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マルチレイヤースイッチ（MLS）は、通常のネットワークスイッチのようにOSIレイヤー2でスイッチングを行い、 OSIの上位レイヤーで追加機能を提供するコンピュータネットワークデバイスです。MLSは、Digital Equipment Corporationのエンジニアによって発明されました[ 1 ]。
スイッチング技術は、高速なハードウェアベースの方法を用いて、ほとんどの場合、必要な場所にのみトラフィックを送信できるため、ネットワーク設計において非常に重要です。スイッチングには、さまざまな種類のネットワークスイッチが使用されます。標準的なスイッチはレイヤ2スイッチと呼ばれ、ほぼすべてのLANで一般的に使用されています。レイヤ3またはレイヤ4スイッチは高度な技術（マネージドスイッチを参照）を必要とし、高価であるため、通常は大規模なLANまたは特殊なネットワーク環境でのみ使用されます。
マルチレイヤスイッチングはレイヤ2、レイヤ3、レイヤ4のスイッチング技術を組み合わせたもので、低遅延で高速な拡張性を提供します。マルチレイヤスイッチングは、トラフィックをワイヤースピードで転送できるだけでなく、レイヤ3ルーティングも提供します。ルーティングとスイッチングはすべてハードウェアベースであるため、異なるレイヤでの転送にパフォーマンスの違いはありません。ルーティングの決定は、コンテンツアドレス指定可能なメモリの助けを借りて、専用のアプリケーション固有集積回路（ASIC）によって行われます。[ 2 ]
マルチレイヤスイッチングは、以下の要素に基づいてルーティングとスイッチングの決定を行うことができます。
MLSはハードウェアでQoSを実装します。マルチレイヤースイッチは、6ビットの差別化サービスコードポイント（DSCP）によってパケットの優先順位付けを行うことができます。この6ビットは元々サービスの種類を表すために使用されていました。MLSでは通常、以下の4つのマッピングが利用可能です。
MLSは、一般的なルーターと同様に、 VLAN間でIPトラフィックをルーティングすることもできます。ルーティングは通常、スイッチングと同程度の速さ（ワイヤースピード）で行われます。
レイヤ2スイッチングは、ホストのネットワークインターフェイスコントローラ（NIC）のMACアドレスを使用して、フレームの転送先を決定します。レイヤ2スイッチングはハードウェアベースであり、スイッチはASICを使用して転送情報ベースを構築および維持し、ワイヤースピードでパケット転送を実行します。レイヤ2スイッチは、マルチポートブリッジとして考えることができます。
レイヤ2スイッチングは、フレームの変更が不要なため、非常に効率的です。パケットのカプセル化は、データパケットが異なる媒体（イーサネットからFDDIなど）を通過する場合にのみ変更されます。レイヤ2スイッチングは、ワークグループ接続やネットワークセグメンテーション（コリジョンドメインの分割）に使用されます。これにより、リピーターハブやルータで接続された従来のネットワークよりも、より多くのネットワークセグメントを持つ、よりフラットなネットワーク設計が可能になります。
レイヤ2スイッチには、ブリッジと同様の制限があります。ブリッジはコリジョンドメインを分割しますが、ネットワークは依然として大きなブロードキャストドメインとして残るため、パフォーマンスの問題やネットワーク規模の制限が生じる可能性があります。ブロードキャストとマルチキャスト、そしてスパニングツリーの収束の遅さは、ネットワークの規模が大きくなるにつれて大きな問題を引き起こす可能性があります。これらの問題があるため、レイヤ2スイッチはルーターを完全に置き換えることはできません。ブリッジは、ユーザーが時間の80%をローカルセグメントで過ごすという80/20ルールに基づいてネットワークを設計する場合に適しています。
レイヤ3スイッチは、通常ルーターが担う機能の一部または全部を実行できます。ただし、ほとんどのネットワークスイッチは、イーサネットなどの単一タイプの物理ネットワークのみをサポートするのに対し、ルーターは異なるポートで異なる種類の物理ネットワークをサポートできます。
レイヤ 3 スイッチングは、 IP データグラムのヘッダーに格納されている(宛先) IP アドレスのみに基づいています(レイヤ 4 スイッチングでは、ヘッダー内の他の情報を使用する場合があります)。レイヤ 3 スイッチとルータの違いは、デバイスがルーティング決定を行う方法です。従来、ルータはマイクロプロセッサを使用してソフトウェアで転送決定を行いますが、スイッチは (コンテンツ アドレス指定可能なメモリの助けを借りて専用の ASIC によって) ハードウェア ベースのパケット スイッチングのみを実行します。[ 2 ] [ 3 ]しかし、現在では多くのルータが転送を支援する高度なハードウェア機能も備えています。
レイヤ3スイッチの主な利点は、パケットがルーターへの余分なネットワークホップを経由せずにルーティングできるため、ネットワーク遅延を低減できる可能性があることです。たとえば、2つの異なるセグメント（ VLANなど）をルーターを介して標準的なレイヤ2スイッチに接続するには、フレームをスイッチに渡し（最初のL2ホップ）、次にルーターに渡し（2番目のL2ホップ）、そこでフレーム内のパケットがルーティングされ（L3ホップ）、その後スイッチに返送されます（3番目のL2ホップ）。レイヤ3スイッチは、ルーティングの決定を自身で行うことで、ルーター（したがって追加のホップ）を必要とせずに同じタスクを実行します。つまり、パケットは別のサブネットにルーティングされ、同時に宛先ネットワークポートに切り替えられます。
