ハブ (ネットワーク機器)

ハブ（Hub）とは

ハブは、スター型物理トポロジを持つネットワークにおいて、中心的な役割を果たす集線装置です。その名前は、車輪の中心部を意味する「hub」に由来します。様々なネットワーク規格で使用されますが、特にイーサネット（10BASE-T、100BASE-TXなど）における集線装置として一般的に知られています。

ハブの主な機能

ハブには、以下のような重要な機能があります。

リタイミング機能

伝送中に減衰や波形歪み、ジッタの増加などの影響を受ける電気信号を復元し、品質を維持する機能です。

プリアンブル再生機能

通信フレームの先頭に付加されるプリアンブル（7バイトの1と0の連続）を、伝送中のビットロスなどから元の状態に戻す機能です。

ハブの動作

ハブは、受信した電気信号をリタイミング・プリアンブル再生し、受信したインターフェース以外のすべてのインターフェースにコピーして送信します。しかし、この単純な動作が、後述するコリジョンなどの問題を引き起こす原因となります。

イーサネットにおけるハブの欠点

ハブは、受信したデータを無条件にすべてのポートに送信します。これは、同軸ケーブルを使用していた古いイーサネット規格（10BASE5、10BASE2）の名残であり、電気信号の衝突（コリジョン）を引き起こしやすく、結果としてデータフレームが破損する可能性を高めます。

コリジョンドメイン

コリジョンが発生する範囲を「コリジョンドメイン」と呼びますが、ハブの場合は、全てのポートがこの範囲に含まれます。接続するノード数が増えると、コリジョンの発生確率が高まり、ネットワーク全体の効率を低下させてしまいます。さらに、ハブを複数接続するカスケード接続では、段数が増えるほど遅延が大きくなり、コリジョンを認識できなくなるため、接続段数に制限があります（10BASE-Tで4段、100BASE-TXで2段）。

スイッチングハブ（L2スイッチ）

ハブの欠点を補うために開発されたのが、スイッチングハブです。スイッチングハブは、MACアドレスを解釈し、適切な宛先にのみデータを送信する機能（ブリッジ機能）を持ちます。これにより、ネットワークの効率が大幅に向上します。スイッチングハブ同士のカスケード接続は理論上無制限ですが、実際には7段程度が推奨されています。

スイッチングハブの種類

スイッチングハブは、一般的に「L2スイッチ」や「レイヤー2スイッチングハブ」と呼ばれることが多く、以下の３つのタイプに分類できます。

シャーシ型: データセンターなどで使用され、多数のL2スイッチをラックに収納してサーバーを束ねます。SNMP、高速経路切替、電源冗長など、高度な機能を備えています。
BOX型インテリジェントタイプ: SNMPによる管理機能を備え、LANの効率的で安定的な運用をサポートします。筐体は丈夫で放熱性も高く、19インチラックに収納可能な製品もあります。
BOX型ノンインテリジェントタイプ: 最も廉価で、基本的なスイッチング機能を提供します。SNMP管理機能はありませんが、オートネゴシエーション、AutoMDI/MDI-X機能などを備えた製品もあります。

L2スイッチの機能

L2スイッチは、以下の3つの主要な機能を持っています。

1. 端末をLANに収容: 接続された端末と自動的に最適な接続条件を設定し、LANに接続します。
2. MACアドレステーブルを作成: 受信したMACフレームの送信元MACアドレスを学習し、テーブルに記録します。
3. MACフレームを転送: 受信したMACフレームの宛先MACアドレスを基に、適切なポートにフレームを転送します。

MACフレーム転送の仕組み

ラーニング: スイッチは受信フレームの送信元MACアドレスを学習します。
フォーワーディング: 学習済みの宛先MACアドレスには、対応するポートへフレームを転送します。
フラッディング: 未学習の宛先MACアドレスやブロードキャストアドレスには、全てのポートにフレームを転送します。

ストア＆フォワード方式とカットスルー方式

L2スイッチには、フレームの処理方法に違いによる2つの方式があります。

ストア＆フォワード方式: 受信したフレームを全てバッファに蓄えてからヘッダーを読み込む方式です。設計は容易ですが、遅延が大きくなる傾向があります。
カットスルー方式: 受信しながらヘッダーを読み込み、転送先が決定すれば即座に転送を開始する方式です。低遅延を実現できますが、設計は複雑になります。

仮想スイッチングハブ

VPNや仮想マシン環境において、スイッチングハブの機能をソフトウェアで仮想化する技術です。これにより、物理的なハードウェアに依存せずにネットワークを柔軟に構築できます。

まとめ

ハブは、ネットワークの中核を担う重要な装置であり、その機能と限界を理解することは、効率的で信頼性の高いネットワークを構築する上で不可欠です。特に、スイッチングハブの登場以降、ネットワークの効率性と柔軟性は大幅に向上しました。現在では、スイッチングハブが主流になりつつありますが、ハブも特定の用途では利用されています。これらの技術を理解することで、より高度なネットワーク構築が可能になるでしょう。

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