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ネットワーク(スイッチング)

バックプレーン容量に関して

そもそもバックプレーンとは、各種機器において、拡張ボードやケーブルなどを接続するためのコネクタやスロット、ソケットを備えた回路基板のことを言います。

コンピュータの分野では、ルータやスイッチなどのネットワーク機器、サーバハードウェアなどで、このバックプレーンという用語が用いられます。

ここで説明するバックプレーン容量とはスイッチングハブ(通信機器)全体での1秒間で処理できるデータ量を表しています。

メーカによっては「スイッチングファブリック」だとか「スイッチング容量」なんていう場合もあります。

bps(Bit Per Second)の単位で表されます。

まずは具体的な状況をイメージし、計算式を通して論理的に理解しましょう。

例えば1ポートあたり100Mbpsの24ポートスイッチでバックプレーン容量が3Gbpsであったとして、このスイッチにPCを20台接続したとします。

このときの最大の転送量を計算してみると、

100Mbps × 20台 = 2000Mbps = 2Gbps ← これは間違いです !!

バックプレーン容量が3Gbpsなら余裕 !! と思ったら、、それは残念ながら間違いです。

通常スイッチは全二重通信を行いますつまり1ポート上りと下りで100Mbpsづつ、合計200Mbpsの通信が発生します

100Mbps × 20台 × 2 = 4000Mbps = 4Gbps

1秒に 4G !!!! といっても単位が bps(Bit Per Second) ですから、パソコン(Windows)の世界で通常意識する容量の感覚で話すと

4G ビット = 4 × 1024 × 1024 = 4,194,304 ビット

4,194,304 ビット ÷ 8 = 524,288 バイト/秒

524,288 バイト/秒 ÷ 1024 = 512 Kバイト/秒

つまり 4Gbpsとは1秒間に512Kバイト(1MBの半分)処理できるということを表します。

4Gbps = 4Gビット/秒 = 512Mバイト/秒

話が少しそれましたが、、
4Gbpsとなり、つまりバックプレーン容量が3Gbpsだと100%の転送量を保証できないことになります。

1ポートあたり100Mbpsの24ポートスイッチで100%の転送量を保証するには、

100Mbps × 24台 × 2 = 4800Mbps = 4.8Gbps

となり、バックプレーン容量が4.8Gbps以上あれば100%の転送量を保証することが出来ます。

つまり、上記の計算式に当てはめ計算すると、結論は 約 615Mバイト/秒 です。

この100%の転送量を保証することを「ノンブロッキング」といいます。

ただしここで注意しなければいけないのが、バックプレーン容量は1秒間で処理できるデータ量です。

ネットワーク機器は「フレーム」や「パケット」の単位で処理されます。

たとえバックプレーン容量が多くても1秒間に処理できる「フレーム(パケット)数」が少ないと、そこでボトルネックが発生してしまいます。

そこで通常カタログなどにはバックプレーン容量の他に1秒間に処理できる「フレーム(パケット)数」についても記述されています。

 

スイッチング処理能力に関して

スイッチング処理能力とはスイッチ全体で1秒間で処理できるパケット数を表しています。

単位はpps(Packet Per Second)で表されます。

イーサネットのフレームサイズは64byte~1518byteのサイズですが、通常スイッチング処理能力を計算する場合は、最も負荷のかかるフレームサイズの64byteで計算します。

ちなみになぜ64byteが最も負荷がかかるかといいますと、フレームサイズが小さいと当然ネットワークに流れるフレームの数が増加するので、その分スイッチが処理するフレームも増加し負荷も上がるからです。

それではスイッチング処理能力についても具体的な例を上げて計算してみましょう。

例)1ポートあたり100Mbpsの24ポートスイッチでスイッチング処理能力が3Mppsであったとして、このスイッチにPCを20台接続したとします。

計算を行う上で注意する点は通常ネットワークに流れるパケットにはイーサネットフレームの前にプリアンブルSFD(Start Frame Delimeter)が付き、後ろにはIFG(Inter Frame Gap)が付くので注意してください。

