2015/4 Vol. J98 B No. 4 IoT WebRTC [2] Web ISP QUIC [3] SPDY [4] TCP Software Defined Networking (SDN) Network Functions Virtualization (NFV) SDN NFV

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1 SDN NFV a) Proposal of Next Generation Network Service Architecture Lead by SDN and NFV Yuji SEKIYA a), Ryo NAKAMURA, Kazuya OKADA, and Katsuhiro HORIBA IoT SDN NFV SDN NFV Interop Tokyo SDN NFV SDN NFV 1. Internet of Things (IoT) Tbps 621Gbps 27% 48% Information Technology Center, The University of Tokyo, Tokyo, Japan Graduate School of Information Science and Technology, The University of Tokyo, Tokyo, Japan Graduate School of Information Science, Nara Institute of Science and Technology, Ikoma-shi, Japan Graduate School of Media and Governance, Keio University, Fujisawa-shi, Japan a) sekiya@nc.u-tokyo.ac.jp 1 ([1] ) Fig. 1 Estimated total bandwidths of residential and mobile traffic in Japan. B Vol. J98 B No. 4 pp c

2 2015/4 Vol. J98 B No. 4 IoT WebRTC [2] Web ISP QUIC [3] SPDY [4] TCP Software Defined Networking (SDN) Network Functions Virtualization (NFV) SDN NFV Interop Tokyo [5] 2. SDN NFV SDN NFV 2. 1 SDN SDN SDN TCP/IP SDN OpenFlow [6] OpenFlow Open Networking Foundation (ONF) [7] OpenFlow TCP/IP 334

3 SDN NFV TCP/IP Ethernet Ethernet TCP/IP OpenFlow Ethernet OpenFlow OpenFlow Ethernet Ethernet OpenFlow OpenFlow OpenFlow Software Defined Networking SDN 2 OpenFlow SDN Ethernet SDN 2 Fig. 2 Separation of control plane and data plane. SDN Southbound API Northbound API SDN 2. 2 NFV NFV Commercial off-the-shelf (COTS) NFV European Telecommunications Standards Institute (ETSI) NFV Industry Specification Group (ISG) (CapEx) (OpEx) Intel x86 ETSI NFV 3 ETSI GS NFV 002 v1.1.1 ( ) [8] Virtual Network Function (VNF) Operation Support Systems/Business Support Systems (OSS/BSS) 335

4 2015/4 Vol. J98 B No. 4 3 ETSI NFV Fig. 3 NFV reference architecture by ETSI. 4 VNF Fig. 4 Supposed VNFs. VNF OSS/BSS NFV Management and Network Orchestration (MANO) VNF 4[9] Carrier Grade NAT (CGN) Deep Packet Inspection (DPI) Evolved Packet Core (EPC) VNF NFV COTS 2. 3 SDN SDN SDN SDN SDN SDN SDN (DevOps) 336

5 SDN NFV NFV VNF COTS NFV NFV NFV NFV NFV 1. NFV 3. SDN NFV (Dev- Ops) 5 337

6 2015/4 Vol. J98 B No. 4 5 Fig. 5 A concept of new network service architecture. 6 6 Fig. 6 Parallelization of service lines. DevOps ( ) NAT DPI NAT 338

7 SDN NFV 5 URL Web TCP DPI DPI SDN NFV SDN NFV 4. Interop Tokyo 4. 1 Interop Tokyo ShowNet Interop Tokyo 1994 ShowNet ShowNet ShowNet 2000 ShowNet ShowNet SDN NFV 2013 OpenFlow [10] SDN [11] BGP [12] OpenFlow IP SDN 339

