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コンピュータ ネットワークにおけるリンク アグリゲーションとは、 複数のネットワーク接続を複数の方法のいずれかで並行して組み合わせる (集約する) ことです。リンク アグリゲーションにより、単一の接続で維持できる以上の総スループットが向上し、 1 つの物理リンクを除くすべての物理リンクに障害が発生しても接続が失われない冗長性が実現します。リンク アグリゲーション グループ( LAG ) は、物理ポートを組み合わせた集合です。
この概念を説明するために使用される他の包括的な用語には、トランキング、[1]、 バンドリング、[2]、 ボンディング、[1]、 チャネリング[3]、またはチーミングなどがあります。
実装は、IEEE 802.1AX または以前の IEEE 802.3ad で定義されているEthernetのLink Aggregation Control Protocol (LACP)などのベンダーに依存しない標準に従う場合がありますが、独自のプロトコルに従う場合もあります。
モチベーション
リンク アグリゲーションにより、イーサネット接続の帯域幅と復元力が向上します。
帯域幅の要件は直線的に拡大するわけではありません。イーサネットの帯域幅は、これまで世代ごとに 10 倍に増加してきました。10メガビット/秒、100 メガビット/秒、1000 メガビット/秒、10,000 メガビット/秒です。帯域幅の上限に達し始めた場合、次世代に移行するしか選択肢はありませんでしたが、コストがかかりすぎる可能性があります。1990 年代初頭に多くのネットワーク メーカーが導入した代替ソリューションは、リンク アグリゲーションを使用して 2 つの物理イーサネット リンクを 1 つの論理リンクに結合することです。これらの初期のソリューションのほとんどは、接続の両側で手動構成と同一の機器を必要としました。[4]
コンピュータとスイッチ、またはスイッチとスイッチの構成のいずれにおいても、一般的なポート - ケーブル - ポート接続には、ケーブル自体またはケーブルが差し込まれているいずれかのポートに障害が発生するという、3 つの単一障害点が存在します。複数の論理接続を確立することは可能ですが、上位レベルのプロトコルの多くは、完全にシームレスにフェールオーバーするようには設計されていません。リンク アグリゲーションを使用して複数の物理接続を 1 つの論理接続に結合すると、より回復力のある通信が可能になります。
建築
ネットワーク設計者は、OSI モデルの下位 3 層のいずれでも集約を実装できます。 レイヤー 1 (物理層)での集約の例には、複数の周波数帯域を組み合わせた電力線( IEEE 1901など) や無線(IEEE 802.11 など) ネットワーク デバイスが含まれます。 OSI レイヤー 2 (データ リンク層、LAN のイーサネット フレームや WAN のマルチリンク PPP、イーサネットMAC アドレスなど) での集約は、通常、スイッチ ポート間で行われます。スイッチ ポートは、物理ポートでも、オペレーティング システムによって管理される仮想ポートでもかまいません。 OSI モデルの第 3 層 (ネットワーク層) での集約では、ラウンドロビン スケジューリング、パケット ヘッダーのフィールドから計算されたハッシュ値、またはこれら 2 つの方法の組み合わせを 使用できます。
集約が行われるレイヤーに関係なく、すべてのリンクにわたってネットワーク負荷を分散することができます。ただし、順序どおりに配信されないことを避けるため、すべての実装でこの機能が利用されるわけではありません。ほとんどの方法ではフェイルオーバーも提供されます。
結合は、複数のインターフェースが 1 つの論理アドレス (IP アドレスなど) または 1 つの物理アドレス (MAC アドレスなど) を共有するように行われるか、または各インターフェースが独自のアドレスを持つように行われます。前者では、リンクの両端で同じ集約方法を使用する必要がありますが、後者よりもパフォーマンス上の利点があります。
チャネル ボンディングは、ロード バランシングがネットワークソケット(レイヤー 4)ごとにネットワーク インターフェイス間のトラフィックを分割するのに対し、チャネル ボンディングは、パケット (レイヤー 3) またはデータ リンク (レイヤー 2) ごとに、より低いレベルで物理インターフェイス間のトラフィックを分割することを意味する点で、ロード バランシングとは異なります。[引用が必要]
IEEE リンクアグリゲーション
標準化プロセス