8byte(プリアンプル+SFD)64byte(最小フレーム)12byte(IFG) = 84byte = 672bit

続いて1ポートあたりの最大スイッチング処理能力を算出してみましょう。

伝送速度は100Mbpsなので

100000000bps ÷ 672bit ≒ 148810pps

となります。

つまり1秒間に64byteのフレーム(パケット)を148810個転送することが出来るわけです。

PCが20台の場合は20ポート使用するわけですから、

148810pps × 20台 = 2976200 ≒ 3Mpps

となりスイッチング処理能力が3Mppsであれば100%の転送が可能です。

ただし24ポートすべてのスイッチング処理能力を計算してみると、

148810pps × 24台 = 3571440 ≒ 3.6Mpps

となり3Mbpsでは100%の転送の保証は無いことになります。


100Mbpsに関して

通信速度が100M だとか 10M だとか言いますが、正確には100Mbps、10Mbps です。

それって、感覚的にどれぐらいの速さなのか。

100 × 1024 × 1024 =
100Mbps = 100

また、bpsという単位ですが、正しくは「100Mbpsは "100Mega-bit per second"の略」で・・・一般的な概念ではbitの数を8で割るとbyteになりますが、データ通信の場合は純粋なデータのほかにバイトの始めと終わりのbitを付加してあるので大まかに言ってbitの数を10で割った数がbyteになります。

つまり100Mbps(bit per second)を "Mega-Byte per second" に単位換算すると"10 MegaByte per second"となります。

なお、パソコンの転送レートはByte per secondが用いられることが多く、通信の転送レートではbit per secondが用いられることが多くあるようにおもいます。

こういった単位概念の認識そのものを誤ると議論そのものがとんでもない方向に行ってしまいますので、掲示板などを読む場合は単位がbitなのかByteなのかをややこしくても確実に把握しましょう。

通信回線などのデータ転送速度の単位。ビット毎秒。1bpsは1秒間に1ビットのデータを転送できることを表す。1kbps(1キロbps)は1000bps、1Mbps(1メガbps)は1000kbps(100万bps)である。

1kbpsを1024bps、1Mbpsを1024kbpsとする場合や、「k」と小文字で書いた場合は1000倍、「K」と大文字で書いた場合は1024倍、などとする説もあり、これらの用法をめぐっては混乱状態が続いている。

本来、万国共通の単位系として用いられるSI単位系では「k」や「M」などの接頭辞は1000の累乗の意味を持っており、IEEEやIECなどの学会・標準化団体などでも、正式にはこれらの用法に従う。

しかし、コンピュータの黎明期にソフトウェアやハードウェアの設計上の都合から、1024ビットを1kビットとしたことから、データの容量や通信速度などでこのルールを適用する人が増え、現在のような混乱状態を招いた。

通信の世界では、データ通信が始まる前からSI単位系に従って1000倍を用いており、また、モデムの通信速度が当初は75bps、300bps、1200bpsなどのように2の累乗とは無縁な値から始まったこともあり、1kbps=1000bpsとするのが妥当と思われる。

大雑把に言って、メモリやハードディスクなどの記憶容量では「1024」が、通信速度では「1000」が使われることが多いが、状況によって異なる場合があるので、どちらの意味で使っているのか十分注意が必要である。

ちなみに、アナログモデムの最高速度は56kbps(下り。上りは33.6kbps)、ISDNの最高速度は128kbps、100BASE-TXのEthernet LANの最高速度は100Mbpsである。

 

10BASEに関して

Ethernetの規格の一つ。より対線(UTP)をケーブルに利用し、集線装置(ハブ)を介して各機器を接続するスター型LANで、通信速度は10Mbps、最大伝送距離は100mまでである。

