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# 第3部：ネットワーキング

> **対応バージョン**: Cilium 1.18 **最終更新**: February 22, 2026

## ラボ環境のセットアップ

このドキュメントの例を実行するには、以下のツールと環境が必要です。

### 必要なツール

* kubectl v1.31 以降
* 動作する Kubernetes クラスタ（EKS、minikube、kind など）
* Cilium CLI
* tcpdump、wireshark（ネットワークパケット解析用）

### ネットワーク解析ツールのインストール

```bash
# Install tcpdump
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y tcpdump

# Cilium network packet capture
kubectl exec -n kube-system -it $(kubectl get pods -n kube-system -l k8s-app=cilium -o jsonpath='{.items[0].metadata.name}') -- cilium monitor -v

# VXLAN traffic analysis
sudo tcpdump -i any udp port 8472 -vv
```

## コンテナネットワーキングモデルの比較

コンテナネットワーキングモデルは、コンテナ同士の通信方法を定義します。各モデルには、パフォーマンス、スケーラビリティ、セキュリティ、実装の複雑さの観点で長所と短所があります。

### 主なネットワーキングモデル:

1. **Host Network Model**:
   * コンテナがホストのネットワーク名前空間を共有する
   * 最高のパフォーマンスを実現するが、ポート競合の可能性がある
   * セキュリティ分離が限定的
2. **Bridge Network Model**:
   * コンテナはホスト内の仮想ブリッジを介して接続する
   * 同一ホスト上のコンテナ間通信で効率的
   * ホスト間通信には追加の仕組みが必要
3. **Overlay Network Model**:
   * 物理ネットワークの上に仮想ネットワークを構築する
   * ホスト間通信にカプセル化を使用する
   * 柔軟性がある一方で、わずかなパフォーマンスオーバーヘッドがある
4. **Underlay Network Model**:
   * 物理ネットワークインフラストラクチャを直接利用する
   * 最小限のオーバーヘッドで最高のパフォーマンスを実現する
   * 物理ネットワーク設定に依存する

### ネットワーキングモデルの比較:

| モデル      | パフォーマンス | スケーラビリティ | セキュリティ | 実装の複雑さ | ユースケース                 |
| -------- | ------- | -------- | ------ | ------ | ---------------------- |
| Host     | 非常に高い   | 低い       | 低い     | 低い     | 高パフォーマンスのワークロード、単一コンテナ |
| Bridge   | 高い      | 中程度      | 中程度    | 中程度    | 単一ホストのデプロイメント          |
| Overlay  | 中程度     | 高い       | 高い     | 高い     | 複数ホストのクラスタ             |
| Underlay | 高い      | 中程度      | 中程度    | 非常に高い  | パフォーマンス重視の本番環境         |

### Cilium ネットワーキングモード

```mermaid
flowchart TD
    subgraph "Cilium Networking Modes"
        direction LR

        subgraph "Overlay Mode"
            VXLAN[VXLAN]
            Geneve[Geneve]
        end

        subgraph "Native Routing Mode"
            Direct[Direct Routing]
            BGP[BGP]
        end

        subgraph "Cloud Integration Mode"
            AWS_ENI[AWS ENI]
            Azure_IPAM[Azure IPAM]
            GKE[GKE]
        end
    end

    VXLAN -->|"Encapsulation (UDP 8472)"| Encap[Encapsulation Overhead\nSlight Performance Impact]
    Geneve -->|"Encapsulation (UDP 6081)"| Encap

    Direct -->|"Direct Routing\n(No Encapsulation)"| NoEncap[No Encapsulation\nBest Performance]
    BGP -->|"BGP Routing\n(No Encapsulation)"| NoEncap

    AWS_ENI -->|"AWS VPC Integration"| Cloud[Cloud Native\nPerformance Optimized]
    Azure_IPAM -->|"Azure VNET Integration"| Cloud
    GKE -->|"Google Cloud VPC Integration"| Cloud

    classDef overlay fill:#326CE5,stroke:#333,stroke-width:1px,color:white;
    classDef native fill:#00C7B7,stroke:#333,stroke-width:1px,color:white;
    classDef cloud fill:#FF9900,stroke:#333,stroke-width:1px,color:black;
    classDef perf fill:#E83E8C,stroke:#333,stroke-width:1px,color:white;

    class VXLAN,Geneve overlay;
    class Direct,BGP native;
    class AWS_ENI,Azure_IPAM,GKE cloud;
    class Encap,NoEncap,Cloud perf;
```

