1. 情報指向ネットワーク (ICN) アーキテクチャに関する研究

将来ネットワークにおいて解決すべき課題において重要なものの一つが情報指向（コンテンツセントリック）ネットワークである。これまでのインターネットでは、通信は「誰、あるいはどこ（who, or where）」にもとづいて行われてきた。これは、インターネットが元々コンピュータ間の通信を実現するためのものであり、指定された相手にサービスや処理を依頼する、という通信形態を考えると自然な発想であると言える。しかしながら、爆発する情報量と情報流通の高度化、さらに近年クラウドサービスなどに代表されるネットワークを含めたサービス自体の抽象化の概念が導入されつつある。すなわち、エンドユーザに対してはサービス自体が明示されるだけで、具体的にネットワーク上のどのノードが何のサービスを提供するかは隠匿されている。その結果、現在のコミュニケーションは「何（what）」を主体として行われることが一般的である。このようにコミュニケーション形態が旧来のノード指向型からデータ指向型へと変化している現在および将来において、ネットワークも従来の who, where から what にもとづいた通信を提供するように発展することが大いに期待されている。これを情報指向ネットワーク (Information Centric Networking; ICN)、あるいはコンテンツセントリックネットワーク (Content Centric Networking; CCN) と呼ぶ。

情報指向ネットワークへの移行は従来のIPネットワークの通信パラダイムの抜本的に変革するものであり、実現にはさまざまな課題が存在する。本研究では、情報指向ネットワーク実現に向けた課題解決を目標とし、ハードウェアアーキテクチャ、キャッシュ配置、およびルーティングアーキテクチャについて取り組んでいる。

1.1. 情報指向ルータにおけるハードウェアアーキテクチャに関する研究

情報指向ネットワークを実現する上で最も重要な課題の一つとして、中継器である情報指向ルータの高速化が挙げられる。情報指向ネットワークは従来の IP ルーティングとは大きく異なり、より広範囲のパケットヘッダ検索処理、送信・受信・キャッシュ等用途に応じた異なる検索手法、およびマルチキャストなどの一対多通信などを高速に処理する必要がある。情報指向ルータのハードウェアによる高速化についてはその概念が示されているものの、具体的なメモリ構造まで踏み込んだ議論はまだなされていない。本研究では、情報指向ルータの高機能化、高速化に必須の技術であるパケットヘッダ検索処理を対象とし、連想メモリとブルームフィルタの併用により高速な検索性能を維持しつつメモリ資源の利用効率を向上させる新しい検索ハードウェアアーキテクチャの提案を行った。

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1.2. 情報指向ネットワークによるストリームデータ配信に関する研究

情報指向ネットワークに関する研究はまだ基礎段階のものが多く、アーキテクチャのみならずアプリケーションについてもさまざまな研究がなされているところである。しかしながらアプリケーションに関する研究の多くは、すべてのコンテンツを独立とみなし、個別のコンテンツ取得を前提としており、ストリームデータなど時間系列により生成される一連のコンテンツを取得する手法はほとんど検討されていない。本研究では情報指向ネットワークの実装の一つである CCN を対象とし、それらの上でストリームデータを生成・配信するシステムの設計および実装を行った。ストリームデータの伝送において重要となるランダムアクセス性やセッションの柔軟性を実現しつつ、コンテンツ提供ノードへの制御も含めたシームレスなネーミングアーキテクチャとそれを制御する情報指向ネットワークにより、特に計算資源の乏しい組み込み機器においても柔軟性の高いコンテンツ配信機構を実現することを目標とする。

提案システムの実現可能性について検証するため、組み込み機器プラットフォームを用いた無線センサーネットワークにおいてシステムを実装し、動作検証を通じてシステムの有効性を確認した。

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1.3. 情報指向ネットワークにおける自律移動可能なルータを用いた情報取得

