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ルータ

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詳細 2015年10月18日 14:03更新

コンピュータネットワークにおいて、2つ以上の異なるネットワーク間を相互接続する通信機器である。

通信プロトコルにTCP/IPが使われるようになってから普及した。


ルーターはネットワーク間を相互接続する通信機器であり、通常はOSI基本参照モデルでの第1層(物理層)から第3層(ネットワーク層)までの接続を担う。一般的に用いられるルーターは、基本機能として各ネットワーク間でのIPパケット(第3層)をやり取りできるようにする装置であるが、実際は基本に加えてさまざまな付加機能を実現している。




規模によるルーターの分類 [編集]

規模やネットワーク上で使用される位置によってルーターが分類されており、それぞれ名称が変わる。いずれもルーターとしての機能は同じである。以下に規模の大きな物から順に示す。
コア・ルーター(数千万円〜) 基幹ネットワークを構成するルーター。ISP内の地域別ネットワークや複数のISP間のネットワークを相互接続する。 センター・ルーター(百万円〜数千万円) WANを介して、企業のネットワークや、ISPと企業のネットワークを相互接続する。高速なパケット処理を必要とする場合、L3スイッチに置き換えられることがある。 エッジ・ルーター(数万円〜百万円) 基幹ネットワークの端に設置されるルーター。企業の支店や営業所内のネットワークをWAN回線に繋ぎ、本社のセンター・ルーターにアクセスする。 リモート・ルーター、WANルーター(数万円〜) WANを介して遠隔地のLAN同士を接続する。 ブロードバンド・ルーター(数千円〜数万円) 家庭や小規模企業でADSLやFTTHなどのブロードバンド・インターネット接続用に使われる。リモート・ルーターの一種であり、標準でNAPT機能が有効になっている(またはNAPTが切れない)、WEBブラウザ上で設定が可能であるなど、設定が簡易であるものが多い。
かつてはエッジ・ルーターとセンター・ルーターの中間クラスにローカル・ルーターと呼ばれるルーターがあったが、現在は「レイヤー3スイッチ」と呼ばれる専用機に置き替わっている。[要出典]

4つの基本機能 [編集]

ルーターの基本機能は4つある。

接続 [編集]

ルーター(特に業務用のもの)は複数の回線種別に対応していることが多く、そのために多くの機種でインターフェース・ユニットが交換できるようになっている。

具体的な回線種別の例
イーサネット(Ethernet)のツイストペアケーブル、光ファイバー
ATM(Asynchronous transfer mode)
FDDI (Fiber distributed data interface)
ISDN PRI/BRI
各種シリアル回線上でのPPP

これらにより、通信業者のWANサービスにあわせて柔軟に回線インターフェースが対応できる。これは、第2層(データリンク層)以下で接続するリピータハブやL2スイッチ(スイッチング・ハブ)などにはない機能である。

ATMを使ったセルリレーや、フレームリレーなどへの接続時にはインタフェース・ユニットの交換によって対応が可能となる。ただし、最近はIP-VPNや広域イーサネットの利用を前提として、接続インターフェースとしてイーサネットのみを使うものが増えている。同様に、家庭用のブロードバンドルーターの大半は、ADSLモデムやケーブルモデム、FTTH用ONUを前提としている為、接続にはイーサネットのみに対応しており、交換出来ないものがほとんどである。

ハードでの柔軟な接続機能と同様に、ソフトによる柔軟な接続機能も備える。IPsecやPPPoEのような仮想トンネルを使って、公衆回線上に仮想的に独立した伝送路を作りカプセル化したデータをやり取りする機能を備えるものもあり、これにより、IP-VPNと呼ばれる、IPsecなどを用いた仮想専用回線(VPN)を実現出来る。

転送 [編集]

ルーターがIPパケットを受け取ると、その中のIPパケット・ヘッダーの宛先アドレス(Destination Address)を読み取る。

宛先アドレスが直接転送可能なアドレスである場合、そのルーターは宛先のノードへ直接パケットを転送する。直接転送ができないアドレスである場合、経路表(ルーティング・テーブル)と呼ばれる転送先ルーターのリストと照合し、パケットを転送先のルーターに転送する。パケットを受け取ったルーターは、先のルーターと同様の振る舞いをする。(仮に転送先のノードが見付からない場合、そのパケットは破棄されるか、送信元アドレス(Source Address)に対して、パケットの到着が不可能である事を示すメッセージを送信する。)

