ネットワーク設計とは
ネットワーク設計とは、特定のビジネスまたは組織の要件を満たすために、コンピュータ・ネットワークを計画、設計、実装、検証する戦略的プロセスです。ネットワークのアーキテクチャ、コンポーネント、レイアウト、接続性を決定し、最適なパフォーマンス、信頼性、セキュリティ、拡張性、管理性を確保します。
このプロセスには、ネットワークが使用されるアプリケーションとビジネス要件の特定、ルーター、スイッチ、ファイアウォールなどのネットワークハードウェアの選択、トポロジー（デバイスの接続方法）の定義、IPアドレス体系の計画、データフロー経路の確立、冗長性とフォールトトレランスの確保などが含まれます。効果的なネットワーク設計は、システム間の円滑な通信を可能にし、ビジネスアプリケーションをサポートし、データやサービスへの信頼性の高いアクセスを提供するための基礎となります。
ネットワーク設計は通常、詳細なダイアグラムと構成プランによって文書化され、ネットワークの展開と継続的な管理の指針となります。小規模なローカル・エリア・ネットワーク (LAN) を構築する場合でも、大規模なワイド・エリア・ネットワーク (WAN) を構築する場合でも、優れた設計はパフォーマンスのボトルネックを回避し、ダウンタイムを削減し、将来の成長をサポートします。
ネットワーク設計の使用方法
ネットワーク設計は、企業のキャンパスからクラウド・インフラまで、さまざまな IT 環境で重要な役割を果たします。その実践的な適用により、ネットワーク・パフォーマンスが運用上の目標に合致し、現在および将来のテクノロジー・ニーズを確実にサポートします。
企業環境では、構造化されたネットワーク設計がビジネスクリティカルなアプリケーションをサポートし、セキュリティポリシーを実施し、強固なゼロトラスト・フレームワークによってユーザー、デバイス、データの一元管理を可能にします。例えば、多国籍企業では、拠点間の安全かつ冗長な通信を確保しながら、オンプレミスのシステムとクラウドベースのサービスをシームレスに接続するハイブリッド設計が必要になる場合があります。
データセンターの展開において、ネットワーク設計は高可用性、回復力、最適なパフォーマンスを確保するための基本です。インフラストラクチャの導入に先立ち、チームはまず、ネットワーク接続、配電、冷却システム、物理的なラックレイアウトに対応する包括的なプランニングを通じて、データセンターにハードウェアを設置する準備を整えます。この下準備は、仮想化、コンテナ化、データ集約型ワークロードなどの高度なテクノロジーをサポートし、当初からスケーラブルでパフォーマンスと効率の高い環境を実現するために不可欠です。
クラウドサービスプロバイダーは、スケーラブルでセキュアなマルチテナント環境を構築するために、ネットワーク設計の原則を使用しています。仮想ネットワーク、SDN（Software-Defined Networking）、ダイナミック・ルーティング・プロトコルは、トラフィック・フローを最適化し、ワークロードを分離するために採用されています。
企業がますます近代化されたデータセンターを採用するにつれて、ネットワーク設計はますますソフトウェア主導で自動化が重視されるようになっています。オーケストレーション・ツール、モニタリング・システム、セキュリティ・フレームワークをネットワーク・ファブリックに統合することで、一貫性のある標準化された構成、リアルタイムの可視化、プロアクティブな問題解決が可能になります。
3層とクロ（リーフ-スパイン）ネットワーク設計の理解
ネットワーク・アーキテクチャは、スケーラビリティ、パフォーマンス、管理性を確保する上で重要な役割を果たします。企業環境では、従来の3層モデルが依然として基本的なアプローチですが、最新のインフラ、特にデータ・センターでは、クロ（リーフ・スパイン）アーキテクチャに基づく、より合理的な2層モデルが多く採用されています。どちらのモデルも、モジュール式の成長と運用効率を可能にするビルディングブロック設計哲学をサポートしています。
1.3層アーキテクチャ
3層ネットワーク設計では、ネットワークをアクセス、ディストリビューション、コアの3つの機能層に整理します。アクセス層は、デスクトップ、プリンター、IP電話、無線アクセスポイントなどのエンドユーザーデバイスをネットワークに接続します。通常、レイヤー2スイッチング、VLAN割り当て、PoE（Power over Ethernet）、ポートレベルのセキュリティを処理します。ディストリビューション層はポリシーの境界として機能し、アクセス・スイッチからのトラフィックを集約すると同時に、VLAN間ルーティングを可能にし、アクセス制御リスト（ACL）、サービス品質（QoS）、ルート要約などのネットワーク・ポリシーを適用します。
コアレイヤーは、ネットワークの高速バックボーンとして機能し、ディストリビューションレイヤーと外部ネットワークとの間で低レイテンシーで回復力のあるトランスポートを提供します。主に可用性とスループットに重点を置き、パフォーマンスを維持するためのポリシーの適用は最小限です。
2.クロス・アーキテクチャー
リーフ・スパインとも呼ばれるClosアーキテクチャは、ハイパフォーマンスデータセンターや機械学習、AIワークロード向けに最適化されたノンブロッキングでスケーラブルな設計です。リーフスイッチとスパインスイッチの2つの主要レイヤーで構成されています。リーフ・スイッチは、サーバー、ストレージ・システム、GPUなどのエンドポイントに直接接続し、すべてのスパイン・スイッチへのアップリンクも確立します。スパイン・スイッチは、すべてのリーフ・スイッチを相互接続し、一貫性のある、または決定論的なオーバーサブスクリプションで低レイテンシー、高帯域幅のパスを提供する、非常に効率的で予測可能なメッシュを作成します。
