成 膜 大 学 理 工 学 研 究 報 告 J,Fac,Sci,Tech,Sei/keiUniv. Vol.56No.1(2019)pp.29-34 (研 究 速 報)
SDNネ
ッ トワ ー ク を前 提 と した 動 的 トラ ピ ック シ ェ ー ピ ン グ の 提 案
影 山
瞭 翔*1,栗
林
伸 一*2
Dynamic
Traffic
Shaping
Method
for SDN-based
Networks
Ryoka KAGEYAMA
*', and Shin-ichi KURIBAYASHI
* 2
(Received March 19, 2019)
1.は じ め に 2.提 案 す る 動 的 シ ェ ー ビ ン グ 方 式[11]一[13] ト ラ ヒ ッ ク シ ェ ー ピ ン グ(以 後 、シ ェ ー ビ ン グ)と は 、 通 信 量 を 規 定 速 度 に 抑 え る 帯 域 制 御 の 方 式 の 一 つ で 、 規 定 速 度 を 超 え る デ ー タ を 通 信 機 器 内 部 に 保 存 し、 容 量 に 空 き が で き た と き に 送 信 す る 方 式 で あ る 。 バ ー ス ト的 に 到 着 し た パ ケ ッ トを 規 定 速 度 に 平 滑 化 し て 転 送 す る 方 式 で あ る 。 従 来 は 想 定 し た 場 所 に シ ェ ー ビ ン グ 装 置 を 事 前 設 置 し 、 ア プ リケ ー シ ョ ン 種 別 毎 ま た は トラ ピ ッ ク 種 別 ご と に 制 御 ポ リ シ ー に 従 っ て 実 施 され る こ と が 多 い[1]'[4]。 ま た 、 ネ ッ トワ ー ク 毎 で 、 か つ 混 雑 して い る 部 分 の み を 考 慮 し て 実 施 さ れ る こ と が 多 く 、 必 要 時 に 任 意 の 位 置 で 動 的 に シ ェ ー ビ ン グ を 実 施 す る こ と は 困 難 な 状 況 で あ っ た 。 シ ェ ー ビ ン グ が 必 要 な 時 に 、 通 信 フ ロ ー を 選 定 し か つ 最 適 な 場 所 で 動 的 に シ ェ ー ビ ン グ を 実 施 す る こ とが で き れ ば 、 ネ ッ トワ ー ク の 回 線 帯 域 や 中 継 処 理 能 力 な ど の 資 源 を よ り効 率 的 に 使 用 で き る 可 能 性 が あ る 。 本 論 文 で は 、 ソ フ ト ウ ェ ア 定 義 型 ネ ッ ト ワ ー クSDN (SoftwareDefinedNetwork)[5]お よ び ネ ッ トワ ー一一ク 機 能 仮 想 化 技 術NFV(NetworkFunctionsVirtualization)[6]'[9]ベ ー一一ス ネ ッ トワ ー ク を 前 提 に 、 状 況 に 応 じ て 最 適 な シ ェ ー ビ ン グ 対 象 通 信 フ ロ ー と そ の シ ェ ー ビ ン グ 実 施 位 置 を 動 的 に 選 定 す る 動 的 シ ェ ー ビ ン グ 方 式 を 提 案 す る 。 ま た 、 動 的 シ ェ ー ビ ン グ 方 式 を 自 動 化 す る た め の シ ス テ ム 構 成 と 機 能 を 明 ら か に す る 。 な お 、 シ ェ ー ピ ン グ ア ル ゴ リズ ム は リー キ ー バ ケ ツ 方 式 や トー一一ク ン バ ケ ツ 方 式[lo]な ど を 想 定 す る 。 本 論 文 は 文 献[ll]一[13]を 発 展 させ 、 と り ま と め た も の で あ る 。 2.1動 的 シ ェ ー ビ ン グ 方 式 の 概 要 例 え ば 、 図1の よ うに 受 信 側 回 線 が 混 雑 し た 場 合 、 従 来(図1<1>)は 受 信 側 で シ ェ ー ビ ン グ を 実 施 す る こ と が 多 い 。 こ れ を 図1〈2>の よ うに 、 シ ェ ー一一ピ ン グ を 送 信 側 近 く で 実 施 で き れ ば 、 無 駄 な 回 線 帯 域 お よ び 中 継 処 理 能 力 を 削 減 し 、ネ ッ トワ ー ク コ ス トを 削 減 で き る 可 能 性 が あ る 。 