ルーター

ルーターまたはルータは、コンピュータネットワークにおいて、データを2つ以上の異なるネットワーク間に中継する通信機器である。通信プロトコルにTCP/IPが使われるようになってから普及した。データをネットワーク層で、どのルートを通して転送すべきかを判断するルート選択機能を持つ。

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層から第3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パケットをやり取りできるようにする装置であるが、暗号化やフィルタリングなど、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  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  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。

1. 歴史
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1.1. 前史
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1964年MITのラリー・ロバーツがARPA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  が開発したIMP  と呼ばれる、単一プロトコルのみで動作するパケット交換機を中心に構成されていた。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備え、パケットをカプセル化する機能を持つ「ゲートウェイ」と呼ぶ装置を構想していた。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・サーフは、カーンと協力し、1974年に、2人は、IEEEの学術誌に、現在のTCP/IPの原型となる、TCPを発表した。1977年に最初のネットワーク相互接続実験が行われ、衛星通信を介したパケットの送信に成功した。ゲートウェイという名称は、1980年代後半にルーターと呼ばれるようになるまで使い続けられた。

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  とパケット中継を担当する部分  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。

1.2. 誕生
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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かれた20Kバイトのプログラムによってパケットを処理する仕組みであり、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。

1.3. 商用販売
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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  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CATVやADSLが広まった後も、安定したインフラクチャであるナローバンドとしての利用は続いた。}}。

1995年頃、回線の高速化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。

また、この頃からLAN回線上で動作するネットワーク層プロトコル  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  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。

1.4. LANの普及とWANの高速化
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1995年、標準ネットワーク機能としてTCP/IPを実装するOS「Windows 95」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  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ただし、ブロードバンド普及についての経緯や規模は各国の政策、通信事情により異なる。

1.5. 専用線から仮想線へ
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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  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。

1.6. 次世代ネットワークによるオールIP化
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2000年代後半より、IP電話や第3世代  以降の携帯電話の発展に応じて、コアネットワークのオールIP化を志向した次世代ネットワーク  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。

2. 分類
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規模やネットワーク上で使用される位置によってルーターが分類されており、それぞれ名称が変わる。いずれもルーターとしての機能は同じである。以下に規模の大きな物から順に示す。

2.1. コアルーター
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基幹ネットワークのバックボーンを構成するルーター。ISP内の地域別ネットワークや複数のISP間のネットワークを相互接続する。局舎やデータセンターなどのキャビネットラック内におかれる。プロバイダールーター  とも呼ばれる。

2.2. センタールーター主にヤマハ製品で使われる呼称。ヤマハはエッジルーターを拠点ルーターと呼ぶ。}}
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WANを介して、企業のネットワークや、ISPと企業のネットワークを相互接続する。ISP・企業間でともに利用されるエッジルーターを、便宜上センタールーターと呼称する。立地条件により、プロバイダーエッジルーター 、カスタマーエッジルーター  とも呼ばれる。高速なパケット処理を必要とする場合、L3スイッチもしくはギガビットイーサネット対応L2スイッチに置き換えられることがある。

2.3. エッジルーター
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基幹ネットワークの端に設置されるルーター。企業の支店や営業所内のネットワークをWAN回線に繋ぎ、本社のセンター・ルーターにアクセスする。

2.4. ダイヤルアップルーター
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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東京の「MN128 SOHO」やヤマハの「RTA50i」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

「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。

2.5. ブロードバンドルーター
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基本的にはローカルルーターとスイッチングハブであるが、WAN回線用のモデムなどを内蔵し、リモートルーターであるものもある。あるいは、WAN側のネットワーク構成に応じ、各種トンネル機能を備えるものもある。

2010年現在は小型・簡略化したものが市販されており、一般家庭や小規模事務所などのユーザ向けのADSLやFTTHなどの、ブロードバンドインターネット接続用に使われる。また、回線事業者が契約者に貸し出すADSLモデムやONUといった接続装置の多くがルーター機能を持っている。

一般家庭ユーザの利用を想定して、出荷前にあらかじめ基礎的な機能が組み込まれ構築がなされており、通常はISPの接続用アカウントを設定することで使えるようになっている。

また、日本においてはフレッツによる網構成がある関係上、一般市販されているブロードバンドルーターは、フレッツの網構成には基本的に殆どの機種が対応し、フレッツ以外のISP回線事業者の網構成への対応は、オプションとして一部の回線事業者だけに対応あるいは非対応のものが多く、フレッツ以外のISP回線事業者のサービスを契約する場合はそのISPが専用のルータ機器をレンタル提供する、と言う住み分けが一般的である。また、市販のフレッツ対応ルーターについても、IPv4にしか対応しない古い機種、IPv4とIPv6移行過渡期の過渡的機種概ね2010年代前半までの機種。2010年代後半以降最新のIPv6/IPv4 over IPv6方式には対応していないものも多い}}、2010年代後半以降のIPv6移行期に対応している機種、に大別される。

