仮想化時代のネットワーク「イーサネット・ファブリック」とは?(前編)

仮想化技術の進展・普及によって、仮想サーバ環境が今日のデータセンターの前提となりつつある。そうした仮想化時代のデータセンターを支えるネットワーク・インフラには現状でどのような課題があり、解決に向けて何か求められているのか? その解として有望視されているのが、仮想化/クラウド環境に最適化されたネットワーク・アーキテクチャ「イーサネット・ファブリック」だ。そこで、前編となる本稿では、同アーキテクチャの概要と特徴について説明する。

仮想化環境が今日のデータセンターの前提に

サーバやストレージ、ネットワークなどのIT機器群が稼働するサーバルームはデータセンターへと拡張され、設計・設備・機器構成がそれぞれ進化を遂げていったことで、今日の大規模で複雑なデータセンターの姿がある。また、ネットワーク技術の進展によるデータ伝送コストの低下も手伝って、昨今ではデータセンターに格納・保有されるデータ量は、非常に膨大なものとなっている。
そんなデータセンターにおける最大のトレンドといえば、やはり「仮想化」だ。近年、ITコスト削減や運用効率化のニーズから、社内に散在する多数の物理サーバを、サーバ仮想化技術を用いて集約・統合する動きが本格的に進んでいる。
特に、膨大な台数のサーバを運用して顧客企業にサービスを提供するデータセンター事業者側は、一般企業に先んじてサーバ仮想化の普及が進んでいる。そして、事業者においては、マルチテナンシー型のITインフラやシステム、アプリケーションを効率よく提供するための基盤として、データセンター全体で高度な仮想化環境を整えるのが常識となっている。

仮想化環境にマッチしない旧来のネットワーク・インフラ

データセンターの機器構成として仮想化環境が一般化していく中で、データセンター事業者が直面する課題が、「自社のデータセンターのネットワーク・インフラが、大規模な仮想化環境に真に対応できているのかどうか」という問題だ。
サーバ環境が物理サーバのみで構成されていた時代は、データセンターのネットワークは、アクセス層、ディストリビューション/アグリゲーション層、コア層からなる3階層アーキテクチャが主流であった。クライアントからのアプリケーションへのアクセス要求がデータセンターのネットワーク階層を上り下りしてアプリケーションに転送され、再び戻される。こうしたネットワーク・トラフィックを支える基盤として3階層アーキテクチャの仕組みが理にかなっていたわけだ。
しかし、データセンター内で仮想化が進むと、事情が変わってくる。物理サーバ環境でのネットワーク・トラフィックは上下方向の送受が中心だったが、仮想サーバ環境では物理サーバ1台ごとに大量の仮想マシン(VM)が走るため、水平方向のサーバ間通信が増大する。つまり、ネットワーク・トラフィックの量が急増し、方向自体も変わるため、従来の3階層アーキテクチャのままでは、仮想サーバ環境の効率的な稼働にマッチせず、顕著なパフォーマンス低下を引き起こしてしまうのだ。
こうした3階層アーキテクチャと仮想サーバ環境の不適合がもたらす主な問題を挙げると、以下のようになる。

仮想化集約・統合に伴う、サーバ環境のネットワーク・トラフィック負荷の増大
仮想化環境への対応に伴う、3階層アーキテクチャの複雑化
STP(スパニングツリー・プロトコル)がもたらす、ネットワーク・リソースの無駄
VMの移動がレイヤ2でしかサポートされないことによる、仮想化メリットの縮小

仮想化時代のデータセンターにマッチした「イーサネット・ファブリック」とは?

仮想化を前提とした今日のデータセンターにおいては、大量のトラフィックを発生させながら頻繁にサーバ間通信を行う仮想サーバの特性が十分考慮された、“仮想化時代のネットワーク・インフラ”が求められることになる。そこで、仮想化環境にネットワークを適合させるテクノロジーとして注目されているのが「イーサネット・ファブリック」だ。
イーサネット・ファブリックは、ワイヤスピードの高性能と高耐障害性を両立しながら、大規模でフラットなレイヤ2ネットワークを構築するためのアーキテクチャだ。同アーキテクチャを採用したネットワークではSTPを使わずに、ケーブルで接続されたスイッチ間の経路がすべてアクティブになり、最適化されたネットワーク・トポロジを柔軟に選択・変更できるようになるため、ネットワーク・リソースの利用効率を大幅に向上させることが可能になる。
また、3階層アーキテクチャで制限のあったVMの移動についても、イーサネット・ファブリックでは、インテリジェントで透過的なVMの移動がサポートされるので、データセンター事業者は、仮想サーバ環境のコアメリットを享受できるようになる。

