Cisco ASR 1000 シリーズ アグリゲーション サービス ルータ

Cisco ASR 1000 シリーズ アグリゲーション サービス ルータに搭載された IP マルチキャスト

ソリューション概要





Cisco ASR 1000 シリーズ アグリゲーション サービス ルータに搭載された IP マルチキャスト



Cisco® 1000 シリーズ アグリゲーション サービス ルータを使用することで、企業およびサービス プロバイダーは、インストール、管理、保護、制御、および拡張が容易な高性能の IP マルチキャスト ネットワークを低コストで展開できます。このドキュメントでは、Cisco ASR 1000 シリーズ ルータに搭載されたマルチキャストの機能と利点の概要を説明します。シスコのマルチキャストの基本的な概念、および Cisco ASR 1000 シリーズ ルータ アーキテクチャについての知識があることを前提としています。


課題


企業およびサービス プロバイダーは、長年にわたり、IP マルチキャストという帯域幅節約技術を使用してサービスを実現してきました。新たなアプリケーションで、マルチキャストを使用した高帯域幅およびミッション クリティカルなサービスが提供され始めたのに伴い、IP マルチキャストを展開するネットワークには新たな課題が発生しています。これらの新しい課題について説明する前に、企業およびサービス プロバイダーのネットワークに IP マルチキャストが展開されるシナリオを理解しておくことも重要です。

エンタープライズ ネットワークにおける IP マルチキャスト

IP マルチキャスト アプリケーションは、帯域幅を効果的に管理し、必要に応じてネットワーク内のトラフィックを複製することでアプリケーション サーバの負荷を軽減する重要な通信プロトコルとして、企業の間で普及が進んでいます。

IPTV:広域に分散した従業員、顧客、およびパートナーに研修ビデオや企業からのメッセージを届けるために、IPTV ブロードキャストを使用する企業の数は増え続けています。また、Cisco TelePresence など、高帯域幅で遅延の影響を受けやすいテクノロジーを使用したブランチ オフィス間の効果的なコミュニケーションを促進するためにも、IP マルチキャストが使用されています。

金融業界での用途:金融企業は、証券コード サービスなどの金融データを効率的に取引現場から顧客に配布する手段として、マルチキャストを使用しています。

IP マルチキャストを使用することで、企業はコンテンツおよびメディアをネットワーク内で効率的に配布できます(図 1)。

図 1 Cisco ASR 1000 シリーズ ルータをエンタープライズ ネットワークに配置した IP マルチキャストの展開

図 1 Cisco ASR 1000 シリーズ ルータをエンタープライズ ネットワークに配置した IP マルチキャストの展開


サービス プロバイダー ネットワークにおける IP マルチキャスト

新しい収益機会を模索するサービス プロバイダーにとって、IP マルチキャストは収益を生む付加価値サービスの実現に役立ちます。

Multicast Virtual Private Network(MVPN; マルチキャスト バーチャル プライベート ネットワーク):サービス プロバイダーは従来の VPN サービスから MPLS VPN サービスに移行しています。MPLS ではマルチキャストがネイティブでサポートされていないため、Multiprotocol Label Switching VPN(MPLS VPN; マルチプロトコル ラベル スイッチング VPN)ネットワーク上で IP マルチキャストを有効にするためには、機能を別途用意する必要があります。

IP/TV:IP マルチキャスト プロトコルを使用してデータを効率的に配布するために、サービス プロバイダーは主に次の 2 種類の IP/TV サービスを提供しています。

  • ブロードキャスト ビデオ:サービス プロバイダーは、既存のブロードバンド ネットワーク上の付加価値サービスとして、テレビ放送の提供を始めています。
  • near-Video on Demand(n-VOD; ニア ビデオ オンデマンド):n-VOD は、映画やクリップを複数のチャンネルで 10 分から 15 分ずつずらして放映することにより、視聴時間の選択の幅を広げ、視聴を開始するまでの待機時間を最小化するサービスです。
図 2 Cisco ASR 1000 シリーズ ルータを配置したサービス プロバイダーのネットワークによる IP/TV の展開

