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ルーター
ルーター（英: router、アメリカでは /'rautər/ と発音され、イギリスとアイルランドでは /'ru:tər/ と発音され、オーストラリアとカナダではどちらの発音もされる）は、コンピュータネットワークにおいて、2つ以上の異なるネットワーク間を相互接続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。
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、コンピュータ・ネットワークの機能を分類した7層からなるOSI基本参照モデルでいえば、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。基本機能は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、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。
規模によるルーターの分類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。
かつてはエッジ・ルーターとセンター・ルーターの中間クラスにローカル・ルーターと呼ばれるルーターがあったが、現在は「レイヤー3スイッチ」と呼ばれる専用機に置き替わっている。
4つの基本機能ルーターの基本機能は4つある。
接続ルーターは複数の回線種別に対応していることが多く、そのために多くの機種でインターフェース・ユニットが交換できるようになっている。
具体的な回線種別の例
これらより、通信業者のWANサービスにあわせて柔軟に回線インターフェースが対応できる
これは第2層（データリンク層）以下で接続するリピータ・ハブやLANスイッチにはない機能である。
最近はIP-VPNや広域イーサネットのように接続インターフェースとしてイーサネットを使うものが増えているが、ATMを使ったセルリレーや、フレームリレーなどへの接続時にはインタフェース・ユニットの交換によって対応が可能となる。
ハードでの柔軟な接続機能と同様に、ソフトによる柔軟な接続機能も備える。IPsecやPPPoEのような仮想トンネルを使って、公衆回線上に仮想的に独立した伝送路を作りカプセル化したデータをやり取りする機能である。インターネットVPNと呼ばれるIPsecによる仮想的専用回線が実現出来る。
転送ルーターはIPパケットの転送を行なう。ルーターがIPパケットを受け取ると、その中のIPヘッダーのあて先IPアドレスを読み取って、経路表やルーティング・テーブルと呼ばれるリストと照合する。経路表にはあて先IPアドレスに対応したあて先ルーターのアドレスやインターフェース番号など、経路の情報が書かれている。ルーターはIPパケットを受け取るとすばやく、あて先IPアドレスを読み取ってあて先のインターフェースに転送する。ルーターの性能の多くがこの時の転送処理スピードと経路表で扱える経路の上限数で決まる。
ルーターは、第1層や第2層の伝送技術が違うインターフェースに転送する場合に限らず、同じ伝送インターフェースでも、受け取ったすべてのMACフレームからIPパケットを取り出して、送り先の伝送インターフェースに合わせた新たなMACフレームを作りそこにIPパケットを入れて転送する。
ルーターを通過する時にはデータリンク層での通信は一度終了して、ネットワーク層の判断によって新たなデータリンク層での通信が開始される。
ルーターによって転送される時には、IPパケット内のヘッダーにあるTTL（Time to live）というIPパケットの寿命を表わす数値を1つずつ減らす。またNATやIPマスカレードというアドレス変換技術においてもIPヘッダーを書き換える。また転送先の回線に合わせてIPパケットを分割したりする。
選別ルーターは受け取ったIPパケットに応じて、転送を優遇したり破棄したりする選別機能を持ち、フィルタとQoS（Quality of service）を実現する。
管理ルーターは経路情報の管理も行なう。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あって常に経路表を最新の状態に保つ。この経路情報の収集通信プロトコルにはRIP（リップ、Routing information protocol）やOSPF（オーエスピーエフ、Open shortest path first）、BGP-4（ビージーピーフォー、Border gateway protocol version 4）がある。また、ICMP（アイシーエムピー、Internet control message protocol）を積極的に周囲に発信してエラーや回線の状態を尋ねまわるルーターもある。これらによって、あらかじめ伝送路の2重化や迂回別ルートへの切り替えを設定しておけば、自動的な切り替えが行なえるようになる。
コア・ルーターでは数十万経路分の経路表、つまりルーティング・テーブルを持ち、インターネット上の全ての経路「フルルート」を扱える。
4段階の内部処理ルーターの内部処理は4段階に分かれる。「センター・ルーター」クラスの、複数のネットワーク・プロセッサを持つルーターを想定して説明するが、1億円クラスのコア・ルーターでは多数のプロセッサによりさらに処理が細分化されていたり、廉価なエッジ・ルーターでは1つのチップがまとめて処理を行なう、といった違いがある。
受信インターフェース回路に入ったIPパケットの信号は、物理層チップとMACチップがそれぞれ第1層「物理層」と第2層「データリンク層」の処理を行い、受信処理を行なうパケット処理エンジンであるネットワーク・プロセッサ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バッファ・メモリー領域に順に一時的に蓄積する。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おり、同じメモリーチップ上で入力バッファ領域と共に出力バッファ領域も確保されている。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入力バッファ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。また転送先が停滞して送れなくなっても同様である。
解析パケットの解析を担当するパケット処理エンジンであるプロセッサは、入力バッファ領域に蓄積されたIPパケットをFIFO順に取り出し、そのIPヘッダーを読み取って解析する。
解析：
解析で得られた情報は入力バッファ領域のIPパケットに付加して記録しておく。
上記2と3の条件検索の速度がルーターの処理速度の多くを決定するため、連想メモリを使って高速比較を行なったり、経路検索では「ツリー法」と呼ばれる2分木ツリーによるデータ構造を利用して高速化を図ったり、ハッシュ関数を利用したりしている。
