高速トランスポートアーキテクチャに関する研究

エンドホスト間でデータ系トラヒックを高速に、かつ効率よく転送するための中心技術がトランスポートプロトコルである。特に、近年のネットワークの高速化に伴い、エンドホストにおけるプロトコル処理によるボトルネックも重要な問題となってきている。さらに、ネットワークが拡がりをみせるにつれ、サービスの公平性も重要な課題となってきている。これらの問題は、高速ネットワークにおける輻輳制御と密接な関連を持ち、高速かつ公平なサービスは、単にネットワークの輻輳制御だけでなく、エンドホストの処理能力向上も考慮しつつ、統合化アーキテクチャを構築することによってはじめて実現される。本研究テーマでは、それらの点を考慮した研究に取り組んでいる。また、CDN (Contents Distribution Network)やデータグリッドなどの、IPネットワーク上において特定のサービスを提供するためのオーバレイネットワークにおけるトランスポートアーキテクチャに関する研究も行っている。

エンドシステム/ネットワーク統合環境におけるTCPの高速・高機能化に関する研究

インターネットの急速な発展にともなうトラヒックの増大に対し、バックボーンネットワークでは広帯域化、高速化が急速に進められている。その結果、現在のインターネットにおいてはエンドホスト資源やアクセスリンク資源がボトルネックになりつつある。たとえば、繁忙なWeb サーバなどにおいてTCP を用いたデータ転送を行う際、エンドホストのソケットバッファ、ディスクリプタ、CPU 資源などのTCPコネクションを確立するための資源が不足することによってエンドホストがボトルネックなることが問題となる。そこで、本研究においては、この問題を解決するためにエンドホストにおけるTCP コネクション資源の管理方式を提案し、シミュレーション、実装実験を通して、その有効性を確認した。一方、現在のインターネットではDSL (Digital Subscriber Line) などの普及によって、ユーザホストとインターネットを接続するアクセスリンク帯域は増加している。しかしながら、依然としてアクセスネットワークの帯域はバックボーンネットワークに比べると十分ではなく、特にユーザが複数のネットワークアプリケーションを同時に利用するような場合ではアクセスリンク帯域がボトルネックとなる。また、標準のTCP コネクションのスループットはRTT などのパラメータに大きく影響されるため、必ずしもユーザの意図した割合でアクセスリンク帯域がアプリケーション間で共有されない。

そこで本研究では、これらの問題点を解決し、ボトルネックとなるアクセスリンク資源を有効に活用するためのアクセス資源管理方式を提案した。提案方式においては、まずユーザホストで全てのTCP コネクションに割り当てられる受信バッファの総量を仮想的に調節することによって、アクセスリンクの輻輳を防止する。その後、各TCP コネクションへの受信バッファの割り当てを、TCPコネクションの性質に基づいて決定する。シミュレーションによる性能評価結果より、提案方式はデータ転送時間の減少、およびアクセスリンクでの輻輳の回避や遅延の減少に大きな効果があり、従来方式と比較した場合、アクセスリンクの利用率を高く維持したまま、 short-lived コネクションにおけるドキュメント転送の遅延を最大 90% 削減できることが明らかとなった。

[関連発表論文]

サービスオーバーレイネットワークにおけるインラインネットワーク計測技術に関する研究

近年のネットワークサービスの多様化に伴い、サービスオリエンテッドなネットワーク(サービスオーバレイネットワーク)が拡がりつつある。例えば、ピア同士の直接的な通信を実現するP2Pネットワーク、ネットワーク上での分散計算環境を提供するグリッドネットワーク、コンテンツ配信を目的としたContents Delivery Network (CDN)、IPネットワーク上に仮想網を構築するIP-VPNなどである。これらのネットワークは、IPネットワークを下位層ネットワークとして、特定のサービスを提供する上位層ネットワークととらえることができる。したがって、これらのネットワークにおいてサービス品質を向上させるためには、下位層ネットワークであるIPネットワークを与条件として、サービス提供のためのコネクション設定要求が発生した時に、利用可能な下位層ネットワーク資源量を適切に把握することが重要である。しかし、既存の利用可能帯域計測方式は、計測に長い時間がかかる、多くの計測用のパケットを用いるため外部トラヒックに与える影響が大きいなどの特徴を持つ。サービスオーバーレイネットワークにおいては、常に最新の利用可能なネットワーク資源量をネットワーク内の他のトラヒックに悪影響を与えることなく取得することが重要であり、そのため既存の方式をそのまま適用することはできない。

