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P4 を用いた MQTT-SN アクセラレーション
大澤 昂生
†日比 智也
‡坂野 遼平
††工学院大学 情報学部 情報通信工学科 〒
192-0015
東京都八王子市中野町2665-1
‡NTT未来ねっと研究所 〒239-0847 神奈川県横須賀市光の丘
1-1
E-mail:
†{j017048@ns, banno@cc}.kogakuin.ac.jp, ‡[email protected]あらまし IoTの主要な通信プロトコルとしてMQTTが存在する．MQTTではBrokerと呼ばれるサーバを介し
てすべての通信が行われる．そのため，Brokerへの負荷集中が懸念されている．本研究ではUDP上で動作するMQTT- SNを対象として，P4を用いてBrokerの処理をネットワーク内にオフロードする手法を提案する．P4はデータプレ ーンをプログラム可能な言語であり，提案手法では一定の条件を満たした Publish メッセージをネットワークスイ ッチから直接Subscriberに配信することでBrokerの負荷を軽減する．P4のリファレンス実装であるBMv2に提案 手法を実装し，評価実験を行った．評価結果から，Brokerに到達するパケット数を低減できることが明らかになっ た．また，遅延時間に関しては100 ByteのPublishメッセージ送信時に40%以上の遅延時間削減が確認できた．
キーワード P4, データプレーンプログラマビリティ, MQTT, MQTT-SN, IoT
MQTT-SN Acceleration using P4
Koki OSAWA
†Tomoya HIBI
‡and Ryohei BANNO
††Department of Information and Communications Engineering, Faculty of Informatics, Kogakuin University
2665-1 Nakano-machi, Hachioji-shi, Tokyo, 192-0015 Japan
‡
NTT Network Innovation Laboratories, 1-1 Hikarinooka, Yokosuka-shi, Kanagawa, 239-0847 Japan E-mail:
†{j017048@ns, banno@cc}.kogakuin.ac.jp, ‡[email protected]Abstract MQTT is a major communication protocol for the IoT. In MQTT, all communication is done through a server called a "broker". Therefore, there is a concern that the broker is overloaded. In this study, we focus on MQTT-SN which is based on UDP and propose a method to offload the processing of the broker into the network using P4. P4 is a language for data plane programming, and the proposed method reduces the load on the broker by delivering publish messages that satisfy certain conditions directly from the network switch to the corresponding subscribers. We implemented the proposed method in BMv2, a reference implementation of P4, and conducted evaluation experiments. The experimental results show that the proposed method can reduce the number of packets that reach the broker. In addition, we confirmed that the proposed method reduces the delay time by more than 40% when sending a 100 Byte publish message.
