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ネットワーク管理者ガイド

インターネットエクスチェンジポイント

IXP、自律システム、BGPがどのように連携してインターネットトラフィックをルーティングするのか、そしてそれらを効果的に監視する方法を理解する。

11〜16分

デントン千倉

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IXPの可視性を高めることで、遅延リスクを低減し、あらゆるデジタル顧客体験を保護します。

  • IXP（インターネットエクスチェンジポイント）は現在、ユーザーの利用プロセスにおける重要な制御ポイントとなっており、そこで混雑や障害が発生すると、アプリケーションのパフォーマンスが静かに低下する可能性がある。

  • IXPの状態をエンドツーエンドで可視化できなければ、チームはラストマイルの問題とピアリングや経路の問題を区別するのに苦労する。

  • IXP（インターネットエクスチェンジポイント）におけるプロアクティブな監視は、チームが潜在的なパフォーマンスリスクが顧客に影響を与えるインシデントに発展する前にそれを検知するのに役立ちます。

  • IXP（インターネットエクスチェンジポイント）の監視をデジタルエクスペリエンス戦略の中核に据えることで、顧客が影響を感じる前にピアリングの問題を特定し、解決することができます。

インターネットエクスチェンジポイント（IXP）は、インターネットを構成する複雑なネットワークにおいて重要な役割を担っています。この記事では、IXPの役割と、公共インターネットのパフォーマンスを監視する方法について説明します。

インターネット解説

大まかに言うと、インターネットは次のようなものです。

自律システムを接続するインターネットエクスチェンジポイント

その画像についてどう考えたらいいか分からない？ご安心ください。次のセクションで一つずつ詳しく解説していきます。

自律システム（AS）

自律システム（AS）とは、ネットワークに属し、単一の組織によって管理されるIPプレフィックスの集合を表します。各ASには、ネットワーク固有の自律システム番号（ASN）が割り当てられます。 

グローバルインターネットは、相互接続された数万もの自律システムで構成されており、2つの自律システム間の相互接続には、32ビット（以前は16ビット）のAS番号が必要となる。

インターネット割り当て番号機関（IANA）は、ASN（認証番号）の割り当てを担当しています。IANAは、5つの地域インターネットレジストリ（RIR）にASNを割り当てます。RIRは、それぞれの地域内の組織にASNを割り当てます。

インターネットサービスプロバイダーの階層

前述のとおり、インターネットはネットワーク（AS）のネットワークです。これらのASネットワークのほとんどは、企業、政府機関、大学などで構成されています。これらのASネットワークは、インターネットサービスプロバイダ（ISP）によって接続されています。ISPもまた、1つまたは複数のASネットワークです。各ISPは、自社のAS内で使用される独自のルーティングポリシーとトポロジーを持っています。 

インターネットサービスプロバイダ（ISP）は、他のISPや顧客のためにインターネットトラフィックを伝送する。 

ISPの中には、世界中に広範なネットワークを持つ大規模なものもあれば、国や大陸に限定された小規模なものもあります。こうした状況から、ISPは3層構造になっています。

  • ティア1これらのISPはインターネットの基幹を成す存在です。世界中にネットワークを拡張することで、グローバルなリーチを実現しています。ティア1 ISPは他のティア1 ISPとプライベートなピアリング契約を結び、顧客にインターネット接続を提供します。ティア1 ISPが複数のAS番号（ASN）を割り当てられ、それぞれが特定の目的やサービスに使用されることは珍しくありません。
  • ティア2これらのISPは、ティア1 ISPからの有料インターネットトランジットと、他のティア2 ISPとのピアリングを組み合わせて利用します。通常、これらは全国規模のプロバイダーです。
  • ティア3これらのISPは、エンドユーザーにインターネット接続を提供するために、ティア2またはティア3のISPからインターネットトランジットのみを購入しています。主に顧客にローカルインターネットアクセスを提供しており、全国規模または地域規模（都市、大都市圏など）のプロバイダーである場合があります。

インターネットエクスチェンジポイント

インターネットサービスプロバイダ（ISP）、コンテンツ配信ネットワーク（CDN）、ウェブスケール企業、SaaS企業は、業務遂行のためにインターネットトラフィックの交換を必要とします。この交換は通常、インターネットエクスチェンジポイント（IXP）への接続によって実現されます。

