スイッチングとルーティングの違い｜L2・L3の通信を図解

同じスイッチにつないだPCなのに、ある組み合わせはそのまま通信でき、別の組み合わせはゲートウェイが必要になる。これは、スイッチングとルーティングで扱う範囲が違うためです。

スイッチングは、主に同じL2の範囲でフレームを運びます。ルーティングは、異なるIPネットワークの間でパケットを運びます。L2・L3はOSI参照モデルの層の名前です。言葉だけで覚えず、PCが最初に誰へ渡すかから考えてみましょう。

L2はMAC、L3は宛先IPを見て転送する

Ethernetのフレームには送信元と宛先のMACがあり、その中にIPパケットが入ります。IPパケットにも送信元と宛先のIPがあります。同じ通信に二種類の宛先があるので、まずどの欄を見ているかを分けます。

L2スイッチは、VLANと宛先MACから出力ポートを選びます。ルーターやL3スイッチは、宛先IPをルーティングテーブルで検索し、次に渡す相手や出力先を選びます。

MACは、そのL2区間で渡す相手を表します。IPは、ネットワークを越えて通信する相手を表します。NATを使わない基本例では、ルーターを通るたびにMACは変わりますが、宛先IPは最終端末のままです。

同じLANと別LANを、二つの例で比べる

図のPC-Aは172.28.31.10/24、PC-Bは172.28.31.20/24で、同じVLAN10にいます。PC-Aは自分のIPとマスクから、PC-Bが同じサブネットだと判断します。ARPでBのMACを調べ、B宛てのフレームを送ります。

PC-CはVLAN20、172.28.42.20/24です。PC-Aから見ると別サブネットなので、ゲートウェイ172.28.31.1のMACをARPで調べます。フレームはゲートウェイ宛てですが、中のIPパケットはPC-C宛てです。

ゲートウェイはPC-Cへの経路を選び、VLAN20側の相手へ渡す新しいフレームを作ります。ここで送信元・宛先MACが付け替わり、通常TTLが一つ減ります。

図を見るときは、まずどこまでが同じVLANか、どこでL3の中継が行われるかを探してください。その境界が分かると、必要なゲートウェイと経路を確認できます。

ARP・MAC表・経路表は、それぞれ別の疑問に答える

ARP表は、次に渡すIPの相手のMACを知るための情報です。MAC表は、そのMACへ出すポートを知るための情報。経路表は、宛先IPへ向かう出力先や次ホップを知るための情報です。

別LANへ送るときは、経路を選び、その区間で渡す相手のMACを解決してフレームを送ります。途中のスイッチは、その宛先MACを使ってポートを選びます。

どの表も「通信できるか」を全部答えるものではありません。経路があってもARPが解決できなければ渡せず、MAC表があっても別VLANの経路がなければ到達できません。

三つの表を同じ送信元・宛先の通信で追うと、どの段階まで進めたかを説明しやすくなります。

L3スイッチも、通信によって使う機能が変わる

L3スイッチは、L2スイッチングとL3ルーティングの両方を行えます。同じVLAN内のフレーム転送と、SVIなどを経由したVLAN間のIP転送を、一台で担当できます。

SVIはVLANに対応するL3インターフェースです。そこへ設定したIPを端末のゲートウェイにする構成があります。VLANを作っただけで、IPの中継も自動的にできるわけではありません。

管理用IPがあるスイッチも、すべてL3中継を行うとは限りません。利用者の通信がどのインターフェースを通り、IPルーティングがどの範囲で有効かを確認します。

機器名に「L3」とあるかより、その通信で使われるVLAN、SVI、経路を見るほうが確実です。

つながらないときは、同じLANかどうかから分ける

同じLANの端末同士なら、両端のリンク、VLAN所属、端末のIP・マスク、ARP、MAC学習を確認します。同じスイッチに挿しただけでは、同じVLANとは限りません。

別LANの通信なら、それにゲートウェイ、SVIやルーターの状態、宛先経路、戻り経路、ACLを足します。まず近いゲートウェイまで確かめ、次にその先へ調査範囲を広げると整理しやすくなります。

キャプチャをL3機器の前後で比べる場合は、IPとMACを別々に記録します。NATがあるならIPも変わるため、基本例の「IPはそのまま」を無条件に当てはめません。

構成図と実機の表示を照合するときも、どの通信についての値かをそろえます。別の端末や別のVRFの表を比べると、違いがあるのか、見ている範囲が違うのかを判断できなくなります。

最初に渡す相手を説明できれば、違いがつかめる

同じLANなら宛先端末へ、別LANならゲートウェイへ。端末が最初に渡す相手を説明すると、ARP、MAC表、経路表の役割がつながります。

スイッチングはVLANとMAC、ルーティングは宛先IPと経路表で考えます。次に図の一本の通信を選び、L3境界の前後で何が変わるかを追ってみてください。

この見方ができると、「ARPはあるがMACがない」「MACはあるが経路がない」といった表示も、別々の確認結果として読めるようになります。

動画・筆者の投稿で補足する

文章と図で流れをつかんだら、関連する動画も参考にしてください。画面の表示や操作は、機種・ソフトウェアの版によって異なる場合があります。

この記事の執筆・監修者

けんと＠設計構築チャンネル

ネットワーク設計構築エンジニア／インフラ転職コンパス編集者

30歳・IT未経験からSIerへ転職。ネットワークエンジニアとして、金融系・オフィス系ネットワークの設計・構築に携わり、PL・PMも経験。自身の未経験転職と現場経験をもとに、仕事内容・技術・キャリア・求人選びをわかりやすく解説しています。

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