SDN・NFVとネットワーク仮想化

ネットワークの仮想化・ソフトウェア化は現代のネットワーク設計に欠かせない技術です。この記事では、SDN、NFV、SD-WANの概念と仕組みを整理します。

ネットワーク仮想化の全体像

graph TB
    subgraph virtualization["ネットワーク仮想化技術"]
        SDN["SDN<br/>ソフトウェア定義<br/>ネットワーク"]
        NFV["NFV<br/>ネットワーク機能<br/>仮想化"]
        SDWAN["SD-WAN<br/>ソフトウェア定義<br/>WAN"]
    end

    SDN --> USE1["制御と転送の分離<br/>集中管理"]
    NFV --> USE2["専用機器の<br/>汎用サーバー化"]
    SDWAN --> USE3["WANの<br/>最適化・自動化"]

    style SDN fill:#e3f2fd
    style NFV fill:#c8e6c9
    style SDWAN fill:#fff3e0

SDN（Software-Defined Networking）

従来のネットワーク vs SDN

graph TB
    subgraph traditional["従来のネットワーク"]
        subgraph device1["ネットワーク機器"]
            CP1["コントロール<br/>プレーン"]
            DP1["データ<br/>プレーン"]
        end
        subgraph device2["ネットワーク機器"]
            CP2["コントロール<br/>プレーン"]
            DP2["データ<br/>プレーン"]
        end
    end

    subgraph sdn["SDN"]
        CONTROLLER["SDNコントローラー<br/>（集中制御）"]

        subgraph switch1["スイッチ"]
            DP3["データ<br/>プレーン"]
        end
        subgraph switch2["スイッチ"]
            DP4["データ<br/>プレーン"]
        end

        CONTROLLER -->|"制御"| DP3
        CONTROLLER -->|"制御"| DP4
    end

    style CP1 fill:#ffcdd2
    style CP2 fill:#ffcdd2
    style DP1 fill:#c8e6c9
    style DP2 fill:#c8e6c9
    style CONTROLLER fill:#e3f2fd
    style DP3 fill:#c8e6c9
    style DP4 fill:#c8e6c9

項目	従来	SDN
制御	各機器が個別に判断	コントローラーが集中制御
設定変更	機器ごとに個別設定	コントローラーから一括
柔軟性	低い	高い
運用コスト	高い	低い

SDNの3層アーキテクチャ

graph TB
    subgraph sdn_arch["SDNアーキテクチャ"]
        subgraph app_layer["アプリケーション層"]
            APP1["ネットワーク<br/>監視アプリ"]
            APP2["トラフィック<br/>制御アプリ"]
            APP3["セキュリティ<br/>アプリ"]
        end

        subgraph control_layer["コントロール層"]
            CONTROLLER["SDNコントローラー"]
            NBI["ノースバウンドAPI<br/>（REST API等）"]
            SBI["サウスバウンドAPI<br/>（OpenFlow等）"]
        end

        subgraph infra_layer["インフラ層"]
            SW1["スイッチ"]
            SW2["スイッチ"]
            SW3["スイッチ"]
        end
    end

    APP1 --> NBI
    APP2 --> NBI
    APP3 --> NBI
    NBI --> CONTROLLER
    CONTROLLER --> SBI
    SBI --> SW1
    SBI --> SW2
    SBI --> SW3

    style APP1 fill:#e3f2fd
    style APP2 fill:#e3f2fd
    style APP3 fill:#e3f2fd
    style CONTROLLER fill:#fff3e0
    style SW1 fill:#c8e6c9
    style SW2 fill:#c8e6c9
    style SW3 fill:#c8e6c9

層	役割	例
アプリケーション層	ネットワーク機能の実装	監視、QoS、セキュリティ
コントロール層	ネットワーク全体の制御	SDNコントローラー
インフラ層	パケット転送	OpenFlowスイッチ

API

graph TB
    subgraph apis["SDNのAPI"]
        subgraph northbound["ノースバウンドAPI"]
            NB1["REST API"]
            NB2["Python SDK"]
        end

