ネットワーク仮想化：オーバーレイネットワークの包括的ガイド

今日のダイナミックなITランドスケープにおいて、ネットワーク仮想化は俊敏性、スケーラビリティ、効率性を向上させるための重要な技術として登場しました。様々なネットワーク仮想化技術の中でも、オーバーレイネットワークは強力で多用途なアプローチとして際立っています。この包括的なガイドでは、オーバーレイネットワークの世界を深く掘り下げ、そのアーキテクチャ、利点、ユースケース、基盤となる技術、そして将来のトレンドを探ります。私たちは、世界中のIT専門家のために、この不可欠な概念を明確かつ簡潔に理解してもらうことを目指しています。

オーバーレイネットワークとは？

オーバーレイネットワークとは、既存の物理ネットワークインフラストラクチャの上に構築される仮想ネットワークです。これは、基盤となる物理ネットワークのトポロジーを抽象化し、特定のアプリケーションやビジネス要件に合わせてカスタマイズできる論理ネットワークを作成します。既存の道路の上に高速道路システムを構築するようなものだと考えてください。高速道路（オーバーレイネットワーク）は特定の種類のトラフィックに対してより速く、より効率的なルートを提供し、一方で基盤となる道路（物理ネットワーク）は独立して機能し続けます。

オーバーレイネットワークは、OSIモデルのレイヤー2（データリンク）またはレイヤー3（ネットワーク）で動作します。通常、トンネリングプロトコルを使用して、物理ネットワークを介してデータパケットをカプセル化し、転送します。このカプセル化により、オーバーレイネットワークはVLANの制限、IPアドレスの競合、地理的な境界など、基盤となる物理ネットワークの制約を回避することができます。

オーバーレイネットワークの主な利点

オーバーレイネットワークは幅広い利点を提供し、現代のIT環境にとって価値あるツールとなっています。

俊敏性と柔軟性の向上： オーバーレイネットワークは、物理インフラストラクチャに変更を加えることなく、ネットワークサービスの迅速な展開と変更を可能にします。この俊敏性は、動的なワークロードや変化するビジネスニーズをサポートするために不可欠です。例えば、多国籍のEコマース企業は、世界中に分散したデータセンターの基盤となる物理ネットワークを再構成することなく、新しいプロモーションキャンペーンや季節的なセールイベントのために仮想ネットワークを迅速に立ち上げることができます。
スケーラビリティの向上： オーバーレイネットワークは、増大するネットワークトラフィックやユーザー数、デバイス数の増加に対応するために簡単に拡張できます。クラウドサービスプロバイダーは、オーバーレイネットワークを活用して、既存のサービスを中断することなく、顧客需要の急増に対応するためにインフラをシームレスに拡張できます。
セキュリティの強化： オーバーレイネットワークは、ネットワークトラフィックを分離・セグメント化するために使用でき、セキュリティを強化し、侵害のリスクを低減します。オーバーレイネットワークによって可能になるセキュリティ技術であるマイクロセグメンテーションは、仮想マシンとアプリケーション間のトラフィックフローをきめ細かく制御できます。金融機関は、オーバーレイネットワークを使用して機密性の高い金融データをネットワークの他の部分から隔離し、潜在的なセキュリティ侵害の影響を最小限に抑えることができます。
ネットワーク管理の簡素化： オーバーレイネットワークは一元的に管理できるため、ネットワーク運用が簡素化され、管理上のオーバーヘッドが削減されます。ソフトウェア定義ネットワーク（SDN）技術は、オーバーレイネットワークの管理において重要な役割を果たすことがよくあります。グローバルな製造会社は、中央集権型のSDNコントローラーを使用して、複数の工場やオフィスにまたがるオーバーレイネットワークを管理し、効率を向上させ、運用コストを削減できます。
物理ネットワークの制約の克服： オーバーレイネットワークは、VLANの制約、IPアドレスの競合、地理的な境界など、基盤となる物理ネットワークの制限を克服できます。グローバルな通信会社は、オーバーレイネットワークを使用して、基盤となる物理インフラストラクチャに関係なく、異なる国や地域にネットワークサービスを拡張できます。
マルチテナンシーのサポート： オーバーレイネットワークは、同じ物理インフラストラクチャを共有する異なるテナント間の分離を提供することで、マルチテナンシーを促進します。これは、複数の顧客や事業部門をサポートする必要があるクラウドサービスプロバイダーやその他の組織にとって不可欠です。マネージドサービスプロバイダーは、オーバーレイネットワークを使用して、各クライアントに分離された仮想ネットワークを提供し、データのプライバシーとセキュリティを確保できます。

