2013年度 研究成果報告書

Advanced Network Architecture Research Group

1. コンテンツセントリックネットワーク (CCN) 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コンテンツセントリック(コンテンツ指向型)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.これをコンテンツセントリックネットワーク (Content Centric Networking; CCN),あるいは情報セントリックネットワークと呼ぶ.

コンテンツセントリック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,コンテンツセントリック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 CCNのハードウェア実装に関する研究

1.1.1 CCN実現のためのハードウェア最適化に関する研究

本研究では CCN 実現の第一段階として,ドメイン名(FQDN)にもとづくルーティングアーキテクチャについて検討を行った.具体的には,ドメイン名をアドレスとしたレイヤ3ルーティング実現のためのルーティングトポロジ構築,ハードウェア資源割り当て,およびドメイン名の分散格納手法に関してそれぞれ提案し,現在登録されている全 FQDN をルータに格納するために必要となるハードウェア資源量,およびルータ数に関する定量評価を行った.その結果,約6.6億個のFQDNを分散格納するのに必要なルータ数は現時点で入手可能はハードウェア資源(TCAM)をしても,1000台オーダ程度で可能であることを示した.ただし,FQDNによるルーティングを行うための論理トポロジー上のルータは,実際に配置されている物理トポロジーのルータとの適切なマッピングが行わなければ,論理トポロジーと物理トポロジーの間に不整合が生じることになる.また,検索効率を向上させるためには,位置情報だけでなく FQDN のアクセス頻度を考慮したルーティングテーブルの再構成が行われることが望ましい.以上の点を考慮し,本研究では名前のアクセス頻度を考慮した論理・物理トポロジマッピング,およびそれを実現するためのルーティングテーブルの再構成のアルゴリズムを提案した.提案方式を用いることで,アクセス頻度や物理情報を考慮しない場合と比較して FQDN の検索効率の向上が確認できた.


[関連発表論文]
  • Haesung Hwang, Shingo Ata and Masayuki Murata, “Resource name-based routing in the network layer,” Journal of Network and Systems Management, vol.22, no. 1, pp.1-22, January 2014.

1.1.2 CCNにおけるハードウェアアーキテクチャに関する研究

CCN を実現する上で最も重要な課題の一つとして,中継器であるコンテンツセントリックルータの高速化が挙げられる.CCN 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.コンテンツセントリック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,コンテンツセントリックルータの高機能化,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.


[関連発表論文]
  • Atsushi Ooka, Shingo Ata, Kazunari Inoue and Masayuki Murata, “Design of a High-speed Con-tent-centric-networking Router Using Content Addressable Memory,” to be presented at IEEE IN-FOCOM 2014 Workshop on Name-Oriented Mobility, April 2014.
  • 大岡 睦, 阿多 信吾, 井上 一成, 村田 正幸, “連想メモリを用いた高速なコンテンツセントリックネットワークルータのハードウェア設計と評価,” 電子情報通信学会技術研究報告(IN2013-161), vol. 113, no. 473, pp.105-110, March 2014.
  • Atsushi Ooka, “Hardware design and evaluation of CAM-based high-speed CCN router,” Master’s thesis, Graduate School of Information Science and Technology, Osaka University, February 2014

1.2 CCNの早期展開に関する研究

1.2.1 IPv6ネットワークの活用により早期展開を実現するCCNに関する研究(日本電気株式会社との共同研究)

コンテンツセントリックネットワークは従来の IP ネットワークの通信パラダイムとは抜本的に異なるため,クリーンスレートからの設計が一般的に考えられているが,クリーンスレートからの実現には,アーキテクチャの設計,リファレンスモデルの作成および実験検証,実用化に向けた最適化のプロセスを経る必要があり,実現には相当の時間が要することは想像に難くない.本研究ではコンテンツセントリックネットワークを早期かつ速やかに展開することを目指し,IPv6アドレスを用いた CCN の実現に向けた研究開発を行う.それによって,IPv6 ネットワークアーキテクチャの持つ広いアドレス空間,および既存の IP ネットワークのもつ高い性能,柔軟性,耐障害性を最大限に活用することで,すべてを再構築することなく CCN が実現できることを明らかにする.IPv6 技術を用いた CCN を実現することにより,IPv6 に新たな付加価値を提供する.その結果,エンドユーザの移行を促進させ,IPv6 の持つ広大なアドレス空間を活かしたセキュアなサービスを実現可能であると考える.本研究では,IPv6 ネットワークによる CCN の実現のための通信アーキテクチャ,および必要となる要素技術の設計開発を行った.実験ネットワークでの検証により,特にエンドユーザのアプリケーションを修正することなく容易にコンテンツセントリックネットワークが実現できることを明らかにした.


[関連発表論文]
  • Shingo Ata, Hiroshi Kitamura, and Masayuki Murata, “Towards early deployable Content-Centric Networking enhanced by using IPv6,” in Proceedings of IFIP/IEEE International Symposium on In-tegrated Network Management (IM 2013), pp. 1191-1194, May 2013.
  • Shingo Ata, Hiroshi Kitamura, and Masayuki Murata, “Information-Centric Communication Archi-tecture for Vehicular Networking,” in Proceedings of International Conference on Connected Vehicles & Expo (ICCVE 2013), December 2013.