## VXLAN テクノロジーの詳細

> **重要な概念**: VXLAN（Virtual Extensible LAN）は、Layer 3 ネットワーク上に Layer 2 ネットワークをオーバーレイするネットワーク仮想化技術です。

VXLAN は、Layer 3 ネットワーク上に Layer 2 ネットワークをオーバーレイするネットワーク仮想化技術です。クラウド環境でネットワークセグメント数を拡張し、マルチテナント環境をサポートするために広く使用されています。

### VXLAN の基本概念:

* **VXLAN Segment**: VXLAN Network Identifier（VNI）によって識別される論理 L2 セグメント
* **VXLAN Tunnel Endpoint (VTEP)**: VXLAN パケットのカプセル化とデカプセル化を担う
* **VNI (VXLAN Network Identifier)**: 最大 16,777,216（2^24）の一意なネットワークセグメントをサポート
* **Encapsulation**: 元の L2 フレームを UDP パケットにカプセル化する

### VXLAN パケット構造:

```
+-------------------------------+
| Outer Ethernet Header         |
+-------------------------------+
| Outer IP Header (usually IPv4)|
+-------------------------------+
| Outer UDP Header (port 8472)  |
+-------------------------------+
| VXLAN Header (contains VNI)   |
+-------------------------------+
| Original Ethernet Frame       |
| (Inner Ethernet Header +      |
|  Payload)                     |
+-------------------------------+
```

### Cilium VXLAN 設定例

```yaml
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: cilium-config
  namespace: kube-system
data:
  tunnel: "vxlan"
  enable-ipv4: "true"
  enable-ipv6: "false"
  ipv4-range: "10.0.0.0/16"
  ipv4-service-range: "10.96.0.0/12"
```

この設定は、VXLAN トンネリングを使用してクラスタ内の Pod 間通信を設定するよう Cilium に指示します。各ノードは VTEP として動作し、Pod トラフィックを VXLAN パケットにカプセル化して他のノードへ送信します。

```mermaid
flowchart TD
    subgraph "VXLAN Packet Structure"
        direction TB
        A["Outer Ethernet Header"] --> B["Outer IP Header (usually UDP)"]
        B --> C["VXLAN Header (contains VNI)"]
        C --> D["Original Ethernet Frame"]
    end

    classDef header fill:#f9f9f9,stroke:#333,stroke-width:1px,color:black;
    class A,B,C,D header;
```

### VXLAN の仕組み:

1. **Encapsulation**: 送信元 VTEP が元の L2 フレームを VXLAN ヘッダーでカプセル化する
2. **Transmission**: カプセル化されたパケットが IP ネットワークを介して宛先 VTEP に送信される
3. **Decapsulation**: 宛先 VTEP が VXLAN ヘッダーを取り除き、元の L2 フレームを抽出する
4. **Delivery**: 元の L2 フレームが宛先エンドポイントに配信される

### VXLAN とその他の Overlay テクノロジーの比較:

| テクノロジー | カプセル化       | 最大ネットワーク数         | ポート            | 利点                    | 欠点              |
| ------ | ----------- | ----------------- | -------------- | --------------------- | --------------- |
| VXLAN  | L2 over UDP | 16,777,216 (2^24) | 4789           | 広くサポートされ、大規模なスケーラビリティ | オーバーヘッド（50 バイト） |
| GENEVE | 可変長ヘッダー     | 16,777,216 (2^24) | 6081           | 拡張可能なメタデータ            | 比較的新しく、サポートが限定的 |
| GRE    | IP over IP  | 無制限               | IP Protocol 47 | 低いオーバーヘッド             | ファイアウォール通過の問題   |
| NVGRE  | L2 over GRE | 16,777,216 (2^24) | IP Protocol 47 | Microsoft 環境との統合      | ハードウェアオフロードが限定的 |

## Cilium の Overlay ネットワーキング

Cilium はデフォルトで VXLAN を使用して Overlay ネットワーキングを実装しますが、Geneve などの他のカプセル化プロトコルもサポートしています。Cilium の Overlay ネットワーキングは eBPF を活用して最適化されたデータパスを提供します。

