画像情報特論 (2) - マルチメディアインフラとしての TCP/IP (1) インターネットプロトコル (IP) インターネット QoS (diffserv / MPLS) 電子情報通信学科甲藤二郎

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うたろうよしなが
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1 画像情報特論 () - マルチメディアインフラとしての TCP/IP () インターネットプロトコル (IP) インターネット QoS (diffserv / MPLS) 電子情報通信学科甲藤二郎 katto@katto.comm.waseda.ac.jp

2 インターネットプロトコル IP (Internet Protocol)

3 インターネットの基礎プロトコルスタック端末 T アプリケーショントランスポートネットワークネットワークインターフェース R R 端末 T アプリケーション HTTP, RTSP, FTP, Telnet,... RTP: 実時間メディア用途端末端末間 TCP: 誤り訂正順序制御フロー制御信頼性重視 UDP: オーバーヘッド少低遅延高速性重視端末ルータ間ルータルータ間 IP: 経路制御フラグメンテーション ICMP: エラー通知 IGMP: マルチキャスト (mbone) 個別リンクイーサーネット, PPP, X.5, ATM, ルータ

4 IP データグラム IP データグラム可変長 IP: 0-60 byte TCP: 最小 0 byte UDP: 8 byte RTP: byte NW ヘッダ IP TCP/UDP RTP データ ( ビデオ音声 ) ネットワークインタネットトランスポートアプリケーション cf. MPEG- トランスポートストリーム (ITU-T H.) 88 byte NW ヘッダ TS ヘッダデータ ( ビデオ音声 ) ネットワークトランスポートアプリケーション

5 IP ヘッダ IP ヘッダ 4 byte Version ヘッダ長サービスタイプパケット全長フラグメント識別値フラグフラグメントオフセット TTL ( 生存時間 ) 上位プロトコルヘッダチェックサム送信元 IP アドレス受信先 IP アドレス ( オプション ) ( パディング ) データパケット長 : データのフレーミング ( 可変長 ) TTL: パケット生存時間 ( ルータのホップ数 ) IPアドレス : インタネット全体で固有のアドレス ARP によって MACアドレスに変換される (Ethernet の場合 )

6 IP の機能 IP アドレスに基づく経路制御パケットルータホップバイホップルーティング : 各ルータが経路表を管理し自律分散的に転送先 ( 次リンク ) を決定経路表 (netstat -r) 目的地ネットマスク x x x cf. ソースルーティング次ルータ a b c default d

7 動的経路制御ルータ間の情報交換情報交換ルータ交換情報 : ホップ数遅延帯域幅... 現状はホップ数のみ使っているのがほとんどインターネットQoS 関係でその他も考慮 (QOSPF 等 )

8 Bellman-Ford アルゴリズム j d ij i D i (h) : ルータからルータ i までのホップ数 h 以下の最短経路 3 j d ij : リンク (i, j) のコスト ( 交換情報 ) D j (h-) 最適性原理初期条件 : (0) D i = [ ] () (0) 回目の情報交換 : D = min D + d [ ] () () 回目の情報交換 : D = min D + d i i j j j j ij ij ネットワーク全体のノード数を N とすると最大 N- 回の計算で収束 [ ] ( h) ( h ) h 回目の情報交換 : D = min D + d i j j ij 使用例 : 距離ベクトル制御... RIP

9 RIP (Routing Information Protocol) RIP (Routing Information Protocol) a b c d e 3 4 a b c d e () 初期状態 a b c d e () 回目 ( ホップ数まで ) a b c d e (3) 回目 ( ホップ数まで ) 3 a b c d e (4) 3 回目 ( ホップ数 3 まで ) 各ルータは隣接ルータへのコストのみ保有 ( 初期状態 ) 隣接ルータ間の情報交換の度に最短経路を更新 ) ( 3 N O

10 Dijkstra s アルゴリズム D 3 j j d ij i D i : ルータから i までの経路長 P: ルータの集合 d ij : リンク (i, j) のコスト = = = k 初期条件 : P {}, D 0, D ( ) ステップ : k 情報交換 : すべてのルータ間でリンク状態の情報交換 ( フラッディング ) = min k となるルータ i を探索 (Shortest Path) k P D i D {} i P = P と集合 P を更新 P がすべてのルータを含んだら終了ステップ: j P D j = min[ D j, Di + dij ] に対してステップに戻る使用例 : リンク状態制御... OSPF

11 OSPF (Open Shortest Path First) OSPF (Open Shortest Path First) a b c d e 3 4 a b c d e () フラッディング直後 (P = {a,c}) a b c d e () 回目 (P = {a,b,c}) a b c d e (3) 3 回目 (P = {a,b,c,e}) 3 a b c d e (4) 4 回目 (P = {a,b,c,d,e}) トポロジ ( 接続情報 ) とリンクコストを一斉にフラッディングローカルに Shortest Path を繰り返し探索 ) ( N O

12 IGP と EGP 経路制御プロトコルのスケーラビリティ IGP: 自律システム内で使われる経路制御プロトコル (RIP, OSPF,...) EGP: 自律システム間で使われる経路制御プロトコル (BGP,...) インターネット某企業慶応大学 BGP 早稲田大学 BGP: パスベクトル経路制御距離コスト + 経路上の自律システムのリスト自律システム (AS: Autonomous System) RIP, OSPF,... 経路の到達可能性なども考慮

