ルーター（コンピューティング）

複数のネットワークに接続されたサービスプロバイダクラスのルータを収容するラック

無線機能を備えた家庭用ルーター。この例のような多くの家庭用ルーターは、ルーター、無線アクセスポイント、スイッチ、モデムを1つのユニットに統合しています（住宅用ゲートウェイも参照）。

ルータ^{[ a ]}は、グローバルインターネットなどのインターネットワークを含むコンピュータネットワーク間でデータパケットを転送するコンピュータおよびネットワークデバイスです。^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

ルータはインターネット上でトラフィックの方向付け機能を実行します。ルータは、異なるIPネットワークからの2つ以上のデータ回線に接続されています。データパケットが回線に到着すると、ルータはパケットヘッダーのネットワークアドレスを読み取って最終的な宛先を決定します。次に、ルーティングテーブルまたはルーティングポリシーの情報を使用して、パケットを次のネットワークに転送します。データパケットは、宛先ノードに到達するまで、インターネットワークを介して1つのルータから別のルータに転送されます。^{[ 5 ]}

最も一般的なIPルーターは、家庭用および小規模オフィス用ルーターで、家庭用コンピュータとインターネット間でIPパケットを転送します。エンタープライズルーターなどのより高度なルーターは、大規模な企業ネットワークやISPネットワークを、インターネットバックボーンの光ファイバー回線に沿って高速でデータを転送する強力なコアルーターに接続します。

ルーターは標準的なコンピュータ部品から構築することもできますが、ほとんどは専用に設計されたコンピュータ（組み込みシステム）です。初期のルーターは、 CPU上で動作するソフトウェアベースの転送方式を採用していました。より高度なデバイスでは、特定用途向け集積回路（ASIC）を使用してパフォーマンスを向上させたり、高度なフィルタリング機能やファイアウォール機能を追加したりしています。

ソフトウェアとインターフェース コンピュータを使用したスイッチング ノードの概念は、1966 年にドナルド デイビスによってNPL ネットワーク向けに初めて提案されました。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}同じアイデアは翌年ウェズリー クラークによってARPANETで使用するために考案され、インターフェース メッセージ プロセッサ(IMP)と名付けられました。^{[ 9 ]}最初のインターフェース コンピュータは、 1969 年初頭に英国の国立物理研究所で実装され、同年後半には米国のカリフォルニア大学ロサンゼルス校、スタンフォード研究所、カリフォルニア大学サンタバーバラ校、ユタ大学コンピューティング スクールで IMP が続きました。^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}これらはすべてHoneywell 516を使用して構築されました。これらのコンピュータは基本的に、今日のルーターと同じ機能を持っていました。

ルーター（当時はゲートウェイと呼ばれていた）のアイデアは、当初、国際ネットワークワーキンググループ（INWG）と呼ばれるコンピュータネットワーク研究者の国際グループによって生み出されました。^{[ 14 ]}これらのゲートウェイデバイスは、従来のパケット交換方式のほとんどと2つの点で異なっていました。1つ目は、シリアルラインやローカルエリアネットワークなど、異なる種類のネットワークを接続していたことです。2つ目は、コネクションレスデバイスであり、トラフィックが確実に配信されることを保証する役割はなく、その機能はすべてホストに任せていたことです。^{[ 15 ]}この特定のアイデア、エンドツーエンドの原則は、ドナルド・デイビスの研究に含まれていました。^{[ 16 ] [ 17 ]}

この概念は、インターネットワーキングのための実用的なシステムを作成することを目的として、さまざまなグループによって実際に検討されました。注目すべき同時期のプログラムが 3 つありました。1 つ目は、1972～73 年に設計および開発されたCYCLADESネットワークのLouis Pouzinによる実装です。 ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} 2 つ目は、新しいネットワーク技術を調査するためのXerox PARCのプログラムで、 PARC ユニバーサル パケットシステムが作成されました。1974 年初頭以降のある時期に、最初の Xerox ルータが稼働しました。企業の知的財産権の問題により、何年もの間、Xerox 以外ではほとんど注目されませんでした。^{[ 21 ] [ 22 ]} 3 つ目は、1973～74 年に開始されたDARPA主導のプログラムです。これは、他の 2 つのプログラムの成果を活用し、^{[ 23 ]}大幅に拡張され、今日使用されているTCP/IPアーキテクチャの作成につながりました。^{[ 24 ] [ 25 ]}ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン（UCL）は、1973年から1980年代後半まで、英国の研究グループとARPANETの間のゲートウェイを提供し、その後はSATNETを使用しました。^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

最初の真のIPルーターは、DARPAが開始した取り組みの一環として、1975年から1976年にかけてBBNのジニー・トラバースによって開発されました。 ^{[ 29 ] [ 30 ]} 1976年末までに、3台のPDP-11ベースのルーターが実験的なプロトタイプインターネットで運用されていました。^{[ 31 ]}マイク・ブレシア、ジニー・トラバース、ボブ・ヒンデンは、2008年に初期のIPルーターでIEEEインターネット賞を受賞しました。 ^{[ 32 ]}