Keywords P4, Data Plane Programmability, MQTT, MQTT-SN, IoT
1. は じ め に
IoT (Internet of Things) デ バ イ ス が 世 界 的 に 急 速 に 普 及 し て い る ． 総 務 省 の 情 報 通 信 統 計 で は 2018 年 に 全 世 界 で 307.1 億 台 の IoT デ バ イ ス が 稼 働 し て い る と 統 計 づ け ら れ ，2021年 に は 400億 台 を 超 え る と 見 込 ま れ て い る[1]．IoT デ バ イ ス の 通 信 プ ロ ト コ ル に MQTT (MQ Telemetry Transport) [2]が 存 在 す る ．MQTT は Publish/Subscribe 型 の 通 信 プ ロ ト コ ル で あ る ． こ の 方 式 で は セ ン サ デ ー タ 等 の デ ー タ を 提 供 す る ク ラ イ ア ン ト (Publisher) が Broker と 呼 ば れ る サ ー バ に デ ー タ を 発 行 (Publish) し ，Broker は 対 象 デ ー タ を 購 読 (Subscribe) し て い る ク ラ イ ア ン ト (Subscriber) に デ ー タ の 転 送 を 行 う ． よ っ て ，IoT シ ス テ ム の 規 模 が 大
き く な れ ば な る ほ ど Broker へ の 負 荷 集 中 が 懸 念 さ れ る[3]．
本 研 究 で は ，MQTTの 派 生 プ ロ ト コ ル で あ る MQTT- SN [4]を 対 象 と し ，Brokerの 一 部 機 能 を Broker直 前 の ネ ッ ト ワ ー ク 内 に て 行 う こ と で ，Brokerの 使 用 リ ソ ー ス の 削 減 と 周 辺 ネ ッ ト ワ ー ク で の ト ラ フ ィ ッ ク の 削 減 を 行 う こ と を 目 的 と す る ．
2. 既 存 技 術
2.1. MQTT
2.1.1. 概 要
MQTT と は IoT シ ス テ ム で 多 く 用 い ら れ る Publish/Subscribe 型 の 通 信 プ ロ ト コ ル で あ る ． ヘ ッ ダ サ イ ズ が 軽 量 で あ り ，IoTやM2M (Machine to Machine)
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と い っ た メ モ リ や ネ ッ ト ワ ー ク 帯 域 が 限 ら れ る 環 境 で の 利 用 に 適 し て い る ． こ の 通 信 ア ー キ テ ク チ ャ は 図 1 の よ う に Publisher，Broker及 び Subscriberの3種 類 の エ ン テ ィ テ ィ か ら 成 り 立 っ て い る ．
Publisher は セ ン サ デ ー タ な ど を Publish す る ク ラ イ ア ン ト で あ り ，Topic を 指 定 し て セ ン サ デ ー タ な ど の Publishを 行 う ．Subscriberは デ ー タ を 受 信 す る ク ラ イ ア ン ト で あ り ，あ ら か じ めTopicを 指 定 し て Subscribe を 行 う ．BrokerはPublisherか ら の Publishを 管 理 し ， 該 当 す るTopicをSubscribeし て い る Subscriberに 配 信 を 行 う ．
2.1.2. QoS
MQTTに お い て QoS (Quality of Service) は0，1，2 と3種 類 の 設 定 が で き る ．QoSに 関 し て の ま と め た も の を 表 1に 示 す ．QoS 0で は ク ラ イ ア ン ト ・ サ ー バ 間 の 通 信 は 最 高1回 送 信 さ れ る ．こ の 設 定 で は Publishメ ッ セ ー ジ に 対 す る 確 認 応 答 が 無 い た め ， メ ッ セ ー ジ の 到 達 は 保 証 さ れ な い ．次 に QoS 1で は ，ク ラ イ ア ン ト・
