SDN・ネットワーク仮想化

オーバーレイ（ネットワーク）おーばーれい

仮想ネットワークトンネリングVXLANカプセル化アンダーレイSDN

オーバーレイについて教えて

簡単に言うとこんな感じ！

既存のネットワークの「上」に、もう1枚仮想のネットワークをかぶせる技術だよ！物理的な配線を変えなくても、ソフトウェアで「仮想の専用道路」を作れるんだ。引っ越しのたびに新しい道路を引かなくても、カーナビの「ルート案内」で別の経路を使えるイメージってこと！

オーバーレイとは

オーバーレイネットワーク（Overlay Network） とは、既存の物理ネットワーク（アンダーレイ）の上に、仮想的な別のネットワークを論理的に構築する技術です。物理的な配線やスイッチの構成を変更せずに、ソフトウェアの設定だけで新しいネットワーク経路・セグメントを作り出せるのが最大の特徴です。

具体的には、送信したいデータを別のパケットで「包んで（カプセル化）」転送し、宛先で包みを解く（デカプセル化）仕組みを使います。物理ネットワークからは「ただの普通の通信」に見えるため、どんなアンダーレイの上でも動作します。クラウドのデータセンターや、複数拠点をつなぐ企業ネットワークで広く使われており、ネットワーク仮想化・SDN（Software-Defined Networking） の中核技術の一つです。

オーバーレイの仕組みと構造

アンダーレイとオーバーレイの関係

層	名称	役割	例
物理層	アンダーレイ	実際のパケットを運ぶ物理・論理インフラ	物理スイッチ・ルーター・IP網
仮想層	オーバーレイ	アンダーレイの上に重ねた仮想ネットワーク	VXLAN・GRE・GENEVE

オーバーレイは「物理の道路（アンダーレイ）の上を走る、仮想の高速バス路線」のようなものです。バス路線の地図は物理道路とは別に管理されており、道路工事があっても路線図には影響しません。

カプセル化のイメージ

送信側
┌──────────────────────────────┐
│ 元のパケット（仮想NWのヘッダ+データ）│
└──────────────────────────────┘
         ↓ カプセル化（包む）
┌─────────────────────────────────────────┐
│ 物理NWヘッダ │ 元のパケット（丸ごと中身に） │
└─────────────────────────────────────────┘
         ↓ アンダーレイを転送
         ↓ デカプセル化（包みを解く）
┌──────────────────────────────┐
│ 元のパケット（復元）               │
└──────────────────────────────┘
受信側

主なオーバーレイプロトコルの比較

プロトコル	フルネーム	特徴	主な用途
VXLAN	Virtual Extensible LAN	最大1,677万セグメント。クラウドで主流	データセンター・OpenStack・VMware
GRE	Generic Routing Encapsulation	シンプルで古くからある	VPN・WAN接続
GENEVE	Generic Network Virtualization Encapsulation	VXLANの後継候補。拡張性が高い	次世代クラウド基盤
NVGRE	Network Virtualization using GRE	MicrosoftのHyper-V向け	Windows Server環境

覚え方：「オーバーレイ＝透明シートを重ねる」

地図の上に透明な「書き込みシート」を重ねると、元の地図を変えずに新しい情報を追加できますよね。オーバーレイネットワークもまったく同じ発想です。物理ネットワーク（地図）はそのままに、仮想ネットワーク（透明シート）を何枚でも重ねられます。

歴史と背景

1990年代〜2000年代初頭：インターネット上でVPN（仮想専用網）を実現するため、GREやIPsecなどのトンネリング技術が登場。これがオーバーレイの原型
2000年代中盤：P2P（ピアツーピア）ネットワーク（BitTorrentなど）が「アプリケーション層オーバーレイ」として普及。物理トポロジーと独立した仮想的な接続構造を形成
2011年：VMwareなどが主導し、VXLANがIETFに提案される。従来のVLANが最大4,094セグメントしか作れない制限を打破するため設計された
2012〜2014年：クラウド・データセンターの急拡大とともにオーバーレイ技術が普及。OpenStack（クラウド基盤ソフト）がVXLANを標準採用
2016年：GENEVEがIETFで提案され、VXLAN・NVGREを統合する次世代規格として注目される
2020年代現在：Kubernetes（コンテナ管理基盤）のネットワーク機能や、SD-WAN（クラウド型WAN）でもオーバーレイが中核技術として使われている

アンダーレイとオーバーレイの対応関係

オーバーレイを理解するには、アンダーレイ（物理）とオーバーレイ（仮想）の二層構造を視覚的に掴むことが重要です。

オーバーレイが解決する課題

課題	従来の問題	オーバーレイによる解決
セグメント数の限界	VLANは最大4,094しか作れない	VXLANなら約1,677万セグメント
マルチテナント	別組織のIPが重複すると困る	仮想NWごとに独立するので重複OK
物理変更コスト	構成変更のたびに配線・設定変更が必要	ソフトウェア設定だけで変更可能
拠点間接続	物理的に離れたサーバーを同一NWにできない	トンネルで「論理的に隣接」できる

規格・RFC番号	内容
RFC 7348	VXLAN：Virtual eXtensible Local Area Networkの定義
RFC 2784	GRE（Generic Routing Encapsulation）の標準仕様
RFC 8926	GENEVE：Generic Network Virtualization Encapsulationの定義
RFC 4364	BGP/MPLS IP VPN（オーバーレイVPNの一形態）