ルーター

thumb|250px thumb|250px|アバイア 27Tbps ルータ ルーターまたはルータ（）は、コンピュータネットワークにおいて複数の異なるネットワーク・伝送媒体を接続し、その間でレイヤ3・ネットワーク層のアドレスにより転送を制御してパケットを中継する装置、またはその機能である。

インターネットの普及によりインターネット・プロトコル・スイート（TCP/IP）がネットワーク間接続の事実上の標準（デファクトスタンダード）となり、ルーター製品もそれを前提としている。 中核的な機能はデータ（パケット）の転送とそのための経路制御情報（ルーティングプロトコル）の取り扱いであるが、その他にデータの暗号化やフィルタリング等、様々な付加機能を実現している。

装置としてのルーターは複数のネットワークインターフェースを持つ専用ハードウェアにルーターソフトウェアが搭載されたものが多い。ハードウェアを有さないソフトウェアとしてのルーター製品は、小規模で専用ハードウェアを使用しない場合や、近年のクラウドコンピューティングにおける仮想基盤で利用するものがある。同じくレイヤ3・ネットワーク層のデータ転送でも、ルーターがASICによるハードウェア処理で実現するLANスイッチ（レイヤ3スイッチ）と区分されるのがソフトウェア処理による点である。

規模・処理能力はネットワーク上の利用される領域により異なり、また時代によるネットワークの高速化により年々高速化・大規模化している。その中で小型から大型、超大型までいくつかの製品カテゴリー・ラインナップが形成されている。 また対応プロトコルや付加機能も製品の利用領域やネットワークの技術の年代的な移り変わりにより様々なものが存在する。

600px|center|TCP/IPの階層構造

歴史 前史 thumb|ルーターの原型となったIMP 1964年、リンカーン研究所のラリー・ロバーツが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に異動したラリーは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) が開発したIMP (Interface Message Processor) と呼ばれる、単一プロトコルのみで動作するパケット交換機を中心に構成されていた。1972年にARPAに着任したボブ・カーンは、様々なインターフェースを備え、パケットをカプセル化する機能を持つ「ゲートウェイ」と呼ぶ装置を構想していた。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・サーフは、カーンと協力し、1974年に、2人は、IEEEの学術誌に、現在のTCP/IPの原型となる、TCPを発表した。1977年に最初のネットワーク相互接続実験が行われ、衛星通信を介したパケットの送信に成功した。ゲートウェイという名称は、1980年代後半にルーターと呼ばれるようになるまで使い続けられた日経NETWORK 2005年1月号「発掘！ルーター開発物語」。

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 (IP) に分割され、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。

誕生 1976年には、米BNN社の手によってARPANETに接続するIP対応ルーターが、世界で初めて製品化された。この「ルーター」は、米DEC社の16ビット・ミニコン「PDP-11」上において、アセンブリ言語で書かれた20Kバイトのプログラムによってパケットを処理する仕組みであり、処理速度は100パケット/秒程度であった経済産業省資料『ルーター・スイッチの現状』。

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つに接続され、これが今のインターネットの原型となった。

商用販売 1986年には米プロテオン社より、マルチプロトコルに対応した世界初の商用ルーター「ProNET p4200」が発売された。

1990年には米シスコシステムズ社が「Cisco7000」を、1997年にインターフェースカード（ラインカード）に分散アーキテクチャを導入した「Cisco12000」を発売し、10Mパケット/秒クラスの性能に至った。

1987年には世界初の商用インターネットプロバイダ (ISP) UUNETが誕生し、一般固定電話が定額制だったことから、コアルーターをDCE、アナログモデムをDTEとした、ハブスポーク型トポロジによるネットワークが米国において定着する。

1995年頃、回線の高速化（ISDNやCATVの普及）に伴うトラフィックの増加に伴い、X.25に代わるWANプロトコルとして、エラー制御処理の簡略化によって高速化したフレームリレーが導入された。その後、ルーターは様々な種類の物理インタフェースをサポートするようになった（ルーター#基本機能を参照）。

また、この頃からLAN回線（トークンリング、イーサネット、FDDI (Fiber-Distributed Data Interface)）上で動作するネットワーク層プロトコル (AppleTalk、IP、IPX) とWANプロトコルをリンクさせる役割をルーターが担うことになり、同時に、LAN回線に比べて速度で劣るWAN回線を効率よく使用するため、WAN側に設置されたルーターをデータ端末装置 (DTE) として扱うことで、過剰なトラフィックをWAN側に流さないようになった。ルーターは、ISPによるWAN網のバックボーンとなるコアルーターと、そのDCEもしくはDTEとなるエッジルーターとに分かれることになる。

