設備LANでスイッチとルータは何が違うか

制御盤の中にも、オフィスのラックにも、ケーブルが大量に繋がって通信を分配する装置がついています。それらは「スイッチ」や「ルータ」と呼ばれますが、ケーブルを流れてきたデータのひとまとまりを、箱の中でどう扱うかで分類されます。特に、工場の設備の通信を考える時、この差異を取り違えると、制御周期が乱れたり、オフィス側のブロードキャストがサーボ網に流れ込んだりして大変です。

この記事では、一般的な教科書の OSI 一覧ではなく、同じサブネットの中を MAC で捌く箱（スイッチ）とサブネットの境で IP を見て組み直す箱（ルータ）を、設備の配線の話として分けて解説していきます。産業用通信や社内ネットワークが遅くなる理由の根本原因になりえる話です。記事の中では、データのひとまとまりがスイッチを渡る様子をスイッチの節、ルータで組み直される様子をルータの節の図で見ていきます。

この記事の要点

章	この節で解説すること
見た目と仕事の違い	箱の名前ではなく、見る宛先が MAC か IP かで分ける
スイッチの MAC 転送	同じサブネットの中で、MAC を見てポートへ出す。IP は触らない
ルータの IP 組み直し	サブネットの境で外側の宛先を剥がし、送り方を組み直す
スイッチとルータの取り違えで起こること	届かない・遅れる・EtherCAT が止まる
VLAN と経路	同じ箱でもブロードキャストドメインを分けられる。別 VLAN へ届ける仕事はルータ（または L3）
スイッチとルータの早見表	MAC / IP、ブロードキャスト、EtherCAT、社内 PC をどこに置くか

見た目と仕事の違い

見た目が似ているので、箱のラベルだけでは仕事は分かりません。この節では、宛先の種類で分類します。

ひと口に「スイッチ」と呼ばれる装置にも、設定の少ない 8 ポートの箱から、回線が切れても通信を維持する構成（これをリング冗長と言います）を備えた産業用まで幅があります。名前が同じでも、中の仕事は同じとは限りません。

機器ごとに付いている宛先を MAC と言います。どの網の何番かを示す番号が IP です。同じ網とみなす範囲をサブネットと言い、その切れ目をスラッシュで書く書き方が CIDR です。192.168.10.0/24 の /24 がそれです。同じ切れ目を 255.255.255.0 のように書いた値がサブネットマスクです。切れ目の数え方は、設備 LAN の CIDRとCIDR の可視化で確認できます。自分の装置が今どの IP を持っているかは、IP 確認で見られます。

同じサブネットの中を MAC で渡す処理を L2、サブネットの境で IP を見る処理を L3 と言います。分類の基準は、その箱が宛先の MAC だけを見て送り出すのか、IP のネットワーク部まで見るのかです。

箱	見る宛先	届く範囲
スイッチ	MAC	同じサブネット
ルータ	IP のネットワーク部	サブネットの境
L3 スイッチ	MAC と IP	1 筐体に L2 と L3

アドレスを自動で配る仕組みを DHCP、外側から見たアドレスを取り換える仕組みを NAT と言います。オフィスで「ルータ」と呼ばれる装置には、NAT と DHCP と無線が一体になった宅内機器もあれば、ラックの L3 スイッチもあります。この記事の本筋は、MAC で捌くか、IP で組み直すかです。NAT はルータの節の後半で触れます。

では、設備の配線ではどうなるかを見ます。工場の制御装置を PLC、遠隔に置く入出力機器をリモート I/O、操作画面を HMI と言います。同じ 192.168.10.0/24 の中で PLC とリモート I/O と HMI が話し合うだけなら、多くの場合は L2 のスイッチで足ります。オフィス PC の網（別サブネット）へログを上げる、インターネットへ出る、となると、境にルータが要ります。ルータが無いと、ケーブルが刺さっていても IP では届きません。

スイッチの MAC 転送

この節では、スイッチがデータのひとまとまりをどう扱うかを解説します。LAN ケーブルの中を流れるデータのひとまとまりを、専門用語では Ethernet フレームと呼びます。スイッチに入った Ethernet フレームは、原則として中の IP を書き換えません。宛先 MAC を知っていれば、そのポートだけに出します。

送り主の MAC と入ってきたポートの対応を覚える表を学習テーブルと言います。全員に届ける送り方がブロードキャストで、ブロードキャストが届く範囲がブロードキャストドメインです。相手の MAC を問い合わせるプロトコルを ARP と言います。宛先 MAC を知らなければ、スイッチはブロードキャストドメインの他ポートにも流します。同時に送り主の MAC を学習テーブルに覚え、次から余分な送りを減らします。ARP も、ブロードキャストドメインの全員に届きます。

宛先 MAC	スイッチの動き
知っている	その 1 ポートだけに出す
知らない	入ってきたポート以外にも流す
ブロードキャスト	ブロードキャストドメインの全員に届く
送り主	学習テーブルに覚える

