−サーバ型ネットワークのトラフィック・フローに最適です。サーバが接続しているスイッチポートに発生するボトルネックを解消するために、より多くの専用帯域幅が必要となるからです。
100Mbpsポートから10Mbpsポートへの伝送の際、10Mbpsポート側で過度な輻輳を発生させないために、非対称なスイッチのメモリバッファが必要となります。
● 2つのスイッチング方式
スイッチによってフレームを転送する方式として、2つのスイッチング・モードを選択できます。これらのスイッチング・モードのレイテンシーは、 スイッチがフレームを転送する方法によって異なります。 高速なスイッチ・モードでは、スイッチ内のレイテンシーは小さくなります。フレームの高速転送を実現するため、スイッチはエラーチェックの時間を短くします。ただし、エラーチェックを簡略化することで、再送信の回数が増加する可能性があります。
スイッチによるフレーム転送の方法は、次の２つです。
* ストア・アンド・フォワード - フレーム全体を受信するまで、転送は行われません。 宛先、または発信元アドレスが読み込まれ、フィルタリングが行われた後、フレームが転送されるます。 フレームの受信中にレイテンシーが発生します。フレームが大きくなれば、レイテンシーも大きくなります（フレーム全体を読み込むのに時間がかかるため）。フレーム全体を受信する間にエラーチェックを実行できるため、エラーの検出は高くなります。
* カット・スルー - スイッチは、フレーム全体を受信する前に宛先アドレスを読み込みます。したがって、フレームは、全体が到着する前に転送されます。 このモードでは、伝送のレイテンシーは減少しますが、エラー検出率は低くなります。
● VLANの概論
LANを共通のバックボーン経由で鉄属されたワークグループに分割し、バーチャルLAN(VLAN)トポロジを構築することが多くなっています。VLANは、物理的なLANインフラストラクチャを異なるサブネット(イーサネットではブロードキャスト・ドメイン）に論理的にセグメント化するもので、これにより、ブロードキャスト・フレームは、同じVLAN内のポート間でのみスイッチされます。
初期のネットワークには、ポート・マッピング機能があり、デフォルトのデバイス・グループ間でブロードキャスト・ドメインを確立していました。現在のネットワーク要件では、ネットワーク全体をカバーする VLAN機能が要求されます。VLANによって、地理的に離れたユーザをグループ化し、ネットワーク全体で仮想トポロジを実現できます。
● フレーム・フィルタリング
フレーム・フィルタリングは、個々のフレームについて、特定の情報を比較/検討する技術です。
フレーム・フィルタリングの概念は、ルータのフィルタリングの概念とよく似ています。スイッチごとにフィルタリング・テーブルが作成され、各フレーム内の多くの属性を比較/検討することで、高レベルな管理が可能となります。LANスイッチの性能が高ければ、ステーションのMAC アドレス、ネットワーク層プロトコルタイプ、アプリケーション・タイプに基づいて、ユーザをグループ化できます。 テーブル・エントリは、スイッチによってフィルタリングされたフレームと比較されます。 スイッチは、エントリに基づいて適切な処理を行います。
● フレーム・タギング
フレーム識別（フレーム・タギング）は、各フレームに、一意に決まるユーザ定義ＩＤを割り当てます。 フレーム・タギングは、拡張性に優れているため、IEEE準拠の技術として認められています。
VLANでのフレーム・タギングは、特にスイッチ通信用の技術として開発されています。 各フレームのヘッダに一意に決まる識別子を与え、それをネットワーク・バックボーン経由で転送します。各スイッチは、受け取った識別子の読み取り/検証を行ったあと、ブロードキャストや、他のスイッチ、ルータ、終端デバイスへの転送を行います。フレームがネットワーク・バックボーンを出る際、スイッチはフレームの識別子を削除し、それからフレームを宛先の端末ステーションに伝送します。
レイヤ２のフレーム・タギング機能では、処理または管理上のオーバヘッドがほとんど必要ありません。
● VLANのブロードキャスト・ドメイン確立
VLANは、ルータのファイヤウォール機能をスイッチ構造まで拡張し、害を及ぼす可能性のあるブロードキャスト問題からネットワークを保護するための効果的なメカニズムです。加えて、VLANはスイッチの性能的利点をすべて保持します。ファイヤウォール機能は、スイッチ・ポートまたはユーザを、スイッチ単体内と、接続された複数のスイッチ内の両方で特定のVLANグループに割り当てることによって実現します。ある1つのVLAN内のブロードキャスト・トラフィックは、そのVLAN外へは転送されません。逆に、隣接ポートは、他のVLANからのブロードキャスト・トラフィックを受け取りません。このような構成によって、ブロードキャスト・トラフィックの全体量を大幅に減少させ、帯域幅を、本当に必要なユーザ間トラフィックに解放し、ネットワークがブロードキャスト・ストームにさらされるのを防ぎます。
