Name: NVIDIA ネットワーキング：データセンターの設計に関する考察 (NVIDIA Networking: Data Center Design Considerations)
Uploaded: 2025-10-13T23:58:10.000Z
Duration: 17 min 59 s
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Welcome to the Data Center Design Considerations course.

データセンター設計の考慮事項コースへようこそ。

The purpose of this unit is to equip you with the basic knowledge to understand the main data center requirements and how they can be fulfilled.

このユニットの目的は、主要なデータセンターの要件と、それらをどのように満たすことができるかを理解するための基本的な知識を身につけていただくことです。

We'll start with defining what is a network topology and what are the considerations when choosing the right topology for one's needs.

まず、ネットワークトポロジーとは何か、そしてニーズに合ったトポロジーを選択する際の考慮事項について定義します。

Then we'll present two design the hierarchical network design that is considered the traditional design and the leaf spine used in modern data centers.

次に、従来の設計とされる階層型ネットワーク設計と、最新のデータセンターで使用されるリーフスパインの2つの設計を提示します。

Later, we'll compare layer two versus Layer three designs and understand how their behavior and protocols impact network performance.

後ほど、レイヤー2とレイヤー3の設計を比較し、それらの動作とプロトコルがネットワークパフォーマンスにどのように影響するかを理解します。

Let's start with an overview of general data center design considerations.

まず、一般的なデータセンター設計の考慮事項の概要から始めましょう。

A data center is a facility used to house computer systems and associated components such as compute, network and storage systems.

データセンターとは、コンピュート、ネットワーク、ストレージシステムなどのコンピュータシステムと関連コンポーネントを収容するために使用される施設です。

A data center can be the size of a small server room to a few buildings.

データセンターは、小さなサーバールームから数棟の建物ほどの規模まであります。

Geographically distributed, the data center is a critical business asset where companies run their workloads.

地理的に分散されたデータセンターは、企業がワークロードを実行する重要なビジネスアセットです。

The modern data center has evolved from a facility containing an on premises infrastructure to one that connects on premises systems with cloud infrastructures where networks, applications and workloads are virtualized in multiple private and public clouds.

最新のデータセンターは、オンプレミスインフラストラクチャを含む施設から、ネットワーク、アプリケーション、ワークロードが複数のプライベートおよびパブリッククラウドで仮想化されるクラウドインフラストラクチャとオンプレミスシステムを接続するものへと進化しました。

Data centers require scalability, resiliency and security.

データセンターにはスケーラビリティ、レジリエンス、セキュリティが必要です。

The modern data center is also becoming more technologically advanced to provide better efficiency.

最新のデータセンターは、より高い効率を提供するために、技術的にも進化しています。

Data center design is the process of planning all of a data center's essential computational and non computational parameters.

データセンター設計とは、データセンターの計算上および非計算上のすべての必須パラメータを計画するプロセスです。

Some are listed number and type of required servers, network layout, power, cooling and ventilation systems, physical data center security, disaster recovery and business continuity planning.

必要なサーバーの数と種類、ネットワークレイアウト、電源、冷却および換気システム、物理的なデータセンターセキュリティ、災害復旧および事業継続計画などが挙げられます。

Modern data center design will incorporate many different aspects that will make it easy to manage and more efficient.

最新のデータセンター設計は、管理しやすく、より効率的なものにするために、さまざまな側面を取り入れています。

We won't cover in this unit all data center design aspects, but we will focus on networking considerations.

このユニットでは、データセンター設計のすべての側面を網羅しませんが、ネットワークに関する考慮事項に焦点を当てます。

One important design aspect is the network layout or topology.

重要な設計側面の一つは、ネットワークレイアウト、つまりトポロジーです。

A network topology is the schematic arrangement of elements such as links and nodes, which ultimately constitutes the structure of the network.

ネットワークトポロジーとは、リンクやノードなどの要素の模式的な配置であり、最終的にネットワークの構造を構成します。

It describes not just how devices on the network are connected, but

これは、ネットワーク上のデバイスがどのように接続されているかだけでなく、

also how data moves from one node to another.

データがノードからノードへとどのように移動するかについても説明しています。

The following are key considerations when choosing a network.

ネットワークを選択する際の主な考慮事項を以下に示します。

Availability Enterprises that run critical applications need maximum availability of their network resources.

可用性 クリティカルなアプリケーションを実行する企業は、ネットワークリソースの可用性を最大限に高める必要があります。

High availability features must be considered throughout the network.