最初のマルチプロトコル ルーターは、 1981 年にMITとスタンフォード大学の研究員によって独自に開発され、どちらも PDP-11 をベースにしていました。スタンフォード大学のルーター プログラムはWilliam Yeagerが、MIT のプログラムはNoel Chiappaが主導しました。^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]}現在ではほぼすべてのネットワークで TCP/IP が使用されていますが、マルチプロトコル ルーターは今でも製造されています。TCP/IP 以外のプロトコルが使用されていたコンピュータ ネットワークの成長初期段階では、マルチプロトコル ルーターは重要でした。IPv4 と IPv6 の両方を処理する最新のルーターはマルチプロトコルですが、AppleTalk、DECnet、IPX、Xerox プロトコルを処理するルーターよりもシンプルなデバイスです。

1970年代半ばから1980年代にかけて、汎用ミニコンピュータがルータとして利用されました。現代の高速ルータは、ネットワークプロセッサ、あるいは高度に専門化されたコンピュータであり、パケット転送などの一般的なルーティング機能と、IPsec暗号化などの特殊な機能の両方を高速化するために、ハードウェアアクセラレーションが追加されています。研究やその他の用途では、オープンソースのルーティングコードを実行するLinuxおよびUnixソフトウェアベースのマシンが広く利用されています。Cisco IOSオペレーティングシステムは独自に設計されました。JunosやNX -OSなどの主要なルータオペレーティングシステムは、Unixソフトウェアを大幅に改良したものです。

相互接続されたネットワークで複数のルータが使用される場合、ルータはルーティングプロトコルを使用して宛先アドレスに関する情報を交換できます。各ルータは、相互接続されたネットワーク上の 2 つのコンピュータ システム間のルートのリストであるルーティング テーブルを構築します。 ^{[ 37 ] [ 38 ]}

ルーターを実行するソフトウェアは、プレーンと呼ばれる、同時に動作する2つの機能処理ユニットで構成されています。^{[ 39 ]}

• コントロールプレーン：ルータは、データパケットを転送するために使用するルートと、どの物理インターフェイス接続を使用するかを一覧表示するルーティングテーブルを保持します。これは、静的ルートと呼ばれる内部の事前設定済みディレクティブを使用するか、ルーティングプロトコルを使用してルートを動的に学習することによって行われます。静的ルートと動的ルートはルーティングテーブルに格納されます。コントロールプレーンのロジックは、テーブルから不要なディレクティブを削除し、転送プレーンで使用する転送情報ベース（FIB）を構築します。
• 転送プレーン：このユニットは、受信インターフェースと送信インターフェース間のデータパケットを転送します。受信パケットのヘッダーを読み取り、宛先を制御プレーンから提供されるFIBのエントリと照合し、FIBで指定された送信ネットワークにパケットを転送します。

ルータは、銅線ケーブル、光ファイバー、無線伝送など、複数の種類の物理層接続に対応するインターフェースを備えている場合があります。また、複数のネットワーク層伝送規格をサポートすることも可能です。各ネットワークインターフェースは、データパケットをある伝送システムから別の伝送システムに転送するために使用されます。ルータは、サブネットと呼ばれる2つ以上の論理的なコンピュータデバイスのグループを接続するためにも使用され、各グループには固有のネットワークプレフィックスが割り当てられます。

ルータは、企業内、企業とインターネット間、またはインターネットサービスプロバイダ（ISP）ネットワーク間の接続を提供することができ、異なるネットワーク間でデータを転送する役割も担っています。^{[ 40 ]}最大規模のルータ（ Cisco CRS-1やJuniper PTXなど）は、さまざまなISPを相互接続したり、大規模な企業ネットワークで使用したりします。^{[ 41 ]}小型ルータは通常、一般的な家庭やオフィスのネットワークに接続を提供します。

あらゆるサイズのルーターが企業内に存在します。^{[ 42 ]}最も強力なルーターは通常、ISP、学術研究施設にあります。大企業では、イントラネットのデータトラフィックの需要の増加に対応するために、より強力なルーターが必要になる場合もあります。大規模ネットワークでルーターを相互接続するための階層型インターネットワーキングモデルが一般的に使用されています。^{[ 43 ]}一部のルーターは、シリアルポートを介してT1接続用のデータサービスユニットに接続できます。^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]}

アクセス、コア、およびディストリビューション

階層型インターネットワーキングモデルでは、企業ネットワークをコア、ディストリビューション、アクセスの3つの層に分割します。

小規模オフィス/ホームオフィス(SOHO) モデルを含むアクセス ルーターは、独自の階層ルーティングを必要としない自宅や支店などの顧客サイトに設置されます。通常、低コストに最適化されています。一部の SOHO ルーターは、 Tomato、OpenWrt、DD-WRTなどの代替の無料 Linux ベースのファームウェアを実行できます。^{[ 49 ]}