シ ェ ー ビ ン グ を 実 施 し な い 場 合 、 バ ー ス ト的 に 発 生 す る ト ラ ピ ッ ク に 対 応 で き る よ うに 回 線 帯 域 と 中継 処 理 能 力 を 準 備 し て お く 必 要 が あ る た め で あ る 。 提 案 す る 動 的 シ ェ ー ビ ン グ 方 式 は 、SDNお よ びNFVベ ー ス の ネ ッ ト ワ ー ク を 前 提 と し、 従 来 の よ うに シ ェ ー ビ ン グ機 能 を 特 定 の 場 所 に 事 前 配 備 せ ず 、 ネ ッ トワ ー ク 回 線 混 雑 を 動 的 に 検 出 し 、 そ の 混 雑 を解 消 す る た め に 最 適 な シ ェ ー ビ ン グ 対 象 通 信 フ ロ ー と 最 適 な シ ェ ー ビ ン グ 実 施 位 置 を 動 的 に 選 定 し 、 仮 想 シ ェ ー ビ ン グ機 能 を 生 成 し て そ こ を 経 由 させ る 。 従 来 の シ ェ ー ビ ン グ は 、 回 線 毎 だ け で な く 、 ア プ リ ケ ー シ ョ ン 種 別 や トラ ピ ッ ク 種 別 毎 に 実 施 さ れ る こ と も 多 い 。 そ の た め 、 例 え ば ア プ リケ ー シ ョ ン種 別 ご と に シ ェ ー ビ ン グ を 実 施 す る 場 合 、 シ ェ ー ピ 〈1>回線混雑付近(受信偵Dでシx一ビングを実施PP5:バ ケツト欝 L=バケツト長【ビット1蔚 驚腫 嗣 謄黒一
〈2>送 信 側付近でシェービングを実施旦縣 窯宵 蔑肖 鶉 讐 旦
送馴 淋 、、一、sl)欺 ノ 受馴 端末 aAfisコ 升 一5Mbp5一 鉗 悌弊 る 轍 理,升蜘
蜘
蜘
*1:情 報 科 学 科4年 生(現 在:大 崎 電 気 工 業) *2:情 報 科 学 科 教 授(kuribayashi@st .seikei,acjp)図1.シ
ェー ビ ング 実 施 位 置 に よ るネ ッ トワー ク コス ト
削 減 効 果 の 比 較例
① 基本機能として通信フロー毎にトラピック量を測定可能であり、シェービング対象通信フローの選定 が容易 ②基本機能として通信フロー毎に経路を把握しているため、最適なシェービング配備位置の選定が容易 端末r/ ざらら
輔 嗣 一
シェービング機能一' ・SDNコントローラ ＼ 混警 サー・梅直碗 羽
[ 装置管理システム (NFV機能対応) ＼'③ 仮想的なシェービング機能を任意 の場所に従来よりも経済的に配備 可能(小容量でも)図2.動
的 シ ェー ビ ン グ 方 式 の 実 現 を 容 易 とす るSDN
とNFVの 特 徴
ン グ対 象 とな った ア プ リケ ー シ ョン種 別 に属 す る通 信 フ
ロー の 中 か ら最 も多 く無 駄 な 回 線 帯 域 を削 減 で き る通 信
フ ロー とそ の シェ ー ビ ン グ実 施 位 置 を選 定 す る。 これ 以
降 は 回 線 毎 を 前 提 に説 明 す るが 、 同 じよ うにア ブ.リケ ー
シ ョン種別 毎 、 トラ ピ ッ ク種 別 毎 、 に も適 用 で き る。
従 来 の ネ ッ トワー クで 同 様 の こ と をや る場 合 、 通 信 フ
ロー 毎 の トラ ピ ッ ク量 を測 定 す るた めに 専 用 の シス テ ム
を別 途 導 入 しな け れ ば な らな い た め コス トが 高 くな っ て
しま う。 ま た 、 シ ェー ビ ン グ を最 適 な 位 置 で 実 施 す る た
め に は 、 通 信 フ ロー が 経 由す る可 能 性 が あ る全 て の 位 置
に シ ェー ビ ン グ機 能 を 配 備 す る必 要 が あ り、 尼 大 な コ ス
トが か か る。 図2に 示 す よ うに、SDNとNFVの
特 徴 を使
用 す る こ とで 実 現 が 容 易 に な る。 具 体 的 には 、SDNの
特
徴 を利 用 す る こ と に よ り、 基 本機 能 と して 通 信 フ ロー 毎
