ネットワーク構造とは何か：物理／論理トポロジー、設計原則と最新技術（SDN・クラウド対応）
エバープレイ編集部ネットワーク構造とは何か — 概要と定義
ネットワーク構造（ネットワークトポロジー／ネットワークアーキテクチャ）は、端末やサーバ、スイッチ、ルータ、リンク（有線・無線）などネットワークを構成する要素がどのように接続され、どのようにデータを送受信するかを体系的に示したものです。単に物理的な接続形態（物理トポロジー）だけでなく、VLAN、ルーティング、サブネット、セキュリティ境界、制御プレーンとデータプレーンの分離といった論理的構造（論理トポロジー）も含みます。
物理トポロジーと論理トポロジー
ネットワークの構造を考える際、物理と論理の二つの視点が重要です。
- 物理トポロジー：ケーブルや無線の実際のつながり方（スター、バス、リング、メッシュ、ツリーなど）。障害発生時の影響範囲や配線コスト、物理的な配置が主な検討項目です。
- 論理トポロジー：VLAN、IPサブネット、ルーティングテーブル、トンネル（VPN、VXLAN）など、データが論理的にどのように流れるかを示します。実際の物理配線とは異なる論理構成を取ることも多く、柔軟なセグメント化や仮想化を可能にします。
代表的なネットワークトポロジー
基本的なトポロジーは以下の通りで、それぞれ長所短所があります。
- スター型：中央のスイッチ/ハブに端末が接続される。管理しやすく障害切り分けが容易だが、中央機器が単一障害点（SPOF）になり得る。
- バス型：一本の共有媒体に複数ノードが接続。古典的だが拡張性・冗長性に乏しい。
- リング型：ノードがリング状に接続。トークンリングや一部の光ネットワークで採用。冗長ループの管理が必要。
- メッシュ型：多数のノードが相互接続。高可用性だが配線・設定コストが高い。フルメッシュは限定的に使用。
- ツリー/階層型：アクセス層→集約（ディストリビューション）層→コア層のように階層化。大規模ネットワークで一般的。
階層化設計（ハイアラーキカルデザイン）の原則
企業やキャンパスネットワークでは、次の三層モデルが一般的です。
- アクセス層：エンドデバイスが接続される。セキュリティ（ポートベースの認証）、VLAN、PoEの供給など。
- 集約／ディストリビューション層：アクセス層のポリシー適用、ルーティング、QoS、ACLを集中管理。
- コア層：高速で冗長なバックボーンを提供。遅延を最小化し、全体の可用性を担保。
この階層化により、拡張性、冗長性、運用の分離が実現されます（Ciscoの設計指針などで広く推奨されています）。
データセンターとクラウドのネットワーク構造
データセンターやクラウドでは、従来の階層モデルに加え、低遅延・高帯域のファブリック（Closネットワーク、スパイン＆リーフ構成）が主流です。
- スパイン＆リーフ：全てのリーフスイッチがスパインスイッチと接続され、リーフ間通信はスパインを経由。拡張性と一貫した遅延特性が得られる。
- オーバーレイネットワーク（VXLAN、GREなど）：仮想ネットワークを物理ネットワーク上に重ね、マルチテナントや大規模なL2拡張を実現。
- クラウドの仮想ネットワーク：AWS VPC、Azure Virtual Network、GCP VPCのように、論理的なネットワーク分離、セキュリティグループ、サブネット設計が重要。
制御プレーンとデータプレーン、管理プレーン
ネットワーク構造を理解する際は、次の三つの機能層を切り分けると整理しやすいです。
- データプレーン（フォワーディングプレーン）：パケットの転送処理を行う。高速なASICやスイッチング処理が担う。
- 制御プレーン：ルーティングプロトコル（OSPF、BGPなど）やスイッチング制御で、トポロジ情報を交換して経路を構築する。
- 管理プレーン：設定、監視、認証、ログ収集など運用管理に関する機能（SNMP、NetFlow/IPFIX、Syslogなど）。
主要なプロトコルと機能
ネットワーク構造は使用するプロトコルによってその振る舞いが大きく異なります。代表的なプロトコルと役割を整理します。
- IP（IPv4/IPv6）：ネットワークの基本的なアドレッシング。IPv4は依然広く使われ、IPv6はアドレス枯渇対策と拡張性のため導入が進む。
- ルーティングプロトコル：OSPF（内部）、BGP（広域・インターネット）、RIP（古い）。BGPは特にAS間ルーティングで重要。
- スイッチングとVLAN：レイヤ2でのセグメント化はIEEE 802.1Qで実装し、複数の論理ネットワークを1つの物理インフラで運用可能にする。
- トンネリング／オーバーレイ：VXLANやGREでL2をL3上に拡張。クラウドや仮想化環境で多用される。
- DHCP、DNS、NAT：IPアドレス自動割当（DHCP）、名前解決（DNS）、プライベートとパブリックの変換（NAT）など、運用に欠かせない機能。
