ルーター

概要

ルーターはネットワーク間を相互接続する通信機器であり、通常はOSI基本参照モデルでの第1層（物理層）から第3層（ネットワーク層）までの接続を担う。一般的に用いられるルーターは、基本機能として各ネットワーク間でのIPパケット（第3層）をやり取りできるようにする装置であるが、実際は基本に加えてさまざまな付加機能を実現している。
ハードウェアとしてのルーターは、おおまかに通信事業者 (ISP) 向けのコアルーターと企業向けのエッジルーター、コンシューマー向けのブロードバンドルーターに分けられる。それぞれベンダーの設計思想や販売戦略によって製品区分が異なるため、呼称は一定ではない。
ルーター内部のソフトウェア (OS) については、米ジュニパーネットワークス社のJUNOSや米エクストリームネットワークス社のExtremeXOSなど、主要なOSはUnixの修正版である。米シスコシステムズ社のみは、独自のCisco IOSを展開しているが、IOS XRではUNIX系のマイクロカーネルを採用した。また、2005年にはOSSとしてDebianLinuxベースのVyattaが開発され、日アライドテレシス社は同社製AlliedWare PlusにLinuxカーネルを採用するなど、Linuxの利用も広まっている。

ルーター前史

1964年MITのラリー・ロバーツがARPA（Advanced Research Projects Agency、DARPAの前身）のJ.C.リックライダーと出会い、コンピュータ同士の接続に意欲を燃やす。1966年にARPAに異動したラリーはARPANETの設計責任者となって、従来の「回線交換」にかわる「パケット交換」を基本とすることに決定。1968年よりARPANETの実計画がスタートし、1970年に最初の4箇所での接続によって稼動開始。ARPANETは米BBN社 (Bolt Beranek and Newman) の作ったIMP (Interface Message Processor) と呼ばれるパケット交換機が中心で構成されていた。IMPは単一プロトコルでの動作であったため、まだこの時点ではルーターではない。1972年にARPAに着任したボブ・カーンは様々なインターフェースを持つ「ゲートウェイ」と呼ぶ装置を構想していた。カーンはパケットそのものをローカル・ネットワークのパケットに入れて運ぶパケットのカプセル化を考えた。プログラミングに詳しいスタンフォード大学のビントン・サーフがカーンと協力してゲートウェイとカプセル化のアイデアを詰めていった。1974年に2人はIEEEの学術誌に現在のTCP/IPの原型となる「TCP」というプロトコルを発表。1977年に最初のネットワーク相互接続実験が行われ、衛星通信を介したTCPパケットの送信に成功した。ゲートウェイという用語は1980年代後半にルーターと呼ばれるまで使い続けられた。今でもイーサネットではないWAN回線などへの接続の場合には、回線インターフェースが明らかに変わるのでゲートウェイと呼ばれることがあるが、これが「外部への出口」という意味で使われたのかカーンの命名からの由来なのかは、判然としない。
その後、2人のTCPプロトコルはアプリケーション同士の通信を担当する部分 (TCP) とパケット中継を担当する部分 (IP) に分割され、1981年には洗練されたプロトコルとして現在の「TCP/IP」が発表された。

ルーターの誕生

1976年には、米BNN社の手によってARPANETに接続するIP対応ルーターが、世界で初めて製品化された。この「ルーター」は、米DEC社の16ビット・ミニコン「PDP-11」上においてアセンブリ言語で書いた20Kバイトのルータープログラムを走らせるものであり、処理速度は100パケット/秒程度であった。
1982年には、ARPANETの内部や米国・欧州を合わせて20以上のルーターと数百のホスト・コンピュータが1つに接続され、これが今のインターネットの原型となった。