13 インターネットプロトコルの欠点蓄積交換 (store and forward) 故にパケット転送時間の増大 (delay) 転送時間の揺らぎ (jitter) パケット廃棄の発生 (packet loss) 等の問題は避けられないパケットの到着順序が逆転することがある ( 順序制御 ) * ただし実際には経路制御は静的であり順序逆転はほとんど発生しないインターネットでもある程度の品質保証 (QoS 保証 ) を実現したいインターネット QoS

14 インターネット QoS MPLS Diffserv トラヒックシェイピング (RSVP)

15 インターネット QoS AV RTP/UDP メディア同期廃棄対策 AV RTP/UDP IP インターネット QoS ( 品質保証 ) IP (MPLS) (MPLS) データリンク物理ネットワークデータリンク物理

16 スケーラビリティコンセプトエッジルータ : トラヒックシェーピングコアルータ : パケットの高速転送バックボーンコアルータエッジルータアクセス

17 End-to-End 制御 ( 従来 : トランスポート層 ) TCP 輻輳制御 ( ウィンドウ制御 ) いわゆるベストエフォットウィンドウサイズに従って転送レート調整受信側ウィンドウサイズ通知送信側輻輳制御 TCP link ラベル IP データウィンドウサイズ

18 () MPLS ( ラベルスイッチング ) 固定長ラベルによるハードウェアスイッチングエッジルータ間の経路を事前に決定 (Label Switched Path) コアルータエッジルータエッジルータ LDP ( ラベル配布プロトコル ) ラベル ( 固定長 ) link IP TCP データ CoS (class of service)

19 () Diffserv (differentiated services) IP ヘッダの TOS フィールドの再定義 DS フィールドクラス分類による CoS (QoS) ルーティングエッジルータエッジルータコアルータ EF: 帯域保証 (Expedited) AF: 最低帯域保証 (Assured) BE: ベストエフォット IP link ラベル TCP データ DS

20 TCP スヌーピング ( 参考 ) ルータによる TCP ヘッダのスヌーピング (L4-Switch) TCP 輻輳制御アルゴリズムの利用スヌープ受信側ウィンドウサイズに従って転送レート調整 ACK ウィンドウサイズの変更送信側ルータ輻輳制御 TCP link ラベル IP データウィンドウサイズ

21 RSVP ( 参考 : intserv) ルータ間のメッセージ交換による帯域確保スケーラビリティに問題 ( 欠点 ) 受信側 PATH メッセージ RESV メッセージ送信側 link ラベル IP TCP データ

22 MPLS / Diffserv のシナリオ () 帯域ブローカリソース要求エッジルータエッジルータコアルータ EF/MPLS ( 帯域保証 ) AF ( 空き帯域有効利用 ) 帯域幅 BE 時間

23 MPLS / MPLS / Diffserv Diffserv のシナリオシナリオシナリオシナリオシナリオシナリオシナリオシナリオ () () ドメインドメインドメインドメイン # ドメインドメインドメインドメイン # 帯域ブローカ帯域ブローカ帯域ブローカ帯域ブローカ帯域ブローカ帯域ブローカ帯域ブローカ帯域ブローカエッジルータエッジルータエッジルータエッジルータエッジルータエッジルータエッジルータエッジルータエッジルータエッジルータエッジルータエッジルータエッジルータエッジルータエッジルータエッジルータデータデータデータデータ制御制御制御制御端末端末端末端末端末端末端末端末制御プレーンデータプレーン制御プレーンデータプレーン電話網に近づく電話網に近づく電話網に近づく電話網に近づく...

24 Diffserv ルータの構成例 SLA 設定 ( 帯域ブローカ ) TCM (Three Color Marker) トークンバケット (token bucket) マーキング meter in classifier marker shaper dropper out クラス分類 DS 更新アクション drop 各種キュー管理アルゴリズム PQ, WRR, WFQ, CFQ,...

25 これで QoS 課題は解決か? インターネット電話インターネット放送にとってより望ましい通信環境が提供されるのは明らか ( 大きな改善 ) ユーザ数の増加に伴う帯域ブローカ ( ポリシーサーバ ) の負荷の増大ポリシーサーバの階層化 ( ますます電話網 ATMに近づく...) ユーザ数の増加に伴う制御トラヒックの増大 EF / MPLS は制御トラヒック収容のため? SLA に従わないユーザを正しく排除できるか? インターネットの共有アクセスの利点が失われないか? 適切なアドミッション制御クラス分類メータリングマルチキャストの大規模化に対応できるか? 他いろいろ...

26 宿題 () 下記のようなリンクコストを持つネットワークがある ( ただしコストに方向性は無いものとする ) Bellman-Ford 法 Dijkstra 法それぞれを用いてルータから他のルータへの最短経路を求めよ () コストを変更するなどして自分の研究分野あるいは情報通信全般における最短経路アルゴリズムの適用例を考え説明せよ〆切 : 5/8 授業開始時

ｽﾗｲﾄﾞﾀｲﾄﾙなし

ｽﾗｲﾄﾞﾀｲﾄﾙなし画像情報特論 (2) -TCP/IP インターネットプロトコル (IP) Network-Assisted QoS TCP (Transport Control Protocol) UDP (User Datagram Protocol) 情報理工学専攻甲藤二郎 E-Mail: katto@waseda.jp IP (Internet Protocol) プロトコルスタックプロトコルスタック端末