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ネットワークトポロジーの種類について解説

更新日: 8月 25, 2026

執筆: NAKIVOチーム

コンピュータネットワークを構築する際には、どのネットワークトポロジーを採用するかを決定する必要があります。現在、さまざまな種類のネットワークトポロジーが使用されており、それぞれに長所と短所があります。選択するトポロジーによって、ネットワークの最適なパフォーマンス、拡張性の選択肢、保守のしやすさ、そしてネットワーク構築のコストが決まります。そのため、適切なネットワークトポロジを選択することが重要です。

このブログ記事では、ネットワークトポロジの種類、その長所と短所について解説しています。また、さまざまなシナリオでどのネットワークトポロジを使用すべきかについての推奨事項も紹介しています。特定のネットワークトポロジを使用した実践的な例を参照することで、各トポロジがどのような場合に適用できるかを理解するのに役立ちます。

ネットワークトポロジーとは何ですか？

ネットワークトポロジー、あるいはネットワーク構成とは、ネットワークの構造や、ネットワーク構成要素がどのように接続されているかを定義するものです。ネットワークトポロジーの種類は、通常、わかりやすく説明するためにネットワークトポロジー図を用いて表されます。ネットワークトポロジーには、物理トポロジーと論理トポロジーの2種類があります。

物理トポロジー コンピュータネットワークにおいて、ネットワークデバイス(コンピュータ、ステーション、またはノードと呼ばれる)が物理的にどのように接続されているかを説明します。幾何学的構成、接続、相互接続、デバイスの配置、使用されるネットワークアダプタの数、ネットワークアダプタの種類、ケーブルの種類、ケーブルコネクタ、およびその他のネットワーク機器などが、物理的なネットワークトポロジの構成要素となります。

論理トポロジー あるステーションから別のステーションへのデータの流れ、データの送受信方法、ネットワーク内でのデータの経路、および使用されるプロトコルを示しています。論理ネットワークトポロジーは、物理トポロジー上でデータがどのように転送されるかを説明します。クラウドおよび仮想ネットワークリソースは論理トポロジの一部である。

ポイント・トゥ・ポイントのネットワークトポロジー

ポイント・ツー・ポイントのネットワークトポロジーは、2台のコンピュータやその他のネットワーク機器のみが相互に接続される場合に用いられる、最も単純なネットワークトポロジーです。この場合、ケーブルは1本のみ使用されます。ポイント・ツー・ポイントのネットワークトポロジーの最も一般的な例としては、2台のコンピュータ(RJ-45ポートを備えたイーサネットネットワークアダプタを搭載したもの)をツイストペアケーブルで接続する場合が挙げられます(UTP Cat 5e, FTP Cat 5e, STP Cat 5e, など)。ポイント・トゥ・ポイント型のトポロジーは、P2Pトポロジーとも呼ばれます。

さまざまな点については、ブログ記事の最後のセクションを参照してください。 ケーブルの種類.

カテゴリのイーサネットクロスオーバーケーブル 5e 4組の撚り合わせペアからなるケーブルです。このケーブルの両端にはRJ-45コネクタが取り付けられており、一方の端はT568A配線、もう一方の端はT568B配線となっています。クロスケーブルは、異なるコンピュータに搭載された2枚のイーサネットカードなど、同じ種類のネットワーク機器同士を接続するために使用されます。最新のネットワークカードでは、ポイント・トゥ・ポイントのネットワークトポロジーを用いて2台のコンピュータを接続する場合、クロスケーブルを使わずにパッチケーブルだけで接続が可能です。この接続が可能となるのは、イーサネットのAuto MDI-X(メディア依存インターフェースクロスオーバー)機能がサポートされているためです。

パッチコードまたはパッチケーブルは、コンピュータのネットワークカードとスイッチを接続したり、スイッチ同士を接続したりするために使用されます。パッチコードの両端は、T568B規格に従って圧着されています(パッチコードの両端にT568Aを使用することも可能ですが、この方法は一般的ではありません)。

バスネットワークのトポロジー

バストポロジーでは、メインケーブルは"共通ケーブル"または"バックボーンケーブル"と呼ばれます。各ステーションは、"ドロップライン"と呼ばれる別のケーブルを介してこのメインケーブルに接続されます。ドロップラインをメインケーブルに接続するには、タップ装置が使用されます。バストポロジーでのネットワーク構築には、通常、インピーダンスが約50～52オームのRG-58同軸ケーブルが使用されます。ネットワークの各部分を接続したり、ケーブルをネットワークカードに接続したりするには、BNC(Bayonet Neill-Concelman)コネクタが使用されます。ターミネータは、バックボーンケーブルの両端に設置される装置で、信号を吸収し、バスへ信号が反射するのを防ぎます(信号が反射すると、ネットワークに深刻な問題が生じます)。

バストポロジの設置難易度は中程度です。このトポロジは、他の種類のネットワークトポロジに比べて必要なケーブル数が少なく、コストも抑えられます。このネットワークトポロジは、小規模なネットワークで使用されます。バックボーンケーブルの長さに制限があり、バックボーンケーブルに接続できるノード数にも制限があるため、拡張性は低くなります。すべてのネットワーク機器は1本のケーブルに接続されています。

バストポロジーでは、ネットワーク障害の検出が困難です。メインケーブルが損傷すると、ネットワークはダウンします。ノードが1つ追加されるごとに、ネットワーク内のデータ伝送速度は低下します。データは一方向のみに送信され、 half-duplex. あるステーションが宛先ステーションにパケットを送信すると、そのパケットはすべてのステーションに送信されます(ブロードキャスト通信)。しかし、パケットを受信するのは宛先ステーションのみです(データフレーム内の宛先MACアドレスを確認した後)。この動作原理はネットワークの過負荷を引き起こすため、合理的ではありません。バストポロジー型のネットワークは、次のように動作します。 half-duplex モード。

その half-duplex このモードでは、ネットワーク内のステーションが同時にデータの送受信を行うことはできません。データがどちらの方向に転送される場合でも、チャネルの帯域幅全体が使用されます。あるステーションがデータを送信している間、他のステーションはデータの受信のみが可能です。