ハブの多段接続は3段階まで。

ネットワークのケーブルや接続方法に関する規格のひとつ。

IEEE802.3で制定されている。

Ethernetで用いられ、転送速度は10Mbit/秒。細い同軸ケーブルを使う10BASE-2、太い同軸ケーブルを使う10BASE-5(その形状からイエローケーブルと呼ぶ)、電話線に似たツイストペア(Unshielded Twisted Pair)線を使う10BASE-Tがある。

Macintosh本体背面にあるAAUIポートにトランシーバーと呼ばれる装置を接続して、それぞれのケーブルにつなぐ。

また、最近のMacintoshではAAUIポートはなくなり、10/100BASE-T用のポートが用意されている。

 

100BASE-TXに関して

Fast Ethernetの規格の一つ。

IEEE 802.3uとして標準化されている。

より対線(UTPカテゴリ5)をケーブルに利用し、集線装置(ハブ)を介して各機器を接続するスター型LANで、通信速度は100Mbps、最大伝送距離は100mまでである。

ハブの多段接続は2段階まで。

100BASE-TX用の機器は10BASE-Tと互換性のあるものが多く、1つのネットワークに混在させることができる。

現在標準的なLAN用の接続規格の名称です。

複数のパソコンを接続したり、ブロードバンドを利用してインターネットに接続する際などに使います。

通信速度は最大で100Mbpsになります。

10BASE‐Tとは端子やケーブルの形状が同じですが、こちらのほうが通信速度が速いというわけです。

最近のパソコンなら、標準で搭載されているLAN端子は100BASE‐TXと10BASE‐Tの兼用ですから安心して使えます。

 

100BASEに関して

ネットワークのケーブルや接続方法に関する規格のひとつ。

IEEE802.3で制定されている。

転送速度は100Mbit/秒。

現在主流となっている10BASEより高速な転送を実現する。

10BASE-Tと互換性があり、10BASE-Tと100BASE-Tの両方で使えるハブもある。

ケーブルの違いにより、100BASE-T4、100BASE-TX、100BASE-FXの3つがある。

iMacはツイストペアケーブルを使用する100BASE-TX。

 

100BASE-Tに関して

Fast Ethernet規格のうち、より対線(ツイストペアケーブル)を伝送媒体に使う規格群を総称して100BASE-Tと呼ぶ。

100BASE-T規格には、100BASE-T2、100BASE-T4、100BASE-TXの3種類がある。

100BASE-T規格群はIEEE 802.3uとして標準化されている。

100BASE-Tは集線装置(ハブ)を介して各機器を接続するスター型LANで、最高通信速度は100Mbps、最大伝送距離は100mまでである。

100BASE-T用の機器は10BASE-Tと互換性のあるものが多く、1つのネットワークに混在させることができる。

 

ジャンボ・フレーム (jumbo frame)について

イーサネット標準の最大フレームサイズ、1518バイトを超えるフレームサイズのことを「Jumbo(ジャンボ)フレーム」と呼びます。

EthernetのハブやLANカードの機能の一つで、Ethernetのデータ送受信単位(フレーム)のサイズを大きくして、効率よく通信を行う機能のことをいいます。

米アルテオン・ウェブシステムズ(現カナダのノーテル・ネットワークス)がギガビット・イーサネット用に使う独自のイーサネット・フレーム・フォーマットです。

伝送効率を上げるためにフレーム長を9000バイトに拡張、個々のイーサネット・フレームを受信する際に発生する割り込み処理の頻度を減らし、ホストCPUへの負荷を軽減することができます。

ネットワークに送出するパケット数を減らし、プロトコル・オーバーヘッドも減らすことができます。

例えば,NFS(network file system)を使用する際,通常のイーサネット・フレームでは,サーバーは一つのNFSデータグラムを六つのフレームに分割して送信する。ジャンボ・フレームを使えば1パケットで送信できる。

