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を定義する必要があります。現在では複数の種類のネットワークトポロジが使用されており、それぞれに利点と欠点があります。選択したトポロジは、ネットワークの最適なパフォーマンス、拡張性のオプション、保守の容易さ、およびネットワーク構築のコストを決定します。そのため、適切なネットワークトポロジのタイプを選択することが重要です。
このブログ投稿では、ネットワークトポロジの種類、それらの利点、欠点について説明します。さらに、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るかに関する推奨事項も提供します。特定のネットワークトポロジの使用例は、各トポロジが適用される場合を理解するのに役立ちます。
ネットワークトポロジとは何ですか？
ネットワークトポロジまたはネットワーク構成は、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のタイプは、利便性と明確さのために通常、ネットワークトポロジ図で表されます。ネットワークトポロジには、物理的なものと論理的なものの2種類があります。
物理トポロジは、コンピューターネットワーク内の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る）が物理的に接続されている方法を説明します。物理ネットワークトポロジの側面には、幾何学的なスキーム、接続、相互接続、デバイスの場所、使用されているネットワークアダプタの数、ネットワークアダプタのタイプ、ケーブルのタイプ、ケーブルコネクタ、その他のネットワーク機器などがあります。
論理トポロジは、データの流れ、データの送受信方法、ネットワーク内のデータの経路、使用されるプロトコルを表します。論理ネットワークトポロジは、データが物理トポロジ上でどのように転送されるかを説明します。クラウドと仮想ネットワークのリソースも論理トポロジの一部です。
ポイントツーポイントネットワークトポロジ
ポイントツーポイントネットワークトポロジは、2台のコンピュータや他のネットワークデバイスが互いに接続されている場合に使用される最も単純なネットワークトポロジです。この場合、1本のケーブルが使用されます。ポイントツーポイントネットワークトポロジの最も一般的な例は、2台のコンピュータ（EthernetネットワークアダプタにRJ-45ポートがある）をツイストペアケーブル（UTP Cat 5e、FTP Cat 5e、STP Cat 5eなど）で接続することです。ポイントツーポイントのトポロジは、P2Pトポロジとも呼ばれます。
異なる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対のツイストペアワイヤを持つケーブルです。ケーブルの両端にはRJ-45コネクタがあり、片側はT568A配線で、もう片側はT568B配線です。クロスオーバーケーブルは、異なるコンピュータの2つのEthernetカードなど、同じタイプのネットワークデバイスを接続するために使用されます。モダンなネットワークカードは、ポイントツーポイント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際に、クロスオーバーケーブルなしでパッチケーブルで動作することが可能です。これは、イーサネットのAuto MDI-Xサポート（ミディアムディペンデントインターフェースクロスオーバー）による接続が可能なためです。
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をスイッチに接続し、スイッチ同士を接続するために使用されます。パッチコードの両端は、T568B規格を使用してクリンプされます（T568Aもパッチコードの両端に使用できますが、この実践は一般的ではありません）。
バス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。ステーションは、このメインケーブルに他のケーブルを使用して接続され、これらのケーブルはドロップラインと呼ばれます。タップデバイスは、ドロップラインをメインケーブルに接続するために使用されます。バストポロジーでネットワークを構築する際には、インピーダンスが約50〜52オームのRG-58同軸ケーブルが通常使用されます。ネットワークの部品を接続し、ケーブルをネットワークカードに接続するためにBNC（ベイネット・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取り付けられたデバイスで、信号を吸収し、信号をバスに反射させないようにします（信号をバスに反射させるとネットワークに深刻な問題を引き起こします）。
バストポロジーの設置の難しさは中程度です。このトポロジーは他の種類のネットワークトポロジーよりも少ないケーブルが必要で、コストも低く抑えられます。このネットワークトポロジーは小規模ネットワークに使用されます。バックボーンケーブルの長さや接続できるステーションの数が制限されているため、スケーラビリティは低いです。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。
A bus topology makes detecting network failures difficult. If the main cable is corrupted, the network goes down. Every additional node slows down the speed of data transmission in the network. Data can be sent only in one direction and is half-duplex. When one station sends a packet to a target station, the packet is sent to all stations (broadcast communication). However, only the target station receives the packet (after verifying the destination MAC address in the data frame). This working principle causes network overload and is not rational. The network of the bus network topology type works in half-duplex mode.
