2. ネットワークサービスアーキテクチャに関する研究

2.1 オーバレイネットワークアーキテクチャに関する研究

2.1.1 公平な帯域利用を実現するオーバレイマルチパス経路制御手法

オーバレイネットワークは，リンク，ルータなどの物理網資源を共有，競合するため，オーバレイネットワークからみた通信品質は他のオーバレイネットワークの影響を受け，大きく変動する．例えば，あるオーバレイネットワークが性能向上のためにより経路を変更すると，その経路を使用していたオーバレイネットワークは，性能が劣化するため，別の経路への切り替えを行う．このように，性能向上のための利己的制御が連鎖することで，ネットワークシステム全体が不安定になり，結果としてオーバレイネットワークの性能が劣化する．

そこで，本研究では，オーバレイネットワークの相互作用によって通信品質が変動する環境において，適応的かつ安定して高品質なオーバレイ通信を行うための，オーバレイマルチパス経路制御手法を提案している．提案手法では，生物システムにおける柔軟な環境適応の非線形数理モデルであるアトラクタ選択モデルを拡張し，経路の負荷に応じて複数の経路にトラヒックを配分する．シミュレーション評価により，複数のオーバレイセッションが物理網資源を競合する状況において，Max-Min公平な帯域共有が達成されることを示した．

[関連発表論文]

2.1.2 オーバレイルーティングに起因するネットワークただ乗り問題に関する研究（日本電気株式会社との共同研究）

オーバレイルーティングはオーバレイネットワークを用いたアプリケーション層で動作する経路制御技術であり，遅延時間や利用可能帯域などの指標を用いて経路を選択することで，ユーザが体感できる性能が向上することが知られている．一方で，IP 層で行なわれる経路制御とのポリシの違いにより，ISP のコスト構造に悪影響を与えることが考えられる．ISP によって提供される IP ルーティングは，一般に隣接 ISP とのリンクの使用にかかる金銭的コストを考慮して制御されている．対してオーバレイルーティングではエンド間の性能向上を目的として経路が選択されるため，オーバレイルーティングの利用によって通過するトランジットリンク数が増加し，ISP のトランジットコストが増大することが考えられる．

この問題に対する解決策としては，オーバレイルーティングが ISP 間のトランジットコストが増加する経路を選択することを制限する手法が考えられる．本研究では，オーバレイルーティングによって増加する ISP 間のトランジットコストを削減する手法を提案した．提案手法では，経路上のトランジットリンク数をトランジットコストの指標とし，オーバレイルーティングによる性能向上を維持しつつ，トランジットコストを抑える経路を選択する．しかし，経路上のトランジットリンク数は一般には公開されておらず，また，エンド間で容易に計測する手法が存在しないため，本論文では経路上のトランジットリンク数をオーバレイノードが容易に計測できるエンド間ネットワーク性能から重回帰分析を用いて推定する手法を確立した．

提案手法の有効性を評価するため，重回帰分析により導出した推定式の精度を評価したのち，提案手法によって経路上のトランジットリンク数を制限したオーバレイルーティングの性能を評価した．実ネットワークの計測データを用いた評価により，推定式によるトランジットリンク数の過小推定が 80% のノードで 1 以下であり，また，提案手法を用いたオーバレイルーティングが，通過するトランジットリンクの数を削減しつつ，トランジットリンクの制限を行わない場合のオーバレイルーティングと同等の性能向上を得られていることを示した．

[関連発表論文]

2.1.3 大規模ネットワーク障害に対応可能なオーバレイルーティング手法に関する研究（NTTサービスインテグレーション基盤研究所との共同研究）

地震，風水害，テロなどの大規模災害に対するコンピュータネットワークの対策に関しては未だ体系的に議論されておらず，災害発生時においてもネットワークの十分な信頼性を確保することは難しい．通常，高信頼なネットワークは冗長性に優れた構成を組むことにより実現されるが，インターネットにおけるIPルーティングプロトコルでの転送経路切替方法では短時間での切替は困難である．また，IP層の機能強化を行う場合にも，共通基盤に新しい機能を付加することにより，それに付随する制御が種々派生し，その複雑さによってアーキテクチャの破綻を招く恐れがある．

そこで本研究では，オーバレイネットワークを用いたトラヒックルーティング技術を用いることで，大規模災害等によってIPネットワークに大きな障害が発生した際に，従来のBGPによるAS間ルーティングでは到達不可能となるAS間通信の大部分を短時間で復旧することが可能となる，オーバレイルーティング手法を提案した．具体的には，オーバレイノードの設置場所，情報交換手法，ASの参加・離脱手法等の検討を行い，小さい通信オーバヘッドでより多くのASが参加可能となるオーバレイネットワーク構築手法を提案した．提案手法の有効性は，CAIDAがBGPトラヒックの計測を行い公開しているASネットワークトポロジを用いて検証し，提案手法がオーバレイノード間の情報交換量を従来手法に比べて1/10-1/1000程度に削減できること，および大規模ネットワーク障害に対して，高いネットワーク接続性を維持し，BGPに比べて短時間で代替経路を発見することができることを示した．