サーバー上でフラグメントが発生しないほか,UDP(user datagram protocol)/IPの処理も1回で済むメリットがある。

ジャンボフレームを有効にすると、一度に転送するデータサイズが大きくなり、その回数も少なくなるため、実行データ転送速度(スループット)の向上が見込めます。

ジャンボフレームに対応し、それを利用することで、高速・大量なデータ転送に伴う負荷を軽減し、スループットが向上します。

イーサネットのフレーム長は通常で、ペイロード長1500byte、ヘッダを加えて1518バイトである。

しかしネットワークの広帯域化に伴い、フレームヘッダ部のオーバヘッドによる伝送効率低下が目立つようになった。

そのため、オーバヘッド軽減のため巨大なフレーム (Jumbo Frame) を使って一度にデータを伝送する方式がオプションとして用意されるようになった。

最大フレームサイズは機器によってまちまちだが、8000byte - 15000byte程度である。

ジャンボフレームに対応したノード間の通信が高帯域化されるため、LAN内でのファイルサーバー、NASなどを利用してのファイル転送などで大きな効果を発揮する。

現在、IEEE 802.3による規格化はされておらず、ベンダーごとの独自実装となっている。

Ethernetではデータを一定の大きさのフレームと呼ばれる単位に分割して送受信するが、規格上ではフレームサイズは1,518バイトと定められている。

これは通信速度が10Mbpsだった頃に定められた仕様のため、最近の100Mbpsや1Gbpsの規格では通信速度に対してフレームが小さすぎて通信効率が悪い。

このため、最近の通信機器は拡張仕様として大きなサイズのフレームで送受信するジャンボフレーム機能が搭載されるようになった。

フレームサイズは機器によって様々だが、9,000~16,000バイト程度に対応しているものが多い。

ジャンボフレームは通信するすべての機器が対応している場合に有効となり、非対応の機器が混じっている場合は標準のフレームサイズで通信を行うようになっている。

イーサネットでは、データ(ペイロード)を送信するためのデータ構造のことを「フレーム」というが、標準的なフレームの規格を拡張して、より大きなデータを送信できるようにしたものを「ジャンボ・フレーム」(もしくはジャンボ・パケット)という。

Windows Server Insider関連

・pingでMTUサイズを調査する(Windows TIPS)

イーサネットの標準規格では、1フレームで送信できるデータのサイズ(MTU:Maximum Transmission Unit、最大送信単位という。

関連記事参照)は最小46bytes、最大1500bytesであるが(1byte単位で可変長)、ジャンボ・フレームではこれを最小サイズは46bytesのまま、最大データ・サイズの方をだいたい9Kbytesとかそれ以上のサイズまで拡大している。

「だいたい」と表現しているのは、製品によってサポートされている最大サイズに違いがあるからだ。

大きいものでは16Kbytesのものもあるが、ほとんどの場合は約9Kbytesのサイズまでサポートしている。

だが製品によっては最大4Kbytesしかサポートしていないものもあるなど、特定の決まったサイズがあるわけではない。

このようにさまざまに異なるサイズがあるのは、「ジャンボ・フレームの仕様には標準規格がない」からである。

ジャンボ・フレームは、もともとはネットワーク機器ベンダであるAlteon Networks社(後にNortel Networksに買収されるが、Nortelもその後破産)が提唱したイーサネットの拡張規格である。

送信するデータ部分のサイズを拡張するだけという単純な仕組みのため、システム的な対応は容易であり、それでいてネットワークのパフォーマンスを数十%向上させ、さらにCPUの処理負荷を半減できるなど、メリットは大きいとされている。

ただしこれは今から10年ほど前のシステムにおける例であり、CPUやI/Oインターフェイスなどが高速化した現在のシステムでは少し事情は異なる。

エントリ・システムですらギガビット・イーサネットの帯域をほぼ使い切ることはそう難しくない。

詳細については、「Extended Frame Sizes for Next Generation Ethernets」という論文をインターネットで検索するか、ethernet allianceサイトの「White Papers」にある「Ethernet Jumbo Frames」などの文書を参照していただきたい。