1990 年代半ばまでに、ほとんどのネットワーク スイッチ メーカーは、自社のスイッチ間の帯域幅を増やすために、独自の拡張機能としてアグリゲーション機能を組み込んでいました。各メーカーは独自の方法を開発したため、互換性の問題が発生しました。IEEE 802.3ワーキング グループは、1997 年 11 月の会議で、相互運用可能なリンク層標準 (つまり、物理層とデータ リンク層の両方を含む) を作成するための研究グループを立ち上げました。[4]グループはすぐに、冗長性も追加する自動構成機能を含めることに同意しました。これは、リンク アグリゲーション制御プロトコル(LACP)として知られるようになりました。
802.3ad
2000年時点では[アップデート]、ほとんどのギガビットチャネルボンディング方式は、IEEE標準のリンクアグリゲーションを使用していました。これは、2000年3月にIEEE 802.3adタスクフォースによって追加されたIEEE 802.3標準の条項43でした。 [5]ほぼすべてのネットワーク機器メーカーは、独自の標準よりもこの共同標準をすぐに採用しました。
802.1AX
2006 年 11 月の第 9 版プロジェクトの 802.3 メンテナンス タスク フォースのレポートでは、802.1 の特定のレイヤー ( 802.1Xセキュリティなど) が、 802.3サブレイヤーとして定義されたリンク アグリゲーションの下のプロトコル スタックに配置されていることが指摘されました。[6]この矛盾を解決するために、802.3ax (802.1AX) タスク フォースが結成され、[7] 2008 年 11 月 3 日に IEEE 802.1AX-2008 が公開され、プロトコルが 802.1 グループに正式に移行されました。[8]
リンクアグリゲーション制御プロトコル
IEEE イーサネット標準では、リンク アグリゲーション制御プロトコル (LACP) は、複数の物理リンクをまとめて 1 つの論理リンクを形成するためのバンドルを制御する方法を提供します。LACP を使用すると、ネットワーク デバイスは、LACP パケットをピア (LACP を実装している直接接続されたデバイス) に送信することで、リンクの自動バンドルをネゴシエートできます。
LACP の機能と実例
- ポート チャネルで許可されるバンドル ポートの最大数: 有効な値は通常 1 ～ 8 です。
- LACPパケットはマルチキャストグループMACアドレス01:80:C2:00:00:02で送信されます。
- LACP検出期間中
- LACPパケットは毎秒送信されます
- リンク メンバーのキープアライブ メカニズム: (低速 = 30 秒、高速 = 1 秒)
- いくつかの実装では選択可能な負荷分散モードが利用可能である[9]
- LACP モード:
- アクティブ: LACP を無条件に有効にします。
- パッシブ: LACP デバイスが検出された場合にのみ LACP を有効にします。
静的構成に対する利点
- フェイルオーバーは自動的に行われます。デバイス間のメディア コンバータなどの中間リンク障害が発生した場合、ピア システムは接続の問題を認識しないことがあります。静的リンク アグリゲーションでは、ピアはリンクにトラフィックを送信し続けるため、接続が失敗します。
- 動的構成: デバイスは、相手側の構成がリンクアグリゲーションに対応していることを確認できます。静的リンクアグリゲーションでは、ケーブル接続や構成の間違いが検出されず、望ましくないネットワーク動作を引き起こす可能性があります。[10]
実用的なメモ
LACP は、プロトコルが有効になっているすべてのリンクにフレーム (LACPDU) を送信することで機能します。リンクの反対側に LACP が有効になっているデバイスが見つかると、そのデバイスは同じリンクに沿って反対方向にフレームを独立して送信し、2 つのユニットが相互に複数のリンクを検出して、それらを 1 つの論理リンクに結合できるようにします。LACP は、アクティブ モードとパッシブ モードのいずれかで設定できます。アクティブ モードでは、設定されたリンクに沿って LACPDU が 1 秒あたり 1 回送信されます。パッシブ モードでは、LACPDU は反対側から受信されるまで送信されません。これは、speak-when-speaken-to プロトコルです。
独自のリンクアグリゲーション
IEEEリンクアグリゲーションサブスタンダードに加えて、CiscoのEtherChannelとPort Aggregation Protocol、JuniperのAggregated Ethernet、AVAYAのMulti-Link Trunking、Split Multi-Link Trunking、Routed Split Multi-Link TrunkingとDistributed Split Multi-Link Trunking、ZTEのSmartgroup、HuaweiのEth-Trunk、ConnectifyのSpeedifyなど、独自のアグリゲーションスキームが多数存在します。[11]ほとんどのハイエンドネットワークデバイスは、何らかの形のリンクアグリゲーションをサポートしています。*BSD laggパッケージ、Linux ボンディングドライバ、Solaris dladm aggrなどのソフトウェアベースの実装は、多くのオペレーティングシステム用に存在します。