        CONTROLLER["SDNコントローラー"]

        subgraph southbound["サウスバウンドAPI"]
            SB1["OpenFlow"]
            SB2["NETCONF"]
            SB3["gRPC"]
        end
    end

    northbound --> CONTROLLER
    CONTROLLER --> southbound

    style NB1 fill:#e3f2fd
    style NB2 fill:#e3f2fd
    style CONTROLLER fill:#fff3e0
    style SB1 fill:#c8e6c9
    style SB2 fill:#c8e6c9
    style SB3 fill:#c8e6c9

OpenFlow

SDNを実現するための代表的なプロトコルです。

OpenFlowの構成要素

graph TB
    subgraph openflow["OpenFlowの構成"]
        CONTROLLER["OpenFlow<br/>コントローラー"]

        subgraph switch["OpenFlowスイッチ"]
            FLOW_TABLE["フローテーブル"]
            GROUP_TABLE["グループテーブル"]
            METER_TABLE["メーターテーブル"]
        end

        SECURE["セキュア<br/>チャネル<br/>（TLS）"]
    end

    CONTROLLER <-->|"OpenFlowプロトコル"| SECURE
    SECURE <--> FLOW_TABLE

    style CONTROLLER fill:#e3f2fd
    style FLOW_TABLE fill:#c8e6c9
    style GROUP_TABLE fill:#fff3e0
    style METER_TABLE fill:#f3e5f5

フローテーブル

graph TB
    subgraph flow_entry["フローエントリの構成"]
        MATCH["マッチフィールド<br/>条件（宛先IP等）"]
        PRIORITY["優先度"]
        COUNTER["カウンター"]
        INSTRUCTION["インストラクション<br/>（アクション）"]
        TIMEOUT["タイムアウト"]
        COOKIE["Cookie"]
    end

    MATCH --> FLOW["フローエントリ"]
    PRIORITY --> FLOW
    COUNTER --> FLOW
    INSTRUCTION --> FLOW
    TIMEOUT --> FLOW
    COOKIE --> FLOW

    style MATCH fill:#ffcdd2
    style INSTRUCTION fill:#c8e6c9

パケット処理の流れ

sequenceDiagram
    participant Packet as パケット
    participant Switch as OFスイッチ
    participant Controller as OFコントローラー

    Packet->>Switch: パケット到着

    alt フローエントリに一致
        Switch->>Switch: アクション実行<br/>（転送/破棄等）
    else 一致なし（テーブルミス）
        Switch->>Controller: Packet-In<br/>（パケット転送）
        Controller->>Controller: 処理を決定
        Controller->>Switch: Flow-Mod<br/>（フロー追加）
        Controller->>Switch: Packet-Out<br/>（パケット転送指示）
        Switch->>Switch: アクション実行
    end

OpenFlowメッセージ

graph TB
    subgraph messages["OpenFlowメッセージタイプ"]
        subgraph controller_to_switch["コントローラー→スイッチ"]
            FLOW_MOD["Flow-Mod<br/>フロー追加/削除"]
            PACKET_OUT["Packet-Out<br/>パケット送出指示"]
            BARRIER["Barrier<br/>同期"]
        end

        subgraph switch_to_controller["スイッチ→コントローラー"]
            PACKET_IN["Packet-In<br/>パケット通知"]
            FLOW_REMOVED["Flow-Removed<br/>フロー削除通知"]
            PORT_STATUS["Port-Status<br/>ポート状態変化"]
        end

        subgraph symmetric["対称（双方向）"]
            HELLO["Hello<br/>接続開始"]
            ECHO["Echo<br/>死活監視"]
        end
    end

    style FLOW_MOD fill:#e3f2fd
    style PACKET_OUT fill:#e3f2fd
    style PACKET_IN fill:#c8e6c9
    style FLOW_REMOVED fill:#c8e6c9
    style HELLO fill:#fff3e0
    style ECHO fill:#fff3e0