の トラ ピ ッ ク量 を 測 定 可 能 とな る。 また 、SDNコ
ン トロ
ー ラが 通信 フ ロー の 経 路 を把 握 して い るた め
、 通 信 フ ロ
ー の 経 路 を絞 り込 ん で 適 切 な 位 置 で シ ェー ビ ン グ を実 施
可 能 とな る。さ らに 、NFVの 特 徴 を利 用 す る こ とに よ り、
任 意 の 容 量 の シ ェー ビ ン グ機 能 を任 意 の 場 所 に従 来 よ り
も経 済 的 に 配備 す る こ とが 可 能 とな る。
SDNコ ン トn-一 ラ が そ こ を 経 由 す る よ うに 経 路 変 更 す る 。 (3)シ ェ ー ビ ン グ 対 象 通 信 フn-一 の 選 定 混 雑 回 線 を 経 由 す る全 て の 通 信 フ ロ ー を 対 象 に シ ェ ー ビ ン グ を 実 施 す る こ と は 効 率 的 で は な く 、 以 下 の よ うに シ ェ ー ビ ン グ対 象 通 信 フ ロ ー を 選 定 す る。 <ス テ ッ プ1>混 雑 し シ ェ ー一一ピ ン グ が 必 要 な 回 線 を 経 由 す るす べ て の 通 信 フ ロ ー の 中 か ら 、 最 も 通 信 速 度 の 速 い 通 信 フ ロ ー一一を 最 大N本(例 え ば10)選 択 し 、 そ れ ら を シ ェ ー ビ ン グ 対 象 通 信 フ ロ ー の 候 補 とす る。 <ス テ ッ プ2>上 記(2)で 提 案 し た シ ェ ー一一ピ ン グ 実 施 位 置 を 前 提 とす る と 、 混 雑 位 置 で シ ェ ー ビ ン グ を 実 施 す る 場 Ha=4口1 混1・ 、・Va=1Mbpsバ
準ミロ
ム
。
信_
㈱
魅
臨L
一
端 末b 図3.シ ェ ー ビ ン グ 対 象 通 信 フ ロ ー の 選 定 比 較 聞始 一定時間ごとに回線帯域の使用量Xを監視 回線帯域xがw。x を超えている巨腺 があるか? Ye5 No 2.2動 的 シ ェ ー ビ ン グ 方 式 実 現 上 の 課 題 と 解 決 策 (1)シ ェ ー ビ ン グ 実 施 契 機 各 回 線 の 平 均 使 用 率 がPmax(例 え ば 、0,7)を 超 え た 時 点 で`回 線 混 雑'と 判 定 し、 シ ェ ー ビ ン グ を 実 施 す る こ と を想 定 す る 。2.1節 で 述 べ た よ うに 、 ア プ リ ケ ー シ ョン 種 別 毎 、 トラ ピ ッ ク種 別 毎 、 に 実 施 す る 場 合 も 同 様 で あ る。 (2)シ ェ ー一一ピ ン グ 実 施 位 置 混 雑 位 置 で シ ェ ー ビ ン グ を 行 う よ り も 、 送 信 元 近 く で シ ェ ー ビ ン グ を 行 う こ と で よ り多 く の 回 線 帯 域 コ ス トを 削 減 す る こ と が で き る 可 能 性 が あ る 。 そ の た め 、 必 要 時 に 動 的 に 仮 想 シ ェ ー ビ ン グ機 能 を 送 信 元 近 く に 作 成 し、 回 線 の融 蛸 轍 量W噛 X-WoXPinaiに 設 定 X=使用 回練 帯域 ↓ WD澱W混 雑 回線 の帯 域削 減量大回 練帯 域 Pmax=回 練帯 域使 用串 の閾 値 Si=シェー ビング 実施前 の通 信速 度 rmax=シ ェー ビング比 準の 最大 `05ぽシェーピンク還度なシー一どング労 の50繊止κ醗審 ≠ると`1易彦傑ノ 1その回欄 るす・て醐 フ・一鯛1言澱 を剛 ` 遍億速度の遼い口に趣醤プロ}を最大10な 選定 し、そ れらをシェ♂ピング対象辺信プロψ候補とする`
すぺてのシヱリビンク対象通信フロー候補 のホヅ撒 の悟謡妄船 ↓ ホッブ数x過信逢展の多い顯に遍信プロ"を 選定し、 それらをシェービング対象通信フロ伊とし 通信フロリ1,通信フロ甲2,…5通信フロ"ち…過信プロ"10とする ↓ 1=1と す る No w・(Si'(1τm簾))×) 了05 「1 1・ ・W(・・q副IIフ ・一・を・・Wでシェーピ・グを贈 る1 ↓ ↓ 匠 ・勘 翻 ・・プ ・・グ・競 ・・1 レ 齢1繍 ・・一ビ・グ撚 しな・]畢