また、本来ルーターはIP層までを扱うのが本来の役割であるが、家庭向けブロードバンドルーターの中には、それに加えDNSキャッシュサーバ、ダイナミックドメインネームサービスへの自動登録機能、BitTorrentクライアントなどそれ以上の層に属する機能を持つものもある。

小さな形状であり、初心者でも扱えることが利点である反面、それゆえのデメリットもある。

家庭向け機器では、多くの製品において冷却機構はファンレスであるため、製品によっては熱暴走する本体に穴を開け、PC用ケースファンを設置するユーザもいる。}}。2010年代以降の日本メーカー製機器ではCPU等の小型化・低消費電力化で改善されている。
無線LANアクセスポイント内蔵の製品においては、無線LANに関するセキュリティーのリスクがある。無線機能はほぼ初期設定のままで機能するものの、初期設定ではルーター－パソコン間の通信が暗号化されていないか、暗号の強度が低い設定のため暗号が解読されてしまい、LANへ侵入される可能性がある。機能

基本的な機能
IPv4関連
PPPoE接続機能
ネットワークアドレス変換機能 
IPv6関連
ネイティブIPv6ルーティング
フレッツ網におけるIPv6に対応するIPv6 IPoEルーティング
フレッツ網におけるIPv6に対応するIPv4 over IPv6トンネリング
DHCPサーバ機能
パケットフィルタリング
ステートフルパケットインスペクション
DNSキャッシュ機能
ポート変換/DMZ  }}
経路制御情報の管理
各種設定・管理機能
付加的な機能
固定IPアドレス利用 
InfiniBand
光ファイバー
LAN側
シリアルポート - LANが一般的でなかった頃のエッジルーターはこの形態だった。
イーサネット 
RJ-45 ポートそれぞれの物理インターフェースは、様々な回線種別に対応しており、タイプとして固定型とモジュラー型に分かれるモジュラー型はインターフェースカードをスロットに差し込むことでユニット交換が可能であり、拡張性に優れている。}}。タイプを選択することにより、ユーザーのサービスにあわせた柔軟な対応ができる。ATMを使ったセルリレーや、フレームリレーなどデータリンク層への接続には、WAN側のインタフェースカードの交換、シリアルケーブルでデバイス  と接続、インターフェースの設定フレームリレーの場合、ルーターをFRAD  に設定し、接続先をデータ回線終端装置 ([[データ回線終端装置を行うことによって接続が可能となる。

2.6. 経路選択と転送
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ルーターは、受信パケットの宛先情報から経路選択をおこなう。これをルーティング  という。ルーティングを実施する際にルーティングテーブルの情報が参照される。その情報を元にパケットの転送をおこなう。これをフォワーディング  という。

IPv4パケットの場合の流れを説明すると、

ルーターが、IPパケットを受信すると、その中のIPパケット・ヘッダーから宛先アドレス  を読み取る。
ルーティング・テーブルと宛先アドレスを照合し、合致するものがあれば、ネクストホップ  のIPアドレスから、ネクストホップに到達するためのレイヤ2アドレスを調べる。
ARPテーブルを参照し、なければARPパケットを送信して、宛先MACアドレスを取得し、ARPリクエストにレスポンスがあれば、ARPテーブルを更新し、パケットを転送する。なければ、送信元アドレス  にパケット到着不可である事を示すメッセージ  を送信元に返す。
パケットのヘッダをネクストホップに書き換える。
パケットを転送先のインターフェース  に送信する。
ルーターにデフォルトルートの設定がなく、ルーティングテーブルにマッチしなければ、未知の宛先とみなされ、パケットは破棄されて、送信元アドレス  にパケット到着不可である事を示すメッセージ  を送信する。となるルーターがIPパケットをルーティングする際、IPパケット・ヘッダーの[[Time to live。

この時に用いられるルーティングテーブルには、ネクストホップ情報、宛先アドレス情報、そのルーターに接続するためのインターフェース情報など、転送に用いる経路情報が記録される。ルーターの性能は、このルーティングテーブルやARPテーブルの参照処理能力と、スループット値などにより決まる。なお、レイヤ3スイッチの場合は、最初のパケットをコントロールプレーン  のCPUで処理し、ルーティングテーブルとARPテーブルで算出した情報をASICのレイヤ3テーブルに追加する。2回目以降のパケットをデータプレーン  のASICで処理する。

2.7. 選別
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ルーターは、WAN側から受け取ったIPパケットに応じて、フィルタによって転送せずに破棄したり、QoS  によって優遇してLAN側に転送するなど、パケットの選別機能を持つ。

