連載

ネットワーク・デバイス教科書

第2回 LANの基本デバイス「スイッチング・ハブ」

渡邉利和
2001/03/29

 その昔、といっても数年前までのスイッチング・ハブは「憧れの高級デバイス」であった。しかし、半導体技術の進歩のお陰か、今や見る影もないというのが正直なところだ。ようやく数千円で購入できる価格帯にまでなった10BASE-Tシェアード・ハブを喜び勇んで購入していた頃、スイッチング・ハブは数十万円という価格の「大規模LAN専用超高級デバイス」であったのが懐かしいくらいだ。ところが、今ではシェアード・ハブとそう大差ない価格帯で購入可能なのだから驚く。4ポートの製品なら数千円、だいたい5000円前後というあたりが現在の相場のようだ。この価格ならシェアード・ハブをあえて選択する理由はない。企業だけでなく、SOHOや家庭内のLANでも10/100BASE対応のスイッチング・ハブが基本といってよい。

スイッチング・ハブとプロトコル・レイヤの関係

 ネットワークを相互に接続する役割を担うデバイスには、リピータ、ブリッジ、ルータ、そしてシェアード・ハブとスイッチング・ハブなど、今では滅多に利用されなくなったものも含め、いろいろな種類がある。まず、これらの違いについて見ていこう。

 リピータとは、単純な信号増幅器と考えてよい。イーサネットは規格上の最大延長距離が規定されている。これを越えると信号が減衰し、スループットが低下したり、ノイズ・レベルが上がって利用できなくなったりする場合がある。こうしたときにリピータを介して接続すると、距離を延長して利用できるというわけだ(最大遅延時間の制約のため、リピータを使ったからといっても、いくらでも延長できるわけではない)。ただし、現在では純粋なリピータというものは、ほとんど利用されなくなっている。というのも、一般的なハブ(シェアード・ハブやスイッチング・ハブ)がリピータとしての機能を備えているためだ。リピータは、10BASE-5時代のデバイスだと考えてよい。

 次に、ブリッジというデバイスがある。ブリッジもリピータ同様、ネットワークを延長する際に使われるデバイスだが、リピータと違ってすべての信号を中継するわけではない。ブリッジは、イーサネット・アドレス(ここではMACアドレスと同義)を判断し、中継すべきパケットと中継不要なパケットを区別する機能を持っているのだ。そのため、ブリッジを介してネットワークを接続する場合、不要なパケットの中継が抑制されることから、混雑を緩和する効果が期待できる。

ブリッジの仕組み
PC1からPC2宛のパケットは、途中のブリッジによって遮断され、PC3やPC4には到達しない。逆に、PC1からPC3やPC4へのパケットはブリッジを通過する。この判断は、各PCのイーサネット・アドレスに基づいて行われる。

 ルータは、パケットを中継するかどうかの判断をIPアドレスに基づいて行うものだ。ブリッジよりもアプリケーションに近い階層で、中継の判断を行う。このレベルでは、論理的なネットワーク分割が可能になる。

 実は、シェアード・ハブとスイッチング・ハブの違いは、このリピータ/ブリッジ/ルータという3種のデバイスの役割と対比して考えることができる。この役割の違いは、ネットワーク・プロトコルの階層モデルに対応している。一般的に利用されるOSIの7階層モデルの最下位から3層を取り出してみると、物理層、データリンク層、ネットワーク層となる。これをイーサネットとTCP/IPを利用したネットワークの場合に当てはめると、物理層がケーブルまたはリピータによる接続に相当し、データリンク層はイーサネット・アドレスによる制御で、ブリッジによる接続に当たる。ネットワーク層はIP層とほぼ重なり、ルータはこの層で動作するデバイスというわけだ。つまり、ハブは物理層で動作し、スイッチング・ハブはデータリンク層で動作する、ということになる。余談だが、スイッチング・ハブには「高級版」とでもいうかのような位置付けで「レイヤ3スイッチ」というものもある。この「レイヤ3」は、ネットワーク層のことを指しており、動作としてはルータと同じということになる。このことからレイヤ3スイッチは、マルチポート・ルータ(相互にルーティングすべきポートが複数あるルータ)とほぼ同様のデバイスであり、スイッチング・ハブとは役割が違うことが分かる。

