社団法人電子情報通信学会 THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS 信学技報 IEICE Technical Report 高度に分散したモバイルデータ配信に向けた松原大典データ指向型ネットワーク

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ゆりなつなかわ
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1 社団法人電子情報通信学会 THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS 信学技報 IEICE Technical Report 高度に分散したモバイルデータ配信に向けた松原大典データ指向型ネットワーク藪崎仁史岡本聡山中直明 ( 株 ) 日立製作所横浜研究所神奈川県横浜市戸塚区吉田町 292 番地慶應義塾大学大学院理工学研究科神奈川県横浜市港北区日吉 {daisuke.matsubara.pj, hitoshi.yabusaki.vw}@hitachi.com okamoto@ieee.org, yamanaka@ics.keio.ac.jp あらまし従来の電話網では音声通話の様な端末間の通信が主目的であったのに対しインターネットでは Web のようなネットワークを介したデータ配信および取得が主な用途となっている近年このような通信形態に適したネットワークアーキテクチャとしてデータ指向型ネットワークが提唱されているが従来の方式ではデータの頻繁な追加移動更新に対してスケールしないという課題があった本稿では動的なデータが広域に分散している環境に置いてスケーラブルなデータの位置情報管理を実現するデータ指向型ネットワークの提案を行うキーワード新世代ネットワークデータ指向型ネットワーク CCN ICN モビリティ Data-centric Network for Highly Distributed and Mobile Data Distribution Daisuke MATSUBARA Hitoshi YABUSAKI Satoru OKAMOTO and Naoaki YAMANAKA Hitachi, Ltd., Yokohama Research Laboratory 292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama, Kanagawa, Japan Keio University Hiyoshi, Kohoku-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Japan {daisuke.matsubara.pj, hitoshi.yabusaki.vw}@hitachi.com, {yamanaka, okamoto}@ics.keio.ac.jp Abstract The conventional telephony networking was used mainly for communication between two terminals. However, recent network such as the Internet is mainly used for data distribution and access via the network. Recent research efforts are conducted to realize new network architecture that is optimized for this kind of communication, but it lacked in scalability when the data is added, moved, or updated. In this paper, we propose a new architecture called Data-centric Network (DCN) that allows scalable access to dynamic data in a widely distributed environment. Keyword Data-centric Network,Mobility 1. はじめに TCP/IP に代表される IP ネットワーク技術は, その接続の容易性と構築運用の低コスト性から,1990 年代より急速に普及し, 現在ではインターネット, 企業 LAN, VPN, データセンタ, ホームネットワークなどで広く使われており, 情報化社会を支える最も重要なネットワーク技術の一つとなっている一方, 近年では高度な信頼性の実現,IP ノードの消費電力量増加への対策, ネットワーク管理コスト増加への対策, エンドエンドでの帯域確保など IP ネットワーク技術では解決が難しい課題も顕在化し始めているそこで日米欧では, 2015 年から 2020 年あたりの実現を見据えて, これらの課題の抜本的な対策を全く白紙状態 (Clean Slate) から検討する試みとして, 新世代ネットワークの研究が進められている [1][2][3] 新世代ネットワークの研究では 2006 年より各種技術分野の抽出と絞り込みが進んでおり現在は主要な技術分野としてネットワーク仮想化 [] とデータ指向型ネットワーク [12][13][5] が注目されているネットワーク仮想化は新世代ネットワークの様々なアプリケーションやプロトコル ( IP ではない新たなプロトコルを含む ) の実験を行うテストベッドを実現する技術として開発が行われている一方データ指向型ネットワークに関しても近年多方面でコンセプトレベルの方式提案や実証実験が行われるようになっている 2. M2M サービスの要件と提案アーキテクチャ 2.1. M2M サービスの要件新世代ネットワークの要件としては過去に NICT 研究開発戦略本部や研究プロジェクト ( AKARI) によって特定のサービスを想定しない一般的な要件 ( 大容量スケーラブルオープン性など ) が提言されている [1] 本研究ではこれらの要件を更に具体化するために This article is a technical report without peer review, and its polished and/or extended version may be published elsewhere. Copyright 20 by IEICE