加工パケットの加工を担当するネットワーク・プロセッサは以下の処理を行なう。
送出パケットの送出を担当するネットワーク・プロセッサは、優先制御や帯域制御といったQoS機能を実現するために、入力バッファ領域から読み出して出力バッファ領域に格納する間に、解析処理で得られた情報も含めて、パケットの送出優先度ごとに分類し、それに基づいてインターフェイスごとの出力バッファに格納する。
出力側のインターフェイスの状況に応じて、QoSを満たすタイミングで順次送出してゆく。
冗長化技術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スイッチで使用される冗長化技術には、動的に経路情報を管理することで障害を回避するダイナミック・ルーティングと台数そのものを複数備える物理的な冗長化がある。
ダイナミック・ルーティングダイナミック・ルーティングをサポートする専用プロトコルがいくつかある。
物理的な冗長化ルーターやレイヤー3スイッチを複数備えて、障害時に切り替える物理的な冗長化が行なわれる。
障害発生を検知して自動的に予備機に切り替える技術には、標準化されたものやベンダー独自のものがいくつか存在する。
VRRPを発展改良した下記のプロトコルが存在する。
リンク・アグリゲーション（Link aggregation）によって複数の通信回線を束ねて仮想的に1本の回線として使用すれば、一部の通信回線が使用できなくなっても通信の途絶が回避できるので、これも物理的な冗長化である。
レイヤー2層で使用するスパニング・ツリー（Spanning tree algorithm, STP）やラピッド・スパンニング・ツリー（Rapid spanning tree algorithm, RSTP）などの冗長化技術は本ページでは扱わない。
歴史1964年MITのラリー･ロバーツ（Lawrence G. Roberts）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に移動したラリーは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・カーンはさまざま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なわれ、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回線等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へと分割され（IP）、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。
このあと、ボブ・ヒンデン（Robert M. Hinden）をリーダーとする米BNN社の手によってARPANETにつなぐIP対応ルーターが製品化されてゆく。この世界初の製品化されたルーターは、米DEC社の16ビット・ミニコン「PDP-11」上で、ヒンデンらが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った。このPDP-11は6KバイトのOSを持ち、パケット・バッファは30Kバイトが割り当てられた。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つにつながれた。これが今のインターネットの原型となった。
インターフェースリモート・ルーターリモート・ルーターでは多くがネットワークセグメントの異なるLANインターフェースと、WANインターフェースの2種類のインターフェースを有する。
ブロ－ドバンド・ルータールーターの技術は、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・ルーターにつな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 などのシリアルインタフェースを持ち、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・ルーターやISDNモデムと呼ばれる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によるブロードバンドインターネット接続や2000年代初頭からのFTTHの普及に伴う回線の高速化のため、こういった製品もADSLや光ファイバーへ対応し、PPPoAやPPPoEによって接続されて、名称も個別にはADSLモデムやONU（Optical network unit）と呼ばれ、総称してブロードバンド・ルーターと呼ばれるようになった。
日本では、これらの電話回線とは別に、CATVや有線電話によるネットワーク構築も比較的古くから行なわれて来た。それぞれ専用のモデムが使用されケーブルTVの同軸ケーブルや有線電話の電話線が接続されている。
ルーターの基本的動作・仕様ルータの主な機能はIPパケットの宛先IPアドレスを基に、フレームを転送することにある。
ブリッジがOSIの2層で働くのに対し、ルーターは 3層 （IP層）で働く。ブリッジと異なる特徴としては、基本的にブロードキャストを転送しないことであるが、DHCPなど特定のプロトコルによるブロードキャストを（たとえば DHCP サーバ宛の）ユニキャストに書き換えて転送するように設定することも可能な場合が多い。ブリッジがコリジョンドメインを分割するのに使われるのに対し、ルーターはブロードキャストドメイン（ネットワークセグメント）を分割する。あるいは、ルーターは、異なるLANを接続する役割を持つと表現されることが多い。
挙動は以下のとおり。
経路制御情報の管理主な経路制御情報を挙げる。
経路制御情報は、ネットワーク管理者が記述する静的経路情報と隣接ルーターから受信する動的経路情報がある。動的情報には様々な形式があるため、どの動的情報に対応するかも設定項目に含まれる。
静的経路情報の代表的なものはデフォルトルートである。動的経路情報の伝達には、ネットワークの規模や組織内または組織間などの用途に応じてRIP、OSPF、BGPなどのプロトコルが用いられる。
ブロードキャストの受信ユニキャストの受信と転送ルーターがユニキャストフレームを受信した場合、送信先MACアドレスが自分宛でなければ、ARPテーブルを更新し、フレームを破棄する。送信先MACアドレスが自分宛であれば、フレームからIPパケットを抽出し、宛先IPアドレスをスキャンし、そのIPアドレスが自分宛であれば、自身への通信と理解する。ここまでは、Ethernetのままである。
MACが自分宛でかつIPが自分宛でない場合、別ネットワークへの転送が行われる。逆に言うと、あるホストが他のネットワークのホストと通信するには、宛先MACがデフォルトゲートウェイのフレームを送出する。