Linux ドライバー
Linuxボンディングドライバ[12]は、複数のネットワーク インターフェイス コントローラ(NIC) を、2 つ以上のいわゆる(NIC) スレーブの単一の論理ボンディング インターフェイスに集約する方法を提供します。最近のLinux ディストリビューションの大半には、Linux ボンディング ドライバがロード可能なカーネル モジュールとして統合され、ifenslave (if = [ネットワーク] インターフェイス)ユーザー レベル制御プログラムがプリインストールされたLinuxカーネルが付属しています。Donald Becker がオリジナルの Linux ボンディング ドライバをプログラムしました。これは、 Linuxカーネル 2.0のBeowulf クラスタパッチで使用されるようになりました。
Linuxボンディングドライバ[12]のモード（ネットワークインターフェース集約モード）は、ロード時にカーネルボンディングモジュールへのパラメータとして提供されます。これらはinsmodまたはmodprobeコマンドのコマンドライン引数として指定することもできますが、通常はLinuxディストリビューション固有の設定ファイルで指定されます。単一の論理ボンディングインターフェースの動作は、指定されたボンディングドライバモードによって異なります。デフォルトのパラメータはbalance-rrです。
- ラウンドロビン（balance-rr）
- 利用可能な最初のNICスレーブから最後のNICスレーブまで、ネットワークパケットを順番に送信します。このモードは、負荷分散とフォールトトレランスを提供します。[13]このモードでは、パケットの順序変更が発生するため、輻輳制御の問題が発生する可能性があります。[14]
- アクティブバックアップ（アクティブバックアップ）
- ボンド内の NIC スレーブは 1 つだけアクティブになります。アクティブなスレーブに障害が発生した場合のみ、別のスレーブがアクティブになります。単一の論理ボンド インターフェイスのMAC アドレスは、ネットワーク スイッチでの転送を簡素化するために、1 つのNIC (ポート)でのみ外部から参照できます。このモードはフォールト トレランスを提供します。
- XOR (バランス-XOR)
- パケットの送信元と送信先のハッシュに基づいてネットワーク パケットを送信します。デフォルトのアルゴリズムでは、MAC アドレス (レイヤー 2 ) のみが考慮されます。新しいバージョンでは、IP アドレス (レイヤー 2+3 ) と TCP/UDP ポート番号 (レイヤー 3+4 ) に基づいて追加のポリシーを選択できます。これにより、宛先 MAC アドレス、IP アドレス、または IP アドレスとポートの組み合わせごとに、同じ NIC スレーブが選択されます。単一の接続では、順序どおりのパケット配信が保証され、単一の NIC の速度で送信されます。[14]このモードは、負荷分散とフォールト トレランスを提供します。
- 放送（ブロードキャスト）
- すべてのスレーブ ネットワーク インターフェイスでネットワーク パケットを送信します。このモードはフォールト トレランスを提供します。
- IEEE 802.3ad ダイナミック リンク アグリゲーション (802.3ad、LACP)
- 同じ速度とデュプレックス設定を共有するアグリゲーション グループを作成します。802.3ad 仕様に従って、アクティブなアグリゲータ グループ内のすべてのスレーブ ネットワーク インターフェイスを使用します。このモードは上記の XOR モードに似ており、同じバランシング ポリシーをサポートします。リンクは、2 つの LACP をサポートするピア間で動的に設定されます。
- 適応型送信負荷分散 (balance-tlb)
- 特別なネットワーク スイッチ サポートを必要としない Linux ボンディング ドライバー モード。送信ネットワーク パケット トラフィックは、各ネットワーク インターフェイス スレーブの現在の負荷 (速度に応じて計算) に応じて分散されます。受信トラフィックは、現在指定されている 1 つのスレーブ ネットワーク インターフェイスによって受信されます。この受信スレーブに障害が発生すると、別のスレーブが障害が発生した受信スレーブの MAC アドレスを引き継ぎます。
