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2015.5.21

松原大典（株）日立製作所横浜研究所

岡本聡、山中直明慶應義塾大学

M2M/IoT時代に向けた情報指向ネットワークにおける

Pull/Push型移動通信方式の評価

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ネットワークの主用途の変革従来のネットワーク（例：電話交換網）は音声通話などの

端末間通信が中心。

現在のインターネットはWEBやメディア配信などネットワークから所望のデータを配信・取得する用途が中心。→通信相手である端末の場所は意識しない。

今後データの爆発が予想される。クラウドにより、全てのサービスや映像メディアはネットワーク経由

で配信される。

スマホ、タブレット端末、LTEなど端末の高性能化が続く。

M2M/IoTによる大量の微細・リアルタイムデータが流通する。

膨大なデータの配信・取得を容易かつ効率的に実現する技術が必要。 M2M/IoTや移動通信に対応した情報指向ネットワーク技術（ICN）の

一方式としてDCN(Data-Centric Network）を提案。

背景

ICN: Information-Centric Networking


Data-centric Networking (DCN)


既存方式の課題

Node11

Node111

Node1112

a/b2/c1a/b1/c1

Node112

Node1121 Node1122

Node1

Node12

Node122Node121

Node1211 Node1212 Node1221

a/b1/c2 a/b1/c3 a/b2/c2 a/b2/c3

www.ex1.com → Node11


RIT（Node1）

a/b/1c1→ Node11

a/b1/c2 → Node11

a/b1/c3 → Node12

a/b2/c1 → Node11

a/b2/c2 → Node12

a/b2/c3 → Node12

経路テーブル（Node1）

名前ルーティング型データの広範囲な移動→経路情報の集約不可のため、中継ノードの経路情報および更新負荷大（課題1）

名前解決型データの頻繁な変更（追加・移動・更新・削除）→名前解決サービスへの通信遅延および負荷大。（課題2）

Node11

Node111

Node1112

a/b/c2a/b/c1

Node112

Node1121 Node1122

Node1

Node12

Node122Node121


a/b/c3 a/b/c4 a/b/c5 a/b/c6

a/b/c1→ Node11

a/b/c2 → Node11

a/b/c3 → Node11

a/b/c4 → Node12

a/b/c5 → Node12

a/b/c6 → Node12

名前解決テーブル（Node1）

名前解決サービス

Host1 Host2 Host3 Host4 Host5 Host6 Host1 Host2 Host3 Host4 Host5 Host6

中継ノード（ルートノード）

■ローカルな移動も全て名前解決サービスに通知必要、遅延発生。■DHT等により単体サーバの負荷は低減できるが、DHT内遅延発生、総負荷は減少せず。

名前ルーティング型名前解決型


DCNのアプローチ

課題1：経路情報大特定のノード（集約ノード）に特定の名前空間（プレフィックス）の

経路を引き寄せて、名前を集約。

課題2：通信遅延および負荷大登録時に経路を記録。データ取得時に最適化経路を形成。

Node11

Node111

Node1112

a/b2/c1a/b1/c1

Node112

Node1121 Node1122

Node1

Node12

Node122Node121


a/b1/c2 a/b1/c3 a/b2/c2 a/b2/c3

a/b1/c1→ Node111

a/b1/c2 → Node112


Host1 Host2 Host3 Host4 Host5 Host6


a/b2/c2 → Node121

a/b2/c3 → Node122


Node11

Node111

Node1112

a/b2/c1a/b1/c1

Node112

Node1121 Node1122

Node1

Node12

Node122Node121


a/b1/c2 a/b1/c3 a/b2/c2 a/b2/c3

Host1 Host2 Host3 Host4 Host5 Host6


最適化経路

集約ノード

a/b1 → Node11

a/b2 → Node12



DCN動作概要（Pull型通信）



Node1

Node11

Node111

Node1111

Node12

Node122Node112 Node121

Node1112 Node1121 Node1122 Node1211 Node1212 Node1221 Node1222

www.ex1.com/a/b → Node111(RRI)

www.ex1.com/a/b → Node1111(RRI)

Node1112(RRI)

RIT（Node1）

RIT（Node11）

RIT（Node111）

Host1 Host1

Node1, Higher Node(Default)

Node111, Lower Node

Node112, LowerNode

NNT（Node11）

Host2 Host3

RIT(Node121)

Node12, Higher Node(Default)

Node11, Higher Node

Node1211, LowerNode

Node1212, LowerNode

NNT（Node121）

www.ex1.com/a/b → Node11(GRI)

Data1 Data1

①Reg

②Reg

③Get ④Get

①データ登録：集約ノードまで登録要求（Reg）が転送される。登録時経路情報（RRI）が各ノードに記録される。

②データ移動：経路情報の変わるノード（Node111）まで登録要求（Reg）が転送される。古い経路の削除要求が古い経路を辿って転送される。

③データ取得（1回目）：取得要求（Get）が集約ノードまで転送された後、経路情報を辿ってデータまで転送される。取得要求の返送時に、 Node121に最適化経路の経路情報（GRI）が記録される。

