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あかりゆのもと
5 years ago
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Internet Week 2012 オーバーレイネットワーク現状と今後への期待 2012-11 11-20

1 Internet Week 2012 オーバーレイネットワーク現状と今後への期待ヴイエムウェア株式会社小松康二本資料の内容は発表者の個人的な見解に基づくものでありヴイエムウェア株式会社の見解を示すものではありません

2 アジェンダ今なぜオーバーレイなのか? オーバーレイの実装例 VXLAN オーバーレイ実装方式の違い現在の課題と取り組み例 VXLAN -2-

3 2011~2012 年に相次いでドラフト化 VXLAN: A Framework for Overlaying Virtualized Layer 2 Networks over Layer 3 Networks バージョン 02 (2011 年 8 月に最初のドラフトを公開 ) NVGRE: Network Virtualization using Generic Routing Encapsulation バージョン 01 (2011 年 9 月に最初のドラフトを公開 ) STT: A Stateless Transport Tunneling Protocol for Network Virtualization バージョン 02 (2012 年 2 月に最初のドラフトを公開 ) -3-

オーバーレイネットワークの一般的なメリット論理的に構成可能なネットワーク物理ネットワークの構成作業に依存しないオンデマンドかつフレキシブルに定義し利用可能スケーラブルなレイヤ 2 ネットワーク 1000 万をゆうに超える論理ネットワークを生成可能ネットワークインフラの共有と隔離性の両立 MAC アドレス IP

4 オーバーレイネットワークの一般的なメリット論理的に構成可能なネットワーク物理ネットワークの構成作業に依存しないオンデマンドかつフレキシブルに定義し利用可能スケーラブルなレイヤ 2 ネットワーク 1000 万をゆうに超える論理ネットワークを生成可能ネットワークインフラの共有と隔離性の両立 MAC アドレス IP アドレスの重複の許容物理レイヤ 3 境界を越えたレイヤ 2 ネットワークゲストOSのネットワーク設定の変更なしで仮想マシンの可搬性を最大化レイヤ3 構成とカプセル化で ToRスイッチのMAC アドレステーブル肥大化を回避レイヤ3 構成により L2 ネットワークにおける STP のリンク非効率性から解放 -4-

5 オーバーレイの特長 1/2 既存資産を生かし従来の技術ノウハウの延長で構築運用できるゲストOS/ アプリケーションの観点従来のVLANに接続している場合の動作と違いがない ( 区別できない ) MACアドレスやIPアドレスは各 VXLANセグメントの中で一意であればよい物理ネットワークの観点物理インフラストラクチャの構成変更は最低限に抑えられる物理ネットワークではOverlayに接続しているノード (MAC) を意識する必要がない Overlay Segment Blue Overlay Segment Red ゲスト OS に透過的 Overlay 物理インフラに透過的 IP routed Network -5-

6 オーバーレイの特長 1/2 続き 802.1q の普及 Per-VLAN RSTP Link Aggregation L3 Switch の低価格化 L3 実装のメリットの明確化等コスト経路信頼性収束時間仮想化 / クラウド化への対応の必要性仮想マシンワークロードの柔軟性の要求 ToR スイッチの MAC テーブル肥大化仮想マシントラフィックの可視性の低下論理ネットワーク Routed Infrastructure Routed Infrastructure L2 Switch 全盛期 L3 Switch 全盛期オーバーレイによって物理と論理を分離オーバーレイ = L2 の利便性と L3 の堅牢性の両方のメリットを享受 -6-

Migration などの仮想化テクノロジーに影響されないシンプルで堅牢な L3 ネットワーク設計が可能サーバ管理者

7 オーバーレイの特長 2/2 ネットワークの管理者と利用者に異なるビューを提供ネットワーク管理者 VLAN ID の枯渇を心配する必要がない仮想マシン数の増大に伴う ToR スイッチのキャパシティ不足を回避 (MAC 学習上限やポートあたりの VLAN 設定上限を気にする必要がない ) Live Migration などの仮想化テクノロジーに影響されないシンプルで堅牢な L3 ネットワーク設計が可能サーバ管理者ネットワークチームの手をわずらわせること無く必要な時に必要なだけ即座に論理ネットワークを払い出すことができる物理ネットワークの構成を気にすること無く仮想マシンを自由に Live Migration できる -7-