- 適応型負荷分散 (balance-alb)
- これには、IPv4 トラフィック用のbalance-tlbと受信ロード バランシング(rlb)が含まれており、特別なネットワーク スイッチ サポートは必要ありません。受信ロード バランシングは、ARPネゴシエーションによって実現されます。ボンディング ドライバーは、ローカル システムから送信される ARP 応答を途中でインターセプトし、単一の論理ボンディング インターフェイス内の NIC スレーブの 1 つの一意のハードウェア アドレスでソース ハードウェア アドレスを上書きします。これにより、異なるネットワーク ピアは、ネットワーク パケット トラフィックに異なる MAC アドレスを使用します。
Linuxチームドライバ[15]はボンディングドライバの代替手段を提供します。主な違いは、チームドライバのカーネル部分には必須コードのみが含まれ、残りのコード（リンク検証、LACP実装、意思決定など）はteamdデーモン の一部としてユーザー空間で実行されることです。
使用法
ネットワークバックボーン
リンク アグリゲーションは、単一のポートまたはデバイスが転送できるデータ量の何倍ものデータを転送する大容量のバックボーン ネットワークを低コストで構築する方法を提供します。また、リンク アグリゲーションを使用すると、すべてを交換したり新しいハードウェアを導入したりすることなく、ネットワークの需要の増加に応じてネットワークのバックボーン速度を段階的に向上させることができます。
ほとんどのバックボーン インストールでは、最初に必要な数よりも多くのケーブルまたは光ファイバー ペアがインストールされます。これは、人件費がケーブルのコストよりも高く、余分なケーブルを敷設することで、ネットワークのニーズが変わった場合に将来の人件費を削減できるためです。リンク アグリゲーションを使用すると、ポートが利用可能な場合、これらの余分なケーブルを使用してバックボーンの速度をほとんどまたはまったく追加コストなしで向上させることができます。
フレームの順序
トラフィックのバランスをとる際、ネットワーク管理者はイーサネットフレームの順序変更を避けたいと考えることが多い。例えば、TCP は順序の乱れたパケットを処理する際に追加のオーバーヘッドが発生する。この目標は、特定のセッションに関連付けられたすべてのフレームを同じリンク経由で送信することで達成される。一般的な実装では、L2 または L3 ハッシュ (つまり、MAC または IP アドレスに基づく) を使用し、常に同じフローが同じ物理リンク経由で送信されるようにする。[16] [17] [18]
しかし、1組またはごく少数のホストが相互に通信する場合、つまりハッシュの変動が小さすぎる場合、トランク内のリンク全体に均等に分散されない可能性があります。これにより、クライアントの帯域幅が全体的に制限されます。[17]極端な場合、1つのリンクが完全にロードされている一方で、他のリンクは完全にアイドル状態であり、合計帯域幅はこのメンバーの最大帯域幅に制限されます。このため、実際の実装では、トランクされたすべてのリンクの均等な負荷分散と完全な使用率に到達することはほとんどありません。
ネットワークインターフェースカードでの使用
トランク接続された NIC は、1 つの NIC のスループットを超えるネットワーク リンクを提供することもできます。たとえば、これにより、中央ファイル サーバーは、2 つの 1 ギガビット NIC をチーム化して、集約された 2 ギガビット接続を確立できます。データ信号速度は依然として 1 Gbit/s のままですが、リンク アグリゲーションの採用後にスループットをテストする方法によっては、誤解を招く可能性があります。
マイクロソフトウィンドウズ
Microsoft Windows Server 2012はリンクアグリゲーションをネイティブにサポートしています。以前のWindows Serverバージョンでは、デバイスドライバソフトウェア内での機能のサポートはメーカーに依存していました。たとえば、IntelはIntel Fast EthernetカードとGigabitカードを結合するためにAdvanced Networking Services (ANS)をリリースしました。 [19]
Nvidia は、Nvidia Network Access Manager/Firewall Tool でチーミングをサポートしています。HPには、LACP を使用した 802.3ad を含む複数のリンク アグリゲーション モードをサポートする HP ブランドの NIC 用チーミング ツールがあります。さらに、基本的なレイヤー 3 アグリゲーション[20]があり、これにより、同じネットワーク上の複数の IP インターフェイスを持つサーバーが負荷分散を実行したり、複数のインターネット接続を持つホーム ユーザーがすべてのインターフェイスで負荷を共有して接続速度を向上したりできます。[21]