さて、ルーターはフレームからIPパケットを抽出し、宛先IPをルーティングテーブル内で検索し、マッチするものがあれば、フレーム送出インタフェースを決定する。このときフレームにカプセリングする際に、ARPテーブルを参照し、宛先のMACを次のルーター/ホストのものにし、送信元MACを自己のMACにする。宛先IPは、マッチしなくとも最終的にデフォルトルートにマッチし、当該インタフェースに送出される。ルーターにデフォルトルートの記述がなく、ルーティングテーブルにマッチしなければ、パケットは破棄されて、ICMPのNet Unreachableを送信元に返す。
ARPリクエストユニキャストのIPが、ルーターに直接収容されたネットワークの範囲であり、かつARPテーブル上に当該IPを学習していない場合、そのネットワークが、MACアドレスを使用しないメディアであれば、単純に送出するが、MACアドレスを使用するメディアであれば、自己のMACを送信元として、ARPリクエストをそのホストが存在するはずのネットワークのみに送出する。
ARPリクエストに返事があれば、ARPテーブルを更新し、フレームを転送する。返事がなければ、ICMPのHost Unreachableを送信元側に返す。
バッファ制御ルーターのハードウェア的な安定に関わる設計要素で、ルータに接続されるメディアの速度差が大きいほど、バッファ制御の設計が重要になる。各社独自のバッファ制御を行っているが、ルーターの安定性は、このバッファ制御の作り込みに大きく関係している。
64KbpsのISDNのみに対応したルーターであれば、速度の遅い安価なメモリを大量に使うことで解決するが、64Kbps-6Mbpsの広範囲な回線速度に対応したルーターは、それなりに高価なものとなる。
バッファ制御に関わる設定をした後は、ルーターの再起動が必要である。
ルーティングキャッシュ使用される頻度の高い経路情報を優先して参照するために、より高速のメモリに保持する仕組み。または、検索順番の先頭に配置する仕組み。
ダイヤルアップルーター
ISDN用のターミナルアダプタをWAN回線用のモデム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。ブロードバンドインターネット接続の普及により、ダイヤルアップルーターは一般には使われなくなった。
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、一般の加入電話同様に接続時間による従量制課金であり、インターネットを利用しない間も接続し続けることは非経済的であった。
そこで、LAN内のコンピュータ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。これによってわざわざ利用者がモデムを使って接続する手間を省き、かつ電話料金を軽減することが出来た。
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。一部機種では、ウェブ設定画面機能を持つものもあった。また、PHSのPCカード型端末をアダプターとして接続できるものもあった。
ブロードバンドルーター基本的にはローカルルーターでありレイヤ3スイッチであるが、WAN回線用のモデム等を内蔵しリモートルーターの形態となっている物もある。2004年現在、小型・簡略したものが数千円程度から市販されており、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、いわゆるブロードバンドインターネット接続用に使われる。
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の設定がなされており、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。設定の方法としては、ウェブブラウザでルーターの初期IPアドレス（192.168.1.1など）へアクセスして行うものがほとんどである。一部機種では業務用ルーターと同様にtelnet経由での設定もでき、ブラウザのそれよりも細かい設定が可能なものもある。
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。
非常にコンパクトな形状であり、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。
機能
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、広域イーサネット技術を示す。
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。
VPLSVPLS（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網につなぐことで、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なえる。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あて先MACアドレスからパスを見つ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
その他レイヤー3スイッチルーターに似たネットワーク装置に「レイヤー3スイッチ」がある。
レイヤー3スイッチは、従来「ローカル・ルーター」と呼ばれていた主に企業などでのフロアレベルでのLANの相互接続を行なっていた装置の代わりとして普及した。社内ネットでの利便性向上のためにVLAN（ブイラン、Virtual LAN）技術がLANスイッチに使われだすと、VLAN機能を持つLANスイッチとVLANで分割したネットワークを相互接続するローカル・ルーターを一体化するネットワーク装置としてレイヤー3スイッチが生まれた。このためレイヤー3スイッチは内部にルーター機能を内蔵している。
価格の割にはパケット転送能力が高いレイヤー3スイッチは、ほとんどの機種でイーサネット以外のインターフェースを備えていないのでWAN回線との相性が悪く、経路表もあまり大きくないため、企業のセンター・ルーターには使いづらい。製品の信頼性やフィルタリング機能とQoS機能でもルーターに比べると不満が残る。
PCを利用して構成したルータ
PC/AT互換機のパーソナルコンピュータにNICを複数装着し、UNIX系OSをインストールしネットワーク関連の設定をすることで、パソコンをルータとして動作させることもしばしば行われる。Microsoft Windows系でも可能である。
脚注・出典関連項目---------------------------------------------- 出典:「フリー百科辞典ウィキペディア」(2009-01-01)
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