そこで本研究では、 IP ネットワークのエンドホスト間で利用可能な帯域幅をリアルタイムかつ少ないオーバーヘッドで計測する方式を提案する。提案方式は TCP コネクションのデータ転送時に得られる情報に基づいて計測を行なうインラインネットワーク計測と呼ばれる方式であり、新たな計測用のトラヒックをネットワークに導入する必要がなく、かつ計測結果を素早く導出することが可能となる。本研究ではまず、インラインネットワーク計測を可能とするための条件である、計測用パケット数が少ない、他のトラヒックに影響を与えない、かつ素早く連続的に計測結果を導出可能、を満たす計測アルゴリズムを提案する。その後、提案したアルゴリズムをTCPに導入するためのTCPの変更方法を紹介する。提案方式はTCPの送信側だけを変更することで導入可能である。また、インライン計測機能を導入したTCPにはアプリケーションが計測結果を適切なタイムスケールで獲得するための仕組みを持つ。さらに本研究では、インライン計測による利用可能帯域の計測結果を利用して、TCPコネクションそのもののデータ転送性能を向上させるための手法を示している。

シミュレーション結果から、インラインネットワーク計測を行うTCPがその転送速度を落とすことなく、 数RTTに 1 回計測結果を導出することが可能であることがわかった。また、計測結果を用いることにより、計測を行うTCPコネクションがネットワーク内の他のトラヒックにほとんど影響を与えることなくリンク利用率を高く維持したり、従来TCPがネットワーク帯域を使いきれない環境において、従来TCPに比べて高いスループットを得ることができることがわかった。また、提案手法を実コンピュータ上に実装し、計測アルゴリズムが実験ネットワーク上でシミュレーションによって得られているのとほぼ同等の性能を示すことが明らかとなった。

[関連発表論文]

TCPオーバレイネットワークに関する研究(NEC社との共同研究)

ADSL やFTTH といった広帯域アクセス網技術の進展により、近年ますますインターネットが発展し、ユーザ数の爆発的な増加に伴い、要求されるサービスが多様化している。それらの中には、エンドホスト間のスループットなどに関して高いネットワーク品質を要求するサービスもあるが、現在のインターネットはベストエフォート型であり、ユーザの要求品質を満たすことはできない。この問題を解決し、IP 層において品質制御を行う技術としてIntServやDiffServ などが存在する。例えばDiffServでは、サービスの種類によってルータにおけるパケット処理の優先順位を決定することによって、各フローの通信品質の差別化を行うことを目的としている。しかしながら、IntServやDiffServを実現するためには、フローが通過するすべてのルータに品質制御機能が実装されている必要があり、ネットワーク規模に対するスケーラビリティ、導入コストなどの面から実現は困難であると考えられる。一方、CDN (Contents Delivery Network)におけるプロキシキャッシュサーバなどのように、品質制御をアプリケーション層で行う技術も研究されているが、各アプリケーションに特化した複雑な制御を必要とする、所望の性能を得るためのパラメータセッティング等が困難である、などの問題がある。

そこで我々は、IP層やアプリケーション層において品質制御を行うのではなく、IP層においては従来のルーティングなど必要最低限の機能のみを提供し、品質制御をトランスポート層において行うTCPオーバレイネットワークに関する研究を行っている。TCPオーバレイネットワークにおいては、通常エンドホスト間に設定されるTCPコネクションをネットワーク内のノード(TCPプロキシ) で終端し、分割されたコネクションごとにパケットを中継しながら転送を行う。これにより、TCPコネクションのフィードバックループを小さくすることが可能になるため、スループットの向上を期待することができる。また、TCPオーバレイネットワークを構築することによって、ネットワーク環境の違いを吸収することが可能になるため、要求されるサービス品質に応じた制御を行うことが可能になる。例えば、送受信ホスト間に無線ネットワークが含まれる場合、一般的にはTCP コネクションのスループットは大幅に低下する。しかし、無線ネットワーク部分でデータ転送が独立するように、その前後でコネクション分割を行うことにより性能劣化を最小限に抑えることが可能である。

そこで本研究では、TCP オーバレイネットワークにおいて必要不可欠であるTCP コネクション分割機構について説明し、コネクション分割を行うことによりエンドホスト間のデータ転送速度が向上することを、簡単な数値例を用いて示した。しかし、既存システムの変更を最小限にとどめるために、TCP の輻輳制御アルゴリズムを各中継ノードにおいて独立に動作させる場合、それらが互いに干渉し、その結果期待するほどのスループットが得られないことが明らかとなった。そこで、この問題を考慮したエンドホスト間のスループット解析を示し、その妥当性をシミュレーションとの比較により検証した。その結果、スループット劣化はTCPプロキシの前後のコネクションが通過するネットワーク環境に差が少ない場合に大きくなり、最大で約60%性能が低下することがわかった。また、そのスループット劣化を防止するためには、従来TCPコネクションに必要とされる量の3倍から10倍の送信バッファが必要であることが明らかとなった。

