自然災害発生時における 回線利用状況を考慮した 資源

B4 戸川和晃
2015/10/5
自然災害発生時における
回線利用状況を考慮した
資源適合型ネットワークシステム
岩手県立大学ソフトウェア情報学部
情報環境デザイン学講座 4年
戸川和晃
背景 (1/2)
• 東日本大震災では大規模なネットワーク障害が発生[1]
• ネットワーク不通エリアには移動基地局車が配備
• トラフィックの集中により移動基地局車が輻輳・オーバー
フロー
• 被災地の現状把握が困難となった
• 情報の優先度についての研究[2]
• 重要度の高い情報は迅速かつ確実に伝達する必要性
• 現在のIPネットワークは優先制御を行うことが困難
• 自然災害によって優先制御 / 帯域制御を行うネットワーク機
器の故障
[1] 総務省 (2011) 「平成23年版 情報通信白書」
http://www.soumu.go.jp/johotsusintokei/whitepaper/ja/h23/pdf/23honpen.pdf 閲覧日2015/06/13
[2] 国土交通省 国土技術政策総合研究所 (2008) 「災害情報共有プラットフォームによる効果的な災害情報の伝達
・共有に関する研究」 http://www.nilim.go.jp/lab/bcg/siryou/tnn/tnn0423pdf/ks0423.pdf 閲覧日2015/06/06
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背景 (2/2)
• ネットワーク資源は有限
• 災害発生時は日常より多くのネットワーク資源が求められる
• 輻輳ウィンドウを調整することによる資源活用の研究[3][4]
• トラフィックの増加傾向[5]
• 2015年のモバイルデータトラフィックは2010年比で20.8倍か
ら最大39.1倍に拡大[6]
• 2014年から2019年の間に全世界のモバイルデータ
トラフィックが約10倍増加[7]
[3] 平井 弘実，山口 実靖，小口 正人 (2014) 「スマートフォンの無線LAN接続時における周辺端末からの情報に基づく
協調帯域制御ミドルウェアの提案と実装」 情報処理学会，情報処理学会論文誌，55巻，1号，pp340-353
[4] 井尻 恵也，大坐畠 智，川島 幸之助 (2010) 「CQ2010-31 TCPウィンドウのクロスレイヤ制御による無線LANの
通信品質改善」 電子情報通信学会技術研究報告. CQ, コミュニケーションクオリティ，110巻，118号，pp81-86
[5] 株式会社インターネットイニシアティブ (2014) 「Internet Infrastructure Review （IIR） Vol.24」
http://www.iij.ad.jp/company/development/report/iir/pdf/iir_vol24.pdf 閲覧日2015/06/09
[6] 総務省 (2012) 「移動通信トラヒックの将来動向」 http://www.soumu.go.jp/main_content/000167483.pdf
閲覧日 2015/08/02
[7] Cisco (2015) 「Cisco Visual Networking Index：全世界のモバイル データ トラフィックの予測、2014 ～ 2019 年
アップデート 」 http://www.cisco.com/web/JP/solution/isp/ipngn/literature/pdf/white_paper_c11-520862.pdf
閲覧日 2015/08/02
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東日本大震災時におけるトラフィック増加量
（東北地域）
地震発生
3月11日 14:46
2.4倍
2.6倍
3月11日（金）
3月12日（土）
[9] 株式会社NTTドコモ ネットワーク部 入江恵 (2011) 「大規模災害等緊急事態における通信確保の在り方に関する検討
会（ネットワークインフラWG）」 http://www.soumu.go.jp/main_content/000117676.pdf 閲覧日2015/07/29
