Transcript タスクA: ユビキタスネットワークシステム

研究発表
慶應義塾大学大学院
政策・メディア研究科修士二年
青柳 禎矩
アウトライン
研究テーマ
卒業研究
修士研究方針
研究テーマ
「オーバレイネットワーク」

自分なりの定義：アプリケーションによって構
築され、下層ネットワークから独立したアドレッ
シング・ルーティングを行うネットワークのこと
研究背景
これまでの各組織のネットワーク


各組織によって管理されており、縦割り的
基本的に外部から閉鎖的
企業
学術機関
Network
Network
最近


移動体端末や家庭へのコンピュータの普及
各ネットワークに分散して、組織の端末が存
在するように
学術機関
家庭A
外出先
家庭B
Network
Network
同一組織の
ノード群
Network
横断的な通信基盤（オーバレイネットワーク）が
必要


ネットワーク横断的なサービスを実現
ユビキタスネットワーク普及によってコンピュータが偏
在するようになり、今後さらに重要に
学術機関
家庭A
外出先
家庭B
Network
Network
オーバレイネットワーク
同一組織の
ノード群
Network
卒業研究
ELA:Everywhere Local Area
network の設計と実装
オーバレイネットワークの設計方針
1.
2.
3.
従来のサービスがそのまま利用可能なこと
主要な処理がノード群で完結すること
性能や環境の違いを吸収すること
１．従来のサービスがそのまま
利用可能なこと
これまでのサービスの資産は大きい

Windows Network, DLNAなど
オーバレイネットワークにおいてもこれらの
資産を利用可能であればメリット大きい
２．主要な処理がノード群で完結
すること
特定のサーバに処理を頼るモデルの場合


サーバの導入コストの問題
スケーラビリティの問題
ノード群で主要な処理を完結する、P2P的
アプローチが有効
３．性能や環境の違いを吸収す
ること
各ノードは性能や環境が異なる



CPUの周波数やメモリ搭載量
ネットワーク帯域
FirewallやNATの有無
オーバレイネットワーク構築時は、基盤自
体がこれらの差を吸収し、ユーザに意識さ
せないことが必要
ELAの提案
横断的なオーバレイネットワークを形成し、下記
の方針を実現する機構



１．従来のサービスがそのまま利用可能なこと
(Transparency)
２．主要な処理がノード群で完結すること (Selfcontainment)
３．性能や環境の違いを吸収すること
(Heterogeneity)
ELA (Everywhere Local Area network)
を提案
ELAのオーバレイネットワーク
ELAによってオーバレイネットワークを形成

ELA-Networkと定義
ELA-Network
設計方針への対応
従来のサービスがそのまま利用可能


ELA-Network はLANと同様に通信可能
既存のソフトウェアやプロトコルスタックの改変不要
ELA-Network
設計方針への対応
主要な処理がノード群で完結すること

トラフィックの転送はノード群が分担して行う
ELA-Network
設計方針への対応
性能や環境の違いを吸収すること

NATやFirewallのないノードをCore Node、そう
でないノードをEdge Nodeと分類
ELA-Network
関連研究
I3 (Internet Indirection Infrastructure)



Univ. of California Berkeley
PlanetLab 上のDHTネットワークにタグを挿入
以下を実現
 モビリティ
 マルチキャスト
 エニキャスト

既存のソフトウェアはプロキシで対応
SoftEther



ソフトイーサ株式会社
Ethernet over IPでVPN形成
FirewallやNATの制限をほぼ受けない
仮 想 網 管 理 IFに よ り 他
シ ス テ ム/ ア プ リと 連 携
仮想網
管 理 サーバ
P2PCUG


NEC
各ネットワークのルータ同
士がEthernet over IPSec
の通信をすることにより仮
想ネットワークを形成
仮想ネットワーク構築要求等
トン ネル 構 築 設 定 配 信
Ｇ Ｗ装置
接
末の通
へのソ
端続
末端
から
信フ
を
トイ
ス トール不
トン ン
ネリン
グ処 理要
Ｇ Ｗ装置
Ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｎ ｅ ｔ ｏ ｖ ｅ ｒ ＩＰ Ｓ ｅ ｃ
トン ネル
Ｇ Ｗ装置
物 理 サブ ネッ トを 跨 い だ
シ ームレ ス な 通 信 が 可 能
図T2-1)
オンデマンドセキュアP2Pネットワークの概要
比較
ELA
I3
SoftEther
P2PCUG
Transparency
○
○
○
○
Self-containment
○
×
△
（要インフラ） （要ハブ）
△
（要ルータ）
Heterogeneity
○
×
（考慮なし）
○
（考慮あり）
○
（考慮あり）
ELA ～設計～
ELA システム構成
ELA Nodes
Topology Manager
Bootstrap Manager
Router
Rendezvous Manager
Node Classifier
Capsulating Module
Pseudo
Network Interface
ELA Rendezvous Server
Network Interface
1. ブートストラップ時の流れ
ELA Node
ELA Rendezvous Server
1. Group Name
Topology Manager
Rendezvous
2. Other Clients Location
Bootstrap Manager
Router
3. Request to check
4. TCP and UDP segments
Capsulating Module
Pseudo
Network Interface
Network Interface
Manager
Node Classifier
2. ELA Network構築の流れ
ELA Node
One of Core Node
1. Request of IP address
Bootstrap Manager
2. Enable IP address
Bootstrap Manager
Topology Manager
3. Core or Edge node
Router
Bootstrap Manager
Topology Manager
Router
Capsulating Module
Capsulating Module
4. Valid Location
Pseudo
Network Interface
Network Interface
Pseudo
Network Interface
Network Interface
2. ELA Network構築の流れ
ID順で時計回り
ID順に時計回りに配置