商用ルーターの販売

1986年には米プロテオン社より、マルチプロトコルに対応した世界初の商用ルーター「ProNET p4200」が発売された。1990年には米シスコシステムズ社が「Cisco7000」を、1997年にインターフェースカード（ラインカード）に分散アーキティクチャを導入した「Cisco12000」を発売し、10Mパケット/秒クラスの性能に至った。
1987年には世界初の商用インターネットプロバイダ (ISP) UUNETが誕生し、一般固定電話が定額制だったことから、コアルーターをDCE、アナログモデムをDTEとした、ハブスポーク型トポロジによるネットワークが米国において定着する。
1995年頃、回線の高速化（ISDNやCATVの普及）に伴うトラフィックの増加に伴い、X.25に代わるWANプロトコルとして、エラー制御処理の簡略化によって高速化したフレームリレーが導入された。その後、ルーターは様々な種類の物理インタフェースをサポートするようになった（ルーター#ルーターの基本機能を参照）。
また、この頃からLAN回線（トークンリング、イーサネット、FDDI (Fiber-Distributed Data Interface)）上で動作するネットワーク層プロトコル (AppleTalk、IP、IPX) とWANプロトコルをリンクさせる役割をルーターが担うことになり、同時に、LAN回線に比べて速度で劣るWAN回線を効率よく使用するため、WAN側に設置されたルーターをデータ端末装置 (DTE) として扱うことで、過剰なトラフィックをWAN側に流さないようになった。ルーターは、ISPによるWAN網のバックボーンとなるコアルーターと、そのDCEもしくはDTEとなるエッジルーターとに分かれることになる。

LANの普及とWANの高速化

1995年、標準ネットワーク機能としてTCP/IPを実装するOS「Windows95」が発売され、企業におけるPCとLAN回線の普及が進むと、企業ネットワークの世界はISPセンターとPCを接続するトポロジから、セグメントごとにハブを介して専用線経由で接続するトポロジに変わり、LAN側セグメント間のルーティング機能が重視されるようになった。こうした状況の変化にともない、ネットワーク中継装置としてレイヤ2スイッチが注目されるようになり、やがてレイヤ2スイッチは利便性向上のため、VLAN (Virtual LAN) を実装するに至った。
一方で、コンシューマーにおいては前者のハブスポーク型トポロジは継続した。日本では、接続回線にISDNが広まったことから、アナログモデムからダイアルアップルーターに移行した。やがて1990年代後半からのブロードバンド回線の普及にともない、ブロードバンドルーターが広まることになった。

レイヤ3スイッチの誕生

VLAN技術により、ポートの効率化が可能になると、次はLAN側トラフィックの急増によってセグメント間ネットワーク層のルーティングがボトルネックとなった。
レイヤ3スイッチは、レイヤ2スイッチとルーターのルーティング機能を1つの筐体に同居させることで、レイヤ2スイッチとルーター間のボトルネックを解消した。ルーティング機能は、汎用CPUを使ったソフトウェア処理からASIC (Application Specific Integrated Circuit) とよばれる半導体チップによる処理に変更したことにより、処理の高速化を実現した。また、コストの面から利用するプロトコルをTCP/IPに特化し、インターフェースをイーサネットに限定したことが、広域イーサネットやIP-VPNといった次世代のWAN側サービスと合致したため、ユーザーの需要が高まることとなった。
当初、レイヤ3スイッチは高価であったが、2000年代に米エクストリームネットワーク社が安価で多彩な機能を持ったレイヤ3スイッチである「Summit」シリーズを発売し、センタールータの代替として、企業や官庁を中心にレイヤ3スイッチは普及した。

専用線から仮想線へ

2000年頃から、企業ネットワークの主流がこれまでの専用線から、より安価で接続範囲を限定されないインターネットによるVPN (Virtual Private Network) に移行した。通信業者はMPLSとVRによる有料サービス「IP-VPN」を提供したが、企業や個人にも独自にVPN環境を構築する動きが広がり、IPsecトンネルやPPTPを経路とするインターネットVPNを実装するエッジルーターやブロードバンドルーターが開発された。
2002年には、データリンク層をギガビットイーサネットで繋ぐ、広域イーサネットによるサービスが広まり、そのデバイスとしてレイヤ2スイッチが再度注目されることとなった。