サ ー バ 間 の 通 信 は 最 低1回 送 信 が 行 わ れ る ．Publishメ ッ セ ー ジ に 対 し 確 認 応 答 と し て PubAck を 返 す た め メ ッ セ ー ジ が 相 手 に 届 く こ と が 保 障 さ れ る が ， 重 複 し て メ ッ セ ー ジ が 送 信 さ れ て し ま う 可 能 性 が あ る ． 最 後 に QoS 2 で は ， ク ラ イ ア ン ト ・ サ ー バ 間 の 通 信 が 正 確 に 1回 の み 送 信 さ れ る ．Publishメ ッ セ ー ジ に 対 し PubRec，
PubRel，PubCompと 相 互 に 2回 通 信 を 行 う た め ，重 複 し た メ ッ セ ー ジ は 届 か な い ．
2.1.3. Retain
Retain と は ト ピ ッ ク 毎 の 最 新 メ ッ セ ー ジ を 保 持 す る 機 能 で あ る ．Publishメ ッ セ ー ジ に は Retain用 の フ ラ グ が 存 在 し ， こ の フ ラ グ の 立 っ て い る Publish メ ッ セ ー ジ はBroker上 で 保 持 さ れ る ．Brokerが 新 た にSubscribe メ ッ セ ー ジ を 受 信 し た 際 ， 保 持 さ れ た メ ッ セ ー ジ が 存 在 す る 場 合SubscriberにPublishさ れ る ．Retainフ ラ グ が な い 場 合 ，次 にPublisherか ら デ ー タ が 送 ら れ て こ な い 限 り デ ー タ は 新 規 Subscriber に 送 信 さ れ る こ と は な い ．Retainの 動 作 順 序 を 説 明 し た も の を 図2に 示 す ． 2.2. MQTT-SN (MQTT-Sensor Network)
MQTT-SNと はUDP上 で 動 作 す る 通 信 プ ロ ト コ ル で あ り ，基 本 動 作 はMQTTと 変 わ ら な い ．MQTTは 本 来 TCP上 で 動 作 す る 通 信 プ ロ ト コ ル で あ る ．し か し ，IoT シ ス テ ム は 様 々 な 条 件 の も と 稼 働 し て お り TCP の 動 作 が 不 向 き な 場 面 も 存 在 す る ． 例 え ば 劣 悪 な ネ ッ ト ワ ー ク 環 境 で あ る 場 合 や 電 源 に 制 約 の あ る 環 境 で あ る 場 合 な ど が 挙 げ ら れ る ．TCPを 使 用 す る と 再 送 制 御 が 多 数 発 生 し ， 更 に ネ ッ ト ワ ー ク 状 況 を 悪 く し か ね な い ． TCPを 使 用 す る と 再 送 制 御 が 多 数 発 生 し ，更 に ネ ッ ト ワ ー ク 状 況 を 悪 く し か ね な い ．
図1 MQTT概 要 図 表1 MQTTのQoS
図2 Retain動 作 フ ロ ー
ま た ，TCPで は ネ ッ ト ワ ー ク へ の 常 時 接 続 が 基 本 と な る が ， そ れ で は 制 限 さ れ て い る 電 源 を 無 駄 に 使 っ て し ま う こ と と な る ．そ の よ う な 場 合 ，UDPベ ー ス の プ ロ ト コ ル は 優 位 と い え る ．
2.3. データプレーンプログラマビリティ
2.3.1. 概 要
デ ー タ プ レ ー ン プ ロ グ ラ マ ビ リ テ ィ で は 通 信 機 器 の 動 作 を プ ロ グ ラ ム 可 能 で ， そ の 動 作 を ア プ リ ケ ー シ ョ ン か ら 詳 細 に 制 御 可 能 で あ る ． 現 在 様 々 な 研 究 が 行 わ れ ， こ れ ら の 取 り 組 み に DPN (Deeply Programmable Networks) [5]や P4 (Programming Protocol -Independent Packet Processors) 言 語[6]が 存 在 す る ．性 能 面 の 特 徴 と し て は ア プ リ ケ ー シ ョ ン の 一 部 を 通 信 機 器 内 に 実 装 す る こ と で 低 遅 延 化 な ど の 恩 恵 を 受 け ら れ る と 期 待 さ れ て い る ．
2.3.2. P4
P4 は デ ー タ プ レ ー ン を プ ロ グ ラ ム す る た め の 言 語 で あ る ．SDN (Software Defined Networking) に て よ く 用 い ら れ る OpenFlow [7]で は ス イ ッ チ の コ ン ト ロ ー ル を 行 う コ ン ト ロ ー ル プ レ ー ン に 関 し て は 制 御 可 能 で あ っ た ． し か し ， 実 際 に デ ー タ 通 信 を 行 う デ ー タ プ レ ー
