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スイッチ上のブリッジングと VLAN について

 

ネットワーク スイッチは、レイヤー2ブリッジング プロトコルを使用してLANのトポロジーを検出し、LAN上の宛先へトラフィックを転送します。このトピックでは、ブリッジングとVLANに関する次の概念について説明します:

Note

VPLSをサポートするイーサネット、高速イーサネット、Tri-Rateイーサネット銅線、ギガビット イーサネット、10ギガビット イーサネット、およびアグリゲート イーサネット インターフェイスの場合、Junos OSはイーサネット インターフェイスを複数の論理インターフェイスにチャネライズするためのIEEE 802.1Q規格のサブセットをサポートします。これにより、多数のホストを同じギガビット イーサネット スイッチに接続できますが、同じルーティングまたはブリッジング ドメインには接続できません。

VLAを使用するメリット

VLANには、トラフィックを削減してネットワークを高速化するだけでなく、次のようなメリットもあります。

  • VLANは、これまでLAN設定のルーターが提供してきたセグメンテーション サービスを提供することで、ハードウェア機器コストを削減します。

  • VLANに結合されたパケットを確実に識別し、異なるドメインに分類できます。ネットワークの各部分にブロードキャストを含めることで、ネットワーク リソースを解放できます。たとえばDHCPサーバーがスイッチに接続されており、そのプレゼンスのブロードキャストを開始すると、VLANを使用してネットワークを分割することで一部のホストによるアクセスを阻止できます。

  • セキュリティ面では、VLANは単一のIPサブネットワークにより識別されるため、きめ細かいネットワーク制御が可能です。VLANを通過するすべての入出力パケットには、必ず該当するVLANのVLAN IDがタグ付けされます。パケットのVLAN IDは変更できないため、認識が容易になります。(ELSをサポートしていないJunos OSを実行するスイッチでは、IDのデフォルト値である1をVLAN IDに使用しないことをお勧めします。)

  • VLANがホストの再配置に迅速に対応—パケットの固定VLANタグも要因の1つです。

  • イーサネットLANでは、すべてのネットワーク ノードが同じネットワークに物理的に接続されている必要があります。VLANでは、ノードの物理的な場所は重要ではありません—たとえば部署やビジネス機能、ネットワーク ノードのタイプ、物理的な場所など、組織に適した方法でネットワーク デバイスをグループ化できます。

VLANの歴史

もともと、イーサネットLANは主にテキストを伝送する小規模でシンプルなネットワーク用に設計されました。しかし、LANが伝送するデータのタイプは時間が経つにつれて音声、グラフィック、映像が含まれるようになりました。伝送速度の高速化もあり、やがてこのように複雑なデータは元のイーサネットLANの設計には過大な負荷になりました。複数のパケット コリジョンが、大規模LANの速度を大幅に低下させるようになりました。

IEEE 802.1D-2004規格は、透過ブリッジング(通常は単にブリッジングと呼ばれています)の概念を定義することで、より高いデータ要件および伝送要件に対応できるように イーサネットLANを進化させる助けとなりました。)。ブリッジングは、単一の物理LAN(現在は単一ブロードキャスト ドメインと呼ばれています)を2個以上の仮想LAN(VLAN)に分割します。各VLANは、個別のブロードキャスト ドメインを形成するためにグループ化されたいくつかのLANノードの集合体です。

機能または組織によりVLANが論理的にグループ化されると、データ トラフィックの大部分がVLAN内にとどまります。これにより、すべてのトラフィックをLAN上の全ノードに転送する必要がなくなるため、LANの負荷が緩和されます。VLANは、まずそのVLAN内でパケットを送信するため、LAN全体で送信されるパケット数が減少します。発信元と宛先が同じVLANにあるパケットはローカルVLAN内でのみ転送されるため、ローカルVLAN宛ではないパケットだけが他のブロードキャスト ドメインに転送されます。こうして、ブリッジングおよびVLANはLAN全体を流れるトラフィックの量を制限し、LAN内およびVLAN全体で発生するコリジョン数とパケット再送回数を削減します。