ネットワーク全体で高可用性機能を考慮する必要があります。

Hardware and software, network protocols, as well as environmental and power features all contribute to the overall availability of the network.

ハードウェアとソフトウェア、ネットワークプロトコル、そして環境と電源機能はすべて、ネットワーク全体の可用性に貢献します。

Reliability in many of the industries, even brief downtime and delays are unacceptable.

多くの業界では、たとえ短いダウンタイムや遅延であっても許容できません。

For this reason, network reliability is a fundamental consideration.

このため、ネットワークの信頼性は基本的な考慮事項となります。

Performance the topology of a network is key to determining its performance.

パフォーマンス ネットワークのトポロジーは、そのパフォーマンスを決定する鍵となります。

Choosing the right topology can increase performance while making it easier to locate faults, troubleshoot errors, and

適切なトポロジーを選択することで、パフォーマンスを向上させ、障害の特定、エラーのトラブルシューティング、

more effectively allocate resources across the network.

ネットワーク全体のリソースのより効果的な割り当てを容易にすることができます。

Future Growth if the network is expected to grow in size in the mid to long term.

将来の成長 中長期的にネットワークの規模が拡大すると予想される場合。

Choose a network topology that's easy to add new nodes without negatively affecting performance or the user experience.

パフォーマンスやユーザーエクスペリエンスに悪影響を与えることなく、新しいノードを簡単に追加できるネットワークトポロジーを選択しましょう。

You can choose a topology that is perfectly suited to your needs, but it may not be affordable.

ニーズに完全に合ったトポロジーを選択できますが、費用対効果が高くない場合があります。

There will probably be a lower priced alternative that's nearly as effective.

ほぼ同等の効果を持つ、より安価な代替案があるでしょう。

The hierarchical design separates a network into distinct layers where each layer has its role in the network.

階層型設計では、ネットワークを明確なレイヤーに分割し、各レイヤーがネットワーク内で役割を担います。

This hierarchical network design is most effective for north south traffic patterns where a majority of the data goes in and out of the data center, such as client server applications.

この階層型ネットワーク設計は、クライアントサーバーアプリケーションのように、データの大部分がデータセンターに出入りするノースサウストラフィックパターンに最も効果的です。

The model scales somewhat well because of its modularity, but

このモデルはモジュール性があるため、ある程度はスケールしますが、

may be subject to bottlenecks if uplinks between layers are oversubscribed.

レイヤー間のアップリンクがオーバーサブスクライブされると、ボトルネックが発生する可能性があります。

Cloud computing, virtualization, Big data and related trends have come together to transform data centers.

クラウドコンピューティング、仮想化、ビッグデータ、および関連するトレンドが組み合わさって、データセンターを変革しました。

Modern data center environments are becoming much more dependent on east west traffic as more data moves between servers and storage nodes in order to meet end user demands.

最新のデータセンター環境では、エンドユーザーの要求を満たすために、サーバーとストレージノード間でより多くのデータが移動するため、イーストウエストトラフィックへの依存度が大幅に高まっています。

The network design needs to serve the modern data center's increasing demand for server to server communication, scalability and resiliency in the past few years, many data centers have transitioned to a leaf spine design to overcome the limitations of the hierarchical design.

ネットワーク設計は、サーバー間通信、スケーラビリティ、およびレジリエンスに対する最新のデータセンターの需要の高まりに対応する必要があります。過去数年間で、多くのデータセンターは、階層型設計の制限を克服するためにリーフスパイン設計に移行しました。

A leaf spine architecture is a two layer full mesh topology composed of a leaf layer and a spine layer.

リーフスパインアーキテクチャは、リーフ層とスパイン層で構成される2層のフルメッシュトポロジーです。

The spine switches connect the leaf switches with one another, whereas the leaf switches connect servers to the network.

スパインスイッチはリーフスイッチ同士を接続し、リーフスイッチはサーバーをネットワークに接続します。

For that reason, the leaf switches are also referred to as the top of the rack switches or TORs.

そのため、リーフスイッチはトップオブラックスイッチ、またはTORとも呼ばれます。

Every leaf switch is connected to every spine switch, and obviously vice versa.

すべてのリーフスイッチはすべてのスパインスイッチに接続されており、当然その逆も同様です。

The leaf spine architecture has many advantages, as listed here.