Publish
Publish
: Publish : Subscribe( )
Subscribe
Subscribe
Subscribe Publish
Publish
Publish
P b is er roker S bscriber
QoS
0 1 At most once
1 1 At least once
2 1 Exactly once
Publish
Publish PubAck Publish PubRec PubRel PubComp
Retain Message Topic1
Publisher Broker
Subscriber
New Subscriber Publish
Publish
Publish Subscribe
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ン は 既 存 の プ ロ ト コ ル の 設 定 を は め 込 ん で 使 う 形 式 で あ る ． こ れ は 新 し い プ ロ ト コ ル や ， 自 定 義 の プ ロ ト コ ル に OpenFlow が 使 え な い 要 因 で あ る ． 一 方 P4で は ， コ ン ト ロ ー ル プ レ ー ン だ け で な く ， デ ー タ プ レ ー ン ま で も 自 身 で 記 述 し 制 御 す る こ と が 可 能 で あ る ． こ の よ う な こ と か ら ， 大 手 の デ ー タ セ ン タ ・ 通 信 事 業 者 ・ 通 信 機 器 ベ ン ダ・ASICベ ン ダ な ど に 注 目 を 浴 び 開 発 が 進 め ら れ て い る ．
3. 提 案 手 法
本 研 究 で は ，MQTT-SN を 対 象 と し て Broker の 一 部 処 理 を ネ ッ ト ワ ー ク 内 に オ フ ロ ー ド す る 手 法 を 提 案 す る ．ネ ッ ト ワ ー ク 内 にP4言 語 対 応 の ス イ ッ チ を 置 き ， そ の ス イ ッ チ に Broker の 一 部 機 能 を 実 装 す る ． こ の Broker の 一 部 動 作 を 実 装 し た P4 ス イ ッ チ を ア ク セ ラ レ ー タ と 呼 称 す る ．
提 案 手 法 の 概 要 を 図3に 示 す ．ア ク セ ラ レ ー タ で は ， 3つ の 動 作 パ タ ー ン を 想 定 し て い る ．最 初 に ，Subscribe メ ッ セ ー ジ を 受 け 取 っ た 場 合 で あ る ． こ の 場 合 ， ア ク セ ラ レ ー タ はP4 コ ン ト ロ ー ラ と 連 携 し てIPア ド レ ス や Topic 名 な ど の 情 報 の 記 録 ・ 保 持 を 行 う ． 次 に 指 定 条 件 に 合 致 す る Publish メ ッ セ ー ジ を 受 け 取 っ た 場 合 で あ る ． こ の 指 定 条 件 と は ，QoS レ ベ ル が 0 で あ り Retain フ ラ グ の 立 っ て い な い Publish メ ッ セ ー ジ で あ る ．こ の 場 合 ，Subscribeメ ッ セ ー ジ 受 信 時 に 記 録 し た デ ー タ ベ ー ス を 基 にBrokerを 介 さ ず にSubscriberに 対 し Publish メ ッ セ ー ジ の 配 信 を 行 う ． 最 後 に こ れ ら の 条 件 以 外 の も の に 関 し て で あ る ． こ の 場 合 は ， ア ク セ ラ レ ー タ に て 制 御 を 加 え て し ま う と Broker の 動 作 に 悪 影 響 を 与 え る 場 合 も あ る と 考 え ら れ る 為 ， 従 来 通 り ル ー テ ィ ン グ を 行 う ．
ア ク セ ラ レ ー タ の 実 装 に 関 し て は ，Subscribe部 は ス タ テ ィ ッ ク な 設 定 を 用 い て ， そ れ 以 外 の 部 分 は P4 に て 実 装 し た ． 本 研 究 に お い て 作 成 し た P4 プ ロ グ ラ ム の 動 作 を ま と め た フ ロ ー チ ャ ー ト を 図4に 示 す ． 4. 評 価
4.1. 評 価 方 法
