OpenFlowのコントローラとスイッチの動作【ネットワークスペシャリスト試験 平成29年度 秋期 午後2 問1 設問1】

ネットワークスペシャリスト試験 平成29年度 秋期 午後2 問1 設問1

問1 SDNとクラウドの活用に関する次の記述を読んで、設問1〜4に答えよ。

 A社は、国内外に顧客をもつ生産機械メーカである。A社では、IoT時代に適応するために、新たな情報システム基盤を整備中である。

 現在の情報システム基盤は、国内工場の自社設備と、国内外にサービス用拠点をもつクラウドサービス事業者B社のIaaS環境で構成されている。B社のA社向けIaaS環境は国内にあり、工場とは専用線で接続されている。インターネットと工場とは、インターネットサービス事業者C社の国内拠点を介して接続されている。

 A社の情報システム部は、顧客の拠点で稼働中の生産機械(以下、機械という)と情報システム基盤のWebサーバで構成されたシステム(以下、新システムという)を開発中である。また、本年度は、ネットワーク(以下、NWという)の拡張を予定している。NW拡張の概要を図1に示す。

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 NW拡張の目的を次に示す。

・工場LANのSDN(Software-Defined Networking)化:SDN技術を用いて、現在の工場LANを、ビジネス変化に対応できる柔軟性と拡張性を備えた新たな工場LAN(以下、新工場LANという)に刷新する。新工場LANでは、物理配線の変更なしに、自社要員だけで構成変更ができるようにする。

・クラウドサービスの利用拡大:開発中の新システムは、国内外の多数の機械に対する、ファームウェアの一斉更新、稼働状況の定期収集に用いられる。新システムの本運用のために、Web-Aよりも大規模なWeb-Bを構築し、B社クラウドサービス(図1中のB社CDN、B社ISP)を活用して、Web-Aへのアクセス経路よりも高速なWeb-Bへのアクセス経路を実現する。

 機械からWeb-Aへのアクセスの概要を次に示す。

Web-Aを収容しているDMZは、プライベートアドレスが割り当てられている

・機械から送信されたIPパケットは、C社ISPを経由し、FWに転送される。その宛先IPアドレスは、図1中の(あ:i1)である。

あ:i1

機械からWeb-Aへ送信されるパケットの宛先IPアドレスは何かを考えます。

Web-AのIPアドレスは、本文に「Web-Aを収容しているDMZは、プライベートアドレスが割り当てられている」とあり、プライベートアドレスです。

したがって、Web-Aがインターネットと通信するにはグルーバルIPアドレスに変換する必要があります。

この変換を担うのはFWであり、インターネット側の機械からは変換されたグローバルIPアドレスを宛先に通信します。

したがって、図1でFWのインターネット側に割り当てられている「i1」が該当します。

FWは、受信したIPパケットをLBに転送する。その際、FWの(い:NAT)機能によって、宛先IPアドレスは図1中の(う:i3)に書き換えられる。

い:NAT、う:i3

FWでのグルーバルIPアドレスからプライベートIPアドレスへの変換(その逆の変換)のことをNAT(Network Address Translation)といいます。

図1より、Web-Aは、LB(負荷分散装置)とWeb-A1/A2から構成されていて、FWでインターネット側から受信したパケットをNATした後に、LBに転送します。

したがって、宛先IPアドレスはLBの「i3」が該当します。

・LBは、サーバの稼働状況をチェックしながら、受信したIPパケットを動的にWeb-A1又はWeb-A2に振り分ける。

 NW拡張後は、B社クラウドサービスを使って、機械からWeb-Bへ同様のアクセスが行われるようになる。機械は、Web-AへのアクセスとWeb-Bへのアクセスを切り換えられるようになっており、試行環境と本運用環境を使い分けながら、新システムの機能拡充を進めていく予定である。

 情報システム部のNW拡張プロジェクトでは、新工場LANの提案と構築をベンダに委託し、それ以外の作業を自社要員が担当する。NW拡張プロジェクト発足に先立ち、情報システム部のD君が、次の準備作業を行っている。

