高速トランスポートアーキテクチャに関する研究

エンドホスト間でデータ系トラヒックを高速に、かつ効率よく転送するための中心技術がトランスポートプロトコルである。特に、近年のネットワークの高速化に伴い、エンドホストにおけるプロトコル処理によるボトルネックも重要な問題となってきている。さらに、ネットワークが拡がりをみせるにつれ、サービスの公平性も重要な課題となってきている。これらの問題は、高速ネットワークにおける輻輳制御と密接な関連を持ち、高速かつ公平なサービスは、単にネットワークの輻輳制御だけでなく、エンドホストの処理能力向上も考慮しつつ、統合化アーキテクチャを構築することによってはじめて実現される。本研究テーマでは、それらの点を考慮した研究に取り組んでいる。

トランスポートプロトコル間の公平性に関する研究

インターネットは様々なネットワークを取り込むことによって巨大化し、その利用人口は爆発的に増加し続けている。にもかかわらずネットワークが破綻することなく動作しているのは、ネットワーク帯域、ルータ能力等の物理的資源の増強だけではなく、トランスポート層プロトコルであるTCP (Transmission Control Protocol) の持つ輻輳制御機能によるところが大きい。ネットワークの輻輳制御には2つの大きな目的がある。1つはネットワーク輻輳の回避、及び輻輳が避けられなかった場合の輻輳状態からの回復であり、もう1つはフロー（コネクション）間の公平性の確保である。ここでの公平性には、他のフローに比べて不当に多くのネットワーク資源（帯域、ルータバッファ等）を占有しているフロー（Ill-behaved flow: プロトコル規約に則らない違反フロー）を発見し、それを排除する機能も含まれる。そこで本研究では、公平性向上のためのインターネットにおける輻輳制御を、エンドホストにおけるTCP制御とネットワーク内のルータが行う制御に分け、それぞれについて説明を行い、現在の問題点を指摘している。また、それらの問題点を解決するために提案されている最新技術を紹介し、フロー間の公平性を向上させるための方策について検討を行っている。また、公平性向上のためには、ネットワーク帯域の公平な配分だけでなく、エンドホスト資源の効率的な配分も重要であることを指摘している。

[関連発表論文]

インターネットサーバにおけるスケーラブルな資源管理に関する研究

ネットワークの輻輳問題に対しては、これまでにも様々な解決策が提案・検討されているが、エンドホストに関してはあまり検討がなされていない。しかし、インターネットユーザの増加に伴うネットワーク回線の急激な増強を考慮すると、エンドホストの高速化・高機能化は重要である。そこで本研究では、TCPによるデータ転送効率とコネクション間における公平性の向上を目的とした、Webサーバ上及びWebプロキシサーバ上における新たな資源管理方式を提案している。提案方式は、送信側端末がまず接続されている各TCPコネクションの平均スループットを解析的に推測し、その値に基づいて各コネクションに割り当てる送信ソケットバッファサイズを決定するバッファ割り当て方式、及びサーバ上に存在するアイドル状態のpersistent TCPコネクションを積極的に切断することによってサーバ資源を開放し、新規にデータ転送を開始するTCPコネクションに与えることによって、サーバ資源の有効利用を図るコネクション管理方式から構成される。本研究ではこれらの提案方式の有効性を、コンピュータ上のシミュレーション及び実コンピュータ上に実装しての稼働実験によって検証し、従来方式に比べWebサーバ及びWebプロキシサーバのスループットが向上し、接続されるTCPコネクション間の公平性、及びドキュメント転送時間が向上していることを示している。

[関連発表論文]

公平性に着目したREDルータの解析的評価と性能改善に関する研究

ボトルネックルータにおけるTCPコネクション間の不公平性を改善するための一つの方法として、RED (Random Early Detection) ルータを用いることが有効であると言われている。そこで本研究では、特にフロー間の公平性に着目し、REDルータの評価を数学的解析手法により行い、その結果、パラメータ設定が適切な場合はREDの公平性はTDに対して優れているが、パラメータ設定が不適切な時にはREDの性能がTDよりも劣化する場合があることを明らかにしている。また、REDのパラメータをルータの輻輳状況に応じて動的に変化させ、ネットワーク状況の変化に対応する動的パラメータ設定方式である dt-RED (RED with dynamic threshold control)方式を提案し、性能評価を行っている。さらに、遅延時間やリンク帯域等の環境が同じ場合でも、TCPコネクションが転送するデータサイズの違いによってスループットに不公平性が発生することを指摘し、それを改善する手法として、ルータにおいて転送データサイズを推測し、推測結果に基いて転送データサイズに応じてREDにおけるパケット廃棄率を変化させるhash-RED方式を提案し、その有効性をシミュレーションによって明らかにしている。

