ネットワークトポロジ

読み：ねっとわーくとぽろじ　／　英語表記：Network Topology

通信の基礎
LAN・無線LAN

ネットワークを構成する端末や機器（ノード）と、それらを結ぶ回線（リンク）の接続形態である。ケーブルの配線で見た物理トポロジと、データが実際に流れる道筋で見た論理トポロジを区別して扱う。

イマシルちゃんの解説

ネットワークトポロジは、端末や機器がどんな形でつながるかを表す言葉だよ。
1本の線を共有するバス型、中心の機器に集めるスター型などがあるんだ。
輪につなぐリング型や、網の目のように複数の道を作るメッシュ型もあるよ。
ケーブルのつなぎ方を見る物理トポロジと、データが流れる道筋を見る論理トポロジは区別するの。
配線に複数の道があっても、一部を使わずに通信する場合があるからね。
形が変わると、必要なケーブルの本数や、1か所が壊れたときに止まる範囲も変わるんだ。
だから設計では、費用と壊れにくさのつり合いを考えて形を選ぶんだよ。

より深い解説

形を区別する理由

ネットワークトポロジは、ノードとリンクの接続関係を図形として抽象化したものである。ノードには端末だけでなく、スイッチやルータ、拠点そのものも含まれる。見る単位によって、建物内のLANの配線にも、データセンターのスイッチ群にも、拠点間のWANにも同じ考え方を当てはめられる。

形を区別するのは、形がそのまま設計上の性質になるからである。リンクの本数は機器のポート数と回線費用を決める。経路の数は冗長性を決め、どのノードを経由するかは障害の影響範囲と遅延を決める。トポロジを読めることは、構成図から「どこが壊れると何が止まるか」を判断する前提になる。

基本となる5つの形

代表的な形を、リンク数と障害時の影響で比べる。ノード数をnとし、スター型の中心機器はnに含めない。

形	接続のしかた	リンク数の目安	1か所の障害の影響
バス型	1本の幹線ケーブルに全ノードをつなぐ	幹線1本と各ノードの分岐	幹線の断線で全体が止まり得る
スター型	中心の機器に各ノードを個別につなぐ	n本	枝のリンク障害はそのノードだけ。中心機器の故障で全体が止まる
リング型	隣のノードと順につなぎ、輪にする	n本	一方向に回す単一リングでは1か所の断線で全体が止まる
メッシュ型	ノード同士を複数のリンクで網の目につなぐ	全組合せなら最大	迂回路があればほかのノードは通信を続けられる
ツリー型	スター型を階層的に重ねる	n−1本（ループなし）	上位の機器や回線の障害で、その配下全体が止まる

バス型は、初期のイーサネットである10BASE5や10BASE2の同軸ケーブルが代表例である。幹線の両端には信号の反射を防ぐターミネータを付ける。すべてのノードが同じ媒体を共有するため、送信の衝突を扱うCSMA/CDのような制御が必要になる。

スター型は、現在の有線LANの基本形である。各端末はツイストペアケーブルでスイッチにつながり、配線の追加や切り離しが中心で完結する。その代わり、中心のスイッチが単一障害点（SPOF：Single Point of Failure）になる。

リング型では、データを輪に沿って次のノードへ順に渡す。FDDIは逆向きに回る二重リングを持ち、1か所が切れても折り返して輪を保つ。輪をつくる構成は、冗長性を持たせた形として現在も広域イーサネットや産業用ネットワークで使われる。ただしイーサネットで輪をつくると後述するループの問題が生じる。

ツリー型は、スター型のスイッチを上位のスイッチにつなぎ、階層を重ねた形である。企業のLANでよく見るコア・ディストリビューション・アクセスの3階層構成は、基本的にこの形をとる。末端の変更は容易だが、上位ほど障害の影響範囲が広い。

メッシュ型とリンク数の計算

すべてのノード同士を直接結ぶ形をフルメッシュ、一部のノード間だけを直接結ぶ形をパーシャルメッシュという。フルメッシュでは、n台のノードから2台を選ぶ組合せの数だけリンクが必要になる。

