ハブ on ネットワーク入門講座

【第10回】スイッチングハブとは？ハブとの違いと通信を整理する仕組みを初心者向けに解説

Thu, 28 May 2026 00:00:00 +0000

この記事でわかること

ハブとスイッチングハブの違いがわかる
なぜハブでは不要な通信が増えるのか理解できる
スイッチングハブが必要な相手だけへ通信を届ける仕組みがわかる
通信の衝突が減る理由をイメージできる
現在のネットワークでスイッチングハブが主流になった理由がわかる

はじめに

前回の記事では、スター型という接続方法について紹介しました。

中央にあるハブとコンピューターをケーブルでつなぐ並び方がスター型でしたね。バス型のように1本のケーブルを全員で共有しないため、ケーブルの断線がネットワーク全体へ影響しにくくなりました。

しかし、スター型に切り替えてもまだ解決できない問題が残っていましたね。

それは 「ハブを使うと、関係のない機器にも通信が流れてしまう」 という問題です。

この問題をどのように解決したのか、今回はその答えである スイッチングハブ を通して解説していきます。

ハブの問題点：全員に送ってしまう

ハブは、受け取った電気信号を接続されているすべての機器へ流します。

たとえば、パソコンAがパソコンBへデータを送りたい場合でも、Bだけでなく、CやDにも同じ信号が届きます。

各機器は届いた信号を確認して「これは自分宛てかどうか」を判断し、違えば無視します。無視するだけなので一見問題がないように見えますが、接続台数が増えてくると話が変わります。

問題は2つあります。

問題① 「確認して無視する」処理が機器に積み重なる

自分宛て以外の信号が何度も届くたびに、機器はその処理をしなければなりません。台数が増えるほど、この余計な処理がどんどん積み上がっていきます。

問題② 通信の衝突（コリジョン）が起きやすくなる

ケーブルを流れる信号が多くなるほど、複数の信号が同時に流れ込んで衝突が起きやすくなります。

衝突とは、複数の信号が同じタイミングでケーブルに流れ込み、互いにぶつかり合って信号が壊れてしまうことでしたね。 衝突が起きたらちょっとだけ待機して、再度データを送りなおすんでした（これは CSMA/CD という方式でした）。

ケーブルを流れる信号が多くなると、こんな状況が続きます。

送った信号が衝突した！少し待機して再送信
またも衝突した！少し待機して再送信
またまた衝突した！さらに待機して再送信
……（同じことの繰り返し）
やっと送信に成功した……

接続台数が少ないうちは大きな問題になりませんが、機器が増えるにつれて無視できなくなってきます。ネットワーク技術が世の中に広まるにつれ、 不要な信号を流さない仕組み が求められるようになりました。

そこで登場したのが 「スイッチングハブ」 です。

スイッチングハブとは

スイッチングハブは、必要な相手だけへデータを届けてくれる機器です。

Switch（スイッチ）は英語で「切り替える」という意味ですね。つまり、通信する相手に合わせてデータの通り道を切り替えてくれる機器です。

見た目はハブとほとんど変わりません。しかし現在販売されているハブのほぼすべてがスイッチングハブになっており、あえて古いタイプのハブを選ぶ理由はほとんどなくなっています。