8 オーバーレイによるネットワークの仮想化とは? アプリケーションアプリケーションアプリケーションワークロードワークロードワークロード x86 アーキテクチャのマシン仮想マシン仮想マシン仮想マシンハイパーバイザー要件 : x86サーバー抽象化分離 L2, L3, L4-7 ネットワークサービス仮想ネットワーク仮想ネットワークネットワークの仮想化プラットフォーム要件 : : IP 接続性仮想ネットワーク物理リソース (CPU メモリ ) 物理ネットワーク -8-

9 最近のネットワーク技術との関係 ( 私見 ) OpenFlow との関係 Ethernet Fabric (Trill/SPB 等々 ) との関係 EVB/VEPA や SR-IOV との関係 -9-

10 アジェンダ今なぜオーバーレイなのか? オーバーレイの実装例 VXLAN オーバーレイ実装方式の違い現在の課題と取り組み例 VXLAN -10-

11 なぜスケーラブルか? オリジナルの Ethernet フレームを VXLAN ヘッダでカプセル化 VLAN ID (12 ビット ) に対して VXLAN Segment ID は 24 ビットと範囲が広い物理ネットワークは Outer ヘッダの MAC アドレス IP アドレスのみを参照するため学習する MAC エントリ数が削減される Ethernet IP UDP VXLAN Ethernet Original Payload VXLAN Header 0 31 Flags Reserved (24 bits) VXLAN Segment ID (24 bits) Reserved -11-

12 なぜレイヤ 3 を超えられるのか? VTEP (VXLAN Tunnel Endpoint) 間でトンネリング MAC-in-IP (UDP) によるカプセル化で IP ネットワークを伝搬させる VTEP が VXLAN トンネルの起点終点となり VXLAN Segment ID を追加解釈する Segment ID = 5000 VXLAN トンネル Segment ID = 5001 Segment ID = 5000 Segment ID = 5001 VTEP VXLAN トンネル VTEP IP routed ネットワーク -12-

IP routed ネットワーク VTEP Join Multicast Group Red ESXi IP2 Join Multicast Group Blue Segme nt ID Inner MAC Outer MAC/IP Segme

13 VXLAN のコントロールプレーンノード (MAC) とVTEPのマッピングを送信元情報から自律的に学習学習した内容にしたがって VXLANカプセル化を行いフレームを転送未学習のノード宛てやmulticast/broadcast はマルチキャストを使って送受信 1 MAC1 2 MAC2 3 MAC3 VXLAN Segment 5001 ESXi IP1 Join Multicast Group Red VTEP Join Multicast Group Blue IP routed ネットワーク VTEP Join Multicast Group Red ESXi IP2 Join Multicast Group Blue Segme nt ID Inner MAC Outer MAC/IP Segme nt ID Inner MAC Outer MAC/IP 5001 MAC1 Local 5001 MAC2 Local 5001 MAC3 VTEP MAC1 VTEP MAC2 VTEP MAC3 Local -13-

14 VXLAN コントロールプレーン ( 続き ) 参考スライドホスト上で構成済みの VXLAN セグメントに仮想マシンが接続されると VTEP は対応するマルチキャストグループに Join するパワーオンされた仮想マシンがローカルにいなければ Join しなくてよい全ての仮想マシンがパワーオフや Migration されると Leave してよい VTEP が Receiver として Join (PIM sparse / Shared Tree) (*, ), 00:51:15/stopped, RP , flags: SJC Incoming interface: Null, RPF nbr Outgoing interface list: Vlan20, Forward/Sparse, 00:51:10/00:02:31 Vlan10, Forward/Sparse, 00:51:15/00:02:26 VTEP ( ) がSenderとしてRegister (PIM sparse / Shortest Path Tree) ( , ), 00:00:09/00:02:54, flags: T Incoming interface: Vlan10, RPF nbr Outgoing interface list: Vlan20, Forward/Sparse, 00:00:09/00:02:50-14-

15 VXLAN の動作例 ( 既知の宛先へのユニキャスト ) 参考スライド 1. 1 が 2 の MAC アドレスを宛先とする Ethernet フレームを送出 2. Host1 VTEP は 1 が属している Segment ID5001 のエントリの中から MAC2 を検索し VTEP2 の先に接続されたノードであることを認識する 3. Host1 VTEP は VXLAN カプセル化し VTEP2 が宛先の VXLAN フレームを送出 4. Host2 はユニキャストを受信し VXLANヘッダを取り除いて2へ転送 / MAC1 MAC2 1 VXLAN Segment Host1 Segm ent ID Inner MAC IP1 VTEP 5001 MAC1 Local 5001 MAC2 VTEP2 Outer MAC/IP 3 4 IP routed ネットワーク Segm ent ID VTEP IP2 Inner MAC 5001 MAC2 Local Host MAC1 VTEP1 Outer MAC/IP -15-

