【基本情報技術者試験対策：集中講義】各種ネットワーク機器

基本情報技術者試験を受験する人は必見です!!

この記事では、基本情報技術者試験の午前問題で出題される各種ネットワーク機器に関する問題の解き方を５年分の過去問題を利用して集中的に解説します。

ネットワークではIPアドレスなどの知識と同様、各種ネットワーク機器に関する知識も重要です。ネットワークを利用するためには、まずは各種ネットワーク機器を使って物理的にネットワーク網を構築しなければなりません。そのためには、各ネットワーク機器の違いを正しく理解し、適切な機器を選択する必要があります。

基本情報技術者試験の午前問題では、それぞれのネットワーク機器の違いや機能について問われます。今回はそれぞれの機器の特徴を説明し、過去問題について解説していきます。

まず、この記事は以下のような人を対象としています。

対象者・これから基本情報技術者試験を受験しようと考えている人

・現在基本情報技術者試験の勉強をしている人

・ネットワーク機器の違いや特徴を理解したい人

この記事を読むと、次のようなことが理解できるようになります。

この記事を読むとできること・基本情報技術者試験のネットワーク機器に関する過去問題を集中的に勉強することができる

・リピータ、ハブ、ルータの機能を理解することができる

・L2SWとL3SWの違いを理解することができる

・L3SWとルータの違いを理解することができる

太郎さん

リピータ、ハブ、ルータなどのネットワーク機器に関する問題を勉強しているのですが、いまいち違いが分かりません。

続石講師

ネットワーク機器の種類は多くはないので、勉強は大変ではありませんよ。

計算問題ではないので、きちんと理解していれば正解できる問題です。

太郎さん

実際に触ったりして確認できないので、覚えるのが大変です。

続石講師

今回は集中的にネットワーク機器の機能について説明します。

この機会に理解して、試験では高得点を取れるように頑張りましょう!!

基本情報技術者試験対策として、以下の記事も合わせて参照してください。

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OSI参照モデル

まず、ネットワーク機器の説明をする前に「OSI参照モデル」について説明します。

現在のネットワークの仕組みはOSI参照モデルを参考に作られています。したがって、各機器の仕組みを理解するためには、OSI参照モデルも合わせて理解する必要があります。

OSI参照モデルは、異なるメーカの機器でも支障なくネットワークが使えるようにするための統一された規格です。OSI参照モデルが提案されるまでは、ネットワークの規格は各メーカによって異なっていて、違うメーカの機器を利用することができませんでした。ネットワークのニーズが高まり、より簡単に、安価に利用できるようにするためにメーカに依存しない規格として開発されたのがOSI参照モデルです。

7層による構成

OSI参照モデルは機能毎に7層に分けられて定義されています。それぞれ層を分割(独立)させることで他の層との依存関係を極力少なくしています。これは、ある層の内容が変更されても、ほかの層には影響を与えず、変更する箇所が最低限になるように工夫されています。

各層では他の層でどのような処理をおこなっているのか全く意識する必要はありません。他の層での処理には全く関与しません。ただ、どのようなデータが受け渡されるかだけ意識しています。

OSI参照モデルの各層は以下のような名称で定義されています。基本情報技術者試験では、各層の名称が問題文中に出てくるので、どの層がどんな名称かは覚えておかなければなりません。

なお、「層」を「レイヤ」と表現する場合があるので、合わせて覚えておいてください。

OSI参照モデルは上位層と下位層に分けられ、下位層は直接通信にかかわる技術が定義されています。この下位層の技術は基本的に決められたものを使うだけです。一方、上位層はネットワーク対応のアプリケーション内で実装する機能が定義されています。メールソフトやWebブラウザはこれらの層の機能をまとめて実装しています。

下位層は各層が明確に分かれているのですが、上位層は明確にはわかれておらず、1つのまとまった機能としてとらえられることがあります。したがって、ネットワークを勉強する場合、必要な知識は通信に直接関連する下位層の技術となります。

ここからは、下位層について概要を解説していきます。

トランスポート層(レイヤ4)

トランスポート層の働きは「アプリケーションとの橋渡し」です。

サーバ上では同時に様々なプログラムが実行されています。メールサーバ、Webサーバ、データベースサーバ、ファイルサーバなど全てプログラムです。トランスポート層では、受け取ったデータを実行中のプログラム(サーバ)へ正確に渡す処理をします。トランスポート層では、「ソケット」が利用されています。

ソケット

ネットワークを利用するプログラムは「ソケット」と呼ばれる機能を使って開発されています。「ソケット」とは「プログラムとネットワーク層の接続(やり取り)を提供する機能」です。

