レイヤー2スイッチとレイヤー3スイッチ、その違いとは？

レイヤー2スイッチは、ネットワーク機器やクライアントデバイスの接続に広く使用されています。しかし、最新のネットワークアプリケーションと統合ネットワーク実装の進展により、複雑な企業ネットワーク、データセンター、ビジネスアプリケーションでは、レイヤー3スイッチが広く採用されるようになりました。本記事では、レイヤー2スイッチとレイヤー3スイッチの違いを紹介し、最適なネットワークスイッチを選択するための知見を提供します。

OSIモデルとは？

Open Systems Interconnect（OSI）モデルは、ネットワーク通信を定義し、説明するために使用される参照モデルです。アプリケーション層、プレゼンテーション層、セッション層、トランスポート層、ネットワーク層、データリンク層、物理層という7つの異なる層で構成されています。OSIモデルのLayer 2とLayer 3は、それぞれデータリンク層とネットワーク層に該当します。OSIモデルのガイドラインに従い、これらの各層で動作するスイッチは、Layer 2スイッチおよびLayer 3スイッチと呼ばれます。

レイヤー2スイッチとは？

レイヤー2スイッチはOSIモデルのデータリンク層で動作し、Media Access Control（MAC）アドレスを使用してフレームの宛先を特定します。スイッチとブリッジの主な機能はレイヤー2スイッチングを実現することであり、これには大きなコリジョンドメインを複数の小さなコリジョンドメインに分割することが含まれます。

コリジョンドメインとは、データパケットの衝突が発生する可能性のあるネットワーク上の特定のセグメントを指します。このような衝突は、共通のネットワークセグメント内にある2台以上のネットワークデバイスが、データパケットを同時に送信しようとしたときに発生します。衝突の結果、影響を受けたデバイスはパケットを再送信する必要があり、ネットワークの伝送効率が低下します。

ローカルエリアネットワーク（LAN）では、デバイスは一般にハブと呼ばれる中央デバイスを介して相互接続されます。しかし、ハブにはトラフィックフローを管理できず、大きなコリジョンドメインを形成してしまうなど、重大な欠点があります。この問題を克服するために、コリジョンドメインを効果的に分割するブリッジが導入されました。それでも、ブリッジはポート数に制限があるため、大規模なネットワークには適していません。これに対し、スイッチは受信トラフィックを検査し、最適な転送経路を決定できるため、広く利用されています。さらに、スイッチはポートを介して複数の独立したコリジョンドメインを提供するため、衝突の可能性を排除します。

レイヤー2スイッチの機能

レイヤー2スイッチは次の機能を実行します:

MACアドレス学習： スイッチは、各ポートで受信したフレームの送信元アドレスを分析することにより、そのポートに接続されているデバイスのMACアドレスを学習します。

メッセージ転送： スイッチは、ユニキャスト（特定の宛先に送信）と未知のユニキャスト（送信元を除くすべてのポートにフラッディング）の2つのモードでフレームを転送します。これは、専用の特定用途向け集積回路（ASIC）を使用して実現されます。

フィルタリング: スイッチはフレームをフィルタリングし、MACアドレスが事前に学習されたスイッチポートにのみ転送することで、ネットワークの輻輳を軽減します。

Spanning Tree Protocol (STP): スイッチはSTPを使用して、冗長リンクを識別して無効化することでネットワークループを防止します。

透過ブリッジング： スイッチは透過ブリッジとして機能し、LANの接続されたセグメント間でフレームを転送します。

VLAN: スイッチは、仮想ローカルエリアネットワーク（VLAN）と呼ばれる、より小さく論理的に独立したブロードキャストドメインを作成できます。これにより、ネットワークをより小さなブロードキャストドメインに分割し、ネットワークのセキュリティとパフォーマンスを向上させることができます。

レイヤー2スイッチのメリット

ローカルエリアネットワーク（LAN）内でレイヤー2スイッチを利用することには、説得力のある理由がいくつかあります。レイヤー2スイッチの主な利点は次のとおりです。

1. ルーターより高速

2. ハードウェアベースのブリッジング

3. 低コスト

4. 低遅延

5. ワイヤースピード

レイヤー3スイッチングとは？

Layer 2スイッチとLayer 3スイッチの主な違いは、ルーティング機能にあります。Layer 3スイッチはLayer 2スイッチのすべての機能を備えているだけでなく、静的および動的ルーティング機能も備えています。Layer 3スイッチは、受信パケットを評価し、それらのパケットの送信元アドレスと宛先アドレスに基づいてルーティングを決定でき、スイッチとルーターの両方の機能を統合しています。

レイヤー3スイッチの機能

Layer 3 スイッチは OSI のデータリンク層およびネットワーク層で使用され、前述の Layer 2 スイッチ機能に加えて、次の2つの形式のいずれかでルーティング機能を実装することもできます：

カットスルースイッチは、最初のパケットの概要のみを考慮してIPアドレスを特定するスイッチング技術を利用します。その後、残りのパケットはMACアドレスに転送されるため、データスループットが向上します。 