リーフスパインアーキテクチャには、ここにリストされているように多くの利点があります。

If the network reaches a certain scale, a third level of switches should be considered.

ネットワークがある程度の規模に達した場合、3番目のスイッチレベルを検討する必要があります。

In this case, the upmost level, called the superspine or core, is used to interconnect the spine switches.

この場合、スーパー スパインまたはコアと呼ばれる最上位レベルが、スパイン スイッチを相互接続するために使用されます。

しかし、同じルールが適用されます。

Now that we know that the leaf spine design is the best choice for modern data centers, let's see whether the network should be configured to operate at Layer two or Layer three.

リーフスパイン設計が最新のデータセンターにとって最良の選択肢であることがわかったので、ネットワークをレイヤー2またはレイヤー3で動作するように構成すべきかどうかを見てみましょう。

In a Layer two network, networking devices are configured for switching, meaning they make Layer two forwarding decisions.

レイヤー2ネットワークでは、ネットワークデバイスはスイッチング用に構成され、レイヤー2フォワーディングの決定を行います。

They build and maintain a Mac address table that maps Mac addresses to exit ports.

MACアドレスを出口ポートにマッピングするMACアドレステーブルを構築・維持します。

The switches process ethernet frames and forward them based on the destination Mac address that is matched against the Mac address.

スイッチはイーサネットフレームを処理し、MACアドレスと照合された宛先MACアドレスに基づいて転送します。

Table Overall, a layer 2 network does not scale well and provides lower bandwidth and performance than a Layer three network.

全体として、レイヤー2ネットワークはスケーラビリティが悪く、レイヤー3ネットワークよりも帯域幅とパフォーマンスが低くなります。

Also, it's harder to achieve redundancy and multipath support.

また、冗長性とマルチパスサポートを実現するのが難しくなります。

We'll explore the reasons for that in the following slides.

その理由を次のスライドで見ていきます。

Let's focus on redundancy and multipath support A redundant network design allows for network availability by duplicating elements such as switches or links, so that if an element fails, critical applications are not disrupted.

冗長性とマルチパスサポートに焦点を当てましょう。冗長なネットワーク設計は、スイッチやリンクなどの要素を複製することでネットワークの可用性を可能にし、要素が故障した場合でも、重要なアプリケーションが中断されないようにします。

Redundancy attempts to eliminate any single point of failure in the network.

冗長性は、ネットワーク内の単一障害点を排除しようとします。

In this example, each leaf switch has a link to each of the spine switches so that there are two available paths for the host to communicate.

この例では、各リーフスイッチが各スパインスイッチにリンクを持っており、ホストが通信するための2つの利用可能なパスがあります。

Let's assume that when host A communicates with host C, the path is via Spine 1.

ホストAがホストCと通信する際、パスはスパイン1を経由すると仮定しましょう。

But what happens if the link between Leaf 1 and Spine 1 fails?

しかし、リーフ1とスパイン1間のリンクが故障した場合はどうなるでしょうか？

There is another available path via Spine 2 that can now be used for traffic forwarding.

トラフィック転送に利用できる別のパスがスパイン2を経由して存在します。

This is the idea of a redundant network design.

これが冗長なネットワーク設計の考え方です。

There is an active path and a backup path.

アクティブパスとバックアップパスがあります。

If the active path fails, the backup path takes over.

アクティブパスが故障した場合、バックアップパスが引き継ぎます。

But if there are two available paths, why not use them both at the same time?

しかし、2つのパスが利用可能なら、なぜ両方を同時に使用しないのでしょうか？

This will allow for load balancing the traffic, hence providing twice the bandwidth and better resource utilization.

これによりトラフィックのロードバランシングが可能になり、帯域幅が2倍になり、リソース利用率が向上します。

This is the advantage of multipath support.

これがマルチパスサポートの利点です。

Multipath is a strategy where traffic forwarding to a single destination can occur over multiple paths.

マルチパスとは、単一の宛先へのトラフィック転送が複数のパスを介して発生する可能性のある戦略です。

It can substantially increase bandwidth by load balancing traffic over multiple paths.

複数のパスにトラフィックをロードバランシングすることで、帯域幅を大幅に増やすことができます。

However, it may be difficult to deploy it, especially in a layer 2 network.

しかし、特にレイヤー2ネットワークでは、展開が難しい場合があります。

その理由を見ていきましょう。

We already know that a redundant network design Requires additional redundant layer 2 links to provide a backup path in case of a link or switch failure.

