レイヤ3スイッチとは

ルータを利用したVLAN間ルーティングでは、追加でルータが必要なのでネットワーク構成が複雑になってしまいます。また、VLAN間の通信はルータを経由して行われるので、ルータがボトルネックになります。より効率よくVLAN間ルーティングを実現するために、レイヤ3スイッチを利用します。レイヤ3スイッチは、レイヤ2スイッチの内部にルータの機能を組み込み、レイヤ3スイッチ単体でVLANを相互接続します。ルータの機能はハードウェアで実装されていて、高速な処理が可能です。また、データの転送は1つのハードウェア内の処理なのでやはり高速です。レイヤ3スイッチを利用すると、ルータよりも高速なVLAN間の通信ができるようになります。

レイヤ3スイッチのデータの転送

まず、レイヤ3スイッチでのデータの転送について考えます。レイヤ3スイッチはレイヤ2スイッチの機能も備えています。レイヤ2スイッチのように、同一ネットワーク(VLAN)内であれば、MACアドレスに基づいて適切なポートにデータを転送します。そして、ネットワーク(VLAN)間であれば、IPアドレスに基づいてデータを転送します。次の図は、レイヤ3スイッチによるデータの転送の概要を表しています。

レイヤ3スイッチによるデータの転送
図 レイヤ3スイッチによるデータの転送

この図のネットワーク構成は、レイヤ3スイッチでVLAN10とVLAN20の2つのVLANを作成して、ネットワークを分割しています。PC1とPC2はVLAN10に所属するようにアクセスポートの割り当てを行い、PC3はVLAN20に所属するようにアクセスポートの割り当てをしていというネットワーク構成です。

そして、VLAN10とVLAN20はレイヤ3スイッチで相互接続されています。VLANの相互接続のために、このあとに解説しているIPアドレスの設定をします。

同じVLAN10のPC1-PC2間でのデータの転送は、レイヤ2スイッチと同じように動作します。MACアドレスに基づいてイーサネットフレームを転送します。

また、VLAN10とVLAN20の間のPC1-PC3間のデータの転送は、ルータと同じように動作します。IPアドレスに基づいてIPパケットを転送します。

レイヤ3スイッチのIPアドレス設定

ルータでネットワークを相互接続するには、ルータのインタフェースにIPアドレスを設定します。レイヤ3スイッチでも同じです。レイヤ3スイッチでネットワークを相互接続するためには、レイヤ3スイッチにIPアドレスを設定しなければいけません。レイヤ3スイッチにどのようにIPアドレスを設定するかということは、レイヤ3スイッチの設定を行ううえで重要なポイントです。レイヤ3スイッチ内に内部ルータがあり、内部ルータに対してIPアドレスを設定するようなイメージです。レイヤ3スイッチのIPアドレス設定には、次の2通りあります。

  • レイヤ3スイッチ内部の仮想インタフェース(VLANインタフェース)にIPアドレスを設定する
  • レイヤ3スイッチの物理インタフェースにIPアドレスを設定する

VLANインタフェース(SVI)

まず、レイヤ3スイッチ内部の仮想インタフェースへのIPアドレス設定についてです。レイヤ3スイッチでもレイヤ2スイッチと同じように内部にVLANを作成して、ポートの割り当てを行います。そして、レイヤ3スイッチ内部には内部ルータがあり、内部ルータとVLANを接続します。この内部ルータとVLANを接続するインタフェースがVLANインタフェースです。VLANインタフェースに対して、VLANに対応したネットワークアドレス内のIPアドレスを設定することで内部ルータとVLANを接続することになります。VLANインタフェースをCiscoではSVI(Switched Virtual Interface)と呼んでいます。

ルーテッドポート

次に、レイヤ3スイッチの物理インタフェースに対するIPアドレス設定についてです。レイヤ3スイッチの物理インタフェースにIPアドレスを設定するには、内部ルータとインタフェースを直結します。内部ルータと直結しているので、ルータと同じように物理的なインタフェースにIPアドレスを設定することができます。なお、内部ルータと直結しているインタフェースはルーテッドポートと呼ばれます。次の図は、レイヤ3スイッチのIPアドレス設定の様子を表しています。

ルーテッドポートは内部でVLANと関連付けないので、正確にはVLANを接続するわけではありません。シンプルにIPのネットワークを接続することになります。
 レイヤ3スイッチのIPアドレス設定
図 レイヤ3スイッチのIPアドレス設定

図では、レイヤ3スイッチにVLAN10とVLAN20を作成して、VLAN10のポートとしてポート1、ポート2を割り当て、VLAN20のポートとしてポート3、ポート4を割り当てています。VLAN10とVLAN20間の通信を行うために、内部ルータを介して2つのVLANを相互接続します。そのために、VLANインタフェースを作成します。VLAN10と内部ルータを接続するためのVLAN10インタフェースを作成して、VLAN10に対応する192.168.10.254/24というIPアドレスを設定しています。そして、VLAN20と内部ルータをVLAN20インタフェースで接続して、VLAN20に対応するIPアドレス192.168.20.254/24を設定しています。こうして設定した内部ルータのIPアドレスは、クライアントPCにとってのデフォルトゲートウェイのIPアドレスです。

そして、ポート5は内部ルータと直結してルーテッドポートとし、IPアドレス192.168.30.254/24を設定しています。

以上のように、レイヤ3スイッチには2通りのIPアドレスの設定方法がありますが、「どちらを使わなければいけない」というわけではありません。IPアドレスの設定方法に2つの選択肢があるというだけです。製品によっては、ルーテッドポートにできるポート数に上限があるものもありますが、VLANインタフェースを利用するか、ルーテッドポートを利用するかは自由に決められます。

他のレイヤ2スイッチで作成したVLANの相互接続

他のレイヤ2スイッチで作成したVLANを接続することもできます。次の図のようなネットワーク構成を考えましょう。

他のスイッチのVLANを接続
図 他のスイッチのVLANを接続

図では、レイヤ2スイッチでVLAN10とVLAN20を作成して、PC1とPC2がVLAN10に、PC3とPC4がVLAN20に所属しています。VLAN10とVLAN20間で通信できるようにレイヤ3スイッチによって、この2つのVLANを相互接続している様子です。

レイヤ2スイッチとレイヤ3スイッチ間は、VLAN、VLAN10とVLAN20のイーサネットフレームを転送しなければいけないので、トランクポートを利用しています。そして、レイヤ3スイッチ側にもVLAN10とVLAN20を作成して、レイヤ3スイッチの内部ルータで2つのVLANを相互接続するためのVLANインタフェースの設定を行います。VLANインタフェースには、それぞれのVLANに対応づけているネットワークアドレスのIPアドレスを設定します。

そして、このネットワーク構成をよりシンプルな論理構成にすると、次のようになります。

 論理構成図の例
図 論理構成図の例

論理構成図では、レイヤ2スイッチの接続のポートをなどを特に意識する必要はありません。レイヤ3スイッチによってVLAN10、VLAN20の2つのVLANを相互接続している様子をシンプルに表現しています。


Cisco Catalystスイッチの具体的な設定コマンドについての詳細は、以下の記事をご覧ください。