ハブとの違い

ハブは内部が金属のケーブルで繋がれているイメージです。そのためハブは、受け取った電気信号を全員へ一斉に流します。

図：受け取った電気信号を全員へ一斉に流すハブ

たとえば、パソコンAからパソコンDへデータを送る場合でも、B、C、D すべてに電気信号が届きます。

一方、スイッチングハブ内には小さなコンピューターが入っていて、そこにケーブルがつながっているイメージです。

コンピューターが電気信号の宛て先を確認し、 宛て先の機器だけ に信号を流します。

図：受け取った電気信号を宛て先の機器だけに流すスイッチングハブ

たとえば、パソコンAからパソコンDへデータを送る場合、スイッチングハブはDだけに信号を届けます。 BやCには送りません。

必要な相手へだけ通信を届けることで、ムダな通信を大幅に減らすことができます。

スイッチングハブは送り先を覚えている

スイッチングハブは、「どの機器がどのポート（差し込み口）につながっているか」 を覚えています。

たとえば、次のような状態です。

ポート	接続されている機器
1番	パソコンA
2番	パソコンB
3番	パソコンC
4番	パソコンD

この状態でAがBへデータを送ると、スイッチングハブは

「Bは2番につながっている」

と判断し、2番へだけデータを流します。全員へ送らないため、不要な通信が減ります。

スイッチングハブが宛て先を覚える仕組み

しかも、この情報は人が毎回設定する必要がありません。スイッチングハブが通信を見ながら、自動的に学習していきます。

まず、スイッチングハブが宛て先情報を全く知らない状態はこうなります。

ポート	接続されている機器
1番	―
2番	―
3番	―
4番	―

この時、1番ポートからパソコンBあての信号を受け取ったとします。信号には、宛て先だけでなく送り元のコンピューターの情報も含まれています。

つまり今回の信号からは以下の情報がわかります。

送り元：パソコンA
宛て先：パソコンB

この信号は1番ポートを通ってきたので、表をこのように埋められます。

ポート	接続されている機器
1番	パソコンA
2番	―
3番	―
4番	―

さて、パソコンBに送りたくても宛て先ポートがまだわかりません。

その場合、全ポートに対して「パソコンBさんはどこですか？」とたずねる信号を流します。

パソコンB以外はその信号を無視しますが、パソコンBは「それは私です！」と応答する信号を流します。

この応答が2番ポートを通ってきたとすると、以下のように表を埋められます。

ポート	接続されている機器
1番	パソコンA
2番	パソコンB
3番	―
4番	―

このようにして、3番・4番ポートの情報もやがて埋まっていきます。

こうして学習・管理されるテーブルを MACアドレステーブル と呼びます。スイッチングハブはこのテーブルを常に参照しながら「どのポートに信号を届けるか」を判断しています。 MACアドレスについては別の記事で詳しく解説しますが、「機器を識別するための番号」だとイメージしておいてください。

送信と受信で経路が別

さて、以下の場合を考えてみます。

パソコンAがパソコンDにデータを送信
スイッチングハブは4番ポートに電気信号を流す
ちょうど同じタイミングでパソコンDからパソコンAあての信号が4番ポートを通過

この時、スイッチングハブと4番ポートの間で信号が衝突するでしょうか？

答えはNoです。

なぜなら、スイッチングハブ内では送信と受信で線が分かれているからです。

各ポートには、「スイッチングハブからパソコンへ送り出す線」と「パソコンからスイッチングハブへ受け取る線」が別々に用意されています。

イメージとしては、道路の「上り車線」と「下り車線」です。上りと下りで別々の車線を走るため正面衝突が起きないのと同じ仕組みです。

スイッチングハブとパソコンの接続は、この「2車線の道路」のような構造になっています。送信中であっても受信でき、受信中であっても送信できます。こうした状態を 全二重通信（フルデュプレックス） と呼びます。聞きなれない言葉だと思いますが、後の記事で説明しますので今は聞き流してもらって大丈夫です。

この仕組みにより、同じポートで送受信が同時に発生しても、信号が衝突することはありません。

信号を流すタイミングを調整する

さて、今度は別のケースを考えてみます。

パソコンAがパソコンDにデータを送信
同じタイミングでパソコンBもパソコンDにデータを送信
スイッチングハブはAからの信号とBからの信号を、どちらもDに届けなければならない

この時、スイッチングハブは2つの信号を同時に4番ポートに流してしまうでしょうか？同時に流してしまうと、4番ポートへ向かう道で信号が衝突してしまいますね。

答えはNoです。

スイッチングハブは、受け取った信号を バッファ（一時保存領域） に溜めておき、順番に送り出すという仕組みを持っています。

たとえば、AからDへの信号とBからDへの信号がほぼ同時に届いた場合、スイッチングハブはどちらかを先に送り、もう一方はバッファで一時保存します。最初の信号を送り終えてから、次の信号を送り出します。

コンビニのレジをイメージしてみてください。複数のお客さんが同時にレジに来ても、全員が一度に会計するわけではなく、一人ずつ順番に並んで会計しますよね。スイッチングハブのバッファは、この「レジ待ちの列」のような役割を担っています。

このようにしてスイッチングハブは、信号の「交通整理」を自動的に行います。

通信の衝突がなくなる

ここまでの話をまとめると、スイッチングハブには通信の衝突を防ぐ 2つの仕組み があります。

① 送受信の線が分かれている（全二重通信）

同じポートに対して、送信用と受信用の線が別々に存在します。送信中でも受信でき、受信中でも送信できるため、同じポートでの送受信の衝突がなくなります。

② バッファで信号の順番を整える

複数の機器から同じ宛て先に信号が届いた場合でも、バッファで一時保存して順番に届けます。「同時に流れ込む」という状況そのものを未然に防ぎます。

ハブを使っていた時代は、衝突（コリジョン）が起きるたびに再送信が必要でした。接続台数が増えるほど衝突が頻発し、通信速度が著しく低下することもありました。スイッチングハブはこの問題を根本から解消しています。