サービスの一例として今後急速な普及が予想される M2M サービスを想定しその要件を抽出した要件 1: 端末 (M2M 機器 ) の大量化低価格化低機能化 500 億個以上の端末がネットワークに接続されその大半がセンサなど低機能且つ低価格な端末となるため簡易なネットワーク接続方式や通信方式が必要となる要件 2: 端末やネットワークの移動更新の容易化端末の移動移設 (

2 サービスの一例として今後急速な普及が予想される M2M サービスを想定しその要件を抽出した要件 1: 端末 (M2M 機器 ) の大量化低価格化低機能化 500 億個以上の端末がネットワークに接続されその大半がセンサなど低機能且つ低価格な端末となるため簡易なネットワーク接続方式や通信方式が必要となる要件 2: 端末やネットワークの移動更新の容易化端末の移動移設 ( 仮想サーバのマイグレーションを含む ) や交換は最小限の設定だけで容易に実現できることが必要となる端末が接続されるネットワークもイーサネットと同等のネットワーク構成の更新容易性が必要となる要件 3: データのダイナミックな変化への対応 M2M 機器が発信するデータはダイナミックに変化しデータの追加移動更新削除が頻繁且つ不規則に発生するデータが利用されるタイミングの予測は困難でありセンサの状態データのように一時的に蓄積された後削除されるデータも多いネットワークはこのようなデータに逐次追随しつつアクセス可能とすることが必要となる要件 : 多対多通信大量の端末が発信するデータを多数のサービスサーバが利用する多対多の通信が増加し unicast 以外の通信形態 ( broadcast multicast publish/subscribe クエリ /key-value-store) が通信の大半を占めるようになるためネットワークはこれらの通信形態をサポートする必要がある 2.2. 提案アーキテクチャ本研究では前述の新世代ネットワークの要件に適した新たなネットワークアーキテクチャとして Data-centric Network( DCN) を提案する従来のネットワークは端末間のデータ通信を主目的としていた一方現在では所望のデータを取得することがネットワークの主目的となっている DCN はこのようなネットワークの利用形態の変化を踏まえ膨大な量のデータから容易にデータを取得することができるネットワークアーキテクチャの実現を目指す図 1 に本研究で想定するネットワークアーキテクチャの変遷を示す従来の PSTN が音声通話などの人対人の通信が中心で現在のインターネットが WEB などの人対モノの 1 対 1 通信が中心であるのに対し DCN は将来のセンサや機器同士が通信するモノ対モノの多対多通信に適したアーキテクチャを目指す DCN では端末は通信相手の端末を意識せずに取得したいデータの ID を指定するだけで通信を行う図 1 ネットワークアーキテクチャの遷移 2.1 章で挙げた要件に対し現状の IP ネットワークと将来求められる DCN の比較を表 1 に示す表 1 IP ネットワークと DCN の比較要件 IP ネットワーク DCN M2M 機器端末に IP アドレス端末は左記機能 ( 端末 ) の大量化低価格化低機能化取得名前解決通信制御のための機能 (DHCP DNS TCP) が必要を有さずデータの ID のみを用いた簡易な方式で通信を実現端末やデータの移動や更新の容易化端末移動時の IP アドレス設定やネットワーク変更時のルーティング設定端末やデータの移動や更新に対するアドレス等の再設定が不要など各種設定が必要データのダイナミックな変化への対応サーバに随時データをアップロードした上で端末からのアクセスを受け付けて実現ダイナミックに変化するデータをネットワーク内で蓄積しアクセス可能とする多対多通信ネットワークに接続したサーバが仲介して多対多通信を実現ネットワーク内の中継ノードの機能を用いて多対多通信を実現する以上のように現用の IP ネットワークでは新世代ネットワークへの要件を満たすことができないため個別のアプリケーションに対応したサーバや各種ゲートウェイを設置し運用管理することで対処している DCN では上記要件を持つ多様なサービスへの適用が可能な汎用的なアーキテクチャを目指す