16 VXLAN の動作例 ( 未知の宛先へのユニキャスト ) 参考スライド 1. 1 は 2 の MAC アドレス宛ての Ethernet フレームを送出 2. Segment ID5001 には MAC2 の情報が無いため Host1 VTEP は VXLAN カプセル化を行い Segment ID5001 のマルチキャストグループへ VXLAN フレームを送出 3. Host2 VTEP はマルチキャストを受信し VXLAN ヘッダを除いて 2 へ転 4. 同時に Host2 VTEP は 1 の MAC が VTEP1 の先にいることを学習 /24 MAC MAC2 1 VXLAN Segment 5001 Host1 Segm ent ID Inner MAC IP1 VTEP Outer MAC/IP 5000 MAC2 VTEPX 5001 MAC1 Local 2 3 IP routed ネットワーク 4 Segm ent ID VTEP IP2 Inner MAC 5001 MAC2 Local Host MAC1 VTEP1 Outer MAC/IP -16-

17 VXLAN の動作例 ( ブロードキャスト / マルチキャスト ) 1. 1 は宛先がブロードキャストMACのEthernetフレームを送出 2. Host1 VTEP はVXLANカプセル化を行い当該 Segment IDのマルチキャストグループへVXLANフレームを送信 3. Host2 はマルチキャストを受信 VXLANヘッダを除いて Localの同一 VXLANセグメント内にEthernetフレームをフラッディング 4. 同時に Host2 VTEPは1のMACがVTEP1の先にいることを学習 /24 MAC MAC2 参考スライド 1 VXLAN Segment 5001 Host1 Segm ent ID Inner MAC IP1 VTEP 5001 MAC1 Local Outer MAC/IP 2 3 IP routed ネットワーク Segm ent ID VTEP IP2 Inner MAC 5001 MAC2 Local Host MAC1 VTEP1 Outer MAC/IP

18 VXLAN の構成方法の例 (ware 実装 ) vshield Manager から行う (REST API も提供 ) vsphere Client のプラグインとして一元的な管理が可能 -18-

19 仮想マシンから VXLAN に接続する例 (ware 実装 ) VXLAN セグメントは分散仮想ポートグループとして構成される VTEP の役割は kernel モジュールが担う接続したい Segment ID の分散仮想ポートグループに接続させるポートグループに Segment ID が定義されている -19-

20 VXLAN パフォーマンス例 (ware 実装 ) スループットには大きな影響はない詳細は下記をご参照ください負荷をかけた場合 CPU の使用率には差がある ( 特に受信 ) vsphere 5.1 および vcns 5.1 時点での結果です詳細はホワイトペーパーをご参照ください -20-

21 アジェンダ今なぜオーバーレイなのか? オーバーレイの実装例 VXLAN オーバーレイ実装方式の違い現在の課題と取り組み例 VXLAN -21-

22 カプセル化の方式とネットワークコントローラとの関係カプセル化のプロトコルだけを比較することにはそれほど意味が無いネットワークコントローラーを含めて考えないとソリューションとしてのオーバーレイが見えてこないカプセル化のプロトコルをどう使うかが重要念頭に置いたコントローラーの実装のちがいによってプロトコルの違いが生まれているコントローラーと標準化されたプロトコルとの役割分担にも違いがあるコントローラー部分は仕様が公開標準化される方向にはないのでプロトコルに依存する部分が大きい方式が Interoperability を確保しやすいと言えるただしプロトコルに依存する部分が少ないほどコントローラーの自由度が高くより洗練されたアーキテクチャを選択できる余地が大きい -22-

ネットワークコントローラーの例 (VXLAN) ware vcns (vshield Manager) + VXLAN 分散自律型のシンプルな構成マルチキャストに依存 vshield Manager vcenter Server 各ノードのことを知る必要がなく設定ツールのような位置づけ実質的にはコントローラーは不要とも言える Cisco

23 ネットワークコントローラーの例 (VXLAN) ware vcns (vshield Manager) + VXLAN 分散自律型のシンプルな構成マルチキャストに依存 vshield Manager vcenter Server 各ノードのことを知る必要がなく設定ツールのような位置づけ実質的にはコントローラーは不要とも言える Cisco Nexus 1000V + VXLAN 分散自律型のシンプルな構成マルチキャストに依存マルチハイパーバイザ対応 ESXi 当日のみ Nexus 1000V (VEM) ESXi 分散仮想スイッチ Nexus 1000V ESXi VSM vcenter Server VXLAN ではコントローラーも含めてエコシステムが広がりやすい仕組み -23-