スイッチングハブが現在の主流になった理由

ではなぜ、スイッチングハブが現在のネットワークで主流になったのでしょうか。ここまでの内容を整理すると、大きく4つの理由が見えてきます。

理由① ネットワーク全体のパフォーマンスが上がった

ハブを使うと、すべての信号がすべての機器に届いていました。接続台数が増えるほどケーブルを流れる信号が増え、ネットワーク全体が混雑しました。スイッチングハブは必要な相手にだけ信号を届けるため、無駄な通信がなくなり、全体的なパフォーマンスが大幅に改善しました。

理由② 再送信によるタイムロスがなくなった

ハブ環境では衝突（コリジョン）が日常的に発生し、そのたびに再送信が必要でした。スイッチングハブは全二重通信とバッファによって衝突を防ぐため、再送信のロスがありません。

理由③ セキュリティが向上した

ハブでは自分宛て以外の通信も届いてしまうため、同じネットワーク内の通信を意図的に盗み見ることができてしまいます。スイッチングハブは必要な相手にしか信号を届けないため、こうした盗聴リスクを大幅に減らすことができます。

理由④ コストが下がった

かつてスイッチングハブはハブより高価でしたが、技術の進歩とともに価格が下がりました。現在では一般家庭向けの製品もほぼすべてがスイッチングハブとなっており、あえてハブを選ぶ理由はほとんどなくなっています。

ポートとパソコン間で衝突しないの？

ここまで「スイッチングハブ内では送受信の線が分かれている」と説明してきました。しかし、鋭い方はこんな疑問を持つかもしれません。

「スイッチングハブ内の線が分かれていても、パソコンとポートをつなぐケーブル自体が送信と受信を分けていなければ、ケーブルの部分で衝突が起きてしまうのでは？」

実はその通りで、これはまったく正しい疑問です。

本連載ではここまで、同軸ケーブルのように送信と受信の線を区別しないイメージでケーブルの話をしてきました。そのため、スイッチングハブ内で線が分かれていても、ケーブル側が対応していなければ意味がないのでは、という疑問は自然に出てきます。

実は現在のネットワークで主流となっているケーブル 「ツイストペアケーブル」 は、送信と受信を分けた構造になっています。スイッチングハブとツイストペアケーブルを組み合わせることで、はじめてケーブル部分でも衝突が起きない仕組みが完成しています。

ツイストペアケーブルの詳しい構造は、次回の記事「ツイストペアケーブルとは？」 で解説します。今回は「そういう疑問が出てくるな」と頭の片隅に置いておいていただければ大丈夫です。

まとめ

今回は スイッチングハブ について解説しました。要点を整理しておきましょう。

ハブとスイッチングハブの違い

	ハブ	スイッチングハブ
信号の届け方	全員に送る	宛て先だけに送る
宛て先の学習	なし	通信を通じて自動学習
学習情報の名称	―	MACアドレステーブル
通信の衝突	起きやすい	ほぼ起きない
通信モード	半二重（衝突に注意が必要）	全二重（同時送受信が可能）
現在の採用状況	ほぼ使われない	主流

スイッチングハブの3つのポイント

宛て先だけに届ける どの機器がどのポートにつながっているかを自動学習（MACアドレステーブル）し、必要な相手にだけ信号を流す。
送受信の分離（全二重通信） 送信と受信で線が分かれているため、同じポートで同時に送受信しても衝突しない。
バッファで順番を整える 複数の信号が同時に来ても一時保存して順番に届けるため、信号同士が衝突しない。

これらの仕組みにより、スイッチングハブはハブが抱えていた「不要な通信が増える」「衝突が起きやすい」という問題を解決しました。現在のネットワークでスイッチングハブが主流になっているのは、この圧倒的な改善効果があったからです。

次回は、スイッチングハブと組み合わせることで衝突を完全に防ぐカギとなる ツイストペアケーブル について解説します。

【第13回】衝突ドメインとは？ハブとスイッチで変わるネットワーク衝突の仕組みをやさしく解説

Sun, 31 May 2026 00:00:00 +0000

この記事でわかること

「衝突（コリジョン）」がネットワーク上で何を指すか
衝突ドメイン（Collision Domain）という範囲の概念
ハブに接続した機器が全員同じ衝突ドメインに入る理由
CSMA/CD という衝突への対処ルールの仕組み
スイッチがポートごとに衝突ドメインを分離する理由と、そこから生まれる全二重通信との関係