NFV（Network Functions Virtualization）

NFVの概念

graph TB
    subgraph comparison["従来 vs NFV"]
        subgraph traditional["従来"]
            HW1["専用FW"]
            HW2["専用LB"]
            HW3["専用ルーター"]
        end

        subgraph nfv["NFV"]
            subgraph server["汎用サーバー"]
                VM1["仮想FW"]
                VM2["仮想LB"]
                VM3["仮想ルーター"]
            end
        end
    end

    style HW1 fill:#ffcdd2
    style HW2 fill:#ffcdd2
    style HW3 fill:#ffcdd2
    style VM1 fill:#c8e6c9
    style VM2 fill:#c8e6c9
    style VM3 fill:#c8e6c9

項目	従来（専用機器）	NFV
ハードウェア	ベンダー専用	汎用サーバー
導入コスト	高い	低い
スケーリング	機器追加が必要	VM追加で対応
導入期間	長い	短い
柔軟性	低い	高い

NFVアーキテクチャ

graph TB
    subgraph nfv_arch["NFVアーキテクチャ（ETSI）"]
        subgraph vnf_layer["VNF（仮想ネットワーク機能）"]
            VNF1["vFW"]
            VNF2["vLB"]
            VNF3["vRouter"]
        end

        subgraph nfvi["NFVI（NFVインフラ）"]
            subgraph virtual["仮想化層"]
                HYPERVISOR["ハイパーバイザー"]
            end
            subgraph physical["物理層"]
                COMPUTE["コンピュート"]
                STORAGE["ストレージ"]
                NETWORK["ネットワーク"]
            end
        end

        MANO["NFV MANO<br/>（管理・オーケストレーション）"]
    end

    VNF1 --> HYPERVISOR
    VNF2 --> HYPERVISOR
    VNF3 --> HYPERVISOR
    HYPERVISOR --> COMPUTE
    HYPERVISOR --> STORAGE
    HYPERVISOR --> NETWORK
    MANO --> vnf_layer
    MANO --> nfvi

    style VNF1 fill:#e3f2fd
    style VNF2 fill:#e3f2fd
    style VNF3 fill:#e3f2fd
    style HYPERVISOR fill:#fff3e0
    style MANO fill:#ffcdd2

NFV MANOの構成

graph TB
    subgraph mano["NFV MANO"]
        NFVO["NFVO<br/>（オーケストレーター）"]
        VNFM["VNFM<br/>（VNFマネージャー）"]
        VIM["VIM<br/>（仮想化基盤マネージャー）"]
    end

    NFVO -->|"VNFの配置<br/>サービス構成"| VNFM
    VNFM -->|"VNFの<br/>ライフサイクル管理"| VIM
    VIM -->|"仮想リソースの<br/>割り当て"| NFVI["NFVI"]

    style NFVO fill:#ffcdd2
    style VNFM fill:#fff3e0
    style VIM fill:#c8e6c9

コンポーネント	役割
NFVO	ネットワークサービスのオーケストレーション
VNFM	VNFのライフサイクル管理（起動、停止、スケール）
VIM	仮想化基盤のリソース管理

SDN と NFV の関係

graph TB
    subgraph relationship["SDNとNFVの関係"]
        subgraph sdn_area["SDN"]
            SDN_CTRL["集中制御"]
            SDN_PROG["プログラマブル"]
        end

        subgraph nfv_area["NFV"]
            NFV_VIRT["機能の仮想化"]
            NFV_HW["汎用ハードウェア"]
        end

        SYNERGY["相乗効果"]
    end

    SDN_CTRL --> SYNERGY
    SDN_PROG --> SYNERGY
    NFV_VIRT --> SYNERGY
    NFV_HW --> SYNERGY
    SYNERGY --> RESULT["柔軟で効率的な<br/>ネットワーク"]

    style SDN_CTRL fill:#e3f2fd
    style SDN_PROG fill:#e3f2fd
    style NFV_VIRT fill:#c8e6c9
    style NFV_HW fill:#c8e6c9
    style SYNERGY fill:#fff3e0

観点	SDN	NFV
対象	ネットワーク制御	ネットワーク機能
アプローチ	制御と転送の分離	専用機器の仮想化
標準化団体	ONF	ETSI
関係	補完的（組み合わせ可能）	補完的（組み合わせ可能）

