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ネットワークスイッチ（スイッチングハブ、ブリッジングハブ、イーサネットスイッチ、IEEEではMACブリッジ[ 1 ]とも呼ばれる）は、パケット交換を使用してデータを受信して宛先デバイスに転送することにより、コンピュータネットワーク上のデバイスを接続するネットワークハードウェアです。
ネットワークスイッチは、OSIモデルのデータリンク層（レイヤ2）でMACアドレスを使用してデータを転送するマルチポートネットワークブリッジです。一部のスイッチは、ルーティング機能を追加することで、ネットワーク層（レイヤ3）でもデータを転送できます。このようなスイッチは、一般的にレイヤ3スイッチまたはマルチレイヤースイッチとして知られています。[ 2 ]
イーサネット用スイッチは、最も一般的なネットワークスイッチです。最初のMACブリッジ[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]は、1983年にデジタル機器コーポレーション（DEC）のネットワークアドバンスト開発グループのエンジニアであるマーク・ケンプフによって発明されました[ 6 ]。最初の2ポートブリッジ製品（LANBridge 100）は、その直後に同社によって発表されました。同社はその後、イーサネットとFDDIの両方に対応するマルチポートスイッチを製造しました。DECは、IEEE標準化を可能にするロイヤリティフリーかつ非差別的な条件でMACブリッジの特許をライセンスすることを決定しました。これにより、カルパナ[ 7 ]を含む他の多くの企業がマルチポートスイッチを製造できるようになりました。イーサネットは当初共有アクセス媒体でしたが、MACブリッジの導入により、衝突ドメインのない最も一般的なポイントツーポイント形式への変貌が始まりました。ファイバーチャネル、非同期転送モード、インフィニバンドなど、他のタイプのネットワーク用のスイッチも存在します。
各ポートから同じデータをブロードキャストし、デバイスが自分宛てのデータを選択するようにするリピーターハブとは異なり、ネットワークスイッチは接続されているデバイスのイーサネットアドレスを学習し、そのデバイスが属するポートにのみデータを転送します。[ 8 ]
スイッチは、コンピュータネットワークにおいて他のデバイス同士を接続する装置です。複数のデータケーブルをスイッチに接続することで、ネットワーク上の様々なデバイス間の通信が可能になります。スイッチは、受信したネットワークパケットを、そのパケットの宛先となる1つまたは複数のデバイスにのみ送信することで、ネットワーク上のデータフローを管理します。スイッチに接続された各ネットワークデバイスは、ネットワークアドレスによって識別されるため、スイッチはトラフィックの流れを制御し、ネットワークのセキュリティと効率を最大限に高めることができます。
スイッチはイーサネットハブよりもインテリジェントです。イーサネットハブは、パケットを受信したポート以外のすべてのポートからパケットを再送信するだけで、異なる受信者を区別することができず、ネットワーク全体の効率が低くなります。
イーサネット スイッチは、OSI モデルのデータ リンク層(レイヤ 2)で動作し、各スイッチ ポートごとに独立したコリジョン ドメインを作成します。スイッチ ポートに接続された各デバイスは、いつでも他のポートにデータを転送でき、送信が干渉することはありません。[ a ]ブロードキャストは、スイッチによって接続されているすべてのデバイスに転送されるため、新しく形成されたネットワーク セグメントは引き続きブロードキャスト ドメインとなります。スイッチは、ネットワーク層やそれ以上の OSI モデルの上位層でも動作する場合があります。これらの上位層でも動作するスイッチは、マルチレイヤー スイッチと呼ばれます。
セグメンテーションとは、スイッチを用いて大きな衝突ドメインを小さな衝突ドメインに分割することで、衝突確率を低減し、ネットワーク全体のスループットを向上させる手法です。極端な場合（マイクロセグメンテーション）では、各デバイスは専用のスイッチポートに直接接続されます。イーサネットハブとは異なり、各スイッチポートには個別の衝突ドメインが存在します。これにより、コンピュータはネットワークへのポイントツーポイント接続で専用の帯域幅を確保できるだけでなく、全二重モードで動作させることも可能です。全二重モードでは、衝突ドメインごとに送信機と受信機がそれぞれ1つずつしかないため、衝突は発生しません。