IXPとは、冗長性を確保するために1つまたは複数のサイトに分散配置された拠点であり、IXPのメンバーは大規模なレイヤ2ネットワークで接続されている。

複数のスイッチにまたがり、複数のサイトに分散した単一のレイヤ 2 ドメインを作成するためのさまざまな方法が利用可能です。たとえば、通常の VLAN すべてのスイッチで構成されている、または、使用するほど複雑なものである可能性があります。 イーサネットVPN （EVPN）を制御プレーンとして、 仮想拡張可能 LAN (VXLAN)をデータプレーンとして使用する。

例えば、これは様々なエンティティがIXPに接続される様子を示したものです。

インターネットエクスチェンジポイントに接続された複数のエンティティ

IXPに拠点を置くことの利点は、メンバーがIXP内の他のメンバーへの経路を短縮できることです。これにより、レイテンシが低減され、往復時間が短縮され、トランジットISPを経由するトラフィックと比較してコストが削減されます。これは以下の図に示されています。

トランジットISPエンドユーザーフロー

2021年1月現在、IXPは約840ある。 ピアリングDBPeeringDBはネットワーク情報を含むデータベースであり、インターネットピアリング情報の事実上の標準となっています。

ルーティングプロトコル、特にBGP

先に述べたように、各AS（自律システム）は一連のIPプレフィックスを所有しています。これらのプレフィックスは、ルーティングプロトコルを使用してAS間で交換されます。ルーティングプロトコルにより、ルータは宛先への最適なパス（IPプレフィックス）を選択したり、トポロジー変更イベントが発生した場合にルーティングテーブルの内容を調整したりすることができます。

インターネットを動作させるプロトコルは ボーダーゲートウェイプロトコル （BGP）。現在のBGPバージョンはバージョン4です。マルチプロトコル拡張機能のおかげで、バージョン4はIPマルチキャストルートや、IPv4、IPv6、VPNv4、VPNv6などのさまざまなレイヤ3アドレスファミリーに関する情報を伝送できます。

各ASはBGPプロトコルを使用して、他のASとIPプレフィックスを交換します。BGPには内部BGPと外部BGPの2種類があります。内部BGP（IBGP）は、同じAS内の2つのピア間でBGPセッションが設定される場合に使用されます。外部BGP（EBGP）は、異なるASに属する2つのピア間でBGPセッションが設定される場合に使用されます。

内部および外部境界ゲートウェイプロトコルを使用する自律システム

BGPは、他のルーティングプロトコルと同様に、漠然としたルートよりも具体的なルートを優先します。プレフィックスを扱う場合、サブネットマスクが長いほど、プレフィックスはより具体的になります。つまり、ルーターが10.10.10.10ホストと通信しようとする場合、10.10.10.0/16プレフィックスよりも10.10.0.0/24プレフィックスが優先されます。

（2つのBGPネイバーから同一のルートが受信された場合など）最適なルートを決定する際、BGPはそれらのプレフィックスの属性と値を比較する最適パス選択アルゴリズムを使用します。

BGPがより具体的なプレフィックスを選択するという事実は、意図的なものも含め、大規模なインターネット障害を引き起こしてきました。例えば、企業が（誤って、あるいは意図的に）Microsoftが発表するよりも具体的なプレフィックスとしてOffice365のプレフィックスをアドバタイズしてしまう可能性があります。すべてのASは可能な限り具体的なルートを優先するため、このような場合、Office365アプリケーション宛てのすべてのトラフィックが企業に転送されてしまうことになります。

最も特定な境界ゲートウェイプロトコルを介したトラフィックルーティング

このような事態を避けるため、各ASは、BGPピアから、そのピアASが所有するルートのみを許可する必要があります。この方法は、ASとプレフィックス間の関連付けを含むデータベースであるインターネットルーティングレジストリ（IRR）を使用することで広く実現されています。

経路の起点を保護するための新しいメカニズムは リソース公開鍵インフラストラクチャ RPKI（Resource Protocol Identifier：仮想プライベートネットワーク基盤）は、プレフィックスと、それらのプレフィックスの発信元となるAS（自律システム）との関連付けを暗号的に署名する方法です。RPKIの実装は、CDNプロバイダー、ウェブスケールプロバイダー、および一部の大手ISPによって主導されています。 