スイッチング・ハブの効能

プラネックスの8ポート・スイッチング・ハブ「FX-08H」
本体背面に100BASE-TX/10BASE-T、全二重通信/半二重通信の切り替え用ディップ・スイッチを装備している。実売価格で1万3000円前後である。

 では、シェアード・ハブをスイッチング・ハブに置き換えると、何が変わるのだろうか。まず、先に挙げたプロトコル・レイヤの違いから分かることは、スイッチング・ハブにはブリッジと同じ効果があるということだ。ブリッジでは、イーサネット・アドレスをチェックして、パケットを中継する必要があるかどうかを決定する。スイッチング・ハブでは、ポートごとにそれぞれブリッジが内蔵されていると考えることができる。このため、ポートに接続されたマシン宛のパケット以外は中継されない。これをやや難く表現すると、「コリジョン・ドメインの分割」ということになる。

 コリジョン(collision)とは、パケットが衝突することだ。同じネットワーク上に存在する複数のノードが同時にパケットを発信すると、複数のパケットが同時にネットワーク上へ流れ込むため、信号が衝突して混信状態になる。この混信状態を察知した各ノードは通信を停止し、しばらく待ってからパケットの再送を行う仕組みになっている。これはイーサネットの基本的なアクセス制御方式なのだが、このコリジョンが発生すると、ネットワークの利用効率は低下してしまう(パケットの再送が行われるため)。ブリッジは、不要なパケットを中継しないことで、コリジョンの発生確率そのものを下げると同時に、コリジョンを中継しないことで影響を局所的にくい止める働きをする。例えば、上の図でPC1とPC2が同時にパケットを発信して衝突し、コリジョンが発生したとする。ブリッジを導入している場合、このコリジョンの影響の波及を遮断するため、PC3とPC4の間で行なわれている通信はコリジョンの影響を受けずに継続できる。コリジョン・ドメインとは、コリジョンの影響が波及する範囲(ドメイン)のことを意味する。

 また、スイッチング・ハブでは同時に複数の通信をサポートすることができる。シェアード・ハブが、論理的には単に複数のコネクタがついた1本のケーブルと見なすことができるのに対し、スイッチング・ハブはポート間に複数の経路を設定することで並列的な通信を可能にしていると考えてよい。このため、4ポートのスイッチング・ハブの場合なら、2組の通信が同時に実行できるわけだ。

シェアード・ハブとスイッチング・ハブの違い
シェアード・ハブ(左)は、全ポートが単に分岐したケーブルで接続されているだけと考えられる。これに対し、スイッチング・ハブ(右)では各ポートが通信のたびに必要なポート同士を直接接続する端子盤のような構造になっていると考えてよい。

 スイッチング・ハブでは、複数の通信速度を同時にサポートする製品が一般的である。例えば、現在一般に利用されているスイッチング・ハブは10BASE-Tと100BASE-TXの両方に対応しており、手動もしくは自動で切り替えが行える(最近では、ほとんど自動切り替えとなっている)。この場合、任意のポートに10BASE-Tデバイスでも100BASE-TXデバイスでも自由に接続でき、それぞれの最高速度で通信が行える。現在では、一般的なPCでは100BASE-TXのインターフェイスが備わっているが、古い機種やプリント・サーバのようなデバイスでは、10BASE-Tにしか対応していないものも、未だに残っている。こうしたデバイスを、その通信速度を気にすることなく自由に接続し、相互に通信可能になるのもスイッチング・ハブの大きなメリットである。

 最近では、1000BASE-T(ギガビット・イーサネット)に対応した製品も出てきており、この場合は、10BASE-T、100BASE-TX、1000BASE-Tの3種類のデバイスに対応したポートが備わっている。ただし、現時点では1000BASE-Tは家庭内や小規模なLANでは、その必要性はほとんどない。1000BASE-T対応機器が高価である以上、ある程度高性能なサーバを運用しており、かつそこにアクセスが集中してボトルネックが生じている、という状況でもない限り、現時点で急いで1000BASE-Tを導入する必要はない。