LANの普及とWANの高速化 1995年、標準ネットワーク機能としてTCP/IPを実装するOS「Windows 95」が発売され、企業におけるPCとLAN回線の普及が進むと、企業ネットワークの世界はISPセンターとPCを接続するトポロジから、セグメントごとにハブを介して専用線経由で接続するトポロジに変わり、LAN側セグメント間のルーティング機能が重視されるようになった。こうした状況の変化にともない、ネットワーク中継装置としてレイヤ2スイッチが注目されるようになり、やがてレイヤ2スイッチは利便性向上のため、VLAN (Virtual LAN) を実装するに至った。

一方で、コンシューマーにおいては前者のハブスポーク型トポロジは継続した。日本では、接続回線にISDNが広まったことから、アナログモデムからダイアルアップルーターに移行した。やがて1990年代後半からのブロードバンド回線の普及にともない、ブロードバンドルーターが広まることになった。

レイヤ3スイッチの誕生 VLAN技術により、ポートの効率化が可能になると、次はLAN側トラフィックの急増によってセグメント間ネットワーク層のルーティングがボトルネックとなった。

レイヤ3スイッチは、レイヤ2スイッチとルーターのルーティング機能を1つの筐体に同居させることで、レイヤ2スイッチとルーター間のボトルネックを解消した。ルーティング機能は、汎用CPUを使ったソフトウェア処理からASIC (Application Specific Integrated Circuit) とよばれる半導体チップによる処理に変更したことにより、処理の高速化を実現した。また、コストの面から利用するプロトコルをTCP/IPに特化し、インターフェースをイーサネットに限定したことが、広域イーサネットやIP-VPNといった次世代のWAN側サービスと合致したため、ユーザーの需要が高まることとなった。

当初、レイヤ3スイッチは高価であったが、2000年代に米エクストリームネットワーク社が安価で多彩な機能を持ったレイヤ3スイッチである「Summit」シリーズを発売し、センタールータの代替として、企業や官庁を中心にレイヤ3スイッチは普及したLANをギガビットに導いた紫の遺伝子の軌跡 2009年8月13日。

専用線から仮想線へ 2000年頃から、企業ネットワークの主流がこれまでの専用線から、より安価で接続範囲を限定されないインターネットによるVPN (Virtual Private Network) に移行した。通信業者はMPLSとVRによる有料サービス「IP-VPN」を提供したが、企業や個人にも独自にVPN環境を構築する動きが広がり、IPsecトンネルやPPTPを経路とするインターネットVPNを実装するエッジルーターやブロードバンドルーターが開発された。

2002年には、データリンク層をギガビットイーサネットで繋ぐ、広域イーサネットによるサービスが広まり、そのデバイスとしてレイヤ2スイッチが再度注目されることとなった。

次世代ネットワークによるオールIP化 2000年代後半より、IP電話や第3世代 (IMT-2000) 以降の携帯電話の発展に応じて、コアネットワーク（バックボーン）のオールIP化を志向した次世代ネットワーク (NGN) が提唱され、通信業者のバックボーンは、これまでの電話交換機による電話網からルーターやスイッチ類などによるIP網に再構築された。また、2010年6月には次世代イーサネット規格として、40Gbps/100Gbpsという2つの異なる伝送速度に応じたIEEE 802.3baが承認された。40Gbpsはサーバなどの機器間での接続に、100Gbpsは主にネットワーク間のバックボーンに使われるとの見通しで、各ベンダーの設計もこの規格に基づき、おこなわれている。

分類 thumb|250px|コアルーターの一部。黄色いケーブルは10ギガビットイーサネット用光ファイバー。

ルーターはネットワーク上で使用される位置によってが製品カテゴリーが分類されており、ネットワークインターフェースや処理能力、機能が階層化されている。以下に規模の大きな物から順に示す。

コアルーター 基幹ネットワークのバックボーンを構成するルーター。ISP内の地域別ネットワークや複数のISP間のネットワークを相互接続する。製品によっては1基のルーターで複数ラックを擁する規模のものもある。プロバイダールーター (P) とも呼ばれる。

センタールーター WANを介して、企業のネットワークや、ISPと企業のネットワークを相互接続する。ISP・企業間でともに利用されるエッジルーターを、便宜上センタールーターと呼称する。立地条件により、プロバイダーエッジルーター (PE)、カスタマーエッジルーター (CE) とも呼ばれる。高速なパケット処理を必要とする場合、L3スイッチもしくはギガビットイーサネット対応L2スイッチに置き換えられることがある。