多くのレイヤ3スイッチは従来のルーターと同じ機能を提供するため、一部のネットワークではより安価で低遅延な代替手段として使用できます。レイヤ3スイッチは、ルーターでも実行できる以下の動作を実行できます。
レイヤー3スイッチングの利点は以下のとおりです。
IEEEは、転送およびスイッチングプロセスを記述する上で有用な階層的な用語を開発しました。サブネットワーク間でパケットを転送する機能を持たないネットワークデバイスはエンドシステム（ES、単数形はES）と呼ばれ、これらの機能を持つネットワークデバイスは中間システム（IS）と呼ばれます。ISはさらに、ルーティングドメイン内でのみ通信するもの（ドメイン内IS）と、ルーティングドメイン内およびドメイン間で通信するもの（ドメイン間IS）に分類されます。ルーティングドメインは一般的に、共通の管理権限の下にあるインターネットワークの一部とみなされ、特定の管理ガイドラインによって規制されます。ルーティングドメインは自律システムとも呼ばれます。
レイヤ3スイッチの一般的な機能の一つに、 IGMPスヌーピングによるIPマルチキャストの認識があります。この機能により、レイヤ3スイッチは、接続されているデバイスがそのグループをリッスンしたいと通知したポートにのみマルチキャストグループのトラフィックを配信することで、効率を高めることができます。
レイヤ3スイッチは通常、スイッチ上で設定されたVLAN間のIPルーティングをサポートします。一部のレイヤ3スイッチは、ルーターがネットワーク間の経路情報を交換するために使用するルーティングプロトコルをサポートします。
レイヤ4スイッチングとは、ハードウェアベースのレイヤ3スイッチング技術であり、ネットワークトラフィックの種類（例えば、UDPとTCPの区別）も考慮できるものです。レイヤ4スイッチングは、トランスポート層ヘッダーにあるポート番号を読み取ることでルーティングの決定を行い、データグラムの検査をさらに行います（HTTP、FTP、VoIPで使用されるポートなど）。これらのポート番号はRFC 1700に記載されており、上位層のプロトコル、プログラム、またはアプリケーションを参照しています。
レイヤ4スイッチングを使用すると、ネットワーク管理者はレイヤ4スイッチを設定して、アプリケーションごとにデータトラフィックの優先順位を付けることができます。レイヤ4情報は、ルーティングの決定にも役立ちます。たとえば、拡張アクセスリストは、レイヤ4ポート番号に基づいてパケットをフィルタリングできます。別の例としては、sFlowを使用したオープンスタンダードによって収集されるアカウンティング情報があります。
レイヤ4スイッチは、トランスポート層プロトコルの情報を使用して転送決定を行うことができます。これは主に、TCPおよびUDP通信の送信元および宛先ポート番号を使用して通信を許可、ブロック、および優先順位付けする機能を指します。[ 4 ]
一部のスイッチは、OSI レイヤ 7 までのパケット情報を利用できます。これらはレイヤ 4-7 スイッチと呼ばれることがあります。コンテンツスイッチ、コンテンツサービススイッチ、ウェブスイッチ、またはアプリケーションスイッチ。
コンテンツスイッチは通常、サーバーグループ間の負荷分散に使用されます。負荷分散は、 HTTP、HTTPS、VPN、または特定のポートを使用する任意のTCP/IPトラフィックに対して実行できます。負荷分散には、多くの場合、宛先ネットワークアドレス変換が含まれるため、負荷分散されたサービスのクライアントは、どのサーバーがリクエストを処理しているかを完全に認識できません。一部のレイヤ4～7スイッチは、ワイヤースピードでネットワークアドレス変換（NAT）を実行できます。コンテンツスイッチは、トラフィックを受信するサーバーの負荷を軽減するために、 SSL暗号化と復号化などの標準的な操作を実行したり、デジタル証明書の管理を一元化したりするためによく使用されます。レイヤ7スイッチングは、コンテンツ配信ネットワーク（CDN）で使用されるテクノロジーです。
アプリケーションによっては、クライアントからの繰り返しリクエストを同じアプリケーションサーバーに送る必要がある場合があります。クライアントは通常、以前にどのサーバーと通信したかを認識していないため、コンテンツスイッチは「スティッキネス」という概念を定義します。たとえば、同じ送信元IPアドレスからのリクエストは毎回同じアプリケーションサーバーに送られます。スティッキネスはSSL IDに基づいて実現することも可能で、一部のコンテンツスイッチはこの機能を提供するためにCookieを使用できます。
ルーターはトランスポート層で動作し、パケットの送信先を決定します。最新のロードバランシングルーターは、さまざまなルールに基づいてトラフィックのルーティング先を決定できます。これは、負荷の最小化、応答時間の短縮、または同じサービスを提供する複数の宛先へのリクエストの分散などに基づいて行われます。これは冗長化の手法でもあるため、いずれかのマシンが稼働していない場合は、ルーターはそのマシンにトラフィックを送信しません。
ルーターは、ポートとトランザクションを認識するNAT機能を備えている場合もあり、単一のIPアドレスの背後に隠された1つまたは複数のマシンに受信パケットを送信するために、ポート変換の一種を実行します。
レイヤ7スイッチは、統一リソースロケータ（URL）に基づいて負荷を分散したり、アプリケーションレベルのトランザクションを認識するためのインストール固有の技術を使用したりすることができます。レイヤ7スイッチは、Webキャッシュを含み、コンテンツ配信ネットワーク（CDN ）に参加することができます。[ 5 ]