ハーフデュプレックスモードでは、ネットワーク内のステーションが同時にデータを送受信することはできません。データがどちらかの方向に転送されるとき、全チャネル帯域幅が使用されます。1つのステーションがデータを送信しているとき、他のステーションはデータを受信するだけです。
フルデュプレックスモードでは、両方のステーションが同時にデータの送受信を行うことができます。リンク容量は、片方向に送られる信号ともう一方向に送られる信号の間で共有されます。リンクにはデータを送受信するための2つの別々の物理パスが必要です。代替として、全体の容量を両方向の信号の間で分割することもできます。
10BASE2は、同軸ケーブルを使用したEthernetネットワークのIEEE 802.3仕様の一部です。ケーブルの最大長は185から200メートルの間です。10BASE5標準の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、ネットワークで衝突（2つ以上のデバイスが同時にデータを送信し、これが送信データの破損につながる）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プロトコルを使用したLAN（ローカルエリアネットワーク）アクセス方法を定義する標準です。
トークンバス
IEEE 802.4は、バス型トポロジを使用して構築されたネットワークで論理的なトークンリングを作成するために使用されるトークンバス標準です。トークンは、時計回りまたは反時計回りの方向を表す定義された順序で、1つのステーションから別のステーションに渡されます。ステーション3の場合、隣接する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、方向に応じてデータを送信するステーションが選択されます。ネットワークでは、トークン保持者（トークンを持つステーション）のみが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。
トークンバスフレーム形式。合計フレームサイズは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。
- プリアンブル（1バイト）は同期に使用されます。
- 開始デリミタ（1バイト）はフレームの開始をマークする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。
- ソースアドレス（2-6バイト）は、ソース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有用なデータを運ぶ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、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（1バイト）はフレームの終わりをマークします。
バス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際には推奨されません。同軸ケーブルを使用したバスネットワークトポロジーは1990年代に使用されましたが、最大速度は10 Mbit/sです。現在ではこのトポロジーをネットワークを構築する際には使用しないでください。
リングネットワークトポロジー
リングネットワークトポロジーは、バストポロジーの変更です。リングネットワークトポロジーでは、各ステーションは両側に2つの他のステーションに接続されています。他の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次移動するため、ネットワークはハーフデュプレックスモードで動作します。終端装置はありませんし、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インストールするために使用される同軸ケーブルとコネクタは、バスネットワークトポロジーに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、長いケーブルフラグメント上のステーション間でデータを転送する際にデータの損失を防ぐためにリピータ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として機能し、信号を増幅します。データが送信された後、データはリングをたどって中間ノードを経由し、宛先デバイスに受信されます。
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、遅延が発生する可能性があります。例えば、ネットワークに100台のコンピュータが接続されていて、最初のコンピュータがリング内の100番目のコンピュータにパケットを送信する場合、パケットは99のステーションを経由して目的のコンピュータに到達する必要があります。データは順次転送されることを忘れないでください。すべてのノードはデータを送信するためにアクティブでなければならず、このためリングトポロジーはアクティブなネットワークトポロジーとして分類されます。パケットの衝突のリスクは、ネットワーク内の一度に1つのノードのみがパケットを送信できるため、低減されます。このアプローチにより、ネットワーク内の各ノードに均等な帯域幅が提供されます。
トークンリング
トークンリングネットワークは、IEEE 802.5規格の実装です。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。トークンリングは、IBMによって1984年に導入された技術です。トークンは、一方向にループを移動するマーカーです。トークンを持っ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するステーションは、監視ステーションまたは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、リング内のフローティングフレームを削除します。それ以外の場合、フローティングフレームは無制限の時間でリングを循環し続けます。アクティブモニターは、トークンのロストを避けるためにも使用されます（新しいトークンを生成することで）およびクロックエラーを防ぐためにも使用されます。
トークンリングネットワークのIEEE 802.5フレーム形式は、以下の図に表示されています。
- スタートデリミタ（1バイト）は、トークンの到着をステーションに同期するためと、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アドレスを定義します。
- 送信元アドレス（6バイト）- 送信元のMACアドレスを定義します。
- ペイロード（0バイト以上）は、フレームで転送される有用なデータ（IPパケット）であり、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動することがあります。
