ネットワークにおけるフィードバックメカニズムの解明に関する研究

ネットワークの高速化、効率化の中心技術となるのが輻輳制御である。旧来の電話交換網における輻輳制御では、アーラン呼損式を核とするトラヒック理論がその理論的な支柱となってきた。一方、インターネットに代表されるコンピュータネットワークにおいては、待ち行列理論が古くから輻輳制御設計を解決するものとされてきた。しかしながら、インターネットにおいては、エンド間トランスポート層プロトコルであるTCPがネットワークの輻輳制御の役割も担っている。TCPは基本的にフィードバックメカニズムに基づくものであり、従来の待ち行列理論に代表されるマルコフ理論が意味をなさないのは自明である。本研究テーマでは、そのような考え方に基づき、ネットワークの輻輳制御の解明を目指した研究を進めている。

トランスポート層プロトコルのフィードバックメカニズムに関する研究

パケット交換ネットワークにおいて、データ転送系のサービスを効率的に収容するためには、フィードバック型の輻輳制御が不可欠である。フィードバック型の輻輳制御では、ネットワークからのフィードバック情報に応じて、送信側ホストからのトラヒック流入量を動的に制御する。これにより、ネットワーク内部でのパケット棄却を防ぐとともに、網資源の有効利用が可能となる。現在、広く普及している TCP/IPネットワークでは、フィードバック型の輻輳制御として、ウィンドウ型のフロー制御方式であるTCPが用いられている。現在のインターネットでは、トラヒックの大部分がTCPによって転送されている。これまで、TCPの性能を解析した研究は数多く存在するが、その大部分はネットワークにおけるパケット棄却率を一定と仮定し、定常状態におけるTCPの特性を解析している。我々はこれまで、流体近似法および待ち行列理論を組み合わせることにより、ネットワーク全体を単一のフィードバックシステムとしてモデル化する手法を提案した。ただし、そこでは、すべてのTCPコネクションの伝搬遅延が等しいという、単純なネットワークを対象にしていた。 そこで本研究では、この解析手法を拡張することにより、TCPの定常特性および過渡特性を解析した。まず、定常状態における、各TCPコネクションのスループットおよびパケット棄却率、ボトルネックルータにおける平均待ち行列長を導出した。さらに、制御理論を適用することにより、TCPの過渡特性を解析した。これにより、TCPのコネクション数や伝搬遅延時間などが、TCPの過渡特性にどのような局所的な影響を与えるかを明らかにした。その結果、帯域遅延積がTCPの安定性や過渡特性を大きく左右すること、TCPのコネクション数やバックグラウンドトラヒック量が増えるにつれ、ネットワークがより安定することを明らかにした。

[関連発表論文]

ネットワーク層プロトコルのフィードバックメカニズムに関する研究

近年、エンド-エンド間で動作するTCPの輻輳制御機構をゲートウェイにおいて補助する、アクティブキュー管理機構に関する研究が活発に行われている。本研究では、アクティブキュー管理機構に関して、 (1) REDゲートウェイの過渡特性解析、(2) REDのパケット棄却方式が定常特性・過渡特性に与える影響の解析、(3) 多変量解析を用いたアクティブキュー管理機構の性能評価、(4) 複数のルータが協調動作するアクティブキュー管理機構の設計、という4つの点からさまざまな検討を行った。

REDゲートウェイに関する研究は非常に多いが、REDゲートウェイの定常特性に着目した研究がほとんどであり、過渡特性を評価した研究はほとんどない。我々はこれまで、TCPコネクション数の変動を考慮した、REDゲートウェイの過渡特性解析を行なった。しかし、そこでは一時的なTCPコネクションの変動のみを対象としており、一般的なTCPコネクション数の変動に対する過渡特性は明らかにされていない。そこで本研究では、まず、そこでの解析手法を応用することにより、さまざまなTCPコネクション数の変動に対する、REDゲートウェイの過渡特性を解析した。具体的には、制御理論で広く利用されている伝達関数を用いて、時間領域ではなく、周波数領域において解析を行った。さらに、いくつかのシミュレーション実験により、本研究で提案する過渡特性解析の妥当性を検証した。