冗長なネットワーク設計では、リンクまたはスイッチの障害が発生した場合にバックアップパスを提供するために、追加の冗長なレイヤー2リンクが必要になることはすでにわかっています。

Those redundant links allow multiple paths between a pair of nodes.

これらの冗長リンクにより、ノードのペア間に複数のパスが可能になります。

Well, that sounds terrific, because that's exactly what we're trying to achieve.

それは素晴らしい響きですね。まさに私たちが達成しようとしていることです。

But because of the behavior of layer two networks, this creates a layer two loop that eventually results in traffic denial.

しかし、レイヤー2ネットワークの動作により、これはレイヤー2ループを作成し、最終的にトラフィックの拒否につながります。

それがどのように引き起こされるか見てみましょう。

You probably recall from the previous unit how broadcast frames are handled by the switches.

前のユニットで、スイッチがブロードキャストフレームをどのように処理するかを覚えているかもしれません。

それらはネットワークにフラッディングされます。

ネットワークにループがある場合。

The broadcast frames circulate endlessly in the network, consuming all available bandwidth.

ブロードキャストフレームはネットワーク内で無限に循環し、利用可能な帯域幅をすべて消費します。

This phenomenon is called a broadcast storm and it must be avoided.

この現象はブロードキャストストームと呼ばれ、回避しなければなりません。

Otherwise bandwidth is unavailable for normal network traffic.

そうしないと、通常のネットワークトラフィックに帯域幅が利用できなくなります。

So the simple conclusion is that a redundant layer 2 network design causes broadcast storms.

したがって、単純な結論は、冗長なレイヤー2ネットワーク設計がブロードキャストストームを引き起こすということです。

Does that mean we can't have a redundant layer two network?

それでは、冗長なレイヤー2ネットワークを持つことができないということでしょうか？

We can and should have a redundant physical design.

冗長な物理設計は可能であり、そうすべきです。

But logically there can only be one active path at a time between any pair of end nodes.

しかし論理的には、任意の2つのエンドノード間には一度に1つのアクティブパスしか存在できません。

We'll now present the protocol that provides this capability.

この機能を提供するプロトコルをこれからご紹介します。

Spanning Tree Protocol, or stp, ensures a loop free logical topology for Ethernet networks.

スパニングツリープロトコル、略してSTPは、イーサネットネットワークにループフリーの論理トポロジーを保証します。

It allows a network design that includes redundant links and provides automatic backup paths if an active link fails.

冗長なリンクを含むネットワーク設計を可能にし、アクティブなリンクが障害を起こした場合に自動バックアップパスを提供します。

STP achieves that by identifying redundant links and putting the redundant ports in blocking state.

STPは、冗長なリンクを特定し、冗長ポートをブロッキング状態にすることでこれを実現します。

Then, when a topology change occurs, SDP reacts and moves block ports to forwarding state.

次に、トポロジー変更が発生すると、SDPが反応し、ブロックポートをフォワーディング状態に移行させます。

It is important to mention that the convergence time of SDP is between 30 to 50 seconds, during which data traffic is not served.

SDPのコンバージェンス時間は30秒から50秒であり、その間データトラフィックは提供されないことに注意することが重要です。

Maybe this convergence time was acceptable in the 1980s when STP was initially developed, but

STPが最初に開発された1980年代にはこのコンバージェンス時間でも許容されたかもしれませんが、

no modern data center can tolerate such a long convergence time.

現代のデータセンターでこれほど長いコンバージェンス時間を許容することはできません。

Rapid Spanning Tree Protocol, or RSTP was introduced in the 1990s to provide rapid recovery after a topology change.

ラピッドスパニングツリープロトコル、略してRSTPは、トポロジー変更後の迅速な復旧を提供するために1990年代に導入されました。

There are different enhancements to support faster convergence, and we won't discuss the details here.

より高速なコンバージェンスをサポートするためのさまざまな機能強化がありますが、ここではその詳細については触れません。

In general, RSTP allows the switches to almost immediately react to a topology change and start negotiating port states.

一般的に、RSTPはスイッチがトポロジー変更にほぼ即座に反応し、ポート状態のネゴシエーションを開始することを可能にします。

In addition, RSTP provides alternate ports that immediately move to forwarding state if a port becomes unavailable.

さらに、RSTPはポートが利用できなくなった場合に即座にフォワーディング状態に移行する代替ポートを提供します。