VLANトラフィックのブリッジングの仕組み

IEEE 802.1D-2004規格の目的は、トラフィックを削減してイーサネットの伝送コリジョンの可能性を低減することであったため、情報を再利用するためのシステムが導入されました。スイッチは、フレームがノードに送信されるたびに場所確認プロセスを実行するのではなく、透過ブリッジング プロトコルを使用して既知のノードの場所を記録できます。パケットがノードに送信されると、宛先ノードの場所はイーサネット スイッチング テーブルと呼ばれるアドレスルックアップ テーブルに格納されます。パケットを送信する前に、ブリッジングを使用するスイッチがスイッチング テーブルを調べて、そのノードの場所が記録されていないか確認します。ノードの場所がわかっている場合、フレームはそのノードに直接送信されます。

透過ブリッジングは、5つのメカニズムを使用して、スイッチ上でイーサネット スイッチング テーブルを作成および維持します。

  • 内容

  • フォワーディング

  • フラッディング

  • フィルタリング

  • エージング

LANおよびVLANで使用される主なブリッジング メカニズムはラーニングです。スイッチが初めてイーサネットLANまたはVLANに接続されるとき、ネットワーク上の他のノードに関する情報はありません。パケットが送信されると、スイッチは送信ノードの埋め込みMACアドレスを学習してイーサネット スイッチング テーブルに格納します。そのとき、—宛先ノードでトラフィックを受信したインターフェイス(またはポート)と、アドレスを学習した時刻の情報も一緒に格納されます。

ラーニングにより、スイッチは転送できるようになります。イーサネット スイッチング テーブルで、ソノテーブルにフレーム’の宛先MACアドレスが格納されていないか確認することで、スイッチは既知のMACアドレスにパケットを転送する際の時間とリソースを節約できます。イーサネット スイッチング テーブルにアドレス エントリーがまったく含まれていない場合、スイッチはフラッディングを使用してアドレスを学習します。

フラッディングは、イーサネット スイッチング テーブルを使用せずに、特定の宛先MACアドレスを検出します。スイッチでトラフィックが発生したときに、まだイーサネット スイッチング テーブルに宛先MACアドレスが格納されていない場合、スイッチはまずトラフィックをVLAN内にある他のすべてのインターフェイスに大量のトラフィックを送信します。大量のトラフィックを受信した宛先ノードは、確認パケットをスイッチに返送してノードのMACアドレスを学習し、そのアドレスをイーサネット スイッチング テーブルに追加できます。

フィルタリングは第4のブリッジ メカニズムで、可能な限りブロードキャスト トラフィックをローカルVLANに制限する方法です。イーサネット スイッチング テーブルのエントリー数が増えるにつれて、スイッチはVLANおよび大規模LANの全体像を把握し、—ローカルVLANにあるノードと他のネットワーク セグメントにあるノードを学習します。スイッチは、この情報を使用してトラフィックをフィルタリングします。特に送信元と宛先のMACアドレスがローカルVLANにあるトラフィックでは、スイッチがこのトラフィックを他のネットワーク セグメントに転送することをフィルタリングにより防止できます。

イーサネット スイッチング テーブルのエントリーを最新の状態に保つために、スイッチは第五のブリッジング メカニズムであるエージングを使用します。エージングは、イーサネット スイッチング テーブルのエントリーにタイムスタンプが含まれている理由です。スイッチは、MACアドレスからのトラフィックを検出するたびにタイムスタンプを更新します。スイッチのタイマーは定期的にタイムスタンプを確認し、ユーザーが設定した値よりも古い場合は、スイッチがノードのMACアドレスをイーサネット スイッチング テーブルから削除します。このエージング プロセスにより、最終的には使用できないネットワーク ノードがイーサネット スイッチング テーブルからフラッシュされます。

タグ付きまたはタグなしのパケット

イーサネットLANが複数のVLANに分割されている場合、各VLANは固有の802.1Q IDにより識別されます。使用可能なVLANとVLAN IDの数は次のとおりです。

  • ELSソフトウェアを実行しているスイッチでは、VLAN ID 1~4094を使用して4093個のVLANを設定できます。ただし、VLAN ID 0と4095はJunos OSにより予約されているため、割り当てることはできません。

  • 非ELSソフトウェアを実行しているスイッチでは、VLAN ID 1~4094を4091個のVLANを設定できます。

イーサネット パケットには、伝送対象のプロトコルを識別するTPID(タグ プロトコル識別子)EtherTypeフィールドが含まれています。VLAN内のデバイスがパケットを生成すると、このフィールドにはパケットがVLANタグ付きパケットであることを示す0x8100の値が含まれます。パケットには、固有の802.1Q IDを含むVLAN IDフィールドもあります。これは、パケットが属するVLANを識別します。

