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第4章 NFV データプレーンの接続性

NFV が導入され、従来のデバイスを VNF として実装を始めているネットワークベンダーが増えています。これらのネットワークベンダーの大半が仮想マシンに着目していますが、選択した設計に合わせたコンテナーベースのアプローチに注目しているベンダーもあります。OpenStack ベースのソリューションは、主に以下の 2 つの理由からリッチかつ柔軟でなければなりません。

  • アプリケーションの即応性: ネットワークベンダーは現在、デバイスを VNF に変換している段階にあります。VNF 市場では、VNF ごとに成熟度レベルは異なっており、即応性に関する共通の障害として、API での RESTful インターフェースの有効化、データモデルのステートレスへの進化、自動化管理オペレーションの提供などが挙げられます。OpenStack は、すべてに共通のプラットフォームを提供する必要があります。
  • 幅広いユースケース: NFV には、異なるユースケースに対応する多様なアプリケーションが含まれます。たとえば、Virtual Customer Premise Equipment (vCPE) は、ルーティング、ファイアウォール、仮想プライベートネットワーク (VPN)、ネットワークアドレス変換 (NAT) など多くのネットワーク機能を顧客のサイトで提供することを目的としています。Virtual Evolved Packet Core (vEPC) は、Long-Term Evolution (LTE) ネットワークのコアコンポーネントにコスト効果の高いプラットフォームを提供するクラウドアーキテクチャーで、ゲートウェイやモバイルエンドポイントをダイナミックにプロビジョニングして、スマートフォンやその他のデバイスからの増加するデータトラフィック量に対応できるようにします。

    これらのユースケースは、異なるネットワークアプリケーションとプロトコルを使用して実装され、インフラストラクチャーとは異なる接続性、分離、パフォーマンスの特性を必要とします。また、コントロールプレーンのインターフェースとプロトコル、実際の転送プレーンを分離することが一般的です。OpenStack には、さまざまなデータパスの接続性オプションを提供できるように十分な柔軟性が必要です。

基本的に、仮想マシンにデータプレーンの接続性を提供する一般的なアプローチは 2 種類あります。

  • ハードウェアへのダイレクトアクセス: PCI パススルー (OpenStack では SR-IOV PF と表記) や、VF (Virtual Function) と PF (Physical Function) の両パススルー向けの Single Root I/O Virtualization (SR-IOV) などの技術を使用し、Linux カーネルを迂回して物理ネットワークインターフェースカード (NIC) にセキュアな Direct Memory Access (DMA) を提供します。
  • 仮想スイッチ (vswitch) の使用: ハイパーバイザーのソフトウェアサービスとして実装されています。仮想マシンは、仮想インターフェース (vNIC) を使用して vSwitch に接続され、vSwitch は仮想マシン間や仮想マシンと物理ネットワーク間のトラフィックを転送することができます。

4.1. 高速データパスのオプション

高速データパスには、以下のようなオプションがあります。

  • Single Root I/O Virtualization (SR-IOV): 単一の PCI ハードウェアデバイスを複数の仮想 PCI デバイスのように見せる標準のことです。これは、Physical Function (PF) を導入して機能します。PF とは、物理ハードウェアポートと Virtual Function (VF: 仮想マシンに割り当てられた軽量機能) の機能を果たすフル装備の PCIe 機能です。仮想マシンは、VF をハードウェアと直接通信する通常の NIC とみなします。NIC は複数の VF をサポートします。
  • Open vSwitch (OVS): 仮想化サーバー環境内で仮想スイッチとして使用されるように設計されたオープンソースのソフトウェアスイッチです。OVS は、通常の L2-L3 スイッチのケーパビリティーだけでなく、ユーザー定義のオーバーレイネットワーク (例: VXLAN) を作成する OpenFlow などの SDN プロトコルもサポートします。OVS は、物理 NIC を使用する仮想マシン間およびホスト全体のパケットの切り替えに、Linux のカーネルネットワークを使用します。OVS は、iptables/ebtables で Linux ブリッジのオーバーヘッドを回避する接続トラッキング (Conntrack) と内蔵のファイアウォール機能をサポートするようになりました。Red Hat OpenStack Platform 環境の Open vSwitch は、カスタマイズなしに OVS と OpenStack Networking (neutron) を統合できます。
  • Data Plane Development Kit (DPDK): 高速なパケット処理に向けてライブラリーセットや Poll Mode Driver (PMD) で構成されます。DPDK はユーザー空間で大半を実行するように設計されており、アプリケーションが NIC から (または NIC へ) 直接独自のパケット処理を実行できるようになります。DPDK は、レイテンシーを減らし、処理するパケット数を増やすことができます。DPDK Poll Mode Drivers (PMDs) はビジーループで実行され、ホストの NIC ポートやゲストの vNIC ポートにパケットが到着していないかを絶えずスキャンします。
  • DPDK accelerated Open vSwitch (OVS-DPDK): Linux カーネルバイパスと物理 NIC への Direct Memory Access (DMA) を用いた高性能のユーザー空間ソリューションに向け DDPK がバンドルされた Open vSwitch。これは、標準の OVS カーネルデータパスを DPDK ベースのデータパスに置き換えて、内部で DPDK をパケット転送に使用するユーザー空間の vSwitch をホストに構築するという発想になります。このアーキテクチャーの利点は、大半がユーザーに透過的である点です。OpenFlow、OVSDB、コマンドラインなどの公開されるインターフェースは、ほぼ同じ状態のままになります。