はじめに

前回の記事では、半二重（ハーフデュプレックス）と全二重（フルデュプレックス）を取り上げました。ハブは半二重、スイッチングハブは全二重という話でしたね。

今回はその続きです。「なぜハブは半二重でしか動けないのか」「スイッチはどうやって全二重を実現しているのか」―― その理由や仕組みを 「衝突ドメイン」 という観点から説明していきます。

衝突（コリジョン）について改めて

衝突については以前の記事でくわしく取り上げました。ここでは簡単におさらいします。

Collision（コリジョン） とは「衝突する」「ぶつかる」という意味で、2台以上の機器がまったく同じタイミングでデータを送り出したとき、信号がケーブル上で干渉し合い、どちらのデータも壊れてしまう現象です。1本の細い道に2台の車が反対側から同時に突っ込んでくるイメージです。

この衝突が「どの範囲で起きうるか」を表す概念が、今回のテーマである衝突ドメインです。

衝突ドメイン（Collision Domain）とは

Collision Domain の Domain（ドメイン） は「領域・範囲」という意味です。つまり衝突ドメインは、 「衝突が起きる可能性のある範囲」 を指します。

この「範囲」が広い、つまりこの範囲に存在する機器が多くなればなるほど、信号の衝突が頻繁に起こるようになります。逆に範囲が狭ければ、信号の衝突の頻度が低下します。

具体的な例を見てイメージを深めていきましょう。

ハブは1つの衝突ドメインを作る

ハブに接続したすべての機器は、1つの共通した衝突ドメインに含まれることになります。

ハブという装置は、あるポートから受け取った信号を、宛先をいっさい確認せずに「残りのすべてのポート」へそのままコピーして送り出します。ハブの内部は、いわば一本の太い道路（導線）を全員で共有しているイメージだからです。

例えば、パソコンAからパソコンB宛てにデータを送ったとしても、ハブはそれをBだけでなく、C・D・E全員に向けて同時に転送してしまいます。

この転送されている瞬間に、別のパソコン（例えばC）が「自分もデータを送ろう」として信号を送信すると、一本の道路の中でデータ同士が正面衝突してしまいます。

つまり、ハブに接続されているAからEのすべてのパソコンは、同じ「衝突が起きるリスクのある空間（衝突ドメイン）」に丸ごと入っている状態なのです。

言い換えれば、「ハブを使うと、つながっている全員が一蓮托生（いちれんたくしょう）の1つの衝突ドメインになってしまう」ということです。

CSMA/CD ── 衝突と向き合うための仕組み

衝突が起きることを前提に、「起きたらどうするか」を決めたルールが CSMA/CD です。スイッチが主流になる前、ハブが主役だった時代に使われていました。

一語ずつ分解します。

CS ── Carrier Sense（キャリアセンス）

Carrier（キャリア）：運ぶもの（ここではケーブルに流れる電気信号のこと）
Sense（センス）：感知する、察知すること

つまり、 「回線が空いているか確認する」 という意味です。回線に他の信号が流れていないことを確認した上で、データを流し始めます。回線に信号が流れていないことを確認したうえで信号を流し始めます。

MA ── Multiple Access（マルチプルアクセス）

Multiple（マルチプル）：複数の
Access（アクセス）：接続すること、利用すること

これは、「1本の通信路をみんなで自由に共有する」という意味です。同じ回線に繋がっている機器なら、誰でも自由に信号を流すことができます。

CD ── Collision Detection（コリジョンディテクション）

Collision（コリジョン）：衝突
Detection（ディテクション）：見つけること、検知すること

これは、「データが衝突していないか見張る」という意味です。信号を送った後、他の信号とぶつかっていないかを監視します。

衝突が起きたあとの流れ

CSMA/CDの動きを順番に追ってみます。

確認：ケーブルが空いていると判断したら、データを送り始める
発生：別の機器がまったく同じ瞬間に送信を始め、データが衝突する
通知：衝突を検知した機器は送信を止め、周りに「JAMシグナル（衝突の通知）」を流す
待機：通知を受け取ったすべての機器が、ランダムな時間だけ待ってから送り直す