スイッチング・ハブによる高速化

 さてここで念のため、シェアード・ハブをスイッチング・ハブに交換するとネットワークは速くなるのか、という点についても考察しておこう。スイッチング・ハブの導入は、混雑したネットワークを高速化する手軽で効果的な方法だとよくいわれる。これは、コリジョンが頻発するほど混雑がひどいネットワークであれば確かにその通りである。ただし、小規模なLAN環境では、そもそもトラフィックがそう多くはないだろうから、この例にはあまり当てはまらない。この場合、スイッチング・ハブによって高速化が実現するかどうかは、並列的な通信がどの程度実行されているかによって変わってくる。

 話を簡単にするために、ここでは全二重通信については考慮の対象外としておく。この前提では、いかにスイッチング・ハブといえども1つのポートで複数の通信を同時にサポートすることはできない。最小の例として、4ポートのスイッチング・ハブの場合を考えてみる。このスイッチング・ハブに、1台のサーバと3台のクライアントPCが接続され、3台のクライアントPCの間では相互の通信はほとんどないとしよう。3台のクライアントは、それぞれサーバとのみ通信するという状況だ。これは、小規模なネットワーク環境では珍しくもない状況だろう。

4ポートのスイッチング・ハブの接続例 その1
1台のサーバに3台のクライアントPCを接続している。小規模なネットワーク環境ではありがちな構成だ。

 この場合クライアントPC1とクライアントPC2が同時にサーバと通信することはできない。この点に関しては、シェアード・ハブでもスイッチング・ハブでも違いはない。並列して独立に実行できる通信がないのであれば、せっかくのスイッチング機能も意味をなさないのである。

 一方、以下の図のような複数のリソースに複数のクライアントPCがアクセスする場合ではどうだろうか。このとき、クライアントPC1とサーバ、クライアントPC2とプリンタという通信は、スイッチング・ハブであれば同時に実行できるが、シェアード・ハブではどちらか1つの通信しか実行できないということになる。つまり、通信の並列化が実現してネットワークの利用効率が向上する例だといえる。このように、スイッチング・ハブを効率よく活用するためには、通信の並列化を意識して接続するデバイスを考える必要があるのだ。

4ポートのスイッチング・ハブの接続例 その2
1台のサーバと1台のレーザ・プリンタに、2台のクライアントPCを接続している。この場合、1台のクライアントPCがサーバに、もう1台のクライアントPCがプリンタにアクセスする場合は、スイッチング・ハブならば並列化できる。

スイッチング・ハブの選び方

 これまで述べてきたようなスイッチング・ハブの動作の基本を踏まえ、スイッチング・ハブをどう選んだらよいかを解説しておこう。ただし、冒頭で述べたとおり、現在ではスイッチング・ハブは低価格化が進んでいるためか、基本的な機能に関しては製品間の差異はごくわずかになっている。そのため、どの製品を選ぶかは、かなりの部分でネットワーク環境やユーザーの好みに左右されやすい領域の話となる。

 まず、ポート数をどうするかが大きな問題である。スイッチング・ハブはシェアード・ハブと異なり、ポート数の違いが価格に与える影響が大きい。単なる分岐コネクタに過ぎないシェアード・ハブでは、ポート数が増えても性能まで高める必要は特にないため、そう極端に値段が変わるわけではない。しかし、スイッチング・ハブでは同時に実行すべき通信の数が増えることになるので、より高性能である必要が生じる。PC量販店の店頭では、現在5ポートもしくは8ポートのモデルが中心だが、これが16ポートになると大幅に価格が高くなる。16ポート・モデルを1台購入するよりも8ポート・モデルを2台購入する方が安く上がるくらいだ。例えば、コレガのスイッチング・ハブの店頭価格を見ると、8ポートのFSW-8Lが6500円程度なのに対し、16ポートのFSW-16Lは1万6000円と、2倍以上の価格になっている(コレガの製品情報ページ:FSW-8LFSW-16L)。ただし、だからといって8ポート・モデルを2台買うのが得だとは限らない点に注意したい。というのも、これは通信の並列化に直接影響を与えるからだ。