Junos OS スイッチでは、スイッチ上のQ-in-QのTPID値で0x9100をサポートしています。ELS(拡張レイヤー2ソフトウェア)設定スタイルに未対応のEXシリーズ スイッチも、TPID EtherType値の0x8100に加えて、0x88a8(プロバイダ ブリッジングおよび最短パス ブリッジング)と0x9100(Q-in-Q)の値をサポートしています。

1つのVLANのみ持つシンプルなネットワークでは、すべてのパケットにデフォルトの802.1Qタグが含まれています。これは、パケットをタグ付きとしてマークしない唯一のVLANメンバーシップです。これらのパケットはタグなしパケットです。

Note

NFX150デバイスでQ-in-Qトンネリングはサポートされていません。

スイッチ インターフェイス モード—アクセス、トランク、またはタグ付きアクセス

スイッチ上のポートまたはインターフェイスは、次の3つのモードのいずれかで動作します。

  • アクセス モード

  • トランク モード

  • タグ付きアクセス モード

アクセス モード

アクセス モードのインターフェイスは、デスクトップ コンピュータ、IP電話、プリンター、ファイル サーバー、セキュリティ カメラなど、1個のネットワーク デバイスに1個のスイッチを接続します。アクセス インターフェイスは、タグなしパケットのみ受け入れます。

デフォルトでは、ELS未対応のJunos OSを実行し、工場出荷時のデフォルト設定を使用するスイッチを起動した場合、またはこのようなスイッチを起動してポート モードを明示的に設定しない場合、スイッチ上のすべてのインターフェイスがアクセスモードになり、名前がdefaultのVLANからタグなしパケットのみ受け入れます。defaultの代わりに別のVLANを設定して使用することもできます。

ELSをサポートするスイッチでは、名前がdefaultのVLANはサポートされていません。そのようなスイッチでは、シンプルなネットワークでブロードキャスト ドメインを1個だけにする場合でも、1個以上のVLANを明示的に設定する必要があります。インターフェイスをVLANに割り当てると、インターフェイスはアクセス モードで機能します。

どちらのタイプのソフトウェアも実行するスイッチでは、ユーザーが設定したVLANからタグなしパケットを受信するようにトランク ポートまたはインターフェイスを設定できます。この概念(ネイティブVLAN)について、詳しくはトランク モードとネイティブVLANを参照してください。

トランク モード

トランク モード インターフェイスは通常、スイッチ同士を接続するために使用します。スイッチ間で送信されたトラフィックは複数のVLANからのパケットで構成され、それらのパケットは多重化することで同じ物理接続を介して送信できるようになります。通常、トランク インターフェイスはタグ付きパケットのみを受信し、VLAN IDタグを使用’してパケットのVLAN送信元とVLAN宛先を判断します。

ELS未対応のソフトウェアを実行するスイッチでは、ポートに追加の設定を行わない限り、トランク ポートでタグなしパケットは認識されません。

ELS対応Junos OSを実行するスイッチでは、トランク ポートがタグなし制御パケットを認識してLACP(リンク アグリゲーション制御プロトコル)やLLDP(リンク レイヤー検出プロトコル)などのプロトコルに対応します。ただしトランク ポートは、追加設定を行わなければタグなしデータ パケットを認識しません。

Note

NFX150デバイスでLACPはサポートされていません。

実行するソフトウェアのタイプにかかわらず、スイッチ上のトランク ポートでタグなしパケットを認識させる稀なケースでは、トランク ポート上にある1つのVLANをネイティブVLANとして設定する必要があります。ネイティブVPNの詳細については、トランク モードとネイティブVLANを参照してください。

トランク モードとネイティブVLAN

ELS未対応のJunos OSを実行するスイッチでは、トランクポートがVLAN タグを含まないパケット(タグなしパケット)を認識することはありません。ELS対応のJunos OSを実行するスイッチでは、トランク ポートはタグなし制御パケットを認識しますが、タグなしデータ パケットは認識しません。ネイティブVLANが設定されている場合、通常はトランク ポートが認識しないタグなしパケットがトランク インターフェイスを介して送信されます。パケットがアクセス モードでIP電話やプリンターなどのデバイスからスイッチに渡される状況で、これらのパケットをスイッチからトランク ポート経由で送信する必要がある場合、ネイティブVLANモードを使用します。VLAN IDを設定してネイティブVLANを作成し、トランク ポートがネイティブVLANのメンバーであることを指定します。