この full-duplex このモードでは、両局が同時にデータの送受信を行うことができます。リンクの容量は、一方向に向かう信号と反対方向に向かう信号の間で共有されます。リンクには、データの送受信を行うための2つの独立した物理経路が必要です。あるいは、全容量を両方向の信号間で分割することも可能です。

10BASE2は、同軸ケーブルを使用したイーサネットネットワーク向けのIEEE 802.3仕様の一部です。ケーブルの最大長は185～200メートルです。10BASE5規格における太い同軸ケーブルの最大長は200メートルです。

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)は、ネットワーク内で衝突(2台以上のデバイスが同時にデータを送信し、その結果、送信データが破損すること)を防ぐために使用される技術です。このプロトコルは、どのステーションがどのタイミングでデータを送信できるかを決定します。IEEE 802.3は、CSMA/CDプロトコルを使用したLAN(ローカルエリアネットワーク)のアクセス方式を定義する規格です。

トークンバス

IEEE 802.4 は、 Token Bus 論理的な構造を作成するために使用される標準 token ring バストポロジーを用いて構築されたネットワークにおいて。トークンは、時計回りまたは反時計回りの論理リングを表す所定の順序で、あるステーションから別のステーションへと渡されていきます。次の図では、ステーション3の隣接ステーションはステーション1とステーション5であり、方向に応じてそのうちの1つがデータ送信のために選択されます。ネットワーク内でフレームを送信できるのは、トークン保持者(トークンを保有しているステーション)のみです。IEEE 802.4は、IEEE 802.3プロトコルよりも複雑です。

プレアンブル(1バイト)は同期のために使用されます。
開始区切り文字(1バイト)は、フレームの先頭を示すために使用されるフィールドです。
フレーム制御(1バイト)は、このフレームが制御フレームかデータフレームかを検証します。
宛先アドレス(2～6バイト)は、宛先ステーションのアドレスを指定します。
送信元アドレス(2～6バイト)は、送信元ステーションのアドレスを指定します。
ペイロード(0～8182バイト)は、ネットワーク層からの有用なデータを格納するための可変長のフィールドです。2バイトのアドレスを使用する場合、最大値は8182バイトとなります。アドレスの長さが6バイトの場合、それに応じてペイロードフィールドの最大サイズは8174バイトとなります。
チェックサム(4バイト)は、エラー検出に使用されます。
終了区切り文字(1バイト)は、フレームの終了を示す。

バス型ネットワークトポロジーは、大量のトラフィックを転送するネットワークには推奨されません。1990年代には同軸ケーブルを用いたバス型ネットワークトポロジーが使用されていたこと、また最大速度が10 Mbit/sであることを考慮すると、現在ではネットワークの構築にこのトポロジーを使用すべきではありません。

リング型ネットワークトポロジー

リング型ネットワークトポロジーは、バストポロジーの変形です。リング型ネットワークトポロジーでは、各ステーションは両側の2つのステーションに接続されています。これら2つのステーションは、そのステーションの隣接ステーションとなります。データは一方向に順次伝送されるため、ネットワークは half-duplex モード。終端抵抗はなく、リングの最後のステーションは最初のステーションに接続されています。リングトポロジーはバストポロジーよりも高速です。リングトポロジーのネットワークを構築するために使用される同軸ケーブルやコネクタは、バストポロジーのネットワークで使用されるものと同じです。

リングトポロジーを使用して大規模なネットワークを構築する場合、長いケーブル区間を介してステーション間でデータを転送する際のデータ損失を防ぐために、リピーターを使用してください。一般的に、各ステーションはリピーターとして機能し、信号を増幅します。データが送信されると、そのデータはリングに沿って伝わり、中間ノードを通過しながら、宛先デバイスで受信されるまで進みます。

ネットワークに接続されているステーションの数が多い場合、遅延が大きくなる可能性があります。例えば、ネットワーク内に100台のコンピュータがあり、最初のコンピュータがリング上の100番目のコンピュータにパケットを送信する場合、そのパケットは宛先のコンピュータに到達するまでに99台のステーションを通過しなければなりません。データは順次転送されることに留意してください。すべてのノードはデータを送信するためにアクティブな状態を維持する必要があり、このため、リングトポロジーはアクティブネットワークトポロジーに分類されます。ネットワーク内では一度に1つのノードしかパケットを送信できないため、パケットの衝突リスクは低減されます。この方式により、ネットワーク内の各ノードに均等な帯域幅が確保されます。

トークンリング

その token ring このネットワークは、IEEE 802.5規格に準拠して実装されています。このトポロジーは、トークン方式を採用して動作します。 Token ring これは、1984年にIBMによって導入された技術です。トークンは、ループ上を一方向に移動するマーカーです。トークンを保持しているノードのみがデータを送信できます。

ネットワークで最初に動作を開始したステーションは、監視ステーション(アクティブモニター)となり、ネットワークの状態を制御し、リング内を漂っているフレームを排除します。そうしなければ、漂っているフレームがリング内を無期限に循環し続けてしまいます。アクティブ・モニターは、トークンの紛失を回避するため(新しいトークンを生成することで)や、クロックエラーの検出にも使用されます。

IEEE 802.5のフレーム形式では、 token ring ネットワークは、以下の図に示されています。

開始区切り文字(1バイト)は、同期およびトークンが到着したことをステーションに通知するために使用されます。
アクセス制御(1バイト)は、トークンビット、モニタービット、および優先度ビットを含むフィールドです。
フレーム制御(1バイト)
宛先アドレス(6バイト) – 宛先デバイスのMACアドレスを指定します。
送信元アドレス(6バイト) – 送信者のMACアドレスを指定します。
ペイロード(0バイト以上)とは、フレーム内で転送される有用なデータ(IPパケット)のことであり、そのサイズは0から最大トークン保持時間までの範囲で変動する。
チェックサム(4バイト)は、フレームチェックシーケンス(FCS)またはCRC(巡回冗長検査)とも呼ばれ、フレーム内のエラーをチェックするために使用されます。破損したフレームは破棄されます。
終了区切り文字(1バイト)は、フレームの終わりを示します。
フレームステータス(1バイト)は、データフレームを終了させるために使用されるフィールドであり、ACKの役割を果たします。このフィールドは受信側によって設定可能であり、MACアドレスが認識され、フレームがコピーされたかどうかを示します。

