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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: 9月 28, 2026

執筆: NAKIVOチーム

コンピューターネットワークを構築する際には、使用するネットワークトポロジーを定義する必要があります。現在使用されているネットワークトポロジーには複数の種類があり、それぞれにメリットとデメリットがあります。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、メンテナンスのしやすさ、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ーの種類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ーの種類とそのメリットおよびデメリットについて説明します。また、さまざまなシナリオで使用するネットワークトポロジーに関する推奨事項も示します。特定の種類のネットワークトポロジーを使用する実例から、それぞれのトポロジーをいつ適用できるかを理解できます。

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またはネットワーク構成では、ネットワークの構造と、ネットワークコンポーネントの接続方法を定義します。ネットワークトポロジーの種類は、通常、利便性と明瞭性のためにネットワークトポロジー図で表します。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 では、コンピューターネットワーク内でネットワークデバイス(コンピューター、ステーション、またはノードと呼ばれます)が物理的にどのように接続されているかを説明します。幾何学的な構成、接続、相互接続、デバイスの所在地、使用するネットワークアダプターの数、ネットワークアダプターの種類、ケーブルの種類、ケーブルコネクター、その他のネットワーク機器が、物理ネットワークトポロジーの要素です。

論理トポロジー では、あるステーションから別のステーションへのデータフロー、データの送受信方法、ネットワーク内のデータの経路、および使用するプロトコルを表します。論理ネットワークトポロジーでは、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ーの一部です。

ポイントツーポイントネットワークトポロジー

ポイントツーポイントネットワークトポロジーは、2台のコンピューターまたはその他のネットワークデバイスだけを相互に接続する場合に使用する、最も単純なネットワークトポロジーです。この場合は、1本のケーブルを使用します。ポイントツーポイントネットワークトポロジーの最も一般的な例は、ツイストペアケーブル(UTP Cat 5e, FTP Cat 5e, STP Cat 5e,など)を使用して、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ーを持つ2台のコンピューターを接続することです。ポイントツー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。

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

カテゴリー5eのイーサネットクロスオーバーケーブルは、4対のツイストワイヤーで構成されるケーブルです。このケーブルは両端にRJ-45コネクタを備えており、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。クロスオーバーケーブルは、異なるコンピュータの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を使用して2台のコンピュータを接続する場合、クロスオーバーケーブルを使わずにパッチケーブルで接続することも可能です。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)対応のおかげです。

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をスイッチに接続したり、スイッチ同士を相互に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(T568Aをパッチコードの両端に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)。

バス型ネットワークトポロジー

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他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(バヨネット・ニール・コンセルマン)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、バスへの信号の反射を防ぎます(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)。

バストポロジーの設置難易度は中程度です。このトポロジーは、他の種類のネットワークトポロジーに比べて必要なケーブル数が少なく、コストも低くなります。このネットワークトポロジー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は制限があり、バックボーンケーブルに接続できるステーションの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デバイスは単一のケーブルに接続されます。

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。メインケーブルが破損すると、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となります。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。バストポロジーのネットワークは、half-duplex モードで動作します。

half-duplexモードでは、ネットワーク内のステーションがデータの送受信を同時に行うことはできません。いずれか一方向にデータが転送される際には、チャネル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を受信することしかできません。

full-duplexモードでは、両方のステーションがデータを同時に送受信できます。リンク容量は、一方向に送信される信号と反対方向に送信される信号との間で共有されます。データを送受信するには、リンクに2つの独立した物理経路が必要です。別の方法として、全容量を両方向に送信される信号間で分割できます。

10BASE2は、同軸ケーブルを使用する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規格で使用される太い同軸ケーブルの最大長は200メートルです。

CSMA/CD(キャリアセンス多重アクセス／衝突検出)は、ネットワーク内での衝突(2台以上のデバイスが同時にデータを送信し、その結果として送信データが破損します)を防止する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いつデータを送信できるかを決定します。IEEE 802.3は、CSMA/CDプロトコルを使用する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標準です。

トークンバス

IEEE 802.4は、バストポロジーで構築されたネットワーク内に論理的なToken Busを作成するために使用されるtoken ring標準です。トークンは、時計回りまたは反時計回りの方向の論理リングを表す定義済みの順序に従って、あるステーションから別のステーションへ渡されます。次の画像では、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、そのうちの1つが方向に応じてデータを送信するために選択されます。トークンを保持するステーション(トークンを持つステーション)だけがネットワーク内でフレームを送信できます。IEEE 802.4はIEEE 802.3プロトコルよりも複雑です。