ジャンボ・フレームで利用可能な最大データ・サイズがベンダごとに異なるのは、主にシステム的な仕様や制限に起因していると思われるが(例えばネットワーク・コントローラ内部にあるバッファや制御回路に起因する制約など)、それを統一するには各ベンダの負担が大きいし、簡便な方法もないためか、結局統一されずに今日まで来ている。

イーサネットでは最大1500bytesとなっているが、FDDI(光ファイバ)では4352bytes、TokenRingでは4464bytes、ATM AAL5では9180bytesなど、もともと媒体によってMTUは異なるし、ほかのプロトコルをカプセル化して送信する用途を考えると、今後もMTUの拡大に対する要求は増える一方である。

現在検討されているいくつかのネットワーク関連規格では、もっと大きなMTUや、システムごとに異なるMTUが混在しても動作するように検討されており、将来的にはそのような規格の制定によってこの混乱の解決が図られるだろう。

だが現在のところは、さまざまなMTUが混在していることを前提にして、ジャンボ・フレームを使うネットワークを設計・導入する必要がある。

なお9KbytesのMTUをサポートしたジャンボ・フレームのシステムが多いのは、主にUNIX系OSでよく使われているNFS(ネットワーク・ファイル・システム)などを考慮しているからとされている。

一般的なNFSの実装では、ファイルは8Kbytesのブロックに区切られてUDPプロトコルを使って転送しているが(現在ではTCPを使う方法も広く普及している)、このUDPパケットを分割することなく一度に送信できるようにするため、8Kbytesのデータといくらかのヘッダ情報などをすべて格納できるように9KbytesのMTUサイズが選ばれた。

9Kbytesよりもさらに大きなジャンボ・フレームも理論的には可能であるが、フレーム内に用意されている32bitのチェック・コード(CRCコード)の特性により、11Kbytesを超えるとエラーの検出率が下がるので(データ長にして376bytesから約11Kbytesまでは同じ程度のエラー検出率だが、それを超えると信頼性が下がる)、この9Kbytes程度にしている。

ジャンボフレームを活用するためには、通信経路上にあるハブや通信相手のLANアダプタなど、他のネットワーク機器もジャンボフレームに対応している必要があります。

 

MTUを大きくするメリット

ジャンボ・フレームでは、MTUサイズ(データを一度に送信できる最大サイズ)が大きくなっているが、それによるメリットとしては次のようなものがある。

•処理オーバーヘッドの削減

大きなファイルやデータを送信する場合、小さいパケットをたくさん送信するよりも、大きなパケットを1つ送信する方がパケットの総数が少なくて済む。

パケットを1つ処理するたびに、例えばIPやTCPなどのヘッダを付けたり、外したりする必要があるが、これらは本来のデータ転送とは関係のない無用なものである。

パケット数が少なくなるなら、無駄な処理、つまりオーバーヘッドが削減でき、結局は高速化できる。

•フラグメント化(断片化)の減少

MTUが大きなネットワーク媒体からMTUの小さなネットワークへパケットを転送しなければならない場合(これはルータの処理)、パケットを分割する処理(フラグメント化)が必要になるが、MTUが大きければ分割の必要性が少なくなる。

•割り込み処理回数の削減

送受信するパケットの数が減少すれば、割り込み処理に必要なCPUサイクルも減少し、CPUの負担が減少する。

このようなメリットがある一方、パケットが巨大化することにより、例えば送信時の帯域占有時間が長くなるといったデメリットもある。

だが実際には100BASE-TXやギガビット・イーサネットなどの普及により、送信時の占有時間は抑制可能である。

高速なネットワークほど、大きなMTUを使えば、さらに効率よく送信できるようになる可能性がある。

 

フラグメント・フリー方式

スイッチング・ハブが受け取ったフレームを別のポートに転送する時の方式の一種。

イーサネットの最小フレーム長(64バイト)を読み込んだ時点で転送を開始する。

最小フレーム長に満たないショート・パケットなどのエラー・フレームをフィルタできる。

そして、フラグメントフリー方式はストア&フォワード方式とカッ トスルー方式のいいとこどりみたいな感じです。

ある程度のエラーチェックを行いつつ、カットスルー方式よりは遅いですが、フレー ムの転送速度も速くなっています。

フラグメントフリー方式はどのタイミングでフレームの転送を始め るかというと、64バイト読み込んだ時点で転送を始めます。

64バイトという数字に特別な意味があるのか?