エッジルーター 基幹ネットワークの端に設置されるルーター。企業の支店や営業所内のLANやシリアル回線をWAN回線に繋ぎ、本社のセンター・ルーターにアクセスする。

ダイヤルアップルーター thumb|200px|NTT-MEのダイヤルアップルーター「MN128 SOHO」 家庭や小規模事業所向けのWAN回線としてISDNを利用するルーターである。アナログ電話を収容するためのターミナルアダプタやISDNの回線終端装置（DSU）を内蔵するなどした製品があった。代表的な製品にはNTT-TE東京（現NTT-ME）の「MN128 SOHO」ルータを大衆化した先駆者「MN128-SOHO」2009年05月05日やヤマハの「RTA50i」などがあった。

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、接続時間による従量制課金であった。そこで、PC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（設定したISPのアクセスポイント番号へのダイヤル）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。

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。その他の機能については、ブロードバンドルーター#機能を参照。

ブロードバンド対応 「MN128 SOHO」シリーズから「PAL B&I」や「IB3」のほか、PCカード型LANカードを装着しWANポートとすることによりブロードバンドルーターとしても使える「Slotin」が発売されていた。このうち、「IB3」と「Slotin」は無線LANにも対応し、またPCカード型端末を挿入しFOMAやPHSなどの回線経由でインターネットに接続することも可能であった。

ブロードバンドルーター thumb|無線LANアクセスポイント内蔵ブロードバンドルーター ADSL、FTTHをWAN回線として接続できる家庭向けの家庭や小規模事業所向けのルーターである。 ADSL向けとしてADSLモデムを内蔵するか、FTTH向けとしてONU接続用のイーサネットポートを持ち、あるいはFTTHでONUを内蔵し、インターネットサービスプロバイダ（ISP）との接続用にPPPoEまたはIPoE対応機能を有している。 ローカル側は複数のLANポートを持ち、スイッチングハブとなっている。各種トンネル機能を備えるものもある（後述）。

一般家庭ユーザの利用を想定して出荷前に予め基本的な機能が既定で設定されており、通常はISP接続用のユーザーアカウント情報とPPPoE/IPoEの接続情報を設定することで使えるようになっている。

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。

機能 基本的な機能 IPv4関連 PPPoE接続機能 ネットワークアドレス変換機能 (NAT, NAPT) IPv6関連 ネイティブIPv6ルーティング フレッツ網におけるIPv6に対応するIPv6 IPoEルーティング フレッツ網におけるIPv6に対応するIPv4 over IPv6トンネリング DHCPサーバ機能 パケットフィルタリング ステートフルパケットインスペクション DNSキャッシュ機能 ポート変換/DMZ 経路制御情報の管理 各種設定・管理機能 付加的な機能 固定IPアドレス利用 (IP Unnumberedほか） Universal Plug and Playへの対応 フレッツ網におけるIPv6に対応するIPv6 PPPoE機能 パケットフィルタリング IPv6ルーティングにおけるNDプロキシ 無線LANのアクセスポイント IP電話アダプタ機能 ダイナミックドメインネームシステムへの対応 PPTPサーバ機能 ウイルス・不正アクセスなどの検出・遮断機能 P2Pアプリケーションの検出・遮断機能 URLフィルタリング機能 疑似QoS機能 ネットワークアタッチトストレージ機能/クラウドサービス機能 BitTorrentクライアント機能 プリントサーバ機能/USB機器共有機能 （自動）ファームウェア更新機能 ログ出力/保管/転送機能 (syslog)

モバイルWi-Fiルーター モバイルWi-Fiルーターは、移動を容易にした小型の、ルーターと無線LANアクセスポイントの複合製品である。商用電源からの継続的な電源供給を望めない移動しながらのインターネット利用といった使途を想定しており、多くの機器で二次電池を内蔵している。

基本機能 ルーターの基本機能は4つある。

接続（インターフェース） thumb|250px|ADSLルーターの接続ポート ルーターは、ネットワークセグメントの異なるLAN側のインターフェースや、WAN側のインターフェースなどの中から2つ以上の物理インターフェースを有する。