Token Busフレーム形式です。フレームの合計サイズは8202バイトで、フレームは8つのフィールドで構成されています。

前置き(1バイト)は、同期に使用されます。
開始デリミター(1バイト)は、フレームの開始を示すフィールドです。
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確認します。
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運ぶ可変長フィールドです。2バイトアドレスを使用する場合、8182バイトが最大値です。アドレス長が6バイトの場合、ペイロードフィールドの最大サイズはそれに応じて8174バイトです。
チェックサム(4バイト)は、エラー検出に使用されます。
終了デリミター(1バイト)は、フレームの終了を示します。

大量のトラフィックを転送するネットワークには、バス型ネットワークトポロジーは推奨されません。同軸ケーブルを使用したバス型ネットワークトポロジーが1990年代に使用されており、最大速度が10 Mbit/sであることを考慮すると、現在このトポロジーを使用してネットワークを構築することは避けてください。

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、バス型トポロジーを変更したものです。リング型ネットワークトポロジーでは、各ステーションが両側にある2つの別のステーションに接続されています。その2つのステーションは、このステーションの隣接ステーションです。データは一方向に順番に送信されるため、ネットワークはhalf-duplexモードで動作しています。終端抵抗はなく、最後のステーションはリング内の最初のステーションに接続されています。リング型トポロジーは、バス型トポロジーより高速です。リング型トポロジーのネットワークの設置に使用される同軸ケーブルとコネクターは、バス型ネットワークトポロジーで使用されるものと同じです。

リング型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は、長いケーブル部分上でステーション間のデータを転送するとき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。通常、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。データの送信後、データはリングに沿って移動し、宛先デバイスで受信されるまで中間ノードを通過します。

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は、遅延が大きくなる可能性があります。たとえば、ネットワークに100台のコンピューターがあり、最初のコンピューターがリング内の100台目のコンピューターにパケットを送信する場合、パケットは対象のコンピューターに到達するために99台のステーションを通過する必要があります。データは順番に転送されることに注意してください。データを送信するにはすべてのノードがアクティブな状態を維持する必要があるため、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ています。ネットワーク内で一度にパケットを送信できるノードは1つだけであるため、パケットの衝突リスクが低減されています。この方式では、ネットワーク内の各ノードに等しい帯域幅が提供されます。

トークンリング

token ringネットワークは、IEEE 802.5標準を実装したものです。このトポロジーは、トークンベースのシステムを使用して動作します。Token ringは、1984年にIBMが導入した技術です。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だけ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が、監視ステーションまたはアクティブモニターになり、ネットワークの状態を制御し、リングから浮遊フレームを削除します。そうしない場合、浮遊フレームが無制限の時間にわたってリング内を循環し続けます。アクティブモニターは、失われたトークンを回避するためにも使用されます(新しいトークンを生成します)。また、クロックエラーを調整します。

token ringネットワークのIEEE 802.5フレーム形式を、以下の図に示します。

開始デリミター(1バイト)は、同期およびトークンが到着している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、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アドレスを定義します。
送信元アドレス(6バイト)– 送信者のMACアドレスを定義します。
ペイロード(0バイト以上)は、フレーム内で転送される有用なデータ(IPパケット)です。ペイロードのサイズは、0から最大トークン保持時間まで変化します。
チェックサム(4バイト)は、フレームチェックシーケンスまたは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。
終了デリミター(1バイト)は、フレームの終了を示します。
フレームステータス(1バイト)は、データフレームを終了するために使用され、ACKとして機能するフィールドです。このフィールドは受信側が設定でき、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設置の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は、2つのリンクだけを変更する必要があります。リングトポロジーの設置には多くの費用がかかりません。しかし、利点の一覧はここで終わります。ここでは、リングネットワークトポロジーの短所について説明します。ネットワークの各部分が障害点になる可能性があります。ケーブルの断線、コンピューターのネットワークアダプターの損傷、ケーブルの切断などによって障害が発生する可能性があります。リンク障害が発生すると、信号が前方に進んで障害点を通過できないため、ネットワーク全体が停止します。1つのステーションで障害が発生すると、ネットワーク全体が停止します。すべてのデータは、宛先ノードに到達するまで、すべてのノードを通過しながらリング上を移動します。トラブルシューティングは困難です。