TCP/IPと呼ばれるプロトコルを利用する場合、ネットワークを利用してデータの送受信をおこなうプログラムは必ず、このソケットを利用します。TCP/IPとは、OSI参照モデルを簡略化して利便性を高めたプロトコルで現在のネットワークのほとんどで利用されているものです。

TCPとUDP

トランスポートではデータを送受信するプロトコルとして「TCP」と「UDP」があります。「TCP(Transmission Control Protocol)」はコネクション型で同期をとりながらデータの送受信を確実におこないます。一方、「UDP(User Datagram Protocol)」はコネクションレス型で確実性よりもスピードを優先してデータの送受信をおこないます。

ソケットを利用する場合、プログラマはどちらのプロトコルを利用するかを判断し、「TCPソケット」か「UDPソケット」のどちらかを実装します。

ソケットを利用する場合、「ポート番号」を一緒に指定します。このポート番号はプログラムを識別するために利用され、重複しないように指定しなければなりません。また、使用できる番号も決められています。広く利用されているサーバ用プログラムでは、指定するポート番号(16ビット)は初めから決められています(「ウェルノーンポート番号」と呼ぶ)。例えば、Webサーバのポート番号は「80」となっています。

まとめると、トランスポート層のデータ送受信で利用される情報は「ポート番号」となります。

ネットワーク層(レイヤ3)

ネットワーク層の働きは「指定された端末へデータを送信する」ことです。

ネットワーク層でデータの送受信で利用されるプロトコルは「IP(Internet Protocol)」です。このプロトコルはコネクションレス型なので、確実性よりスピードが重視されます。

ネットワーク層では指定された端末へデータを届けるために「IPアドレス」が利用されます。指定されたIPアドレスからネットワークアドレスを求め、適切なルータへデータの転送を依頼します。

ネットワーク層のデータ送受信で利用される情報は「IPアドレス」となります。

データリンク層(レイヤ2)

データリンク層の働きは、「同じリンク内の他の端末にデータを送信する」ことです。

ネットワークで送受信されるデータは電気信号や電波となります。同じネットワークに存在しないWebサーバやメールサーバに接続するためには、まず同じリンク内のルータに接続し、データ転送を依頼する必要があります。

有線LANの場合、送信するデータは電気信号に変換され、LANケーブル内の銅線に電気が流れることで送られます。物理的につながっていない端末には直接電気信号は伝えることができません。したがって、データリンク層ではまず電気信号を送ることができる端末まで確実にデータを送信する処理をおこないます。この際、利用されるデータは「MACアドレス」になります。

MACアドレス

MACアドレスは各ネットワーク機器の内部に製造時点で書き込まれた情報で、後から変更することが基本的にはできません。また、世界中に同じMACアドレスが存在しないように厳格に管理されています。48ビットで構成され、前半24ビットで製造メーカ情報、後半24ビットで製品番号が定義されています。

まとめると、データリンク層のデータ送受信で利用される情報は「MACアドレス」となります。

物理層(レイヤ1)

物理層では使用する伝送路によって、電気信号や電波にデータを変換し、送信します。なお、LANには10BASE、100BASE、1000BASEなど色々な規格がありますが、規格によって同じデータでも変換された電気信号は異なります。同じ「0」のデータでも、規格によって表現方法が異なります。データの表現方法を調べれば、どの規格を利用しているのか判断することができるようになっています。

このレイヤでは単純にデータを電気信号や電波などに変換するだけで特別何かの情報を取り扱うことはありません。

各種ネットワーク機器

では、各種ネットワーク機器についてその特徴を説明していきます。

リピータ

リピータの特徴は以下の通りです。

物理層で動作する
減衰した電気信号を増幅する
複数の端末を集約する
受信したデータは接続されている全ての端末に送信する
シェアードハブ、ダムハブなどと呼ばれる場合がある

ネットワークケーブルは規格上、1本のケーブルでの最長距離が決まっています。例えば、ツイストペアケーブルは100mが最長距離です。100mを超える広範囲でLANを敷設する場合、1本のケーブルでは距離が足りません。そのような場合、途中にリピータを設置し、距離を延ばすことができます。更にケーブルが長くなると伝送される電気信号が減衰する(弱くなる)ので、リピータで電気信号を元の状態に戻し(増幅)、データを転送します。

また、リピータに複数の端末を接続することで大きなネットワークを構築することができます。

なお、リピータは受信したデータを接続されている全ての端末に送信するため、データの衝突が発生し、ネットワーク全体のパフォーマンスが低下する恐れがあります。現在ではほとんど使用することはありません。このように、全ての端末にデータを送信する処理を「フラッディング」と呼びます。