ネットワークスイッチは、最新のイーサネットLANにおいて不可欠な役割を果たします。中規模から大規模のLANは、複数のマネージドスイッチが接続されて構成されます。SOHO （小規模オフィス/ホームオフィス）アプリケーションでは、通常、単一のスイッチ、または住宅用ゲートウェイなどの汎用デバイスを使用して、DSLやケーブルインターネットといったSOHOブロードバンドサービスにアクセスします。これらの場合、エンドユーザーデバイスにはルーターと、特定の物理ブロードバンド技術と接続するためのコンポーネントが内蔵されています。
多くのスイッチには、 Small Form-factor Pluggable (SFP) モジュールなどのプラグイン可能なモジュールがあります。これらのモジュールには、スイッチを光ファイバーケーブルなどの物理媒体に接続するトランシーバーが含まれていることがよくあります。 [ 10 ] [ 11 ]あるいは、モジュールの代わりに DAC (Direct Attach Copper) ケーブルを使用することもできます。[ 12 ]これらのモジュールは、アタッチメント ユニット インターフェイスを介してスイッチに接続されるメディア アタッチメント ユニット[ 13 ] [ 14 ]に先行しており、時間の経過とともに進化してきました。最初のモジュールはギガビット インターフェイス コンバータで、続いてXENPAKモジュール、SFP モジュール、XFP トランシーバー、SFP+ モジュール、QSFP、[ 15 ] QSFP-DD、[ 16 ]および OSFP [ 17 ]モジュールが登場しました。プラグイン可能なモジュールは、放送アプリケーションでビデオを送信するためにも使用されます。[ 18 ] [ 19 ]高速化と、トランシーバーをスイッチのスイッチングチップに近づけて消費電力を削減するコパッケージドオプティクス（CPO）の登場により、プラグインモジュールは交換可能なレーザー光源となり、光ファイバーはプラグインモジュールを介さずにスイッチの前面に直接接続されるようになりました。CPOは水冷への適応もかなり容易です。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]
スイッチは、ネットワークのエッジにあるホスト間のネットワーク接続ポイントとして最も一般的に使用されます。階層型インターネットワーキングモデルや同様のネットワークアーキテクチャでは、スイッチはネットワークのより深い層でも使用され、エッジにあるスイッチ間の接続を提供します。
商用目的のスイッチでは、内蔵またはモジュール式のインターフェースにより、イーサネット、ファイバーチャネル、RapidIO、ATM、ITU-T G.hn 、 802.11など、さまざまな種類のネットワークを接続できます。この接続は、前述のどのレイヤーでも行うことができます。レイヤー 2 の機能は、1 つのテクノロジー内での帯域幅シフトには十分ですが、イーサネットやトークン リングなどのテクノロジーを相互接続するには、レイヤー 3 またはルーティングの方が簡単です。[ 24 ]レイヤー 3 で相互接続するデバイスは、 従来ルーターと呼ばれています。[ 25 ]
ネットワークのパフォーマンスとセキュリティの詳細な分析が必要な場合、スイッチは分析モジュールの設置場所としてWANルーター間に接続されることがあります。一部のベンダーは、スイッチポートに接続できるファイアウォール[ 26 ] [ 27 ] 、ネットワーク侵入検知[ 28 ]、およびパフォーマンス分析モジュールを提供しています。これらの機能の一部は、複合モジュールに搭載されている場合もあります。[ 29 ]
ポートミラーリングを使用すると、スイッチは侵入検知システムやパケットスニファなどの外部デバイスに送信できるデータのミラーイメージを作成できます。