リングトポロジーの構築難易度は中程度です。ネットワークデバイスを追加または削除する場合、変更が必要なのは2つのリンクのみです。リングトポロジーの構築費用はそれほど高くありません。しかし、メリットはこれだけです。

それでは、リングネットワークトポロジーのデメリットについて見ていきましょう。ネットワークの各区間が障害点となり得ます。障害の原因としては、ケーブルの断線、コンピュータのネットワークアダプタの破損、ケーブルの接続切れなどが挙げられます。リンクに障害が発生した場合、信号が障害点を通過できなくなるため、ネットワーク全体が機能しなくなります。1つのステーションが故障すると、ネットワーク全体が機能しなくなります。すべてのデータは、宛先ノードに到達するまで、すべてのノードを経由してリング上を循環します。そのため、トラブルシューティングは困難です。

リングトポロジのネットワークでは、すべてのノードが帯域幅を共有します。その結果、リングにノードを追加すると、通信遅延やネットワークパフォーマンスの低下が発生します。ネットワークの再構成やノードの追加・削除を行うには、ネットワークの接続を切断し、オフラインの状態を維持する必要があります。ネットワークのダウンタイムは、組織にとって不便であり、コスト効率も良くありません。したがって、リングネットワークトポロジは、スケーラブルで信頼性の高いネットワークを構築するための最適な選択肢とは言えません。

ローカルエリアネットワークにおけるリング型ネットワークトポロジーは、ツイストペアケーブルを用いたイーサネット規格や、より先進的なスター型トポロジーが広く普及し始める1990年代まで、広く採用されていました。現在では、4 Mbit/sまたは16 Mbit/sという低いネットワーク速度や、前述のその他の欠点があるため、リング型トポロジーは使用されておらず、家庭やオフィスでの利用も推奨されていません。

デュアルリング

デュアルリングは、リングトポロジーの改良版です。リング内のノード間に2つ目の接続を追加することで、双方向でのデータ転送が可能になり、ネットワークは full-duplex モード。ネットワーク内では、データは時計回りおよび反時計回りの両方向に送信されます。最初のリング内のリンクに障害が発生した場合、2番目のリングをリンクのバックアップとして使用し、最初のリングの問題が解決されるまでネットワークの運用を継続することができます。

光学リング 現代のネットワークでは、リング型ネットワークトポロジーが採用されています。このネットワークトポロジーは、主にインターネットサービスプロバイダー(ISP)やマネージドサービスプロバイダー(MSP)が、広域ネットワーク(WAN)での接続を構築するために使用しています。

光ファイバーリングの構築に使用される技術と規格:

IEEE 802.17として知られるレジリエント・パケット・リング(RPR)
ネットワーク内のループを回避するためのSTP(スパニングツリープロトコル)
複数セクション共有保護リング(MS-SPRing/4、MS-SPRing/2 など)
サブネットワーク接続保護(SNCP)
4ファイバー双方向ラインスイッチドリング(BLSR/4)、BLSR/2など
同期転送モジュール(STM-4、STM-16、STM-64など)
同期光ネットワーク(SONET)および同期デジタル階層(SDH)

ファイバーリングの構築には、適切な規格に対応したスイッチなどの業務用ネットワーク機器が使用されます。このハードウェアの価格は高額です。高可用性を備えた光リングは、都市内の異なる地区や異なる都市にあるノードを、高可用性かつ高速なネットワークに接続するために使用されます。

スター型ネットワークトポロジー

スタートポロジーは、その多くの利点から、現在最も一般的に使用されているネットワークトポロジーです。このトポロジーでは、"スイッチ"と呼ばれる集中管理ユニットが必要であり、他のすべてのネットワーク機器は、それぞれのネットワークケーブルを介してこのスイッチに接続されます。スイッチには複数のポート(通常は4、5、8、16、24、48など)があり、ネットワーク上で相互に通信を行うために必要なすべてのステーションがスイッチに接続されます。この場合、2つの端末間の間に直接的な物理的な接続はありません。ネットワーク上で2つの端末が相互に通信を行う場合、フレームは送信側のネットワークアダプタから発信され、スイッチへと送信されます。その後、スイッチがそのフレームを再転送し、宛先端末のネットワークカードへと届けられます。

スター型ネットワークトポロジーは拡張が容易です。スイッチに空きポートがない場合は、ポート数の多いスイッチに交換するか、パッチコードを使って既存のスイッチに別のスイッチを接続し、スター型トポロジーのネットワークを拡張します。ただし、ネットワークの負荷が高い場合、異なるスイッチに接続されたステーション間のデータ転送速度は、同じスイッチのポートに接続されたステーション間のデータ転送速度よりも低くなる可能性があるため、スイッチ間のこの接続がボトルネックとなる点に注意してください。ネットワークに端末を追加する必要がある場合は、パッチコードを用意し、一方の端を端末のネットワークアダプタに、もう一方の端をスイッチに接続します。

スイッチに接続されている端末のいずれかが故障しても、ネットワークは中断することなく動作し続けます。一方、スイッチがオフラインになると、ネットワークは動作しなくなります。 Full-duplex そして half-duplex スター型ネットワークトポロジーでは、複数のモードがサポートされています。このトポロジーは保守の面で容易です。

ネットワーク機器を接続する際は、ループの発生を避けてください。レイヤー2で動作する2つのネットワーク機器間に3つ以上の接続が存在すると、ループが発生します。たとえば、2本のパッチコードを使用して2台のスイッチを接続したり、1台のスイッチの2つのポートにパッチコードを差し込んだりすると、ループが発生します。ループが発生すると、ネットワーク内の通信が途絶え、不要なネットワークケーブルを取り外してスイッチの電源を切るまで、ブロードキャストストームが継続します。冗長接続を構築したい場合は、NICチームングまたはリンクアグリゲーションをサポートする複数のネットワークアダプタを備えたデバイスを使用してください。