この「ランダムな時間」が最大のポイントです。もし全員が「1秒待つ」という同じルールにしていると、1秒後にまた同時に送り始めて再び衝突してしまいます。

待つ時間をバラバラにすることで、2回目の衝突を防ぐ工夫をしています。CSMA/CDは衝突をゼロにする仕組みではなく、「衝突した後のリカバリ方法」を定めたルールなのです。

衝突が多いとどうなるか

ハブを使った環境で機器の台数が増えてくると、衝突が頻発するようになります。

空き待ちの発生：誰かが通信している間、他の機器は終わるのをじっと待ちます。
一斉の送信：通信が終わり回線が空いた瞬間、待っていた複数の機器が一斉にデータを流し始めます。
衝突の悪循環：その結果、衝突が発生する確率が跳ね上がります。

衝突を検知すると、各機器はランダムな時間だけ待ってから送り直します。しかし、接続されている台数が多すぎると、たため同じ待ち時間になってしまう機器が出てきます。

すると、せっかく送り直した瞬間にまた衝突し、さらに待ち時間が延びるという最悪のループに陥ります。

ユーザーから見ると、以下のようなネットワークの遅さとして現れていました。

画面が重い：ウェブページの読み込みが極端に遅くなる
通信が途切れる：ファイルの転送が途中で止まってしまう
順番が来ない：特定の機器が大きなデータを送り続けると、他の機器がまったく通信できなくなる

ハブが主役だった時代、オフィスのネットワークで起きていた「通信が重い」というトラブルの多くは、このデータ衝突の多発が原因だったのです。

スイッチによる衝突ドメインの分割

スイッチングハブ（以下、スイッチ）は、ポートごとに衝突ドメインを分割します。

例えば5台のパソコンがスイッチに接続されていれば、衝突ドメインは5つです。パソコンAとスイッチの間、パソコンBとスイッチの間というように、各機器が独立した専用の通信路を持っています。つまり、1つの衝突ドメインの中には「パソコン1台」と「スイッチのポート1基」の2台（1対1）しか存在しません

パソコンAとBが同時にデータを送り始めても、経路が異なるため衝突（コリジョン）は発生しません。また、AとBが同時にパソコンD宛てにデータを送信した場合、スイッチは内部バッファ（メモリ）にデータを一時的に蓄え、順番に処理して送り出します。そのため、データ同士が衝突することはありません。

これにより、かつて使われていたCSMA/CDのような「衝突を前提とした制御」や「衝突後のリカバリ手順」は、原則として不要になります。

さらにスイッチは、ポートの番号とそこに接続されている機器のMACアドレス（機器に割り当てられた固有の識別番号）を対応付けて学習します。

AからB宛てに送られたデータは、Bが接続されているポートにだけピンポイントで転送されます。従来のハブ（リピーターハブ）のように、関係のない全ポートへ無差別にデータを流すことはありません。そのため、宛先ではないポートの機器に無駄なデータが届くのを防げます。

このようにポートごとに衝突ドメインが分割された結果、送信と受信を同時に行う全二重通信（フルデュプレックス）が可能になります。お互いの通信が干渉しないため、データを送りながら同時に受け取ることができるのです。

衝突しないのになぜ「衝突ドメイン」と呼ぶのか？

「全二重通信で衝突が完全にゼロになるなら、そもそも『衝突ドメイン』という言葉を使う必要はないのでは？」と思うかもしれません。これには技術的な理由が2つあります。

1. ルールの切り替えで復活する空間だから

全二重のときは衝突が起きませんが、設定ミスや古い機器の接続によって片方が「半二重（交互に通信する古いモード）」に切り替わると、そのポートとパソコンの間でたちまち衝突が発生します。つまり、器としての「範囲（ドメイン）」自体はそこに存在し続けており、全二重という仕組みで衝突の発生率をゼロに抑え込んでいる状態なのです。

2. ネットワークの構造を説明するのにわかりやすい言葉だから

通信の歴史と設計図のルールが残っているから現在のネットワークの仕組みは、もともと「1本のケーブルを全員で共有し、データが衝突するトラブルと戦うこと」から発展してきました。技術が進歩して衝突は起きなくなりましたが、基本となる設計図の単位として「衝突ドメイン」という名前がそのまま残っています。また、ネットワーク全体にデータが届く範囲を示す「ブロードキャストドメイン」という別の概念と区別するためにも、この言葉は今でも欠かせません。