8 電子情報通信学会論文誌 2015/4 Vol. J98 B No. 4 ンスを連携させることで会場内のネットワークに必要 な機能を提供するという NFV を用いたサービス提 全体としての検証は 今後の課題である 4. 2 実証実験の概要 供を実現した この際 物理ネットワーク部分と仮想 2013 年の Interop Tokyo においては SDN と NFV ネットワーク部分 並びに仮想マシンを制御するため それぞれの技術に関して 個々の適用範囲と性能を確 のオーケストレータ実装を作成し 実現した この実 認するための実証実験を行った それをふまえ 2014 験は NFV を用いたネットワークサービスの提供で 年の Interop Tokyo において 新たなネットワーク あり ネットワークサービス層における 動的なネッ サービスアーキテクチャの一例となるプロトタイプを トワークサービスの構成に関する実証実験と言える 構築し 実際にサービスを提供することで実証実験を 更に BGP とオーバレイネットワークを用いたデー 行った タセンタネットワークの構築では BGP を用いたレ 2014 年の ShowNet においては 会場内部のネット イヤ 3 ネットワークをデータセンタ内部で構築し リ ワークを二つの Autonomous System (AS) に分割し ンクやルータの障害時にも BGP の経路制御により 接続性を提供するためのインターネットサービスプロ 自動的に迂回路に切り替わり かつ管理性と経路選択 バイダ (ISP) と ネットワークに各種付加機能を提供 性に優れたデータセンタネットワークを実現した 通 するためのネットワークサービスプロバイダ (NSP) に 常 データセンタのネットワークはレイヤ 2 にて構築 分割したネットワークを構築した ISP と NSP は異な される場合が多く データセンタで用いられるサーバ る AS を用いて 異なる組織であると想定し運用され とストレージの連結も 同一ネットワークであるレイ たため ISP と NSP の組織間は 基本的に Internet ヤ 2 を利用した接続を前提とした設計となっている製 Exhcange (IX) を経由した ebgp にて経路交換が行 品が多く見受けられる しかし レイヤ 2 ネットワー われ 接続された 2014 年 ShowNet のネットワーク クはその規模が大きくなるほど レイヤ 3 ネットワー 構成を 図 7 に示す クに比べ管理が難しくなるという特性がある そのた ネットワーク上において 左の円にて囲まれた部分 め レイヤ 3 にて構築されたデータセンタネットワー が NSP としてネットワークに付加サービスを提供す クの上で SDN によるオーバレイ技術を用いてレイヤ 2 る仮想事業者である また 右の円にて囲まれた部分 ネットワークを構築することで レイヤ 3 ネットワー が 出展社や来場者にネットワーク接続性を提供する クがもつ管理性と規模性の利点を残しながら レイヤ ISP としての仮想事業者である この ISP と NSP を 2 ネットワークを構築することが可能となる 本実験 結ぶのが 中央上部の円に囲まれた Programmable は この予備段階となるレイヤ 3 でのデータセンタ Internet Exchange in Edo (PIX-IE) [13] と名付けら ネットワーク構築に挑戦し その手法を明らかにした れた IX である この PIX-IE は SDN 技術を適用し ものである このネットワークの上に SDN 技術を用 た IX であり AS 間での動的なパス交換や 攻撃トラ いてオーバレイネットワークを構築するという手法は 次世代のネットワークサービスアーキテクチャにおい てサービスの普遍性を実現するために有用な手法であ ると考える この実験は SDN によるオーバレイ技 術を用いて データセンタ内部のネットワークを位置 依存性をなくすことに挑戦するための予備実験と位置 づけられる なお それぞれの実験は 次世代のネットワーク サービスアーキテクチャを実現するための要素技術で ある SDN と NFV の連携とその連携の可能性に関 して検証したものである そのため 図 5 や図 6 に て示した概念やアーキテクチャの全て 並びに次世代 ネットワークサービスアーキテクチャの要求事項を同 時に実現したものではない 個々の可能性について段 階的に検証した段階であり サービスアーキテクチャ 340 図 年の ShowNet ネットワークトポロジー Fig. 7 Network topology of ShowNet in Interop Tokyo 2014.

