オーバーレイネットワーク

オーバーレイネットワークとは、物理ネットワークの上に重ねて構築される論理的なコンピュータネットワークのことです。オーバーレイネットワークの概念は、従来のOSI階層型ネットワークモデルとは異なり、アンダーレイネットワークが何らかのIPネットワークであることをほぼ常に前提としています。 ^[¹^]

オーバーレイネットワーク技術の例としては、VXLAN、BGP VPN 、および GRE、IPSECトンネル、SD-WANなどのIP over IP技術が挙げられます。

構造

オーバーレイネットワークのノードは論理リンクで接続されていると考えることができ、それぞれの論理リンクは、基盤となるネットワーク内のパス（おそらく多くの物理リンクを経由する）に対応します。たとえば、ピアツーピアネットワークなどの分散システムは、ノードが既存のネットワーク接続上にネットワークを形成するため、オーバーレイネットワークです。^[²^]

インターネットはもともと電話網の上に構築されたものだったが、今日では（ VoIPの登場により）、電話網はますますインターネットの上に構築されたオーバーレイネットワークへと変化しつつある。

属性

オーバーレイネットワークには、論理アドレスの分離、セキュリティ、サービス品質など、一定の属性があります。その他のオプション属性には、耐障害性、暗号化、帯域幅制御などがあります。

サービスの質

トラフィックにマーキングを施して帯域幅を保証する方法には、IntServやDiffServなど複数のソリューションがあります。IntServはフローごとのトラッキングを必要とするため、ルーティングプラットフォームでスケーリングの問題を引き起こします。そのため、広く普及していません。一方、DiffServはトラフィックの種類を区別する方法として、多くの通信事業者で広く採用されています。DiffServ自体はスループットを保証するものではありませんが、ネットワーク事業者がどのトラフィックの優先度が高いかを決定し、輻輳時に優先的に転送できるようにします。

オーバーレイネットワークは、よりきめ細かなサービス品質を実現し、企業ユーザーがアプリケーション、ユーザー、またはサイトごとに、どのトラフィックを優先すべきかを決定できるようにします。

用途

多くの通信事業者は、物理インフラストラクチャ上でサービスを提供するためにオーバーレイネットワークを利用しています。物理的に離れた拠点を接続するネットワーク（広域ネットワーク、WAN）では、BGP VPNが一般的なオーバーレイネットワーク技術の一つです。これらのVPNは、企業が自社の拠点やアプリケーションを接続するためのサービスとして提供されます。このようなオーバーレイネットワークの利点は、通信事業者がアドレス指定やその他の企業固有のネットワーク属性を管理する必要がないことです。

データセンター内では、以前はVXLANを使用するのが一般的でしたが、その複雑さと、レイヤ2のVXLANベースのオーバーレイネットワークをレイヤ3のIP/BGPネットワークに接続する必要性から、仮想マシンやKubernetesクラスタ間のレイヤ2接続を提供するために、データセンター内でBGPを使用するのが一般的になっています。

企業向けプライベートネットワークは当初、フレームリレーや非同期転送モード（ATM）パケット交換インフラストラクチャなどの通信ネットワーク上に構築されていましたが、これらの（現在ではレガシー）インフラストラクチャからIPベースのMPLSネットワークや仮想プライベートネットワークへの移行が（2001～2002年頃に）始まり、現在では完了しており、フレームリレーやATMネットワークはほとんど残っていません。企業の観点から見ると、通信事業者が構成するオーバーレイVPNサービスで基本的な接続要件を満たすことはできますが、SD-WANオーバーレイネットワークはさらなる柔軟性を提供します。

インターネットは、IPアドレスで指定されていない宛先へのメッセージルーティングを可能にするために構築できる、より多層的なネットワークの基盤となる。例えば、分散ハッシュテーブルを使用することで、IPアドレスが事前に不明な特定の論理アドレスを持つノードにメッセージをルーティングすることができる。