DNS 

ドメインネームシステム（DNS）は、ドメイン名をIPアドレスに変換するシステムです。インターネットはすべてIPv4またはIPv6プロトコルで動作しています。 

ウェブサイトにアクセスする際、アクセス元のホストはウェブサイトのIPアドレスを知る必要があります。このプロセスはユーザーにとって透過的であり、ホスト上にDNSサーバーを設定する必要があります。DNSサーバーはクエリを実行して、ウェブサイトに関連付けられたIPアドレスを特定することができます。

このタイプの変換は、フォワードDNSとも呼ばれます。

DNS変換には、リバースDNSと呼ばれる別の種類があります。リバースDNSは、IPアドレスに対応する名前を検索しようとする際に発生します。 

CDN 

コンテンツ配信ネットワーク（CDN）とは、複数の場所からコンテンツを提供することでコンテンツの読み込み遅延を最小限に抑える、分散型サーバーのネットワークです。このプロセスにより、各ユーザーとコンテンツサーバー間の距離が短縮されます。

例えば、ヨーロッパの複数のユーザーがアジアのウェブサイトにアクセスする場合、各ユーザーがアジアのオリジンサーバーから情報を取得するのは非効率的です。ヨーロッパのサーバーにコンテンツのキャッシュ版をホストする方が効率的です。これにより、レイテンシとユーザーエクスペリエンスが向上します。オリジンサーバーのコンテンツが変更された場合、キャッシュされたコンテンツにもその更新が反映されます。

CDNを通じて配信されるトラフィックの主な種類はウェブコンテンツですが、オーディオストリーム、ビデオストリーム、アプリケーション、OSアップデートなど、他の種類のトラフィックも配信できます。

IPv6

IPv4アドレスは32ビットの値です。つまり、約4.2億個のアドレスが存在します。これらのIPv4アドレスの一部は、プライベート用途（RFC 1918）、マルチキャスト用途、または研究用途のために予約されています。

4.2億という数字は確かに印象的かもしれません。しかし、まさに今この瞬間にも、一部の地域インターネットレジストリ（RIR）は、割り当てられたパブリックIPv4ブロックを使い果たしてしまったため、IPv4アドレスを割り当てることができません。この問題はインターネットの拡大に​​伴い避けられないものでしたが、IPv4アドレスの枯渇を遅らせるために様々な対策（ネットワークアドレス変換（NAT）など）が講じられてきました。

最終的に、既存および将来のすべてのニーズに対応できる新しいプロトコルを作成するという決定が下されました。こうしてIPv6が開発されました。IPv6アドレスは128ビットの値を持ち、IPv4と比較して大幅な改善となっています。

理論的には、各ホスト、ネットワークデバイス、IoTデバイス、センサーには複数のパブリックIPv6アドレスを割り当てることができ、それでもなおすべてのパブリックIPv6アドレスを使い果たすには程遠い状態が続く。

残念ながら、IPv6の普及は遅々として進んでいません。最近になってようやく普及が加速し始めましたが、 Alexaトップ1000ウェブサイトの30% 現在IPv6経由でアクセス可能。Googleも予測している ユーザーの約30％ IPv6接続に対応している。

SD-WAN

ソフトウェア定義広域ネットワーク（SD-WAN）は、企業がプライベートリンクをより効率的に使用できるようにする仮想アーキテクチャです（MPLSブロードバンドインターネット、そして LTE サービスを提供しています。

これらの接続（トランスポートリンクまたはアンダーレイと呼ばれる）を使用することで、SD-WANソリューションはアンダーレイネットワークから分離されたオーバーレイネットワークを構築します。

SD-WANソリューションには、集中管理型の制御プレーンがあります。この制御プレーンは、SD-WANネットワークを構成する各支店間のSD-WANルーティングおよびアドバタイズメントを担当します。

通常、SD-WANソリューションには、SD-WANルーティングを処理するコントローラが搭載されています。コントローラは、SD-WANネットワークおよびオーバーレイネットワークの構築を担うエッジデバイスの設定、監視、トラブルシューティングを可能にする管理システムです。ベンダーによっては、これらの2つのコンポーネント（SD-WANとコントローラ）が同じデバイス上に搭載されている場合もあります。また、コントローラは、設定されたポリシーに従ってオーバーレイネットワーク経由でトラフィックを送信します。