リングトポロジー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、通信遅延が発生し、ネットワークパフォーマンスが低下します。ネットワークを再構成したり、ノードを追加または削除したりするには、ネットワークを切断してオフラインにする必要があります。ネットワークのダウンタイムは、組織にとって便利でも費用対効果が高いものでもありません。そのため、リングネットワークトポロジーは、拡張性と信頼性に優れたネットワークを構築するための最適な選択肢ではありません。

ローカルエリアネットワークにおけるリングネットワークトポロジーは、1990年代に普及していましたが、ツイストペアケーブルを使用するイーサネット規格と、より進歩したスター型トポロジーが広く使用され始めると、廃れていきました。現在では、4または16 Mbit/sという低いネットワーク速度や、上記のその他の短所のため、リングトポロジーは家庭やオフィスでは使用されておらず、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変更版です。リング内のノード間に2本目の接続を追加すると、データを双方向に転送でき、ネットワークがfull-duplex全二重モードで動作できるようになります。ネットワークでは、データが時計回りと反時計回りの方向に送信されます。最初のリングのリンクに障害が発生した場合は、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するまでネットワークの運用を継続できます。

光リング は、現代のネットワークでリングネットワークトポロジーを使用しています。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)とマネージドサービスプロバイダー(MSP)が、ワイドエリアネットワーク内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として知られているレジリエント・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ファイバー双方向回線切替リング(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ハイアラーキ(SDH)

適切な標準規格をサポートするスイッチなどの業務用ネットワーク機器を使用して、光ファイバーリングを構築します。これらのハードウェアは高価です。高可用性の光リングを使用して、市内の異なる地区または異なる都市にあるノードを、高可用性かつ高速なリングに接続します。

スターネットワークトポロジー

スタートポロジーは、多くの利点があるため、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。このトポロジーにはスイッチと呼ばれる集中ユニットが必要であり、その他すべてのネットワークデバイスを専用のネットワークケーブルでこのスイッチに接続します。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、必要なすべてのステーションをスイッチに接続して、ネットワーク内で相互に通信させます。この場合、2つのステーション間に物理的な直接接続はありません。2つのステーションがネットワーク内で通信すると、送信側のネットワークアダプターからフレームが送信されてスイッチに到達し、その後、スイッチがフレームを宛先ステーションのネットワークカードへ再送信します。

スターネットワークトポロジーは簡単にスケーリングできます。スイッチに空きポートがない場合は、より多くのポートを備えたスイッチに交換するか、パッチコードで2台目のスイッチを既存のスイッチに接続して、スターネットワークトポロジーを拡張します。ただし、ネットワークの負荷が高い場合、このスイッチ間の接続がボトルネックになります。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が、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を下回る可能性があるためです。ネットワークにステーションを追加する必要がある場合は、パッチコードの一端をエンドポイントデバイスのネットワークアダプターに差し込み、もう一端をスイッチに差し込みます。

スイッチに接続されたステーション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を継続します。スイッチがオフラインになると、ネットワークは動作できません。星型ネットワークトポロジでは、Full-duplexモードとhalf-duplexモードがサポートされています。このトポロジは、メンテナンスの面で容易です。

ネットワークデバイスを接続するときは、ループを回避してください。第2層で動作している2台のネットワークデバイス間に3つ以上の接続がある場合、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場合や、1台のスイッチの2つのポートにパッチコードを挿入した場合、ループが発生します。ループによってネットワーク内の通信障害が発生し、不要なネットワークケーブルを抜き取り、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。冗長接続を作成する場合は、NICチーミ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ーを備えたデバイスを使用してください。

ハブとスイッチの比較:違いは何ですか？

ハブとスイッチはどちらも、星型トポロジを使用するローカルエリアネットワーク(LAN)で複数のデバイスを接続するために使用されます。フレームをエンコードした信号がハブの1つのポートに到着すると(このポートにケーブルで接続されている送信ステーションから送られます)、信号はハブのすべてのポートに送信され、それによって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。フレーム内で宛先MACアドレスとして定義されているMACアドレスをネットワークカードが持つステーションだけが、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ーが別のMACアドレスを持つ、ハブに接続されたその他すべてのネットワークデバイスは、送信された信号を検出しますが、このフレームを拒否します。ハブの短所は、ネットワークが過負荷になることです。ハブから宛先ネットワークカードにフレームを送信する代わりに、フレームはハブのポートに接続されているすべてのデバイスに送信されます。ネットワークフラッディングによって、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、よりインテリジェントなデバイスです。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。送信元が対象デバイスにフレームを送信すると、フレームはスイッチに送信されます。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確認して、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、スイッチは対象デバイスのMACアドレスに関連付けられたポートにのみ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。この方式によって、高いネットワークパフォーマンスが確保されます。星型ネットワークトポロジ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。以下の表にすべてのOSI層を示します。