- チェックサム（4バイト）は、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。
- エンドデリミタ（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のフィールドであり、ACKとして機能します。このフィールドは、受信者によって設定され、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インストール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、2つのリンクのみを変更する必要があります。リングトポロジーのインストールは費用がかからないですが、利点のリストはここで終わりです。
では、リングネットワークトポロジーの欠点を強調しましょう。ネットワークの各フラグメントは故障点となります。壊れたケーブル、コンピュータのネットワークアダプタの故障、ケーブルの切断などによって故障が引き起こされることがあります。リンクの故障の場合、信号は前方に進むことができず、故障点を通過することができないため、ネットワーク全体が故障します。1つのステーションの故障はネットワーク全体の故障を引き起こします。データはすべてのノードを通過して目的のノードに到達するため、トラブルシューティングは困難です。
リングトポロジーのネットワークでは、ネットワークのすべてのノードが帯域幅を共有します。その結果、リングにさらにノードを追加すると、通信の遅延やネットワークのパフォーマンスの低下が発生します。ネットワークを再構成したり、ノードを追加/削除するには、ネットワークを切断してオフラインの状態にする必要があります。ネットワークの停止時間は、組織にとって便利で費用対効果の高いものではありません。したがって、リングネットワークトポロジー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良の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、イーサネット規格の普及とともに、1990年代から始まり、より進歩したスタートポロジーに取って代わられるまで人気がありました。現在では、リングトポロジーは低いネットワーク速度（4または16 Mbit/s）や他のデメリットがあるため、家庭やオフィスでの使用は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。ノード間に2つ目の接続を追加することで、データの双方向転送が可能になり、ネットワークをフルデュプレックスモードで動作させることができます。データはネットワーク内で時計回りと反時計回りに送信されます。最初のリングのリンクが失敗した場合、2つ目のリングはリンクのバックアップとして使用され、最初のリングの問題が修正されるまでネットワークの動作を続けることができます。
現代のネットワークでは、光リングが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（ISP）や管理サービスプロバイダ（MSP）が広域ネットワークで接続を作成するために使用されます。
光ファイバリングを作成するために使用される技術と規格：
- 弾力性パケットリング（RPR）はIEEE 802.17として知られています。
- ループを避けるためのスパニングツリープロトコル（STP）
- マルチ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本のファイバーを使用した双方向ラインスイッチリング（BLSR/4）、BLSR/2など
- 同期輸送モジュール（STM-4、STM-16、STM-64など）
- 同期光ネットワーキング（SONET）および同期デジタル階層（SDH）
スイッチなどの専門的なネットワーク機器は、適切な標準をサポートするために使用され、ファイバーリングを作成します。このハードウェアの価格は高いです。高い可用性の光リングは、都市の異なる地区や異なる都市間のノードを、高い可用性と高い速度のサーキットに接続するために使用されます。
スターネットワークトポロジー
スタートポロジーは、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あり、多くの利点を提供します。このトポロジーには、スイッチと呼ばれる中央ユニットが必要であり、他のすべてのネットワークデバイスがこのスイッチに独自のネットワークケーブルで接続されます。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、必要なすべてのステーションがスイッチに接続され、ネットワーク内で互いに対話します。この場合、2つのステーション間には直接的な物理的な接続はありません。ネットワーク内で2つのステーションが互いに対話する場合、フレームは送信者のネットワークアダプタから出てスイッチに送信され、
スター型ネットワークトポロジーは拡張が容易です。スイッチのポートが全て使用中の場合は、より多くのポートを持つスイッチに変更するか、既存のスイッチにパッチコードを使用して別のスイッチを接続してネットワークを拡張します。ただし、ネットワークが高負荷の場合、スイッチ間の接続はボトルネックとなります。なぜなら、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よりも低くなる可能性があるからです。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、パッチコードを使用し、一方の端末デバイスのネットワークアダプタに一方の端を挿入し、もう一方の端をスイッチに挿入してください。
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します。ただし、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なくなります。スター型ネットワークトポロジーでは、フルデュプレックスとハーフデュプレックスのモードがサポートされています。このトポロジーはメンテナンスが容易です。
ネットワークデバイスの接続時には、ループを避けてください。2つの第2層で動作するネットワークデバイス間に2つ以上の接続が存在する場合、ループが作成されます。たとえば、2つのスイッチを2本のパッチコードで接続するか、1つのスイッチの2つのポートにパッチコードを挿入すると、ループが発生します。ループにより、ネットワーク内の通信が中断し、ブロードキャストストームが発生します。不要なネットワークケーブルを排除し、スイッチの電源を切るまで、ブロードキャストストームは続きます。冗長な接続を作成する場合は、NICチーミングまたはリンク集約をサポートする複数のネットワークアダプタを持つデバイスを使用してください。
ハブとスイッチの違いは何ですか？