設備でここが効くのは、同じサブネットにいる機器同士はルータを経由せずに届く、という点です。PLC が周期的に入出力を読む処理をスキャンと言います。PLC のスキャン、HMI の画面更新、EtherNet/IP や PROFINET（どちらも産業用 Ethernet の規格です）のステーション間の通信は、この同じ L2 の上に乗ることが多いです。

下の図で、宛先 MAC を見て 1 ポートだけに出す様子を確認します。

再生 一時停止 最初から

図では、フレームが HMI 側のポートに乗っています。中の IP は触られていません。知らない宛先なら他ポートにも流す、という動きが出るのは、ブロードキャストのときです。

通信の順番を決める機能を優先制御、通信を別ポートへ複製する機能をミラーリングと言います。安価なオフィス用スイッチを制御盤にそのまま入れると、学習テーブルが小さかったり、優先制御が無かったりします。その結果、大きなブロードキャストやミラーリングの負荷で周期が揺れます。社内が遅いの話はオフィス側ですが、原因の型は同じで、ブロードキャストドメインが広すぎることです。

ルータの IP 組み直し

この節では、ルータがサブネットの境で何をするかを解説します。自網の外へ出すときの出口をデフォルトゲートウェイと言い、多くの場合はルータがその役です。パケットがルータを越えられる回数の上限を TTL と言います。宛先 IP が自分のつながっているサブネットの外なら、機器はまずデフォルトゲートウェイへ送ります。ルータは外側の宛先（MAC）を剥がし、TTL を 1 減らし、出口側の新しい MAC でデータのひとまとまりを作り直します。だからルータを越えると、MAC は変わり、IP は（NAT しなければ）残ります。

下の図で、外側の MAC を剥がして組み直す様子を確認します。

再生 一時停止 最初から

図では、出口側の新しい MAC でフレームが出ています。中の IP は残っています。NAT は、このあと別に触れます。

製造実行システムを MES と言います。設備では、この境が「制御 LAN」と「情報 LAN」の切れ目になることが多いです。サーボ周期の EtherCAT や、PLC 同士の短いサイクルは制御側に残し、MES やファイル共有はルータの向こうへ出します。ファイアウォールは、その境で「通してよいか」を見る箱です。ルータと兼用のことも、別筐体のこともあります。

NAT が入ると、外側から見たアドレスが変わります。ポート開放やリモートメンテの話は、スイッチの学習テーブルではなく、変換表の話になります。NAT そのものは、この記事では深入りしません。

設定機能の無いスイッチをアンマネージドスイッチと言います。

スイッチとルータの取り違えで起こること

冒頭で触れた取り違えの結果を、よくある 3 つに分けて見ます。

1	ルータが要るのにスイッチだけにした。192.168.10.0/24 の PLC と 192.168.20.0/24 の工程 PC は、ケーブルが同じスイッチに刺さっていても、デフォルトゲートウェイが無ければ IP では届きません。ランプは点灯します。通信はしません。
2	スイッチで足りるのにルータを挟んだ。同じサブネットのリモート I/O までルータ越えにすると、ARP と TTL と NAT の設定が増え、周期通信の遅延が見積もりにくくなります。現場の I/O は、まず L2 で届くかを見ます。
3	EtherCAT の鎖に Ethernet スイッチを入れた。on the fly の通過が、ストア＆フォワードの箱で止まります。見た目は同じ LAN でも、仕事が違います。

PLC の出力がリレーかトランジスタかは、この層の一つ下（盤内の電気）の話です。この記事で見ているのは、「その PLC が、どの箱を経由して相手に届くか」です。

VLAN と経路

この節では、1 台のスイッチの中でブロードキャストドメインを分ける方法を解説します。スイッチの節で見たとおり、同じ箱に刺さった機器は同じブロードキャストドメインに入ります。アンマネージドスイッチに制御機器と事務 PC を全部挿せば、オフィス側のブロードキャストがサーボ網に入ります。冒頭で触れた「大変」の実体は、この混線です。

設備では、ラックを増やさずに、制御と事務を 1 台のスイッチにまとめたいことがあります。箱は 1 台のまま、ブロードキャストドメインだけを分けたい、という要求です。設定変更ができるスイッチをマネージドスイッチと言い、その中でブロードキャストドメインを分ける機能を VLAN と言います。VLAN は、スイッチのポートをグループに分ける仕事です。ルータの仕事（サブネットの境で送り方を組み直す）ではありません。

では、具体例を見ます。8 ポートのマネージドスイッチを 1 台置きます。ポート 1〜4 を VLAN 10 にし、PLC と HMI を 192.168.10.0/24 でつなぎます。ポート 5〜8 を VLAN 20 にし、工程 PC を 192.168.20.0/24 でつなぎます。

ポート	VLAN	つなぐもの	ブロードキャストの行き先
1〜4	10	PLC / HMI	VLAN 10 の中だけ
5〜8	20	工程 PC	VLAN 20 の中だけ