オープンシステム相互接続モデル(OSI)

層番号	層名	プロトコルデータ単位(PDU)	プロトコルおよび標準規格の例
7	アプリケーション	アプリケーションが受信または送信するデータ	HTTP、FTP、POP3、SMTP
6	プレゼンテーション	プレゼンテーション用に形式化されたデータ	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	トランスポート	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	Ethernet、PPP、STP、トークンリング
1	物理	ビット	100BaseTX、RS232、ISDN

スイッチはハブよりも安全です。2011年以降、ネットワーク要素の接続にハブを使用することは、Ethernetネットワーク向けの標準規格およびプロトコルの集合であるIEEE 802.3によって非推奨になっています。

注記 : スイッチ、ハブ、ルーター、モデム、Wi-Fiアクセスポイントは、 アクティブネットワーク機器 に分類されます。アクティブ機器には電子回路があり、動作に電力が必要です。ケーブル、コネクター、トランシーバー、パッチパネル、ラックマウント、Wi-Fiアンテナは、電力を必要としない パッシブネットワーク機器 です。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の接続に使用されます。

実生活におけるスター型トポロジー

従来のEthernetネットワークでスター型ネットワークトポロジーがどのように使用され、IEEE 802.3標準規格がどのように機能するかを詳しく見ていきます。ツイストペアケーブル(4×2本の導線)が最も一般的です。通常、これらのネットワークで使用され、ケーブルの両端はRJ-45コネクター(8P8C、つまり8ポジション8コンタクトとも呼ばれます)で圧着されています。ケーブルの両端は、EIA/TIA 568B標準規格を使用して圧着されています。動作原理は同じであるため、EIA/TIA 568Aを使用してケーブルの両端を圧着することもできますが、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については、このブログ記事の末尾にあるケーブルの種類セクションをご覧ください。

イーサネット規格

10BASE-T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(名称に含まれるTのTはツイストペアを、BASEはベースバンド信号方式を意味しています)。ネットワークの最大速度は10 Mbit/sです。必要なケーブルはUTP Cat.3以上です(オレンジ色と緑色のペアのみを使用しています)。

100BASE-TXはファストイーサネットとして知られており、1995年(IEEE 802.3u)に実装されました。この規格では、ネットワークで100 Mbit/sの速度を提供し、UTP Cat 5ケーブルが必要です。

1000BASE-T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年に承認されました)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です。

2.5GBASE-TはIEEE 802.3bzとして参照される規格で、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。UTP Cat 5eケーブルが必要です。

5GBASE-Tは2.5GBASE-Tに類似していますが、5 Gbit/sのデータ転送速度を提供し、より高いカテゴリのケーブルであるUTP Cat 6が必要です。

10GBASE-Tは、銅線を使用するケーブル規格の中で最速のイーサネット規格であり、最大速度は10 Gbit/sです。必要なケーブルはUTP Cat 6Aです。IEEE 802.3an規格には、10 Gbit/s接続でツイストペアを使用するための仕様が含まれています。