ハブとスイッチ:その違いは？

ハブもスイッチも、スター型トポロジーを採用したローカルエリアネットワーク(LAN)において、複数のデバイスを接続するために使用されます。フレームを符号化した信号がハブのいずれかのポート(ケーブルでこのポートに接続されている送信側ステーション)に到着すると、その信号はハブのすべてのポートに送信され、ひいてはハブに接続されているすべてのデバイスに送信されます。そのフレームの宛先MACアドレスとして定義されたMACアドレスを持つネットワークカードを備えたステーションのみが、そのフレームを受信できます。宛先デバイスではなく、ネットワークアダプタのMACアドレスが異なる、ハブに接続された他のすべてのネットワークデバイスは、送信された信号を検知しても、このフレームを拒否します。ハブの欠点は、ネットワークに過負荷がかかることです。フレームは、ハブから宛先のネットワークカードへ送信されるのではなく、ハブのポートに接続されたすべてのデバイスへ送信されてしまいます。このネットワークのフラッディングにより、ネットワークの帯域幅が低下します。ハブはOSIモデルの第1層(物理層)で動作します。

スイッチは、より高度な機能を備えたデバイスです。スイッチは、接続されたデバイスのMACアドレスを記憶し、スイッチの各ポートに接続されたデバイスのMACアドレスをMACアドレステーブルに追加します。送信者が宛先デバイスにフレームを送信すると、そのフレームはスイッチに送られます。スイッチは宛先ステーションのネットワークカードのMACアドレスを読み取り、内部のMACアドレステーブルを参照して、宛先デバイスがスイッチのどのポートに接続されているかを特定します。その後、スイッチは、宛先デバイスのMACアドレスに関連付けられたポートにのみそのフレームを送信します。フラッディングやネットワークの過負荷は発生しません。この方式により、高いネットワークパフォーマンスが確保されます。スター型ネットワークトポロジーでスイッチを使用する場合、衝突は発生しません。スイッチはOSIモデルの第2層(データリンク層)で動作します。すべてのOSI層については、以下の表を参照してください。

オープンシステム相互接続モデル(OSI)

レイヤー番号	レイヤー名	プロトコル・データ・ユニット(PDU)	プロトコルおよび規格の例
7	用途	アプリケーションによって受信または送信されたデータ	HTTP、FTP、POP3、SMTP
6	プレゼンテーション	提示用にフォーマットされたデータ	SSL、TLS
5	セッション	ネットワーク接続に渡されるデータ	NetBIOS、SAP
4	輸送	TCPセグメント、UDPデータグラム	TCP、UDP
3	ネットワーク	パケット	IPv4、IPv6
2	データリンク	フレーム	イーサネット、PPP、STP、トークンリング
1	物理的	ビット	100BaseTX、RS232、ISDN

スイッチはハブよりも安全です。2011年以降、イーサネットネットワークに関する一連の規格およびプロトコルであるIEEE 802.3では、ネットワーク機器の接続にハブを使用することは非推奨となっています。

注記: スイッチ、ハブ、ルーター、モデム、およびWi-Fiアクセスポイントは、 稼働中のネットワーク機器. アクティブ機器は電子回路を備えており、動作には電力が必要です。ケーブル、コネクタ、トランシーバー、パッチパネル、ラックマウント、Wi-Fiアンテナなどは パッシブネットワーク機器 電力を必要としないもの。パッシブネットワーク機器は、アクティブネットワーク機器を相互に接続するために使用されます。

実生活におけるスター型トポロジー

従来のイーサネットネットワークがスター型ネットワークトポロジーをどのように採用しているか、またIEEE 802.3規格がどのように機能するかを詳しく見ていきましょう。ツイストペアケーブル(4×2線)が最も一般的です。これらのネットワークでは通常このケーブルが使用され、ケーブルの両端にはRJ-45コネクタ(8P8C、すなわち8ポジション8コンタクトとも呼ばれる)が圧着されています。ケーブルの両端は、EIA/TIA 568B規格に基づいて圧着されます。動作原理は同じであるため、EIA/TIA 568A規格を使用してケーブルの両端を圧着することも可能ですが、この方法は一般的ではありません。ケーブルに関する詳細情報は、ケーブルの種類このブログ記事の最後にあるセクション。

イーサネット規格

10BASE-T これはイーサネットの最初の実装であり、ツイストペアケーブルを使用しています(T "～の名において"とは、 Tツイストペア、 BASE (ベースバンド信号伝送を意味する)。ネットワークの最大速度は10 Mbit/sである。必要なケーブルは UTP Cat.3 以上(オレンジとグリーンのペアのみが使用されます)。

100BASE-TX"ファスト・イーサネット"として知られるこの規格は、1995年に策定されました(IEEE 802.3u)。この規格は、ネットワーク上で100 Mbit/sの通信速度を実現するものであり、以下の要件を定めています。 UTP Cat 5 ケーブル。

1000BASE-T これはギガビット・イーサネット(GbE または 1 GigE)として知られており、IEEE 802.3ab 規格(1999年に承認された)で規定されています。最大データ転送速度は 1000 Mbit/s(1 Gbit/s)です。必要なケーブルは UTP Cat 5e.

2.5GBASE-T この規格はIEEE 802.3bzと呼ばれ、最大データ転送速度は2.5 Gbit/sです。IEEE 802.3bz規格は2016年に承認されました。この UTP Cat 5e ケーブルが必要です。

5GBASE-T 2.5GBASE-Tと類似していますが、5 Gbit/sのデータ転送速度を実現し、より高品位のケーブルが必要となります―― UTP Cat 6.