VLAN のサイズを制限し、VLAN内のスイッチ・ポート数およびポート割り当てるユーザ数を制限することで、ブロードキャスト・ドメインのサイズを容易に調整できます。VLANグループが小さくなれば、そのVLANグループ内のブロードキャスト・トラフィックの影響を受けるユーザ数も少なくなります。
● ポート中心のVLAN
ポートを中心としたVLANを構成すると、次の理由で転送効率が最大となります。
* ユーザがポートによって割り当てられる。
* VLANの管理が容易。
* VLAN間のセキュリティ機能が最大になる。
* パケットが、他のドメインへ「漏洩」しない。
* VLANとその構成員を、ネットワーク内で容易に管理できる。
● スタティック（静的）VLAN
スタティックVLANは、1つのVLANに静的に割り当てられたスイッチ上のポートで構成されます。変更されない限り、これらのポートは、割り当てられたVLANの構成を保持します。変更はユーザ自身が行う必要がありますが、スタティックVLANは、安全で構成しやすく、モニタリングが容易なネットワークです。このタイプのVLANは、データの移動が制限および管理されているネットワークで機能を発揮します。
● ダイナミック（動的）VLAN
ダイナミックVLANは、VLAN割り当てを自動的に決定するスイッチ上のポートで構成されます。スイッチを製造するほとんどのメーカーは、情報管理ソフトウェアを使用しています。
ダイナミックVLANは、データ・パケットのMACアドレス、論理アドレス、プロトコルタイプに基づいて機能します。
あるステーションが最初に、割り当てのないスイッチポートに接続されていると、該当するスイッチはVLAN 管理データベース内のMACアドレスエントリを確認し、そのアドレスに対応するVLAN設定を持つポートを動的に構成します。ダイナミックVLANの大きな利点は、ユーザの追加または移動の際に、ワイヤリング・クローゼット内の管理作業が少なくてすむことと、 未確認ユーザがネットワークに追加された場合に、中央から統一した形で通知できることです。一般的に、VLAN管理ソフトウェア内にデータベースを設定したり、全ネットワークユーザの正確なデータベースを用意する必要があり、事前の管理作業は多くなります。
● ＬＡＮ構築の目標
ローカルエリアネットワーク（LAN）構築の最初のステップは、設計目標を確立し、ドキュメント化することです。これらの目標は、組織形態や状況に即したものとなりますが、どのようなネットワークにおいても見られる、一般的な要件は次の通りです。
* 機能性 - ネットワークは動作する必要がある。つまり、ユーザが各自の業務要件を満たせるようなネットワークである必要がある。またネットワークは、ユーザ間もしくはユーザ-アプリケーション間に、妥当なスピードと信頼性のある接続を提供しなければならない。
* 拡張性 - ネットワークは、成長できなければならない。つまり、ネットワークの初期設計は、全体の設計に大きな変更を加えることなく成長できるものにすべきである。
* 適応性 - ネットワークは、将来のテクノロジを視野に入れて設計しなければならない。新しいテクノロジが現実化した場合に、その実装が制限される要素を含むべきではない。
* 管理性 - 安定した動作を保証するため、ネットワークは監視や管理が容易になるよう設計するべきである。
● 設計の方法論
左の図の３つのステップは、ネットワーク設計に用いられる単純なモデルを示しています。 ネットワーク・トポロジの設計、アドレッシングの考案、ネーミングの規定などのステップは早期に完了すべきです。また、後で大きな変更を必要としないようにします。
● 解決すべき問題は何か？
インターネットワーキングデバイスを使用するかどうかは、クライアントのために解決しようとしている問題によって異なります。
メディア・コンテンションとは、イーサネット上の過剰なコリジョン（衝突）のことです。多くのデバイスによる、ネットワーク・セグメントへの高い要求によって発生します。
ブロードキャスト数が過剰になるのは次の場合です。サービスを求めるクライアント・パケットが多すぎる場合、サーバ・パケットのサービス通知が多すぎる場合、ルーティング・テーブルのアップデートが多すぎる場合、ARPなどのプロトコルに依存するブロードキャストが多すぎる場合。
新しいペイロードの伝送ニーズとしては、音声およびビデオ・ネットワーク・サービスを提供するニーズなどがあります。これらのサービスでは、現在のネットワークやバックボーンで利用可能な帯域幅より、はるかに多くの帯域幅が必要となる可能性があります。