この設計は、効率的な東西トラフィックフローを促進し、イコールコスト・マルチパス（ECMP）ルーティングをサポートし、中断することなく追加のリーフスイッチまたはスパインスイッチを統合できるようにすることで、水平スケーリングを可能にします。クロス・アーキテクチャーは、一貫したスループットとフォールト・トレランスが不可欠な最新のデータ・センターで基礎となっており、進化するパフォーマンスと柔軟性の要件に対応するため、キャンパス・ネットワークでの利用がますます検討されています。
HPC環境のネットワーク設計
ハイパフォーマンス・コンピューティング（HPC）環境では、数千ノードに及ぶ並列コンピューティングのワークロードをサポートするために、ultra、高帯域幅、最小ジッタを実現するネットワーク設計が行われることがよくあります。
従来の企業ネットワークとは異なり、HPCアーキテクチャは、集中的なシミュレーション、科学的モデリング、AIトレーニングに必要なパフォーマンスを達成するために、多くの場合、InfiniBandや高速イーサネットなどの特殊な相互接続に依存しています。この設計では、コンピュートクラスタ間で一貫したスループットとタスク同期を確保するために、ノンブロッキングトポロジ、効率的なデータフロー、決定論的通信を重視しています。
ネットワーク設計の課題
堅牢で効率的なネットワークを設計するには、技術面や運用面でさまざまな課題に対処する必要があります。環境が複雑化するにつれ、設計者は進化するビジネス目標や技術的な要求に対応しなければなりません。
進化するアプリケーション要件への対応
アプリケーションの分散化とデータ集約化が進むにつれ、ネットワーク設計は、動的なトラフィック・パターン、低レイテンシ伝送、ハードウェアやソフトウェアの障害発生時のシームレスなフェイルオーバーをサポートする必要があります。このような需要の変化を考慮しないと、パフォーマンスが低下したり、非効率的なネットワークになり、アプリケーションのパフォーマンスやユーザー・エクスペリエンスが制限される可能性があります。
セキュリティの統合
ネットワークの各レイヤーでセキュリティを統合することは極めて重要ですが、しばしば複雑です。設計者は、パフォーマンスのボトルネックを引き起こすことなく、セキュアなアクセス、暗号化、セグメンテーション、およびコンプライアンス要件を考慮する必要があります。
環境およびエネルギー効率への配慮
AIトレーニングのような負荷の高いワークロードをサポートするためにネットワークが拡張されるにつれ、エネルギー効率は設計の優先事項の中核となっています。設計者は、環境への影響と運用コストを削減するために、電力効率の高いハードウェア、最適化された冷却、エネルギーを考慮したルーティングを採用しています。グリーン設計の実践は、企業が持続可能性の目標や進化する規制要件を満たすのにも役立ちます。
冗長性と耐障害性
ネットワークの継続的な可用性を確保するには、フェイルオーバーパス、冗長ハードウェア、ダイナミック・ルーティングの綿密な計画が必要です。アプリケーションの重要度に応じて、セカンダリデータセンターをソリューションに組み込むこともできます。ネットワーク設計に適切な冗長性が組み込まれていないと、ハードウェアの故障やメンテナンス時に重大なダウンタイムが発生する可能性があります。
マルチサイトまたはハイブリッド環境の複雑さ
複数の拠点を接続したり、オンプレミスのシステムとクラウドインフラを統合したりすると、複雑なレイヤーが追加されます。一貫したポリシー、信頼性の高い接続性、一元管理を実現することが難しくなります。自動化とオーケストレーションのソリューションは、設計、展開、継続的な運用を簡素化します。
よくあるご質問
- ネットワーク設計はサイバーセキュリティ態勢にどのような影響を与えるのでしょうか。熟考されたネットワーク設計は、セグメンテーション、ゼロ・トラスト・アーキテクチャ、制御されたアクセス・ポイントを組み込むことによって、組織のサイバーセキュリティを大幅に強化することができます。早期に設計を決定することで、効果的な防御戦略を制限することも可能にすることもできます。
- ネットワーク設計者になるには、どのような資格が必要ですか？ネットワーク設計者は通常、コンピュータ・サイエンス、情報技術、またはネットワーク工学のバックグラウンドを持っています。CompTIA Network+、Cisco Certified Network Associate (CCNA)、Juniper Networks Certified Internet Associate (JNCIA)などの業界認定資格は、信頼性と技術的専門性を高めることができます。
- ネットワーク設計は自動化できますか？はい、最新のツールやプラットフォームでは、インテントベースのネットワーキングやAI主導のアナリティクスにより、ネットワーク設計の部分的な自動化が可能です。ほとんどの最新のハードウェアとソフトウェアは自動化を念頭に構築されており、CLI などの従来の方法に加え、デバイスを管理するための RESTful API を活用しています。これらのツールは、トポロジーの推奨、トラフィック・フローのシミュレーション、さらには事前に定義された目標に基づくポリシーの設定を実施することができます。