図 2 Cisco ASR 1000 シリーズ ルータを配置したサービス プロバイダーのネットワークによる IP/TV の展開


このようなサービスの拡大や、収益を生む高帯域幅のミッションクリティカルなサービスには IP マルチキャストが必要であり、これに関連して次のような課題が発生しています。

  • パフォーマンスへの多大な影響を伴わない IP マルチキャスト トラフィックの効率的な複製
  • 企業およびサービス プロバイダーのネットワーク内の IP/TV ビデオ トラフィックの効率的な制御
  • ネットワーク ノードまたはリンクの障害後に 1 秒以下の速度で収束を実現する能力
  • IP マルチキャストの暗号化および Quality of Service(QOS; サービス品質)を提供する効率的なメカニズムのサポート
  • ノード、インフラストラクチャ、および加入者単位で主要なアドミッション制御メカニズムを提供する機能
  • 効果的なセキュリティおよびフィルタリング メカニズムのプロビジョニング
  • ネットワークの容易な展開および管理
  • 標準化された機能の迅速な展開
  • IPv4 アドレスの枯渇に関する懸念の解消

解決方法


Cisco ASR 1000 シリーズ アグリゲーション サービス ルータは、シスコの既存の IP マルチキャスト機能の幅広さとスケールを最大限に活用して、現在および将来のネットワーク要件に対応します。

Cisco ASR 1000 シリーズ ルータに搭載されたマルチキャスト機能

Cisco ASR 1000 シリーズ ルータでは、Cisco IOS ソフトウェアの IP マルチキャスト機能を受け継ぐ、Cisco IOS® XE ソフトウェアが実行されます。Cisco IOS XE ソフトウェアに継承された Cisco IOS マルチキャスト機能の特徴をいくつか説明します。

Protocol Independent Multicast(PIM):IP PIM は、マルチキャスト配布ツリーを構築する業界標準として認められています。通常、システムでは PIM から得た情報を使用して、階層的マルチキャスト ルーティング テーブル(ルーティング ツリー)がインストールおよび動的に保守されます。

次に、Cisco IOS ソフトウェアでサポートされる PIM プロトコルの主なバージョンを示します。いずれもコントロール プレーンのプロトコルです。

  • PIM Dense Mode(PIM 稠蜜モード)
  • PIM Sparse Mode(PIM 希薄モード)
  • PIM Source Specific Multicast(SSM)
  • Bidirectional PIM(双方向 PIM)

IP マルチキャスト Call Admission Control(CAC; コール アドミッション制御):Cisco IOS XE ソフトウェアではリソースのオーバーサブスクリプションを制御するため、Cisco IOS ソフトウェアに IP マルチキャストの CAC を構成する次の各種のオプションが実装されています。

  • Internet Group Management Protocol(IGMP; インターネット グループ管理プロトコル)の制限:ブロードキャスト ビデオに関連付けられた一定範囲の IP マルチキャスト アドレスに対する IGMP 加入数を制限することで、ルータが制御する集約リンクのブロードキャスト最大帯域幅を、指定した最大値に制限できます。
  • IP のインターフェイス単位の Mroute ステートの制限:この機能は、IP マルチキャスト トラフィックの Access Control List(ACL; アクセス コントロール リスト)分類セットそれぞれについて、インターフェイス上の Mroute ステートの数を制限します。この機能を使用して Denial-of-Service(DoS; サービス拒否)を防止できるほか、すべてのマルチキャスト フローがほぼ同じ量の帯域幅を使用する場合に、IP マルチキャスト CAC メカニズムを提供できます。

IPv6 マルチキャスト:IPv4 アドレスの枯渇が進んでいるため、Cisco IOS XE ソフトウェアでは、IPv6 用の PIMv2、および Multicast Listener Discovery(MLD)バージョン 1 および MLDv2 のサポートが追加されました。

