ネットワークトポロジとは ― 種類と全二重・半二重

ネットワークトポロジとは、LANでPCやスイッチをつなぐ形のことです。代表的な形はスター型・バス型・リング型・メッシュ型の4つで、今のLANはほぼすべてスター型です。

1本のケーブルや1台の機器が壊れたときに止まる範囲は、つなぎ方によって変わります。4つの形の違いに加えて、スイッチのポートで使う全二重・半二重と、衝突に対処するCSMA/CDの仕組みも説明します。

トポロジには2つの見方があります。配線の見た目の形が物理トポロジで、データが流れる順序や経路から見た形が論理トポロジです。この2つは一致するとは限りません。

たとえば、同じスター型の配線でも、中心に置く機器によって動き方は変わります。ハブは受け取った信号を全員に流すので、バス型と同じ動きになります。一方、スイッチは宛先だけに転送します。

スイッチの動きは、ハブ・スイッチ・ルータの記事で説明しています。

スター型は、中央のハブから各端末へ1本ずつケーブルを伸ばす形です。星のように中心から放射状に広がるので、この名前が付きました。

長所は、1本のケーブルが切れても影響がその端末だけで済むことです。配線がハブの周りに集まるため、トラブルの原因も切り分けやすくなります。

短所は、中央のハブが壊れると、つながっている端末すべてが通信できなくなることです。このように、そこが壊れると全体が止まる箇所を単一障害点と呼びます。スター型では中央の機器が単一障害点です。

バス型は、1本の幹線ケーブルに全端末がぶら下がる形です。古い規格の10BASE5や10BASE2で使われていました。ケーブルの両端には、信号の反射を防ぐ終端抵抗が必要です。

長所は、ケーブルが少なくて済み、低コストなことです。

短所は、幹線ケーブルのどこか1か所が切れると、終端抵抗が失われてネットワーク全体が通信できなくなることです。切れた端で反射した信号が波形を乱すためです。故障したのが端末なら、ケーブルは無事なので、影響を受けるのはその端末だけです。

また、全端末で1本のケーブルを共有するため、端末が増えるほど信号の衝突も増えます。バス型は現在ほぼ使われていません。

リング型は、隣同士の端末だけをケーブルでつないで輪にする形です。データは輪の中を一方向に、隣から隣へと流れます。トークンリングやFDDIという規格で使われていました。

短所は、経路が1系統だけの単純なリングでは、輪のどこか1か所が壊れると全体が通信できなくなることです。送信の権利を順に回す仕組みが、輪を一周できなくなるためです。

反対方向に回る経路をもう1系統用意する方法もあります。この形はデュアルリングと呼び、片方が切れても迂回できます。ただ、現在の一般的なLANでリング型はほぼ使われていません。

トークンパッシング

リング型では、送信権を表すトークンという信号が輪の中を順番に回ります。送信できるのは、トークンを持つ端末だけです。この衝突の防ぎ方をトークンパッシングと呼びます。同時に送信できる端末は常に1台なので、後で説明するCSMA/CDのような衝突の検知や回復は要りません。

メッシュ型は、複数の機器を1対1で直接つなぐ形です。全台を直接つなぐものをフルメッシュと呼びます。拠点間を結ぶルータ同士の回線など、LANの外側で使うことの多い形です。

長所は、1本の経路が切れても、他の経路を中継すれば通信を続けられることです。ただし、ネットワーク上の各機器（ノード）が通信を中継できることが条件です。

短所は、端末が増えるほど必要なケーブルの本数が急激に増えることです。端末がn台のとき、必要な回線数はn×(n−1)÷2本で、4台なら6本、10台なら45本になります。台数が多い場合は、一部だけを直接つなぐ部分メッシュにすることもあります。

トポロジと何が壊れたかを切り替えると、通信できなくなる範囲が変わります。

同じ断線や故障でも、トポロジによって影響の範囲は違います。どのトポロジを選ぶかは、止まらずに使い続けられること（可用性）をどこまで求めるかで決まります。

全二重は、送信と受信を同時にできる方式です。半二重は、送信と受信を交互にしかできません。単方向は、一方向にしか送れない方式です。

単方向は、テレビ放送やラジオ放送のように、送る側と受ける側の役割が固定された方式です。半二重は経路を1つ共有するため、ある瞬間には送信か受信のどちらか一方しかできません。トランシーバーがこの例です。全二重は送信用と受信用の経路が別々にあるため、電話のように同時に送受信できます。