フィルタリング機能 IPヘッダー、TCP/UDPヘッダー、パケット内の有意なデータを設定して、条件に該当するIPパケットを破棄する。特定のパケット通信を排除できるcisco社ではアクセスリストまたはアクセス制御リスト  として実装する。}}。 QoS機能 QoSは、LAN側の帯域が大きく、WAN側の帯域が小さいという構成において、ルーター内部のキューにパケットが溜まる状態で、どのパケットを優先して出力するかの方法を選択し、制御する機能である。下記にその方法を示す。 優先制御 優先すべきIPパケットとそれ以外を、IPアドレスやポート番号などによって区別し、優先度を割り当てる。この方法をプライオリティ・キューイングと呼ぶ。 帯域制御 一定時間ごとにインターフェースのパケット量を監視し、閾値以上になれば超過したパケットを破棄する。この方法をポリシング  と呼ぶ。また、超過したパケットを破棄せずにバッファリングによってキューに保持し、間隔をおいて平滑的に伝送されるようにスケジューリングする方法をシェーピング  と呼び、どちらかの方法を選択して設定する。

2.8. 管理
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ルーターは、経路情報を持つルーティングテーブルルーティングテーブルは、宛先アドレス、ネクストホップ、送出元のインタフェースの各情報を持つ。}}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  と、ルーティングプロトコルで設定された動的ルート  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というcisco社では、これをアドバタイズメント  と呼ぶ。}}。

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  間で使われるEGP  と、同一のAS内で使われるIGP  がある。EGPとしてはBGP-4、IGPとしてはRIP、OSPFが有名である。

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ヤマハのRTシリーズなどでは、ネットワークバックアップ機能と呼ばれる。}}。 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。

3. 内部処理
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ルーターの内部について、代表的なアーキテクチャには分散型と集中型がある。アーキテクチャはインターフェースカード、スイッチカード、制御部で構成される。

インターフェースカードは、パケット処理エンジン、パケットバッファ用メモリ、ルーティングテーブル用メモリ、各種テーブルメモリにより構成される。そして、ルーターの内部の処理は4段階に分かれる。

分散アーキティクチャ 複数のパケット処理エンジンをクロスバー・スイッチで接続する。複雑なルーティング処理をコントロールプレーンで実施し、単純なパケット処理をデータプレーンのスイッチ用LSIとパケット処理エンジンで分散することで処理を高速化するアーキテクチャ。高拡張性、高価格、処理エンジンのI/O負荷が高いため電力量が多い。 集中アーキティクチャ データプレーンでのパケット処理を、1つのパケット処理エンジンに集中させ処理をおこなう。分散アーキティクチャに比べシンプルな構造。

3.1. 受信
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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ー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。

3.2. 解析
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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。

3.2.1. ルーティングテーブル検索方法
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ルーティングテーブルの検索方法は3種類ある。

リニアサーチ 
パトリシアツリー 
全エントリ同時検索 : CAMを利用した方法

3.3. 加工
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加工されたパケットは以下のように処理される。

パケットをスイッチングする。
出力制御部のキューへFIFOにより送信する。
出力回線ごとに備えた複数のFIFOはQoSに従い、パケットを蓄積する。
スケジューラによりFIFOからパケットを読み出して出力する。

3.4. 送出
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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。

4. 冗長化技術
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ネットワーク上での障害を回避したり最小限にする技術に冗長化がある。

ルーターやレイヤー3スイッチを複数備えると、障害時に切り替える物理的な冗長化がおこなわれる。このままでは障害発生を検知して自動的に予備機に切り替えることはできないため、ルーターを仮想化するプロトコルによって冗長構成の制御をおこなう。複数のVRRPグループに仮想ルーターの設定をおこなうことでロードバランスが可能となる。標準化されあるいは、ベンダー独自のプロトコルが複数存在する。

VRRP : 1つの仮想アドレスをマスター機とバックアップ機の2台に持たせることで、正常時はマスター機が仮想アドレスを使い、障害発生時にはバックアップ機が仮想アドレスをそのまま使って動作を引き継ぐ方法。ベンダーによっては、VRRPに類似した、もしくはVRRPを拡張したプロトコルを提供している。

HSRP  : シスコ・システムズ社独自のRFC2281による方式規格
VRRP-E  : Foundry社
FSRP  : Foundry社
ESRP  : Extreme Networks社
NSRP  : NetScreen Technologies社また、リンク・アグリゲーションによって、複数の通信回線を物理的に束ねて、仮想的に1回線として使用すれば、一部の通信回線に障害が発生しても、残りの回線で通信が可能なため、通信の途絶が回避できる。

スパニング・ツリー  や通信速度の改良をおこなったラピッド・スパンニング・ツリー  などの冗長化技術などの、データリンク層で使用するプロトコルによる冗長化技術は本項では扱わない。

5. 新しいネットワーク・サービス技術
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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。

5.1. MPLS
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MPLS  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。

5.2. VPLS
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VPLS  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。

6. 脚注
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6.1. 注釈
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6.2. 出典
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7. 参照文献
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『図解CCNA対策教本実践ネットワークワークショップ―Cisco技術者認定 640‐607J対応』

8. 関連項目
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ルーティング
ルーティングプロトコル
イーサネット
ファイアウォール
Interface Message Processor
ランダム初期検知
光ルーター
L3スイッチ