図 3 Cisco IOS XE ソフトウェアに継承される Cisco IOS ソフトウェアの IP マルチキャストの進化

図 3 Cisco IOS XE ソフトウェアに継承される Cisco IOS ソフトウェアの IP マルチキャストの進化


Cisco ASR 1000 シリーズ ルータのマルチキャスト ハイ アベイラビリティ(HA)アーキテクチャ


Cisco ASR 1000 シリーズ ルータは、ハイ アベイラビリティ(HA)実現のため、ハードウェアおよびソフトウェア コンポーネントにいずれも冗長性が備えられています。これらのコンポーネントはモジュラ型のため、フェールオーバーまたは再起動イベント中も障害を隔離して、システムのほかの部分は正常な動作を続行できます。

完全冗長構成の Cisco ASR 1000 シリーズ ルータでは、コントロール プレーンとフォワーディング プレーンが物理的に分離されています。ASR 1000 シリーズ ルータのハイ アベイラビリティを理解するためには、Cisco ASR 1000 シリーズ ルータの主なコンポーネントについて理解する必要があります。Cisco ASR 1000 シリーズ ルータ システムの主なコンポーネントは次のとおりです。

  • Cisco ASR 1000 シリーズ ルート プロセッサ(RP1):IP PIM、IGMP/MLD パケットが処理されます。また、Multicast Forwarding Information Base(MFIB; マルチキャスト転送情報ベース)の計算処理も行われます。
  • Cisco ASR 1000 シリーズ エンベデッド サービス プロセッサ(ESP):このデータ プレーンでは、プラットフォームやルーティング プロトコルに依存しない MFIB を使用して、IP マルチキャストがフォワーディング処理されます。このため、MFIB を使用したマルチキャスト パケットのフォワーディングの場合、ESP プラットフォームではマルチキャスト ルーティング プロトコルについての最小限の情報しか必要とされません。
  • Cisco ASR 1000 シリーズ SPA インターフェイス プロセッサ(SIP):SIP は、Shared Port Adapter(SPA; 共有ポート アダプタ)のハウジングで、各 SIP に最大 4 つのハーフハイト SPA を挿入できます。SPA は、物理的なネットワーク接続およびバッファリングを提供するものにすぎないため、単独ではマルチキャスト サービスでのハイ アベイラビリティ機能の提供に重要な役割を果たしません。

このハードウェア アーキテクチャでは、Non Stop Forwarding(NSF)、Stateful Switch Over(SSO)、および In Service Software Upgrade(ISSU)など、Cisco IOS ソフトウェアから継承された機能と、Cisco IOS XE ソフトウェア独自の機能を使用して、ハイ アベイラビリティを実現します。IP マルチキャストのハイ アベイラビリティは、Cisco ASR 1000 シリーズ ルータ上でほかのプロトコルと同じように動作し、信頼性の高い Inter-Process Communication(IPC; プロセス間通信)トランスポートを使用して同期化されます。

ASR 1000 シリーズ ルータでは、ルーティング プレーン(RP)とフォワーディング プレーン(ESP)が物理的に分離されています。完全冗長性を備えた 6RU シャーシの場合、RP と ESP はアクティブ/スタンバイ モードで稼働します。フェールオーバーの際に、ハイ アベイラビリティは次のように機能します。

  • RP のアクティブ時に発生した障害では、スタンバイ RP に切り替わり、この新しくアクティブになった RP が PIM ステートを再構築して、IGP の再収束により uRPF チェックが確実に実行されます。MFIB ではリフレッシュされた PIM ステートが取り込まれ、アクティブ ESP によって自身が保持する MFIB のバージョンに基づいて、マルチキャスト トラフィックのフォワーディングが続行されます。IP マルチキャスト パケットのフォワーディングは中断されません。
  • ESP のアクティブ時に発生した障害では、スタンバイ ESP に切り替わり、パケットの一時的な損失が発生してフォワーディングが中断されます。この状況は、ほかのトラフィック タイプよりもマルチキャスト トラフィックを優先することで緩和できますが、パケット/バイト統計は失われます。再起動後、ESP は信頼できる IPC 通信を通じてアクティブ RP からステート情報を受信します。