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東日本大震災時におけるトラフィック増加量
（東京23区内）
地震発生
3月11日 14:46
1.8倍
1.1倍
3月11日（金）
3月12日（土）
3月13日（日）
3月14日（月）
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ブロードバンド契約者総トラフィック推移
(Gbps)
(2015.5)
(2014.11)
我が国のブロードバンド
契約者の総ダウンロード
トラヒック
4,439Gbps（推定値）
(2014.5)
(2013.11)
53.5％増加
35.5％
増加
協力ISP5社のブロードバンド契
約者のダウンロードトラヒック
我が国のブロードバンド
契約者の総アップロード
トラヒック
1,226Gbps（推定値）
協力 ISP5社のブロードバンド契約
者のアップロードトラヒック
[8] 総務省 (2015) 「我が国のインターネットにおけるトラヒックの集計結果 （平成２７年５月分） 」
http://www.soumu.go.jp/main_content/000378950.pdf 閲覧日2015/09/30
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関連研究
• SDN技術とコグニティブ無線技術を基盤としたネ
バー・ダイ・ネットワークの開発[10]
• 動的に異なる規格の無線ネットワークへの切り替え
• いかなる状況においても通信を可能とするネットワークシス
テムの提案
• 都市災害を想定した減災情報ネットワークの運用方法
の検証[11]
• 長距離無線LANとアドホックネットワークから構成される減
災情報ネットワーク
[10] 佐藤 剛至，内田 法彦，柴田 義孝 (2015) 「SDN技術とコグニティブ無線技術を基盤としたネバー・ダイ・
ネットワークの開発」 情報処理学会，マルチメディア通信と分散処理（DPS）2015-DPS-162，29，pp.1-7
[11] 隆 晃人，山本 翔，水野修 (2013) 「都市災害を想定した減災情報ネットワークの運用方法の検証」
電子情報通信学会技術研究報告. IN, 情報ネットワーク，112(393)，15-20
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関連研究の課題
• 優先度に応じた制御が行われていない
• 重要情報の迅速性・確実性が低い
• さらなる輻輳への考慮が必要
• 輻輳が発生する前に対応する必要
• 資源が最適化されていない
• 自然災害発生時は日常の何倍ものネットワーク資源が必要
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関連技術
• Software-Defined Networking / OpenFlow
• ネットワークを構成する通信機器をソフトウェアによって集
中的に制御
• ネットワークの構造や構成，設定などを柔軟かつ動的に変更
することが可能
• 複数の仮想的なネットワークを構築
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目的
災害発生時においてコネクティビティを
確保したあとの回線利用状況を考慮した
資源適合型ネットワークシステムの提案
•
•
•
•
重要情報を迅速かつ確実に伝達するための優先制御
輻輳・オーバーフローを防ぐ帯域制御
周辺端末連携による資源の有効活用
汎用機器を用いることによる容易かつ冗長性の高い
システム構成
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システム概要図
DataFlow:
ControlFlow:
避難所等
権限の高いユーザ
優先制御機能
一般ユーザ
制御システム
ネットワーク
コントローラ
基地局
ネットワーク
スイッチ
Internet
周辺端末連携機能
帯域制御機能
基地局
...
