QinQ と VLAN と VXLAN
著者 Yana
日付 08/10/2023
VLAN（仮想ローカルエリアネットワーク）技術は、距離や物理的な場所による制約を取り除き、ネットワーク管理を効率化します。しかし、大規模ネットワークでデバイスやユーザーの数が増加するにつれて、VLANには最大4094 VLANという上限や、ネットワークリンクの利用効率が低いという制約があります。これらの課題を克服するために、VXLAN（仮想拡張LAN）およびQinQ技術が登場しました。本記事では、これら3つの技術について説明し、比較します。本記事では、QinQ、VLAN、VXLANという3つの技術について説明し、比較します。
VLAN、VXLAN、QinQの概要
VLAN（仮想LAN）とは？
VLANは、ネットワークを複数のブロードキャストドメインに分割する技術です。各ブロードキャストドメイン内では、ユーザーは自由に通信できます。異なるVLAN間の接続を確立する際には、理解すべき2つの基本概念があります。それは、VLANタギングとVLAN間ルーティングです。
VLAN タギングでは、フレームが VLAN トランクポートを通過する際に一意の識別子を追加することで、異なる VLAN のフレームを通過可能にします。タギングの方法の 1 つは IEEE 802.1Q. VLANの設定は、CLI（Command Line Interface）とWebベースのユーザーインターフェイスのどちらからでも、簡単で使いやすく行えます。
QinQ（802.1Q-in-802.1Q)とは何ですか？
QinQは、VLANスタッキングまたは二重VLANとも呼ばれ、IEEE 802.1adで標準化されています。これは、VLANタグを二重レイヤー—プライベートネットワークの内側タグとパブリックネットワークの外側タグ—でカプセル化するものです。Q-in-Qは、通信事業者のバックボーンネットワークで広く使用されています。プライベートネットワークのVLANタグをパブリックネットワークのVLANタグ内にラッピングすることで、QinQは二重VLANタグ付きパケットが通信事業者のバックボーンネットワーク（パブリックネットワーク）を通過できるようにします。この仕組みにより、利用可能なVLAN容量が拡張され、より正確なユーザー管理が可能になります。
IEEE 802.1Q規格では、最大4096個のVLANを識別できる12ビットのVLAN IDフィールドが規定されています。しかし、ネットワークが拡大し続けるにつれて、この制限はますます厳しいものとなっています。これに対応するため、802.1Q規格を拡張したIEEE 802.1adでは、もともと802.1Qでタグ付けされたパケットに、追加の802.1Qタグ（VLANタグと呼ばれる）を導入しています。この技術革新により、使用可能なVLAN数は4094 x 4094に拡大されます。このような二重タグ付きパケットは、QinQパケットと呼ばれます。
QinQパケットは標準化された構造に従います。通常、802.1Qタグ付きパケットは追加の802.1Qタグ内にネストされるため、"QinQ"と呼ばれます。パケットがネットワークを通過する際、外側のVLANタグに基づいてパブリックネットワーク内でルーティングされます。内側のVLANタグはデータとして扱われ、それとともにパブリックネットワークを通過します。この二重タグ構成により、QinQパケットは標準の802.1Q VLANタグ付きパケットと比べて4バイト多くなります。
QinQの実装には、Basic QinQとSelective QinQの2つの主なタイプがあります。
Basic QinQは、ポートベースのタグ付け方式を使用します。VLAN VPNが有効になっているインターフェースにパケットが到着すると、スイッチはそのパケットにデフォルトのVLANタグを付加します。受信パケットにすでにタグが付いているかどうかにかかわらず、結果は同じです。すでにタグが付いている場合は二重のVLANタグを持ち、付いていない場合はスイッチポートのVLANタグが付加されます。
Selective QinQは、基本的なQinQの機能を備えながら、さらに高い柔軟性を実現します。MACアドレス、IPプロトコル、送信元IPアドレス、およびVLANタグに基づいてパケットの内部VLANタグを識別し、追加するタグを決定します。
VXLAN（Virtual Extensible LAN）とは何ですか？