今のネットワークにおける「衝突ドメイン」とは、「スイッチの1つのポートがカバーする、1対1の最小の通信空間」の言い換えだと捉えると理解しやすいでしょう

スイッチはどうやって衝突ドメインを分けているのか

スイッチの内部には、届いたデータを一時的にキープしておく「保管場所（メモリ）」があります

データが届くと、スイッチはそれをいったん受け取り、中身に書かれている「宛先MACアドレス」をしっかりと確認してから、正しいポートへと送り出します。ハブのように電気信号をそのまま右から左へ垂れ流すのではなく、「受け取る → 宛先を読み解く → 正しい道へ送り出す」というステップを踏んでいるのです。

この高度な処理を、スイッチ内部にある「通信専用のスピード処理チップ」が一瞬で行っています。

この仕組みがあるおかげで、各ポートの通信はスイッチの内部で完全に切り離されます。物理的に別々の独立した回線でつないでいるのと同じ状態を、1台の機器の中でスマートに実現しているのです。スイッチが「賢いハブ」と呼ばれる理由は、この内部での丁寧な仕分け作業にあります。

ハブとスイッチ、衝突ドメインの違いをまとめると

5台の機器が接続されている場合を並べます。

機器	衝突ドメインの数	通信方式	帯域の扱い
ハブ	1つ（全台が共有）	半二重	全台で割り算
スイッチ	5つ（ポートごと独立）	全二重	ポートごと独立

ハブでは、1台が通信しているあいだ、残りは全員待機です。スイッチでは、各ポートが独立しているため、複数の機器が同時に通信を行えます。現代のネットワークでハブがほぼ使われなくなったのは、この違いが積み重なった結果です。

まとめ

衝突（Collision） ：複数の機器が同時にデータを送ることで、信号がぶつかり合ってデータが壊れてしまう現象です。
衝突ドメイン（Collision Domain） ：「衝突が起きる可能性のある範囲」のことで、この範囲が広いほど順番待ちや衝突が増えて全体のスピードが落ちます
ハブ：接続されたすべての機器で1つの衝突ドメインを共有するため、台数が増えるほど衝突が頻発し、通信の通り道も全員で分け合うことになります。
CSMA/CD ：衝突が起きたことを検知して送信を止め、ランダムな時間を置いてから送り直す仕組みで、衝突を防ぐのではなく「起きた後に対処する」ルールです。
スイッチ ：ポートごとに衝突ドメインを1対1に切り離し、送りながら受け取れる通信を実現することで、衝突の問題を根本から解消しています。

前回の「半二重と全二重」と今回の「衝突ドメイン」はセットで理解すると、どちらもよりクリアになります。次回はこの流れをさらに掘り下げていきます。

ネットワークインターフェース層とは？役割とルールで理解するレイヤー1の仕組み【第17回】

Sun, 17 May 2026 00:00:00 +0000

この記事でわかること

ネットワークインターフェース層には複数の「役者」が登場します。それぞれが解くべき問題と守るべきルールを持っています。

ケーブル：電気信号の「道」。2本の線をねじり合わせたツイストペア構造でノイズを打ち消す
ハブ：複数機器をつなぐ中継点。信号を全員へ送るため衝突（コリジョン）が起きる。それを防ぐルールが「半二重通信」
MACアドレス：機器ごとに割り当てられた世界に一つの識別番号。「誰に届けるか」を特定するための住所
スイッチ：MACアドレスを学習して宛先だけに届ける。衝突がなくなり、送受信を同時に行える「全二重通信」が実現する
フレーム：宛先・送信元・データをひとまとめにした「封筒」。スイッチはこれを読んで振り分けを判断する

はじめに

前回の記事では、TCP/IPモデルという「ネットワークの設計図」を学びました。その一番下の層が「ネットワークインターフェース層」です。

前回はこの層を「郵便で言うと、実際に道路を走って手紙を運ぶ部分」と説明しました。どんな仕組みが整っていても、物理的に運ぶ手段がなければデータは届きません。ネットワークインターフェース層は、その「運ぶ手段」を担う層です。

これまでの連載で、ケーブル・ハブ・スイッチ・MACアドレスをひとつひとつ学んできました。これらはバラバラに存在しているわけではありません。コンピュータ同士がデータをやり取りするには、解決しなければならない問題が段階的にあり、問題ごとに「担当する役者」と「守るべきルール」が決まっています。

