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SDN技術を活用したスケーラブルな Pub/Sub通信基盤
SDN技術を活用したスケーラブルな Pub/Sub通信基盤 京都産業大学 コンピュータ理工学部 准教授 秋山 豊和, 河合由起子 東京工業大学 学術国際情報センター 准教授 飯田 勝吉 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 背景 ○○○ 提案方式 ○○○○ 評価 ○○○ 内容 • 背景 – Pub/Sub通信における大量トラフィックの処理 • 関連研究と解決方針 – アプリケーション層/ネットワーク層における トラフィック最適化 • 提案方式 – ハイブリッド Pub/Sub 最適化 – シミュレーションによるスケーラビリティ評価 • まとめと今後の課題 COMPSAC 2015 (Taichung, Taiwan) まとめと 今後の課題 ○ 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 背景 ●○○ 提案方式 ○○○○ まとめと 今後の課題 ○ 評価 ○○○ 背景: Pub/Sub通信モデル における大量トラフィックの処理 • Publish/Subscribe (Pub/Sub) 通信モデルは最近のインター ネットアプリケーションでは広く利用されている – トピックベースPub/Sub – e.g. IoTアプリケーション, SNS (Twitter, Facebook) IoT の例 (センシング, 分析, 可視化・制御) データ蓄積・ 分析基盤 SNS の例 (publishとtweetのフォロー) publisher subscriber publisher subscriber publisher subscriber publisher アクチュエータ: 施設制御機構 可視化装置 データ の流れ 大量 トラフィック センサネットワーク 大量 トラフィック 緊急通報は 保護されるべき 助けて！ @User_A からのTweet User_Aの Tweet User_A の フォロワー デジタルサイネージ subscriber subscriber subscriber 温度 センサ 電力 メータ publisher publisher カメラ publisher スマートフォン publisher 構成要素が 広域に分散 subscriber subscriber subscriber 背景 ○●○ 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 提案方式 ○○○○ 評価 ○○○ まとめと 今後の課題 ○ 背景: Pub/Sub通信モデル における大量トラフィックの処理 Broker あたりの Publisher/Subscriber数 を削減 • 複数Brokerの導入 publisher publisher publisher publisher publisher publisher publisher publisher broker broker subscriber subscriber subscriber subscriber subscriber subscriber subscriber subscriber publisher publisher publisher publisher publisher publisher publisher publisher broker subscriber subscriber subscriber subscriber broker データセンタ間 の通信 データセンタA データセンタB 例）データセンタ間連携 subscriber subscriber subscriber subscriber Broker数の増加にともない Broker間通信が増加 背景 ○○● 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 提案方式 ○○○○ 評価 ○○○ まとめと 今後の課題 ○ 背景: Pub/Sub通信モデル における大量トラフィックの処理 • オーバレイネットワークの導入 publisher publisher publisher publisher publisher publisher publisher publisher broker broker subscriber subscriber subscriber subscriber subscriber subscriber subscriber subscriber publisher publisher publisher publisher publisher publisher publisher publisher broker subscriber subscriber subscriber subscriber 最小限の配信木が トピックごとに 構築される broker データセンタ間 の通信 データセンタA データセンタB 例）データセンタ間連携 subscriber subscriber subscriber subscriber しかしながら •オーバレイネットワークは 物理ネットワーク構成を 知らない •無駄な配信木が作成されて しまう可能性あり 背景 ○○○ 関連研究と 解決方針 ●○○○○ 提案方式 ○○○○ 評価 ○○○ 問題解決のアプローチ 1. 