ディストリビューションルータは、複数のアクセスルータからのトラフィックを集約します。ディストリビューションルータは、広域ネットワーク(WAN) 全体でサービス品質を確保する役割を担うことが多いため、相当量のメモリ、複数の WAN インターフェイス接続、および大規模なオンボードデータ処理ルーチンを搭載している場合があります。また、ファイルサーバのグループやその他の外部ネットワークへの接続を提供することもあります。^{[ 50 ]}

企業では、コア ルーターは、キャンパスの複数の建物や大規模な企業拠点のディストリビューション ティア ルーターを相互接続する集約バックボーンを提供する場合があります。これらは高帯域幅に最適化されている傾向がありますが、エッジ ルーターの一部の機能は備えていません。^{[ 51 ]}

ルータの主な目的は、複数のネットワークを接続し、直接接続されたネットワークまたはより遠隔のネットワーク宛てのパケットを転送することです。ルータはレイヤ 3デバイスとみなされます。これは、ルータの主要な転送決定がレイヤ 3 IP パケットの情報、具体的には宛先 IP アドレスに基づいているためです。ルータはパケットを受信すると、ルーティング テーブルを検索して、パケットの宛先 IP アドレスとルーティング テーブル内のアドレスのいずれかとの最適な一致を見つけます。一致が見つかると、パケットはテーブル エントリで指定された送信インターフェイス用のレイヤ 2データ リンク フレームにカプセル化されます。ルータは通常、パケット ペイロードを調べず、転送決定を行うために^{レイヤ3アドレス}のみを参照し、必要に応じて、サービス品質(QoS)などのヒントとしてヘッダー内のその他の情報も参照します。純粋な IP 転送の場合、^ルータは個々のパケットに関連付けられた状態情報を最小限に抑えるように設計されています。^{[ 63 ]}パケットが転送されると、ルータはパケットに関する履歴情報を保持しません。^{[ b ]}

ルーティング テーブル自体には、手動で設定されたデフォルトルートや静的ルート、またはルーターが他のルーターからルートを学習するルーティング プロトコル からの動的エントリなど、さまざまなソースから得られた情報が含まれる場合があります。デフォルト ルートは、ルーティング テーブルに存在しない宛先のすべてのトラフィックをルーティングするために使用されるルートです。デフォルト ルートは、家庭や小規模企業などの小規模ネットワークでは一般的であり、場合によっては必須です。 デフォルト ルートは、ローカル以外のすべてのトラフィックをインターネット サービス プロバイダに送信するだけです。デフォルト ルートは、手動で設定（静的ルートとして）、動的ルーティング プロトコルによって学習、またはDHCPによって取得できます。^{[ c ] [ 64 ]}

ルータは、特に異なるルーティング プロトコルを実行するネットワークの部分間の自律システム境界ルータとして機能する場合、一度に複数のルーティング プロトコルを実行できます。その場合、同じルータで実行されている異なるプロトコル間で情報を共有するために、再配布が（通常は選択的に）使用されることがあります。^{[ 65 ]}

ルーティング テーブルによって主に処理される、パケットをどのインターフェイスに転送するかを決定することに加えて、ルータは、ルータが処理できる速度よりも高い速度でパケットが到着する場合の輻輳も管理する必要があります。一般的に使用される 3 つのポリシーは、テール ドロップ、ランダム早期検出(RED)、および重み付きランダム早期検出(WRED) です。テール ドロップは最も単純で実装が容易です。ルータは、ルータ内のバッファ スペースがなくなると、新しい受信パケットを単純にドロップします。RED は、キューが事前に設定されたバッファの一部を超えると、事前に決定された最大値に達するまで、データ グラムを確率的に早期にドロップし、すべての受信パケットをドロップしてテール ドロップに戻ります。WRED は、トラフィックの種類に応じて、より迅速にパケットをドロップするように設定できます。

ルーターが行うもう 1 つの機能は、トラフィックの分類と、どのパケットを最初に処理するかを決定することです。これはQoSによって管理され、 VoIPが展開される際には、過剰な遅延が発生しないようにするために非常に重要です。^{[ 66 ]}

ルータが実行するもう 1 つの機能はポリシーベースルーティングと呼ばれ、パケット転送の決定が行われる際にルーティング テーブルから導出されたルールを上書きする特別なルールが構築されます。^{[ 67 ]}

一部の機能は、パケット処理のためのCPU時間のスケジューリングのオーバーヘッドを回避するために、特定用途向け集積回路（ASIC）を介して実行される場合があります。その他の機能は、ASICでは処理できない特別な注意が必要なパケットであるため、CPUを介して実行する必要があります。^{[ 68 ]}

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