フルメッシュのリンク数 ＝ n × （n − 1） ÷ 2

各ノードはほかのn−1台とつながる。全ノード分を合計するとn×（n−1）だが、1本のリンクを両端の2台で数えているため2で割る。

8台のスイッチをフルメッシュで結ぶ場合を考える。

8 × （8 − 1） ÷ 2 ＝ 8 × 7 ÷ 2 ＝ 28本

同じ8台をリング型でつなげば8本、1台を中心にしたスター型なら残り7台へ7本で済む。9台目を足すと、フルメッシュでは既存の8台すべてへのリンクが増え、合計は9×8÷2＝36本になる。ノード数の2乗に近い速さでリンクが増えるため、フルメッシュは冗長性が最も高い反面、機器のポート数と回線費用がすぐに限界に達する。

実際の設計では、重要なノード間だけを複数経路で結ぶパーシャルメッシュを選ぶことが多い。例えば6台のうち中核の3台だけを互いに結び、残る3台をそれぞれ中核の2台へつなぐとする。中核同士が3本、残りが3台×2本で6本、合計9本となる。フルメッシュの6×5÷2＝15本より少ないが、どの1本が切れても全ノードが通信を続けられる。

配線の形とデータの流れの形

配線の形である物理トポロジと、データが流れる道筋の形である論理トポロジは一致するとは限らない。構成図を読むときは、どちらの接続関係を描いているかを確かめる。

例	配線の形	データの流れ方
リピータハブにつないだイーサネット	スター型	バス型（全ポートへ信号を繰り返す）
スイッチにつないだイーサネット	スター型	宛先MACアドレスのポートへ転送する
トークンリング	スター型（MAUに集線）	リング型（トークンを順に回す）
ループのある配線でSTPが動作	メッシュ型	ツリー型（一部のポートを止める）

リピータハブは受け取った信号をすべてのポートへそのまま送り出す。配線は中心に集まっていても、全端末が1本の媒体を共有するバス型と同じふるまいになり、同時に送れば衝突する。スイッチに置き換えると、宛先ごとにポートを選んで転送するため、この共有は解消される。

トークンリングはIBMが開発したLANで、IEEE 802.5として標準化された。各端末はMAU（Multistation Access Unit）という集線装置へ星状につながる一方、送信権を表すトークンは端末から端末へ輪をなして回る。IEEE 802.5自体は物理的な形を定めていないが、実装のほとんどはスター型の配線だった。Ciscoのトークンリング解説がこの関係を説明している。

VPNやVLANのように、物理的な回線の上に別の接続関係を重ねる技術では、データの流れる形を自由に設計できる。インターネットという共有の物理網の上でも、拠点間のトンネルの張り方次第でスター型にもメッシュ型にもなる。OSPFのようなリンクステート型ルーティングプロトコルが共有する「トポロジ」も、ルータとリンクのつながりを表す論理的な地図である。

冗長性とループ

障害に強くするには、経路を複数用意して迂回できるようにする。しかし、レイヤー2のイーサネットで経路を複数つくると、フレームが輪を回り続けるループが生じる。イーサネットのフレームにはIPのTTLのような寿命がないため、ブロードキャストがスイッチ間で増幅し続けるブロードキャストストームが起き、ネットワーク全体が使えなくなる。

このため、レイヤー2で物理的にメッシュやリングを組むときは、論理的にはループのない形にする仕組みを併用する。

方法	ループへの対処	冗長回線の使われ方
スパニングツリープロトコル	一部のポートをブロックし、論理的にツリー型にする	待機系。障害時に切り替える
リンクアグリゲーション	複数の物理リンクを1本の論理リンクとして扱う	平常時から複数リンクを使う
レイヤー3で経路制御	各リンクを別のIPネットワークにし、ルーティングプロトコルで経路を選ぶ	等コストなら複数経路へ振り分けられる

冗長化の効果は、リンクを増やすだけでは得られない。2本の回線を引いても同じ管路や同じ機器を通るなら、その1か所で両方が切れる。構成図で単一障害点を探すときは、ノードとリンクだけでなく、電源や通信事業者の局舎のような共通の要素も確認する。