下位層（物理ネットワーク構成）を考慮する ことでオーバレイの配信木を最適化する 2. 下位層を制御することで下位層による 最適な配信木を構築する まとめと 今後の課題 ○ 背景 ○○○ 関連研究と 解決方針 ○●○○○ 提案方式 ○○○○ 評価 ○○○ まとめと 今後の課題 ○ 1. の関連研究 • ALM (Application Layer Multicast) [1] – オーバレイによる1対多配信（例）DHT, SkipGraph） – 異なる管理ドメインにまたがる配信を実現 位置を考慮した ALM の開発 – 非効率な配信木を作る可能性あり [3] Y. Teranishi et al., “Scalable and Locality‐Aware Distributed Topic‐ based Pub/Sub Messaging for IoT,” Proc. of IEEE GLOBECOM 2015 • ALTO [2] – 下位層の情報を用いたオーバレイの最適化 – 下位層によるパケットの優先制御などは実現不可 [1] M. Hosseini, D.T. Ahmed, S. Shirmohammadi, N.D. Georganas, “A survey of application‐layer multicast protocols,” Communications Surveys & Tutorials, IEEE, vol.9, no.3, pp.58,74, 2007. [2] J. Seedorf, S. Kiesel, and M. Stiemerling, “Traffic localization for P2P‐applications: the ALTO approach,” IEEE P2P 2009, pp. 171‐177, Sep. 2009. 背景 ○○○ 関連研究と 解決方針 ○○●○○ 提案方式 ○○○○ まとめと 今後の課題 ○ 評価 ○○○ 2. の関連研究 • OpenFlow – ハイブリッドモード [4] • 既存のインターネットプロトコル（IP）と互換性あり • 新しいプロトコルのみOpenFlowの機能で実装 – OpenFlow マルチキャスト (OFM) [5][6] • ソフトウェア制御可能なマルチキャスト OpenFlow プロトコル OpenFlow コントローラ ホスト OpenFlow コントローラ マルチキャスト転送 OpenFlow スイッチ ホストA [4] S. Wackerly, “OpenFlow Hybrid Mode”, Open Daylight Developer Design Forum 2014 [5] D. Kotani et al., “A design and implementation of OpenFlow controller handling IP multicast with fast tree switching,” Proc. of SAINT 2012. [6] C. AC Marcondes, et al. “CastFlow: Clean‐slate multicast approach using in‐advance path processing in programmable networks,” Proc. of ISCC 2012. ホストB ホストC NORMAL フローエントリ IP通信可能 背景 ○○○ 関連研究と 解決方針 ○○○●○ 提案方式 ○○○○ 評価 ○○○ 問題解決のアプローチ 1. 下位層（物理ネットワーク構成）を考慮する ことでオーバレイの配信木を最適化する 位置を考慮した ALM の開発 [3] Y. Teranishi et al., “Scalable and Locality‐Aware Distributed Topic‐based Pub/Sub Messaging for IoT,” Proc. of IEEE GLOBECOM 2015 Pub/Sub Messaging for 2. 下位層を制御することで下位層による 最適な配信木を構築する ALM と OFM の連携機構の開発 今回の 発表 [6] T. Akiyama et al., “SAPS: Software Defined Network Aware Pub/Sub ‐ A Design of the Hybrid Architecture utilizing Distributed and Centralized Multicast,” Proc. of IEEE COMPSAC 2015. Distributed and Centralized Multicast,” まとめと 今後の課題 ○ 背景 ○○○ 関連研究と 解決方針 ○○○○● 提案方式 ○○○○ 評価 ○○○ まとめと 今後の課題 ○ P2Pエージェントプラットフォームと ALM • エージェントAPIがエージェント間の相互連携のために利用可能 例） discoveryCall – 属性がエージェントを見つける際のキーとなる – エージェントのメソッドを呼び出す際に属性を指定する – エージェント間のメッセージはオーバレイネットワーク上で配信される エージェントは自身の 属性をオーバレイ ネットワークに登録する ピア A ピア B ピア C 属性1 属性2 属性3 属性4 属性3 属性4 エージェ ント1 エージェ ント2 エージェ ント3 メソッドA エージェントはAgent APIを経由して他のエージェントを呼び出す 属性3 メソッドA e.g. discoveryCall( , , args) オーバレイ ネットワーク メソッドA もし複数のエージェントが属性問合せ にマッチする場合、Application Layer Multicast (ALM) として利用可能 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 背景 ○○○ SAPSの構成 提案方式 ●○○○ OpenFlow コントローラ OpenFlow ホスト コントローラ tk トピック UAn エージェント ホストA ホストB broker A t2 UA3 UA2 フロント エンド Web/M2M Protocol ホストC broker B t1 UA1 ユーザ エージェント OF OpenFlow ゲートウェイ Gate OpenFlow スイッチ t1 まとめと 今後の課題 ○ 評価 ○○○ broker C OF Gate フロント エンド t1 UA4 オーバレイ ネットワーク フロント エンド publish t1 subscribe subscribe subscribe subscribe t1 t1 t2 t1 背景 ○○○ 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 提案方式 ○●○○ OFM (OpenFlow マルチキャスト) による最適化 OpenFlow コントローラ OpenFlow ホスト コントローラ tk 評価 ○○○ トピック t1 S1 Pj publisher ホストC broker B t1 P1 / S2 subscriber エージェント ホストB broker A Si OF OpenFlow ゲートウェイ Gate OpenFlow スイッチ ホストA まとめと 今後の課題 ○ t2 S3 broker C OF Gate ALM の配信木が非効率な場合、 OFM 木が構築される t1 S4 オーバレイ ネットワーク 背景 ○○○ 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 提案方式 ○○●○ OFMの構築手順 OpenFlow コントローラ OpenFlow ホスト コントローラ OFM アドレス (IP: port) OpenFlow 192.168.100.100 : 13579 OFSスイッチ tk トピック 10.0.0.2 10.0.0.3 ホストA ホストB ホストC S1 broker B t2 P1/S2 S3 S1 S2 S4 subscriber Pj publisher broker C OF Gate t1 OFM アドレス トピックグループ t1 Si OFM アドレス OF OpenFlow ゲートウェイ OFM アドレス を Gate エージェント OFM接続受付アドレスに変換 10.0.0.1 OFM経由での publish が可能に！ broker A 192.168.100.100 : 13579 t1 t1 まとめと 今後の課題 ○ 評価 ○○○ S4 オーバレイ ネットワーク broker リスト broker A broker C 10.0.0.1: 23456 (IP:port) AA:BB:CC:DD:EE:FF (MAC) 10.0.0.3: 23456 AB:CD:EF:AB:CD:EF 背景 ○○○ 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 提案方式 ○○○● 評価 ○○○ ネットワーク構成情報を利用した ALM の最適化 t OpenFlow コントローラ OpenFlow ホスト コントローラ ALM‐LA OpenFlow トピックと一緒に スイッチ クラスタ情報を 管理することで クラスタ間の 10.0.0.1 往復通信を避ける ホストA broker A トピック クラスタA (ホストA) Si subscriber Pj publisher OF OpenFlow ゲートウェイ Gate エージェント 10.0.0.2 10.0.0.3 ホストB ホストC broker B t1@クラスタA t1@クラスタA S1 P1/S2 クラスタA (ホストA) k まとめと 今後の課題 ○ t2@クラスタB S3 broker C OF Gate “クラスタ” はOpenFlow コントローラ上で柔軟に定義 t1@クラスタC オーバレイ S4 ネットワーク クラスタC (ホストC) 背景 ○○○ 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 提案方式 ○○○○ 評価 ●○○ まとめと 