3 3. CCN/ICN の概要および技術課題 3.1. CCN/ICN の概要本節では先行研究である CCN/ICN の概要を説明する新世代ネットワークの研究分野では Content-centric Network( CCN)[5] を発端とする一連の研究が欧米にて推進されている CCN は米国パロアルト研究所の Van Jacobsen が提案するコンテンツの名前 ( ID) に基づいて通信を行うネットワークアーキテクチャで以下の特徴を有する位置依存型アドレス ( IP アドレス ) ではなくコンテンツの名前 ( ID) を用いて通信する端末は通信相手の位置を意識する必要がない中継ノードがコンテンツを保持 ( キャッシュ ) してリレーすることで端末間の end-to-end の通信が不要となる端末間の通信路を認証暗号化 ( IPSec SSL など ) するのではなくコンテンツ自体を暗号化し中継ノードではコンテンツ自身の認証を行う一方 CCN のコンセプトより派生した他のアーキテクチャや方式も提案されておりこれらや CCN を包含する汎用的な研究分野として Information-centric Network( ICN) が議論されている ICN の代表的な研究プロジェクトとして欧州の NetInf[12] がある CCN と ICN の特徴を表 2 に示す表 2 CCN と ICN の特徴 CCN ICN( NetInf) 通信形態名前 ( ID) による同左通信 publish /subscribe 型通信ルーティング名前によるルーアドレスによるティングルーティングコンテンツあり同左キャッシングセキュリティコンテンツ自身同左の認証 CCN と ICN の最も大きな違いはルーティング方式にある CCN や ICN の両方にとって大量のコンテンツ ID に対しても対応できるルーティング方式は最も重要な検討課題の一つとなっている 3.2. CCN/ICN の課題 CCN/ICN によるコンテンツ ID に基づいた通信を用いて 2 章で述べた新世代ネットワークの要件である端末やデータの移動や更新の容易化満たすには以下の課題がある CCN では ID による経路情報を中継ノードにて保持するためコンテンツ数が増大すると経路情報が膨大になる CCN はこの対処として階層化された ID を IP アドレスのようにプレフィックスで集約することで経路情報を圧縮するただし同じプレフィックスを持つ異なる ID のコンテンツが広範囲に移動し分散配置されるとプレフィックスによる集約が効果をなさないため経路情報は圧縮されない一方 ICN ではコンテンツの変更 ( 追加移動更新削除 ) の度に名前解決サービスの情報を更新する本方式では中継ノードの経路情報等の機能とは別に名前解決サービスの機能が必要となるまた通信の開始やコンテンツの変更の度に名前解決サービスへの問い合わせが大量に発生するため名前解決サービスは十分な処理能力が必要となるまた問い合わせのための通信遅延が発生する表 3 に CCN と ICN の課題を示す表 3 CCN と ICN のルーティング方式における課題 CCN ICN( NetInf) 名前空間階層型 ID フラットな ID ( ID) 名前解決サなしありービス端末やネットワークの移動や更新の容易化ネットワークの情報の追加移動広範囲に情報が更新削除が頻繁に分散して配置さ発生する場合名前れると中継ノ解決サービスの経ードにて保持す路情報の更新負荷る経路情報が増が増加し通信遅延加するが発生する 3.3. 提案方式の概要本研究では CCN/ICN の研究成果を活用しつつ 3 章で述べた CCN/ICN の課題を軽減解消する新しい方式を提案する提案方式では同じ名前空間 ( CCN のプレフィックスに相当 ) の ID に対する経路情報の集約を最大化するために名前管理中継ノードという経路の集合ポイントを名前空間毎に配置しそこまでのルーティグは階層型 ID によってルーティングを行う方式を取るまた過去の通信の経路情報を中継ノードにて記録することで名前解決地点を経由しなくても目的地点に到達できる最適化経路を形成する提案方式の構成および動作の一例を図 2 に示す階層型のネットワークにおいて中継ノードがそれぞれのネットワークセグメントに配置されている名前空間を管理する中継ノード ( 名前管理中継ノード ~ 15) は最上位のネットワークセグメント