Broadcom は、Broadcom Advanced Control Suite (BACS) を介して高度な機能を提供しており、これを介して BASP (Broadcom Advanced Server Program) のチーム機能が利用可能になり、802.3ad 静的 LAG、LACP、およびスイッチでの設定を必要としない「スマート チーミング」が提供されます。少なくとも 1 つの NIC が Broadcom 製であり、他の NIC がチーミングをサポートするために必要な機能を備えている限り、異なるベンダーの NIC を混在させて BACS でチームを構成することができます。[22]
Linux と UNIX
Linux、FreeBSD、NetBSD、OpenBSD、macOS、OpenSolaris 、 AIXなどの商用Unixディストリビューションは、より高いレベルでイーサネットボンディングを実装しており、NICがカーネルでサポートされている限り、異なるメーカーのNICや異なるドライバーを使用するNICを扱うことができます。[12]
仮想化プラットフォーム
Citrix XenServerとVMware ESXはリンクアグリゲーションをネイティブにサポートしています。XenServerは静的LAGとLACPの両方を提供します。vSphere 5.1（ESXi）は、仮想分散スイッチで静的LAGとLACPの両方をネイティブにサポートしています。[23]
Microsoft のHyper-V はハイパーバイザー レベルからのリンク アグリゲーション サポートを提供していませんが、Windows でのチーム化に関する上記の方法は Hyper-V にも適用されます。
制限事項
シングルスイッチ
モードbalance-rr、balance-xor、broadcast、および802.3adでは、リンク アグリゲーション グループ内のすべての物理ポートが同じ論理スイッチ上に存在する必要があります。これにより、最も一般的なシナリオでは、すべてのリンクが接続されている物理スイッチがオフラインになったときに、単一障害点が残ります。モードactive-backup、balance-tlb、およびbalance-albも、2 つ以上のスイッチで設定できます。ただし、フェイルオーバー後 (他のすべてのモードと同様)、場合によっては、アクティブ セッションが失敗し (ARP の問題により)、再起動が必要になることがあります。
ただし、ほぼすべてのベンダーが、この問題の一部を解決する独自の拡張機能を持っています。つまり、複数の物理スイッチを 1 つの論理スイッチに集約します。Nortel の分割マルチリンク トランキング(SMLT) プロトコルを使用すると、複数のイーサネット リンクをスタック内の複数のスイッチに分割できるため、単一障害点が防止され、さらに、すべてのスイッチを単一のアクセス スタックから複数の集約スイッチに負荷分散できます。これらのデバイスは、接続 (アクセス) デバイスには単一のデバイス (スイッチ ブロック) として表示されるように、スイッチ間トランク(IST) 全体で状態を同期し、パケットの重複を防ぎます。SMLT は、エンド デバイスに対して透過的に動作しながら、すべての速度のトランクに対して 1 秒未満のフェイルオーバーと 1 秒未満のリカバリによって復元力を強化します。
マルチシャーシ リンク アグリゲーション グループは、ベンダーに依存しない方法で同様の機能を提供します。接続されたデバイスには、接続は通常のリンク アグリゲーション トランクとして表示されます。関係する複数のソース間の調整は、ベンダー固有の方法で処理されます。
同じリンク速度
ほとんどの実装では、集約で使用されるすべてのポートは、すべて銅線ポート (10/100/1000BASE-T)、すべてマルチモード ファイバー ポート、またはすべてシングルモード ファイバー ポートなど、同じ物理タイプで構成されます。ただし、IEEE 標準で要求されているのは、各リンクが全二重であることと、すべてのリンクの速度が同一であること (10、100、1,000、または 10,000 Mbit/s) だけです。