もちろん、意味があります。

64バイトというのはイーサネットフレームの最小サイズです。

64バイト以上のフレームは、「衝突が起こっていませんよ~!」というフレームです。

ハブのカスケードの台数やケーブルの長さなどが適切に構成されているネットワークでは、 64バイトのフレームを送信するとネットワーク上すべてに行き渡り、他のコンピュータがキャリアセンスを行うと、ケーブルは使用中と判断します。

このため、64バイト以上であれば衝突が起こっていな いということがわかるわけです。

でも、ハブのカスケード台数やケ ーブルの長さが規格を超えていると、64バイト以上のフレームでも 衝突の可能性があるので注意が必要です。

この場合、衝突遅延と呼んでいます。

衝突遅延が起こってしまうネットワークは問題があるので、ネットワーク構成を考え直す必要があります。

前置きが長くなりましたが、つまり、フラグメントフリー方式では 衝突したフレームかどうかというエラーチェックを行うことができるわけです。

イーサネットで起こりうるエラーのうち、だいたい70 %程度が衝突だといわれています。

そのため、フラグメントフリー方式では、イーサネットのほとんどのエラーをカバーできるというこ とになります。

また、64バイト読み込んだ時点で転送を開始するので、ストア&フォワード方式よりも高速です。

 

レイテンシ

レイテンシ (latency) とは、デバイスに対してデータ転送などを要求してから、その結果が返送されるまでの遅延時間のこと。

一般的にレイテンシが小さければ小さいほど、そのデバイスは高性能で高価である。

レイテンシー、レーテンシーとも表記される。

レイテンシの程度を「高」「低」で表現することがあるが、「低い(高い)」とは「小さい(大きい)」を意味する。

データを送出してから実際にデータが相手に到着するまでの間を「片道レイテンシ」、データの送出要求(送出要求自体もデータの一つである)を送出してからその要求に応じたデータが返ってくるまでの間を「往復レイテンシ」と呼ぶ。

インターネットにおける往復レイテンシについてはラウンドトリップタイム(Round Trip Time, RTT) とも呼ばれる。

システムの個々の要素が高性能であっても、レイテンシが大きいとシステム全体の性能は高くならない。

例として、CPUがメモリに対して読み出し(書き込み)命令を出してから実際に読み出し(書き込み)が行われるまで時間が、そのメモリ固有のレイテンシとなる。この数字が小さいメモリほど高速であるといえる。

 

カットスルー交換

カットスルー交換(英: Cut-through switching)とは、パケット通信網の交換方法の一種であり、パケット全体を受信し終わる前に、送信先アドレスを解析すると同時に転送を開始する手法である。

これにより交換装置におけるレイテンシを低減するが、信頼性は低下する。

イーサネットのようなパケット交換網では、純粋なカットスルー交換が行われるのは、交換装置に入ってくる速度よりも出て行く速度が遅い(あるいは等しい)場合に限られる。

カットスルー・ルーティングが普通に行われない主な理由は、バックログのキューイングのためである。

カットスルー・ルーティングはATMネットワークを使ったIPネットワークの重要な機能の一つとなっている。

これによりATMネットワークのエッジ・ルーターではセル交換方式を採用し、低レイテンシを実現している。リンク自体が高速であれば、そもそもレイテンシも小さくなるので、これは問題ではなくなる。