4 ( NW1) の配下のネットワークセグメント ( NW11 NW12 など ) に配置されておりそれぞれの中継ノードはお互いのノード ID と IP アドレスと管理している名前空間を把握しているここでいう名前空間は例えば DNS などで管理されている特定のドメイン名 ( 例 :domainname.com) の配下にある全ての URL( 例 : を含む名前空間を指す ( ここでは簡単のために WWW で使われている URL を例として挙げたが実際は DCN 特有の名前空間でも良い ) NW1 NW13 NW15 Node NW1 NW NW NW122 2 NW121 NW111 3 NW112 Host_C Host_B 図 2 DCN の動作例 ( 移動のローカル処理と経路の最適化 ) 1 データの登録 ( 図 21) NW111 にあるがを 1 に登録する 1 はを保存しをに登録するはの経路情報 ( 1) を記録するはの ID ( 例 : の名前管理中継ノードがであることを知っているために対してを登録するはの経路情報 ( ) を記録する 2 データの移動 ( 図 22) が NW112 に移動し前述と同じの ID を持つ更新データを 2 に登録し 2 はを保存する Node_112 はの情報をに登録するはに対する経路情報を ( 2) に更新する ( これによりの最新データは 2 に保存されたデータとなる ) との移動はの管理ドメイン内であるためへの登録は行わない 3 データの取得 ( 図 23) NW121 にある Host_B が取得を 1 に要求する 1 は取得を経由でに要求するはの経路情報 ( ) を参照し取得をに要求するはの経路情報 ( 2 ) を参照し取得を 2 に要求する 2 はを取得要求と同一経路を経由して Host_B まで返送するこの際は返送メッセージ内にある経路情報を参照してに対する経路情報を最適化された経路情報 ( ) に更新するデータの取得 ( 図 2) NW122 にある Host_C が取得を 2 に要求する 2 は取得をに要求しは経路情報 ( ) を参照して取得をに要求する以降は Host_B の場合と同様にしてを取得する DCN の特長を以下に示す移動のローカル処理 : 2 においての移動 ( の更新 ) の際が属する名前ドメインの中継ノードであるへは登録が送信されないこれによりの処理負荷が低減できるのと同時に登録時間を短縮できる経路の最適化 : 3 においてが最適化された経路情報に更新することでにおいてはに取得要求を送信しないこれによりの処理負荷が低減できるのと同時に登録時間を短縮できる次にがの名前管理中継ノードでその配下で移動が発生する例を図 3 に示す NW1 NW13 NW15 Node13 NW1 NW NW NW NW122 2 NW121 NW111 NW112 Host_C Host_B 図 3 DCN の動作例 ( 名前管理中継ノード配下での移動 ) 1 データの登録 ( 図 31) NW111 にあるがをに登録する 1 はを保存しはの経路情報 ( 1) を記録する 2 データの移動 ( 図 32) が NW112 に移動し前述と同じ ID( ) を持つ更新データをに登録する 2