次世代ネットワークによるオールIP化

2000年代後半より、IP電話や第3世代 (IMT-2000) 以降の携帯電話の発展に応じて、コアネットワーク（バックボーン）のオールIP化を志向した次世代ネットワーク (NGN) が提唱され、通信業者のバックボーンは、これまでの電話交換機による電話網からルーターやスイッチ類などによるIP網に再構築された。また、2010年6月には次世代イーサネット規格として、40Gbps/100Gbpsという2つの異なる伝送速度に応じたIEEE 802.3baが承認された。40Gbpsはサーバなどの機器間での接続に、100Gbpsは主にネットワーク間のバックボーンに使われるとの見通しで、各ベンダーの設計もこの規格に基づき、おこなわれている。

ルーターの基本機能

ルーターの基本機能は4つある。

管理

ルーターは、経路情報を持つルーティングテーブルの管理をおこなう。
直接接続された他のインターフェースとの通信により、経路情報を自動的に学習する。しかし、ルーターは「直接接続されていないインターフェース」には接続できないため、それを含めた経路情報を設定する必要がある。
経路情報を設定する方法には、ネットワーク管理者が手動で設定する静的ルート (Static Route) と、ルーティングプロトコルで設定された動的ルート (Dynamic Route) がある。
動的ルートは、ルーティングプロトコルが設定されると、相互接続された他のルーターとの通信によって経路情報を交換し合い、自動的にルーティングテーブルを最適な状態に保つ。この状態を収束または収斂（コンバージェンス）という。
この経路情報の収集につかわれるルーティングプロトコルには2種類あり、異なる自律システム (AS) 間でつかわれるEGP (Exterior Gateway Protocol) と、同一のAS間でつかわれるIGP (Interior Gateway Protocol) がある。その中でも策定団体の違いによって、EGPではBGP-4、IGPではRIP、OSPFなどがある。
また、通信制御用プロトコルであるICMPを周囲に発信し、エラーや回線の状態を監視するルーターもある。
これらにより、あらかじめ伝送路の2重化や迂回経路への切り替えを設定しておけば、伝送路に障害が発生した場合、RIP、OSPF、BGPといったプロトコルを利用せずに別経路への自動的な切り替えが行われる。

受信

受信した信号をインターフェース回路がビット列に変換し、受信処理を行うパケット処理エンジンに入力データを渡す。パケット処理エンジンでは受け取ったIPフレームをあらかじめ区切られたルーティングテーブル用メモリバッファに蓄積する。この入力バッファ領域は1フレームが十分に収まる長さごとに区切られている。メモリーのサイズは限りがあるため、転送処理が滞って後から来たパケットがメモリに格納出来なくなればそのパケットは破棄される。これが「パケット・ロス」と呼ばれる現象である。

解析

パケット処理エンジンは、ルーティングテーブル用メモリに蓄積されたIPパケットのヘッダーを読み取り、ルーティングテーブルの検索をおこない、出力先インターフェースを決める。同時にQoSとアクセス制御リストを参照する。条件にあえばその処理を行う。解析で得られた情報は、パケットバッファ用メモリのIPパケットに付加しておく。

送出

パケットの送出を担当するパケット処理エンジンは、各種テーブルメモリからパケットを読み出して、「解析」処理で得られたQoSにより、出力インターフェイスを振り分け、パケットバッファ用メモリに蓄積する。スケジューラにより、パケットバッファ用メモリからパケットを読み出して出力する。

