総務省戦略的情報通信研究開発推進制度
特定領域重点型研究開発（次世代ネットワーク領域）

ユビキタスインターネットのための
高位レイヤスイッチング技術の研究開発
2003年度報告


村田正幸、長谷川剛（大阪大学サイバーメディアセンター　先端ネットワーク環境研究部門）

1. はじめに

　本研究課題は、総務省戦略的情報通信研究開発推進制度特定領域重点型研究開発（次世代ネットワーク領域）による委託研究として、日本電気株式会社と共同で行っているものである。研究期間は平成14年度～16年度、委託額は平成14年度が41,137千円、平成15年度が18,460千円、平成16年度が20,000千円（見込み）である。
　本研究課題は、ユビキタス環境における多様なエンド間データ通信の品質を現状に比して数倍向上させるために、ネットワーク内部に第4層以上のプロトコル処理機能を有する論理ネットワークの構築を実現することを目的としている。またそのために、上位レイヤプロトコル（TCP等）をネットワーク内部のルータで高速に、かつスケーラブルに処理する技術を研究開発する。その結果、高い付加価値を有するルータを実現し、わが国のネットワークノード技術の発展に寄与することを目標としている。
　本稿では、本研究課題に関する研究背景、内容、これまでに得られた研究成果などについての説明を行う。

2. 研究の背景

　本研究プロジェクトは、現在のインターネットにおいて広く用いられているTCP (Transmission Control Protocol) およびその上位レイヤプロトコル、例えば、ＷＷＷ (World Wide Web) で使用されているHTTP (Hyper Text Transfer Protocol) をネットワーク内部のルータにおいて付加的な処理を施すことにより、エンド間通信における通信品質向上を目指すものである。その結果、付加価値の高いルータを実現でき、わが国のネットワークノード技術の発展に寄与することが可能になる。
　高位レイヤプロトコルは一般にネットワーク外のエンドホスト（端末）でプロトコル処理を行うため、ネットワーク内の負荷は軽くなるというメリットがある。しかし、インターネットは、アクセス回線のブロードバンド化、モバイル化などさまざまな形態で用いられるようになってきているため、インターネット端末のすべてが同一のプロトコル処理、同一の制御パラメータを用いて通信することが最適ではなくなっている。そのため、異種環境を吸収するブリッジング機能がネットワーク内部に必要になる。最近、注目を集めつつあるCDN (Content Distribution Network) もそのような機構を実現するものと見ることもできる。しかし、本研究では、そのような特殊なサーバの介在を前提とするのではなく、ルータの付加機能として実現するところが新しい。これは、次項に述べる「ネットワークのスケーラビリティの確保」とも関係するものであり、サーバの介在を許さないことによって初めて実現が可能になるものである。図１に、従来のアーキテクチャと、本提案プロジェクトにおける高位レイヤスイッチングアーキテクチャの比較を示す。
　ユビキタス環境が実現されるようになると、ネットワーク上でのアクティブなコネクション数は膨大なものとなることが予想される。そのような環境においては、これまでの多くの研究にあったような、コネクション状態をルータで保持し、それに基づいた処理を行うことは不可能である。本研究プロジェクトでは特に、コネクション数に対するスケーラビリティを十分確保できる高位レイヤプロトコル処理をルータにおいて実現する。具体的には、コネクション数の変化に応じて、処理粒度を可変とするスイッチング処理の研究開発を目指す予定である。その結果、来るユビキタスネットワーク時代にもじゅうぶん対応可能な高品位スイッチ・ルータが実現できる。
　以上の２点の実現によって、インターネット端末上でどのようなアプリケーションが用いられても、また、どのような通信状態であっても、ネットワーク内で上位レイヤプロトコル処理を含めたトラヒック制御を行うことによって、エンドホスト間に最適な通信環境を提供する、高位レイヤスイッチング技術が確立できる。図２は、高位レイヤスイッチング機能を有するルータを配備し、そのブリッジング機能を活用することによって、
などを示している。



