9 招待論文 SDN と NFV による新たなネットワークサービス構造の提案 図 8 SDN による ISP と NSP の連結 Fig. 8 Linking of ISP and NSP by SDN. 図 10 VNF を用いたサービスチェイニングの実現 Fig. 10 Service chaining of VNFs. は 一般的に IPv4 の場合は/24 IPv6 の場合は/48 という経路情報がトラヒック制御の最小粒度となって 図 9 PIX-IE の目指す SDN による付加機能 Fig. 9 Additional functions of PIX-IE using SDN. いる PIX-IE ではこれより細かな経路情報 例えば IPv4 での/28 といった経路や IPv6 での /56 といっ た経路に基づくトラヒック制御や ポート番号やプ ヒックの緩和などの機能を備えた IX として設計 構築 ロトコルを指標としたトラヒック制御 更にペイロー された また NSP の内部では NFV の技術を用い ド部分の URL に基づいたトラヒック制御等の機能を たネットワーク機能のサービスチェイニング (機能連 提供することを目指す また セキュリティは昨今の 結) を行い 会場内部の出展社に対してネットワーク インターネットにとって大きな課題であり DNS や の付加サービスを提供した 図 8 に示すように ISP NTP SNMP を用いた DDoS 攻撃を IX にて緩和若 と NSP は PIX-IE の動的パス制御機構を用いて連 しくはフィルタリングできる機能を提供することを目 結され NSP 側にて必要なネットワーク付加機能 例 指す 2014 年の ShowNet においては 柔軟かつ動的 えば DPI や NAT といった機能を付加した後に ISP なパス制御の機能提供に関して 実証実験を行った 側のネットワークとパス連結されることで 会場内に その結果 大手町にて設置した PIX-IE 設備を経由し 約 150 社存在する出展社それぞれにカスタマイズさ て 会場内の ISP と NSP の間に 70 以上の動的パス れたネットワークの提供を行った これが動的なサー が形成され 出展社ごとにカスタマイズされたネット ビス変更に対応できる 次世代のネットワークアーキ ワーク提供を実現した なお 会期 3 日間における最 テクチャの一例として構築したプロトタイプである 大トラヒック量は 7.2Gbps を記録した PIX-IE とサービスチェイニングそれぞれに関して よ この実証実験を通じて AS をまたがった動的なサー り詳細に述べる ビス構成を実現することができ 更に次世代のネット 4. 3 PIX-IE ワークサービスアーキテクチャに求められる 効率の PIX-IE は 既存の IX に SDN 技術を導入すること 良い場所でのサービス導入に関する知見を得ることが で 付加的な機能を提供することを目指した IX であ できた NSP AS 内部のデータセンタで提供される る 著者が参加する NECOMA Project [14] にて設 サービス IX である PIX-IE 上で提供されるサービ 計 開発されている IX であり NECOMA Project の ス ISP AS にて提供されるサービスを組み合わせる 協力のもと 実証実験を行った PIX-IE の目指す概 ことで 顧客へのネットワークサービスを実現した 念を図 9 に示す 具体的には 細かなトラヒック制 4. 4 サービスチェイニング 御 セキュリティ 柔軟なパス交換 を実現するこ NSP 事業者を想定した部分においては 仮想マシン とを目指した IX であり SDN 技術である OpenFlow (VM) による仮想アプライアンスを VNF として利用 並びに Intel DPDK [16] netmap [17] といった NFV した NFV を構築し 実証実験を行った 具体的には 高速化技術を用いて実現する IX である 細かなトラ 図 10 に示すように NAT ファイアウォール DPI ヒック制御とは 既存の IX では BGP4+ [18] にて経 の VNF を連結し 仮想化環境においてサービスチェ 路交換が行われ その経路情報において行われている イニングすることで 出展社ごとに必要な機能を提供 トラヒック制御を より細かな粒度や条件を用いて行 することを実現した うことを意味する 現在の BGP4+による経路交換で このサービスチェイニングは 動的に構成を変更す 341

10 2015/4 Vol. J98 B No. 4 ( ) IPv4 IPv4 NAT VNF DHCP VNF IPv4 VNF Web ( ) DevOps 4. 5 ShowNet SDN NFV API 3 API VNF API VNF API Netconf [15] VNF API ETSI NFV MANO VNF VNF NFV VNF VM VNF SR-IOV [19] Intel DPDK netmap NFV VNF NFV VNF 342

11 SDN NFV 5. SDN NFV SDN NFV Interop Tokyo ShowNet NOC NECOMA Project PIX-IE FP (NECOMA) [1] news/s-news/ 01kiban html, Oct [2] A. Bergkvist, D.C. Burnett, C. Jennings, and A. Narayanan, Webrtc 1.0: Real-time communication between browsers, Working draft, W3C, vol.91, [3] J. Roskind, QUIC: Multiplexed stream transport over UDP, Google working design document, 1RNHkx VvKWyWg6Lr8SZ-saqsQx7rFVev2jRFUoVD34/mobilebasic [4] B. Thomas, R. Jurdak, and I. Atkinson, SPDYing up the Web, Commun. ACM, vol.55, no.12, pp.64 73, Dec [5] Interop Tokyo INTEROP TOKYO 2014, [6] N. McKeown, T. Anderson, H. Balakrishnan, G. Parulkar, L. Peterson, J. Rexford, S. Shenker, and J. Turner, OpenFlow: Enabling innovation in campus networks, SIGCOMM Comput. Commun. Rev., vol.38, no.2, pp.69 74, March [7] Open Networking Foundation, OpenFlow Switch Specification Version 1.4.0, Oct [8] European Telecommunications Standards Institute, ETSI GS NFV 002 V1.1.1 ( ) - Network Functions Virtualisation (NFV); Architectural Framework, gs/nfv/ /002/ /gs nfv002v010101p.pdf, Oct [9] European Telecommunications Standards Institute, Network Functions Virtualisation - An Introduction, Benefits, Enablers, Challenges & Call for Action, White Paper.pdf, Oct [10] IP OpenFlow Interop Tokyo 2013 ShowNet SDN IA , Oct [11] SDN IA , Sept [12] BGP IA , Sept [13] Y. Sekiya, PIX-IE: Programmable Internet exchange in Edo, Asia-Pacific Information Infrastructure (APII) Workshop, NICT, Osaka, Japan, Oct [14] NECOMA Project, Nippon-European cyberdefenseoriented multilayer threat analysis, [15] R. Enns, M. Bjorklund, J. Schoenwaelder, and A. Bierman, Network configuration protocol (NET- CONF), Internet Engineering Task Force, Request for Comments 6241, March [16] dpdk.org, DPDK: Data plane development kit, [17] L. Rizzo, netmap: A novel framework for fast 343

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