前述のイーサネット規格のケーブルには、RJ-45コネクターを使用します。

ツイストペアケーブルの要件を満たしている場合、上記の各規格における2台のネットワークデバイスのポート間のケーブルの最大長は100メートルです。200メートル離れた2台のネットワークデバイスを接続する必要がある場合は、ケーブルを100 mのセグメント2本に分け、各デバイスから100 mの地点に設置し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、最低限の要件を満たす必要があります。適切なカテゴリのケーブル、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するデバイスのネットワークカードを使用します。たとえば、ネットワーク内のデバイスを1 Gbit/sの速度で動作させる場合は、これらのデバイスに1 Gbitのネットワークカードを取り付け、1 Gbitのスイッチに接続し、EIA/TIA 568B規格に従ってパッチコードとしてRJ-45コネクターを取り付けたUTP Cat 5eケーブルを使用します。接続されているすべてのデバイスが1 Gb/sの速度で動作している場合、full-duplexモードのみで動作します。オートネゴシエーションは、別の接続されたデバイスのポートにリンクされたポートの最適なネットワーク速度とデータ転送モード(full-duplexまたはhalf-duplex)を判別するために使用される機能です。オートネゴシエーションによって、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、低い方の値に基づいてデータ転送速度が設定されます。100メガビットのネットワークカードをパッチコード(Cat 5e)で1ギガビットのスイッチに接続すると、ネットワーク接続の速度は100 Mbit/sになります。以前の低速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、標準MTU(最大転送単位)は1500バイトです。ネットワーク内のステーションで大量のデータを交換する必要がある場合は、9000バイトのMTUを使用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、データ転送のパフォーマンス向上に役立ちます。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の種類を使用するイーサネットネットワークがVLANタグ付けに対応していることです。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0～4094です。4094は、1つの物理ネットワーク内で使用できるVLANネットワーク数の最大値です。

スター型ネットワークトポロジーを使用する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説明します。

プリアンブル(7バイト)はフレームの開始を示し、送信側と受信側の同期に使用されます。
フレーム開始デリミター(1バイト)は、常に10101011に設定されるフィールドです。SFD(フレーム開始デリミター)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し、宛先アドレスの後続ビットに備えます。このフィールドは、ネットワークデバイスが同期するための最後の機会です。
宛先アドレス(6バイト)には、宛先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ています。タイプフィールドは、レイヤー3(L3)プロトコル(0x0800 – IPv4、0x86DD – IPv6)や、フレームで802.1q VLANタグ付けが使用されているかどうか(0x8100)などを示します。
データペイロード(標準フレームでは最大1500バイト、ジャンボフレームでは最大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パケットです。パケットは、OSIモデルの第3層(ネットワーク層)における一般的なPDU(プロトコルデータユニット)です。
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、その後、受信側がフレームを受信してこの値を計算し、フレーム内で受信した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、タイプ(長さ)が含まれています。VLANタグ付けが使用されている場合は、送信元アドレスフィールドの後に、追加の4バイトのVLANタグ付けフィールドがフレームに追加されます。

光接続

より長いケーブルセグメントまたはより低い遅延が必要な場合は、光ケーブル(光ファイバー)を基盤とするネットワークの構築にもスター型ネットワークトポロジーが使用されます。10GBASE-Sおよび10GBASE-Eは、光ファイバーを使用して接続を確立する10 Gbit/sネットワーク向けの最新規格です。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コネクターを備えたスイッチが必要です。

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)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(拡張距離)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超)で使用されます。

最大限の互換性を確保するため、RJ-45コネクター付きの銅線Cat 6AケーブルをSFP+ポートに接続できるトランシーバーもあります。光ケーブルはLCコネクター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た物理ネットワークの構築は、銅線ケーブルCat 6Aを使用したネットワークの構築よりも困難です。

スター型トポロジーの利点

スター型ネットワークトポロジーは優れています。現在、スター型は最も一般的なネットワークトポロジーの種類です。このネットワークトポロジーの種類の利点をまとめます。

ステーションごとに1枚のネットワークカードで十分です
インストールとメンテナンスが簡単です
トラブルシューティングが簡単です
高い信頼性と互換性があります
高速です
ツイストペアケーブルと光ケーブルに対応しています
柔軟性と拡張性があります

Wi-Fi接続

自宅または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使用する場合、通常、無線ネットワークではスター型トポロジーが使用されます。この場合は、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、ステーションの無線ネットワークアダプターに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ます。

ツリー型トポロジー

ツリー型トポロジーはスター型トポロジーを拡張したもので、現在広く使用されています。ツリー型トポロジーでは、スイッチ間の接続を使用して、複数のスター型トポロジーを枝のように複雑なネットワークへ接続できます。ステーションは、これらのスイッチのポートに接続されます。いずれかのスイッチに障害が発生すると、関連するネットワークセグメントがオフラインになります。ツリー型トポロジーの最上部にあるメインスイッチがオフラインになると、ネットワークの各ブランチは相互に接続できなくなりますが、各ブランチのコンピューターは相互に通信を継続できます。ネットワークに接続されたステーションのいずれかで障害が発生しても、ネットワークブランチやネットワーク全体には影響しません。ツリー型トポロジーは信頼性が高く、インストール、メンテナンス、トラブルシューティングが簡単で、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してください)。