パケット単位レイヤー3（PPL3）スイッチは、シーケンス内のすべてのパケットを精査してIPアドレスを判別します。PPL3スイッチはハードウェアルーティング機能を内蔵しているため、高速ルーターとして使用できます。さらに、PPL3スイッチは、次のようなその他の標準的なルーター機能も実行できます：

1. チェックサムを使用したパケットの整合性の検証

2. 各ホップ後にパケットのtime-to-live（TTL）を更新する

3. パケットヘッダー内のすべてのオプション情報を管理する。

レイヤー3スイッチの利点

レイヤー3スイッチの主な利点は次のとおりです：

1. VLANルーティングを有効にします

2. 障害分離を強化

3. セキュリティ管理を簡素化

4. ブロードキャストトラフィックを削減

5. VLAN間に別個のルーターを配置する必要がなくなり、設定が容易になる

6. ルーティングテーブルを通じてトラフィック分離を改善します

7. トラブルシューティングを簡素化

8. ネットワーク遅延を低減

レイヤー2スイッチとレイヤー3スイッチの違い

Layer 2スイッチとLayer 3スイッチの基本的な違いは、ルーティング機能の差異にあります。Layer 2スイッチはMACアドレスを使用し、IPアドレスやその他の上位レベルの要素は考慮しません。一方、Layer 3スイッチは、Layer 2スイッチのすべての機能に加えて、静的および動的ルーティング機能も備えています。Layer 3スイッチはMACアドレステーブルとIPルーティングテーブルの両方を備えており、VLAN内通信および異なるVLAN間のパケットルーティングを可能にします。さらに、Layer 2スイッチと比べて静的ルーティングのみを追加したLayer 2+（Layer 3 Lite）スイッチも登場しています。Layer 3スイッチは、パケットルーティングのほかにも、手動によるポート設定ではなくIPアドレスに基づくVLANトラフィックのタグ付けなど、スイッチに入るデータのIPアドレス情報を必要とする高度な機能を提供します。また、Layer 3スイッチはLayer 2スイッチと比べて、より優れた処理能力とセキュリティを提供します。

ビジネスに適したスイッチを決定するには、そのスイッチが使用されるネットワーク環境を十分に評価する必要があります。スイッチをLayer 2ネットワークドメインで使用する場合は、Layer 2スイッチを選択すれば十分です。純粋なLayer 2スイッチは、ホストを接続するネットワークトポロジーのアクセスレイヤーで使用されます。一方、複数のスイッチを統合してアクセスを集約し、VLAN間ルートを構成することが目的である場合は、Layer 3スイッチを選択する必要があります。Layer 3ネットワークは、ネットワークトポロジーのディストリビューションレイヤーに配置されます。

L2またはL3スイッチを選ぶ際に何を考慮すべきですか？

L2またはL3スイッチの注文を選択する際は、どちらがお客様のネットワーク環境に適しているかを判断するために、転送レート、バックプレーン帯域幅、VLAN数、MACアドレスメモリ、レイテンシーなどの主要なパラメータを考慮する必要があります。

転送レートはバックプレーンの転送容量です。転送容量がすべてのポート速度の合計を上回る場合、そのバックプレーンをノンブロッキングと呼び、転送レートの単位は packets per second (pps) です。以下は、スイッチの転送レートを計算するための式です。

転送レート (pps) = 10Gbit/s ポートの数 * 14,880,950 pps + 1 Gbit/s ポートの数 * 1,488,095 pps + 100Mbit/s ポートの数 * 148,809 pps

もう1つのより重要なパラメータはバックプレーン帯域幅で、スイッチ上のすべてのポート速度の合計です。Tx方向とRx方向を含める必要があるため、この合計はすべてのポート速度の2倍になる点に注意してください。バックプレーン帯域幅の単位はビット毎秒(bps or bit/s)です。

バックプレーン帯域幅 (bps) = ポート数 * ポートデータレート * 2

もう3つの重要なパラメータは、設定可能なVLAN数です。一般に、レイヤー2スイッチには1K=1024 VLANで十分です。レイヤー3スイッチの一般的なVLAN数は4k=4096です。MACアドレステーブルのメモリとは、スイッチが保持できるMACアドレスの数を指し、一般的には8kまたは128kです。遅延とは、スイッチがデータを送信する際に生じる遅延時間を指します。ユーザーにとって遅延時間は短いほど良いため、遅延の単位には一般にナノ秒（ns）が使用されます。

結論

この記事では、レイヤー2スイッチとレイヤー3スイッチの主な違いを紹介します。また、レイヤー2スイッチとレイヤー3スイッチの機能と利点についても説明します。スイッチを注文する際、価格が高いものほどお客様に適しているとは限りません。前述したレイヤー2スイッチまたはレイヤー3スイッチの主要なパラメータを考慮し、特定の用途に適したスイッチを選択することがより重要です。