ハブとスイッチは、スタートポロジを使用する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。フレームをエンコードする信号がハブのポートの一つに到着すると、その信号はハブの全てのポート、そしてそれに接続された全てのデバイスに送信されます。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持つステーションのみがフレームを受信することができます。他の宛先デバイスではないネットワークデバイスで、ネットワークアダプタに他のMACアドレスがある場合、送信された信号を検出し、このフレームを拒否します。ハブの欠点は、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た全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層で動作します。
A switch is a more intelligent device. A switch remembers MAC addresses of connected devices and adds MAC addresses of devices connected to each port of the switch to the MAC address table. When a sender sends a frame to a target device, the frame is sent to the switch. The switch reads the MAC address of the network card of a destination station and checks the internal MAC address table to identify to which port of the switch the destination device is connected. Then, the switch sends the frame only to the port associated with the MAC address of the target device. There is no flooding and network overload. This approach ensures high network performance. There are no collisions when using a switch in a star network topology. A switch operates on the second layer of the OSI model (the data link layer). See the table below to see all OSI layers.
オープンシステムインターコネクションモデル（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） | プロトコルと標準の例 |
| 7 | アプリケーション | アプリケーションによって受信または送信されるデータ | 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 | 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、Token Ring |
| 1 | 物理 | ビット | 100BaseTX、RS232、ISDN |
A switch is more secure than a hub. Since 2011, using hubs to connect network elements is deprecated by IEEE 802.3, the set of standards and protocols for Ethernet networks.
注意: 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アクティブネットワーク機器に属しています。 アクティブ機器には電子回路があり、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、パッチパネル、ラックマウント、およびWi-Fiアンテナは、電気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を接続するために使用されます。
現実の星型トポロジ
伝統的なイーサネットネットワークが星型ネットワークトポロジをどのように使用し、IEEE 802.3標準がどのように機能するかを詳しく見てみましょう。 ツイストペアケーブル（4×2本のワイヤ）が最も一般的です。 これらのネットワークには通常、使用され、ケーブルの端はRJ-45コネクタで圧着されます（これは8P8C – 8ポジション8コンタクトとしても知られています）。 ケーブルの両端は、EIA/TIA 568B標準を使用して圧着されます。 動作原理は同じですが、この実践は一般的ではありません。 ケーブルに関する詳細な情報は、このブログ投稿の末尾のケーブルの種類セクションで確認できます。
イーサネット標準
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（Tの名前のTがツイストペアを意味し、BASEはベースバンド信号を意味します）。 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（オレンジと緑のペアのみ使用されます）。
100BASE-TX、通称ファストイーサネットは1995年に実装されました（IEEE 802.3u）。この標準では、ネットワークでの100 Mbit/sの速度が提供され、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、IEEE 802.3ab標準（1999年に承認されました）で説明されました。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として参照される標準で、最大データ転送速度は2.5 Gbit/sです。IEEE 802.3bz標準は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、データ転送速度は5 Gbit/sで、より高いクラスのケーブル、つまりUTP Cat 6が必要です。
10GBASE-Tは、最大速度が10 Gbit/sの銅線を使用する最速のイーサネット標準です。必要なケーブルはUTP Cat 6Aです。IEEE 802.3an標準には、10 Gbit/s接続用のツイストペアの仕様が含まれています。
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ます。
2つ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、上記の各標準については、ツイストペアケーブルの要件が満たされている場合、それぞれ100メートルです。200メートル離れた2つのネットワークデバイスを接続する必要がある場合は、それぞれのデバイスから100メートル離れた中間にスイッチを設置し、ケーブルの2つの100メートルセグメントを使用してそれらを接続します。