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と規格は、スイッチ、ケーブル、コネクターを含め、ツリー型トポロジーにも使用されます。また、OSIモデルの第3層でサブネットワークを相互に分割するために、ルーターを使用することもできます。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構成が実行されます。ツリー型トポロジーは、インストールと管理が簡単なため、大規模な組織で広く使用されています。階層型ネットワーク構造が存在します。スイッチ間のセグメントを介してデータを転送する際にボトルネックが発生し、ネットワークパフォーマンスが低下する可能性がある、スイッチの長いチェーンの作成を避けるため、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してください。

ネットワーク構成の例

ツリーネットワークトポロジの例と、この種類のネットワークトポロジが実際にどのように使用されているかを見てみます。たとえば、複数の部門があり、各部門が建物内の1つのオフィスを使用している組織があるとします。各部門は建物の異なる階に配置されています。単一のスター型トポロジ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。これは、建物内の異なる場所にあるすべてのステーションを1台のスイッチに接続するために、余分なケーブルを消費することになるためです。また、ステーションの数がスイッチのポート数を上回る可能性もあります。この場合、最も合理的な解決策は、各部門のメインオフィス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対応するスイッチに接続して、各部門のすべてのスイッチをサーバールームに設置されたメインスイッチに接続することです。この例では、メインスイッチがツリー階層の最上位にあります。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へ接続できます。別の建物に部門があり、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接続できます。このスイッチによって、距離が100メートル未満のセグメントに分割されます。代わりに、光ケーブル(および適切なコンバーターまたはスイッチ)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、各部門にルーターを設置し、各部門用のサブネットを作成できます。たとえば、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)などに配置します。

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はパケットです)を処理するデバイスです。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)間でパケットを分析、受信、転送できます。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、さまざまな技術が使用されます。ファイアウォールと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。1台のデバイスにスイッチを組み合わせた、人気のあるルーターもあります。これらのルーターには、1つのWANポートと複数のLANポートがあります(小規模オフィス／ホームオフィス向けモデルでは、通常4～8個です)。業務用ルーターには、LANポートまたはWANポートとして定義されていない複数のポートがあり、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ーを備えた物理的なLinuxサーバーを使用し、このマシンをルーターとして接続できます。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と、ツリー型ネットワークトポロジになります。

Wi-Fi接続

スター型ネットワークトポロジの場合と同様に、無線ネットワーク機器を有線セグメントと組み合わせて使用し、ツリー型トポロジのネットワークセグメントを作成できます。同一のWi-Fiアクセスポイント2台をブリッジモードで動作させ、ネットワークの2つのセグメント(2つのスター)を接続できます。この方法は、100メートルを超えて離れたオフィスを接続する必要があり、オフィス間にケーブルを設置できない場合に便利です。次のツリー型ネットワークトポロジ図は、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スイッチを1台ずつ接続し、他の2台のWi-Fiアクセスポイントをそれぞれ適切なスイッチに接続します。さらに、クライアントステーションをこれらのアクセスポイントに接続します(スター型トポロジのネットワークであるツリーの枝を形成しています)。

メッシュ型ネットワークトポロジ

メッシュ型ネットワークトポロジは、ネットワーク内の各ステーションが他のステーションに接続されている構成です。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、フルメッシュと部分メッシュの2種類があります。部分接続されたメッシュでは、ネットワーク内の少なくとも2つのステーションが、ネットワーク内の複数の他のステーションに接続されています。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に接続されています。フルメッシュの接続数は、Nc=N(N-1)/2リンクという式で計算します。この式では、Nがネットワーク内のノード数です(full-duplex通信モードの場合です)。次のネットワークトポロジ図を参照してください。

メッシュ型ネットワークトポロジはネットワークに冗長性を提供しますが、接続数が多く、使用するケーブルの総延長が長くなるため、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た場合でも、他のノードと接続を使用してネットワークの運用を継続できます。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は、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、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および変更できるルーターです(この場合は動的ルーティングプロトコルが使用されています)。送信元デバイスと宛先デバイスの間で経路を変更すると、ホップ数が変わる場合があります。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、生存時間、およびブロードキャスト識別子で構成されています。ルーティングはOSIモデルの第3層で機能しています。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場合もあります。この種類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を伝送できます。