スイッチングハブ(L2SW)

スイッチングハブの特徴は以下の通りです。

データリンク層で動作する
送信するデータ内のMACアドレスを利用してデータを送信する
減衰した電気信号を増幅する
複数の端末を集約する
受信したデータは対象の端末のみに送信する
ブリッジ、スイッチ、L2SWと呼ばれる場合がある
高性能なスイッチングハブはVLANを構築することができる

スイッチングハブは基本的にはリピータと同じように利用されます。大きな違いは、データリンク層のデータを利用(解析)して、データを送信することです。

データリンク層では電気信号を同じネットワーク内の端末に直接送信する処理を行います。この際、データリンク層で扱うデータには「送信先MACアドレス」が格納されており、その値を基にデータを送信します。MACアドレスは基本的に世界中で唯一の情報なので、そのMACアドレスを利用することで確実にデータを送信することができます。

また、MACアドレスを利用しているので特定の1台のみにピンポイントでデータを送信することができます。この処理を「フォワーディング」と呼びます。スイッチングハブは内部にメモリを搭載しており、どのポートにどのMACアドレスの端末が接続されているのか全て記憶しています。

ただし、電源投入直後などはMACアドレスは一切記憶していないので、その場合は「フラッディング」処理が発生します。

現在のネットワークではスイッチングハブがほぼ必須で利用されます。したがって、「ハブ」と表現したら、このスイッチングハブを指しています。

高性能なスイッチングハブ(「インテリジェントハブ」などと呼ぶ場合がある)では、物理的な1つのスイッチングハブ内部を論理的に複数の「VLAN(Virtual LAN)」に分割して利用することができます。複数のVLANに分割することで、ネットワークのパフォーマンスを向上させることができます。

ルータ

ルータの特徴は以下の通りです。

インターネット層で動作する
送信するデータ内のIPアドレスを利用してデータを送信する
デフォルトゲートウェイとして他の端末から利用される
ファイアウォール機能が実装されている
DHCPサーバの機能が実装されている場合がある
マルチキャストを利用して他のルータと情報交換を行う
インターネットとLANの境界に設置される

ルータは異なるネットワーク(サブネット)間に設置され、直接データを送信できない端末の代わりにデータを転送する処理をおこないます。

端末がデータを送信すると、自分のIPアドレスと送信先のIPアドレスをチェックし、同じネットワークに接続されているかを確認します。同じネットワーク内の場合、そのままデータを送信しますが、異なるネットワークの場合は直接データを送信することはできません。その場合、デフォルトゲートウェイに設定されているIPアドレスの端末(通常はルータ)にデータを送信し、転送処理を依頼します。

ルータは内部に「ルーティングテーブル」と呼ばれる情報を保存しています。これは、他のネットワークアドレスと転送先の対応表で、この情報によってデータを転送します。なお、ルーティングテーブルは管理者が直接記述する「スタティックルート」とルータ同士で自動的に情報交換をおこなって作成される「ダイナミックルート」の2種類があります。

また、IPアドレスやポート番号によってデータの送信/受信を許可するか拒絶するかをファイアウォールとして記述することができます。これによって、インターネットからの不正な侵入を防ぐことができます。

レイヤ3スイッチングハブ(L3SW)

レイヤ3スイッチングハブの特徴は以下の通りです。

インターネット層で動作する
L2SWの機能が実装されている
ルータの一部の機能が実装されている

レイヤ3スイッチングハブは「L2SW+ルータ」です。L2SWのようにフォワーディングやVLANの構築が可能で、ルータのように他のネットワークへのデータ転送が可能です。

ルータのようにデータ転送が可能ですが、あくまでもL3SWはLAN内のデータ転送が主な目的です。一方、ルータはLANとインターネット間でのデータ転送が主な目的で、それぞれデータ転送は同じ処理ですが、対象が異なります。

L3SWは、社内のLANに複数設置されているL2SWを1つに集約する働きがあります。

過去問題

では、過去5年間(春季、秋季)で出題された問題のうち、ネットワーク機器に関する過去問題を実際に解いてみましょう。

まず、各試験でどのような問題が出題されているのか、一覧表示して確認してみましょう。

平成27年　春季　LAN間接続装置
平成27年　秋季　出題なし
平成28年　春季　データリンク層の情報を利用する中継装置
平成28年　秋季　インターネット層の情報を利用する中継装置
平成29年　春季　ルータが中継で利用するデータ
平成29年　秋季　スイッチングハブ(L2SW)の特徴
平成30年　春季　出題なし
平成30年　秋季　LAN間接続装置　(平成27年春季と同じ問題)
平成31年　春季　出題なし
令和元年　秋季　レイヤ3スイッチングの特徴