その後、スイッチ’のトランク ポートは、これらのパケットを他のタグ付きパケットとは異なる方法で扱います。たとえば、トランク ポートに3つのVLAN(VLAN 10、VLAN 20、VLAN 30)が属し、VLAN 10がネイティブVLANの場合、トランク ポートのもう一方の終端を離れたVLAN 10のパケットには、802.1Qヘッダー(タグ)は含まれません。

ELS未対応のスイッチには、もう1つのネイティブVLANオプションがあります。タグ付けされていないパケットに対し、スイッチの追加とタグの削除ができます。そのためにはまず、エッジ上のデバイスに接続されたポートで、1 つの VLAN をネイティブ VLAN として設定します。次に、デバイスに接続されたポートで、1 つのネイティブ VLAN に VLAN ID タグを割り当てます。最後に、VLAN ID をトランク ポートに追加します。これで、スイッチがタグなしパケットを受信すると、指定された ID を追加し、その VLAN を受け入れるように設定されたトランクポートでタグ付きパケットを送受信するようになります。

タグ付きアクセス モード

ELS設定スタイルに未対応のJunos OSを実行するスイッチだけが、タグ付きアクセス モードをサポートしています。タグ付きアクセス モードは、クラウド コンピューティング、特に仮想マシンや仮想コンピューターなどのシナリオに対応します。1 台の物理サーバーに複数の仮想マシンを実装できるため、1 台のサーバーによって生成されるパケットには、そのサーバー上のさまざまな仮想マシンからの VLAN パケットのアグリゲーションが含まれる場合があります。このような状況に対応するために、タグ付きアクセス モードは、パケットの宛先アドレスがそのダウンストリーム ポートで学習された場合に、同じダウンストリーム ポート上の物理サーバーにパケットを戻します。宛先がまだ学習されていない場合、パケットはダウンストリーム ポートの物理サーバーにも戻されます。そのため、3 つ目のインターフェイス モード、タグ付きアクセスには、アクセス モードとトランク モードの特性があります。

  • アクセス モードと同様に、タグ付きアクセス モードはスイッチをアクセス レイヤー デバイスに接続します。アクセス モードとは異なり、タグ付きアクセス モードはVLANタグ付きパケットを受信できます。

  • トランク モードと同様に、タグ付きアクセス モードは複数のVLANからVLANタグ付きパケットを受信します。コア/ディストリビューション レイヤーで接続されるトランク ポート インターフェイスとは異なり、タグ付きアクセス ポート インターフェイスはアクセス レイヤーでデバイスを接続します。

    トランク モードと同様に、タグ付きアクセスモードもネイティブVLANをサポートします。

    Note

    制御パケットがダウンストリームのポートに反映されることはありません。

スイッチ当たりの最大VLANおよびVLANメンバー

QFX10000スイッチのJunos OSリリース17.3以降、統合型ルーティングおよびブリッジング インターフェイスおよびアグリゲート イーサネット インターフェイスのvmembers数は256kに増加しました。

1台のスイッチでサポートされるVLAN数はスイッチごとに異なります。1台のスイッチで許容されるVLANの最大数を指定するには、設定モード コマンドset vlans vlan-name vlan-id ?を使用します。VLAN作成時に特定のID番号を割り当てる必要があるため、このVLANの制限を超えることはできません。—番号の1つを上書きすることはできても、制限を超えることはできません。

ただし、スイッチに対して推奨されるVLANメンバーの最大数を超えることは可能です。

ELS設定スタイルに未対応のJunos OSを実行するスイッチでは、スイッチで許容されるVLANメンバーの最大数は、スイッチがサポートするVLAN最大数の8倍(vmember制限 = 最大vlan * 8)です。スイッチの設定が推奨されるVLANメンバーの最大数を超える場合、設定しようとすると警告メッセージが表示されます。警告にかかわらず設定を試みた場合は設定できますが、メモリ割り当てエラーによりイーサネット スイッチング プロセス(eswd)で障害が発生する危険性があります。