SD-WANの利点には以下のようなものがあります。

  • より良いアプリケーション体験。
    • 複数のアクティブなリンクにより、可用性が向上します。
    • アプリケーション認識型動的ルーティング。
  • セキュリティの向上。
    • 支店レベルでの徹底した保護。
    • 公共インターネットおよび公共クラウドへの安全な接続。
  • 最適化されたクラウド体験。
    • 主要なパブリッククラウドプロバイダーへの安全な直接接続。
    • 主要なパブリッククラウドプロバイダー向けのリアルタイム監視。
  • 管理の簡素化。
    • 設定、監視、トラブルシューティングをすべて一元管理できる単一のインターフェース。
    • あらゆるタイプの場所に対応する、ゼロタッチプロビジョニング。

公共ネットワークのパフォーマンスを監視する

公共ネットワークリソースの状態や可用性を監視するために使用できるツールは複数あります。

監視ツール（ping、traceroute、その他のソリューションなど）を使用する場合、監視対象のホストが監視に使用される種類のトラフィックを許可するか、中間ネットワークデバイスがそのトラフィックの通過を許可する必要があることを理解しておくことが重要です。

場合によっては、途中のファイアウォールが監視対象のトラフィックをすべて遮断し、対象ホストが利用不可と表示されることがあります。また、対象ホストが監視対象のトラフィックを遮断することもあります。どちらの場合も、誤検知アラームが発生する可能性があります。そのため、アラートを設定する前に、監視システムを使用してトラフィックのベースラインを確立することが重要です。 

ピン

Pingは、IPv4またはIPv6アドレスが設定されたデバイスの可用性を確認するために使用できる最も基本的なツールです。このツールは40年近く前から利用可能です。

pingユーティリティは、インターネット制御メッセージプロトコル（ICMP）のエコー要求パケットをターゲットに送信し、ICMPエコー応答を待つことで動作します。このツールは、パケット損失とエラーを記録します。また、最小、最大、平均の往復時間の概要も提供します。

実装によっては、ICMPパケット送信時に追加のオプションを設定できます。例えば、パケットサイズ、送信パケット数、パケットの断片化防止、ネットワークホップ数の制限、送信パケット数など、より高度なオプションを設定できます。

Traceroute

トレースルートは、パケットが特定のターゲットに到達するまでの経路をリアルタイムで表示する監視ツールです。出力には、経由したホップ数と、すべての経由ホップおよびターゲットに到達するまでにかかった時間が表示されます。トレースルートツールは、一般的にICMPパケットを使用しますが、UDPまたはTCPパケットを使用する実装も利用可能です。 

ツールがどのようなパケットを使用しているかを把握することは非常に重要です。この知識があれば、中間ファイアウォールやターゲットレベルで何を許可する必要があるかを理解できます。ツールは、プローブセットごとにTTL値を増加させたパケットを送信します（デフォルトでは3パケット）。

複数の送信元から同じ宛先に向けて複数のtracerouteコマンドを実行することで、ホストまたはアプリケーションの可用性を追跡できます。これにより、アプリケーションの所有者は、特定のユーザーにローカルな問題が発生しているのか、それともアプリケーション自体に一般的な問題が発生しているのかを把握できます。

これは、合成監視と呼ばれるものの一部です。合成監視とは、アプリケーション監視ソリューション全般を指す総称です。合成監視ソリューションは、数百ものポイントから特定のアプリケーションやWebサイトに接続し（実際のユーザーを模倣）、アプリケーションやWebサイトの可用性、パフォーマンス、健全性を監視することができます。

合成モニタリングの目的は、競合他社のパフォーマンス分析から、第三者のパフォーマンス評価、ユーザーエクスペリエンスの改善点の発見まで多岐にわたる。

BGP監視

BGP ASに関する情報と、各ASに属するプレフィックスは公開されています。特定のプレフィックスについて、ASによってそのプレフィックスの認識や到達経路は異なります。このような情報を様々な地点から収集することで、BGP監視ツールはルーティングの変更が発生したタイミングや、その変更がサービスに何らかの影響を与えたかどうかを検知できます。

さらに、BGP監視機能は、ルートハイジャックの検出、ボトルネックの特定、顧客拠点とビジネスアプリケーション間のルート変更の検出を行うことができます。

DNS 監視  

DNS監視 権威ネームサーバーとローカル再帰サーバー間のネットワーク接続テストを可能にします。また、DNS監視により、人為的なミスや悪意のある攻撃によってDNSレコードが誤って変更されることを防ぐことができます。

