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🌐 ネットワーク構築・運用 第2章-1節

L2スイッチの動作原理

L2スイッチとは

L2（レイヤー2）スイッチは、OSI参照モデルの第2層（データリンク層）で動作するネットワーク機器です。MACアドレスに基づいてフレームを適切なポートに転送する役割を担い、社内LANの基盤として最も多く使用される機器です。

MACアドレスとは

MACアドレス（Media Access Control Address）は、ネットワーク機器のNIC（ネットワークインターフェースカード）に製造時に書き込まれる48ビットの物理アドレスです。

📋 具体例

MACアドレスの表記例：00:1A:2B:3C:4D:5E
・前半24ビット（00:1A:2B）：ベンダーID（OUI）→ 製造元を特定
・後半24ビット（3C:4D:5E）：製造番号 → 各機器に固有

ベンダーIDの例：
・00:50:56 → VMware
・DC:A6:32 → Raspberry Pi
・AC:DE:48 → Apple

MACアドレステーブルとフレーム転送

L2スイッチはMACアドレステーブル（別名：CAMテーブル）を内部に持ち、「どのポートにどのMACアドレスの機器が接続されているか」を学習・記録します。

  1. 学習（Learning）：フレームを受信すると、送信元MACアドレスとポート番号をテーブルに記録
  2. 検索（Lookup）：宛先MACアドレスをテーブルで検索
  3. 転送（Forwarding）：宛先が見つかれば該当ポートのみに転送（ユニキャスト転送）
  4. フラッディング（Flooding）：宛先が見つからなければ受信ポート以外の全ポートに転送
  5. エージング（Aging）：一定時間通信がないエントリは自動削除（通常300秒）

ポイント：ハブ（リピータハブ）はすべてのポートにフレームを転送しますが、L2スイッチは宛先MACアドレスに基づいて必要なポートだけに転送します。これにより帯域を効率的に利用でき、セキュリティも向上します。

STP（Spanning Tree Protocol）

STPは、L2ネットワーク上のループを防止するためのプロトコル（IEEE 802.1D）です。冗長構成のためにスイッチ間を複数のケーブルで接続すると、フレームがネットワーク上を永遠に回り続ける「ブロードキャストストーム」が発生し、ネットワーク全体がダウンします。

ブロードキャストストームとは

ループが存在するとブロードキャストフレームが無限に増幅・循環し、スイッチのCPUとポート帯域を100%消費してネットワークが完全に停止する現象です。

STPの動作原理

  1. ルートブリッジの選出：ブリッジIDが最小のスイッチがルートブリッジに選ばれる
  2. ルートポートの決定：各スイッチでルートブリッジに最も近いポートを選出
  3. 指定ポートの決定：各リンクでルートブリッジに近い側のポートを指定ポートとする
  4. ブロッキング：上記以外のポートをブロッキング状態にしてループを遮断

⚠️ 注意

STPの収束（ループ検出～ポート切り替え完了）には従来のSTPで約30～50秒かかります。この間、ネットワーク通信が停止するため、現在はより高速なRSTP（Rapid STP、IEEE 802.1w）の使用が推奨されます。RSTPは通常1～3秒で収束します。

RSTP（Rapid Spanning Tree Protocol）

RSTPはSTPの改良版で、以下の点が強化されています。

項目STP (802.1D)RSTP (802.1w)
収束時間30〜50秒1〜3秒
ポート状態5つ（Disabled/Blocking/Listening/Learning/Forwarding）3つ（Discarding/Learning/Forwarding）
BPDU送信ルートブリッジのみすべてのスイッチが送信
下位互換—STPと互換あり

ループ防止の実務的対策

ひとり情シスの視点：中小企業の現場で最も多いループ障害は、会議室などで社員が誤ってLANケーブルを同じスイッチの2つのポートに接続してしまうケースです。以下の対策が有効です。

  • ループ検知機能：マネージドスイッチのループ検知を有効にする
  • ストームコントロール：ブロードキャスト量のしきい値を設定し、超過時にポートを遮断
  • BPDUガード：エッジポート（PC接続用）でBPDUを受信した場合にポートを無効化
  • 物理的対策：不要なポートをシャットダウン、ケーブルにラベリング

📋 具体例

Cisco スイッチでのループ防止設定例：
interface GigabitEthernet0/1
spanning-tree portfast
spanning-tree bpduguard enable
storm-control broadcast level 10

Yamaha SWX2310 でのループ検出：
loop-detect enable
loop-detect blocking