カットスルー交換は InfiniBand ネットワークでも非常に一般的である。

これは InfiniBand がスーパーコンピュータのクラスターなどのレイテンシが最重要課題とされる環境で使われることが多いためである。


ストアアンドフォワード

ストアアンドフォワード(英: Store and forward)は、中継局を介して電気通信を行う場合に、情報を中継地点で一旦蓄積して、その後最終目的地あるいは別の中継局にそれを転送する方式を指す。

パケット通信の方式そのものを指す場合は、蓄積交換(Store and forward switching)とも呼ぶ。

中継局やコンピュータネットワークのノードは、メッセージが完全性を保持しているかどうかを確認した上で転送する。

一般に間欠的な接続のネットワークで使われる技法であり、過酷な状況や移動しながらの通信でよく使われる。

遅延が長くてもよい場合、誤り率が高い場合、中継しないと通信できない場合などにもよく使われる。

この技法は遅延耐性ネットワークに発祥するものである。

その種のネットワークではリアルタイムサービスは期待できない。

 

スイッチングハブ

スイッチングハブ (switching hub) とは、ネットワークスイッチ(ないし単にスイッチ)とも呼ばれ、ネットワークにおいて中継をおこなう機器(ハブ)の一種である。

ブリッジと同等の機能がある。

従来のリピータハブは、受信したデータ全てを接続された機器に同じように送信してしまうため、機器は自分と関係ないデータも受信してしまう。

また意味のない転送によってネットワークの効率やパフォーマンスを悪化させるうえ、他の機器のデータも受信できてしまうためセキュリティ面の問題などもあった。

しかしスイッチングハブではデータの送り先を解析し、機器に関係あるデータだけを送信するため、上記のようなパフォーマンス悪化やセキュリティの問題が発生しない。

レイヤ2スイッチ'(L2スイッチ)、LANスイッチとも言う。

ブリッジが2ポート製品から多ポート製品となっていく過程で、従来のリピータと同等の専用機器として定着したものである。

また、ブロードキャストドメインの分割などのためにVLANに対応したものもある。

その分スイッチングの為のハードウェア機構が複雑になりコストは割高になる。

第一世代

ブリッジの製品コストの中で、大きな比重を占めるのが、スイッチング用のLSIで、当初のブリッジ製品は、1ポート毎にスイッチング用のLSIを必要としたため、ポートが1個増えるごとに、LSIの追加コストや、基板設計のやり直しが必要になった。

また、当初のブリッジ製品は、1ポート毎に異なるMACアドレスを持っており、このための管理コストも無視できないため、4ポート以上の多ポートブリッジの製品化は難しいとされていた。

1995年前後から、そのような背景でも、各ポートが独立したレイアウトで、8-16ポートのマルチポートブリッジが各社から発売された。

この頃から、「スイッチングハブ」の名称が使われるようになったが、実体はあくまでもマルチポートブリッジであった。

当時は、収容される端末数の増加も目を見張るものがあり、ネットワーク(分割)機器としてのルーターが着実に売上を伸ばしていたものの高価であるため大量導入は難しく、リピーター増設ではコリジョンが多くなったため実用に耐えられないネットワークとなり、企業内のネットワークが構築困難になって来ていた。

また、ブリッジはすでに第一線の製品としての地位を失っていた。

このような中で、安価にコリジョンドメイン分割ができるスイッチングハブの登場は、大いに歓迎された。

当時のスイッチングハブの能力はあまり高くなかったが、以下のような機能を実装することで、ブリッジとは一線を画する製品も登場した。

転送モードの選択カットアンドスルー入力バッファに入ったフレームの宛先MACのみ読んで、出力ポートを判別し、出力側のバッファに転送する方式。

最も高速に転送できるが、通信品質には全く影響しない。(ヘッダが破損していても気づかない)

ストアアンドフォワード入力バッファに入ったフレームを転送バッファに取り込む方式。

このときに、データ部の破損したフレームを破棄し、通信品質の向上に貢献する。

機器が高価になり、転送速度も落ちる。第二世代のスイッチングハブでは、より信頼性の高い、こちらの方式がデフォルト設定となる。フラグメントフリー入力バッファに入ったフレームのヘッダのCRC情報を読んで、簡単なチェックを行ってから出力側のバッファに転送する方式。