オーバーレイネットワークは、インターネットサービスプロバイダの協力なしに、エンドユーザーサイトまたはオーバーレイプロトコルソフトウェアを実行しているホスト上で段階的に展開できます。オーバーレイは、2つのオーバーレイノード間の基盤ネットワークにおけるパケットのルーティング方法を制御することはできませんが、たとえば、メッセージが宛先に到達するまでに通過するオーバーレイノードの順序を制御することはできます。

利点

回復力

通信ネットワークにおけるレジリエンスの目的は、障害発生時に自動復旧を可能にし、望ましいサービスレベルまたは可用性を維持することです。通信ネットワークは階層構造で構築されているため、物理層、光層、IP層、セッション層からアプリケーション層まで、あらゆる層でレジリエンスを活用できます。各層は、その下位層のレジリエンス機能に依存しています。したがって、SD-WANサービスのようなオーバーレイIPネットワークは、伝送される物理層、光層、および基盤となるIPサービスに依存します。アプリケーション層のオーバーレイは、その下位層すべてに依存します。オーバーレイの利点は、従来のネットワークインフラストラクチャよりも柔軟でプログラマブルであることであり、追加の遅延、複雑さ、帯域幅オーバーヘッドといった欠点を上回る可能性があります。

アプリケーション層の回復力に関するアプローチ

耐障害性オーバーレイネットワーク (RON)は、分散インターネットアプリケーションが切断や干渉を検知して回復できるようにするアーキテクチャです。現在使用されている広域ルーティングプロトコルは、回復に少なくとも数分かかりますが、このアプリケーション層オーバーレイによって改善されます。RON ノードは相互にインターネットパスを監視し、パケットをインターネット経由で直接再ルーティングするか、他の RON ノード経由で再ルーティングするかを判断し、アプリケーション固有のメトリックを最適化します。RON は概念的には比較的シンプルな設計です。RON ノードはインターネット上のさまざまな場所に配置されます。これらのノードは、パケットのルーティングで連携するアプリケーション層オーバーレイを形成します。各 RON ノードは相互間のインターネットパスの品質を監視し、この情報を使用して各パケットからパスを正確かつ自動的に選択し、サービス品質の低下からの回復に必要な時間を短縮します。^{[ 3 ]}

マルチキャスト

オーバーレイマルチキャストは、エンドシステムマルチキャストまたはピアツーピアマルチキャスト^{[ 4 ]}とも呼ばれ、広範囲に分散したノード間で高帯域幅のマルチソースマルチキャストをサポートします。これは、音声およびビデオ会議、マルチパーティゲーム、コンテンツ配信など、幅広いアプリケーションにとって重要な機能です。マルチキャストは、受信セットのサイズを単一ノードで保持される状態の量から切り離し、ネットワーク内の冗長な通信を回避する可能性があります。

ベストエフォート型のネットワーク層マルチキャストプロトコルである IPマルチキャストの普及が限定的であったことから、エンドツーエンドの原則に従ってアプリケーション層で実装される代替アプローチへの関心が高まっている。オーバーレイマルチキャストまたはエンドシステムマルチキャストのアプローチでは、参加するピアがデータ配信のためにオーバーレイトポロジーを形成する。このトポロジーの各エッジは、基盤となるインターネット内の2つのエンドシステムまたはピア間のユニキャストパスに対応する。マルチキャスト関連の機能はすべてルーターではなくピアで実装され、マルチキャストプロトコルの目標は、データ伝送のための効率的なオーバーレイを構築および維持することである。

デメリット

実際のネットワークトポロジーに関する情報は隠蔽されており、オーバーレイは基盤となるネットワークのルーティング効率の影響を受けやすく、最適とは言えない経路でルーティングされる可能性がある。
オーバーレイを使用しないサービスと比較して、レイテンシが増加する可能性があります。
特定の箇所でパケットが重複する。
追加のカプセル化オーバーヘッドが発生するため、ペイロードのカプセル化回数が増えることで、ネットワーク全体の容量が低下します。