評 価 に は 図5に 示 す ト ポ ロ ジ を 用 い た ．P4ス イ ッ チ に お け る ア ク セ ラ レ ー タ 機 能 の 有 無 を 切 り 替 え な が ら ， 各 ホ ス ト の 送 受 信 パ ケ ッ ト 数 お よ び 遅 延 時 間 を 測 定 し た ．Publisher が 送 信 す る Publish メ ッ セ ー ジ に つ い て は ，QoSレ ベ ル を 0，Retainフ ラ グ を 無 効 と 設 定 し た ． な お ，Publisher が Publish メ ッ セ ー ジ を 送 信 し 始 め る 前 に Subscriberは Subscribe メ ッ セ ー ジ を Broker に 宛 て 送 信 し て い る ．
評 価 は Windows の PC 上 に イ ン ス ト ー ル さ れ た VirtualBox の 上 で 動 作 す る Ubuntu16.04.7 に て 行 っ た ． VMはP4言 語 公 式 GitHub [8]に て 提 供 さ れ て い る も の を 利 用 し た ．
図3 提 案 手 法 概 要
図4 ア ク セ ラ レ ー タ 動 作 フ ロ ー
図5 実 験 ト ポ ロ ジ 表2 Windows PC環 境
表3 VM環 境
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こ のVMで はP4の ソ フ ト ウ ェ ア ス イ ッ チ で あ るBMv2 が 使 用 可 能 で あ る ．3 章 で 述 べ た 提 案 手 法 を BMv2 に 実 装 し ， 同 VM上 の Mininetに て 図 5 の ト ポ ロ ジ に て 評 価 を 行 っ た ．Brokerに は RSMB (Really Small Message Broker) [9]を 利 用 し ， ク ラ イ ア ン ト に は mqtt-sn-tools [10]を 改 変 し て 用 い た ．使 用 し た 環 境 に つ い て ，表 2に VMを 動 か し て い る Windows PCの 環 境 を ，表3にVM 周 り の 環 境 設 定 お よ び 使 用 ソ フ ト ウ ェ ア を ， そ れ ぞ れ 示 す ．
具 体 的 な 評 価 方 法 を 解 説 す る ． ま ず は 送 受 信 パ ケ ッ ト 数 の 測 定 に つ い て で あ る ．P4ス イ ッ チ の そ れ ぞ れ の ポ ー ト を 出 入 り す る パ ケ ッ ト は Wireshark に て 記 録 を 行 っ て い る ． 送 受 信 パ ケ ッ ト の 測 定 に 関 し て は こ の Wiresharkの デ ー タ を 基 に 算 出 し た ．送 受 信 パ ケ ッ ト 数 に 関 し て は Subscriberが Broker に 対 し Subscribe を 行 う パ ケ ッ ト も 評 価 対 象 と し て い る ．つ ま り ，Subscriber がSubscribe 動 作 を 行 う と こ ろ か ら Publisherが 接 続 を 切 る ま で を 評 価 対 象 と し た ．Publisher の Publish メ ッ セ ー ジ 数 は10・100・1000・10000・100000と し ，こ れ ら は 連 続 し た 評 価 で な く ， 例 え ば Publish メ ッ セ ー ジ 数 10 の 評 価 が 終 了 し た ら ， ス イ ッ チ や ホ ス ト を 再 起 動 し て か ら 次 の 評 価 を 行 っ た ． こ れ ら の Publish メ ッ セ ー ジ は 1ミ リ 秒 ご と に Publisherか ら 送 信 さ れ る ．
次 に 遅 延 測 定 に 関 し て 解 説 す る ． 遅 延 実 験 で は Publishメ ッ セ ー ジ 数 を100000回 と 固 定 し た ．Publisher が Publish メ ッ セ ー ジ を 作 成 し た 時 刻 を マ イ ク ロ 秒 単 位 で 取 得 し ， こ の タ イ ム ス タ ン プ を Publish メ ッ セ ー ジ の ペ イ ロ ー ド と し て い る ． な お ， 合 計 の パ ケ ッ ト サ イ ズ が 100 Byte も し く は 200 Byte に な る よ う に ペ イ ロ ー ド を パ デ ィ ン グ し て い る ．Subscriber 側 で は Publish メ ッ セ ー ジ 受 信 時 の 時 刻 を マ イ ク ロ 秒 単 位 で 取 得 し ，Publishメ ッ セ ー ジ に 含 ま れ る 送 信 時 刻 情 報 と 合 わ せ て 記 録 し た ．Subscriber 作 成 の タ イ ム ス タ ン プ か ら Publisher 作 成 の タ イ ム ス タ ン プ を 減 算 す る こ と で 遅 延 時 間 を マ イ ク ロ 秒 単 位 で 算 出 し た ． 評 価 に 用 い た パ ラ メ ー タ を 表 4に 示 す ．