5 はを保存しはの経路情報を ( 2) に更新する 3 データの取得 ( 図 33) NW122 にある Host_B が取得を要求するはの名前管理中継ノードがであるために要求を転送するはの経路情報 ( 2) を参照してデータ取得を 2 に要求する上記例より名前管理中継ノード配下でデータが移動する場合はデータの登録が他の名前管理中継ノードには行われないことが分かる 3.. 提案方式の効果 DCN では移動のローカル処理や経路の最適化によって名前管理中継ノードでの処理負荷を低減できる更に名前解決中継ノードを経由する経路 ( 名前解決経路 ) は名前解決中継ノードが集合ポイントとなることで経路情報が集約されるため CCN の経路と比較して経路数は小さくなる例えば図の集合ポイントを経由しない場合はとにそれぞれと Data_B に向けた経路情報を保持する必要がある一方図 5 の集合ポイントを経由する場合はにと Data_B に向けた経路情報を保持するだけで良い以上のようにそれぞれの名前管理中継ノードは名前解決経路の経路情報として自身が管理している名前空間の ID を持つデータに対する経路情報と自身が管理するネットワークセグメントとその配下のネットワークセグメントに配置されているデータに対する経路情報を保持していれば良い 1 Data_B NW1 Data_B Data_B 図集合ポイント経由しない場合 1 Data_B NW1 Data_B 図 5 集合ポイントを経由する場合 1 1 また名前解決中継ノードを経由しない経路 ( 最適化経路 ) が増加した場合は履歴経路が規定数を超過しないように古い履歴経路を管理することで経路数の増大を防ぐことができる履歴経路が削除された場合でも名前解決経路を使用して名前解決中継ノード経由でルーティングを行えば目的の中継ノードまで到達できるなお DCN では経路情報はデータの登録や取得の際に中継ノードに記録されるため IP ルーティングのようなノード間の経路情報の交換は不要となる従来方式と提案方式の比較を表に示す表 CCN/ICN/DCN の比較 CCN ICN(NetInf) DCN ルーティング ID ID とアド ID レス ID 階層型フラット階層型集合ポイントなしあり ( 名前あり ( 名前解決サービ管理中継ノス ) ード ) 名前解決なしありなし経路情報の数大小中データ更新によ小大小る負荷や遅延経路情報の交換ありなしなし 3.5. 評価提案方式を以下の前提条件を用いて経路の最適化の効果を評価する 2020 年時点での端末数を 500 億台 [7], 名前解決中継ノードの数を 1600 万台 (2009 時点の DNS サーバの数 [8] と同等 ), ネットワーク全体のデータ数を 1 兆個 (2012 年時点のインデックス可能な WEB ページ数が約 500 億ページ [9]) とするこの場合, 名前解決中継ノード 1 台あたり平均 3,125 台の端末と 62,500 個のデータを管理することになる 1 データあたりの経路情報を 16B( データ ID のハッシュ値に 8B, 転送先ノードの ID に 6B, その他 2B) とし, 経路情報を 8GB の DRAM に記録する場合, 5 億の経路を記録できるこれは前述の 1 台が管理するデータ数 ( 62,500 個 ) の 8000 倍となる ( 表 5) 文献 [10] によると, 万人の従業員を有する企業からのアクセス数は 150 時間 (6 日と 6 時間 ) の間に約 1 億アクセス (1 分あたり約 1 万アクセス ) になる 1 アクセスあたり 1 経路が名前解決中継ノードに記録されると仮定すると, 5 億の経路を記録するのに約 1 カ月かかる計算となるまた文献 [11] によると,WEB キャッシュの実験において 82 万アクセスを発生させた場合全アクセスの 70~80% のキャッシュで 90% のヒット率を実現できる上記より本方式では大量の最適化経