図 4 は、完全冗長構成の Cisco ASR1000 シリーズ ルータ内部の概略図です。

図 4 Cisco ASR 1000 シリーズ ルータのマルチキャストのハイ アベイラビリティ概略図

図 4 Cisco ASR 1000 シリーズ ルータのマルチキャストのハイ アベイラビリティ概略図


4RU および 2RU のシャーシでは、単一の RP および ESP を物理的に分離できます。ハードウェア コンポーネントに冗長性は備えられていないものの、Cisco IOS ソフトウェア プロセスによって冗長性が提供されます。プライマリ Cisco IOS ソフトウェアに障害が発生した場合は、バックアップ イメージにシームレスに切り替わります。図 5 は、Cisco IOS ソフトウェア プロセスの冗長性を示しています。また、4RU および 2RU シャーシでも、デュアル RP(6RU シャーシ)システムでサポートされるすべての NSF/SSO 機能がサポートされます。

図 5 Cisco ASR 1000 シリーズ ルータの単一ルート プロセッサの冗長性

図 5 Cisco ASR 1000 シリーズ ルータの単一ルート プロセッサの冗長性


Cisco ASR 1000 シリーズ ルータのハイ アベイラビリティの詳細については、http://www.cisco.com/go/asr1000/ [英語] で、ハイ アベイラビリティに関するホワイト ペーパーを参照してください。

エンベデッド サービス プロセッサ(ESP)での効率的なマルチキャスト複製


Cisco ASR 1000 シリーズ ルータでは、IP マルチキャスト データ パケットは IP ユニキャスト データ パケットと同じように処理されます。入力インターフェイスに到着したパケットは、SPA によって ESP に転送され処理されます。ただし、マルチキャスト パケットは ESP 内で複製されるため、ESP 内での処理は大きく異なります。Cisco ASR 1000 シリーズ ルータでは、効率的な複製アルゴリズムを使用してパケットが複製されます。

ESP では、次のような方法でマルチキャスト処理を効率化しています。

  • 到着した IP マルチキャスト パケットは、Cisco QuantumFlow Processor 内の空いている PPE スレッドの 1 つに送信されます。Cisco QuantumFlow Processor では、そのグループに加入するすべての発信インターフェイス宛てに数多くのパケットを PPE 1 つのみで複製する代わりに、ファンアウト技法が使用されます。
  • 受信側の PPE は、パケットを多数の PPE にリサイクルするよう Cisco QFP トラフィック マネージャに指示し、Cisco QuantumFlow Processor を通じていくつかのパス(必要な複製の数によって異なる)で必要な数の複製が完成するまで、これらの PPE のすべてで同じ複製が実行されます。構成によっては、数千もの複製を実行できます。
  • 専用のハードウェア暗号化エンジンおよび QoS 用のハードウェア キューにより、マルチキャスト トラフィックの暗号化および優先順位付けを効果的に実行できます。

複製を効率化することで、IP マルチキャスト トラフィックの遅延およびジッタを最小限に抑えることができます。ESP は、システム全体の能力に負荷をかけることなく、マルチキャストを複製する効率的でスケーラブルなソリューションです。図 6 に、ESP におけるマルチキャスト データの複製方法を示します。

図 6 エンベデッド サービス プロセッサでのマルチキャスト複製のフロー

図 6 エンベデッド サービス プロセッサでのマルチキャスト複製のフロー


Cisco QuantumFlow Processor の詳細については、http://www.cisco.com/go/asr1000/ [英語] で、QuantumFlow Processor に関するホワイト ペーパーを参照してください。