オーバーレイネットワークの一般的なユースケース

オーバーレイネットワークは、以下のようなさまざまなシナリオで使用されています。

クラウドコンピューティング： オーバーレイネットワークはクラウドインフラストラクチャの基本コンポーネントであり、仮想マシンやコンテナ用の仮想ネットワークの作成を可能にします。Amazon Web Services（AWS）、Microsoft Azure、Google Cloud Platform（GCP）はすべて、顧客にネットワーク仮想化サービスを提供するためにオーバーレイネットワークに大きく依存しています。
データセンターの仮想化： オーバーレイネットワークは、データセンターネットワークの仮想化を促進し、柔軟性と効率性を向上させます。VMware NSXは、オーバーレイネットワークを活用したデータセンター仮想化のための人気のあるプラットフォームです。
ソフトウェア定義ネットワーク（SDN）： オーバーレイネットワークは、プログラム可能で自動化されたネットワークを作成するために、SDNと組み合わせて使用されることがよくあります。OpenDaylightやONOSは、オーバーレイネットワーク技術をサポートするオープンソースのSDNコントローラーです。
ネットワーク機能仮想化（NFV）： オーバーレイネットワークは、ファイアウォール、ロードバランサー、ルーターなどのネットワーク機能を仮想化するために使用でき、これらを汎用ハードウェア上のソフトウェアとして展開できます。これにより、ハードウェアコストが削減され、俊敏性が向上します。
災害復旧： オーバーレイネットワークは、複数の物理的な場所にまたがる仮想ネットワークを作成するために使用でき、災害発生時の迅速なフェイルオーバーを可能にします。組織はオーバーレイネットワークを使用して、重要なアプリケーションとデータをセカンダリデータセンターに複製し、プライマリデータセンターの障害時に事業継続性を確保できます。
広域ネットワーク（WAN）の最適化： オーバーレイネットワークは、トラフィックシェーピング、圧縮、その他の技術を提供することで、WANのパフォーマンスを最適化するために使用できます。SD-WANソリューションは、WAN接続を改善し、コストを削減するためにオーバーレイネットワークを活用することがよくあります。

オーバーレイネットワークを支える主要技術

いくつかの技術がオーバーレイネットワークの作成と運用を可能にしています。

VXLAN (Virtual Extensible LAN)： VXLANは広く使用されているトンネリングプロトコルで、レイヤー2のイーサネットフレームをUDPパケット内にカプセル化し、レイヤー3のIPネットワーク上で転送します。VXLANは従来のVLANの制限を克服し、はるかに多くの仮想ネットワーク（最大1600万）を可能にします。VXLANは、データセンターの仮想化やクラウドコンピューティング環境で一般的に使用されています。
NVGRE (Network Virtualization using Generic Routing Encapsulation)： NVGREは、レイヤー2のイーサネットフレームをGREパケット内にカプセル化する別のトンネリングプロトコルです。NVGREはマルチテナンシーをサポートし、複数の物理的な場所にまたがる仮想ネットワークの作成を可能にします。VXLANがより人気を得ていますが、NVGREは特定の環境において依然として実行可能な選択肢です。
GENEVE (Generic Network Virtualization Encapsulation)： GENEVEは、より柔軟で拡張性の高いトンネリングプロトコルであり、イーサネットだけでなく様々なネットワークプロトコルのカプセル化を可能にします。GENEVEは可変長のヘッダーをサポートし、メタデータの追加を可能にするため、幅広いネットワーク仮想化アプリケーションに適しています。
STT (Stateless Transport Tunneling)： STTは、転送にTCPを使用するトンネリングプロトコルで、信頼性の高い順序付けられたパケット配信を提供します。STTは、TCPオフロード機能が利用可能な高性能コンピューティング環境やデータセンターでよく使用されます。
GRE (Generic Routing Encapsulation)： ネットワーク仮想化専用に設計されたものではありませんが、GREを使用して単純なオーバーレイネットワークを作成することができます。GREはパケットをIPパケット内にカプセル化し、IPネットワークを介して転送できるようにします。GREは比較的シンプルで広くサポートされているプロトコルですが、VXLAN、NVGRE、GENEVEの高度な機能の一部が欠けています。
Open vSwitch (OVS)： Open vSwitchは、VXLAN、NVGRE、GENEVEを含む様々なオーバーレイネットワークプロトコルをサポートするソフトウェアベースの仮想スイッチです。OVSは、ハイパーバイザーやクラウドプラットフォームで一般的に使用され、仮想マシンやコンテナにネットワーク接続を提供します。
ソフトウェア定義ネットワーク（SDN）コントローラー： OpenDaylightやONOSなどのSDNコントローラーは、オーバーレイネットワークの集中管理と制御を提供します。これらは、ネットワークのプロビジョニング、構成、監視の自動化を可能にします。