今後の課題 ○ スケーラビリティ評価 • ALM, ALM‐LAおよびOFMのスケーラビリティを シミュレーションで比較 (a) 直列構成 クラスタA クラスタ間 メッセージ クラスタB クラスタC ホストまたは ホストのクラスタ (b) 木構成 クラスタA クラスタ間 メッセージ クラスタB ・・・ ・・・ 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 背景 ○○○ 提案方式 ○○○○ 評価 ○●○ まとめと 今後の課題 ○ 直列構成・16クラスタの結果 オーバレイ上での クラスタの整列の有無 ALM ALM-LA (順不同) ALM-LA (整列) OFM (SAPS) 120 ALM ALM-LA (順不同) ALM-LA (整列) OFM (SAPS) 1000 140 最大クラスタ間ホップ数 クラスタ間総メッセージ数 / publish 10000 100 10 100 80 60 40 20 1 0 1 10 subscriber数 100 1000 1 10 100 subscriber数 1000 背景 ○○○ 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 提案方式 ○○○○ まとめと 今後の課題 ○ 評価 ○○● 木構成・16クラスタの結果 60 10000 ALM ALM-LA OFM (SAPS) 50 ALM ALM-LA OFM (SAPS) 最大クラスタ間ホップ数 クラスタ間総メッセージ数 / publish 100000 1000 100 10 40 30 20 10 0 1 1 10 100 subscriber数 1000 10000 1 10 100 subscriber数 1000 10000 背景 ○○○ 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 提案方式 ○○○○ 評価 ○○○ まとめ • SAPS: Software Defined Network Aware Pub/Sub – 大量トラフィック対応するため クラスタ間通信量およびホップ数を削減 – パケット優先制御に適用可能な アプリケーション層のトピックと ネットワーク層の識別子の対応付け • 今後の課題 – プロトタイプシステムを用いた性能評価 – ALM/OFM切り替え指標の検討 – パケット優先制御方式の検討 まとめと 今後の課題 ● 背景 ○○○ 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 提案方式 ○○○○ 評価 ○○○ 企業への期待 • 共同研究 – SDN製品を開発する企業との共同開発 – SDNを活用している企業における運用面での 課題共有と共同開発 – IoTアプリケーションを構築している企業での 課題共有と共同開発 まとめと 今後の課題 ○ 背景 ○○○ 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 提案方式 ○○○○ 評価 ○○○ 本技術に関する知的財産権 発明の名称：通信ネットワークシステムおよびパケット配信制御方法 出願番号 ：特願2014‐025820 出 願 日：平成26年2月13日 発 明 者：秋山豊和、河合由起子、飯田勝吉 出 願 人：学校法人京都産業大学 発明の名称：通信ネットワークシステム 出願番号 ：特願2015‐200123 出 願 日：平成27年10月8日 発 明 者：秋山豊和、河合由起子、飯田勝吉 出 願 人：学校法人京都産業大学 まとめと 今後の課題 ○ 背景 ○○○ 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 提案方式 ○○○○ 評価 ○○○ まとめと 今後の課題 ○ 産学連携の経緯 2008年11月〜 日本学術振興会産学協力研究委員会 インターネット技術第163委員会（ITRC）幹事 2011年～ サイバー関西プロジェクト幹事 2012年 NTTレゾナント社と共同研究 「情報とユーザの関係性を考慮した情報およびユーザ検索法の検討」 2013～2014年 日立システムズ社と共同研究 「キャンパス情報システムにおけるキャンセラブル生体認証ならびに PBIを用いたPKI基盤の導入ならびに運用課題の調査研究」 2014年6月～ 日本学術振興会産学協力研究委員会 インターネット技術第163委員会（ITRC）副委員長 背景 ○○○ 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 提案方式 ○○○○ 評価 ○○○ お問い合わせ先 京都産業大学 リエゾンオフィス事務室 ＴＥＬ ０７５－７０５－１７７８ ＦＡＸ ０７５－７０５－１９６６ e-mail [email protected] まとめと 今後の課題 ○ 背景 ○○○ 関連研究と 解決方針 ○○○○○ 提案方式 ○○○○ 評価 ○○○ まとめと 今後の課題 ○ ご清聴ありがとうございました！ • 謝辞 – 本研究の一部は総務省SCOPEと国立情報学研究 所の共同研究の助成を受けております。ここに謝 意を表します。 – また、本研究で多大なる助言をいただいた 故吉田 幹氏に感謝の意を表します。