情報指向ネットワークアーキテクチャは経路情報として用いる識別子（名前）の柔軟性の高さを利用し、よりフレキシブルな経路制御によるコンテンツ取得を実現することができる。このような背景から、近年情報指向ネットワークを利用した柔軟なコンテンツ取得に対する研究が行われている。ここで柔軟なコンテンツ取得とは、名前を指定した静的なコンテンツの取得だけでなく、中継あるいはエンドノードにおけるさまざまな制御も考慮に入れた動的なコンテンツ取得を指す。例えば、名前を直接セッションのシグナリングに利用する方法や、動画取得におけるフレームレート・解像度などを名前に含めることで、経路制御およびノード処理をシームレスに行うことを含めた柔軟なコンテンツ取得が可能となる。

しかしながら、既存研究ではエンドノードおよび中継ルータにおけるデータ処理に関する制御が主として考えられているのみであり、機器の物理的な動作、特に実移動を伴う制御についてはあまり検討されていない。本研究では、中継ルータの物理的な移動を含めた経路制御を情報指向ネットワークに組み入れることを考える。コンテンツ名の指定だけで中継ルータの物理移動を含めた経路制御が可能になることで、相互に接続されていない独立ネットワーク（分断ネットワーク）間での情報流通および共有が実現できる。

以上の背景のもと、本研究ではルータの物理的な移動制御を実現するために、CCN ルータを搭載したUAV（Unmanned Air Vehicle）を用いる。そしてUAV の移動を情報指向ネットワークの経路制御において行うことによって、取得不可能な遠隔地のネットワークにあるコンテンツを、コンテンツ名を指定するだけでUAV を介して取得可能とする新しい情報指向ネットワークアーキテクチャを提案する。さらに提案アーキテクチャを実現するためにCCN ルータとUAV を組み合わせた空中ルータ（Aerial Router : AR）の設計および開発を行い、分断ネットワークにおけるコンテンツ取得のための経路情報の作成、交換手法などについて設計した。また、空中ルータのプロトタイプ製作を行い、簡便な分断ネットワークによる基礎実験を行うことで提案方式の有効性について検証した。

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1.4. コンテンツキャッシュに関する研究

1.4.1. 効率的なユーザ生成コンテンツの配置および制御法に関する研究

情報指向ネットワークにおいて特徴的な機能として考えられているのがネットワーク内キャッシュである。情報指向ネットワークでは、通信対象であるコンテンツの保存場所および経路に依存しない情報流通の実現を目指しており、ネットワーク内にコンテンツのキャッシュを効率的に配置することで、ネットワークの利用効率およびコンテンツの可用性を大幅に向上できる可能性を有している。効率的なキャッシュ配置は情報指向ネットワークのみならず既存の CDN (Con-tent Delivery Networks) などにおいても重要な課題である。近年、YouTube動画に代表されるユーザ生成コンテンツ（UGC; User Generated Content）の視聴がインターネット上で人気のあるサービスとなってきており、メディア広告の配置やトラヒックコントロール、コンテンツキャッシュなど多くの面から、コンテンツの将来の人気度の予測が重要視されてきている。従来のキャッシュ制御法は、コンテンツの将来の人気度を考慮しないで直近の人気度が高いコンテンツを優先的にキャッシュするが、将来の人気度を考慮してキャッシュ制御を行うことで、さらなるキャッシュの利用効率の向上が期待できる。また、動画配信のトラヒックによる配信サーバやネットワークのピーク負荷を低減するためには、人気コンテンツの先読み技術により高人気の動画をユーザ端末に事前配信することも有効であるが、このような事前配信の負荷を抑えるためには、高い人気が継続されることが予想される動画のみに限定して事前配信を行うことが望ましい。