主な物理インターフェースの種類 WAN側 ISDN PRI/BRI シリアルポート WAN網に送出されるデータはデータリンク層プロトコルによりカプセル化される。プロトコルの種類には、HDLC、PPP、X.25/LAPB、フレームリレー、ATMなどがある。 イーサネット (Ethernet) - いわゆる「ブロードバンドルーター」やインターネットサービスプロバイダ・インターネットエクスチェンジにあるルーターはこの形態である。 - 10BASE5のトランシーバーへのインターフェイス RJ-45 ポート（ツイストペアケーブル用) InfiniBand 光ファイバー LAN側 シリアルポート - LANが一般的でなかった頃のエッジルーター（ダイヤルアップルーター）はこの形態だった。 イーサネット (Ethernet) RJ-45 ポート（ツイストペア） 管理用コンソール シリアルポート RJ-45 ポート RS-232ポート それぞれの物理インターフェースは、様々な回線種別に対応しており、タイプとして固定型とモジュラー型に分かれる。タイプを選択することにより、ユーザーのサービスにあわせた柔軟な対応ができる。ATMを使ったセルリレーや、フレームリレーなどデータリンク層への接続には、WAN側のインタフェースカードの交換、シリアルケーブルでデバイス (DTE) と接続、インターフェースの設定を行うことによって接続が可能となる。

経路選択と転送 ルーターは、受信パケットの宛先情報から経路選択をおこなう。これをルーティング (Routing) という。ルーティングを実施する際にルーティングテーブルの情報が参照される。その情報を元にパケットの転送をおこなう。これをフォワーディング (Forwarding) という。

IPv4パケットの場合の流れを説明すると、 ルーターが、IPパケットを受信すると、その中のIPパケット・ヘッダーから宛先アドレス (Destination Address) を読み取る。 ルーティング・テーブルと宛先アドレスを照合し、合致するものがあれば、ネクストホップ (Nexthop) のIPアドレスから、ネクストホップに到達するためのレイヤ2アドレスを調べる。 ARPテーブルを参照し、なければARPパケットを送信して、宛先MACアドレスを取得し、ARPリクエストにレスポンスがあれば、ARPテーブルを更新し、パケットを転送する。なければ、送信元アドレス (Source Address) にパケット到着不可である事を示すメッセージ (ICMP「Host Unreachable」) を送信元に返す。 パケットのヘッダをネクストホップに書き換える。 パケットを転送先のインターフェース (Interface) に送信する。 ルーターにデフォルトルートの設定がなく、ルーティングテーブルにマッチしなければ、未知の宛先とみなされ、パケットは破棄されて、送信元アドレス (Source Address) にパケット到着不可である事を示すメッセージ (ICMP「Net Unreachable」) を送信する。 となる。

この時に用いられるルーティングテーブルには、ネクストホップ情報、宛先アドレス情報、そのルーターに接続するためのインターフェース情報など、転送に用いる経路情報が記録される。ルーターの性能は、このルーティングテーブルやARPテーブルの参照処理能力と、スループット値などにより決まる。なお、レイヤ3スイッチの場合は、最初のパケットをコントロールプレーン (Control Plane) のCPUで処理し、ルーティングテーブルとARPテーブルで算出した情報をASICのレイヤ3テーブルに追加する。2回目以降のパケットをデータプレーン (Data Plane) のASICで処理する。

選別 ルーターは、WAN側から受け取ったIPパケットに応じて、フィルタによって転送せずに破棄したり、QoS (Quality of Service) によって優遇してLAN側に転送するなど、パケットの選別機能を持つ。

フィルタリング機能 IPヘッダー、TCP/UDPヘッダー、パケット内の有意なデータ（URLなど）を設定して、条件に該当するIPパケットを破棄する。特定のパケット通信を排除できるネットワーク機器講座ルータ編。 QoS機能 QoSは、LAN側の帯域が大きく、WAN側の帯域が小さいという構成において、ルーター内部のキューにパケットが溜まる状態で、どのパケットを優先して出力するかの方法を選択し、制御する機能である。下記にその方法を示すQoS機能の特性と設定のポイント。 優先制御 優先すべきIPパケットとそれ以外を、IPアドレスやポート番号などによって区別し、優先度を割り当てる。この方法をプライオリティ・キューイング（Priority Queuing）と呼ぶ優先制御（2012年11月7日）。 帯域制御 一定時間ごとにインターフェースのパケット量を監視し、閾値以上になれば超過したパケットを破棄する。この方法をポリシング (Policing) と呼ぶ。また、超過したパケットを破棄せずにバッファリングによってキューに保持し、間隔をおいて平滑的に伝送されるようにスケジューリングする方法をシェーピング (Shaping) と呼び、どちらかの方法を選択して設定する。

管理 ルーターは、経路情報を持つルーティングテーブルの管理をおこなう。

直接接続された他のインターフェースとの通信により、経路情報を自動的に学習する。しかし、ルーターは「直接接続されていないインターフェース」には接続できないため、それを含めた経路情報を設定する必要がある。

経路情報を設定する方法には、ネットワーク管理者が手動で設定する静的ルート (Static Route) と、ルーティングプロトコルで設定された動的ルート (Dynamic Route) がある。

