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が用いられているが、その改良に関する研究も盛んに行われている。なかでも、高い性能を示すものとしてTCP Vegasが最近注目されている。本研究では、TCP Vegasをもとにしたウィンドウ型のフロー制御方式を対象とし、その安定性と過渡特性を、制御理論を用いて明らかにした。さらに、解析結果に基づいて、制御パラメータの最適化制御を行うことによってシステムの性能が大幅に改善されることを示した。 さらに、本研究では、多段接続されたネットワークにおいて、ネットワーク中に複数のボトルネックリンクが存在する場合を対象とした解析を行った。まず、定常状態における送信側ホストのウィンドウサイズや、ボトルネックリンクへ向かうバッファのバッファ内パケット数を導出した。さらに、定常状態におけるTCPコネクションのスループットを導出し、ウィンドウ型フロー制御方式の制御パラメータが、TCPコネクション間の公平性にどのような影響を与えるかを明らかにした。また、現代制御理論を適用することにより、ウィンドウ型フロー制御方式の制御パラメータと、ネットワークの安定性および過渡特性の関係を定量的に明らかにし、その結果、経由するボトルネックリンク数の少ないTCPコネクションが、ネットワークの安定性を決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、TCPの輻輳制御機構を補助するために、ルータにおける輻輳制御機構がいくつか提案されている。それらの中で、現在もっとも有望と考えられ、実装されつつあるのは、ルータにおいて意図的にパケット棄却を発生させるRED (Random Early Detection)ゲートウェイである。しかし、これまでREDゲートウェイの特性は十分には明らかにされていない。本研究では、TCPによってフロー制御されたトラヒックに対する、REDルータの定常状態特性を解析した。まず、定常状態におけるTCPのウィンドウサイズや、REDルータのバッファ内パケット数を導出した。また、制御理論を適用することにより、ネットワークの安定条件および過渡特性をあらわす性能指標を導出した。さらに、数値例およびシミュレーション結果により、REDルータの制御パラメータと安定性との関係を明らかにした。その結果、(1) REDルータのバッファ占有量は、ほぼmaxp (maximum packet marking probability) によって決まること、(2) TCPのコネクション数やネットワークの帯域・遅延積が大きくなるにつれ、ネットワークがより安定すること、(3) 過渡特性を最適化するためには、minth (minimum threshold) を慎重に決める必要があること、などが明らかになった。

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ネットワーク層、トランスポート層プロトコルの協調動作を考慮したフィードバックメカニズムに関する研究

ウィンドウ型のフロー制御機構は、フィードバック型の輻輳制御であり、現在のインターネットで広く用いられている。最近、IETFにおいて、ネットワークから送信側ホストへ輻輳を通知する機構として、ECNが活発に議論されている。本研究では、ECNをサポートするルータと協調して動作する、ウィンドウ型のフロー制御機構に着目した。まず、すべての送信側ホストがECNメッセージに応える場合に、TCP/IPネットワークにECNをどのように適用できるかを検討した。次に、ECN対応ルータと協調して動作する、ウィンドウ型のフロー制御方式を、制御理論を用いて解析を行った。解析結果に基づき、ウィンドウ型のフロー制御方式の安定条件を導出し、システムの安定性はルータのバッファサイズや、ボトルネックリンクの帯域に影響されることを示した。また、TCPのコネクション数は、システムの安定性に無関係であることを明らかにした。さらに、現在のウィンドウサイズと推測したルータのバッファ内パケット数を利用する、ウィンドウ型のフロー制御方式のためのレギュレータを設計し、レギュレータを適用することによって過渡特性が大幅に改善されることを示した。

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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。送信側ホストから見たパケット伝送遅延特性をSISO（1入力1出力）システムとしてモデル化し、送信側ホストからのパケット出力間隔をシステムへの入力とし、送信側ホストで観測した往復伝搬遅延がシステムからの出力とする。本研究では、ARXモデルを用いて、そのパラメータをシステム同定理論により決定した。また、ARXモデルの次数決定方法についても議論を行った。それらの結果、ARXモデルを用いることにより、パケット伝送遅延特性が十分にモデル化できること、また、モデルの誤差を小さくするために、ARXモデルの次数を適切に選択する必要があることなどを明らかにした。

[関連発表論文]