適切なオーバーレイネットワーク技術の選択

適切なオーバーレイネットワーク技術を選択するには、以下のような様々な要因を考慮する必要があります。

スケーラビリティ要件： いくつの仮想ネットワークとエンドポイントをサポートする必要がありますか？VXLANは多数のVLANをサポートするため、一般的に最高のスケーラビリティを提供します。
パフォーマンス要件： オーバーレイネットワーク上で実行されるアプリケーションのパフォーマンス要件は何ですか？レイテンシ、スループット、ジッターなどの要因を考慮してください。STTは、TCPオフロード機能を備えた高性能環境に適した選択肢となり得ます。
セキュリティ要件： オーバーレイネットワークのセキュリティ要件は何ですか？暗号化、認証、アクセス制御メカニズムを検討してください。
相互運用性要件： オーバーレイネットワークは、既存のネットワークインフラストラクチャや他のオーバーレイネットワークと相互運用する必要がありますか？選択した技術が既存の環境と互換性があることを確認してください。
管理の複雑さ： オーバーレイネットワークの管理はどの程度複雑ですか？プロビジョニング、構成、監視の容易さを考慮してください。SDNコントローラーは、複雑なオーバーレイネットワークの管理を簡素化できます。
ベンダーサポート： 選択した技術に対してどのレベルのベンダーサポートが利用可能ですか？ドキュメント、トレーニング、技術サポートの利用可能性を考慮してください。

オーバーレイネットワークのセキュリティに関する考慮事項

オーバーレイネットワークはセグメンテーションと分離によってセキュリティを強化しますが、潜在的なセキュリティリスクに対処することが重要です。

トンネリングプロトコルのセキュリティ： オーバーレイネットワークに使用されるトンネリングプロトコルが安全であり、盗聴や中間者攻撃などの攻撃から保護されていることを確認してください。トンネルを介して送信されるデータの機密性を保護するために、暗号化の使用を検討してください。
コントロールプレーンのセキュリティ： ネットワーク構成への不正アクセスや変更を防ぐために、オーバーレイネットワークのコントロールプレーンを保護してください。強力な認証および認可メカニズムを実装してください。
データプレーンのセキュリティ： 仮想マシンとアプリケーション間のトラフィックフローを制御するために、データプレーンレベルでセキュリティポリシーを実装してください。マイクロセグメンテーションを使用して、通信を認可されたエンドポイントのみに制限してください。
可視性と監視： オーバーレイネットワークを流れるトラフィックを十分に可視化できるようにしてください。セキュリティ脅威を検出して対応するための監視ツールを導入してください。
定期的なセキュリティ監査： 定期的なセキュリティ監査を実施して、オーバーレイネットワークの潜在的な脆弱性を特定し、対処してください。

オーバーレイネットワークの未来

オーバーレイネットワークは、将来のネットワーキングにおいてますます重要な役割を果たすと予想されています。いくつかのトレンドがオーバーレイネットワークの進化を形作っています。

クラウドネイティブ技術との統合： オーバーレイネットワークは、コンテナやマイクロサービスなどのクラウドネイティブ技術とますます統合されています。Kubernetes Network Policiesなどのコンテナネットワーキングソリューションは、コンテナにネットワーク接続とセキュリティを提供するためにオーバーレイネットワークを活用することがよくあります。
自動化とオーケストレーション： 自動化およびオーケストレーションツールは、複雑なオーバーレイネットワークを管理するために不可欠になっています。これらのツールは、オーバーレイネットワークのプロビジョニング、構成、監視を自動化し、手作業を削減し、効率を向上させます。
AIを活用したネットワーク管理： 人工知能（AI）がオーバーレイネットワークの管理を強化するために使用されています。AIを活用したツールは、ネットワークトラフィックパターンを分析し、異常を検出し、ネットワークパフォーマンスを最適化できます。
エッジコンピューティングのサポート： オーバーレイネットワークは、エッジコンピューティング環境をサポートするために拡張されています。これにより、クラウドからエッジにまたがる仮想ネットワークを作成でき、アプリケーションやデータへの低遅延アクセスが可能になります。
eBPFの採用拡大： Extended Berkeley Packet Filter（eBPF）は、Linuxカーネルの動的な計装を可能にする強力な技術です。eBPFは、カーネル内でのパケット処理とフィルタリングを可能にすることで、オーバーレイネットワークのパフォーマンスとセキュリティを強化するために使用されています。

結論

オーバーレイネットワークは、現代のIT環境に数多くの利点をもたらす強力で多用途な技術です。基盤となる物理ネットワークを抽象化することにより、オーバーレイネットワークは俊敏性、スケーラビリティ、セキュリティの向上、および管理の簡素化を可能にします。クラウドコンピューティング、データセンターの仮想化、SDNが進化し続ける中で、オーバーレイネットワークはこれらの技術を実現する上でますます重要な役割を果たすでしょう。オーバーレイネットワークの基本、利用可能な技術、および関連するセキュリティ上の考慮事項を理解することは、グローバル化された世界で現代的で俊敏、かつスケーラブルなネットワークを構築・管理しようとするIT専門家にとって不可欠です。技術が進歩するにつれて、オーバーレイネットワーク技術の進化するトレンドと、それが様々な産業に与える影響について常に最新の情報を得ることが、世界中のIT専門家にとって引き続き最も重要となります。