各規格の最高速度を達成するためには、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されたデバイスのネットワークカードを使用してください。例えば、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、これらのデバイスに1-Gbitネットワークカードをインストールし、1-Gbitスイッチに接続し、UTP Cat 5eケーブルを使用し、EIA/TIA 568B規格に基づいてRJ-45コネクタでクリンプされたパッチコードとして使用する必要があります。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、それらはフルデュプレックスモードでのみ動作します。
オートネゴシエーションは、他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（フルデュプレックスまたはハーフデュプレックス）を決定するための機能です。オートネゴシエーションは、ケーブルの他端に接続されたポートの構成を自動的に判別し、より低い値に基づいてデータ転送レートを設定します。100-MbitネットワークカードをCat 5eのパッチコードを使用して1-Gbitスイッチに接続した場合、ネットワーク接続の速度は100 Mbit/sです。以前の低速イーサネット規格との後方互換性は便利な機能です。
フレーム形式
標準イーサネットIEEE 802.3フレームの長さは1518バイトであり、標準のMTU（最大転送ユニット）は1500バイトです。ネットワーク内のステーションが大量のデータを交換する必要がある場合は、ジャンボフレームを使用するように構成してください。ジャンボフレームでは、フレームが9000バイトのMTUを使用できます。ジャンボフレームは、データ転送時の有用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を向上させるのに役立ちます。すべてのデバイスがジャンボフレームをサポートしているわけではありません。
スターネットワークトポロジを使用するもう一つの利点は、この物理ネットワークトポロジタイプを使用するEthernetネットワークがVLANタギングをサポートすることです。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タギングをサポートする必要があります。VLAN IDは0から4094までの範囲になります。4094は1つの物理ネットワーク内のVLANネットワークの最大数です。
スターネットワークトポロジを使用するIEEE 802.3 Ethernet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、送信者と受信者の間の同期に使用されます。
- フレームの開始デリミタ（1バイト）は常に10101011に設定されるフィールドです。SFD（フレームの開始デリミタ）はプリアンブルの終わりを示し、Ethernetフレームの開始をマークし、次のビットの宛先アドレスに備えます。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）のいずれかになります。
- 送信元アドレス（6バイト）には送信者デバイスのソース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（Ethernetタイプ）または長さ（2バイト）はEthernetフレームの長さを定義します。タイプフィールドは、レイヤ3（L3）プロトコル（0x0800 – IPv4、0x86DD – IPv6）、フレームが802.1q VLANタギングを使用しているかどうか（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、フレームによって運ば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）の典型的な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は送信者によって計算され、受信者はフレームを受信し、この値を計算して、フレーム内の受信されたCRC値と比較します。
A 14-byte header of an Ethernet frame contains the destination address, source address, and type (length). If VLAN tagging is used, an additional 4-byte VLAN tagging field is added to a frame after the source address field.
光接続
スターネットワークトポロジーは、光ケーブル（光ファイバー）を使用してネットワークを構築するためにも使用されます。これにより、より長いケーブルセグメントや低遅延が必要な場合があります。 10GBASE-Sと10GBASE-Eは、光ファイバーを使用して接続を確立するための10 Gbit/sネットワークの現代の標準です。この場合、トランシーバーとSFPコネクタを備えたスイッチが必要です。
SR（ショートリーチ）トランシーバーは、最大300メートルの距離に使用されます。
LR（ロングリーチ）トランシーバーは、300 m〜3 kmの範囲のケーブル長をサポートしています。
ER（拡張リーチ）トランシーバーは、30 km〜40 kmのケーブル長をサポートしています。
マルチモード（MM）光ケーブルは、短距離（300 m未満）に使用されます。
シングルモード（SM）光ケーブルは、長距離（300 m以上）に使用されます。
一部のトランシーバーでは、最大の互換性のために、銅製のCat 6AケーブルをRJ-45コネクターでSFP+ポートに接続できます。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た物理ネットワークの構築は、Cat 6Aの銅製ケーブルを使用したネットワークの構築よりも難しいです。
星型トポロジーの利点は次の通りです。
星型ネットワークトポロジーは優れています。星型は現在最も一般的なネットワークトポロジータイプです。このネットワークトポロジータイプの利点をまとめましょう。
- ステーションごとに1つのネットワークカードが十分です。
- 簡単な設置とメンテナンス
- 簡単なトラブルシューティング
- 高い信頼性と互換性
- 高速度
- ツイストペアと光ファイバーケーブルのサポート
- 柔軟性とスケーラビリティ
Wi-Fi接続
家庭やオフィスにアクセスポイントをインストールしてワイヤレスネットワーク接続を使用する場合、通常はワイヤレスネットワークが星型ネットワークトポロジーを使用します。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、ステーションのワイヤレスネットワークアダプターと接続されたスイッチとして機能し、星型トポロジーを表します。