VLAN 10 の中では、スイッチはこれまでどおり MAC を見てポートへ出します。IP は触りません。VLAN 20 の Windows の発見パケットは、VLAN 10 の PLC には届きません。同じ筐体でも、ブロードキャストは混ざりません。ここまでが VLAN の仕事です。

VLAN の番号とサブネットの番号は別物です。VLAN 10 はスイッチがブロードキャストドメインに付ける番号、192.168.10.0/24 は IP の切れ目です。番号を揃えることが多いですが、揃えただけではルータにはなりません。ポート 1 の PLC からポート 6 の工程 PC へログを上げたいなら、VLAN だけでは届かず、デフォルトゲートウェイ（ルータ、または L3 スイッチ）が要ります。取り違えの 1 と同じで、ケーブルが同じ箱でも、IP の網が違えば MAC では渡りません。

項目	VLAN	ルータ（L3）
何をするか	1 台のスイッチの中でブロードキャストドメインを分ける	サブネットの境で送り方を組み直す
見る宛先	その VLAN の中の MAC	IP のネットワーク部
同じ箱に刺す	できる	関係しない
別グループへ届ける	しない	する
ブロードキャスト	その VLAN の中で止まる	原則、越えない

Ethernet フレームに VLAN の番号を付ける印をタグと言います。複数のスイッチに同じ VLAN を伸ばすとき、タグを付けて 1 本のケーブルで複数の VLAN を運ぶ使い方があり、これをトランクと言います。伸ばした先でも、違う VLAN には MAC では渡りません。タグは「どのブロードキャストドメインのフレームか」を運ぶ印であり、サブネットの境を越える経路ではありません。

「VLAN を切ったから安全」は半分だけ正しいです。オフィス側のブロードキャストがサーボ網に入らなくなる、という点は正しいです。ただ、分かれたあとにどの経路で MES へ出すか、ファイアウォールをどこに置くかは、VLAN では決まりません。アドレス設計は CIDR で先に紙に書いた方が、後からポートを差し替えるより安くつきます。

スイッチとルータの早見表

ここまでの分類を、表にまとめます。

項目	スイッチ（L2）	ルータ（L3）
主な見る宛先	MAC	IP（ネットワーク部）
届いたデータ	中身の IP は触らない	外側の宛先を剥がして組み直す
同じサブネット	ここで完結することが多い	通常は経由しない
別サブネット	届かない	境になる
ブロードキャスト（ARP など）	同じドメインに届く	原則、越えない
設備での典型	盤内・セル内の Ethernet	制御 LAN と情報 LAN の境
EtherCAT の鎖	市販スイッチは挟まない	関係しない（別の通過の話）

よくある質問

Q1. L3 スイッチはどちらに数えるか

A. ポート間を MAC だけで渡している間はスイッチです。VLAN インタフェースで IP を持ち、サブネット間をルーティングし始めたら、その機能はルータです。1 筐体に両方が入っている、と考えます。

Q2. 無線 AP はスイッチかルータか

A. 有線 LAN と同じブロードキャストドメインに載せる動作をブリッジと言います。ブリッジとして載せるならスイッチ側、宅内機器のように NAT してから外へ出すならルータ側です。現場のタブレットを制御 VLAN に直結するかは、ブロードキャストとセキュリティの両方を見て決めます。

Q3. まずは何を確認するか

A. 機器の IP とサブネットマスクが同じ網かどうか、そしてデフォルトゲートウェイは何か、です。ここが揃っていれば、まずは L2 で届くはずです。届かないときは、ケーブルのランプより先にサブネットの切れ目を見ます。

Q4. 同じスイッチに刺さっているのに届かないのはなぜか

A. ケーブルが同じ箱でも、IP の網が違えばスイッチだけでは届きません。VLAN が違っても同じです。192.168.10.0/24 の PLC と 192.168.20.0/24 の工程 PC は、デフォルトゲートウェイが無ければ IP では話しません。ランプは点灯します。通信はしません。

Q5. ルータを越えると IP は変わるか

A. NAT しなければ残ります。変わるのは外側の MAC と TTL です。スイッチは中の IP を触りません。外側から見たアドレスが変わるのは変換表の話で、学習テーブルの話ではありません。

まとめ

この記事で分けて解説したのは、次の三点です。スイッチは同じサブネットの中を MAC で捌く。ルータはサブネットの境で、データのひとまとまりの送り方を組み直す。VLAN は 1 台のスイッチの中でブロードキャストドメインを分けるだけで、別 VLAN へ届ける仕事はルータに残る。設備では、周期の短い制御を L2 に残し、事務や上位系は境の向こうへ出す、が基本です。箱の形が似ていても、ブロードキャストが止まるか、IP が組み直されるかで配線の意味が変わります。

次に確認するのは、その境のアドレスの切り方（サブネット）と、外から見た変換（NAT）です。切れ目の数え方は設備 LAN の CIDRにあります。通信規格そのものの選び方は、産業用通信の記事が先にあります。