動的ルートは、ルーティングプロトコルが設定されると、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合い、自動的にルーティングテーブルを最適な状態に保つ。この状態を収束または収斂（コンバージェンス）という。

この経路情報の収集につかわれるルーティングプロトコルには2種類あり、異なる自律システム (AS) 間で使われるEGP (Exterior Gateway Protocol) と、同一のAS内で使われるIGP (Interior Gateway Protocol) がある。EGPとしてはBGP-4、IGPとしてはRIP、OSPFが有名である。

また、通信制御用プロトコルであるICMPを周囲に発信し、エラーや回線の状態を監視するルーターもある。 これらにより、あらかじめ伝送路の2重化や迂回経路への切り替えを設定しておけば、伝送路に障害が発生した場合、RIP、OSPF、BGPといったプロトコルを利用せずに別経路への自動的な切り替えが行われる。

内部処理 ルーターの内部について、代表的なアーキテクチャには分散型と集中型がある。アーキテクチャはインターフェースカード、スイッチカード、制御部で構成される。

インターフェースカードは、パケット処理エンジン、パケットバッファ用メモリ、ルーティングテーブル用メモリ、各種テーブルメモリにより構成される。そして、ルーターの内部の処理は4段階に分かれる『日経NETWORK 2004年8月号』 P68の記事2012年12月14日閲覧。

分散アーキテクチャ 複数のパケット処理エンジンをクロスバー・スイッチ（スイッチカード）で接続する。複雑なルーティング処理をコントロールプレーンで実施し、単純なパケット処理をデータプレーン（フォワーディングプレーン）のスイッチ用LSIとパケット処理エンジンで分散することで処理を高速化するアーキテクチャ。高拡張性、高価格、処理エンジンのI/O負荷が高いため電力量が多い。 集中アーキテクチャ データプレーンでのパケット処理を、1つのパケット処理エンジンに集中させ処理をおこなう。分散アーキテクチャに比べシンプルな構造。

受信 受信した信号をインターフェース回路がビット列に変換し、受信処理を行うパケット処理エンジン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ルーティングテーブル用メモリバッファに蓄積する。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メモリ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。

解析 パケット処理エンジンは、ルーティングテーブル用メモリに蓄積されたIPパケットのヘッダーを読み取り、ルーティングテーブルの検索をおこない、出力先インターフェースを決める。同時にQoSとアクセス制御リストを参照する。条件にあえばその処理を行う。解析で得られた情報は、パケットバッファ用メモリのIPパケットに付加しておく。

ルーティングテーブル検索方法 ルーティングテーブルの検索方法は3種類ある。 リニアサーチ (Linear Search) パトリシアツリー (Patricia Tree) 全エントリ同時検索 : CAMを利用した方法

加工 加工されたパケットは以下のように処理される。 パケットをスイッチングする。 出力制御部のキューへFIFOにより送信する。 出力回線ごとに備えた複数のFIFOはQoSに従い、パケットを蓄積する。 スケジューラによりFIFOからパケットを読み出して出力する。

送出 パケットの送出を担当するパケット処理エンジンは、各種テーブルメモリからパケットを読み出して、「解析」処理で得られたQoSにより、出力インターフェイスを振り分け、パケットバッファ用メモリに蓄積する。スケジューラにより、パケットバッファ用メモリからパケットを読み出して出力する。

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（または冗長構成 (redundant configuration)）がある。

ルーターやレイヤー3スイッチを複数備えると、障害時に切り替える物理的な冗長化がおこなわれる。このままでは障害発生を検知して自動的に予備機に切り替えることはできないため、ルーターを仮想化するプロトコルによって冗長構成の制御をおこなう。複数のVRRPグループに仮想ルーターの設定をおこなうことでロードバランスが可能となる。標準化されあるいは、ベンダー独自のプロトコルが複数存在する。

VRRP : 1つの仮想アドレスをマスター機とバックアップ機の2台に持たせることで、正常時はマスター機が仮想アドレスを使い、障害発生時にはバックアップ機が仮想アドレスをそのまま使って動作を引き継ぐ方法。

ベンダーによっては、VRRPに類似した、もしくはVRRPを拡張したプロトコルを提供している。

HSRP (Hot Standby Router Protocol) : シスコ・システムズ社独自のRFC2281による方式規格 VRRP-E (VRRP-Extend) : Foundry社（現Broadcom社） FSRP (Foundry standby router protocl) : Foundry社 ESRP (Extreme Standby Router Protocol) : Extreme Networks社 NSRP (NetScreen Redundancy Protcol) : NetScreen Technologies社（現Juniper Networks社）