ゲストのブロードキャスト等の伝搬はマルチキャストに依存ノードのロケーションを学習する仕様がないため現状は SCM ありき Hypervisors Data Plane

24 ネットワークコントローラーの例 (STT/NVGRE) Nicira NVP + STT 洗練された集中管理型アーキテクチャで物理 NW への依存性が極めて小さい STT の仕様は公開だが実質 NVP ありきのアーキテクチャマルチハイパーバイザ対応 Control Cluster MS SCM + NVGRE 集中管理型だがゲストのブロードキャスト等の伝搬はマルチキャストに依存ノードのロケーションを学習する仕様がないため現状は SCM ありき Hypervisors Data Plane Control Plane 当日のみ Hyper-V Host 1 Hyper-V Host 2 Virtual Switch Virtual Switch Service Node Gateway -24-

25 カプセル化方式そのものがもたらす違い MTU 変更の必要性 VXLAN (50byte) NVGRE (42byte) のオーバーヘッドが発生 Outer の DF ビットについては実装次第 STT はパケットドリブンでのカプセル化ではないため MTU 変更不要物理ネットワーク側での ECMP 対応の容易さ物理ネットワーク機器が ECMP のために利用できるフィールドがカプセル化により少なくなる VXLAN は Outer UDP src port STT は Outer TCP src port でフロー識別が可能 NVGRE は独自のフィールドを認識できる対応機器が必要カプセル化処理のオーバーヘッドの削減 ( 物理 NIC オフロード ) 従来の物理 NIC オフロードはカプセル化により基本的に利用できなくなる VXLAN は物理 NIC ベンダとの協業でオフロードを実装中 STT は TCP を模して作られているため TSO 等のオフロードをそのまま利用可能 -25-

26 アジェンダ今なぜオーバーレイなのか? オーバーレイの実装例 VXLAN オーバーレイ実装方式の違い現在の課題と取り組み例 VXLAN -26-

27 オーバーレイネットワークの今後の課題の例物理ネットワーク構成 ( マルチキャスト ) への依存性 NVP/STT はほぼ問題を解消済み VXLAN ではドラフトに言及あり NVGRE は? カプセル化処理のオーバーヘッドの排除 STT はほぼ問題を解消済み VXLAN はエコシステムで取組中 NVGRE は? 既存ネットワークとの相互接続 VXLAN/NVGRE では短期的にはルーテッドとなる既存 VLAN とのブリッジングや遠隔ネットワークとの L2 接続は今後のテーマ NVP は Gateway にてすでに既存ネットワークとの L2 ブリッジ可能 Interoperability の更なる強化今のところネットワークコントローラーも含めて多様なソリューションが提供される可能性がある VXLAN で特に有効ネットワークサービスの提供論理ネットワークの接続性分離性だけでは SDN と言えないネットワークサービス (Security / LB / DHCP, DNS ) をどのように提供するかも大きなテーマ -27-

28 セッション当日は前スライドの各項目について業界での現在の取り組みの具体的な内容をご紹介しましたが現時点では不確定な要素も多いため配布資料からは割愛させていただきます -28-

29 VXLAN Ecosystem VXLAN Gateway VXLAN Server Offload VXLAN Visibility / Efficiency VXLAN vds 物理環境仮想環境を問わずスケーラブルに VXLAN を利用可能に -29-

30 まとめオーバーレイネットワークは SDN の流れの中でも現実の問題を現実的な手法で解決しようとする現実的なアプローチすでに使えるソリューションとして市場にリリースされており実際に利用できるフェーズに来ている一方課題も少なからず存在するためどの規模まで適用するか事前に検討した上で導入し発展に合わせて適用規模を拡大していくことがのぞましい今後のネットワークコントローラーを含めたソリューションの発展業界全体でのオーバーレイへの取り組みに大いに期待 ware はネットワーク仮想化に今後ますます注力していきます -30-

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PowerPoint Presentation VXLAN 概説 2014 年 2 月東京エレクトロンデバイス株式会社 CN 事業統括本部 0 背景 / 課題 VXLAN 概要フォーマット動作 VXLAN 関連動向マルチキャストレスVXLAN 対応 SDNコントローラ連携対応製品 Appendix 設定サンプル 1 背景 / 課題 : クラウドサービスの流行仮想プライベートクラウド複数の企業のプライベートクラウドを物理的に同じインフラ上で実現することでコスト削減を実現