ELS対応のJunos OSを実行するスイッチのほとんどにおいて、スイッチで許容されるVLANメンバーの最大数は、スイッチがサポートするVLAN最大数の24倍(vmember制限 = 最大vlan * 24)です。スイッチの設定が推奨されるVLANメンバーの最大数を超える場合、システム ログ(syslog)に警告メッセージが表示されます。

ELS対応のJunos OSを実行するEXシリーズ スイッチでは、スイッチで許容されるVLANメンバーの最大数は次のようになります。

  • EX4300—スイッチがサポートするVLANの最大数の24倍(vmember 制限 = 最大vlan* 24)

  • EX3400—スイッチがサポートするVLANの最大数の16倍(vmember 制限 = 最大vlan* 16)

  • EX2300—スイッチがサポートするVLANの最大数の8倍(vmember 制限 = 最大vlan* 8)

QFabricシステムでは、1つのネットワーク ノード グループ、サーバー ノード グループ、または冗長サーバー ノード グループで最大131,008のVLANメンバー(vmembers)をサポートします。vmembers数は、VLANの最大数に32を乗じて計算します。

たとえば、4,000のVLANをサポートするために必要なインターフェイスの数を計算するには、vmemberの最大数(128,000)を設定済みVLANの数(4,000)で割ります。この場合、32のインターフェイスが必要になります。

ネットワーク ノード グループとサーバー ノード グループでは、複数のインターフェイスをまたいでLAG(リンク アグリゲーション グループ)を設定できます。それぞれのLAGおよびVLANの組み合わせは、vmemberと見なされます。

Note

NFX150デバイスでLAGはサポートされていません。

バーチャル シャーシ ファブリックは、最大512,000のvmembers をサポートします。vmemberの数は、VLANの数と各VLANで設定されているインターフェイスの数に基づきます。

ほとんどのスイッチでデフォルトVLANが設定済み

ELS設定スタイル未対応のJunos OSを実行している一部のスイッチは、パケットへのタグ付けはせず、タグなしパケットに対してのみ動作するdefaultという名前のVLANを使用して事前に設定されています。このようなスイッチにおいて、各インターフェイスは既にdefaultという名前のVLANに属しており、追加でVLANを設定してトラフィックを割り当てない限り、すべてのトラフィックがこのVLANを使用します。

ELS設定スタイル対応のJunos OSを実行するEXシリーズ スイッチは、デフォルトVLANをサポートしていません。ELS設定スタイル未対応のJunos OSを実行している以下のEXシリーズ スイッチは、 デフォルトまたはその他のVLANに属するように事前設定されていません:

これらのスイッチが事前設定されていないのは、両方の状況における物理的な設定が柔軟だからです。ライン カードがEX8200スイッチとEX6200スイッチのどちらに挿入されたかを把握する方法はありません。どのスイッチがバーチャル シャーシに含まれているかを知る方法もありません。このような2つの場合におけるスイッチ インターフェイスは、まずイーサネット スイッチング インターフェイスとして定義する必要があります。インターフェイスがイーサネット スイッチング インターフェイスとして定義されると、デフォルトVLANが? helpおよび他のコマンドからの出力に表示されます。

Note

ジュニパーネットワークスEX4500イーサネット スイッチ、EX4200イーサネット スイッチ、EX3300イーサネット スイッチ、QFX3500またはQFX3600スイッチが、バーチャル シャーシの設定で他のスイッチと相互接続されている場合、設定メンバーとして含まれる各すいっちはメンバーIDで識別されます。このメンバーIDは、FPCのスロット番号として機能します。バーチャル シャーシの設定用にインターフェイスを設定する場合は、適切なメンバーID(0~9)をインターフェイス名のスロット要素として指定します。FPC 0はイーサネットスイッチング ファミリーの一部として設定されているため、バーチャル シャーシの設定における工場出荷時のデフォルト設定には、デフォルトVLANメンバーとしてFPC 0が含まれています。デフォルトVLANにFPC 1~FPC 9を含めるには、それらのインターフェイス設定にイーサネットスイッチング ファミリーを追加します。

Note

NFX150デバイスにデフォルトVLANは設定できません。

VLANへのトラフィックの割り当て

トラフィックのインターフェイス ポート、またはトラフィック送信デバイスのMACアドレスを参照することで、任意のスイッチ上のトラフィックを特定のVLANに割り当てることができます。