10GBASE-T これは、銅線ケーブルを使用し、最大速度が10 Gbit/sの最速のイーサネット規格です。必要なケーブルは UTP Cat 6A. IEEE 802.3an規格には、10 Gbit/s接続におけるツイストペアケーブルの使用に関する仕様が定められています。

従来のイーサネット規格では、ケーブルにRJ-45コネクタが使用されています。

ツイストペアケーブルの要件を満たしている場合、上記の各規格において、2台のネットワーク機器のポート間のケーブルの最大長は100メートルです。 200メートル離れている2つのネットワーク機器を接続する必要がある場合は、100メートルのケーブルを2本使用し、各機器から100メートルの位置にある中央に設置されたスイッチに接続します。

各規格で最高速度を実現するには、適切なカテゴリのケーブルを使用し、必要なモードをサポートするスイッチ、およびスイッチに接続された機器のネットワークカードを使用するなど、最低要件を満たす必要があります。たとえば、ネットワーク内のデバイスを1 Gbit/sの速度で動作させたい場合は、これらのデバイスに1 Gbitのネットワークカードを装着し、1 Gbitのスイッチに接続し、 UTP Cat 5e EIA/TIA 568B規格に準拠して、RJ-45コネクタを圧着したパッチコード。接続されたすべてのデバイスが1 Gb/sの速度で動作する場合、それらは full-duplex モード。

オートネゴシエーションとは、最適なネットワーク速度とデータ転送モードを決定するために使用される機能です(full-duplex または half-duplex) 接続された別のデバイスのポートにリンクされているポートの場合。オートネゴシエーションにより、ケーブルのもう一方の端に接続されているポートの設定が自動的に判別され、より低い値に基づいてデータ転送速度が設定されます。100 Mbitのネットワークカードをパッチコードで1 Gbitのスイッチに接続する場合(Cat 5e)、その場合、ネットワーク接続の速度は100 Mbit/sとなります。以前の低速なイーサネット規格との下位互換性は、便利な機能です。

フレーム形式

標準的なイーサネット IEEE 802.3 フレームの長さは 1518 バイトであり、標準の MTU(最大伝送単位)は 1500 バイトです。ネットワーク内のステーション間で大量のデータをやり取りする必要がある場合は、フレームの MTU を 9000 バイトに設定できるジャンボフレームを使用するように設定してください。ジャンボフレームを使用すると、フレーム内の有用な情報とサービス情報の比率が高くなるため、データ転送時のパフォーマンス向上に役立ちます。ただし、すべてのデバイスがジャンボフレームに対応しているわけではありません。

スター型ネットワークトポロジーを使用するもう 1 つの利点は、この物理ネットワークトポロジーを採用したイーサネットネットワークが VLAN タグ付けをサポートしていることです。VLAN タグは、同じ物理インフラストラクチャを使用して物理ネットワークを論理ネットワークに分割するために使用されます。論理ネットワークは、フレームに書き込まれたVLANタグを使用して、OSIモデルの第2層で分離されます。この機能を使用するには、ハードウェアがVLANタグ付けに対応している必要があります。VLAN IDの範囲は0から4094までです。4094は、1つの物理ネットワーク内で作成可能なVLANネットワークの最大数です。

ここでは、スター型ネットワークトポロジーを採用するIEEE 802.3イーサネットネットワークのフレーム形式について解説します。

プリアンブル(7バイト)は、フレームの開始を示すものであり、送信側と受信側の間の同期に使用される。
フレーム開始区切り子(1バイト)は、常に10101011に設定されるフィールドです。SFD(フレーム開始区切り子)は、プリアンブルの終了とイーサネットフレームの開始を示すもので、続く宛先アドレスのビットの受信に備えます。このフィールドは、ネットワークデバイスが同期を取るための最後の機会となります。
宛先アドレス(6バイト)には、宛先となるネットワークカードのMACアドレス(例:E8:04:62:A0:B1:FF)が含まれます。宛先アドレスには、ユニキャスト、マルチキャスト、ブロードキャスト(FF:FF:FF:FF:FF:FF)があります。
送信元アドレス(6バイト)には、送信元デバイスの送信元ネットワークカードのMACアドレスが含まれます。送信元アドレスは常にユニキャストです。
タイプ(イーサネットタイプ)または長さ(2バイト)によって、イーサネットフレームの長さが定義されます。タイプフィールドには、レイヤー3(L3)プロトコル(0x0800 – IPv4、0x86DD – IPv6)や、フレームが802.1q VLANタグ付けを使用しているかどうか(0x8100)などが示されます。
データペイロード(標準フレームの場合は最大1500バイト、ジャンボフレームの場合は最大9000バイト)は、フレームによって伝送されるカプセル化されたL3パケットである。パケットは、OSIモデルの第3層(ネットワーク層)における典型的なPDU(プロトコルデータユニット)である。
チェックサム(FSCまたはCRC、4バイト)は、フレームの整合性を検証するために使用されます。CRCは送信側で計算され、受信側はフレームを受信した後、この値を計算して、フレーム内に含まれる受信側のCRC値と比較します。

イーサネットフレームの14バイトのヘッダーには、宛先アドレス、送信元アドレス、およびタイプ(長さ)が含まれています。VLANタグ付けが使用される場合、フレームの送信元アドレスフィールドの後に、4バイトのVLANタグ付けフィールドが追加されます。

光接続

スター型ネットワークトポロジーは、より長いケーブル区間や低遅延が必要な場合、光ケーブル(光ファイバー)を用いたネットワークの構築にも使用されます。10GBASE-Sおよび10GBASE-Eは、光ファイバーを用いて接続を確立する10 Gbit/sネットワーク向けの最新の規格です。この場合、スター型トポロジーのネットワークを構築するには、トランシーバーとSFPコネクタを備えたスイッチが必要となります。

SR (短距離)トランシーバーは、最大300メートルの距離で使用されます。

LR (長距離対応)トランシーバーは、300 m～3 kmの範囲のケーブル長に対応しています。

ER (長距離対応)トランシーバーは、30 km から 40 km までのケーブル長に対応しています。

マルチモード(MM)光ケーブルは、短距離(300 m 未満)で使用されます。

シングルモード(SM)光ケーブルは、長距離(300 m 以上)で使用されます。

銅線接続が可能なトランシーバーもあります Cat 6A 互換性を最大限に高めるため、RJ-45コネクタを備えたケーブルをSFP+ポートに接続します。光ケーブルは、LCコネクタを使用してトランシーバーに接続されます。光ケーブルを使用して物理ネットワークを構築することは、銅線ケーブルを使用してネットワークを構築するよりも困難です。 Cat 6A.

