イーサネットスイッチにおけるネットワーク遅延とは？

現代のネットワークにおける重要な要素であるネットワーク遅延は、データ伝送の効率に大きな影響を与えます。イーサネット遅延という用語は頻繁に登場しますが，これについて深く理解していますか？この記事では、ネットワーク遅延とは何か、ネットワーク遅延の原因、測定方法、およびイーサネットスイッチを使用して遅延を低減する方法について説明します。詳しくは、このまま読み進めてください。

ネットワーク遅延とは？

ネットワーキングにおけるレイテンシの意味

「ネットワーク遅延」という用語は、ネットワーク上でのデータ伝送の遅れを指します。Ethernetスイッチの遅延とは、Ethernetパケットがネットワークスイッチを通過するのにかかる具体的な時間を指します。遅延時間が長いネットワークは高遅延ネットワーク、遅延時間が短いネットワークは低遅延ネットワークと呼ばれます。

Ethernetスイッチ レイテンシーは、片方向レイテンシーと往復レイテンシーという2つの観点から概念化できます。通常、後者が主要な指標として使用され、Ethernetパケットが送信元から宛先まで移動するのにかかる合計時間が含まれます。現在、往復遅延は重要な指標です。これは、デバイスがTCP/IPネットワークプロトコルを使用して特定のデータを宛先に送信し、次のデータを送信する前に確認応答が返ってくるのを待つためです。したがって、この方式はネットワークのパフォーマンスに大きな影響を与えます。 

ネットワーク遅延の重要性

デジタルトランスフォーメーションに取り組む企業が増えるにつれ、重要な業務機能を実行するためにクラウドベースのアプリケーションやサービスを利用するようになっています。運用活動も、インターネットに接続されたスマートデバイスから収集されるデータに依存しており、これらは総称してモノのインターネット（IoT）と呼ばれます。レイテンシの遅延は、特にセンサーデータに依存するリアルタイム運用において非効率を招く可能性があります。さらに、高いレイテンシは、企業が高コストのネットワークインフラを導入している場合でも、ネットワーク容量を拡張するための投資収益を低下させ、ユーザー体験と顧客満足度に影響を与えます。

ネットワークで  遅延が発生する原因は何ですか？

前のセクションでは、ネットワーク遅延の概念について説明しました。このセクションでは、遅延の原因について詳しく説明します。ネットワーク遅延の長さには、多くの要因が関係しています。以下に、遅延の原因となり得る要因をいくつか示します。

伝送媒体の影響

データは伝送媒体またはリンクを介して伝送されるため、伝送媒体またはリンクが遅延に与える影響は重大です。たとえば、光ファイバーネットワークの遅延は、無線ネットワークと比較して短くなります。同様に、ネットワークがある種類の媒体から別の種類の媒体に切り替わるたびに、総伝送時間が数ミリ秒増加します。

ヘッダー分析 

Ethernetスイッチでは、パケットヘッダーの詳細を分析して必要なデータを組み込むために、追加の時間が必要になる場合があり、遅延が発生することがあります。その結果、スイッチを通過するパケットの転送時間が長くなる可能性があります。 

ストレージ関連のパケット遅延

スイッチやブリッジなどの中間デバイスで、パケットの保存処理やディスクアクセスに遅延が生じると、ストレージ遅延が発生することがあります。

セキュリティ処理の遅延

ネットワーク遅延は、ウイルス対策およびセキュリティプロセスの影響を受ける可能性があります。これらのプロセスでは、伝送前にメッセージの再結合と分解を完了するための時間が必要です。

ソフトウェアのバグ

遅延はユーザー側のソフトウェアのバグに起因する場合があり、ネットワークのレイテンシーにつながります。

イーサネットスイッチにおけるネットワーク遅延の測定

前章から明らかなように、スイッチの遅延はネットワーク遅延に影響を与える重要な要素です。そこで、どのように測定するのかという疑問が生じます。

IEEE仕様 RFC2544

IEEE RFC2544仕様は、ストアアンドフォワードデバイスの遅延を評価するために広く受け入れられている手法を提供します。RFC2544では、遅延テストを少なくとも20回繰り返し、その結果をすべてのテスト結果の平均値とすることが求められています。

Netperf 

Netperfは、TCPまたはUDPベースの転送向けネットワーク性能測定ツールです。Netperfのテスト結果は、あるシステムが別のシステムへデータを送信できる速度と、もう一方のシステムがデータを受信できる速度を示します。

ピンポン

Ping Pongは、高性能コンピューティングクラスタ内のレイテンシを測定するために使用される手法です。この方法では、メッセージパッシングインターフェイス（MPI）を介して送信されるリモートプロシージャコール（RPC）の往復時間を評価します。

Ethernetスイッチでネットワーク遅延を削減する方法は？

Ethernetスイッチを使用してネットワーク遅延を最小限に抑えるために、さまざまな手法が採用されています。これらのアプローチには、以下が含まれます。

ネットワーク容量の増強

遅延やコリジョンを軽減するための最も直接的かつ効果的な方法の1つは、Ethernetスイッチに必要な容量を確保することです。   スイッチにネットワーク容量を拡張する機能が備わっているかどうかを確認することが重要です。   パケットロスゼロを保証するEthernetスイッチは、ネットワーク性能の向上において極めて重要な役割を果たします。Link Aggregation Control Protocol（略称LACP）は、ポートトランキングによってネットワーク性能を向上させる標準機能です。LACPの詳細については、こちらの記事をご覧ください：  LACPとPAGP：違いとは？ - QSFPTEK

VLANを使用したネットワークセグメンテーション

従来のフラットネットワークではリンクの過負荷が発生しやすいため、VLAN機能を備えたEthernetスイッチは、トラフィックを目的の宛先へ効率的にルーティングできます。  ポート、動的VLAN割り当て、プロトコル、MACアドレスなどの要素に基づいてトラフィックを分割するための、さまざまなレイヤー2およびレイヤー3 VLAN Ethernetスイッチが用意されています。

カットスルー技術の実装

この方式はパケット交換システムに関連し、ネットワーク遅延の最小化を目的としています。  カットスルー方式では、宛先アドレスの処理が完了すると、パケット全体を受信する前でもスイッチがパケット転送を開始できるため、ネットワーク遅延が短縮されます。  ただし、この技術は同じ速度で動作するポートに適用した場合に最適に機能する点に注意する必要があります。

RDMAでレイテンシを低減

RDMA（Remote Direct Memory Access）は、データ転送効率に革命をもたらす最先端のネットワーク技術です。CPUを介する従来の方法とは異なり、RDMAではネットワーク内のコンピューターのメモリ間でデータを直接交換できます。これによりCPUを経由せず、レイテンシーが短縮されるため、リアルタイムシミュレーション、データ分析、ハイパフォーマンスコンピューティングなどのタスクにおけるデータ通信が高速化されます。 QSFPTEK's S5600 および S7600 シリーズスイッチはRDMAをサポートし、高スループットと超低遅延を実現します。

結論

結論として、ネットワーク遅延はEthernetスイッチにおける効率的なデータ伝送にとって極めて重要です。本記事の目的は、EthernetスイッチにおけるEthernet遅延の概念を明確にし、それを低減するための戦略について知見を提供することです。ネットワーク遅延を完全に排除することは不可能かもしれませんが、目標は可能な限り最小限に抑えることです。ネットワーク遅延が及ぼす影響を理解し、緩和戦略を適用することは、ネットワークへの依存が進む今日の環境において不可欠です。