ダイヤルアップルーター

WAN回線側のインターフェースをISDN用のターミナルアダプタとしたリモートルーター。日本国内では、INSネット64サービスの開始後、一般にも普及した。代表的な製品にはNTT-TE東京（現NTT-ME）の「MN128 SOHO」やヤマハの「RTA-50i」などがあった。
ダイヤルアップルーターの大きな特徴として、ダイヤルアップ自動接続・切断機能が挙げられる。フレッツ・ISDNなどによる定額接続サービス登場以前は、接続時間による従量制課金であった。そこで、PCがインターネットにアクセスしようとしたとき、ダイアルアップルーターはそれを検知して接続（設定したISPのアクセスポイント番号へのダイヤル）を開始し、一定時間外部との通信が無いときには自動的に切断する機能を備えていた。
基本的な機能としては小規模LAN向けとしてDHCPサーバ機能、IPマスカレード・NATなど。その他の機能については、ブロードバンドルーター#機能を参照。
2001年にソフトバンクがADSLによるブロードバンドインターネット接続を低価格で発売したことにより、NTT（当時）が独占してきたISDNによるインターネット接続はシェアを奪われ、それに伴いダイヤルアップルーターはレガシーハードウェアとなった。

ブロードバンド対応ダイヤルアップルーター

「MN128 SOHO」シリーズから「PAL B&I」や「IB3」のほか、PCカード型LANカードを装着しWANポートとすることによりブロードバンドルーターとしても使える「Slotin」が発売されていた。このうち、「IB3」と「Slotin」は無線LANにも対応し、またPCカード型端末を挿入しFOMAやPHSなどの回線経由でインターネットに接続することも可能であった。

インターフェース

ルーターの技術は、家庭や小規模オフィスでの電話回線を通じたネットワークの構築にも長年使用されている。現在のブロードバンド・ルーターに繋がる初期の電話回線用インターフェース機器では、WAN 側に汎用の RS-232C などのシリアルポートを持ち、モデムやターミナルアダプタなどの回線機器を介して電話回線と1対1で接続していたが、後にはダイヤルアップ・ルーターと呼ばれるWAN側にISDN回線や128kbpsまでのデジタル専用回線を直接収容する回線インターフェースなどを持ち、LAN側に複数の端末が接続できるものが多くなった。1990年代末からの日本でのADSLや2000年代初頭からのFTTHの普及に伴う回線の高速化（ブロードバンドインターネット接続）のため、こういった製品もADSLや光ファイバーへ対応し、PPPoAやPPPoEによってADSLモデムやONU（光回線終端装置）に接続され、総称してブロードバンド・モデムルーターと呼ばれるようになった。

モバイルWi-Fiルーター

Wi-Fiを定義するIEEE規格は、データリンク層での動作のため、本項の説明からは除く。

新しいネットワーク・サービス技術

2008年現在では、ルーターを含む大規模なネットワークの利便性向上のためにさまざまな技術が生まれている。下記にルーターに関係が深い技術を示す。

MPLS

MPLS (Multi protocol label switching) は、MACヘッダーの後ろにMPLSシム・ヘッダーと呼ばれるラベルを付加して、MPLS対応ルーター同士での転送先識別に利用する。MPLS対応ルーター同士はLPS（ラベル・スイッチ・パス）と呼ばれる仮想パスで結ばれる。レイヤー3スイッチと違い、ルーターの使用によって優先制御や帯域制御といった機能、特定のパケットだけを別経路にう回させたり、回線障害の発生時に瞬時（数ミリ秒）に迂回路を設定する「ファスト・リルート」機能などによって高い利便性が提供される。

VPLS

VPLS (Virtual private LAN) はMPLSを利用したMACアドレスを転送先アドレスとして使用する、ルーターによって構成される広域イーサネット技術。企業のローカル拠点のLANをVPLS網に繋ぐことで、そのままイーサネットのMACフレームによるやり取りが行える。VPLS網の端に位置するエッジ・ルーターはMACアドレスとパスの対応表を持ち、ローカルLANから受け取ったフレームのパケットの宛先MACアドレスからパスを見付け出してラベルを付けてVPLS網に送り出す。コア・ルーターでは、ラベルだけを頼りにフレームを転送してMACアドレスは扱わない。ローカルLANから見れば、VLPSネットワークは大きなLANスイッチと同じように機能する。MPLSの利点であるQoS機能やファスト・リルート機能が提供される。