スタートポロジーの利点

スター型ネットワークトポロジーは優れています。スター型は、現在最も一般的なネットワークトポロジーです。このネットワークトポロジーの利点をまとめてみましょう。

1台の端末につきネットワークカード1枚で十分です
設置とメンテナンスが簡単
簡単なトラブルシューティング
高い信頼性と互換性
高速
ツイストペアケーブルおよび光ケーブルへの対応
柔軟性と拡張性

Wi-Fi接続

自宅やオフィスにアクセスポイントを設置して無線ネットワーク接続を利用する場合、その無線ネットワークは通常、スター型ネットワークトポロジーを採用しています。この場合、802.11n(a/b/g/n)規格が使用されます。Wi-Fiアクセスポイントは、各ステーションの無線ネットワークアダプタと接続されたスイッチとして機能し、スター型トポロジーを構成しています。

ツリー型ネットワークトポロジー

ツリー型ネットワークトポロジーは、スター型トポロジーの拡張形であり、現在では広く利用されています。ツリー型トポロジーの考え方は、スイッチ間の接続を利用して、複数のスター型ネットワークを枝のように接続し、複雑なネットワークを構築できるというものです。各端末は、これらのスイッチのポートに接続されています。いずれかのスイッチに障害が発生すると、そのスイッチに関連するネットワークセグメントはオフラインになります。ツリートポロジーの最上部に位置するメインスイッチがオフラインになっても、ネットワークの各ブランチ同士は接続できなくなりますが、各ブランチ内のコンピュータ同士は引き続き通信を継続します。ネットワークに接続されているステーションのいずれかに障害が発生しても、ネットワークのブランチやネットワーク全体には影響しません。ツリートポロジーは信頼性が高く、設置、保守、トラブルシューティングが容易で、高い拡張性を備えています。このトポロジーを使用する場合、ネットワークの各ノード間には1つの接続があります(下のネットワークトポロジー図を参照)。

スター型ネットワークトポロジーに適用されるプロトコルや規格は、ツリー型トポロジー(スイッチ、ケーブル、コネクタを含む)にも使用されます。また、OSIモデルの第3層において、ルーターを使用してサブネットワークを互いに分離することができます。その結果、第3層のネットワークプロトコルが使用され、ネットワーク機器の適切な設定が行われます。ツリー型ネットワークトポロジーは、設置や管理が容易であるため、大規模な組織で広く利用されています。階層的なネットワーク構造が採用されています。スイッチ間のセグメントを経由してデータが転送される際に、ボトルネックやネットワークパフォーマンスの低下を引き起こす可能性のある長いスイッチの連鎖が生じないように、ネットワークブランチのすべてのスイッチをメインスイッチに接続するようにしてください。

ネットワーク設定の例

ツリー型ネットワークトポロジーの例と、このトポロジーが実際にどのように活用されているかを見てみましょう。例えば、複数の部門を持つ組織があり、各部門が建物内の1つのオフィスを占めているとします。各部門は建物の異なる階に位置しています。単一のスター型トポロジーを使用してネットワークを構築することは合理的ではありません。なぜなら、建物の異なる場所にあるすべての端末を1つのスイッチに接続するために、余分なケーブルが必要になってしまうからです。また、ステーションの数がスイッチのポート数を超える可能性もあります。この場合、最も合理的な解決策は、各部門の本部に専用のスイッチを設置し、各部門のすべてのステーションを適切なスイッチに接続し、各部門のスイッチをすべて、サーバールームにあるメインスイッチに接続することです。この例では、メインスイッチはツリー階層の最上位に位置します。メインスイッチは、インターネットにアクセスするためにルーターに接続できます。別の建物に部署があり、本館のスイッチまでの距離が100メートルを超える場合は、UTPケーブルを使用して追加のスイッチを設置することができます。このスイッチは、距離を100メートル未満の区間に分割します。あるいは、光ケーブル(および適切なコンバーターやスイッチ)を使用して、この遠隔オフィスをメインスイッチに接続することもできます。

管理を簡素化し、セキュリティを向上させるために、各部署にルーターを設置し、部署ごとにサブネットを作成することができます。例えば、開発者は192.168.17.0/24ネットワーク、経理担当者は192.168.18.0/24ネットワーク、テスターは192.168.19.0/24ネットワーク、サーバーは192.168.1.0/24ネットワーク(メインサブネットワーク)に配置し、といった具合です。

ルーターとは何ですか？

ルーターは、OSIモデルの第3層(ネットワーク層)で動作し、パケット(PDUはパケットである)を扱うデバイスです。ルーターは、送信元ホストと宛先ホストのIPアドレスを使用して、異なるIPネットワーク(サブネットワーク)間でパケットを解析、受信、転送することができます。無効なパケットは破棄または拒否されます。ルーティングには、NAT(ネットワークアドレス変換)やルーティングテーブルなど、さまざまな技術が用いられます。ファイアウォールやネットワークセキュリティは、ルーターの追加機能です。ルーターは、パケットを転送するための最適な経路を選択できます。パケットはフレームにカプセル化されます。

ルーターには、少なくとも2つのネットワークインターフェース(通常はLANとWAN)があります。スイッチと組み合わせて1つのデバイスに統合された、人気のあるルーターモデルも存在します。これらのルーターは、1つのWANポートと複数のLANポート(小規模オフィスやホームオフィス向けモデルでは通常4～8ポート)を備えています。業務用ルーターには、LANポートやWANポートとして定義されていない複数のポートがあり、これらを手動で設定する必要があります。複数のネットワークアダプタを搭載した物理Linuxサーバーを使用し、このマシンをルーターとして接続することも可能です。このLinuxルーターのLANネットワークインターフェースにスイッチを接続することで、ツリー型のネットワークトポロジーを構築できます。

