第3回 なぜデータセンタースイッチでないといけないのか? ~Fabricのすすめ~

ビジネス推進本部 応用技術部 エンタープライズSDNチーム
鈴木 俊吾、SUHARTONO RYOSUNATA
ビジネス推進本部 応用技術部 クラウドデータセンターチーム
杉 亜希子
市場開発本部 ソリューション・サービス企画室 第1チーム
東 竜一

クラウド利用の普及に伴い、データセンターの新設、拡張が進んできています。
クラウド基盤となるデータセンターネットワークでは、これまでの企業ネットワークのようなトポロジーや機能、性能では要件を満たすことが難しくなってきています。
クラウドサービスを提供する事業者では、データセンター向けスイッチ(以降DCスイッチ)の導入により大規模なデータセンターを構築しています。一方で、プライベートクラウドを検討されている企業では、これまでの企業ネットワークと同様な観点で機器選定しているケースが少なくありません。
そのため、本コラムでは全4回でDCスイッチの必要性、スイッチの選定ポイント、さらにデータセンターで求められるテクノロジーを含め解説します。

連載インデックス

  • 第1回 なぜデータセンタースイッチでないといけないのか? ~データセンターネットワークの現在~
  • 第2回 なぜデータセンタースイッチでないといけないのか? ~支えます!サーバ、ストレージ~
  • 第3回 なぜデータセンタースイッチでないといけないのか? ~Fabricのすすめ~
  • 第4回 なぜデータセンタースイッチでないといけないのか? ~そしてSDNへ~
  • 本文

    第1回ではデータセンターネットワークが変化した要因について、第2回ではDCスイッチの特徴について述べました。本稿では、データセンターネットワークに求められる大規模なレイヤ2ネットワークを実現するL2 Fabricについて紹介します。

    レイヤ2(L2)ネットワーク冗長化テクノロジー

    L2ネットワークにおいて、パスの冗長性を実現するテクノロジー(制御プロトコル)を見ていきましょう。

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                    図1:L2冗長化テクノロジーの変革

    【Spanning Tree Protocol】
    長期に渡って使用されてきたL2ネットワーク制御プロトコルとして、「Spanning Tree Protocol(STP)」があります。
    データセンタートラフィックが増加傾向にある状況でSTPを用いてL2ネットワークを構築した場合、ループ防止のためBlockingポート生成によるActive-Standby型の環境となります。このような環境では、使用されないリンクが多く、有効的に帯域を利用できないためデータセンター内の帯域不足が懸念されます。L2ネットワーク(ブロードキャストドメイン)の拡張とともに障害時の影響範囲も拡大します。このような憂慮すべき点があり、STPで大規模なデータセンターネットワークを設計・構築することはもはや限界となりつつあります。
    そのため現在一般的にL2冗長化テクノロジーとして使用されているのが、「Multi Chassis Link Aggregation」技術です。

    【Multi Chassis Link Aggregation】
    Multi Chassis Link Aggregationとは、2台の筐体を跨いでLink Aggregationが組める機能となります。このテクノロジーにより、STPで実現できなかったActive/Active型のマルチパス構成を実現可能となります。
    ただし、このテクノロジーはベンダー独自の実装になっており、異なるベンダー間の筐体で構成することは現在のところできません。
    また、Multi Chassis Link Aggregation自体にはループ回避機能はありませんので、障害発生時に備えて予防的にSTPの併用を推奨しているベンダーもあります。どのベンダーにおいてもMulti Chassis Link Aggregationテクノロジーでは、現状上限2台までの構成のため、つまりマルチパスの上限は2パスとなり、さらなる拡張性には対応できません。
    これらMulti Chassis Link Aggregationの制約を解決するテクノロジーとして、 「L2 Fabric」が登場しました。