 8ポート・モデルを2台利用する場合、通常はこの2台をカスケード接続することになるだろう。このとき、カスケード接続(複数のハブを多段で接続すること)の部分がボトルネックになる。つまり、2台のスイッチング・ハブ間をまたぐ通信は、同時に1つしか実行できなくなってしまうのだ。このことを考えると、スイッチング・ハブのスイッチング機能、すなわち通信の並列化による帯域拡大効果を最大限に活かすには、スイッチング・ハブのポート数は可能な限り多くし、カスケード接続を極力避けるのがポイントになる。従って、性能を重視するなら、4ポート・モデルを2台買うより8ポート・モデルを、8ポート・モデルを2台買うよりは16ポート・モデルを買うのが賢い買い方といえるのだ。もちろん、設置場所が物理的に分散している場合はこの限りではなく、当然のことながらネットワーク全体の設計によって変わってくるので、それそれの状況に応じてということになる。また、どうしても複数台に分割したい場合は、スタッカブル・モデル(高速な専用のポートを使って複数台のハブを接続し、1台のハブに見せることが可能なもの)を選ぶ、という選択肢もある。スタッカブル・モデルであれば、独自の内部バスで複数台を接続するため、性能面での影響は最小限に抑えられる。

スイッチング・ハブのポート数と並列化の関係
単純化のため、ここでは4ポート×2という構成を例に考えてみる。この接続では、クライアントPC1からサーバへの通信と、クライアントPC2からレーザ・プリンタの通信は、同時には実行できない。この両方ともがカスケード接続による1本のリンクを経由しないと実現できないためである。この場合、実質的にはシェアード・ハブとあまり変わらない結果になってしまう。一方、この全体を8ポートのスイッチング・ハブに接続した場合は、クライアントPC1とサーバ、クライアントPC2とレーザ・プリンタという通信が同時に実現するのに加え、クライアントPC3とクライアントPC4といった通信もさらに同時に処理できるため、帯域の拡大効果は絶大になる。

 個人的には、次に重要なのはポートが前面についているか背面に付いているかだと思う。これは設置場所によるが、通常SOHOや小規模なLAN環境ではラックマウント・タイプの機器を導入することはないから、ポートが前面に付いている必要性はない。逆に、前面にポートが付いているということは、ケーブルがすべて前面に来てしまうので、取り回しが汚くなってしまう可能性がある。ノートPCなど、付け外しが頻繁に行なわれるデバイスを主として接続するのであれば、前面にポートがあるモデルの方が使いやすい。一方、デスクトップPCなど、付け外しが滅多に行なわれない環境で使うのならば、ポートは背面にあった方がケーブルの取り回しがきれいになってよいだろう。

 また、インジケータの位置と種類も使いやすさに影響する。ポートごとに「LINK」、「Collision」、「10/100」、「Full Duplex」といったインジケータが用意されている機種が一般的だろう。「LINK」は、ノードとの接続(リンク)が確立すると点灯し、データが送受信されている間は点滅する、といったタイプのものが多いようだ。これは、ケーブルが接続されている(アクティブである)ポートと空きポートを一目で見分けるのに役に立つし、通信状況が視覚的に把握できるのはネットワークのトラブル・シューティングの際にはとても重要な手がかりになるので、見やすい場所に分かりやすく、インジケータが設置されている機種を選ぶのがよい(ポートとインジケータが前面にある方が対応が分かりやすいが、上述のように取り回しは汚くなってしまう)。「Collision」は、コリジョンが発生した際に点灯するというスタイルが普通だが、スイッチング・ハブではこのインジケータを備えた機種をあまり見かけないし、特に必要もないだろう。「10/100」は10BASE-Tと100BASE-TXの両方に対応しているモデルの場合、どちらの速度でリンクが確立したかを示すものだ。これも、ポートに接続されたデバイスを見分ける手がかりとしたり、設定の不備を見つけたりする際に役く立つので、備えていてほしいインジケータだ。