ID = hash(IPアドレス)
Core Node


内側に配置
コアノード同士はUDPのフル
メッシュで通信
Edge Node


外側に配置
時計回りに一番近いコア
ノードにTCPで通信
3. トラフィック転送の流れ
ELA Node
Table Manager
Topology ManagerRouting
Bootstrap
One of Core Node
share
Routing Table
Topology Manager
Bootstrap Manager
Router
Router
Capsulating Module
Pseudo
Network Interface
Application
Capsulating Module
Network Interface
Network Interface
Pseudo
Network Interface
Application
3. トラフィック転送の流れ
全Core Nodeはルーティ
ングテーブルを共有


Key: ID
Value:
 Core Nodeの場合、イン
ターネットのIPアドレス
 Edge Nodeの場合、親の
IPアドレス
通信例
例：27→14



27:3に転送
3:ルーティングテーブ
ルを参照→16に転送
16:14に転送
転送は最大3回まで
プロトタイプ実装
ELA Nodes
C言語
Topology Manager
ELA Rendezvous Server
Bootstrap Manager
Router
Routing Module
Chord
Capsulating Module
Blowfish Algorithm
Pseudo
Network Interface
Universal TAN/TAP Driver
Network Interface
PHP
Rendezvous Manager
Node Classifier
User land Layer
Kernel Layer
実装環境 (ELA Rendezvous Server, Clients)

Red Hat Linux 7.2 (Kernel 2.4.18)
ELA ～評価～
定量的評価
予備評価

評価用端末
 ThinkPad T41p (Pentium M 1.7GHz, 1024M)
ELA Network
①
②
③
エッジノード
10.0.0.3
コアノード
10.0.0.1
コアノード
10.0.0.2
UDP
TCP
通信ノード
帯域
RTT
①⇔ ③
50.95
1.28
①⇔ ②
83.56
0.43
ノード数増加とボトルネックの関
係評価
NS-2を用いた評価




評価用に、ELA network のクライアン
トサーバモデルを作成
各リンクの性能は、予備実験の値を
はめこむ
ランダムに2点間のノード同士が、
2Mbpsの通信を実行
最大のトラフィック転送量を測定（10
回実行し、平均をとる）
通信ノード
帯域
RTT
①⇔ ③
50.95
1.28
①⇔ ②
83.56
0.43
結果


クライアントサーバモデルでは、10ノードでボト
ルネックが発生
本来のELA network では40ノードでボトル
ネックが発生
まとめ
ELAの提案





横断的なオーバレイネットワーク構築機構
既存のサービスを利用可能
主要処理をノード群で実行
性能や環境の差を吸収
ELAの評価
修士論文に向けて
修士論文に向けて
ELAの提案





横断的なオーバレイネットワーク構築機構
既存のサービスを利用可能
主要処理をノード群で実行
性能や環境の差を吸収
ELAの評価
上記事項を発展させる
収容処理をノード群で実行

Rendezvous Network を追加
 Rendezvous Server の負荷を下げる
 何かしらのELA networkのノードを発見すれば、自
分が所属すべきELA networkを発見できる
ELA
network
ELA
network
Internet
ELA
network
ELA
network
ELA
network
ELA
network
Rendezvous Network
Internet
性能や環境の差を吸収


トラフィックの負荷に応じたCore Nodeの増減
性能に応じた1 Core Node あたりの負荷の配
分
ELAの評価


より実環境および実使用法に沿った評価
オーバレイネットワークを考慮したシミュレータ
の使用
ご清聴、ありがとうございました
VPNのトンネリングプロトコル
プロトコル
特長
欠点
IPSec
VPNにおける標準的プロトコル、多く
の実績、IPv6で採用される
付加ヘッダが多く、処理が重い
NAT内ではルータの対応が必要
GRE
Windows標準のVPNで利用される
NAT内ではルータの対応が必要
TCP
標準的なプロトコル
NAT内からでも利用しやすい
TCP over TCP問題がある
UDP
標準的なプロトコル
処理が軽く、高速
NAT内ではフォワーディングの設定が必
要
•TCP、UDPはOSやルータに標準搭載
•TCPはNAT内からの接続容易、UDPは転送性能高
ELAの有無による遅延の比較
PingによるRTTの測定
1.
2.
3.
ELAなし（①⇔②）
ELAあり、UDPによる通信（①⇔②）
ELAあり、TCPによる通信（①⇔③）
①
コアノード
③
エッジノード
UDP
TCP
②
２
コアノード
④
ELA-Network エッジノード
ELAによるオーバヘッドの結果
1.4
1.219
RTT (msec)
1.2
1
0.892
0.8
0.6
0.4
0.304
0.2
0
ELAなし
ELAあり（UDP)
ELAの有無
約0.6ms、0.9msの遅延が発生

人間が感知できるほど遅延はない
ELAあり（TCP)
オーバヘッドの原因
ELAによる追加処理が存在するため
通常
ELA
アプリケーション
ネットワークデバイス
ネットワークデバイス
オーバヘッドの解析
各モジュールでの処理時間を計測

以下の処理時間が大きい
 NPDからのデータ取得
 他ノードへ送信

レイヤをまたがる処理に時間がかかる
0.067
0.075
NPDからの
データ取得
カプセリング
ルーティング
他ノードへ送信
0.002 0.011
(単位: msec)
ホップ数と遅延の関係の結果
3
2.453
RTT (msec)
2.5
2
1.5
1.799
1.219
1
0.5
0
1 hop
2 hops
3 hops
ホップ数
ホップの増加により、遅延も線形増加