ネットワーク層のアドレッシング問題には、IPアドレスの不足、物理的に分割されたサブネットの必要性、プロトコルに関連したその他の問題などが含まれます。
● LANトポロジの開発
ネットワーク全体の要件を収集したら、LAN全体のトポロジまたはモデルを開発できます。
トポロジ設計の主要部分は、OSI参照モデル独自の3つのカテゴリに分類できます。
レイヤ1 - 物理層
カテゴリ5UTPや光ファイバ・ケーブルのような、配線メディア・タイプ、さらにレイアウトおよび配線接続計画のEIA/TIA 568標準を含みます。
設計目標 − OSI参照モデルのこの層を構築する際、速度と拡張性を持たせること。
レイヤ2 - データ・リンク層
LANセグメントを構築するためにレイヤ1メディアの相互接続に使用される、ブリッジやLANスイッチなどの、レイヤ2デバイスの選択が含まれます。この層のデバイスによって、コリジョンおよびブロードキャスト・ドメインのサイズが決まります。
設計目標
* レイヤ1でエンド・ホストをグループ化できるような集中点を、MDFや IDFの内部に作成することで、1つの物理的なLANセグメントを構築する。
* コリジョン・ドメインのサイズ低減のため、マイクロセグメンテーションを使用するLANスイッチング・デバイスを導入する
* 仮想ワークグループ（VLAN）および独自のブロードキャスト・ドメインにユーザをグループ化できるような、(レイヤ2における) トポロジ・ポイントを作成する。
レイヤ3 - ネットワーク層
独自のLANセグメントを構築し、IPアドレスのようなレイヤ3アドレッシングに基づいたセグメント間通信を可能にする、ルータなどのレイヤ3デバイスの選択を含みます。
設計目標
* データパケット・フローをフィルタリングする、LANセグメント間のパスを構築する。
* ARPプロトコルによるブロードキャストを隔離する。
* セグメント間のコリジョンを隔離する。
* セグメント間のレイヤ4サービスをフィルタリングする。
● レイヤ1
LANトポロジの開発
このセクションでは、レイヤ1（物理層） スターおよび拡張スタートポロジにいて説明します。
これまで学習したように、送信元と宛先ノード間のデータ伝送方法は、物理層によって制御されます。
選択したメディアおよびトポロジのタイプによって、ネットワーク上のデータ転送量および転送速度が決まります。
● 拡張スター・トポロジ
大規模なネットワークでは、複数のワイヤリング・クローゼットを設置することは珍しくありません。カテゴリ5UTPイーサネットの100ｍ限界外に、ネットワークへの接続が必要な複数のホストが存在する場合があるからです。
複数のワイヤリング・クローゼットを設置することで、複数のキャッチメント・エリアが構築されます。この2次的なワイヤリング・クローゼットは、中間分散ファシリティ（IDF）と呼ばれます。
EIA/TIA 568 標準では、IDFは垂直ケーブリングでMDFに接続するように規定されています。通常、この垂直ケーブリングには、光ファイバケーブルが使用されます。光ファイバケーブルなら、配線距離をより長くできるからです。
MDFとIDFの大きな違いは、垂直クロス・コネクト（VCC）として使用できる、もう1つのパッチ・パネルが実装されているかどうかです。VCCは、さまざまな IDFと中央MDFとの相互接続に使用されます。通常、垂直ケーブルの限界長はカテゴリ5UTPケーブルの限界である100ｍより長いので、光ファイバ・ケーブルを使用するのが一般的です。
設計のヒント - 垂直ケーブルは、IDFとMDF間の全データ・トラフィックを伝送するので、接続スピードがネットワーク中で最速のリンクとなるよう設計する必要があります。最低でも100Ｍbpsのリンクが推奨されます。
また、ネットワークの将来的な成長を考慮して、予備の垂直ケーブルも敷設しておくべきです。
● レイヤ2
LANトポロジの開発
ネットワークにおけるレイヤ2デバイスの目的は、フロー制御、エラー検出および訂正などの機能を提供して、ネットワークの輻輳の低減することです。
最も一般的なレイヤ2デバイスは（ネットワーク上の各ホストが必ず持たなければならない NICを除けば）、ブリッジとLANスイッチです。 このセクションでは、レイヤ2におけるLANスイッチングについて説明します。
ネットワークの性能にマイナスの影響を与える２つの要因は、コリジョンおよびコリジョン・ドメイン・サイズです。LANスイッチングによって、ネットワークのマイクロセグメンテーションを作成することができ、その結果、コリジョンの効果的な排除と、コリジョン・ドメイン・サイズの低減が可能となります。LANスイッチのもう1つの重要な特性は、ポートごとに帯域幅を割り当てることで、垂直ケーブル、アップリンク、サーバなどで、より多くの帯域幅が利用できることです。