SD-WAN（Software-Defined WAN）

SD-WANの概要

graph TB
    subgraph sdwan["SD-WANの構成"]
        subgraph central["中央管理"]
            ORCH["オーケストレーター"]
            CTRL["コントローラー"]
        end

        subgraph edges["エッジデバイス"]
            EDGE1["拠点A<br/>SD-WANエッジ"]
            EDGE2["拠点B<br/>SD-WANエッジ"]
            EDGE3["拠点C<br/>SD-WANエッジ"]
        end

        subgraph wan["WAN回線"]
            MPLS["MPLS"]
            INET["インターネット"]
            LTE["LTE/5G"]
        end
    end

    ORCH --> CTRL
    CTRL --> EDGE1
    CTRL --> EDGE2
    CTRL --> EDGE3
    EDGE1 --> MPLS
    EDGE1 --> INET
    EDGE2 --> MPLS
    EDGE2 --> INET
    EDGE3 --> INET
    EDGE3 --> LTE

    style ORCH fill:#ffcdd2
    style CTRL fill:#fff3e0
    style EDGE1 fill:#c8e6c9
    style EDGE2 fill:#c8e6c9
    style EDGE3 fill:#c8e6c9

SD-WANの主要機能

graph TB
    subgraph features["SD-WANの機能"]
        AUTO["自動回線選択<br/>アプリケーション別"]
        QOS["QoS制御<br/>帯域制御"]
        VPN["暗号化VPN<br/>自動構築"]
        MONITOR["可視化・監視<br/>集中管理"]
        LBO["ローカル<br/>ブレイクアウト"]
        ZTP["ゼロタッチ<br/>プロビジョニング"]
    end

    style AUTO fill:#e3f2fd
    style QOS fill:#e3f2fd
    style VPN fill:#c8e6c9
    style MONITOR fill:#c8e6c9
    style LBO fill:#fff3e0
    style ZTP fill:#fff3e0

ローカルブレイクアウト

graph TB
    subgraph lbo["ローカルブレイクアウト"]
        subgraph branch["拠点"]
            EDGE["SD-WAN<br/>エッジ"]
        end

        DC["データセンター"]
        CLOUD["クラウド<br/>（SaaS）"]
    end

    EDGE -->|"社内システム<br/>MPLS経由"| DC
    EDGE -->|"クラウド向け<br/>直接インターネット"| CLOUD

    NOTE["アプリケーションを識別し<br/>最適な経路を自動選択"]

    style EDGE fill:#c8e6c9
    style DC fill:#e3f2fd
    style CLOUD fill:#fff3e0
    style NOTE fill:#f3e5f5

メリット:

データセンターの回線負荷軽減
クラウドサービスへの遅延低減
コスト削減

従来のWAN vs SD-WAN

graph TB
    subgraph comparison["従来WAN vs SD-WAN"]
        subgraph traditional["従来のWAN"]
            T1["高価なMPLS依存"]
            T2["手動設定"]
            T3["変更に時間"]
            T4["回線固定"]
        end

        subgraph sdwan_adv["SD-WAN"]
            S1["複数回線を併用"]
            S2["集中管理・自動化"]
            S3["迅速な変更"]
            S4["動的な回線選択"]
        end
    end

    style T1 fill:#ffcdd2
    style T2 fill:#ffcdd2
    style T3 fill:#ffcdd2
    style T4 fill:#ffcdd2
    style S1 fill:#c8e6c9
    style S2 fill:#c8e6c9
    style S3 fill:#c8e6c9
    style S4 fill:#c8e6c9

項目	従来WAN	SD-WAN
回線	MPLS主体	MPLS + インターネット + LTE
コスト	高い	削減可能
設定	機器ごと手動	集中管理・自動化
可視性	限定的	アプリケーションレベル
冗長性	回線ごとに設計	自動フェイルオーバー