悪意のある攻撃に関しては、主に2つの方法が用いられます。

  • DNSポイゾニング: サーバーの DNS キャッシュに誤った情報が挿入される
  • DDOS攻撃DNSサーバーに対して繰り返しリクエストを送信し、サーバーを過負荷状態にして正当なリクエストに応答できなくさせる。

CDNモニタリング 

CDN 監視 ユーザー、オリジンサーバー、エッジサーバー間のパフォーマンス問題を検出できます。CDN監視ソリューションは、ページ読み込み時間、フェッチ時間、レイテンシ、およびデータ損失を測定し、ユーザーの位置情報に基づいて特定のCDNエッジサーバーにユーザーをマッピングできます。

結論

インターネットエクスチェンジポイント（IEP）は、インターネットのバックボーンを相互接続します。複数のISPとASにまたがるこのような広大な配信チェーンを監視するのは困難な作業です。しかし、最終的には、より優れたパフォーマンスを発揮するアプリケーションと満足度の高いエンドユーザーという結果につながります。これは、成約件数の増加、顧客ロイヤルティの向上、従業員の生産性の向上、ビジネスプロセスの効率化といったビジネス成果につながります。パフォーマンスのボトルネックを特定する解決策は、パブリックエリアネットワークの経路上のすべてのステップにプローブを挿入することです。プローブは、可能な限り広範囲かつ多様な範囲をカバーするために、グローバルなノードネットワークに展開する必要があります。 合成モニタリングガイド くわしくはこちらから

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    LogicMonitorの合成監視機能によって、社内インフラストラクチャだけでなく、IXP、BGPパス、インターネットパフォーマンスについても可視化できる方法をご覧ください。

    よくあるご質問

    インターネットエクスチェンジポイント（IXP）とは何ですか？

    インターネットエクスチェンジポイント（IXP）とは、異なるISPやネットワーク事業者が接続してトラフィックを直接交換する物理的なインフラストラクチャです。IXPはレイテンシを低減し、帯域幅コストを削減し、ルーティング効率を向上させます。これらのポイントにおけるパフォーマンスは、ユーザーエクスペリエンスに直接影響します。

    BGPとは何ですか？また、ネットワーク監視においてなぜ重要なのでしょうか？

    ボーダーゲートウェイプロトコル（BGP）は、インターネット上の自律システム間でデータパケットのルーティングを管理するルーティングプロトコルです。BGPの監視は重要です。なぜなら、BGPの設定ミス、情報漏洩、またはハイジャックが発生すると、トラフィックが意図しない経路を経由してルーティングされ、レイテンシの急増、障害、またはセキュリティリスクにつながる可能性があるからです。

    自律システム（AS）とは何ですか？

    自律システム（AS）とは、単一の組織によって管理されるIPネットワークとルータの集合体です。各ASには固有の自律システム番号（ASN）が付与されます。BGPは、異なる自律システム間でトラフィックをルーティングするために使用されます。

    インターネットサービスプロバイダ（ISP）の料金プランは、インターネットのパフォーマンスにどのような影響を与えますか？

    インターネットサービスプロバイダ（ISP）は階層構造になっています。ティア1のISPはバックボーンを形成し、互いに無料でピアリング接続を行います。ティア2はティア1から、ティア3はティア2からトランジットを購入します。より多くのISPを経由してルーティングされるトラフィックは、通常、遅延が大きくなります。これらの階層全体のパフォーマンスを監視することで、ボトルネックの発生源を特定するのに役立ちます。

    デントン千倉著

    テクニカルライター

    デントン・チクラは、テクニカルライターであり、長年にわたりオブザーバビリティを推進してきた人物です。彼は、サイト信頼性エンジニアやエンジニアリングチームがインターネットの回復力を強化するツールや機能を発見できるよう支援することに注力しています。監視、パフォーマンス、インフラストラクチャの交差点で活動し、複雑なシステムをより理解しやすく使いやすいものにすることで、高度な技術的詳細と実際の運用とのギャップを埋めています。彼の目標は、チームがより迅速に構築し、問題を早期に発見し、よりスマートに復旧できるよう支援し、最終的にはインターネットをすべての人にとってより良く、より信頼性の高い場所にすることです。

    免責事項: このブログで述べられている見解は著者の見解であり、LogicMonitor またはその関連会社の見解を必ずしも反映するものではありません。

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