Wi-Fi接続

スター型ネットワークトポロジと同様に、無線ネットワーク機器を使用して、有線セグメントと組み合わせてツリー型トポロジのネットワークセグメントを構築することができます。2つの同一のWi-Fiアクセスポイントをブリッジモードで動作させることで、ネットワークの2つのセグメント(2つのスター)を接続することができます。この方法は、100メートル以上離れているオフィスを接続する必要がある場合や、オフィス間にケーブルを敷設できない場合に役立ちます。以下のツリー型ネットワークトポロジの図は、このケースを説明しています。ブリッジモードで動作する各Wi-Fiアクセスポイントにはスイッチが接続され、他の2つのWi-Fiアクセスポイントはそれぞれのスイッチに接続され、クライアント端末はこれらのアクセスポイントに接続されています(これにより、ツリーの枝を形成し、それらがスター型トポロジのネットワークとなります)。

メッシュネットワークのトポロジー

メッシュネットワークトポロジーとは、ネットワーク内の各ステーションが他のすべてのステーションと接続されている構成のことです。すべてのデバイスが相互に接続されています。メッシュには、フルメッシュとパーシャルメッシュの2種類があります。パーシャルメッシュでは、ネットワーク内の少なくとも2つのステーションが、ネットワーク内の他の複数のステーションと接続されています。フルメッシュでは、各ステーションが他のすべてのステーションと接続されています。フルメッシュの接続数は、次の式で計算されます。 Nc=N(N-1)/2 リンク、ここで N は、ネットワーク内のノード数です(この full-duplex (通信方式)。以下のネットワークトポロジー図を参照してください。

メッシュネットワークトポロジーはネットワークに冗長性を提供しますが、接続数や使用されるケーブルの総長が長くなるため、コストが高くなる可能性があります。1つのステーションに障害が発生しても、他のノードや接続を利用してネットワークは稼働を継続できます。障害が発生したノードを経由してデータが転送されていた場合、経路が変更され、他のノードを経由してデータが送信されます。

各ノードはルーターであり、データを最も合理的な方法で転送するために、経路を動的に作成・変更することができます(この場合、動的ルーティングプロトコルが使用されます)。送信元デバイスと宛先デバイス間の経路を変更する際、ホップ数は変動する可能性があります。ルーティングテーブルは、宛先識別子、送信元識別子、メトリック、有効期間(TTL)、およびブロードキャスト識別子で構成されます。ルーティングはOSIモデルの第3層で機能します。ルーティングの代わりにフラッディング技術が使用されることもあります。この種のネットワークトポロジーは、接続の冗長性により、大量のトラフィックの伝送に使用できます。

新しいステーションをネットワークに追加するのは困難です。なぜなら、そのステーションを他の複数のステーションに接続する必要があるからです。ノードの追加や削除によって、ネットワーク全体の動作が中断されることはありません。必要なすべての接続を確立するには、1つのステーションにつき複数のネットワークカードが必要です。新しいステーションを追加した後、そのステーションに接続する必要がある他のステーションに、追加のネットワークカードをインストールしなければならない場合があります。メッシュネットワークトポロジーは拡張性がありますが、このプロセスは単純ではありません。管理には時間がかかる場合があります。耐障害性のあるトポロジーは、高い信頼性を確保します。階層的な関係は存在しません。

メッシュネットワークトポロジーは、インターネット上で複数のサイトを接続する一例です。このネットワークトポロジーは、WAN(広域ネットワーク)接続や、軍事組織などのミッションクリティカルな組織のネットワークで広く使用されています。

Wi-Fi接続

Wi-Fi ネットワークにおけるメッシュネットワークトポロジーは、ワイヤレスメッシュネットワークと呼ばれる無線ネットワークのカバレッジを拡大するために使用されます。この種のネットワークトポロジーでは、インフラストラクチャ型メッシュアーキテクチャが最も一般的です。この種のネットワークトポロジの構築に使用される無線技術には、IEEE 802.15.4プロトコルに基づくZigbeeやZ-Wave、WirelessHARTなどがあります。また、IEEE 802.11、802.15、802.16も同様です。セルラーネットワークも、メッシュネットワークトポロジを利用して動作させることができます。

ハイブリッドネットワークトポロジー

ハイブリッドトポロジーは、前述した2つ以上のネットワークトポロジーを組み合わせたものです。スター型とリング型のネットワークトポロジーを組み合わせたものが、ハイブリッドネットワークトポロジーの例です。ネットワークにおいて、2つのトポロジーの柔軟性を必要とする場合があります。ハイブリッドトポロジーは通常、拡張性が高く、構成要素となる各トポロジーの利点をすべて備えています。一方で、各トポロジーの欠点も組み合わさるため、導入や保守が困難になります。また、ハイブリッドトポロジーはネットワークの複雑さを増し、追加コストが発生する可能性があります。

スター・リング型トポロジーは、現在見られるハイブリッド型のネットワークトポロジーの例の一つです。ここでいう"リング"部分とは、TコネクタやBNCコネクタを備えた同軸ケーブルを指すものではありません。現代のネットワークでは、長距離のノード間接続に光ファイバーリングが使用されます。このハイブリッド型ネットワークトポロジー(リング＋スター)は、同一都市内の離れた場所にある建物間、あるいは異なる都市間のネットワークを構築するために用いられます。ノード間の距離が長い場合にスター型トポロジーを使用するのは困難であり、ケーブルの過剰消費を招きます。

複数の回線を備えた光ファイバーリングの利点は、単一障害点(SPOF)が存在しないことです。冗長化された光リンクにより、高い可用性と信頼性が確保されます。1つの光リンクに障害が発生した場合、予備のチャネルが使用されます。リング上のノード間を結ぶ異なる光ファイバー回線は、異なる地理的経路を利用して敷設することができます。