[関連発表論文]

衛星インターネットにおけるTCPスループット改善手法に関する研究

衛星回線は伝搬遅延時間が非常に大きいため、衛星回線を経由したインターネットアクセスにおいては、TCPコネクションのスループットが非常に低下することが知られている。本研究では、この問題を解決するためのTCP プロキシメカニズムの提案を行っている。提案方式は、衛星回線を経由した送受信端末間のコネクションを、送信側端末-送信側衛星ステーション間の地上コネクション、衛星ステーション間の衛星コネクション、及び受信側衛星ステーション-受信側端末間の地上コネクションの3本に分割する。また、衛星部分においては、SCTP (Stream Control Transport Protocol)を用いて複数のTCPコネクションを1本のSCTPコネクションに多重化し、衛星回線で性能劣化の原因ウィンドウサイズの問題を解決している。さらに、衛星回線はその帯域遅延積がほぼ固定され、輻輳は発生しないため、SCTPで採用されているTCP Renoに基づく輻輳制御方式は適合しないと考えられため、本研究では衛星回線上のSCTPコネクションにおいてTCP Vegasに基づく輻輳制御方式を用いる新たな方式を提案している。これは、TCP Vegasはネットワーク内に一本のTCPコネクションが存在する場合に高い性能を示すことが明らかとなっているためである。本研究では、nsを用いたシミュレーション結果を通じて提案方式の性能評価を行い、提案方式が衛星回線の帯域をすばやく有効に利用できることを明らかにしている。

[関連発表論文]

ネットワークプロセッサを用いた実験用ネットワークエミュレータの構築に関する研究

本研究では、Intel株式会社製のネットワークプロセッサであるインテルIXP 1200を用いて実験用ネットワークエミュレータシステムを構築するために必要となる機能、及びその設計指針を示し、いくつかの機能の実装を行っている。まず、実験用ネットワークエミュレータに必要な機能として、バッファ制御方式、リンク遅延やパケット廃棄機能を挙げ、それぞれについてインテルIXP 1200上へ実装するための設計指針を示している。また、インテルIXP 1200のソフトウェアシミュレータを用いて、それらの機能をIXP 1200実機に実装した時に予想される性能の計測評価、及び実装した機能が動作していることの確認を行っている。また、IXP 1200実機へ実装してパケット転送実験を行い、我々が提案するエミュレータシステムが、ALTQ等の従来のPCベースのパケット転送システムと比較してより高速なパケット処理が実現されていることを示している。

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フロー間の公平性を実現する階層化パケットスケジューリング機構に関する研究（NECラボラトリーズ ネットワーキング研究所との共同研究）

現在インターネットワークトラヒックの大部分を占めるBest effort系トラヒックの品質に関して最も重要な目標の一つが各ユーザへの公平なサービスの実現である。今後、インターネットがますます重要なインフラと化してゆき、また各ユーザのアクセス帯域が大きくなるに従って、ユーザ間の公平なサービスはますます重要になってくると考えられる。公平なサービスを実現する手段としては、ネットワーク内の全てのルータにおいてユーザフローごとにスケジューリングする方式が提案されている。しかしながら、非常に多くのフローを超高速に扱うことはハードウェア技術上非常に困難であり、この方式はバックボーンネットワークにはスケールしないと考えられる。そこで本研究では、フロー毎に優れた公平性を提供し、エッジルータやコアルータの能力に合わせた、スケーラブルなスケジューリング方式を提案した。エッジのルータではper-flowにほぼ近い制御を行い、コアのルータでは複数のフローを集約して制御を行うことでスケーラブルを実現する。また、複数のフローを集約することで失われた情報を、集約された単位ごとのフロー数を推定したり、レートの高いフローを発見したりして、そのフローのパケットに対して優先的に棄却することにより、公平な制御を行うことができるようにする。本研究では、提案方式をシミュレーションによって評価し、集約された単位の公平性だけではなく集約された単位の中の個々のフローごとの公平性も実現できることを示している。また、フローの集約度と公平性の関係も明らかにし、高速なコアルータに実装可能な程度にフローを集約した場合でも、エンド間ではper-flow制御と同等の公平性を実現できることを示している。

[関連発表論文]
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