    【L2 Fabric】
    上記で紹介しましたSTPではリンクがActive/Standbyとなり実質1パスのみ、Multi Chassis Link AggregationではリンクがActive/Activeとなり最大2パス構成でした。L2 Fabricは、さらに2パス以上の構成を可能にするテクノロジーです。このテクノロジーは、データセンターに特化したDCスイッチで実装されています。
    L2 FabricはL3のルーティング概念を取り込み、マルチパスでかつループフリーなL2冗長ネットワークを実現しています。またL2 Fabric内の経路情報を共有し最短経路で通信するため、低遅延なネットワークを提供しています。さらにループフリーであるため、需要に応じて容易にL2 Fabricの拡張・縮小が可能な弾力性の高いネットワークを提供します。

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                        図2:L2 Fabric

    複数のスイッチで構成されるL2 Fabricは、接続する外部のネットワークからは大きな1台のスイッチとして認識されます。そのためネットワークを簡素化でき、設計・運用負荷を軽減させます。また、ベンダーによってはL2 Fabricをマネジメント集約化し、管理、運用も一か所で出来るような設計としていたり、管理ツールを提供していたりなど、大規模になっていくデータセンターネットワークを見据えた機能も実装されています。
    ただし、このテクノロジーもMulti Chassis Link Aggregationと同様にベンダー独自の実装になっており、異なるベンダー間ではL2 Fabricとして構成することはできません。

    【VXLAN】
    データセンターネットワークでは、主に仮想サーバ環境との接続により多数のVLANが必要になり、特に大規模なネットワークでは仕様上の上限4096よりも多くのVLANが必要となってきました。そこで当初この要件に答えるためにVXLANというプロトコルが作成され、理論上は16,777,216という大規模な仮想L2ネットワークが作成できるようになりました。
    VXLANフレームはデータフレームにVXLANヘッダを付けた上でUDPにてカプセル化し、L3ネットワーク(アンダーレイネットワーク)上をルーティングされながら転送され、L3ネットワークを越えてL2で宛先に到達することが可能です。これにより柔軟に多数の仮想的なネットワーク(オーバーレイネットワーク)を構築することが可能となっています。

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                図3.VXLANを用いた仮想的なL2ネットワーク

    上記で述べた汎用的なL2を転送できるVXLANのような技術を用いることで、OSPF・BGPなどを用いたL3ネットワーク上でL2 Fabricを模した構成をとることが可能となっています。この構成はL2 Fabricに対してL3 Fabric(他にIP Fabricや Clos Network)と表現されたりします。

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               図4. VXLANベースのL3 Fabricのパケットフロー

    また、L3 Fabricの場合、ホスト間のMACアドレス情報の交換のためにマルチキャストルーティングが必要でしたが、Ethernet VPN(EVPN)というプロトコルの開発によりBGPを用いてユニキャストでの情報交換が行えるようになってきました。これにより、VXLANをData Center Interconnect(DCI)で利用することも現実的になりつつあります。

    VXLANもEVPNもRFCで規定されているオープンなプロトコルであり、今後は複数のベンダー間でVXLANベースのL3 Fabricを構成する環境が増えてくると考えられます。

    まとめ

    本稿では、L2冗長化テクノロジーの変革として STP、Multi Chassis Link Aggregation、L2 Fabricの特徴を紹介し、新しいテクノロジーであるVXLANとL3 Fabricについて説明しました。データセンターでは、マルチパスでかつループフリーな大規模L2ネットワークの需要が高まっています。そのためにL2 Fabricが実装されているDCスイッチの導入が進んでいます。段階的なネットワーク拡張、不具合などのリスク分散の観点から複数のベンダー製品でネットワークを構成するケースがあります。そのため近年では、マルチベンダーで構成できるVXLAN(L3 Fabric)、SDNといったテクノロジーに注目が集まってきています。SDNについては、第4回で説明します。

    次回は
    『第4回 なぜデータセンタースイッチでないといけないのか?~そしてSDNへ~』
    を説明いたします。

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