ツリーネットワークトポロジー
木形状のネットワークトポロジーは、スタートポロジーの拡張であり、現在、広く使用されています。木形状のトポロジーの概念は、スイッチ間の接続を使用して、複数のスターのように枝分かれを作り出し、複雑なネットワークに接続することができるということです。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。スイッチの1つが失败すると、それに関連付くネットワークのセグメントがオフラインになります。木形状のトポロジーの頂点に位置する主要なスイッチがオフラインになると、ネットワークの枝が互いに接続できなくなりますが、各枝のコンピュータは互いに通信し続けます。ネットワークに接続されたあらゆるステーションの失敗は、ネットワークの枝や全体的なネットワークに影響を与えません。木形状のトポロジーは、信頼性が高く、インストール、保守、トラブルシューティングが簡単であり、高いスケール性を提供します。このトポロジーを使用している場合、ネットワークの各ノードの間に1つの接続があります（以下のネットワークトポロジー図をご覧ください）。
スターネットワークトポロジーに適用可能なプロトコルと標準は、木形状のトポロジーにも適用されます（包括的には、スイッチ、ケーブル、コネクター）。また、ルーターはOSIモデルの第3レベルで互いのサブネットワークを分離するために使用されます。結果的に、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。木形状のネットワークトポロジーは、インストールや管理が簡単であるため、大きな組織で広く使用されています。阶层なネットワーク構造が存在します。ネットワーク枝を主要なスイッチに接続することで、スイッチの長蛇の连锁を作ることを避け、データをスイッチ間のセグメントを通じて移行する際に、瓶颈として発生する可能性を reduced network performanceとして引き下げることができます。
ネットワーク構成の例。
木のネットワークトポロジーの例と、このネットワークトポロジータイプが実践でどのように使用されるかを見てみましょう。たとえば、複数の部門を持つ組織があり、各部門がビル内の1つのオフィスを占有しています。部門はビル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インストールすることは合理的ではありません。なぜなら、これによりビルの異なる場所にあるすべてのステーションを単一のスイッチに接続するためにケーブルを余分に消費することになります。また、スイッチのポート数よりもステーションの数が多い場合があります。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インストールし、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、部門のすべてのスイッチを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トップにあります。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に接続できます。もし別の建物に部門がある場合、そしてメインビルのあなたのスイッチまでの距離が100メートルを超える場合、追加のスイッチとUTPケーブルを使用することができます。このスイッチは、100メートル未満のセグメントに距離を分割します。代替として、このリモートオフィスをメインスイッチに接続するために光ファイバーケーブル（および適切な変換器またはスイッチ）を使用します。
管理を簡略化しセキュリティを向上させるために、各部門に対してルーターをインストールし、各部門に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ネットワークに、会計士は192.168.18.0/24ネットワークに、テスターは192.168.19.0/24ネットワークに、サーバーは192.168.1.0/24ネットワーク（メインサブネット）に所属します。
路由器とは何か？
A router is a device that operates on the third layer of the OSI model (the network layer) and operates with packets (the PDU is a packet). A router can analyze, receive, and forward packets between different IP networks (subnetworks) by using the IP addresses of source hosts and destination hosts. Invalid packets are dropped or rejected. Different techniques are used for routing, such as NAT (network address translation), routing tables, etc. The firewall and network security are additional features of the router. Routers can select the best route to transfer packets. A packet is encapsulated into a frame.
A router has at least two network interfaces (usually LAN and WAN). There are popular models of routers that are combined with a switch in a single device. These routers have one WAN port and multiple LAN ports (usually 4-8 for small office/home office models). Professional routers have multiple ports that are not defined as LAN or WAN ports, and you should configure them manually. You can use a physical Linux server with multiple network adapters and connect this machine as a router. Connect a switch to the LAN network interface of this Linux router to have the tree network topology type.