データセンターのスパイン・リーフ

従来のデータセンターでも、LANと同じツリー型の3階層構成が使われていた。この形は、利用者とサーバの間を上下に流れる通信を前提にしている。しかし仮想化やクラウドの普及で、サーバ同士が横方向にやり取りする通信が増えた。ツリー型では、離れたサーバ同士の通信が上位の機器まで上がって戻るため、経路の長さが場所によって変わり、上位の機器に負荷が集中する。

そこで使われるのが、2段のスイッチで構成するスパイン・リーフ型である。サーバを収容する下段のスイッチをリーフ、リーフ同士を中継する上段のスイッチをスパインと呼ぶ。各リーフはすべてのスパインに接続し、リーフ同士やスパイン同士は直接結ばない。これは多段の交換網として知られるClos型ネットワークを折り返した形にあたる。

この接続により、別のリーフにつながるサーバへの通信は、どの組合せでも「リーフ → スパイン → リーフ」と3台のスイッチを通る。経路の長さが一定なので遅延が予測しやすい。スパインの台数分だけ等しい長さの経路があり、等コストの経路へ通信を振り分けるECMP（Equal-Cost Multi-Path）で帯域を同時に使える。スパインが1台故障しても、残りのスパインを通る経路で通信を続けられる。

規模の見積もりも単純になる。スパイン4台、リーフ16台なら、リーフとスパインの間のリンクは4×16＝64本である。リーフの上り帯域とサーバ向けの帯域の比をオーバーサブスクリプション比として評価する。

サーバ向け帯域 ＝ 48ポート × 25Gbit/s ＝ 1,200Gbit/s
上り帯域       ＝ 4ポート × 100Gbit/s ＝ 400Gbit/s
比             ＝ 1,200 ÷ 400 ＝ 3（3:1）

すべてのサーバが同時に上り方向へ全速で送ると、上りの帯域は3分の1しか足りない。上り帯域を増やすにはスパインを足してリーフの上りポートを増やし、収容数を増やすにはリーフを足す。ただし、リーフ数はスパインのポート数に、スパイン数はリーフの上りポート数に制限される。RFC 7938は、この形のデータセンターをBGPで経路制御する設計を示している。リーフ間を結ぶ仮想ネットワークはVXLANやEVPNで重ねることが多い。

拠点間WANのハブアンドスポーク

複数の拠点を結ぶWANでは、本社やデータセンターを中心に各拠点をつなぐハブアンドスポーク型がよく使われる。中心をハブ、各拠点をスポークと呼び、形としてはスター型である。12拠点で比べると、トンネルや回線の数は次のようになる。

ハブアンドスポーク ＝ 12 − 1 ＝ 11本
フルメッシュ       ＝ 12 × 11 ÷ 2 ＝ 66本

ハブアンドスポークは設定と管理が少なく、ハブにファイアウォールなどを集めて通信を一元的に制御できる。一方、スポーク同士の通信もいったんハブを経由するため、遅延が増え、ハブの回線と機器に負荷が集まる。ハブが止まるとすべての拠点間通信が止まるので、ハブを2か所に置いたり、回線を二重化したりする。

インターネットVPNでは、通常はハブアンドスポークで運用し、拠点間で通信が必要なときだけ直接トンネルを張るDMVPNのような方式もある。IP-VPNのように通信事業者の網が拠点間の経路を持つサービスでは、利用者から見ると任意の拠点間で直接通信できる。SD-WANでは、拠点間をどの形でつなぐかをコントローラーから方針として設定できる。

設計と障害切り分け

トポロジを選ぶときは、次の観点を比べる。

観点	考えること
費用	リンク数、機器のポート数、回線の契約数
可用性	単一障害点の有無、迂回経路の数、障害時の切替時間
性能	経由する機器の数、特定の機器や回線への集中、帯域の比
拡張性	ノードを1台足したときに増える設定とリンク
運用	ループ対策、経路制御、構成変更の影響範囲

障害の切り分けでは、通信できない範囲からトポロジ上の共通点を探す。すべての拠点が本社と通信できなければハブ側、特定の1拠点だけなら、その拠点の回線や機器が疑わしい。同じスイッチ配下の端末だけが止まっているなら、そのスイッチか上位へのリンクを調べる。ネットワーク全体が急に遅くなり、スイッチのランプが激しく点滅しているなら、ループによるブロードキャストストームを疑う。