4.2. 評 価 結 果
ま ず は ， 送 受 信 パ ケ ッ ト に 関 し て の 評 価 の 結 果 を 示 す ． 表 5に Publish メ ッ セ ー ジ 数 が 100 の 時 の 従 来 手 法 お よ び 提 案 手 法 の 送 受 信 パ ケ ッ ト 数 を 示 す ． ま た ， 表5を も と に 従 来 手 法 お よ び 提 案 方 式 の 評 価 結 果 を グ ラ フ 化 し た も の を そ れ ぞ れ 図 6， 図 7 に 示 す ． 従 来 手 法 と 提 案 手 法 を 比 較 す る と Publisherお よ び Subscriber の 送 受 信 パ ケ ッ ト 数 は 変 化 が な い こ と が 見 て 取 れ る ． し か し ，Broker の 送 受 信 パ ケ ッ ト 数 は 提 案 手 法 が 100 パ ケ ッ ト 分 少 な く な っ て い る ．図 8，9，10 は ，Publish メ ッ セ ー ジ 数 を10 か ら100000ま で 変 化 さ せ た 際 の 送 受 信 パ ケ ッ ト 数 を 示 し て い る ．
表4 評 価 パ ラ メ ー タ
表5 送 受 信 パ ケ ッ ト 数 測 定 結 果 (100 Publish)
図6 ホ ス ト ご と の パ ケ ッ ト の 送 受 信(従 来 手 法)
図7 ホ ス ト ご と の パ ケ ッ ト の 送 受 信(提 案 手 法) Publishメ ッ セ ー ジ 数 が 100の 時 と 同 じ く ，Publisherお よ び Subscriberの 送 受 信 パ ケ ッ ト 数 は 従 来 手 法 と 提 案 手 法 と も に 大 差 が な い こ と が 見 て 取 れ る ． 図 8 の Brokerの グ ラ フ か ら は 従 来 手 法 に 関 し て は ，送 信 側 受 信 側 の 線 が 重 な り ，Publishメ ッ セ ー ジ 数 が 増 え る と と も に 線 形 的 に 通 過 パ ケ ッ ト 数 も 上 昇 し て い る ． 一 方 ， 提 案 手 法 に 関 し て は Publish メ ッ セ ー ジ 数 が 10 か ら 100000 と 増 加 し て も 通 過 パ ケ ッ ト 数 は 約 10 付 近 で 落 ち 着 い て い る こ と が 分 か る ．
次 に 遅 延 測 定 に 関 し て の 評 価 で あ る ．図11に 遅 延 測 定 結 果 の グ ラ フ を 示 す ．本 評 価 で は ，100000パ ケ ッ ト の 遅 延 の 平 均 お よ び 中 央 値 を 比 較 し た ．BMv2はP4の リ フ ァ レ ン ス 実 装 で あ る が ， ハ ー ド ウ ェ ア 製 品 と 比 較 す る と 性 能 が 不 安 定 で あ り 外 れ 値 が 発 生 し や す い ．
P4
Broker Publisher Subscriber
in out in out in out
106 106 3 103 103 3 6 6 3 103 103 3
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図8 Publish数 に 対 す る 送 受 信 パ ケ ッ ト 数 の 変 化 (Broker)
図9 Publish数 に 対 す る 送 受 信 パ ケ ッ ト 数 の 変 化 (Publisher)
図10 Publish数 に 対 す る 送 受 信 パ ケ ッ ト 数 の 変 化 (Subscriber)
図11 遅 延 測 定 結 果
こ の た め ， 平 均 値 に 加 え ， 外 れ 値 の 影 響 を 受 け 難 い 中 央 値 も 算 出 し た ．100 Byteお よ び 200 Byteど ち ら の 場 合 に お い て も 提 案 方 式 は 中 央 値 ， 平 均 値 両 方 に お い て 短 い 遅 延 時 間 で 伝 送 で き て い る こ と が わ か る ． ま た ， 平 均 値 と 中 央 値 の 差 に 着 目 す る と ， 提 案 方 式 で は 従 来 方 式 と 比 べ 差 が 少 な い こ と が 見 て 取 れ る ．