Note

同一の物理インターフェイス上に設定された2つの論理インターフェイスは、同一のVLANにマップできません。

インターフェイス ポートのソースに応じたVLANトラフィックの割り当て

多くの場合、この方法はトラフィックをVLANに割り当てるために使用されます。ここでは、特定のスイッチ インターフェイスで受信したすべてのトラフィックが特定のVLANに割り当てられるように指定します。このVLANの割り当ては、VLAN番号(VLAN ID)を使用するか、VLAN名(後でスイッチが数字のVLAN IDに変換)を使用して、スイッチ設定時に設定します。これは最も一般的に使用される方法であるため、単にVLANの作成とも呼ばれています。

送信元MACアドレスに応じたVLANトラフィックの割り当て

この場合、特定のMACアドレスから受信したすべてのトラフィックは、スイッチ上の特定のエグレス インターフェイス(ネクスト ホップ)に転送されます。MAC ベースのVLANは、静的(一度に1つずつ設定されるMACアドレス)または動的(RADIUS サーバーを使用して設定)のいずれかです。

ELS対応スイッチ上で静的なMACベースのVLANを設定するには、Adding a Static MAC Address Entry to the Ethernet Switching Tableを参照してください。ELS未対応のスイッチ上で静的なMACベースのVLANを設定するには、Adding a Static MAC Address Entry to the Ethernet Switching Tableを参照してください。

802.1X認証を使用してエンド デバイスを認証し、RADIUSサーバー上で設定された動的VLANへのアクセスを許可する方法について、詳しくはUnderstanding Dynamic VLAN Assignment Using RADIUS Attributesを参照してください。オプションでこの機能を実装して、VLANトラフィックの手動割り当てを自動RADIUSサーバー データベースにオフロードできます。

VLANトラフィックの転送

VLAN内でトラフィックを通過させるために、スイッチはIEEE 802.1Qスパニングツリー プロトコルを含むレイヤー  2フォワーディング プロトコルを使用します。

2つのVLAN間でトラフィックを通過させるために、スイッチは静的ルーティング、OSPF、RIPなどの標準レイヤー 3ルーティング プロトコルを使用します。レイヤー2ブリッジング プロトコルをサポートする同じインターフェイスも、レイヤー 3ルーティング プロトコルをサポートして、マルチレイヤー スイッチングを提供します。

トラフィックをアクセス ポート上の単一デバイスからスイッチへ通過させ、それらのパケットをトランク ポートに通貨させるには、トランク モードで説明したネイティブ モード設定を使用します。

VLANと統合型ルーティングおよびブリッジング インターフェイスまたはルーテッドVLANインターフェイスとの通信

従来、スイッチは同じブロードキャスト ドメイン(VLAN)の一部であるホストにトラフィックを送信していましたが、ブロードキャスト ドメイン間でトラフィックをルーティングするためにルーターが必要でした。また、トラフィック エンジニアリングなど、他のレイヤー3機能を実行するのはルーターだけでした。

ELS設定スタイル対応のJunos OSを実行するスイッチは、irbという名前のIRB(統合型ルーティングおよびブリッジング)インターフェイスを使用して、VLAN間のルーティング機能を実行します。一方、ELS未対応のJunos OSを実行するスイッチは、vlanという名前のRVI(ルーテッドVLANインターフェイス)を使用してこれらの機能を実行します。これらのインターフェイスは、MACアドレスとIPアドレスの両方を検出してレイヤー3インターフェイスにデータをルーティングするため、多くの場合でスイッチとルーターの両方を用意する必要がありません。

VPLSポート

vplsタイプの専用ルーティング インスタンスではなく、仮想スイッチにVPLSポートを設定できるため 仮想スイッチ内のレイヤー 2 VLANの論理インターフェイスは、VPLSルーティング インスタンス トラフィックを処理できます。レイヤー 2トランク インターフェイスで受信したパケットは、同じVLAN識別子を持つVLAN内を転送されます。

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Description
QFX10000スイッチのJunos OSリリース17.3以降、統合型ルーティングおよびブリッジング インターフェイスおよびアグリゲート イーサネット インターフェイスのvmembers数は256kに増加しました。