最新のスイッチはPoE（ Power over Ethernet ）に対応している場合があり、 VoIP電話や無線アクセスポイントなどの接続機器に別途電源を用意する必要がなくなります。スイッチの電源回路を無停電電源装置（UPS）に接続できるため、通常のオフィス電源が停止した場合でも、接続機器は動作を継続できます。
1989年と1990年に、カルパナは初のマルチポートイーサネットスイッチである7ポートのEtherSwitchを発表しました。[ 7 ]
現代の商用スイッチは主にイーサネットインターフェースを使用します。イーサネットスイッチの主要機能は、レイヤ2ブリッジング用の複数のポートを提供することです。上位レイヤをサポートするためには、すべてのスイッチにレイヤ1機能が必要です。多くのスイッチは、他のレイヤでも動作を実行します。ブリッジング以上の機能を備えたデバイスは、マルチレイヤースイッチと呼ばれます。
レイヤ2ネットワークデバイスとは、ハードウェアアドレス（MACアドレス）を使用してデータリンク層（レイヤ2）でデータを処理および転送するマルチポートデバイスです。
ネットワークブリッジとして動作するスイッチは、本来は分離されているレイヤ2ネットワークを相互接続することができます。ブリッジは接続された各デバイスのMACアドレスを学習し、そのデータをMACアドレスとポートをマッピングするテーブルに格納します。このテーブルは高速コンテンツアドレス指定可能メモリ（CAM）を使用して実装されることが多く、一部のベンダーはMACアドレステーブルをCAMテーブルと呼んでいます。
ブリッジは、受信パケットをバッファリングし、送信ポートの速度に合わせて伝送速度を調整します。ストレージエリアネットワークなど、入力インターフェースと出力インターフェースの帯域幅が同じ特殊なアプリケーションもありますが、一般的なLANアプリケーションでは必ずしもそうではありません。LANでは、エンドユーザーアクセスに使用されるスイッチが、通常、低帯域幅とアップリンクを高帯域幅に集約します。
フレームの先頭にあるイーサネットヘッダーには、転送判断に必要なすべての情報が含まれています。高性能スイッチの中には、送信元からフレームペイロードを受信しながら、同時にフレームの転送を開始できるものもあります。このようなカットスルー方式のスイッチングにより、スイッチにおける遅延を大幅に削減できます。
スイッチ間の相互接続は、リンク上の転送を無効にするスパニングツリープロトコル（STP）を使用して制御できます。これにより、結果として得られるローカルエリアネットワークは、スイッチングループのないツリーになります。ルーターとは対照的に、スパニングツリーブリッジは、2点間にアクティブなパスが1つしかないトポロジーを持つ必要があります。最短パスブリッジングとTRILL（Transparent Interconnection of Lots of Links）は、STPのレイヤ2代替手段であり、すべてのパスをアクティブにして、複数の等コストパスを許可します。[ 30 ] [ 31 ]
スイッチには、さまざまな形状のものがあり、配線室の外にある家庭やオフィス環境での使用を想定したスタンドアロン型のデスクトップユニット、機器ラックや筐体で使用するラックマウント型スイッチ、産業環境で使用するDINレールマウント型スイッチ、ケーブルダクト、フロアボックス、通信タワーなどに取り付ける小型設置型スイッチなどがあります。小型設置型スイッチは、例えばオフィスへの光ファイバーインフラなどで見られます。
ラックマウント型スイッチには、スタンドアロンユニット、スタック可能なスイッチ、または交換可能なラインカードを備えた大型シャーシユニットなどがあります。
スイッチを使用してブリッジされたトラフィックを監視するのは困難です。なぜなら、トラフィックを見ることができるのは送信ポートと受信ポートだけだからです。
ネットワークアナリストがトラフィックを監視できるように特別に設計された方法には、次のようなものがあります。
これらの監視機能は、一般消費者向けスイッチにはほとんど搭載されていません。その他の監視方法としては、監視対象デバイスとスイッチポートの間にレイヤ1ハブまたはネットワークタップを接続する方法があります。[ 36 ]
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