連載
» 2001年08月16日 00時00分 公開

詳説 TCP/IPプロトコル:第8回 イーサネット(その3) - イーサネットとリピータ/ブリッジ/スイッチ (2/4)

[岡部泰一,著]

リピータ(repeater)

 ネットワーク・ケーブル上を流れる電気信号は、伝送中にレベルが減衰したり、遅延などが発生したりするため、正常に伝送できる距離には限界がある。そのためイーサネットでは、信号が正常に伝送できる距離として、セグメントの最大長が規定されている。第6回の「2.イーサネットの規格」で説明したように、例えば10BASE5なら1セグメントは最大500mまで、10BASE2なら最大185mまでとなっている。規定されたセグメントの最大長を超えるネットワークを作りたければ、「リピータ(repeater)」という機器を使ってセグメントを連結する。リピータはOSI参照モデルでいうと、物理層のレベルでデータ(信号)の中継を行うデバイスである。リピータには、セグメントを接続するためのポートが複数備えられており、あるセグメントから入ってきた信号を増幅し、タイミングを整えて、他のセグメントに再送信(中継)する。もし送信元のセグメントで信号の衝突が起こっていれば、その衝突状態も中継、再送信する。これによりコリジョン・ドメインを拡大することができる。ただし、リピータを利用して連結できるセグメントの総数には限度があり、ネットワークの大きさを無限に拡大できるわけではない。

リピータを使ったセグメントの連結
セグメントを延長してより大きなネットワークを作るには「リピータ」を使用する。AからEにデータを送るとき、間のリピータが減衰した信号を元に戻し、タイミングを整えて再送信(中継)する。リピータに入力された信号は、増幅・整形され、タイミングが整えられた後、直ちに他のポートから再送信される。動作原理的に見ると、リピータは、やや遅延の大きなケーブルと同等である。セグメント上で信号の衝突が発生した場合、リピータはその衝突信号も中継するので、コリジョン・ドメインを拡大するために使うことができる。

ブリッジ(bridge)

 リピータを使えばコリジョン・ドメインを拡大することはできるが、CSMA/CDというアクセス制御方式のために(衝突状態をきちんと全セグメントに伝播させるために)、接続できるセグメントの数には制限がある。これに対して、セグメントを無制限に接続したければ「ブリッジ(bridge)」を使う必要がある。ブリッジはOSI参照モデルでいうと、データリンク層のレベルでデータの中継を行うデバイスなので、「レイヤ2デバイス」とも呼ばれる(正確には、「データリンク層」のうち、下位副層である「MAC副層」レベルで中継を行う装置を指す)。ブリッジは、2つのポートを持ち、1つのセグメントを流れるイーサネット・フレーム(イーサネットではパケットのことを「フレーム」と呼ぶ)を理解し、正常なフレームだけを中継する。原理的には、いったんステーション内部へフレームを完全に取り込んで、それを再送信しているのと同等と考えればよいだろう。中継元のセグメントからの受信中に衝突が発生すると、ブリッジではその不完全なフレームは取り込まずにそのまま破棄するし、中継先のポートへの再送信も行わない。また中継先のポートが使用中である場合は(そのセグメント上に信号が流れている場合は)、リピータでは衝突が発生するが(そしてこの衝突状態は、送信元のセグメントへもフィードバックされるが)、ブリッジではフレームを内部に蓄えておき、ポートが使用可能になった時点で送信動作を開始する。そのため、データの衝突は発生しない。このように、ブリッジでは衝突やエラー フレームなどの信号は中継しないため、ネットワーク全体のトラフィック(ネットワーク上を移動するデータ)量を低減することができる。

 衝突が伝わる範囲をコリジョン・ドメインというが、リピータでセグメントを接続する場合、接続しているすべてのセグメントに衝突が伝わるので、接続しているセグメント全体で1つのコリジョン・ドメインとなる。一方、ブリッジで接続した場合、ブリッジを超えて衝突が伝わらないため、接続しているそれぞれのセグメントが別々のコリジョン・ドメインとなる。

 ブリッジは、ネットワークを延長するという目的よりも、コリジョン・ドメインを分割することができる、という点で重要である。コリジョン・ドメイン内に多数のステーションが存在すると、ネットワークのトラフィックが増え、負荷が高くなってしまう。このような場合にコリジョン・ドメインをブリッジで分割することで、トラフィックの伝送される範囲を縮小(限定)することができ、ネットワーク全体のトラフィック負荷を低くすることができる。

ラーニング・ブリッジ(learning bridge)

 ブリッジには、フレームを中継するときにその送信元(のMACアドレス)を調べ、それぞれのポートの先に接続されているステーションを学習する「ラーニング・ブリッジ(learning bridge)」と呼ばれるものがある(一般的にブリッジといえば、このラーニング・ブリッジを指す)。

 イーサネットのフレームには、その先頭に宛先MACアドレスが、その次に送信元のMACアドレスが書き込まれている。ラーニング・ブリッジは、フレームを中継するときに、この送信元のMACアドレスを学習し、どのポートにどのステーションが存在しているかという対応を記憶するのである。そして次にフレームの中継を行うときには、まず学習した対応表から宛先のMACアドレスが存在するポートを調べ、フレームの送信元と送信先が同じポートの先に接続されていることが分かれば中継をしない。異なるポートの先に接続されている場合や、未学習の宛先の場合、ブロードキャスト・フレーム(すべてのセグメント宛のフレーム)の場合は中継動作を行う(と同時に、送信元MACアドレスを学習する)。ラーニング・ブリッジでは、トラフィックを局所化できるので、通常のブリッジ以上にネットワーク全体のトラフィック負荷を低減することができる。また、記憶した情報は一定の時間(一般的には5分間程度)経過すると対応表から削除されるため、ステーションを別のセグメントに移動しても、間違ったセグメントへ中継し続けることはない。

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