Cisco ASR1000 シリーズ ルータを企業およびサービス プロバイダーのネットワークで展開する利点


企業およびサービス プロバイダーは、Cisco ASR1000 シリーズ ルータを使用することで次の利点を実現し、サービスを効果的に提供できます。

  • IP マルチキャスト サービスでは、IP マルチキャストを効率的でスケーラブルに複製する必要があります。Cisco ASR 1000 シリーズ ルータには、キャリアクラスのハイ アベイラビリティと、数千ものマルチキャスト グループまで拡張可能なスケーラビリティが備えられています。
  • データ、音声、およびビデオ サービスが混在するネットワークでは、ビデオ トラフィックと音声トラフィックの優先順位が競合します。いずれも重要なサービスですが、音声はビデオよりもさらに遅延の影響を受けます。優先キュー中のビデオ トラフィックを Voice over IP(VoIP)に誘導すると、特にビデオ トラフィックがバーストする傾向にある場合、VoIP 遅延に最悪の事態を招く可能性があります。シスコはこの問題を認識し、Cisco ASR 1000 シリーズ ルータでは、音声とビデオの両方のトラフィックを最適にサポートするデュアル優先キューを実装しています。
  • サービス プロバイダーは、エッジにおける帯域幅を常に求められるため、エンドユーザの Quality of Experience(QoE; 体験の品質)に影響を与えることなく、リンクを効果的にオーバーサブスクライブできる方法が必要です。シスコは、オーバーサブスクリプションの発生する音声ネットワークに最適な CAC メカニズムを実装しました。IP マルチキャストの CAC では、音声の CAC と同じように処理されます。新しいコールを受け入れる前に、IP マルチキャスト CAC メカニズムを使用して、新しいコールフローが既存のフローの QoE に影響を与える可能性が考慮されます。Cisco ASR 1000 シリーズ ルータは、既存の Cisco IOS ソフトウェア機能をフルに活用し、マルチキャスト CAC を使用して IP マルチキャスト トラフィックを効率的に管理します。
  • サービス プロバイダーは、トリプルプレイ サービスをセキュアに展開して、顧客の要件を個別に満たすさまざまなサービス パッケージを提供する方法を模索しています。また、このようなサービスでは、各サービスの IP アドレスをエンドユーザの端末ごとに割り当てる必要があります。IPv4 アドレスの枯渇が進む中、IPv6 の必要性が高まっています。一部のキャリアではすでに、IP/TV 展開に IPv6 マルチキャストを採用しています。IPv6 マルチキャストを採用する大きな利点は、IPv4 のスペースの枯渇を心配せずに、エンドユーザの家庭内のすべての装置に IPv6 アドレスを割り当て、これらのサービス(データ、音声、およびビデオ)を個々に認証できる柔軟性が得られることです。これにより、サービス プロバイダーは階層化されたサービスを効果的に提供できます。Cisco ASR 1000 シリーズ ルータは、IPv6 マルチキャストに対応しており、さらに IPv6 マルチキャストのハイ アベイラビリティも実現します。
  • IP マルチキャストを使用して IP マルチキャスト データやビデオを IP 上で伝送する企業およびサービス プロバイダー、または MVPN 環境の管理が必要なサービス プロバイダーは、ネットワーク管理ツールである Cisco Multicast Manager を使用することで、Cisco ASR 1000 シリーズ ルータ上でマルチキャスト プロトコルを効果的に展開および管理できます。Cisco Multicast Manager を使用することで、Cisco ASR 1000 シリーズ ルータ上に展開されたサービスを容易に管理できます。

まとめ


Cisco ASR 1000 シリーズ ルータは、Cisco QuantumFlow Processor の利点を最大限に活用する先進的なミッドレンジ ルータです。この革新的なプラットフォームを導入すると、次世代ネットワークに Cisco ASR 1000 シリーズを柔軟に展開できます。

Cisco ASR 1000 シリーズ ルータでは、ユーザ環境でのファームウェア アップグレード、ソフトウェア アップグレード、および将来のハードウェア要件を十分配慮することにより、お客様の投資を保護します。シスコの製品をお使いいただくと、お客様の今日そして将来のネットワーク投資を確実に保護できます。

Cisco ASR 1000 シリーズ ルータの詳細については、 http://www.cisco.com/web/JP/product/hs/routers/asr1000/index.html を参照してください。

Cisco IOS マルチキャスト テクノロジーの詳細については、 http://www.cisco.com/en/US/products/ps6552/products_ios_technology_home.html [英語] を参照してください。