1.2.2 SDN/OpenFlow によるCCNの実現手法に関する研究(日本電気株式会社との共同研究)

SDN (Software Defined Network) および OpenFlow は,高いプログラマブル性によってネットワークを柔軟に構成,管理できる技術として近年注目されている.OpenFlow の持つ柔軟性の高いパケット処理記述は,よりインテリジェントなパケット処理が必要となる CCN においても有効であると期待されることから,CCN を OpenFlow により実現する研究が行われている.しかしながら,これまでの研究では概念的な提案にとどまっており,具体的な構成方法やその性能に関する検討はなされていない.本研究では,フォワーディングおよび端末間通信の実現の観点から,OpenFlow による CCN の詳細な設計と実装を行った.具体的には,コンテンツ識別子に対して階層構造を持ったハッシュ値にマッピングし,最長プレフィックスマッチングを用いることで,階層型の名前構造を持つ CCN の実現を行った.


[関連発表論文]
  • Atsushi Ooka, Shingo Ata, Toshio Koide, Hideyuki Shimonishi and Masayuki Murata, “Open-Flow-based Content-Centric Networking architecture and router implementation,” in Proceedings of Future Network and MobileSummit 2013 Conference, (Lisboa), pp. 1-10, July 2013.
  • 大岡 睦, 阿多 信吾, 小出 俊夫, 下西 英之, 村田 正幸, “OpenFlow を用いた CCN アーキテクチャおよびルータの実装,” 電子情報通信学会技術研究報告(IN2013-19), vol. 113, no.36, pp.43-48, May 2013.
  • Atsushi Ooka, “Hardware design and evaluation of CAM-based high-speed CCN router,” Master’s thesis, Graduate School of Information Science and Technology, Osaka University, February 2014
1.3 CCNにおけるコンテンツキャッシング機構に関する研究

1.3.1 CCNにおけるキャッシュ利用の効率化に関する研究

CCN を用いた利点として,コンテンツをルータノードでキャッシュすることによるネットワークの利用効率の向上,応答時間の短縮などが挙げられる.しかし,コンテンツおよびノードの人気集中によるキャッシュ利用の非効率性が指摘されている.具体的には,人気のあるノードにアクセスが集中し,その周辺経路のキャッシュが頻繁に更新されることで,キャッシュの利用効率が低下することが考えられる.特に CCN では,今後ますます大容量化する多数のコンテンツを有効にキャッシュするためには,利用効率の高いコンテンツキャッシュ法,およびそれを実現するコンテンツ分散配置手法が必要不可欠であると考えられる.

本研究では,キャッシュの利用効率を向上させるため,あらかじめ人気コンテンツを特定ノードに集中させるのを防ぎ,広域に分散させるコンテンツ配置手法を提案する.具体的には,下位ルーティングプロトコルのアドレッシングアーキテクチャを活用しコンテンツ名に基づいて生成されたランダムエンコードアドレスをコンテンツに与え,ランダムエンコードアドレスが示すノードにコンテンツを初期配置する.そして,コンテンツへのルーティングにもランダムエンコードアドレスを用いて行うことにより,コンテンツの分散化を実現する.そしてルータノードでは確率的にキャッシングを行うことにより単純かつ効果的なキャッシュ配置を実現するCCN アーキテクチャを提案する.以上の提案手法についてシミュレーションによる性能評価を行い,ランダムエンコードアドレスと確率的キャッシングの組み合わせがコンテンツの分散配置に有効に機能し,ノード数 184 の Level3 トポロジーにおいて,キャッシュヒット率が 15% 向上することを示した.


[関連発表論文]
  • 北出 雄麻, 阿多 信吾, 村田 正幸, “エンコードアドレスによるコンテンツ分散配置を実現するコンテンツセントリックネットワーク,” 電子情報通信学会技術研究報告 (IN2013-76), vol. 113, pp. 97-102, September 2013.

1.3.2 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.消費電力を削減するために適切なストレージ容量は,コンテンツのアクセス分布,対象とするネットワークトポロジーなどの要素に依存する.本研究では,現実のネットワーク構成を元にしたモデルに基づいて,さまざまな要素がストレージ容量やネットワークの消費電力量に及ぼす影響を評価し,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つながるための条件を明らかにした.また,実際のネットワークを元にしたネットワークトポロジーおよびパラメータ設定に基づいて,適切なストレージ容量および削減できる消費電力量を評価した.その結果,ストレージ装置としてSSD を用いることで,ネットワークの消費電力量が最大で約44%削減された.またコンテンツのアクセス頻度の分布がストレージ容量および消費電力量に及ぼす影響を明らかにした.


[関連発表論文]
  • 多田 知正, 村田 正幸, 長谷 川剛, 馬場崎 忠利, 中村 二朗, 松岡 茂登, 松田 和浩, “ルータにおけるキャッシングがネットワークの消費電力に与える影響の評価,” 電子情報通信学会和文論文誌, vol. J96-B, pp. 1260-1271, November 2013.

1.3.3 CCN技術を用いたIoTの実現に関する研究

CCN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CCN技術を用いて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コンテンツセントリック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.


[関連発表論文]
  • 川崎 賢弥, “コンテンツセントリックネットワーク技術によるストリームデータ配信システムの設計と実装,” 大阪大学基礎工学部情報科学科特別研究報告, February 2014.