6 路を名前解決中継ノードに記録できるため, 経路の最適化の効果は大きいと推測できる表 5 DCN の名前解決中継ノードの評価名前解決中継ノードの数 16x10 6 データの数名前解決中継ノードに配下にある端末数 3,125 名前解決中継ノードに管理されるデータ数 62,500 8G DRAM に記録されるデータの数 5x 既存モバイルネットワークに対する利点 3G や LTE など既存モバイルネットワークでは端末の通信を終端する GW( アンカーポイント ) が設置されそれを起点とした point-to-point のトンネル接続が設定されるこのトンネル接続は端末の通信時は常に維持されるため端末数やトラフィックが増加するとアンカーポイントの処理負荷が課題となるまたこのトンネル接続は point-to-point の接続を経路情報として管理しているため経路の集約ができないよって多対多通信を行う場合はトンネル数が通信相手の数だけ必要であるため経路情報が膨大となり端末移動時のトンネルの切り替えの処理負荷も膨大となる提案方式では特定のアンカーポイントを持たずまた point-to-point のトンネルは用いずに経路情報の集約を行うため多対多通信に対しても中継ノードの処理負荷が軽減できる. まとめと今後の課題本稿のまとめを以下に示す M2M サービスを例として新世代ネットワークの要件を抽出しその要件に適したネットワークアーキテクチャとして DCN を提案した DCN のルーティング方式として名前空間を管理する名前管理中継ノードを配置し名前管理中継ノードを介したルーティングと経路情報の記録を行うことにより経路情報を集約しつつ経路を最適化する方式を提案した本方式と従来方式と比較してデータの変化 ( 追加移動更新削除 ) に対する適応性が高いことを定性的に示したまた名前管理中継ノードのスケーラビリティに関する簡易的な評価を行い経路最適化による名前管理中継ノードの負荷低減が可能であることを示したベッド上 [1] に実装する動作検証ではデータが頻繁に変化する状況に置いても問題なく経路が形成されデータ取得ができることを確認する性能評価ではデータ取得時の通信遅延や経路最適化の効果中継ノードの経路数などを測定しそれぞれが想定するネットワーク規模にて実用可能な結果になることを確認する本研究は ( 独 ) 情報通信研究機構の高度通信放送研究開発委託研究新世代ネットワークを支えるネットワーク仮想化基盤技術の研究開発の一環としてなされたものである文献 [1] AKARI プロジェクト, 新世代ネットワークアーキテクチャ AKARI 概念設計書, April [2] 平原正樹, NSF FIND/GENI の現状報告, 新世代ネットワーク推進フォーラム, February [3] 井上真杉, 新世代ネットワークの研究開発に関する欧州の動向, 新世代ネットワーク推進フォーラム NICT 発表資料,February [] 中尾彰宏, ネットワーク仮想化技術の最新動向, 電子情報通信学会技術研究報告, ネットワークシステム, 107(311), pp.29-33, November [5] Van Jacobson, et al., Networking Named Content, CoNEXT 09, December [6] The Network of the Future Project, D-6.2 Second NetInf architecture description, January [7] Traffic and Market data report, Ericsson, November [8] Government Computer News, c.aspx, November [9] [10] Alec Wolman, et al., On the scale and performance of cooperative Web proxy caching, SOSP 99, December [11] Lee Breslau, et al., Web Caching and Zipf-like Distributions: Evidence and Implications, IEEE INFOCOM, [12] M. Gritter, et al., TRIAD: A New Next-Generation Internet Architecture, July [13] Teemu Koponen, et al., A Data-Oriented (and Beyond) Network Architecture, SIGCOMM 07, August [1] 中尾彰宏, ネットワーク仮想化基盤応用技術の研究開発, 電子情報通信学会総合大会, March 今後提案方式の動作検証と性能評価のための実証実験を行う実証実験に向けて DCN 中継ノードのプロトタイプを開発しネットワーク仮想化基盤のテスト

センターでは,WAP からの位置情報を受信し, WAP が適切に設置されたかどうかを確認する提案システムのシーケンス概要図 2 に提案システムのシーケンスを示す. 携帯端末は,WAP から無線 LAN の電波を受信すると, DHCP サーバに対して IP アドレスを要求する. この要

センターでは,WAP からの位置情報を受信し, WAP が適切に設置されたかどうかを確認する提案システムのシーケンス概要図 2 に提案システムのシーケンスを示す. 携帯端末は,WAP から無線 LAN の電波を受信すると, DHCP サーバに対して IP アドレスを要求する. この要災害時における電子メールによる安否通信方法の検討竹山裕晃名城大学大学院理工学研究科渡邊晃名城大学理工学部 1. はじめに大災害時には, 家族や友人などに自分の安否を知らせようとする人や, 被災地にいる人を心配して連絡を取ろうとする人によって, ネットワークのトラヒックが増大し, 通信不可能になることが多い. また, 基地局の倒壊などにより通信環境自体が破壊される場合もある. そこで本研究では,

社団法人電子情報通信学会 THE INSTITUTE OF ELECTRONICS, INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS 信学技報 IEICE Technical Report 高度に分散したモバイルデータ配信に向けた 松原大典 データ指向型ネットワーク

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