全体の傾向として、出題頻度は減少傾向にあります。各種ネットワーク機器の特徴を理解していれば正解できる問題なので、もし出題された時はぜひ点数を稼ぎたい問題です。

過去問題から出題されることが多いので、関連する過去問題を中心に確認しておきましょう。

平成27年　春季　LAN間接続装置

各選択肢について確認してみましょう。

ア　「ゲートウェイ」についての説明です。ゲートウェイは「レイヤ4からレイヤ7の処理をおこなう装置」のことです。アプリケーションゲートウェイと呼ばれる場合もあります。選択肢では「第1～3層だけ」と書かれているので間違いです。

イ　ブリッジはL2SWの別名です。L2SWはフォワーディングをするためにMACアドレスを使います。選択肢では「IPアドレスを基に」と書かれているので間違いです。

ウ　リピータは物理層で動作する機器で、減衰した電気信号を増幅し、ネットワークの大きさを拡張(延長)するために使用されます。選択肢は、この説明をしているので正しい内容です。

エ　ルータはIPアドレスを基にデータを転送します。したがって、選択肢の説明は間違いです。

以上のことから、正解は「ウ」です。

平成28年　春季　データリンク層の情報を利用する中継装置

各機器・機能がOSI参照モデルのどの層で動作するのかを改めてまとめると以下の通りです。

表から、データリンク層で利用される機器は「L2SW(ブリッジ)」であることが分かります。したがって、答えは「イ」です。

平成28年　秋季　インターネット層の情報を利用する中継装置

装置Aはインターネット層のデータを基にデータを中継しています。インターネット層で動作する機器はIPアドレスを利用する機器となります。選択肢の中からはIPアドレスを利用機器はルータとなります。したがって、答えは「エ」です。

平成29年　春季　ルータが中継で利用するデータ

ルータはインターネット層で動作し、異なるネットワークにデータを中継します。この際利用するのは転送先のIPアドレスとなります。したがって、答えは「ア」です。なお、送信先MACアドレスを使ってデータを中継する機器はブリッジ(L2SW)です。

平成29年　秋季　スイッチングハブ(L2SW)の特徴

各選択肢について内容を確認してみます。

ア　L2SWはデータを転送するだけでIPアドレスの設定はおこなえません。したがって、説明は間違いです。なお、IPアドレスの動的な割り当てをおこなう機能は「DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)」と呼ばれ、ルータまたはプログラムで提供されます。

イ　L2SWはどのポートにどのMACアドレスの端末が接続されているかメモリで保持しています。この情報を使って、目的の端末だけにデータを転送することができます。この処理は「フォワーディング」と呼ばれ、L2SWの特徴の1つです。したがって、この説明は正しいものです。

ウ　受信したパケットを全てのポートに転送する処理を「フラッディング」と呼びます。L2SWはフォワーディング処理をするため、この説明文は間違いです。なお、「フラッディング」と「ブロードキャスト」はどちらも全てのポートにデータを転送する処理自体は同じです。しかし、ブロードキャストは意図的に全ての端末にデータを転送し、全ての端末がデータを読み込み何らかの処理をおこないます。一方、フラッディングは関係ない端末にまでデータが転送され、関係ない端末はデータの廃棄処理をおこないます。意図的かどうかが両社の違いです。

エ　L2SWはデータリンク層で利用されるため、説明文の「ネットワーク層で処理をする」という内容は間違いです。

ここでは「フラグメンテーション」について簡単に解説します。データを転送する際、多種類のケーブルが使われている場合があります。ケーブルの種類によって利用するプロトコルが異なり、1度に送信できるデータ量が決まっています。実際、データを転送する際にケーブルの仕様に合うようにデータを分割(フラグメンテーション)する場合があります。では、どの部分でこの分割が発生する可能性があるのでしょうか？

LAN内は基本的にツイストペアケーブルや光ファイバーが使われており、Ethernetと呼ばれるプロトコルが利用されています。したがって、LAN内で利用されるリピータ、ブリッジ(L2SW)、L3SWではデータの分割は発生しません。一方、ルータはLAN側はEthernet、インターネット側はADSLやATMなどLANでは使用されていないプロトコルが使われている可能性があります。それぞれ一度に送信できる最大データサイズが異なります。したがって、ルータではデータの分割処理が発生する可能性があります。フラグメンテーション処理はルータで行われる処理です。

以上のことから、答えは「イ」です。