以上の背景より、本研究ではUGCに対し初期段階でコンテンツの人気度およびその永続性を予測し、それらを考慮したキャッシュ配置および先読み技術の確立を目的とする。ただし、UGCの視聴数推移はコンテンツの種類、内容によって大きく異なっており、日々蓄積される莫大な数の動画に対し適切な種類の判別および将来の人気予測は容易ではない。このため、本研究ではまずUGCとして代表的なYouTube に登録された人気度の高い動画について、それぞれの視聴数変動の実測値を収集し、それらの推移パターンをk-means法を用いてクラスター分析することで、YouTubeの各動画の人気の推移パターンに関する傾向を明らかにする。また、アップロード初期の視聴数の推移パターンと視聴数の絶対値から、長期間にわたり高人気を維持する動画を予測する手法として、教師あり機械学習法の一種である単純ベイズ分類器を適用した場合の予測精度を評価する。その結果、アップロード初期3時間の視聴数データを用いて予測するとき、単純ベイズ分類器による正解率は変化パターンを考慮しない場合より約10％向上することを明らかにした。

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1.4.2. ネットワーク省電力化のためのルータにおけるコンテンツキャッシングに関する研究

コンテンツキャッシングによるコンテンツ配信の効率化手法の1つとして、ネットワーク上のルータがコンテンツを保持することでトラヒックの削減や応答時間を改善するCCNのような手法が提案されているが、この手法はネットワークの消費電力の削減にもつながる可能性がある。従来のキャッシングに関する研究では、ルータのストレージ容量はあらかじめ与えられており、それを有効に利用するための置き換え手法の検討が中心であった。キャッシュの効果は容量が大きいほど向上するため、キャッシュのためのストレージ容量は可能な限り大きいことが望ましく、その適切な大きさが議論の対象となることはなかった。しかし、消費電力の削減に着目すると、適切なストレージ容量については議論の余地がある。また、ルータがコンテンツを保持することが消費電力の削減にどの程度有効であるかについても明らかではない。例えば、ネットワークの消費電力の削減を目的とする場合、ストレージ装置自体が電力を消費するため、各ルータに大容量のストレージを備えることが必ずしも全体として消費電力の削減につながるとは限らない。

そこで本研究では、消費電力の削減を目的として、ルータの適切なストレージ容量に関する議論を行うとともに、ルータがコンテンツを保持することの有効性について評価した。具体的には、大学におけるYouTubeのアクセス履歴を元に生成したワークロードを用いてシミュレーションを行った。その結果、消費電力の削減率はアクセスの地理的局所性によって変化し、最大で35%程度の消費電力が削減された。また、階層の最下位のルータよりも上位のルータに多くのストレージ容量を配分することで消費電力がより削減されることがわかった。また、キャッシュを2つに分割し、コンテンツの先頭部分のデータを優先的にキャッシュすることにより、消費電力の削減量を維持したままで動画再生の遅延開始の削減が可能であることを示した。

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1.4.3. オーバレイルーティングによって増加する ISP 間トランジットコストの削減に関する研究

近年提案されているContent-Centric Networking (CCN)は、コンテンツのキャッシュをルータに保持するため、宛先ホストまでの経路上において、トラヒックの削減に効果がある。このトラヒック削減は、ISP にとってはトランジットリンクを通過するトラヒックの削減に繋がるため、トランジットコストを削減できる。一方で、CCNルータがキャッシュのために搭載できるメモリ容量はエンドユーザが要求するコンテンツの量に対して十分とはいえない。また、通常のCCN では経路上のキャッシュのみが利用され、経路外にキャッシュが存在しても利用できない。

そこで本研究では、ISP のトランジットコスト削減を目的とした、複数ISP 間におけるCCN ルータのキャッシュ共有手法を提案する。提案手法では、CCN ルータ間で互いにキャッシュを利用し、お互いにキャッシュするコンテンツの重複を排除する。これにより限られたメモリ容量を有効利用してキャッシュヒット率を高め、トランジットコストを大きく削減する。実際の商用ISP のネットワークトポロジーを利用したシミュレーション評価により、提案手法が通常のCCN と比べ、トランジットトラヒック量を最大で28%削減できることを示した。

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