5. 考 察
送 受 信 パ ケ ッ ト 数 の 評 価 結 果 よ り ，Publisherお よ び Subscriber の 送 受 信 パ ケ ッ ト 数 を 比 較 す る と ほ ぼ 一 致 し て い る こ と が 分 か っ た ．Brokerの 送 受 信 パ ケ ッ ト 数 を 比 較 す る と 提 案 手 法 と 従 来 手 法 の パ ケ ッ ト 数 に 大 き な 開 き が あ る ． 表 5か ら 提 案 手 法 の 送 受 信 パ ケ ッ ト 数 が ち ょ う ど 100少 な い こ と が 分 か る ． 同 様 に 図 7か ら Publish メ ッ セ ー ジ 数 と 比 例 し て 提 案 手 法 は 送 受 信 パ ケ ッ ト 数 が 少 な い こ と が 分 か る ． 実 際 に Wireshark の デ ー タ を 見 て み た と こ ろ 提 案 手 法 で は Publish メ ッ セ ー ジ が Brokerに 届 い て お ら ず ，ア ク セ ラ レ ー タ に よ っ て Subscriberに 配 信 さ れ て い る こ と が 確 認 で き た ． こ の こ と か ら ア ク セ ラ レ ー タ は 適 切 に Broker の 処 理 を 代 行 で き て い る と 言 え る ．Brokerが 受 信 す る Publishメ ッ セ ー ジ が 削 減 さ れ る こ と で ，Brokerの 処 理 負 荷 を 軽 減 で き ，ま た 周 辺 ネ ッ ト ワ ー ク の 利 用 量 も 低 減 で き る ．
次 に ，遅 延 測 定 の 考 察 を 行 う ．パ ケ ッ ト サ イ ズ が100 Byteの 時 ，従 来 方 式 は 中 央 値 で 約 512マ イ ク ロ 秒 ，提 案 方 式 は 中 央 値 で 約 300マ イ ク ロ 秒 の 遅 延 で あ っ た ． さ ら に ，パ ケ ッ ト サ イ ズ が 200 Byteの 場 合 ，従 来 方 式 は 中 央 値 で 約 653マ イ ク ロ 秒 ， 提 案 方 式 は 中 央 値 で 約 314 マ イ ク ロ 秒 の 遅 延 で あ っ た ． こ の こ と か ら ， そ れ ぞ れ 41.4%，51.9%の 遅 延 時 間 の 短 縮 が 図 れ て い る ．ア ク セ ラ レ ー タ が 適 切 に 稼 働 し て い る こ と に よ り ， ア ク セ ラ レ ー タ か ら Broker ま で ， お よ び Broker か ら ア ク セ ラ レ ー タ ま で の 伝 送 時 間 が 削 減 さ れ た こ と が ， こ の 遅 延 短 縮 の 大 き な 要 因 で あ る と 考 え ら れ る ．BMv2 の GitHub [11]に て ， 製 品 グ レ ー ド で は な く 開 発 ・ 検 証 向 け の ツ ー ル で あ る と 述 べ ら れ て い る ． 今 回 の 評 価 か ら 平 均 値 と 中 央 値 の 差 が 大 き く 開 い た の も BMv2 に 起 因 す る も の だ と 考 え ら れ る ． さ ら に 従 来 方 式 の 方 が 平 均 値 と 中 央 値 の 差 が 開 い て い る と い う こ と に 関 し て は ， BMv2に 流 れ る パ ケ ッ ト 数 が 提 案 方 式 と 比 べPublishメ ッ セ ー ジ の 分 ， 多 い こ と か ら 増 加 し て い る の で は な い か と 考 え ら れ る ．
6. お わ り に
本 研 究 で は ，IoT シ ス テ ム に 使 わ れ る 通 信 プ ロ ト コ ル MQTT-SN に お い て Broker の 機 器 リ ソ ー ス の 削 減 ， お よ び 周 辺 ネ ッ ト ワ ー ク で の ト ラ フ ィ ッ ク 削 減 を 目 的 と し た ．こ の 目 的 に 対 し 本 研 究 で は P4を 用 い てBroker の 処 理 の 一 部 を ネ ッ ト ワ ー ク 内 で 行 う 手 法 を 提 案 し た ． P4 ソ フ ト ウ ェ ア ス イ ッ チ BMv2 に Broker の 一 部 処 理