REDルータでは、平均キュー長(バッファ内パケット数)に対して線型な確率で到着するパケットを棄却する。しかし、パケットを棄却する確率が、平均キュー長に対して線型な確率でよいかどうかについては、これまで十分な検討が行われていない。そこで本研究では、次に、パケット棄却率を決定する関数が、凹型、線型、凸型の3種類の場合を考え、定常状態におけるそれぞれのアクティブキュー管理機構の性能を評価した。その結果、パケット棄却率を決定する関数が凹型の場合に、アクティブキュー管理機構の安定性が向上し、ネットワークの変動に対してよりロバストとなることを示した。

一般に、アクティブキュー管理機構の問題点は、その有効性が制御パラメータの設定に大きく依存するという点にある。しかし、これまでは、アクティブキュー管理機構の制御パラメータ設定に関して、体系的な方法が存在しなかった。そこで本研究では、多変量解析手法を用いることにより、膨大な数のシミュレーション結果を統計的に処理し、REDルータの制御パラメータがその性能にどのような影響を与えるかを定量的に明らかにした。さらに、ここで提案する解析手法を、代表的な3種類のアクティブキュー管理機構GRED (Gentle-RED)、DRED (Dynamic-RED)、SRED (Stabilized RED))に適用し、制御パラメータが、その性能にどのような影響を与えるかを定量的に明らかにした。

近年、さまざまなアクティブキュー管理機構の提案が活発に行われているが、その大部分は単一のルータを対象として設計されており、ネットワーク中の複数のルータを対象としたアクティブキュー管理機構は十分検討されていない。特に、ネットワーク中に複数のルータが存在する、一般的なネットワークトポロジの場合、TCPはMax-Min公平性をみたさないことが知られている。これは、TCPのスループットは、エンド-エンド間の伝搬遅延やホップ数が小さいコネクションほど有利になるためである。そこで本研究では、最後に、ネットワーク中に複数のルータが存在する、一般的なネットワークを対象とし、複数のルータが協調動作するアクティブキュー管理機構を設計した。これにより、TCPコネクション間の公平性が改善できることを示した。

[関連発表論文]

インターネットのエンド間遅延特性のモデル化に関する研究

インターネットにおける、エンド・エンド間のパケット伝送遅延特性を知ることは重要である。これは、(1) パケット伝送遅延特性がリアルタイムサービスのQoS（サービス品質）に直接影響を与えること、また、(2) リアルタイムおよび非リアルタイムアプリケーションに対して、効率的な輻輳制御機構の設計が可能になること、などによる。本研究では、インターネットのパケット伝送遅延特性をモデル化する、新しい手法を提案した。提案手法の中心となるアイディアは、ある送信側ホストからみたネットワーク全体をブラックボックスとして扱い、パケット伝送遅延特性を、制御工学の分野で広く用いられているシステム同定理論を用いてモデル化するというものである。システム同定に用いる入出力データとして、一定のサンプリング周期ごとに測定した、送信側ホストからのパケット送信レート、およびラウンドトリップ時間の平均値を用いることにより、モデル精度が向上できること示した。LAN環境およびWAN環境で実際に測定した入出力データを用いてモデル化を行い、ラウンドトリップ時間の変動がどの程度正確にモデル化できるかを明らかにした。その結果、LAN環境では、ほぼ正確にラウンドトリップ時間の変動をモデルできることを示した。また、WAN環境では、ボトルネックリンクが少数のユーザで共有されている場合、ラウンドトリップ時間の変動をうまくモデル化できることを示した。

さらに本研究では、システム同定によって得られた、インターネットにおけるパケット伝送遅延時間のモデルに対して古典制御理論を適用することにより、ラウンドトリップ時間にもとづくレート制御方式を設計した。ラウンドトリップ時間が一定となるように、送信側ホストからのパケット送出レートを動的に制御することにより、ネットワーク内でのパケット棄却を防ぐことともに、エンド-エンド間での効率的な通信を実現した。いくつかのシミュレーション実験により、設計したレート制御方式の有効性を定量的に評価した

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