1酬1 施5 i≦10 泣o l I終 了1図4.回
線 混 雑 判 定 か ら シ ェー ビ ング 対 象 通 信 フ ロー と
シ ェー ビ ング 速 度 決 定 ま で の 処 理 フ ロー
成 踵 大 学 理 工 学 研 究 報 告
Vol55No.1(2018.6)
合 に 比 べ 、 「
送 信 元 と混 雑 位 置 まで の 総 回 線 距 離 」 ×通
信 速 度
だ け 回 線 帯 域 を削 減 す る こ とが で き る。しか し、
総 回線 距 離 を 簡 単 に求 め る こ とは 困 難 で あ り、 総 回 線 距
離 を ホ ップ 数 で 置 き換 え、 「
ホ ップ 数 ×通 信 速 度 」 の 値
が 最 も大 きい 通 信 フ ロー 候 補 を シ ェー ビ ン グ対 象 通 信 フ
ロー に 選 定 す る。 図3の
例 で は 、 ホ ップ 数(Hb)× 通 信 速
度(Vb)が 大 き い 通 信 フn--bを
シ ェー ビン グ対 象 通 信 フ
ロー と して 選 定 す る。
(4)シ
ェ ー ビン グ速 度 の決 定
上 記(3)で 選 定 した シ ェー ビン グ対 象 通 信 フn-一 の シ
ェー ビ ン グ速 度 は 回 線 の 混 雑 が 解 消 す る よ うに設 定 す る。
但 し、 サ ー ビス 品 質 を考 慮 し、 通 信 フ ロー 毎 の シ ェー ビ
ン グ速 度 は も と も との 通 信 速 度 の 半 分 以 下 に は設 定 しな
い もの とす る。 も し、 通 信 速 度 の 半 分 に シ ェー ビ ン グ速
度 を 設 定 して も回 線 混雑 が解 消 で き な い 場 合 は 、上 記(3)
で 算 出 した 削 減 量 の 大 きい 順 に 回 線 混 雑 が 解 消 で き る ま
で シ ェー ビ ン グ対 象 通信 フ ロー を追加 す る。
(5)処
理 フ ロ ー
上 記(1)か ら(4)まで の 処 理 の 流 れ をま とめ た もの を 図4
に 示 す 。
2.3動 的 シ ェ ー ビ ン グ 方 式 を 実 現 す る シ ス テ ム 構 成 と 機 能 動 的 シ ェ ー ビ ン グ を 自 動 的 に 実 施 す る た め 、 既 存 の SDNコ ン トn-一 ラ と 装 置 管 理 シ ス テ ム(NFV機 能 対 応)に 加 え 、 管 理 オ ー ケ ス ト レ ー シ ョ ン を 新 た に 追 加 す る 。 な お 、 極 力 既 存 シ ス テ ム に 変 更 を 加 え な い こ と を 前 提 と す る 。 管 理 オ ー一一ケ ス ト レー一一シ ョ ン 、SDNコ ン トロ ー一一ラ 、 装 置 管 理 シ ス テ ム(NFV機 能 対 応)を 含 む 動 的 シ ェ ー ビ ン グ を 自 動 化 す る た め の シ ス テ ム 構 成 を 図5に 示 す 。 端 末a、 b、cが サ ー バ ー と そ れ ぞ れ 個 別 に 通 信 を 行 い 、 そ れ ら通 信 フn-一 を そ れ ぞ れ 通 信 フn--a、 通 信 フ ロ ーb、 通 信 フ 管 理 オー ケ ストレー ション n--cと 呼 ぶ 。OpenFlowス イ ッ チ か ら サ ー一一バ ー一一向 け 回 線 が 混 雑 し て い る ケ ー ス で あ る。 動 的 シ ェ ー ビ ン グ の 制 御 シ ナ リ オ は 管 理 オ ー ケ ス ト レ ー シ ョ ン が 管 理 し 、 実 施 す る 。 具 体 的 に は 、 全 体 の 状 況 を把 握 し 、 必 要 な 処 理 を行 う。`回 線 混 雑'と 判 定 した ら、 管 理 オ ー ケ ス トレ ー シ ョ ン はSDNコ ン ト ロ ー ラ に 対 し 通 信 フ ロ ー一一毎 の 通 信 速 度 と ホ ッ プ 数 の 収 集 を 指 示 す る 。SDNコ ン ト ロ ー一一ラ は OpenFlowス イ ッ チ か ら 通 信 フn-一 毎 の 通 信 デ ー タ 量 を 収 集 す る 。 