### Cilium Overlay ネットワークアーキテクチャ:

```mermaid
flowchart TD
    subgraph "Host A"
        direction TB
        A1["Container A
        10.0.0.1"] --> B1["eBPF"]
        B1 --> C1["VTEP
        192.168.1.1"]
    end

    subgraph "Host B"
        direction TB
        A2["Container B
        10.0.0.2"] --> B2["eBPF"]
        B2 --> C2["VTEP
        192.168.1.2"]
    end

    C1 <--> D["Physical Network"] <--> C2

    classDef container fill:#00C7B7,stroke:#333,stroke-width:1px,color:white;
    classDef ebpf fill:#326CE5,stroke:#333,stroke-width:1px,color:white;
    classDef vtep fill:#3B48CC,stroke:#333,stroke-width:1px,color:white;
    classDef network fill:#f9f9f9,stroke:#333,stroke-width:1px,color:black;

    class A1,A2 container;
    class B1,B2 ebpf;
    class C1,C2 vtep;
    class D network;
```

### Cilium Overlay ネットワーキングの仕組み:

1. **Packet Generation**: Container A が Container B にパケットを送信する
2. **eBPF Processing**: eBPF プログラムがパケットをインターセプトし、ポリシーを適用する
3. **VTEP Identification**: 宛先コンテナの VTEP を特定する
4. **Encapsulation**: パケットを VXLAN ヘッダーでカプセル化する
5. **Transmission**: カプセル化されたパケットを物理ネットワークを介して宛先ホストに送信する
6. **Decapsulation**: 宛先ホストで VXLAN ヘッダーを取り除く
7. **eBPF Processing**: 宛先ホスト上の eBPF プログラムがパケットを処理する
8. **Delivery**: パケットを宛先コンテナに配信する

### Cilium Overlay ネットワークの最適化:

* **Direct Path**: 可能な場合に直接ルーティングを使用する
* **DSR (Direct Server Return)**: ロードバランスされたレスポンスの最適化
* **Connection Tracking Bypass**: 既知の接続ではコネクショントラッキングをバイパスする
* **XDP Integration**: 早期パケット処理のために XDP を活用する
* **Header Push/Pop Optimization**: 効率的なヘッダー処理

### Cilium Overlay ネットワーク設定:

```yaml
# cilium-config.yaml
apiVersion: v1
kind: ConfigMap
metadata:
  name: cilium-config
  namespace: kube-system
data:
  # Enable overlay mode
  tunnel: "vxlan"

  # VXLAN port setting (default: 8472)
  tunnel-port: "8472"

  # MTU setting
  mtu: "1450"

  # Auto direct node routes
  auto-direct-node-routes: "true"
```

## パフォーマンス最適化手法

Cilium は、ネットワークレイテンシを最小化し、スループットを最大化するためのさまざまなパフォーマンス最適化手法を提供します。

### ネットワークモードの最適化:

1. **Direct Routing Mode**:
   * Overlay カプセル化なしで直接ルーティングを使用する
   * カプセル化オーバーヘッドを取り除くことでパフォーマンスを向上させる
   * ホスト間でルーティング可能なネットワークが必要
2. **Hybrid Mode**:
   * 可能な場合は直接ルーティングを使用し、それ以外では Overlay を使用する
   * 柔軟性とパフォーマンスのバランス
3. **Native Routing Mode**:
   * 既存のネットワークインフラストラクチャと統合する
   * BGP などのルーティングプロトコルを活用する

### データパスの最適化:

1. **XDP Utilization**:
   * ネットワークスタックの早期段階でパケットを処理する
   * 不要なパケットを早期に破棄することでパフォーマンスを向上させる
2. **eBPF Map Optimization**:
   * 効率的な Map 構造とサイズの調整
   * LRU（Least Recently Used）Map によるメモリ使用量の最適化
3. **Connection Tracking Optimization**:
   * コネクショントラッキングテーブルのサイズ調整
   * 既知の接続に対するコネクショントラッキングのバイパス
4. **Socket-based Load Balancing**:
   * ソケットレベルでのロードバランシング
   * パケット処理オーバーヘッドの削減

### システムレベルの最適化:

1. **CPU Affinity**:
   * ネットワーク処理を特定の CPU コアにバインドする
   * キャッシュ局所性の向上とコンテキストスイッチングの削減
2. **NUMA Awareness**:
   * NUMA（Non-Uniform Memory Access）トポロジーの認識
   * ローカルメモリアクセスの最適化
3. **Interrupt Tuning**:
   * ネットワーク割り込み処理の最適化
   * 割り込みの集約と分散
4. **Huge Pages**:
   * メモリ管理オーバーヘッドの削減
   * TLB（Translation Lookaside Buffer）ミスの削減