 「Full Duplex」は、全二重通信をサポートしている機種で用意されていることがある。全二重のリンクが確立されると点灯する、というのが一般的だ。トラフィックが集中するサーバなどがないのであれば、全二重通信が実際に効力を発揮する場面も少ないはずだが、それでもせっかくサポートされている機能であれば、ちゃんと動作してほしいと考えるのが人情というものだ。本来は、全二重で動作するか、半二重で動作するかは、接続されたネットワーク・インターフェイスに応じて自動的に設定されるようになっている(これは「オートネゴシエーション」機能などと呼ばれる)。しかし筆者は、ネットワーク・インターフェイスとスイッチング・ハブの相性なのか、ドライバの癖なのか、全二重のリンクが確立できないケースを何度か経験している。Windows用のドライバでは、たいていのネットワーク・インターフェイスが全二重通信に関してどう対処するかをオプションで選択できるようになっている。「自動」と「半二重固定」、「全二重固定」が用意されている、という例をよく見かける。このとき、機種によって、「自動」にしておくと全二重でリンクを確立してくれるものもあれば、「全二重固定」にしないとだめなもの、逆に「全二重固定」ではリンクが確立できず、「自動」にすると全二重になるというよく分からない動作をするものなど、動作はまちまちである。この場合、インジケータがないと判断が付かないので、全二重で繋がっていてほしいと考えるユーザーは、このインジケータがある機種を選ぶべきだ。なお、インジケータは見やすいように前面にあった方がよいのだが、ポートが前面にある場合は、取り回しによってケーブルがインジケータを遮ってしまうこともある。

 このほか、電源内蔵かACアダプタを使用するタイプか、というのも選択の基準になるかもしれない。設置場所によるが、筆者はACアダプタがごろごろと転がっているのはあまり好きではないので、電源内蔵モデルの方が好ましく感じる。また、冷却ファンを備えているかどうかを気にする人もいるだろう。8ポート・モデルであれば冷却ファンを搭載しないものが多いが、ポート数が増えると冷却ファンを備えた機種が多くなる。設置環境にもよるが、冷却ファンがない方が静かだし、物理的な稼働部がある冷却ファンは故障の可能性も高いので、冷却ファンはない方が好ましい。ただし、熱暴走するようでは本末転倒なのはいうまでもない。特に信頼性を重視したい場合、排熱に難のある環境で利用する場合などは、むしろ冷却ファンを装備したモデルを選んだ方がよい。記事の終わり

機能 チェックポイント
10/100BASE対応 現在では、10BASE-Tと100BASE-TXの両方に対応した機種が一般的。10BASE-Tのみ対応というモデルもまだ残っているが、今からあえて導入する必要性はほとんどない。同様に、100BASE-TXのみ対応という機種もあまり得ではない
ポート数 基本的には、多い方がよいのだが、その分コストも高くなる。「スイッチング」のメリットを最大限に活かすには、スイッチング・ハブの台数は少ない方がよいということは忘れないでおこう。あとは、接続するクライアントPCの台数をベースに若干余裕を持ったポート数のモデルを選ぶとよい
ポートの位置 小規模な環境で接続の変更頻度があまり高くないのであれば、背面にポートがある機種をおすすめしたい
インジケータ 「LINK」、「10/100」、「Full Duplex」の3種類のインジケータがポートごとに用意されているものがおすすめだが、これは好みにもよる。あまりこだわらないのであれば、もちろんインジケータの少ないモデルの方が安価である
冷却ファンの有無 ポート数の多いモデルや、特に信頼性を求められる環境で利用するものについては、冷却ファンを備えた機種の方が安心できる。高級モデルでは、冷却ファンの稼働状況をSNMPを使ってリモートで監視できるような機種もあるが、もちろん価格も安くはないし、SNMPサーバやネットワーク監視ツールを運用していないと意味がない
スイッチング・ハブを選ぶときのチェック・ポイント
 
  関連リンク
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