新しいステーションを複数の他のステーションに接続する必要があるため、ネットワークに新しいステーションを追加することは困難です。ノードを追加または削除しても、ネットワーク全体の動作は中断されません。必要なすべての接続を確立するには、ステーションごとに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、新しい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取り付ける必要がある場合があります。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、このプロセスは簡単ではありません。管理には時間がかかる場合があります。フォールトトレラントトポロジーにより、高い信頼性が確保されています。階層関係はありません。

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などで広く使用されています。

Wi-Fi接続

Wi-Fiネットワークの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ている無線ネットワークのカバレッジを拡張するために使用されています。この種類のネットワークトポロジーでは、インフラストラクチャメッシュアーキテクチャが最も一般的です。この種類のネットワークトポロジーの作成に使用される無線技術は、IEEE 802.15.4プロトコルに基づいているZigbeeおよびZ-Wave、WirelessHART、IEEE 802.11、IEEE 802.15、IEEE 802.16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ーで動作できます。

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種類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。ネットワークで2種類のトポロジーの柔軟性が必要になる場合があります。ハイブリッドトポロジーは通常、拡張性があり、すべての子トポロジーの利点を備えています。トポロジーの欠点も組み合わされるため、インストールとメンテナンスが困難になります。ハイブリッド型トポロジーはネットワークの複雑さを増し、追加コストが必要になる場合があります。

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ファイバーリングが使用されます。このハイブリッドなネットワークトポロジー(リング＋スター)は、同一都市内や異なる都市に位置する離れた建物間のネットワーク構築に利用されます。ノード間の距離が長い場合にスター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ファイバーリングの利点は、単一障害点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。リングを構成するノード間の異なる光ファイバー回線は、地理的に異なる経路を用い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採用した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(LAN)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、光ファイバーメディアコンバーターを使用して、光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／ルーターを、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／ルーターに接続します。

ケーブルの種類

ケーブルは、物理的なネットワークトポロジーの重要な構成要素です。ネットワーク速度やネットワーク設置にかかる総コストは、選択されたネットワークトポロジー、ケーブル、およびその他のネットワーク機器によって異なります。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挙げる際に、異なる種類のケーブルについて言及してきました。物理トポロジーをより深く理解するために、この記事で説明されている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を見てみましょう。

同軸ケーブル

同軸ケーブルは、中心の銅線を内部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、中心導体には単体の銅線または複数の細い銅線が使用されます。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組銅シールドが配置されています。最外層はポリマー絶縁層で、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。名称に含まれる”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、使いやすさ、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対を形成します。ケーブルの種類やカテゴリーによって、1対から4対まで使用されます。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) は、導線と絶縁体で構成されるケーブルです。

FTP (Foil screened Twisted Pair) (F/UTP)は、すべてのツイストペアが金属シールド(アルミ箔)で覆われたケーブルです。ケーブル内部には、直径1mm未満の単線が1本追加されています。その結果、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) は、ツイストペアの周囲に編組金属シールドを備えたケーブルです。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、ねじれにくくなっています(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 以上のものが、現在ではネットワークの設置に使用されています。カテゴリー番号が高いほど、データ転送レート(100MHz、250MHz、500MHz)が高くなり、よ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、同じカテゴリーのFTPまたはSTPケーブルを使用することができます。 UTP Cat.3 には2組のツイストペアしか含まれていません。 UTP Cat.5 以上には4組のツイストペアが含まれています。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本のケーブルセグメントで(リピーターを使用せずに)より長い距離をカバーできます。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。コアとなるガラス層は純ガラスで、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。クラッドはコアを囲むガラス層で、コアに比べて屈折率が低くなっています。この技術は全内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ケーブルは長距離通信に適しており、色は黄色です。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額です。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困難です。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、コスト増につながります。光ファイバーの端面は常に清潔に保つ必要があります。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からです。

まとめ

このブログ記事では、物理トポロジー、論理トポロジー、および実生活での使用例を含むネットワークトポロジーについて解説しました。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、またはスター型トポロジーの拡張性が高いバリエーションであるツリー型ネットワークトポロジーを使用してください。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、データセンターで使用されています。これらは設定がより困難です。さまざまなネットワークトポロジー、ネットワーク機器、規格、プロトコルが存在するため、ニーズに応じて、環境に合わせてどのような構成のネットワークでも構築することが可能です。

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