多くのユーザ
端末情報
リソース
ネットワーク 有効活用 周辺端末
スイッチ
ネットワーク
スイッチ
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提供機能がない場合（現状）
権限の高いユーザのグループ
一般ユーザのグループ
…
自治体職員
医療関係者
…
パケット遅延・ロス
最適でない
通信
帯域上限
バッファオーバーフロー
輻輳
Internet
ネットワーク
スイッチ
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システム概要：優先制御機能
権限の高いユーザ 一般ユーザ
自治体職員
医療関係者
端末情報
帯域 多
帯域保証
帯域 少
優先度情報
Internet
ネットワーク
スイッチ
端末情報
ネットワーク
コントローラ
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システム概要：帯域制御機能
多くのユーザ
…
大量のパケット
フロー制御
流量制御
輻輳予測
ネットワーク
スイッチ
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Internet
接続ユーザ情報
ネットワーク
コントローラ
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システム概要：周辺端末連携機能
周辺端末
端末情報
周辺端末
輻輳ウィンドウ調整
フロー制御
フロー制御
フロー制御
Internet
端末情報
ネットワーク
スイッチ
端末情報
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ネットワーク
コントローラ
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システムアーキテクチャ
Proposed System
Priority
Controller
Bandwidth
Controller
Cooperated Device
Manager
System Message Handler
Network Layer
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メッセージフロー：優先制御
Switch
Controller
ネットワーク監視
帯域設定
Packet-In
Loop
優先度に応じた制御
パケット処理
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メッセージフロー：帯域制御
Switch
Controller
ネットワーク監視
輻輳予測
Loop
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帯域制御
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メッセージフロー：周辺端末連携 (1/2)
Switch
Controller
ネットワーク監視
Loop
端末情報
輻輳ウィンドウ調整
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メッセージフロー：周辺端末連携 (2/2)
Host
BufferDevice
Switch
Controller
コネクション
デバイス情報
バッファ確認
コネクション切替
コネクション
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プロトタイプ
Network Controller
Internet
Ethernet
Ethernet
Network Switch
Ethernet
Ethernet
Ethernet
Network Switch
Network Switch
Network Switch
WiFi
WiFi
WiFi
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進捗
• Ryuサンプルプログラムの解析
• スループット測定プログラムの作成
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Ryuサンプルプログラム
• RESTによってキューとQoSルールの設定が可能
• キュー
• 帯域上限（トラフィックシェーピング）
• 帯域下限（帯域保証）
• QoSルール
• MACアドレスやIPアドレス，ポート番号，プロトコルなどに
応じて適応するキューを設定
• 実際に実行しトラフィックシェーピングと帯域保証が
できることを確認
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サンプルプログラム解析
• 関数呼び出し図の作成
• サンプルプログラム動作の確認
• RESTで設定値を取得
• キューの設定をOpen vSwitchのOVSDBに設定
• QoSルールはFlow Tableに設定
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ネットワーク性能測定プログラム
• TCPソケット通信による測定
• フレーム長：1518byte
• パケット送出間隔：0.1秒
• 測定値
• スループット
• ジッタ
• RTT
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予備実験
• 帯域保証を行った場合と行わない場合でのスループッ
ト・ジッタ・RTTを比較
• 優先制御機能が目的を達成できることを確認
• 環境
•
•
•
•
mininet on Ubuntu 14.04
Ryu
Open vSwitch
httperf
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予備実験環境図
Ryu
OpenFlow Controller
httperf
Host1
HttpServer
HTTPConnection
測定 Client
Host2
測定 Sever
OpenFlow Switch
Open-vSwitch
Host3
Host4
TCPConnection
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予備実験手順
• 帯域保証なし
1.
mininetでOpenFlowController1台・Switch1台・ホスト4台
の環境を構築
2. Ryuサンプルプログラムを実行
3. HttpServerとhttperfで外部トラフィックをエミュレート
4. ネットワーク性能測定
• 帯域保証あり
1.
mininetでOpenFlowController1台・Switch1台・ホスト4台
の環境を構築
2. Ryuサンプルプログラムを実行
3. RESTでQoS設定
4. HttpServerとhttperfで外部トラフィックをエミュレート
5. ネットワーク性能測定
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スケジュール
研究
イベント
10月
予備実験
プロトタイプシステム実装
SDNハッカソン
11月
プロトタイプシステム実装
評価実験
12月
情報処理学会全国大会原稿執筆
卒業論文執筆
1月
卒業研究成果発表会準備
2月
柴田研最終デモ準備
卒業研究成果発表会
情報処理学会全国大会
3月
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まとめ
自然災害発生時における回線利用状況を
考慮した資源適合型ネットワークシステムの提案
• 特徴
•
•
•
•
重要情報を迅速かつ確実に伝達するための優先制御
ハングアップ・オーバーフローを防ぐ帯域制御
周辺端末連携による資源の有効活用
汎用機器を用いることによる容易かつ冗長性の高いシステム
構成
• 今後
• 予備実験
• プロトタイプシステムの実装
• 評価方法の検討
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