多くのスイッチは PHY に依存しません。つまり、スイッチには銅線、SX、LX、LX10、またはその他のGBIC / SFPモジュラー トランシーバーが混在している可能性があります。同じ PHY を維持するのが通常のアプローチですが、1 つのリンクに 1000BASE-SX ファイバーを集約し、2 番目のリンクに 1000BASE-LX (より長く、多様なパス) を集約することも可能です。1 つのパスの伝播時間は長くなる可能性がありますが、ほとんどの実装では同じ物理リンク上で単一のトラフィック フローが維持されるため (インデックスとして MAC アドレス、IP アドレス、または IP/トランスポート層ポートの組み合わせのハッシュを使用)、問題となる順序外配信は発生しません。
イーサネット集約の不一致
集約の不一致とは、リンクの両端で集約タイプが一致しないことを意味します。一部のスイッチは 802.1AX 標準を実装していませんが、リンク集約の静的構成をサポートしています。したがって、同様に静的に構成されたスイッチ間のリンク集約は機能する可能性がありますが、静的に構成されたスイッチと LACP 用に構成されたデバイス間では機能しません。
例
イーサネット
イーサネットインターフェースでは、チャネルボンディングにはイーサネットスイッチとホストコンピュータのオペレーティングシステムの両方の支援が必要であり、RAID 0アレイ内のディスク間でI/Oがストライプ化されるのと同じ方法で、ネットワークインターフェース間でフレームの配信をストライプ化する必要があります。[要出典]このため、チャネルボンディングに関する議論の中には、RAIN（Redundant Array of Inexpensive Nodes ）または独立したネットワークインターフェースの冗長アレイを指すものもあります。[24]
モデム
アナログ モデムでは、POTS上の複数のダイヤルアップリンクが結合される場合があります。このような結合接続のスループットは、リンク上の発信ネットワーク接続を単純に負荷分散するルーティング スキームでのスループットよりも、結合リンクの合計帯域幅に近づく可能性があります。
DS-L1000
同様に、複数のDSL 回線を結合してより高い帯域幅を提供することもできます。英国では、2 メガビット/秒の帯域幅しか利用できない地域で、たとえば 512 kbit/秒のアップロード帯域幅と 4 メガビット/秒のダウンロード帯域幅を提供するために ADSL が結合されることがあります。[引用が必要]
ドクシス
ケーブルテレビシステム上のデータに関するDOCSIS 3.0および3.1仕様では、複数のチャネルを結合することができます。DOCSIS 3.0では、最大32のダウンストリームチャネルと8つのアップストリームチャネルを結合することができます。[25]これらは通常、6または8MHzの幅です。DOCSIS 3.1では、サブキャリアレベルでの集約とより大きな概念チャネルを含む、より複雑な構成が定義されています。[26]
ブロードバンド
ブロードバンドボンディングは、チャネル ボンディングの一種で、OSI 層のレベル 4 以上で複数のチャネルを集約することを意味します。結合されるチャネルは、T-1やDSL 回線などの有線リンクです。さらに、複数のセルラー リンクを結合して、集約されたワイヤレス ボンディング リンクに することもできます。
他のボンディング方法はOSIの下位層に存在し、実装には通信会社との調整が必要です。ブロードバンドボンディングは上位層に実装されるため、このような調整なしで実行できます。[27]
ブロードバンド チャネル ボンディングの商用実装には次のものがあります。
- ConnectifyのSpeedify高速ボンディングVPN - 複数のプラットフォーム向けのソフトウェアアプリ：PC、Mac、iOS、Android [28]
- ペップリンクのスピードフュージョン接合技術[29]
- ViprinetのマルチチャネルVPNボンディングテクノロジー[30]
- シノピのナティプリインターネットボンディングテクノロジー[31]
- ComBOX Networks マルチWANボンディングサービス[32]
Wi-Fi
802.11 (Wi-Fi)では、チャネル ボンディングは108 Mbit/s と呼ばれるSuper Gテクノロジーで使用されます。これは、チャネルあたり 54 Mbit/s のデータ信号速度を持つ標準802.11gの 2 つのチャネルを結合します。
IEEE 802.11nでは、チャネル幅が 40 MHz のモードが指定されています。これはチャネル ボンディングではなく、従来の 20 MHz チャネル幅の 2 倍の単一チャネルであり、隣接する 20 MHz 帯域を 2 つ使用します。これにより、単一の 20 MHz チャネルから PHY データ レートを直接 2 倍にすることができます。
参照
参考文献
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外部リンク
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