リングのノードとなるファイバースイッチ／ルーターは、スター型ネットワークトポロジーを用いて、ネットワークセグメントを構成するスイッチ／ルーターに接続されます。この接続方式は、ローカルエリアネットワークの構築において利点があります。リングとスターで異なる種類のケーブルやネットワーク機器が使用される場合、ファイバーケーブルおよび関連コネクタに対応したスイッチ／ルーターと、適切なコネクタで圧着された銅線ケーブルに対応したスイッチ／ルーターを接続するために、ファイバーメディアコンバータが使用されます。

ケーブルの種類

ケーブルは、物理ネットワークトポロジーの重要な構成要素です。ネットワークの速度やネットワーク構築にかかる総コストは、選択したネットワークトポロジー、ケーブル、その他のネットワーク機器によって左右されます。このブログ記事では、さまざまなネットワークトポロジーの使用例を紹介する際に、さまざまな種類のケーブルについて言及しました。物理トポロジーをより深く理解するために、この記事で解説した各ネットワークトポロジーで最もよく使用されるケーブルについて見ていきましょう。

同軸ケーブル

同軸ケーブルは、中心の銅線を内導体として構成されています。ケーブルのモデルによって、中心導体には単線の銅線や、数本の細い銅線が束ねられたものが使用されます。この内導体は、芯線を保護する絶縁層で覆われています。絶縁層の外側には、導電性のあるアルミニウムテープと、編み込み式の銅シールドが配置されています。最外層はポリマー製の絶縁被覆で、色は黒または白です。

RG-58は、広く普及している同軸ケーブルの一種で、インピーダンスは50オームです。このケーブルは、10Base2 Thinnetケーブルとも呼ばれます。名称の"RG"は"ラジオガイド(Radio Guide)"の略です。その他の同軸ケーブルの例としては、RG-6、RG-8、RG-59などがあります。現在、同軸ケーブルはWi-Fiアンテナを適切なネットワーク機器に接続するために使用されています(5D-FB、8D-FB、LMR-400などのケーブルタイプ)。

ツイストペア

ツイストペアケーブルは、使い勝手の良さ、高い帯域幅、手頃な価格から、ネットワークで広く使用されています。 2本の絶縁された銅線(直径約1mm)を撚り合わせて1ペアを形成します。ケーブルの種類やカテゴリーによって、1～4ペアが使用されます。撚り合わせを行う目的は、ノイズ信号を低減することにあります。ツイストペアケーブルは、機械的な損傷からケーブルを保護する外側の絶縁シールドで覆われています。ツイストペアケーブルには、主にUTP、FTP、STPの3種類があります。

UTP (Unshielded Twisted Pair) これは、導線と絶縁体から構成されるケーブルです。

FTP (Foil screened Twisted Pair) F/UTPケーブルとは、すべてのツイストペアが金属シールド(アルミ箔)で覆われているケーブルのことです。ケーブル内部には、直径1 mm未満の単線が1本追加で含まれています。そのため、適切なコネクタを使用すれば、FTPケーブルは接地に対応します。個々のツイストペアにはシールドが施されていません。

STP (Shielded Twisted Pair) ツイストペアの周囲を金属編組シールドで覆っています。各ツイストペアはアルミ箔でシールドされています。ケーブル全体が硬く、ねじれにくいのが特徴です(FTPやUTPほど柔軟性はありません)。STPケーブルは、電磁ノイズや機械的損傷に対する保護性能に優れています。

カテゴリ 5e 現在、ネットワークの構築にはカテゴリー2以上のケーブルが使用されています。カテゴリー数が高いほど、データ転送レート(100MHz、250MHz、500MHz)が高くなり、高速なデータ転送が可能になります。UTPケーブルの代わりに、同カテゴリーのFTPケーブルやSTPケーブルを使用することもできます。 UTP Cat.3 ツイストペアが2組しかない。 UTP Cat.5 およびそれ以上の規格では、4組のツイストペアが採用されています。ケーブルの圧着は簡単で、ケーブル圧着工具さえあれば誰でも行うことができます。

光ファイバーケーブル

光ファイバーケーブルは、最も低い遅延を実現し、1本のケーブル区間で(リピーターを使用せずに)より長い距離をカバーします。光ファイバーケーブルは細く、2層のガラスで構成されています。コア層は純粋なガラスで、光信号を長距離にわたって伝送するための導波路となります。クラッド層はコアを囲むガラス層であり、コアに比べて屈折率が低くなっています。この技術は全反射の原理に基づいています。

シングルモードファイバー(SMF)ケーブルとマルチモードファイバー(MMF)ケーブルが使用されます。MMFケーブルは直径が大きく、複数の光線(モード)を伝送するために使用されますが、短距離での使用に適しています。MMFケーブルは通常、青色をしています。SMFケーブルは長距離での使用に適しており、黄色をしています。一般的なコネクタには、SC、FC、LC、STなどがあります。

光ファイバーケーブルの価格は高い。光ファイバーの溶接は、ツイストペアケーブルや同軸ケーブルの配線に比べて難しい。光ケーブルをスイッチやルーターに接続するために必要なトランシーバーの価格も、コスト増につながっている。光ファイバーの端面は常に清潔に保つ必要があり、ほこりの一片でも重大な問題を引き起こす可能性がある。

結論

このブログ記事では、物理トポロジーや論理トポロジー、そして実生活での活用例など、ネットワークトポロジーについて解説してきました。ローカルエリアネットワークを構築する必要がある場合は、現在最も一般的なネットワークトポロジーであるスター型トポロジー、あるいはスター型トポロジーを高度に拡張可能な形に改良したツリー型ネットワークトポロジーを採用してください。リングトポロジーやメッシュトポロジーは、主にインターネットサービスプロバイダーやマネージドサービスプロバイダー、データセンターなどで使用されています。これらは設定が比較的難しいものです。ネットワークトポロジーの種類、ネットワーク機器、規格、プロトコルは多岐にわたるため、ニーズに応じて、どのような構成のネットワークでも環境に導入することが可能です。

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