無線LANも半二重です。端末とアクセスポイント（無線の親機）は送信と受信に同じ周波数の電波を使うため、1つの周波数の中では送信と受信を同時には行いません。

送る順番は、後の節で説明するCSMA/CAで調整します。Wi-Fi 7には複数の帯域を同時に使う機能もありますが、帯域ごとに別の周波数を使うので、1つの周波数で同時に送受信するわけではありません。

接続する2台の速度と、全二重か半二重か（デュプレックス方式）は、機器同士のやり取りで自動的に決まります。この仕組みをオートネゴシエーションと呼びます。設定が食い違うと、片方が全二重、もう片方が半二重で動くことがあります。この状態をデュプレックスミスマッチと呼び、通信が極端に遅くなったり、エラーが頻発したりします。

ハブでつないだEthernetでは、実質的に1本の回線を全端末で共有するので、通信は半二重になります。複数の端末が同時に送信すると、信号がぶつかる衝突が起こります。CSMA/CDは、この衝突を検知して回復する方式です。

1. 1

   搬送波感知（Carrier Sense）

   送信する前に、他の端末が送信中でないかを確認します。

2. 2

   多重アクセス（Multiple Access）

   空いていれば、送信を始めます。複数の端末が同時に「空いている」と判断すると、送信が重なることがあります。

3. 3

   衝突検知（Collision Detection）

   送信中は電圧の変化を監視して、衝突が起きたことを検知します。

4. 4

   ジャム信号とランダムな再送

   衝突を検知した端末は、両方とも送信をやめ、衝突を知らせるジャム信号を送ります。その後、それぞれランダムな時間だけ待ちます。先に待ち時間を終えた端末が再送します。もう一方は回線が使用中だと気づき、さらに待ってから再送します。

全二重の接続なら、送信用と受信用の経路が別なので、そもそも衝突が起きません。CSMA/CDの仕組みはEthernetの規格に今も残っていますが、実際に働く場面はなくなっています。

無線LANではCSMA/CAという方式を使います。CSMA/CDが衝突を検知してから回復するのに対し、CSMA/CAは衝突をあらかじめ避けます。

無線LANの端末は、送信中は自分の電波が強く、他の端末のかすかな電波を聞き取れません。そのため、送信しながら衝突を検知できず、代わりに送信前にランダムな時間だけ待って衝突を避けます。届いたかどうかは、受信側が返す確認応答（ACK）で確かめます。詳しい仕組みは無線LANの記事で説明しています。

コリジョンドメインとは、同時に送信すると衝突が起きる範囲のことです。詳しくはハブ・スイッチ・ルータの記事で説明しています。

バス型やハブでつないだスター型では、複数の端末が1本の回線を共有するので、全体が1つのコリジョンドメインになります。スイッチでつないだスター型では、ポートごとに別々のコリジョンドメインに分かれます。全二重なら、その中でも衝突は起きません。

ブロードキャストドメインと並べた比較は衝突ドメインとブロードキャストドメインの違いの記事にあります。

LANの配線には、主に2種類のケーブルを使います。家庭やオフィスのLANケーブルの主流は、銅線を2本ずつよりあわせたツイストペアケーブルです。

もう1つは、光の点滅で信号を送る光ファイバケーブルです。長距離・高速の区間や、電磁ノイズを避けたい環境で使います。どちらも、OSI参照モデルの第1層にあたる設備です。

規格名の10BASE-Tでは、10が10Mbpsという伝送速度を、BASEがベースバンド伝送を、Tがツイストペアケーブルを表します。ベースバンド伝送は、信号を別の周波数に変換せずそのまま送る方式です。100BASE-TXや1000BASE-Tも読み方は同じで、数字とアルファベットの部分だけが規格ごとに変わります。

規格ごとの速度・ケーブル・最大長の一覧は、LANとWANの違いとイーサネット規格の記事にまとめています。