この時に用いられる経路表には、宛先IPアドレスへの経路を持つルーターのアドレスや、そのルーターに接続するためのインターフェース番号など、転送に用いる経路情報が記録される。ルーターの性能は、この経路表で扱える経路の上限数と、パケットそのものの転送処理速度などにより決まる。
パケットの再生成

ルーターは、転送先の伝送路の種別に関わらず、受け取った全てのMACフレームからIPパケットを取り出して、送り先の伝送路に合わせた新たなMACフレームを生成し、そこにIPパケットを入れて転送する。ルーターを通過する時、データリンク層での通信は一度終了して、ネットワーク層の判断によって新たなデータリンク層での通信が開始される。

ルーターがIPパケットを転送する際、IPパケット・ヘッダーのTTL(Time to live、IPパケットの寿命を表す数値)を1減らす。また、NAT/NAPTなどのアドレス変換時も、IPパケット・ヘッダーを書き換える。また、転送先の伝送路に合わせて、IPパケットを分割する場合もある。

選別 [編集]

ルーターは、受け取ったIPパケットに応じて、QoS(Quality of service)によって優遇して転送したり、フィルタによって転送せずに破棄するなど、パケットの選別機能を持つ。
フィルタ機能 IPヘッダー、TCP/UDPヘッダー、パケット内の有意なデータ(URLなど)を分析して、条件に該当するIPパケットを破棄する。特定の相手や特定のアプリケーションの通信を排除できる。 QoS機能 下記に示す機能によって、回線容量の小さな伝送路に対して許容量以上のIPパケットを送り出さないように図り、回線容量の有効利用を計る。 優先制御:優先すべきIPパケットとそうでないものを順位付けして送り出す順番を変える。この方法をプライオリティ・キューイング(Priority Queuing)と呼ぶ。(プライオリティ=優先、キューイング=順番待への割り込みの意)
帯域制御:転送量を監視して、IPパケットの送り出すタイミングを調整する。一定時間ごとに送信パケット量をインターフェースごとに監視し、制限量以上の流量になれば、該当する送信キューからパケットを破棄する。この方法をポリシングと呼ぶ。

管理 [編集]

ルーターは、経路情報の管理も行う。

相互接続された他のルーターとの通信によって経路情報を交換し合い、常に経路表を最新の状態に保つ。この経路情報の収集通信プロトコルにはRIP、OSPF、BGP-4などがある。また、通信制御に用いられるプロトコルであるICMPを積極的に周囲に発信し、エラーや回線の状態を監視するルーターもある。これらによって、あらかじめ伝送路の2重化や迂回経路への切り替えを設定しておけば、伝送路に障害が発生した場合、別経路への自動的な切り替えが行われる。

コア・ルーターでは数十万経路分の経路表、つまりルーティング・テーブルを持ち、インターネット上の全ての経路「フルルート」を扱える[要出典]。

詳細は「ルーティング」を参照

4段階の内部処理 [編集]

ルーターの内部処理は4段階に分かれる[要出典]。「センター・ルーター」クラスの、複数のネットワーク・プロセッサを持つルーターを想定して説明するが、1億円クラスのコア・ルーターでは多数のプロセッサによりさらに処理が細分化されていたり、廉価なエッジ・ルーターでは1つのチップがまとめて処理を行う、といった違いがある。

受信 [編集]

インターフェース回路に入ったIPパケットの信号は、物理層チップとMACチップがそれぞれ第1層「物理層」と第2層「データリンク層」の処理を行い、受信処理を行うパケット処理エンジンであるネットワーク・プロセッサに入力データを渡す。[要出典]パケット処理エンジンでは受け取ったIPフレームをあらかじめ区切られたバッファ・メモリー領域に順に一時的に蓄積する。この入力バッファ領域は1フレームが十分に収まる長さごとに区切られており、同じメモリーチップ上で入力バッファ領域と共に出力バッファ領域も確保されている。メモリーのサイズは限りがあるため、転送処理が滞って後から来たパケットが入力バッファーに格納出来なくなればそのパケットは破棄される。これが「パケット・ロス」と呼ばれる現象である。また転送先が停滞して送れなくなっても同様である。

解析 [編集]