さらに本研究では，オーバレイネットワークの経路重複が原因となり，アンダーレイネットワークの少数リンクの障害が，オーバレイネットワークにおける大規模同時障害を引き起こす問題に着目し，上記手法をそのような同時発生障害に対応させるための障害用トポロジー構築手法を提案した．提案手法は，それぞれのオーバレイノードが，自身を含む障害に対応するトポロジーを作成し，それらを適宜集約することによって，1つのトポロジー群を構築する．数値計算による性能評価の結果，アンダーレイネットワーク全体の25%のリンク障害発生時に，経路長をほとんど増加させることなく，到達性を51%から97%に回復できることがわかった．

[関連発表論文]

2.1.4 オーバレイネットワークにおける計測オーバヘッドの削減に関する研究

オーバレイネットワークはIP ネットワーク上に論理的に構築されたネットワークであるため，性能の維持，向上のためには定期的にオーバレイパスの資源情報を計測によって得る必要がある．オーバレイネットワークの構築に必要な情報を得る手法は数多く提案されているが，その多くは小規模なオーバレイネットワークを対象としており，全てのオーバレイノード間の経路を計測する手法である．このような手法ではオーバレイノード数の2乗の計測コストが必要であり，オーバレイノード数が増加した場合には計測に必要なコストの増加が問題となる．

本研究においては，オーバレイネットワークのオーバレイノード密度に着目し，密度に対してスケーラブルなネットワーク計測手法の検討を行った．具体的には，複数のオーバレイ経路がIP パスを共有する状態を分類し，それぞれの共有状態に対して求められるネットワーク計測手法について検討した．次に，IP パスの共有を知ることができるオーバレイ経路の計測に関して，計測精度を低下させることなく，オーバレイネットワーク全体での計測回数を削減する手法を提案した．

上記手法は，一方のオーバレイパスが他方のオーバレイパスに完全に含まれる場合においてのみ有効であり，個々のオーバレイノードが行う計測のみでは検出できない経路共有には適用することができない．そこで，本研究ではさらに，IP パスの共有を知ることができないオーバレイ経路の計測に関して，IP パスを共有しているオーバレイ経路数を推定することによって計測周期を制御する手法を提案した．具体的には，各オーバレイパスの計測タイミングをランダムに設定し，計測頻度を，経路重複の度合に応じて設定する．これにより，自律分散的な手法によって計測競合を確率的に回避することができる．複数のネットワークトポロジを用いた性能評価により，IP パスを共有しているオーバレイ経路数は，オーバレイノード密度に大きく依存することを示した．また，提案手法が計測失敗回数を抑えつつ，特にルータレベルホップ数の小さなオーバレイパスの成功回数を増加させることができることが明らかとなった．

[関連発表論文]

2.1.5 生物ネットワークに着想を得た自己組織型のP2Pトポロジー構築に関する研究

インターネットにおける新しい通信パラダイムとして，P2Pネットワークが検討されている．P2Pネットワークの性能は，トポロジー構造に大きく依存することから，様々なP2Pネットワークの構築手法が提案されている．しかし，P2Pネットワークではピアの故障や離脱が頻繁に生じる可能性があるため，ピアの故障および離脱後においても，トポロジーの再構成により最適なトポロジー構造を維持しつづける必要がある．下記論文では，ピアノ故障や離脱が生じる場合においても，所望のトポロジー構造を維持するための局所情報にもとづく自己組織型のトポロジー再構成手法を提案している．自己組織的かつ動的なノードの追加，ノードの離脱，リンク再構築，リンク復旧の動作からなる自己組織型のP2Pネットワークの再構成手法を考案し，局所的な情報の交換をおこなうことで平均パス長，クラスタ係数について所望の性質を持つトポロジーを構成できることを示した．

[関連発表論文]

2.2 広域分散コンピューティング環境に関する研究

2.2.1 電力消費を考慮した広域分散コンピューティング環境に関する研究

大規模データセンタへの情報システムの集約が進むと，より大量のデータが広域ネットワークを介して送受信され，データ転送に費やされるエネルギーが増加する．これに対し，トラヒック削減・局所化機能をもつサーバをネットワーク上に分散配置することで，システム全体での省電力化が可能になる．本研究においては，アプリケーション，発生するトラヒック，およびデータ転送を行うためのネットワークを含めたシステム全体のモデルを構築した．また，ルータおよびサーバの電力消費モデルを作成し，システムの電力消費量を定式化する．さらに，分散サーバを設置し転送トラヒックを削減したときの電力消費削減量を評価する．評価の結果，分散サーバ設置数の増加に伴い電力消費量は最大で約20%減少するが，一定台数を超えると，トラヒック削減による電力消費の減少より分散サーバの追加に伴う電力消費の増加の方が大きいため，全体として増加傾向に転じることを明らかにした．

[関連発表論文]