VNF（Virtual Network Function）完全ガイド：仕組み・設計・導入の実務ポイント

2025年12月12日 最終更新日時 : 2025年12月12日 エバープレイ編集部

はじめに：VNFとは何か

VNF（Virtual Network Function、仮想化されたネットワーク機能）は、従来専用ハードウェアで提供されてきたルーター、ファイアウォール、ロードバランサー、IMSやEPCのような通信向け機能などを、汎用サーバー上のソフトウェアとして実装したものです。NFV（Network Functions Virtualization）という概念の中核を成し、運用の柔軟化、TCO削減、迅速なサービス提供を実現します。

NFVアーキテクチャとMANO

NFVの参照アーキテクチャ（主にETSIによる定義）は、3つの主要ブロックから成ります。1) 仮想化インフラ（Compute/Storage/Network）を管理するVIM（Virtualized Infrastructure Manager）、2) VNFのライフサイクル管理を行うVNFM（VNF Manager）、3) ネットワークサービスのオーケストレーションを担うNFVO（Network Functions Virtualization Orchestrator）。これらを総称してMANO（Management and Orchestration）と呼びます。

実装例としては、VIMにOpenStackやKubernetes、MANOとしてはONAPやOSM、商用のオーケストレータが使われます。VNFはVNFD（VNF Descriptor）で構成や要件を表現し、NSD（Network Service Descriptor）で複数VNFのサービスとしての結合を記述します。

VNFのライフサイクルとオーケストレーション

VNFのライフサイクルはオンボーディング、インスタンシング（起動）、構成、スケール（水平/垂直）、アップグレード、フェイルオーバー、削除といった段階を含みます。オーケストレータはこれらを自動化・調整し、リソース割当やネットワーク接続、ポリシーに基づくスケーリングを実行します。

自動化のためには、標準化されたAPI（例：REST、NETCONF/YANG）やメタデータ（VNFD/NSD）が重要です。加えて、監視・テレメトリ情報（CPU/メモリ/パケットレート/遅延）を基にしたポリシー駆動のスケーリング設計が求められます。

デプロイメントモデルと場所（コア/エッジ/クラウド）

VNFは用途によりコアデータセンター、キャリアグレードのTelcoクラウド、エッジ（MEC）などに配置されます。5Gや低遅延アプリケーションでは、エッジに近いロケーションでVNF（またはCNF）を展開するケースが増えています。配置先によってはリソース制約やネットワーク遅延、運用の複雑さが変わるため、設計段階でのトレードオフ評価が重要です。

性能最適化とアクセラレーション技術

VNFは汎用サーバー上で動くため、性能の確保が課題になります。主な最適化手法は以下の通りです。

  • DPDKやVPPなどのユーザ空間データプレーンを用いた高速パケット処理。
  • SR-IOVやPCIパススルーによるNICのハードウェア割当てによるI/Oオーバーヘッド低減。
  • OVS-DPDKやvhost-userを用いた高速仮想スイッチ。
  • SmartNICやFPGAによるオフロード（暗号化、パケットフィルタなど）。
  • NUMAやCPUピニング、HugePagesなどのホスト最適化。

これらの適用は性能向上と柔軟性のトレードオフを生みます。例えばSR-IOVはI/O性能を上げますが、ライブマイグレーションなど一部の機能が制約されることがあります。

サービスチェイニングとネットワーク接続

複数のVNFを組み合わせて1つのサービスを構成する際には、Service Function Chaining（SFC）の概念が用いられます。実装上はVXLAN/GREといったオーバーレイ、あるいはNSH（Network Service Header）などのヘッダベースの手法でパケットの経路を制御します。トラフィックの順序制御、ステートフルVNF間のセッション維持、スケール時のセッション同期などが設計上のチャレンジです。

VNFとCNF（コンテナ化ネットワーク機能）の比較

近年はCloud-Nativeなアプローチに移行し、VNFの代替としてCNF（Container Network Function）が注目されています。CNFはKubernetes上で動くマイクロサービス化されたネットワーク機能で、速いデプロイ、軽量なスケール、高いCI/CD適合性が利点です。

ただし、極めて高いパケット処理性能を要求されるケースでは、従来型VNFのVMベース設計やハードウェアオフロードが依然有利な場合があります。現在はDPRKやeBPF、SR-IOVをコンテナ環境に取り込むことで両者のギャップを埋める取り組みが進んでいます。

監視・テレメトリ・デバッグ

運用面では、リアルタイムのテレメトリ（フロー統計、遅延、パケットドロップ、プロセスレベルのメトリクス）が必須です。PrometheusやGrafanaによる可視化、ENoS/ELKによるログ集約、パケットキャプチャやTRex、VPPのベンチマークを用いた負荷試験を組み合わせます。eBPFを使った軽量なパフォーマンス計測も効果的です。

セキュリティと信頼性

VNF導入に際しては以下の点が重要です。

  • マルチテナント環境での分離（ネットワーク/メモリ/CPU）とアクセス制御。
  • イメージ署名、セキュアブート、ハードウェアルートオブトラスト（TPMなど）。
  • 通信の暗号化、キーマネジメント、脅威検知のためのトラフィック可視化。
  • ステートフルVNFのHA設計（同期/レプリケーション）とロールバック戦略。

さらに、サプライチェーンやOSSコンポーネントの脆弱性管理も運用上の必須事項です。

商用化と運用上の留意点

商用導入では、VNFのオンボーディング（インタフェース・要件チェック）、ライセンス管理、ベンダー毎の差異が課題となります。オーケストレータとの互換性試験、性能保証（SLA）の検証、アップデートやセキュリティパッチの適用手順を明確にしておく必要があります。

導入のベストプラクティス

  • 初期段階で性能要件を明確化し、実機でのベンチマークを行う。
  • 可能な限り標準化されたVNFD/NSDを利用し、オーケストレータ依存を減らす。
  • モニタリングとアラート設計をサービス要件に合わせて事前に整備する。
  • エッジやクラウドなど配置先ごとの運用プロセスを定義する。
  • セキュリティとコンプライアンス要件を設計初期に組み込む。

将来動向

ネットワーク機能はよりクラウドネイティブ化し、CNFへの移行やeBPF/P4による柔軟なデータプレーン、SmartNICやDPUsによるオフロードが進む見込みです。5Gの完全仮想化やO-RANのような分散アーキテクチャ、AIを用いたオーケストレーション（自動チューニング、障害予知）などの進化も注目点です。

まとめ

VNFはネットワークの俊敏性とコスト効率を大幅に改善する一方で、性能・セキュリティ・運用の新たな課題を伴います。設計フェーズでの要件定義、適切なMANOとVIMの選定、性能試験と監視体制の確立、そしてクラウドネイティブ化のロードマップを含む戦略的アプローチが、成功するVNF導入の鍵となります。

参考文献

カテゴリー
IT
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