　　　　　　　　　　　　　　　　　図１：高位レイヤスイッチングアーキテクチャ

3. 研究の内容

　本研究プロジェクトにおいては、主に以下の２つの課題に取り組んでいる。
以下にそれぞれの研究課題内容とこれまでの成果を述べる。

3.1. TCPオーバレイネットワークの実現方式

3.1.1 数学的解析手法を用いたTCPオーバレイネットワークのスループット評価
　これまでの高位レイヤスイッチングに関する研究では、無線ネットワークや衛星ネットワークなど、特殊な特性を持つネットワークを対象としたものがほとんどであった。そのようなネットワークにおいて高位レイヤスイッチングを行うことにより、性能向上が期待されることは過去の研究で明らかとなっている。しかし、本研究においてはネットワークに前提を置いていないため、一般的なネットワークにおける高位レイヤスイッチングの効果を確認する必要がある。そのため、一般的なネットワーク・プロトコルモデルにおけるTCPオーバレイネットワークのスループット解析を行った。具体的には、エンド間で用いるTCPコネクション数、TCPプロキシにおけるバッファサイズ、TCPプロキシのプロトコル処理性能などを考慮したより一般的なスループット解析を行った。シミュレーション結果との比較により、解析結果がきわめて正確にスループットを推測できていることを確認した。
　また、その解析結果から、TCPオーバレイネットワークにおける新たな問題点として、TCPプロキシにおけるバッファ管理方式が原因で発生するスループット低下を指摘した。これは、TCPオーバレイネットワークによって期待されるスループット向上が、大幅に阻害される原因となる。解析結果を用いることで、特にネットワーク環境が均一的な場合に、TCPオーバレイネットワークによって期待されるスループット向上の度合いが、最大で５５％削減されることが明らかとなった。
　さらに、解析結果を応用することで、スループット低下をできるだけ防ぐための適切な送信バッファサイズに関する検討を行った。その結果、従来TCPコネクションに必要と考えられていたサイズのおよそ5～10倍の送信バッファサイズが必要であることが明らかとなった。この結果は、TCPオーバレイネットワークを構築する上で必要となる、パラメータ設定問題に関する重要な指針である。
　さらに本研究においては、TCPプロキシにおけるプロトコル処理速度の影響を考慮し、複数のTCPコネクションがTCPプロキシにおいて処理される場合のスループット特性に関しても、初期的な検討を行った。その結果、ネットワーク内で多くのTCPコネクションを分割してスループットが向上することにより、ネットワーク全体の輻輳レベルを押し上げてしまい、結果として(1)既存のTCPコネクションのスループットを大幅に低下させる、および(2)コネクション分割を行ったTCPコネクションに関しても、これまでのスループット解析結果に比べて低いスループットを得ることが明らかとなった。これは、コネクション分割によるスループットの向上が、必ずしもネットワーク全体にいい結果をもたらさない、という新たな知見であり、今後の本研究課題に重要な示唆を与えるものである。



















3.1.2 TCPプロキシにおける高速プロトコル処理方式
　TCPオーバレイネットワークの重要な構成要素であるTCPプロキシは、ネットワーク内でTCPコネクションを終端してパケットを中継することにより、第4層のパケット処理をネットワーク内で行うものである。そのため、TCPプロキシにおける処理遅延が、TCPオーバレイネットワークの性能に大きな影響を与える。このことは1-1.で行った解析結果からも明らかである。そのため、TCPプロキシにおいてコネクション・パケット処理を高速に行うための方式が必要不可欠である。
　そこで本研究項目では、従来アプリケーションプログラムによって実現されていたTCPコネクション中継処理を、カーネルシステム内で行う新たなコネクション・パケット処理方式を提案した。提案手法は、アプリケーションプログラムの介在なしにTCPプロキシ処理を行うため、ネットワークノード、端末において問題となるメモリコピー処理のオーバーヘッドを大きく削減することが可能である。また、パケットのチェックサム処理をできるだけ軽減する手法も提案している。
　本研究項目においてはこの提案手法を実コンピュータ上に実装し、性能評価実験を行った。その結果、従来手法では最大約980Mbpsで、回線遅延の増大とともに急激に速度が下がったが、提案手法は回線の遅延時間にかかわらず、最大約1.4Gbpsの速度でTCP中継処理を行うことが可能であることが明らかとなった。この結果は、TCPプロキシのコアネットワークへの適用可能性を示すもので、今後のTCPオーバレイネットワークの適用領域の拡大につながる重要な結果である。