Wi-Fi接続
星状ネットワーク構造と同様に、無線ネットワーク装置は、有線の部分とともに树状の構造を作るネットワークセグメントを形成することができます。2つの同じWi-Fiアクセスポイントは、ブリッジモードで動作し、2つのネットワークセグメント（2つの星）を接続することができます。この手法は、100メートル以上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装備することができない場合に便利です。以下の树状ネットワーク構造図がこのケースを説明します。ブリッジモードで動作する各Wi-Fiアクセスポイントに接続されたスイッチ、他の2つのWi-Fiアクセスポイントが適切なスイッチに接続され、クライアントステーションがこれらのアクセスポイントに接続されます（これらは星状ネットワーク構造の枝を形成します）。
망(Mesh) 네트워크 구조
A mesh network topology is a configuration in which each station in the network is connected to the other stations. All devices are interconnected with each other. There are two types of mesh: a full mesh and a partial mesh. In a partially connected mesh, at least two stations of the network are connected to multiple other stations in the network. In a full mesh, each station is connected to all other stations. The number of connections for a full mesh is calculated with the formula Nc=N(N-1)/2 links, where N is the number of nodes in the network (for the full-duplex mode of communication). See the network topology diagram below.
망(Mesh) 네트워크 구조는 네트워크에 재分发을 제공하지만、연결의 수가 많고 사용된 케이블의 총 길이가 비싸る downside가 있습니다. 하나의 스테이션이 실어지면、다른 노드와 연결을 사용하여 네트워크가 지속적으로 运営할 수 있습니다. 실어진 노드를 통해 데이터가 이전되었다면、데이터가 다른 노드로 이전되는 경로가 변경되고、다른 노드로 데이터가 이전합니다.
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動的ルーティングプロトコルを使用して、経路を動的に作成および変更できるルーターです。経路の変更に伴いホップ数は変化する可能性があります。ルーティングテーブルには、宛先識別子、ソース識別子、メトリクス、生存時間、およびブロードキャスト識別子が含まれています。ルーティングはOSIモデルの第3層で動作します。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、接続の冗長性によって大量のトラフィックを転送するために使用できます。
新しいステーションをネットワークに追加するのは難しいです。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ります。ノードの追加または削除は、ネットワーク全体の動作を中断しません。必要な接続を確立するには、各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され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する必要があります。メッシュネットワークトポロジーはスケーラブルですが、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ことがあります。障害耐性のあるトポロジーは高い信頼性を確保します。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、インターネット上の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に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、無線メッシュネットワークと呼ばれるワイヤレスネットワークのカバレッジを拡張するために使用されます。 インフラストラクチャメッシュアーキテクチャは、この種のネットワークトポロジに最も一般的です。 このネットワークトポロジタイプを作成するために使用されるワイヤレス技術は、IEEE 802.15.4プロトコルに基づくZigbeeやZ-Wave、WirelessHARTです。 IEEE 802.11、802.15、および802.16。 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使用して動作することができます。
ハイブリッドネットワークトポロジ
ハイブリッドトポロジは、以前にカバーされた2つ以上のネットワークトポロジタイプを組み合わせます。 スター型とリング型のネットワークトポロジの組み合わせは、ハイブリッドネットワークトポロジの例です。 ネットワーク内で2つのトポロジの柔軟性が必要な場合があります。 ハイブリッドトポロジは通常、拡張可能であり、すべての子トポロジの利点を持っています。 トポロジの欠点も組み合わされ、インストールとメンテナンスが難しくなります。 ハイブリッドトポロジは、ネットワークにさらなる複雑さを加え、追加のコストが必要になる場合があります。
スターリングトポロジは、現在見られるハイブリッドタイプのネットワークトポロジの例の1つです。 リング部分について話すとき、私たちはTコネクタとBNCコネクタを備えた同軸ケーブルを意味しません。 現代のネットワークでは、ファイバーリングが長距離のノードを接続するために使用されます。 このハイブリッドネットワークトポロジ（リング+スター）は、同じ都市内の異なる建物または異なる都市にある建物間のネットワークを構築するために使用されます。 ノード間の距離が大きい場合にスタートポロジを使用することは難しく、ケーブルの過消費を引き起こします。