コンピュータ同士がデータをやり取りするとき、何が必要か？

たとえば、あなたのパソコンから隣のパソコンにファイルを送ることを想像してください。

これを実現するには、いくつかの問題を順番に解決しなければなりません。

そもそも、どうやって信号を届けるのか？
複数の機器が同じ回線を使うとき、どう管理するのか？
たくさんある機器の中から、正しい相手を特定するには？
特定した相手だけに、効率よく届けるには？

ネットワークインターフェース層は、この4つの問題に答える層です。順番に見ていきましょう。

ルールとは「お互いが前提として共有するもの」

各役割を見ていく前に、大事なことをひとつ押さえておきます。

ネットワークにおける「ルール」とは、送る側と受け取る側の両方が、同じルールを知っていることを前提に成立するものです。

たとえば「通信を開始する際の最初の信号は何にするか」というルールを、送る側だけが知っていても意味がありません。受け取る側も同じルールで解釈しなければ、送られてきた信号のうち、どこまでがあいさつでどこからが本題のデータなのか判断が付きません。どちらか一方がルールを知らなかったり、守らなかったりすると、信号は届いても「意味のあるデータ」として成立しません。

そしてこれは、ソフトウェアの話だけにとどまりません。ケーブル・ハブ・スイッチを作るメーカーも、このルールに乗っとって製品を開発しています。 だから、異なるメーカーのケーブルとスイッチを組み合わせても、同じルールを守っている限りきちんと通信できるのです。

ルールとは「誰もが守ることで、はじめて機能する約束事」です。

役割① 信号を物理的に届ける ─ ケーブル

問題：データは「なにか」に乗らないと動けない

コンピュータの中でデータは電気信号です。その信号を別のコンピュータへ届けるには、信号を運ぶ「道」が必要です。

ルール：ツイストペアケーブルを使う

この役割を担うのがケーブルです。

一般的に使われているのがツイストペアケーブル。

Twist（ツイスト）＝ねじる
Pair（ペア）＝対（2本1組）

2本の電線をらせん状によりあわせることで、外部からの電気的なノイズを打ち消し、信号を安定して伝えられる構造になっています。

ケーブルの役割は、ただ一つ。「電気信号の通り道になること」です。どんな高度な仕組みも、この物理的な道がなければ始まりません。

役割② 複数の機器をつなぐ ─ ハブ、そして半二重のルール

問題：1本の回線を複数人で共有すると信号がぶつかる

コンピュータが2台だけなら話は簡単ですが、現実には複数の機器をつなぐ必要があります。

複数の機器を1本の回線で共有すると、同時に送信したときに信号がぶつかって壊れるという問題が起きます。これを コリジョン（衝突） といいます。

登場したのがハブ

Hub（ハブ） は、複数のケーブルを1か所に集める中継点です。

Hub（ハブ） は、車輪の中心部を指す言葉。スポークが一点に集まるように、複数のケーブルを集約します。

ただし、ハブには大きな制約がありました。「届いた信号を、つながっている全員へそのまま送る」だけの機器だったのです。

【ハブ：届いた信号を全員へ送る】

   PC-A ──┐
   PC-B ──┼── ハブ ──→ PC-A, PC-B, PC-C, PC-D 全員に届く
   PC-C ──┤              （PC-B が PC-C 宛に送ったつもりでも）
   PC-D ──┘