パケットの解析を担当する、パケット処理エンジンであるプロセッサは、入力バッファ領域に蓄積されたIPパケットをFIFO順に取り出し、そのIPヘッダーを読み取り、パケットを解析する。

解析:
1.自身宛のパケットであれば、ほとんどが経路情報などの管理機能に関するパケットなので汎用プロセッサに送って以後の処理を任せる。
2.フィルタやQoSの対象ではないかどうかを調べるため、フィルタとQoSの条件リストとの一致を参照する。条件にあえばその処理を行う。
3.転送先を決定するため、IPアドレスをもとに経路表を参照して転送先のインターフェースを決める。

解析で得られた情報は、入力バッファ領域のIPパケットに付加して記録しておく。

上記2と3の条件検索の速度がルーターの処理速度の多くを決定するため、連想メモリを使って高速比較を行ったり、経路検索では「ツリー法」と呼ばれる2分木ツリーによるデータ構造を利用して高速化を図ったり、ハッシュ関数を利用したりしている。[要出典]

加工 [編集]

パケットの加工を担当するネットワーク・プロセッサは以下の処理を行う。
IPヘッダー中のTTLという、IPパケットの寿命を表す数値を1つ減らす
NATやIPマスカレードなどのアドレス変換が必要な処理があれば行う
送出先に合わせたMACフレームを作りそこにIPパケットを入れる

送出 [編集]

パケットの送出を担当するネットワーク・プロセッサは、優先制御や帯域制御といったQoS機能を実現するために、入力バッファ領域から読み出して出力バッファ領域に格納する間に、解析処理で得られた情報も含めて、パケットの送出優先度ごとに分類し、それに基づいてインターフェイスごとの出力バッファに格納する。

出力側のインターフェイスの状況に応じて、QoSを満たすタイミングで順次送出していく。

冗長化技術 [編集]

ネットワーク上での障害を回避したり最小限にする技術に冗長化がある。ルーターやレイヤー3スイッチで使用される冗長化技術には、動的に経路情報を管理することで障害を回避するダイナミック・ルーティングと、台数そのものを複数備える物理的な冗長化がある。

ダイナミック・ルーティング [編集]

ダイナミック・ルーティングをサポートする専用プロトコルの例を、以下に示す。
IGP(Interior Gateway Protocol)

主に中小規模のネットワーク経路を管理するのに用いられる。
RIP:小規模ネットワークに向く
IGRP:小規模ネットワークに向く
EIGRP:中規模以上のネットワークに向く
OSPF:中規模以上のネットワークに向く

EGP(Exterior Gateway Protocol) BGP-4:サービス・プロバイダ間での経路制御に用いられる


物理的な冗長化 [編集]

ルーターやレイヤー3スイッチを複数備えて、障害時に切り替える物理的な冗長化が行われる。障害発生を検知して自動的に予備機に切り替える技術には、標準化されたものやベンダー独自のものがいくつか存在する。
VRRP:1つの仮想アドレスをマスター機とバックアップ機の2台に持たせることで、正常時はマスター機が仮想アドレスを使い、障害発生時にはバックアップ機が仮想アドレスをそのまま使って動作を引き継ぐ方法。レイヤー2の冗長化プロトコルになじまない事や切り替えに若干時間が掛かる、バックアップ機がほとんど稼動せず無駄となるといった問題点やデメリットがある。

VRRPを発展改良した下記のプロトコルが存在する。
HSRP(Hot standby router protocol): シスコ・システムズ社 ベンダー・プロトコルでは唯一のRFC2281による方式規格
VRRP-E(VRRP-Extend): Foundry社(現Brocade社)
FSRP(Foundry standby router protocl): Foundry社
ESRP(Extreme Standby Router Protocol): Extream社
NSRP(NetScreen Redundancy Protcol): NetScreen社

リンク・アグリゲーション(Link aggregation)によって複数の通信回線を束ねて仮想的に1本の回線として使用すれば、一部の通信回線が使用できなくなっても通信の途絶が回避できるので、これも物理的な冗長化である。

レイヤー2層で使用するスパニング・ツリー(Spanning tree algorithm, STP)やラピッド・スパンニング・ツリー(Rapid spanning tree algorithm, RSTP)などの冗長化技術は本ページでは扱わない。

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トピック

参加メンバー 3人
開設日
2012年4月2日

1707日間運営

カテゴリ
PC、インターネット
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