・新工場LANに適用するSDN技術の調査:ベンダから提案があった、新工場LANに適用するSDN技術について、その概要を整理する。

・新工場LANの運用の調査:ベンダから提案があった、新工場LANの論理構成と通信方式の概要を整理する。

・クラウドサービス利用拡大の検討:新システムの本運用に用いる、B社CDNとB社ISPを使ったNWの導入案を作成する。

・A社向けIaaS環境のバックアップの検討:B社拠点(国内)が長時間使えない場合を想定し、新システムの稼働を再開させるための代替手段を検討する。

【新工場LANに適用するSDN技術の調査】

 ベンダから提案があったSDN技術について、D君は次のように整理した。

・従来のスイッチ機能を、経路制御などの管理機能を実行するフローコントローラ(以下、OFCという)と、データ転送を行うスイッチ(以下、OFSという)に分け、OFSに入るパケットの経路制御をOFCが集中制御する方式を採用する。

・OFSとOFCは、管理のための専用NW(以下、管理NWという)を介して、通信メッセージを交換する。OFCとOFS間の通信メッセージを表1に示す。

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・OFSは、IPアドレス、MACアドレスなどのパケット識別子(Match Field、以下、MFという)を使ったパケット識別条件と、識別されたパケットの処理(以下、Actionという)の組合せ(以下、エントリという)を、OFS内の管理テーブルで管理する。

・OFSは、入力パケットに対して、管理テーブル内のパケット識別条件が一致するエントリを探し、そのエントリのActionを実行する。一致するエントリがない場合は、事前の設定に従い、入力パケットを破棄するか、Packet-Inメッセージを使ってOFCに入力パケットを転送する。今回の提案では、OFCへの通信集中を避けるために、入力パケットを破棄させる設定を全OFSに対して行う。

・MFとActionの例を表2に示す。

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 ベンダの提案では、8台のOFSを導入する。ベンダから提案があった新工場LANの物理構成案を、図2に示す。

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 OFS同士の接続情報をOFCが収集する通信シーケンスについて、D君はベンダから説明を受けた。例えば、図2中のOFCが、OFS1とOFS2の接続情報を得る場合のOFS接続情報収集の通信シーケンス例は、図3のようになる。

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 OFS接続情報の収集では、IEEE 802.1ABで規定されているLLDP(Link Layer Discovery Protocol)の仕組みを流用する。図3中のOFCは、固有のイーサネットタイプ88CCをもつLLDPフレームを使って、次のように、LLDPフレームXとLLDPフレームYの内容からOFS1のp8とOFS2のp9の接続情報を得ている。

①OFCは、表1中の(え:Flow-Mod)メッセージを使って、ETH_TYPEが88CCに等しいときのActionとして、Output(お:controller)を、OFS内の管理テーブルに登録させる。

え:Flow-Mod、お:controller

①は、OFCからOFSへの通信で、OFS内の管理テーブルに登録させるものであるので、表1のFlow-Modメッセージに該当します。

Actionの設定については、表2からOutputとして「ポートID」(指定ポートに出力する)か、「controller」(Packet-Inメッセージを使いOFCに転送する)が入ることが分かります。

そして②の処理で、Packet-InメッセージでOFCに送信していることから、ここではOutput(controller)が該当します。

②OFCは、表1中の(か:Packet-Out)メッセージを使って、OFS1の全ポートについて、OFS1の装置名とそれぞれのポートIDを格納したLLDPフレームを出力させ、装置名OFS1とポートID p8が格納されたLLDPフレームXをOFS2から受け取る。

か:Packet-Out

表1で、OFCがOFSに送信するPacket-Outメッセージ(出力パケットと出力ポートIDを送り、OFSに出力させる)が該当します。

②の処理は、OFCがOFS1にLLDPフレームを出力させ、それを受信したOFS2がLLDPフレームXをOFCに送信することで、OFCがOFS接続情報を収集することになります。

③OFCは、OFS2に対して②と同様の操作を行い、装置名(き:OFS2)とポートID(く:p9)が格納されたLLDPフレームYをOFS1から受け取る。

【出典:ネットワークスペシャリスト試験 平成29年度 秋期 午後2 問1(一部、加工あり)】

https://www.jitec.ipa.go.jp/1_04hanni_sukiru/mondai_kaitou_2017h29_2/2017h29a_nw_pm2_qs.pdf

き:OFS2、く:p9

③は②と同様に、OFCがOFS2にLLDPフレームを出力させ、それを受信したOFS1がLLDPフレームYをOFCに送信します。

OFSのLLDPフレームですので、装置名「OFS2」、ポートID「p9」が該当します。

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