VXLAN（Virtual Extensible LAN）

VXLANの概要

graph TB
    subgraph vxlan["VXLANの構成"]
        subgraph underlay["アンダーレイ（物理）"]
            VTEP1["VTEP"]
            VTEP2["VTEP"]
            L3["L3ネットワーク"]
        end

        subgraph overlay["オーバーレイ（論理）"]
            VNI1["VNI: 10001"]
            VNI2["VNI: 10002"]
        end

        VM1["VM1"]
        VM2["VM2"]
        VM3["VM3"]
        VM4["VM4"]
    end

    VM1 --> VTEP1
    VM2 --> VTEP1
    VM3 --> VTEP2
    VM4 --> VTEP2
    VTEP1 <-->|"UDPカプセル化"| L3
    L3 <--> VTEP2
    VM1 -.->|"VNI: 10001"| VM3
    VM2 -.->|"VNI: 10002"| VM4

    style VTEP1 fill:#c8e6c9
    style VTEP2 fill:#c8e6c9
    style VNI1 fill:#e3f2fd
    style VNI2 fill:#fff3e0

VXLANヘッダ構造

graph TB
    subgraph vxlan_packet["VXLANパケット構造"]
        OUTER_ETH["外部Ethernetヘッダ"]
        OUTER_IP["外部IPヘッダ"]
        OUTER_UDP["外部UDPヘッダ<br/>宛先ポート: 4789"]
        VXLAN_HDR["VXLANヘッダ<br/>VNI（24bit）"]
        INNER_ETH["内部Ethernetヘッダ"]
        INNER_IP["内部IPヘッダ"]
        PAYLOAD["ペイロード"]
    end

    OUTER_ETH --> OUTER_IP
    OUTER_IP --> OUTER_UDP
    OUTER_UDP --> VXLAN_HDR
    VXLAN_HDR --> INNER_ETH
    INNER_ETH --> INNER_IP
    INNER_IP --> PAYLOAD

    style OUTER_ETH fill:#f3e5f5
    style OUTER_IP fill:#f3e5f5
    style OUTER_UDP fill:#f3e5f5
    style VXLAN_HDR fill:#ffcdd2
    style INNER_ETH fill:#c8e6c9
    style INNER_IP fill:#c8e6c9

特徴	説明
VNI	24ビット（約1600万のネットワーク識別子）
カプセル化	UDP（ポート4789）
VTEP	VXLANトンネルエンドポイント
用途	データセンター内L2延伸、マルチテナント

技術比較表

技術	目的	標準化	主な用途
SDN	ネットワーク制御の集中化	ONF	データセンター、キャンパス
OpenFlow	SDNプロトコル	ONF	SDN実装
NFV	機能の仮想化	ETSI	通信事業者、企業
SD-WAN	WAN最適化	-	企業WAN
VXLAN	L2オーバーレイ	RFC 7348	データセンター

試験対策のポイント

mindmap
  root((SDN/NFV<br/>の要点))
    SDN
      コントロール/データ<br/>プレーン分離
      集中管理
      OpenFlow
        フローテーブル
        Packet-In/Out
      ノースバウンド/<br/>サウスバウンドAPI
    NFV
      専用機器→汎用サーバー
      VNF
      NFVI
      MANO
        NFVO
        VNFM
        VIM
    SD-WAN
      複数回線の活用
      ローカルブレイクアウト
      ゼロタッチ<br/>プロビジョニング
      アプリ識別
    VXLAN
      24bit VNI
      UDPカプセル化
      VTEP

SDNの3層を理解する
- アプリケーション層、コントロール層、インフラ層
- ノースバウンド/サウスバウンドAPI
OpenFlowの動作を把握する
- フローテーブルによるパケット処理
- Packet-In/Packet-Out/Flow-Modメッセージ
NFVの構成要素を覚える
- VNF: 仮想化されたネットワーク機能
- NFVI: NFVインフラ
- MANO: 管理・オーケストレーション
SD-WANの特徴
- ローカルブレイクアウトの概念
- 複数回線の動的選択
- ゼロタッチプロビジョニング
VXLANの仕組み
- 24ビットVNI（VLAN 12ビットの制限を解消）
- UDPカプセル化（ポート4789）