[関連発表論文]

超高速データ転送を実現するTCPの輻輳制御方式に関する研究

例えば、近年注目されているデータグリッドネットワーク、ストレージエリアネットワーク等においては、エンド端末が1 Gbpsクラスの帯域を持つ高速ネットワークに直接接続され、データの取得・送出、データベースの更新、遠隔バックアップ等において、ギガバイトからテラバイト級のデータを高速に転送することが要求される。このような高速データ転送を行う場合に、現在のインターネットにおいて標準的に用いられているTCP Renoバージョンを用いると、大きなリンク帯域を十分使う程度のスループットを得ることができないという問題が指摘されている。この問題を解決するための一つの方法として、TCP Renoの輻輳制御方式を改変し、高いスループットを得ることができるHighSpeed TCPと呼ばれる方式が提案されているが、その性質はこれまで明らかになっておらず、特に従来のTCP Renoバージョンとの公平性に関しては考慮されていない。

そこで本研究では、HighSpeed TCPコネクションが従来のTCP Renoコネクションと同じリンクを共有する場合の、スループットおよび公平性に関して、数学的解析手法およびコンピュータ上のシミュレーションを用いて考察している。その結果、HighSpeed TCPは従来のTCP Renoに比べて非常に高いスループットを得ることができるが、システム条件によっては大量のパケット廃棄によってスループットが著しく低下し、リンク帯域を十分使う程度のスループットを得ることができない場合があること、また、従来のTCP Renoと同じリンクを共有する場合、TCP Renoを用いたコネクションのスループットを大幅に低下させるため、両者の間の公平性を維持することができない等の問題点を持つことを明らかにしている。さらに本研究では、解析によって明らかになったHighSpeed TCPが持つ問題点を解決し、高いスループットを得るとともに、TCP Renoコネクションとの公平性を改善するTCPの輻輳制御方式の提案を行っている。提案方式の有効性はシミュレーションによって評価を行い、提案方式によって、従来のTCP Renoコネクション公平性を大幅に改善し、HighSpeed TCPに比べて最大で約50%のスループット向上を実現できることを示している。

[関連発表論文]

フロー間の公平性を実現する階層化パケットスケジューリング機構に関する研究

現在インターネットワークトラヒックの大部分を占めるBest effort系トラヒックの品質に関して最も重要な目標の一つが各ユーザへの公平なサービスの実現である。今後、インターネットがますます重要なインフラと化してゆき、また各ユーザのアクセス帯域が大きくなるに従って、ユーザ間の公平なサービスはますます重要になってくると考えられる。公平なサービスを実現する手段としては、ネットワーク内の全てのルータにおいてユーザフローごとにスケジューリングする方式が提案されている。しかしながら、非常に多くのフローを超高速に扱うことはハードウェア技術上非常に困難であり、この方式はバックボーンネットワークにはスケールしないと考えられる。そこで本研究では、フロー毎に優れた公平性を提供し、エッジルータやコアルータの能力に合わせた、スケーラブルなスケジューリング方式を提案した。エッジのルータではper-flowにほぼ近い制御を行い、コアのルータでは複数のフローを集約して制御を行うことでスケーラブルを実現する。また、複数のフローを集約することで失われた情報を、集約された単位ごとのフロー数を推定したり、レートの高いフローを発見したりして、そのフローのパケットに対して優先的に棄却することにより、公平な制御を行うことができるようにする。本研究では、提案方式をシミュレーションによって評価し、集約された単位の公平性だけではなく集約された単位の中の個々のフローごとの公平性も実現できることを示している。また、フローの集約度と公平性の関係も明らかにし、高速なコアルータに実装可能な程度にフローを集約した場合でも、エンド間ではper-flow制御と同等の公平性を実現できることを示している。

[関連発表論文]

ネットワークプロセッサを用いた実験用ネットワークエミュレータの構築に関する研究

本研究では、Intel株式会社製のネットワークプロセッサであるインテルIXP 1200を用いて実験用ネットワークエミュレータシステムを構築するために必要となる機能、及びその設計指針を示し、いくつかの機能の実装を行っている。まず、実験用ネットワークエミュレータに必要な機能として、バッファ制御方式、リンク遅延やパケット廃棄機能を挙げ、それぞれについてインテルIXP 1200上へ実装するための設計指針を示している。また、インテルIXP 1200のソフトウェアシミュレータを用いて、それらの機能をIXP 1200実機に実装した時に予想される性能の計測評価、及び実装した機能が動作していることの確認を行っている。また、IXP 1200実機へ実装してパケット転送実験を行い、我々が提案するエミュレータシステムが、ALTQ等の従来のPCベースのパケット転送システムと比較してより高速なパケット処理が実現されていることを示している。

[関連発表論文]