た だ し 、 収 集 す る 通 信 フ ロ ー 数 が 多 い と OpenFlowス イ ッ チ な ら び にSDNコ ン トロ ー一一ラ の 大 幅 な 性 能 劣 化 に つ な が る 。 そ の た め 、OpenFlowス イ ッ チ は 通 信 フ ロ ー 毎 の ト ラ ピ ッ ク カ ウ ン タ 値 が 一 定 値 以 上 の 通 信 フn-一 を 事 前 にSDNコ ン トn-一 ラ に 通 知 し 、SDNコ ン ト ロ ー ラ は そ の 通 知 さ れ た 通 信 フ ロ ー の 通 信 デ ー タ 量 だ け をOpenFlowス イ ッ チ に 問 い 合 わ せ る こ と とす る。 ま た 、SDNコ ン ト ロ ー ラ は ネ ッ トワ ー ク の 接 続 構 成 を 事 前 に 把 握 し て い る た め 、 対 象 と な る 通 信 フ ロ ー の ホ ッ プ 数 を 管 理 オ ー ケ ス ト レ ー シ ョ ン に 転 送 す る 。 管 理 オ ー ケ ス ト レ ー シ ョ ン は 、 収 集 し た デ ー タ を も と に 、 装 置 管 理 シ ス テ ム に 対 し て シ ェ ー ビ ン グ 制 御 パ ラ メ ー タ の 設 定 、 シ ェ ー一一ピ ン グ機 能 の 位 置 情 報 提 供 な ど を 指 示 す る。SDN コ ン ト ロ ー ラ に 対 し て は 、 シ ェ ー ビ ン グ 対 象 通 信 フ ロ ー が 指 定 され た シ ェ ー ビ ン グ機 能 を 経 由 す る よ う に 経 路 切 り 替 え を 指 示 す る。 上 記 で 説 明 し た 管 理 オ ー ケ ス トレ ー シ ョ ン が 具 備 す べ き 主 な 機 能 を 表1に 整 理 す る 。 シ ェ ー ビ ン グ 機 能 の 決 定 か ら 経 路 切 り 替 え ま で を 対 象 に 、 管 理 オ ー一一ケ ス ト レ ー一一シ ョ ン 、SDNコ ン トロ ー一一ラ 、 装 置 管 理 シ ス テ ム 間 で 必 要 と な る連 携 処 理 の 概 要 を 図6に 示 す 。 破 線 矢 印 で 示 す 数 字 は 処 理 フ ロ ー の 順 番 、 ギ リ シ ャ 文 字 は や り取 りす るパ ラ メ ー タ を そ れ ぞ れ 示 す 。以 下 、 図6に 示 す 処 理 を 順 番 に 説 明 す る 。 ・処 理1:管 理 オ ー一一ケ ス ト レ ー一一シ ョ ン が 装 置 管 理 シ ス テ ム に 対 し て 、 シ ェ ー ビ ン グ を 実 施 す る ネ ッ トワ ー ク 識 エリア1蟻 末a痢 蕩
、
、!だ
て
、
通 偏 フ ローa凝
ソ
＼ コ。㌔,動
論 》 一
端末、ム ネ・
通・・ ㌧ 口
通塩、浪 垂岩末・△ Mッ トb▽ ク1 サ ー バ ー刻
漉
雑
発
害
＼ F↓
斯
収
}
ノ
λロノ
図5.動
的 シ ェー ビ ン グ を 自動 化 す る ため の シス テ ム 構 成
表1.管
理 オ ー ケ ス ト レー シ ョ ンが 具 備
すべ き主 な機 能
◎管理オーケストレーションが飽理をする濠れをまとめ、飽機能を鯛御する臓能 各槍能ごとに違行吠溌を鐘窟し娼理する顎番を管理する, ①目練の使用状況の収集擁能 ②遍信フロー癒の通信遮度の収集機能 ③遍信フロー舞のホップ数の収集機能 ④シェービング対象通信フローの選定機能 ホップ数と通信逮度の積を齢算して一番大きいものから屡に選択 ⑤シェービング対象通信フローのシェービング逮度決定機箆 通信フロー舞の適信遼度からシェービング逮度を決定する ⑥シェービング臓能の決定機能 ⑦シェービング罐能へのパラメータ鹸定機能 シェービング封象通信フローのパラメータを設定する ⑧シェービング実施時にシェービング機能を経由するように経路切り鮒え棲能 シェービング鰐陰時にシェービング機能を経由しないように経路切り替え観能 ⑨SWコ ントローラとの連携燈能 ⑤装置管理システムとの連携嶺能通信7ロ ーaをシェー ビング する