従来の階層型イーサネット・アーキテクチャとイーサネット・ファブリック・アーキテクチャの比較

イーサネット・ファブリック導入のメリット

イーサネット・ファブリックへの移行が導くフラット型ネットワーク・インフラの実現は、データセンター事業者に対して、具体的にどんなメリットをもたらすのか。主要なメリットは以下の4点だ。

(1)データセンター全体の運用管理の簡素化・効率化

フラット型ネットワークへの移行で得られる最大のメリットが、運用管理の簡素化・効率化だ。
イーサネット・ファブリックが導入されたレイヤ2ネットワークでは、ファブリックにスイッチを追加すると、スイッチ間リンク(ISL)が自動形成された上でアグリゲーションが設定され、さらにハイパーバイザからVMプロファイルの設定も自動的に取り込まれて適用される。そのためネットワーク管理者は、ファブリックを構成するスイッチ全体を1台のスイッチのように管理でき、煩雑な各種作業が非常にシンプルなものとなる。また、必要な場合にはそれぞれのスイッチを直接操作することも可能だ。

(2)VMのシームレスな移動

前述した課題の一つとして挙げた、レイヤ２ネットワークにおけるVMの移動性の制限は、イーサネット・ファブリックを用いることで事実上撤廃される。MACアドレスやVLAN等のネットワーク情報は、ファブリック内のすべての機器によって認識された状態となり、それだけでもVMの移動性の制限を大きく緩和することができるが、プロファイル情報をファブリックに登録することでVMが移動するたびに自動的にコンフィグレーションを追従させることも可能であり、文字通りのシームレスな移動も実現できる。

(3)ネットワーク・トポロジの柔軟な選択・変更

ネットワーク・トポロジを柔軟に選択・変更可能できるのも、ネットワーク・ファブリックならではの特徴だ。例えば、アプリケーションへのトランザクション特性の変化など、ここ数年顕著なビジネスの環境変化に応じて、IPトラフィックとストレージ・トラフィックを1つのネットワーク・インフラに統合し、運用コストの大幅な削減を図るといったことが容易に行える。

(4)スモールスタートでのネットワーク・インフラ刷新

イーサネット・ファブリックは、各スイッチの番号だけを設定し接続するだけで利用を開始できる。既存のレイヤ2ネットワークを拡張するかたちで行う容易なスモールスタート型導入によって、リソースのキャパシティ予測が難しいクラウド・サービス事業の立ち上げを容易かつ低リスクで実現するうえ、拡張時の運用ミスなどを防いでコストを低減することができる。

仮想化時代のデータセンターの“現実解”

昨今ではITベンダーや先進的なユーザー企業を中心に、ソフトウェアによって仮想的なネットワークを設計・構築・制御するSDN(Software Defined Networking)が注目されている。SDNのための技術標準仕様であるOpenFlowに対応した機器も登場し始めているが、SDNの構築にかかるソフトウェア/ハードウェア・コストや、実際の環境における設計・構築・運用で求められるスキルなどを考えると、現時点では大半の企業にとって十分な投資対効果が得られるアプローチとは言いがたい。
一方、既存のレイヤ2ネットワークにわずかな手間とコストを投じるだけで、ファブリックの自己形成、自己アグリゲーション、そしてVM環境へのシームレスな対応という特徴が備わり、仮想サーバ環境に最適化されたネットワーク・インフラを実現するのがイーサネット・ファブリックだ。
この技術を搭載する製品が、東京エレクトロンデバイスが提供する10ギガビット・イーサネットスイッチ「Brocade VDX 6700 データセンター・スイッチシリーズ」だ。同シリーズでは、Brocade独自の「Brocade VCS(Virtual Cluster Switching)」テクノロジーにより、レイヤ2ネットワークのアーキテクチャをスケールアウト指向のフラット型ネットワークへと刷新できる。

独自のBrocade VCSテクノロジーを搭載したBrocade VDX 6700 データセンター・スイッチシリーズ

東京エレクトロンデバイスでは、データセンターの規模・特性に応じた4モデル(6710/6720/6730/8770)をラインナップし、イーサネット・ファブリックによるフラット型ネットワークへの移行のほか、LAN/SAN環境の統合、従来の階層型ネットワーク・アーキテクチャの拡充と、データセンター事業者の課題に対応する。

Brocade VCSテクノロジーを中核としたBrocade VDX 6720 スイッチ構成例