- QoS（サービス品質）：優先度付け、帯域制御、遅延・ジッタ管理により音声・映像などの品質を担保する。
可用性・冗長化・性能設計
実運用に耐えるネットワークは、単なる接続性だけでなく次の点を満たす必要があります。
- 冗長化：リンク冗長、機器冗長、ルート冗長。プロトコルではHSRP/VRRPなどのゲートウェイ冗長やBGPマルチホームなど。
- ループ制御：スパニングツリー（STP）やその改良（RSTP、MSTP）、ループ発生時の収束性を考慮する。
- 負荷分散：複数パス・リンクのアグリゲーション（LACP）、ロードバランサによるフロー分散。
- 性能指標：スループット、レイテンシ（往復遅延）、ジッタ、パケットロス。要件に応じた許容値を設計段階で定義する。
セキュリティと分離（マイクロセグメンテーション、ゼロトラスト）
ネットワーク構造の設計はセキュリティとの密接な関係があります。単純な境界防御だけでは不十分となり、以下が重要です。
- 分離：VLANやVRF、ファイアウォールによるゾーニングで影響範囲を限定する。
- マイクロセグメンテーション：データセンターやクラウドでワークロード単位の細かなアクセス制御を適用。
- ゼロトラスト：ネットワーク内外を問わず「信頼しない」アーキテクチャ。NIST SP 800-207に基づく設計原則がある。
- 監査とログ：流入・流出のトラフィック監視、侵入検知・防御（IDS/IPS）、イベントログの集約と分析。
運用管理と可観測性（Observability）
ネットワークは設計して終わりではなく、常時監視・運用する必要があります。代表的な手法・ツールを挙げます。
- SNMP：機器監視とメトリクス収集。
- フロー収集（NetFlow／sFlow／IPFIX）：トラフィックの可視化と分析。
- ログ管理：SyslogやSIEMによるイベント解析。
- テレメトリ／ストリーミング監視：リアルタイムでメトリクスを送る仕組み（gRPC、OpenConfigなどの採用が進む）。
- 自動化・オーケストレーション：Ansible、Terraform、APIベースの設定で人的ミスを削減。
最新のトレンド：SDN、NFV、意図型ネットワーキング
近年は従来の機器ベースのネットワーク設計に対し、ソフトウェア中心のアプローチが普及しています。
- SDN（Software-Defined Networking）：制御プレーンを中央化し、プログラム可能なネットワークを実現。OpenFlowやONFの取り組みが背景にあります。
- NFV（Network Functions Virtualization）：ルータやファイアウォールなどを汎用サーバ上のソフトウェアで実現し、柔軟にサービスを配置。
- 意図型ネットワーキング（Intent-Based Networking）：経営・運用要件（意図）を高レベルで指定すると、システムが適切な構成を自動化して反映する考え方。
設計チェックリスト（実践的ポイント）
- 要件定義：性能（スループット・レイテンシ）、可用性目標（SLA）、セキュリティ要件を明確にする。
- アドレス設計：IPアドレッシングとサブネット計画、将来の拡張性を見込む。
- 冗長化戦略：単一障害点（SPOF）を洗い出し、冗長化手段を設計する。
- 運用性：監視・バックアップ・変更管理の仕組みを設計段階で組み込む。
- テストと検証：導入前に設計検証（PoC）、障害時の挙動を確認。
まとめ
ネットワーク構造は単なる配線図ではなく、組織の業務要件・セキュリティ方針・可用性要求・運用体制を反映した総合設計です。物理と論理の両面を意識し、現代のクラウド／仮想化環境やSDN/NFVの潮流を踏まえた柔軟で監視可能な構成を目指すことが重要です。設計と運用を切り離さず、検証と自動化を進めることでスケールと信頼性を両立できます。
参考文献
- RFC 791 — Internet Protocol
- RFC 8200 — IPv6 Specification
- RFC 4271 — BGP-4
- RFC 2328 — OSPF Version 2
- IEEE 802.1Q (VLAN tagging) — IEEE
- Cisco — Campus Network Design（階層化デザイン）
- IETF — Internet Engineering Task Force（標準化団体）
- RFC 2131 — DHCP
- RFC 3022 — Traditional NAT
- NIST SP 800-207 — Zero Trust Architecture
- Open Networking Foundation (ONF) — SDN / OpenFlow
- ETSI — Network Functions Virtualisation (NFV)
- AWS — Amazon VPC Documentation
投稿者プロフィール