これでは、複数の機器が同時に送信すると衝突が起きてしまいます。

ルール：半二重通信（交互にしか送れない）

この問題に対するルールが半二重通信です。

Half（ハーフ）＝半分
Duplex（デュプレックス）＝二重・双方向

「半分だけ双方向」、つまり送信と受信は交互にしか行えないというルールです。

トランシーバーをイメージするとわかりやすいです。「どうぞ」と言って交互に話すあれです。片方が話している間、もう片方は待たなければなりません。

ハブを使う環境では、このルールによって衝突を防いでいました。ただし、「待ち時間が生まれる」という効率の問題は残ります。

役割③ 正しい相手を特定する ─ MACアドレス

問題：たくさんある機器の中から、誰に届ければいいのか？

ネットワーク上には複数の機器がつながっています。データを送るとき、「誰に届けるか」を識別する手段がなければ、正しい相手に届けられません。

ルール：MACアドレスで機器を一意に識別する

この役割を担うのがMACアドレスです。

MACは Media Access Control（メディア・アクセス・コントロール） の略です。

Media（メディア）＝媒体（ケーブルなどの伝送路）
Access（アクセス）＝接続・利用
Control（コントロール）＝管理・制御

「伝送路へのアクセスを管理するための識別子」という意味です。

MACアドレスはネットワーク機器に製造時から書き込まれた世界に一つの番号で、00:1A:2B:3C:4D:5E のような形式で表されます。

住所のようなものですが、住所と違うのは「自分で決める」のではなく「生まれながらに持っている」点です。

役割④ 正しい相手だけに届ける ─ スイッチ、そして全二重のルール

問題：全員に送るのは無駄で、セキュリティ上もよくない

ハブは届いた信号を全員へ送っていました。つまり、宛先ではない機器にもデータが届いてしまいます。これは無駄なだけでなく、情報が漏れるリスクもあります。

ルール：MACアドレスを学習して、宛先だけに届ける

この問題を解決したのが スイッチ（Switch） です。

Switch（スイッチ）＝切り替える、振り分ける

スイッチがハブと根本的に違うのは、「どのポートにどのMACアドレスの機器がつながっているかを学習して記憶する」点です。

【スイッチ：宛先の機器だけに届ける】

   PC-A ──┐
   PC-B ──┼── スイッチ ──→ PC-C だけに届く
   PC-C ──┤              （PC-B が PC-C 宛に送った場合）
   PC-D ──┘

スイッチはどうやって「誰がどこにいるか」を知るのか

スイッチは起動直後、どの機器がどのポートにいるかを知りません。データが届くたびに「送信元のMACアドレス」と「届いたポート番号」をセットで記録し、少しずつ全機器の場所を把握していきます。この記録をMACアドレステーブルといいます。

MACアドレステーブル（スイッチ内部の記録）

┌────────┬──────────────────────┐
│ ポート │   MACアドレス        │
├────────┼──────────────────────┤
│   1    │  00:1A:2B:3C:4D:01  │  ← PC-A
│   2    │  00:1A:2B:3C:4D:02  │  ← PC-B
│   3    │  00:1A:2B:3C:4D:03  │  ← PC-C
│   4    │  00:1A:2B:3C:4D:04  │  ← PC-D
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データが届いたとき、スイッチはMACアドレステーブルを照合して「このデータは3番ポートへ届ければいい」と判断します。全員に送るのではなく、必要な相手だけへピンポイントに届けるのがスイッチのルールです。

さらに全二重通信も実現できる

スイッチが宛先を絞って届けるようになったことで、衝突が起きなくなりました。衝突がなくなれば、「交互に送る」ルール（半二重）をやめることができます。

これが全二重通信です。

Full（フル）＝完全な
Duplex（デュプレックス）＝二重・双方向

「完全に双方向」、つまり送信と受信を同時に行える状態です。電話のように、お互いが同時に話せます。スイッチの登場によって、ネットワークの通信効率は大幅に向上しました。

役割をつなぐ「封筒」 ─ フレーム

ここまでの役割とルールを実際に機能させるには、データを送るときに「宛先のMACアドレス」「送信元のMACアドレス」などの情報をひとまとめにして送る必要があります。

その「封筒」にあたるのが フレーム（Frame） です。

Frame（フレーム）＝額縁・枠。データを枠で包んだ構造体。

フレームには以下の情報が含まれています。

項目	役割
宛先MACアドレス	どの機器に届けるか
送信元MACアドレス	どの機器から送ったか
データ本体	実際に伝えたい内容
エラーチェック情報	壊れていないかを確認

スイッチはフレームの中にある宛先MACアドレスを読んで、MACアドレステーブルを照合し、どのポートへ届けるかを判断しています。フレームは、これまでの役割とルールが「実際に動くための形」です。

まとめ ─ 役割とルールの全体図

今回学んだ内容を、「問題 → 役割 → ルール」でまとめます。

問題	担当する役者	ルール
信号を物理的に届けたい	ケーブル	ツイストペアケーブルで電気信号を伝える
複数の機器をつなぎたいが衝突が起きる	ハブ	半二重通信（送受信を交互に行う）
誰に届けるか特定したい	MACアドレス	機器ごとに固有の番号で識別する
宛先だけに効率よく届けたい	スイッチ	MACアドレステーブルで学習・振り分け、全二重通信を実現
これらをひとまとめにして送りたい	フレーム	宛先・送信元・データをひとつの封筒にまとめる

ネットワークインターフェース層は、「道具の集まり」ではなく「役割とルールの集まり」です。それぞれが解くべき問題を持ち、そのためのルールが存在しています。

次の記事では、TCP/IPモデルの第2層「インターネット層」に進みます。今回の「同じネットワーク内での届け方」から、「別のネットワークへの届け方」へ、スコープが広がります。