VXLANはVirtual Extensible LANとも呼ばれ、MAC address-in-user datagram protocol（MAC-in-UDP）カプセル化を使用して、Layer 3ネットワーク上にLayer 2オーバーレイネットワークを構築できるようにする技術です。データセンターでは、VXLANが物理ネットワーク上に配置されるオーバーレイネットワークを構築するための主要なプロトコルとして台頭しており、仮想ネットワークの実装を容易にしています。VXLANプロトコルを活用することで、大規模かつ広範なセグメンテーション機能を提供してマルチテナント型データセンターのニーズを満たしながら、データセンターネットワークを効果的に仮想化できます。基本的に、VXLANはVLANと同様のサービスを提供しますが、拡張性と柔軟性が強化されています。QinQと同様に、VXLANパケットは一貫した形式に従います。VXLAN MAC-in-UDPカプセル化を使用すると、元のパケットにVXLANヘッダーが付加され、その後UDP IPパケット内に配置されます。概念を説明する簡単な図を以下に示します。
VXLANヘッダー: Layer 2セグメントを識別し、セグメント間のLayer 2分離を維持するために使用される24ビットのVirtual Network Identifier（VNID）で構成されます。VNID内の全24ビットによって、VXLANがサポートできる最大1,600万のLANセグメントが定義されます。
外部UDPヘッダー： VTEP（VXLAN Tunnel Endpoint）はUDPヘッダー内の送信元ポートを割り当て、宛先ポートは通常UDPポート4789です。
外部IPヘッダー： 送信元VTEPに関連付けられ、内部フレームの送信元と相関する送信元IPアドレスを含みます。
外側のEthernetヘッダー: 外側のEthernetヘッダー内の送信元MACアドレスは、内側のフレームの送信元に関連付けられたVTEPに対応します。
その QSFPTEK S5600シリーズおよびS7600シリーズのレイヤー3スイッチは、高性能を提供するように設計されたVXLANやその他のデータセンター機能をサポートしています。
QinQ、VLAN、VXLANの違い
VLANは、Layer 2ネットワークの分離、フラッディングの防止、ルーティングインターフェースとしての機能など、さまざまな課題に対処するために使用されてきました。現在では、Ethernetスイッチ、ルーター、ファイアウォールなどのシステムやネットワークデバイスで、VLANのサポートが広く利用可能になっています。ただし、本稿では主にVLANタギングに焦点を当てます。VLANタギングは、異なるVLAN間の通信を円滑にするうえで重要な役割を果たします。
前述のとおり、VLANタギングでは、IEEE 802.1QプロトコルまたはISL (Inter-Switch Link)を使用して、異なるVLANを通過するフレームにタグを付加します。このタギング方式が適用されるフレームには、単一のタグが付与されます。これに対し、QinQテクノロジーはVLANよりも高い柔軟性を備えています。これは、受信フレームまたはパケットに選択的にタグを付けられることから明らかです。さらに、外側のVLANタグにより、有限であるVLAN IDの制約に効果的に対処できます。同時に、一意の内側タグによってプライベートVLAN IDとパブリックVLAN IDの競合が軽減され、小規模および大規模の両方の企業ネットワークに適したシンプルなレイヤー2 VPNソリューションを提供します。
VXLANに関しては、ある程度QinQと同様の機能を提供しますが、その動作レイヤーはより高い拡張性を備えています。VXLANはMAC-in-UDPカプセル化を使用し、レイヤー2ネットワークの範囲を大幅に拡大します。クラウドコンピューティングの発展に伴い、特に仮想化データセンターにおいて、テナントのネットワークインフラストラクチャ要件は一層厳しくなっています。この現象により、堅牢なレイヤー2ネットワークの必要性が高まっています。
MAC-in-UDPの実装は24ビットVNIDの使用をサポートしており、物理的な距離の制約や導入上の障壁を克服しながら、単一のデータセンター内で複数のテナントをホストできます。その結果、近年、VXLANはクラウドコンピューティングや仮想化環境で普及しています。しかし、VLANやQinQと比較すると、VXLAN技術はより高価で複雑です。そのため、すべてのVLANスイッチにこの機能が搭載されているわけではありません。
結論
QinQ、VLAN、VXLANは、それぞれ固有のネットワーク要件に対応する技術です。QinQはVLANのスタッキングと拡張に優れています。VLANはネットワークを編成し、VXLANはMAC-in-UDPによって拡張性を確保します。選択は具体的な要件によって異なります。QinQは高度なVLAN機能を提供し、VLANは基本的な機能を担い、VXLANは汎用性の高い仮想化を実現します。VLAN技術とLayer 2/3ネットワークが進化する中、QinQやVXLANなどの高度なソリューションは、現在の課題に対処し、将来に向けて効率を向上させます。
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