ファイバーリングの複数ラインの利点は、単一の障害点がないことです。冗長な光リンクは高い可用性と信頼性を提供します。1つの光リンクが壊れた場合、予備チャネルが使用されます。円のノード間の異なるファイバーラインは、異なる地理的経路を使用して追跡できます。
リングのノードであ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使用してネットワークセグメントの一部であるスイッチ/ルーターに接続されます。その接続は、ローカルエリアネットワークを構築するための利点があります。ファイバーケーブルと関連コネクタに対応するスイッチ/ルーターを、適切なコネクタで圧着された銅ケーブルに対応するスイッチ/ルーターに接続するために、ファイバーメディアコンバータが使用されます。リングとスターが異なる種類のケーブルとネットワーク機器を使用する場合。
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の設置全体のコストは、選択したネットワークトポロジ、ケーブル、および他のネットワーク機器に依存します。異なる種類のケーブルは、異なるネットワークトポロジの実際の例を示す際にブログ投稿で言及されています。このブログ投稿で説明されている物理トポロジのより良い理解のために、異なる種類のネットワークトポロジに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
RG-58は同軸ケーブルの人気バージョンであり、インピーダンスは50オームです。このケーブルはまた、10Base2 Thinnetケーブルとしても言及されます。名前のRGは「radio guide」の略です。同軸ケーブルの他の例には、RG-6、RG-8、RG-59があります。現在では、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ます（5D-FB、8D-FB、LMR-400ケーブルタイプ）。
ツイストペア
ツイストペアケーブルは、使用の簡便さ、高帯域幅、手ごろな価格のためにネットワークで広く使用されています。直径約1mmの二つの別々の絶縁された銅線が一緒に撚り合わされてペアを形成します。異なるケーブルタイプやカテゴリーでは1〜4つのペアが使用されます。撚り合わせる理由はノイズ信号を減らすためです。ツイストペアは、ケーブルを機械的な損傷から保護する外部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、UTP、FTP、STPの3つの主要なタイプがあります。
UTP（非シールドツイストペア）は、ワイヤーと絶縁体から構成されるケーブルです。
FTP（Foil screened Twisted Pair）またはF/UTPは、すべての twists 配对を金属シールド（アルミニウムフoil）で覆われたケーブルです。その中には1mm以下の直径の追加の単独のワイヤが含まれています。結果として、FTPケーブルは適切なコネクターを使用することで接地をサポートすることができます。個々のtwists 配对は未 screening です。
STP（Shielded Twisted Pair）は、twists 配对を囲む编织金属シールドを持っています。各 twists 配对はアルミニウムフoilで覆われています。整个のケーブルは硬く、卷ねるのが困難です（FTPとUTPよりはっきり柔軟ではありません）。STPケーブルは電磁ノイズと Mechanic 損傷による保護がより良いのです。
現在、ネットワークのインストールにはカテゴリ5eまたは更なる高いカテゴリが使用されています。カテゴリが高いほど、データ転送率が高くなります（100MHz、250MHz、500MHz）、データ転送速度のサポートができます。同じカテゴリのFTPまたはSTPケーブルをUTPケーブルに代わることができます。UTP Cat.3には2本のtwists 配对しかありません。UTP Cat.5やそれを上のものにおいては4本のtwists 配对があります。ケーブルの crimping は簡単で、ケーブル crimping ツールを持っている人でも行えます。
オプティカルファイバーケーブル
オプティカルファイバーケーブルは最低のlatencyを提供し、1本のケーブルセグメントでより長い距離をカバーすることができます（リピーターなし）。ファイバーオプティカルケーブルは細く、2層のガラスで構成されています。核ガラス層は純粋なガラスで、長距離の光信号の波導として機能します。包囲しているクラッドは核より低い屈折率を持つガラス層であり、全体的な内反射原理に基づいた技術です。
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ています。MMFケーブルは直径が大きく、複数の光線（またはモード）を伝播させるために使用されますが、短距離に適しています。MMFケーブルは通常青色です。SMFケーブルは長距離に適しており、黄色です。一般的なコネクタにはSC、FC、LC、STがあります。
光ファイバーケーブルの価格は高いです。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と比較して困難です。スイッチやルータに光ケーブルを接続するために必要なトランシーバーの価格は追加費用がかかります。光ファイバーの端は常に清潔に保たれるべきで、ほんのわずかなほこりでも重大な問題を引き起こす可能性があります。
結論
このブログ投稿では、物理的なトポロジ、論理的なトポロジ、およびそれらを現実の生活で使用する例について説明しました。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、最も一般的なネットワークトポロジであるスタートポロジを使用するか、スタートポロジの高度にスケーラブルな変形であるツリートポロジを使用してください。リングトポロジとメッシュトポロジは主にインターネットサービスプロバイダや管理サービスプロバイダ、データセンタで使用されます。これらはより構成が困難です。ネットワークトポロジの種類、ネットワーク機器、規格、プロトコルの多様性により、環境に応じて必要な構成のネットワークをインストールすることができます。
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Source:
https://www.nakivo.com/blog/types-of-network-topology-explained/