④データ取得（2回目）：1回目と同様に転送されるが、Node121で最適化経路に転送される。

集約ノード

ARI:集約経路情報RRI:登録時経路情報GRI:取得時経路情報


実験概要

構内実験網におけるDCN基本方式の動作検証から、JGN-Xを用いたPull/Push型統合通信まで段階的に実験を実施。

全国レベルの大規模網にて特定のDCNノードへの負荷集中を回避しつつ効率的な移動通信が実現できることを確認。

2011年度 2012年度 2013年度 2014年度

概要構内実験網での動作検証

JGN-Xでの動作検証

大規模網での評価

Pull/Push型統合通信の評価

網構成構内網DCNノード7台

JGN-X

DCNノード7台JGN-X

DCNノード37台JGN-X

DCNノード7台

端末台数 5～40台 400台 400台 6000台

検証内容基本方式の動作を検証

広域テストベッドにおけるDCNの課題抽出

大規模トポロジにおけるDCNの性能評価

Pull/Push統合通信の性能評価

提案方式基本方式経路最適化方式

経路制御整合性確保方式

集約ノード隣接方式

Pull/Push統合ルーティング方式


M2M/IoTにはPush型通信も重要。

イレギュラーなイベントのリアルタイム通知。

Pub/Subモデルで複数のSubscriber端末にマルチキャスト。

既存方式ではモビリティやマルチキャストに課題あり。

名前ルーティング型（CCN）

各種方式が提案されている。（PITベースの配信、FIBベースの配信）

Publisherが移動するたびに周辺ノードの経路情報の更新が必要。→経路情報の更新処理負荷大。

名前解決型（NetInf）

名前解決ノードにてデータを複製、複数Subscriberにマルチキャスト。

途中ノードでの複製が不可、複数のユニキャストストリームで対応。→ルートノードなどのトラフィック負荷大。

既存方式では両立が困難。

上記課題を解決するPush型通信を提案。

Pull/Push型統合通信


Node401

Node304Node302


Pub

PubPub

Consumer Consumer ConsumerProducer

Pub

Name Resolution Node

Node301 Node303

Node201 Node203Node202

Node305

Node101

Pub

既存方式の課題（Push型通信）

受信者登録（Subscribe）

名前解決ノードまで登録要求（Sub）が転送される。

データ配信

Producer（Node401）から名前解決ノードに向けてデータ配信要求（Pub）が転送される。

名前解決ノードにてデータが複製されて複数のユニキャストストリームとして配信される。


動作概要（Push型）

受信者登録（Subscribe）

集約ノードまで登録要求（Sub）が転送される。

登録時経路情報（SRI）が各ノードに記録される。途中でSRIがある場合（例：Node201）、Subの転送を停止する。

データ配信（Publish）

Producer（Node401）から集約ノードに向けてデータ配信要求（Pub）が転送される。

途中でSRIがある場合（例：Node301、Node201）は、データが複製されて配信される。

Node401

Node304Node302


Node101

Node202

Sub

Consumer Consumer ConsumerProducer

Aggregator Node

RIT(Node201)

www.ex1.com/a/b

-> Node301, Node303 (SRI)

RIT(Node101)

www.ex1.com -> Node203 (ARI)

www.ex1.com/a/b -> Node201 (SRI)

RIT(Node301)

www.ex1.com/a/b

-> Node402 (SRI)

Node301 Node303

Node201 Node203

Node305

Pub

ARI:集約経路情報SRI:受信者登録時経路情報


実験概要

項目値

DCNノード数 7台

端末数 6000台

データID数 3000個

端末移動頻度 1分毎

メッセージ送信頻度 1回／分

実験環境JGN-Xのネットワーク仮想化基盤にDCNのプロトタイプを展開、広域網を用いた実験を実施

データ種別としてセンサデータ（1KB）を配信端末はエミュレータで疑似的に移動Pull型通信とPush型通信を同時に実現

福岡

大阪

北陸

大手町

仙台

白山名古屋

従来方式（NetInfを模擬）

提案方式（DCN）


評価結果

大手町（ルートノード）を回避することでトラフィックを90%削減

全ノードの合計トラフィックを34%削減

0

500,000

1,000,000

1,500,000

2,000,000

2,500,000

3,000,000

1 11 21 31 41 51

送受信トラフィック(bps)

経過時間(分)

大手町(ルートノード)

提案方式従来方式

0

1,000,000

2,000,000

3,000,000

4,000,000

5,000,000

6,000,000

1 11 21 31 41 51

送受信トラフィック(bps)

経過時間(分)

全ノード合計

最適化有り最適化なし

90%削減

34%削減

従来ICN方式で課題であった通信ノードへの負荷を解消しつつ移動端末間のPull/Push型通信が可能であることを確認


M2M/IoT通信に対応した通信方式としてDCNを開発、従来のICNの課題に対する対策を提案。

集約ノードに同一名前ドメインの経路情報を集約。

経路最適化により上位階層ノードの負荷を低減。

M2M/IoT通信ではPull型とPush型の両方が重要。

Pull/Push型統合通信を開発。

Push型通信において、集約ノードを起点とした向けたツリー構造で、複数端末へのマルチキャストを実現。

評価結果

経路最適化によりルートノードへの負荷集中を解消、全体トラフィックを削減。

まとめ

本研究は（独）情報通信研究機構の委託研究「新世代ネットワークを支えるネットワーク仮想化基盤技術の研究開発」の一環としてなされたものである。

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