ある程度通信品質の向上に貢献し、転送速度も速い。第一世代は、コストとパフォーマンスのバランスから、こちらの方式が主流となる。

ブロードキャストコントロール秒あたりのブロードキャストフレーム数を制限する。閾値はユーザが設定できる。5000フレーム/秒あたりが主な規定値。

第二世代

大野式連続鋳造法による無酸素銅線 (PCOCC) が通信ケーブル用の銅線製造方式に広く採用されるようになると、既存の無酸素銅線(OFC) の品質向上・価格低下をまねき、ツイストペアケーブル (Category5 UTP) の品質が大幅に向上し、イーサネットの100BASE-TX環境への移行に拍車をかける事になった。

同時に各ポートに異なるMACアドレスを持っていた第一世代の手法は無くなり、一台のスイッチングハブで1個のMACアドレスのみ持つようになった。

1チップで8ポートを制御するBGAによる基板実装のLSIが開発され、価格重視の4-16ポート製品を除いて、最近の製品は1Uサイズで24または48ポートへ進化した。

2003年頃から、さらにLSIが高速・低発熱になったことでファンレス化され、より完成度が高くなったシリーズが多い。

また、コストが高くなり不安定の原因となる副基板には光ケーブルインターフェースのみ実装とし、主基板のみにツイストペアケーブルインターフェースを実装するようになり、全ポート・ギガビットイーサ対応のものも多くなった。

現在では低価格化が進み、ハブの代替品として家庭用としても利用されている。

企業では、SNMPやVLAN、STPなどに対応した高機能スイッチが、集線装置として多く利用されている。

第三世代

2005年中旬以降の製品は、第三世代である。

この頃からのスイッチングハブは、Layer3スイッチのサブセットのような構成になる。

すなわち、ハードの造りはほぼ、Layer3スイッチでありながら、Layer2処理に特化されるスタイルベースを採ることで、Layer3商品群とのパーツの共通化によりさらなるコストダウンを狙い、加えてソフトウェアによる商品クラスの差別化を行っているのが特徴である。

第二世代の機能に加え、パケットフィルタリングを始め、クラスタ構成が組めるモデルなど、ソフトウェアベースでLayer3処理を組み込んでいる。

これにより、スイッチングハブ製品の中にLayer2チップはほとんど見られなくなった。

2007年になると、コンシューマー製品さえ、5ポート/8ポート対応のLayer3チップが組み込まれるようになった。

 

ジャンボ・フレームの標準規格化について

ジャンボ・フレームの標準規格化案は、草案として標準化団体(IETF)に提出されたことがあるが、主に互換性の問題のため、規格としては承認されていない(提出された草案は「Extended Ethernet Frame Size Support[英語]」)。

草案の内容としては、単にイーサネットのフレーム・サイズを標準の1500bytesから、それよりも大きくする、というふうに記述しているだけである。

だが通常のイーサネット機器やソフトウェアはフレーム・サイズの最大値が1500bytesであることを前提にしているものがほとんどのため、フレーム・サイズを拡大すると、ハブやルータ、ネットワーク・インターフェイス、デバイス・ドライバなどでジャンボ・フレームが破棄され、通信できなくなる可能性が非常に高い(詳細は後述)。

にもかかわらず、草案にはそれを解決するような仕組みなどが含まれていない。

イーサネットは互換性を最大限重視して新技術が導入されてきたが、(現状では)ジャンボ・フレームはその理念にそぐわない技術のため、標準規格としては承認されていない。

なおジャンボ・フレームのサイズはベンダごとにさまざまだが、これは標準規格が決まっていないからではない。

1500bytesよりも大きくするならば、たとえ何bytesであっても事情はそう違わないので、各ベンダごとの判断に任されている。

 

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