1-2 ネットワーク機器の役割

1. 階層と判断基準で機器を整理する

ネットワーク機器の違いは、受け取ったデータのどこまでを読み、何をキーに転送先を決めるかという観点で整理できます。物理的な信号だけを見て中継する機器もあれば、IP アドレスやアプリケーションの内容まで解釈して通信を選別する機器もあります。

この「どこまで読むか」を整理する枠組みが OSI 参照モデル (Open Systems Interconnection) です。上位の層を読む機器ほど多くの情報を判断材料にできるという大筋を押さえておきます。

すべての機器は実装としては L1（物理層）から処理を行います。「機器の層」と呼ぶ場合は、判断材料として用いる最上位層を指します。

2. ハブ（L1 / 物理層）

ハブは、受信した電気信号を増幅し、接続されたすべてのポートへそのままコピーして送り出す機器です。宛先という概念を持たず、フレームの中身を解釈することもありません。

ハブでは、全ポートが同一のコリジョンドメインを共有するため、同時送信が発生すると衝突が起きます。これに対処する仕組みが CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) であり、キャリア（搬送波）を確認してから送信し、それでも衝突を検出した場合はランダム時間だけ待って再送します。半二重通信を前提とした古典的な構成であり、現在の実用ネットワークではほぼ姿を消しているため、対比として位置を押さえておく機器となります。

3. スイッチ（L2 / データリンク層）

スイッチは、フレームの宛先 MAC アドレスを参照し、対応するポートにのみデータを転送する機器です。各ポートに接続された機器の MAC を学習・保持する表を、MAC アドレステーブル (CAM テーブル、Content Addressable Memory) と呼びます。

スイッチでは、宛先 MAC が表にあればそのポートのみへ送信（ユニキャスト）、未学習やブロードキャスト宛は受信ポートを除く同一 VLAN 内の全ポートへ転送（フラッディング）します。ハブのような無差別転送を避け、LAN 内部の帯域利用を改善する機器です。ルーティング機能を内蔵した L3 スイッチも一般化し、ルーターとの境界は曖昧になりつつあります。

4. ルーター（L3 / ネットワーク層）

ルーターは、パケットの宛先 IP アドレスを参照し、ルーティングテーブルに従って次ホップを決定する機器です。LAN と WAN の境界や、複数サブネット間を接続する地点に配置されます。

ルーターを通過するたびにフレームの L2 ヘッダは書き換えられますが、L3 の IP アドレスは原則として終端まで保持されます。区間ごとに引き渡される MAC と、最終目的地まで貫通する IP という二層構造を支えるのがルーターであり、インターネットの中核を担う機器となります。

5. ファイアウォール（L3〜L7）

ファイアウォールは、通過する通信をあらかじめ定義したポリシーに照らし、許可・遮断を判断する機器です。判断材料は IP アドレスやポート番号 (L3〜L4) から、HTTP メソッドやアプリケーション識別といった上位層 (L7) の情報にまで及びます。

判断材料として用いる層は製品や機能によって異なり、基本的なパケットフィルタは L3 / L4（IP アドレス・ポート）、アプリケーションを識別する機能は L7 までを見ます。加えてパケットの中継や経路選択も行うため、ダイナミックルーティング (OSPF / BGP 等) に対応するモデルも一般的です。

ファイアウォールには、通信ごとに独立判定するステートレス型、コネクション状態を追跡するステートフル型、IPS (Intrusion Prevention System) やアプリ識別を統合した次世代ファイアウォール (NGFW、Next Generation Firewall) といった世代区分があります。

6. 4 機器の比較

4 機器の判断層・キー・転送単位・主な役割は以下のとおりです。

判断する層が下位ほど判断材料が単純で高速に動作し、上位ほど多くの情報を解釈できる代わりに処理コストが大きい、という傾向があります。

7. 次節

続く 1-3 では、OSI 参照モデルそのものを取り上げ、各層の責務と対応するプロトコルを順に整理していきます。