## ルーティングメカニズム

Cilium は、Encapsulation と Native-Routing という 2 つの主要なルーティングメカニズムをサポートしています。

### 1. Encapsulation

Encapsulation は、元のパケットを別のパケットでラップして送信する方法です。Cilium は VXLAN や Geneve などのカプセル化プロトコルをサポートしています。

**仕組み**:

1. 送信元ノードでパケットが生成される。
2. Cilium が元のパケットをカプセル化ヘッダーでラップしてカプセル化する。
3. カプセル化されたパケットが物理ネットワークを介して宛先ノードに送信される。
4. 宛先ノードで、Cilium がパケットをデカプセル化して元のパケットを抽出する。
5. 抽出されたパケットが宛先コンテナに配信される。

**利点**:

* 既存のネットワークインフラストラクチャとの互換性
* ネットワークトポロジーからの独立性
* マルチクラスタ環境における IP 競合の防止

**欠点**:

* カプセル化オーバーヘッドによるパフォーマンスへの影響
* MTU サイズの縮小
* 追加の CPU 使用量

### 2. Native-Routing

Native routing は、カプセル化なしで直接ルーティングを使用する方法です。このモードでは、基盤となるネットワークインフラストラクチャが Pod IP アドレスをルーティングできる必要があります。

**仕組み**:

1. 各ノードが、そのノードで実行されている Pod の CIDR ブロックをアドバタイズする。
2. 各 Pod CIDR ブロックを対応するノードにルーティングするよう、ルーティングテーブルが設定される。
3. パケットはカプセル化なしで宛先ノードに直接ルーティングされる。

**利点**:

* カプセル化オーバーヘッドがない
* ネットワークパフォーマンスの向上
* CPU 使用量の低減

**欠点**:

* 基盤となるネットワークインフラストラクチャへの依存
* ネットワークトポロジーの制約
* IP アドレス管理の複雑さ

## クラウドプロバイダー固有のネットワーキング

Cilium は、さまざまなクラウドプロバイダーのネットワーキング機能と統合します。

### 1. AWS ENI (Elastic Network Interface)

AWS ENI モードでは、Cilium は AWS Elastic Network Interfaces を使用して Pod にネイティブ VPC IP アドレスを割り当てます。

**主な機能**:

* Pod へのネイティブ VPC IP アドレス割り当て
* Overlay ネットワークを使用しない VPC ネイティブネットワーキング
* AWS security group および network policy との統合
* ネットワークパフォーマンスの向上

### 2. Google Cloud ネットワーキング

Google Kubernetes Engine（GKE）では、Cilium は Google Cloud のネットワーキング機能と統合します。

**主な機能**:

* GCP VPC ネイティブ IP アドレス割り当て
* GCP firewall rules との統合
* GKE ネットワーキングの最適化

## ラボ: Cilium ネットワーキングモードの設定とパフォーマンステスト

### さまざまなネットワーキングモードの設定:

```bash
# VXLAN overlay mode configuration
cilium install --config tunnel=vxlan

# Geneve overlay mode configuration
cilium install --config tunnel=geneve

# Direct routing mode configuration
cilium install --config tunnel=disabled --config auto-direct-node-routes=true

# Hybrid mode configuration
cilium install --config tunnel=vxlan --config auto-direct-node-routes=true
```

### ネットワークパフォーマンステスト:

```bash
# Deploy test pods
kubectl apply -f https://raw.githubusercontent.com/cilium/cilium/master/examples/kubernetes/connectivity-check/connectivity-check.yaml

# Latency test
kubectl exec -it pod/netperf-client -- netperf -H netperf-server -t TCP_RR

# Throughput test
kubectl exec -it pod/netperf-client -- netperf -H netperf-server -t TCP_STREAM

# Connection establishment speed test
kubectl exec -it pod/netperf-client -- netperf -H netperf-server -t TCP_CRR
```

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## クイズ

この章で学んだ内容を確認するには、[トピッククイズ](/kubernetes/jp/kuizu/nettowku/cilium-xiang-yue/03-networking-quiz.md)に挑戦してください。