3.1.3 TCPプロキシにおけるバッファ管理手法
　今年度までの研究によって、TCPオーバレイネットワークの性能に関するさまざまな検討を、数学的解析、シミュレーション、および実機を用いた実験によって行ってきた。その中で明らかとなった問題点の１つとして、下流（受信側端末に近い側）の分割TCPコネクションの一時的な輻輳により、エンド間のスループットが大幅に低下する問題が挙げられる。これは、輻輳によってTCPプロキシのバッファが一杯になった際に、上流（送信側端末に近い側）のTCPコネクションへ、利用可能なバッファサイズが0であることを示すACKパケットが返送されることが原因である。このことが、輻輳が解消された直後のスループット回復に大きな影響を与えるため、結果としてネットワークの利用率が大幅に低下する。
　そこで、利用可能なバッファサイズを輻輳していない状態においても従来より若干少なく通知し、輻輳時に利用することのできるバッファを確保しておく手法を提案した。シミュレーションおよび実機実験によって提案手法の評価を行った結果、最大でエンド間のスループットが100％向上することを確認した。この検討結果は、TCPコネクションをネットワーク内で分割することによって、あるTCPコネクションにおけるネットワーク輻輳によるスループット低下の影響を、他の分割されたTCPコネクションに及ぼさない、というTCPオーバレイネットワークアーキテクチャの大きな特徴を維持するものであり、提案アーキテクチャの有効性がさらに高まったと考えられる。

3.2. TCPオーバレイネットワークの応用方式

3.2.1. TCPオーバレイネットワークにおけるマルチパス方式
　TCPオーバレイネットワークを応用する手法は数多く考えられるが、その中でも有効と考えられるのがマルチパス方式である。これは、TCPオーバレイネットワークにおいて分割されたTCPコネクションのうち、TCPプロキシ間のコネクションを複数本設定してデータ転送を行うことにより、スループット、耐障害性の向上を図る手法である。従来はIP層において経路の冗長化や複数経路通信方式が考えられてきたが、送信パケットの到着順を保障しないIPネットワークの特性により、TCPコネクションの性能劣化を引き起こすことが指摘されていた。これに対して提案手法においては、TCPによって複数経路通信手法を用いるため、下位ネットワークの特性に影響されない性能向上、障害からの回復が可能となる。
　提案手法をシミュレーションによって評価した結果、従来のIP層におけるマルチパス方式に比べて、2倍以上のスループット向上が可能であることがわかった。また、試作機を作成し実験を行うことで、提案手法の実ネットワークへの適用性に関しても知見が得られた。これらの結果は、TCPオーバレイネットワークがTCPコネクションの分割によるスループット向上だけではなく、TCPプロキシ間でさまざまな制御を行うことでさらなるスループット向上や、耐障害性の提供などの高品質なネットワークサービスを実現可能であることを示している。