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を 行 わ せ る よ う 実 装 し ，Mininet上 で 評 価 を 行 っ た ．評 価 か ら ，Broker の 送 受 信 パ ケ ッ ト の 削 減 が 確 認 で き ， ま た 遅 延 時 間 の 短 縮 に も 効 果 が あ る こ と を 確 認 し た ． 以 上 よ り ， 研 究 目 的 で あ る Broker の 使 用 リ ソ ー ス の 削 減 ， 周 辺 ネ ッ ト ワ ー ク に お け る ト ラ フ ィ ッ ク の 削 減 に 関 し て ， 本 提 案 方 式 は 有 効 な 手 段 で あ る こ と を 確 認 し た ．
謝 辞 本 研 究 の 一 部 は ，JSPS科 研 費19K20253の 支 援 を 受 け て 行 わ れ た も の で あ る ．
文 献
[1] 総 務 省, "令 和 元 年 版 情 報 通 信 白 書", July 2019.
[2] OASIS, "MQTT Version 3.1.1 ", http://docs.oasis- open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqtt-v3.1.1-os.html, 閲 覧 日2020/12/23
[3] Wiriyang Pipatsakulroj, Vasaka Visoottiviseth, Ryousei Takano, "muMQ: A Lightweight and Scalable MQTT Broker", IEEE International Symposium on Local and Metropolitan Area Networks (LANMAN), pp. 1-6, July 2017.
[4] mqtt.org, "MQTT-SNv1.2 ", https://www.oasis open.org/committees/download.php/66091/
MQTT-SN_spec_v1.2.pdf, 閲 覧 日2020/12/23 [5] 韮 澤 慎 之 介, 原 雅 貴, 中 尾 彰 宏, 小 口 正 人,
山 本 周, 山 口 実 靖, "ス イ ッ チ に お け る ペ イ ロ ー ド 解 析 に 基 づ く ア プ リ ケ ー シ ョ ン の 高 速 化", 信 学 技 報, vol. 115, no. 483, NS2015-177, pp. 53-57, 2016年3月.
[6] Pat Bosshart, Dan Daly, Glen Gibb, Martin Izzard, Nick McKeown, Jennifer Rexford, Cole Schlesinger, Dan Talayco, Amin Vahdat, George Varghes, David Walker, "P4: programming protocol-independent packet processors", ACM SIGCOMM Computer Communication Review, Volume 44, Issue 3, pp.5-131, July 2014.
[7] Nick McKeown, Tom Anderson, Hari Balakrishnan, Guru Parulkar, Larry Peterson, Jennifer Rexford, Scott Shenker, Jonathan Turner, "OpenFlow: enabling innovation in campus networks", ACM SIGCOMM Computer Communication Review, Volume 38, Issue 2, pp.65-68, March 2008.
[8] github.com/p4lang, "P4 Tutrial", https://github.com/p4lang/tutorials 閲 覧 日 2020/12/23
[9] github.com/eclipse, "mosquito rsmb"
https://github.com/eclipse/mosquitto.rsmb 閲 覧 日 2020/12/23
[10] github.com/njh, "mqtt-sn-tools"
https://github.com/njh/mqtt-sn-tools 閲 覧 日 2020/12/23
[11] github.com/p4lang, " behavioral-model"
https://github.com/p4lang/behavioral-model 閲 覧 日 2020/12/23
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