4. 今後の課題

　これまで、TCPオーバレイネットワークの性能評価を行ってきたが、コネクションが1本のモデルがほとんどであった。そのため今後の課題として、複数コネクションが存在するときの性能評価を挙げたい。具体的には、TCPプロキシの処理性能がTCPオーバレイネットワーク全体に与える影響、ネットワーク内のフローをTCPプロキシにおいて処理するか否かの判断基準の検討、ネットワーク内でのTCPプロキシ配置問題などを取り扱いたい。
　また、スループットと共にTCPコネクションの性能指標として重要となる、ファイル転送時間についての評価をあわせて行いたい。これまではスループットの評価であったため、TCPプロキシの処理遅延の影響はそれほど現れず、極端に処理速度が低い場合などに、エンド間のスループット低下が確認されるのみであった。しかし、実際にはコネクション設定時間やパケット単位の処理時間がエンド間の遅延時間の増大を引き起こすため、特に小さいサイズのファイル転送でTCPコネクション分割を行うと、逆に転送時間が増大することが考えられる。すなわち、ネットワーク内のTCPプロキシにおいて、分割するべきコネクションとそうでないコネクションが存在することは明白で、その基準のひとつが転送するファイルサイズになることが考えられる。そのため、ファイル転送時間を評価基準とし、TCPプロキシの処理速度やネットワーク構成、フロー数などによって受ける影響を明らかにしたい。これらの結果を通じて、たとえば広域イーサネット環境におけるTCPオーバレイネットワークの有効性などに関する評価が行えるものと考えられる。
　TCPオーバレイネットワークの目的の一つに遅延やスループットといったQoSの向上が挙げられる。さらに、TCPオーバレイネットワークそのものの堅牢性、すなわち信頼性もQoSの一部であり、これらを向上させることが必要になる。そこで、第2の課題として、TCPオーバレイネットワークの信頼性の向上、TCPオーバレイネットワーク上での高優先/低優先TCP制御などを用いた公平性の向上に取り組む予定である。
　TCPオーバレイネットワークのような高位レイヤネットワークにおいては、TCPプロキシのようなプロトコル中継装置やリンクの障害により、エンドエンド間の通信が損なわれる恐れがある。そのため、オーバレイネットワークのTCPプロキシには冗長性が必要になる。しかし、TCPは送達確認やACKパケットを用いたレート制御などを行う、エンド端末においてステート（状態）を持つプロトコルであるため、TCPプロキシをルータやスイッチなどのようにステートレスな装置を用いて冗長構成をとることができない。そのため、平成16年度は、TCPオーバレイネットワークの冗長性について研究を行い、高いQoSを提供するTCPオーバレイネットワークを実現するために必要な方式について明らかにする。
　また、平成15年度の研究においては、TCPオーバレイネットワークを用いることにより、障害耐性を持つマルチパス方式などの手段を用いて、新規機能を提供するネットワークを構築できることを明らかにした。平成16年度は、さらなる新規機能として、ユーザ間の公平性制御について検討を行う予定である。現在のインターネットは、ユーザ端末のTCPによるレート制御がネットワークの輻輳制御を司っているため、ユーザが標準のTCPを用いている限りユーザ間の公平性、すなわち帯域の公平な共有は保たれる。しかしながら、端末のTCPを変更して、輻輳時に他人より強いTCP、つまり他人よりも大きい帯域を確保するようなTCPを導入することは一般のユーザでも容易であり、既にそのような設定を容易に行うソフトウェアが登場している。このようなTCPの改造が広まれば、インターネットの輻輳制御アーキテクチャは根本から崩れ、ネットワークは壊滅的な打撃を受ける可能性が考えられる。そこで、この問題をネットワーク内の第4層制御によって解決するべく、ユーザ間の公平性をTCPオーバレイネットワークを用いて実現することを試みる予定である。公平性を実現するために、まず、高優先および低優先のTCPの研究開発を行い、それらを多重したときの振る舞いを明らかにする。さらに、高優先および低優先のTCPをオーバレイネットワークに導入したときの公平性制御の実現性を検討する予定である。
　以上のようなQoS向上方式を高位レイヤスイッチに導入することで、TCPオーバレイネットワークで高速のみならず高品位なサービスを提供することが可能となると考えられる。

5. 研究成果

本年度の研究成果は以下の通りである。

5.1特許出願

[1] 特願2003-361339、通信装置およびその通信方法ならびにプログラム
[2] 特願2003-404831、セッション中継装置、セッション中継方法及びセッション中継プログラム

5.2 国内学会発表

[1] 長谷川洋平，村瀬勉，”TCP中継ノードの高速プロトコル処理方式と性能評価，”電子情報通信学会ソサイエティ大会，2003年9月.
[2] 山崎康広, 村瀬勉, 長谷川剛, 村田正幸, ”TCP中継における輻輳伝達制御方法と性能評価，”電子情報通信学会技術研究報告、2003年12月.
[3] 牧一之進，長谷川剛，村田正幸，村瀬勉，”TCP オーバレイネットワークにおけるTCP コネクション分割機構の性能解析’’、電子情報通信学会技術研究報告、2004年2月.
[4] 長谷川洋平，村瀬勉，”TCP中継ノードの高速プロトコル処理方式と性能評価，”電子情報通信学会，第1回QoSワークショップ，2004年2月.
[5] 長谷川洋平，村瀬勉，”TCPの特性を考慮した複数経路通信方法の提案と評価，”電子情報通信学会技術研究報告，2004年3月.

5.3博士論文

村瀬勉，”Traffic Control and Architecture for High-Quality and High-Speed Internet,’’ 大阪大学博士論文，2003年2月. (本研究課題の内容の一部を含む)