NTMobile アダプタの実現方式の検討

(1)

NTMobileアダプタの実現方式の検討

尾久史弥^†¹ 納堂博史^†² 鈴木秀和^†² 内藤克浩^†³ 渡邊晃^†²

†1名城大学理工学部 ^†²名城大学大学院理工学研究科 ^†³愛知工業大学情報科学部

1 ^はじめに

現状のネットワークは，グローバルIPアドレスの枯渇から，NATを利用してプライベートアドレスによるネットワークを構築するのが一般的である．しかし，グローバル側の端末からプライベート側の端末に対して通信を開始できない問題がある(NAT越え問題)．

この問題を解決するための技術として，筆者らはNT- Mobileを提案している[1]．NTMobileは，NTMobile framework(NTMfw)と呼ばれるアプリケーションをエンド端末に組み込むことにより，NATの有無に関わらず双方向通信を実現することができる．しかし，組み込み型家電や安定性を重視するサーバなどは新たな機能の組み込みができない場合がある．

そこで一般端末に隣接設置し，一般端末の通信をNT- Mobile通信に変換するアダプタ(以下NTMA)の実現方式について検討した．一般端末とNTMAとの間の通信は，RAWソケットで実現し，NTMAとNTM端末との間の通信は，NTMfwを改造することにより実現する．

本稿では，NTMAをイニシエータ側の一般端末に設置した場合の動作について確認したので記述する．

2 NTMobile

NTMobileは，NTMfwを実装した端末(NTM端末)， NTM端末の実IPアドレスと仮想IPアドレスの管理，

及び通信経路を指示するDC(Direction Coordinator)によって構成される．NTM端末は，起動時にDCに対して実IPアドレスを登録すると共に，位置に依存しない仮想IPアドレスの割り当てを受ける．NTM端末のアプリケーションは，仮想IPアドレスに基づいて通信を行う．実際の通信は，実IPアドレスで全パケットをカプセル化し，UDPトンネルによる通信を行う．DCが適切な通信経路を両NTM端末に指示することで，通信経路上にNATが存在しても常に双方向通信が実現できる．

3 NTMfw

NTMfwは，アプリケーション層で動作する通信ライブラリであり，上位アプリケーションに対して，NT-

Proposal for the Realization Method of NTMobile Adaptor Ogyu Fumiya^†¹, Hiroshi Nodo^†², Hidekazu Suzuki^†², Katsuhiro Naito^†2and Akira Watanabe

†1Faculty of Science and Technology, Meijo University

†2Graduate School of Science, Meijo University

†3Faculty of Information Science, Aichi Institute of Technology

NTM Node DC

NAT

GN NTMA

Internet

図1 提案システムのネットワーク構成

Mobile通信用のソケットインターフェースを提供する．

NTMfwにおいて NTMobile通信を実現する方法は以下の通りである．ユーザがデータを送信する場合は，

ユーザデータをNTMfwがlwIP(lightweight IP)の機能によって，送信元/宛先アドレスが仮想IPアドレスのIP パケットを生成し，さらにNTMヘッダを追加する．このパケットをデータとみなして，Linuxが提供するUDP ソケットによりカプセル化して送信する．また，ユーザがデータを受信する場合は，受信したパケットをLinux が提供するUDPソケットによりデカプセル化した後，

NTMfwによってNTMヘッダを除去し，さらにlwIPによってユーザデータを上位アプリケーションに渡す．

4 NTMA

4.1 ネットワーク構成

図 1 に提案システムのネットワーク構成を示す． NTMA は物理NIC を2 枚用意して，一方はNAT 配下の一般端末GNとブリッジ接続し，他方はインターネット側とブリッジ接続する．DCとGNの通信相手の NTM端末は，インターネット上に設置する．NTM端末とNTMAは，起動時にDCに対して実IPアドレスの登録および仮想IPアドレスの割り当てを受ける．NTM 端末とNTMAは，DCに対して定期的にKeep Aliveを行い，いつでもDCからの経路指示を受けることができる．GNのIPアドレスには，NTMAがDCから割り当てられた仮想IPアドレスを設定する．

4.2 動作シーケンス

図2に提案システムの通信シーケンスを示す．通信開始時に，GN は相手NTM 端末の FQDN を指定してDNSクエリを送信する．DNSクエリを受け取った NTMA は，NTMfw の機能を利用して，NTMobileシグナリング処理により，DCの指示に従ってNTMAと

(2)

GN NTMA

DC NAT

NTM端末

DNS　Query

DNS Response

NTMobile Signaling

UDP Tunnel Communication

UDP Tunnel Communication Packet

Transmission

Packet Transmission

図2 提案システムの通信シーケンス

NTM端末との間でトンネル構築を行う．トンネル構築終了後，NTMAは相手 NTM端末の仮想IP アドレスを取得するので，このアドレスをDNSレスポンスにのせてGNへ送信する．次にGNは，相手NTM端末の仮想IPアドレス宛てにパケットを送信する．このパケットを受信したNTMAは，NTMfwの機能を利用してNTMAと相手NTM端末の実IPアドレスでカプセル化してデータパケットを送信する．相手NTM端末からパケットが返信されてきた場合は，パケットを受信した NTMAがNTMfwによりデカプセル化を行い一般通信のパケットに変換してから，GNへ送信する．

5 実装

5.1 ^{モジュール構成}

図3 に NTMA(イニシエータ側)のモジュール構成を示す．NTMA と相手 NTM 端末との間の通信は， NTMfwが提供するNTMobile通信で実現する．また，

NTMAとGNとの間の通信は，RAWソケットで実現する．Initモジュールは，DCに対して実IPアドレスの登録を行うとともに，仮想IPアドレスの割り当てを受ける．また，Initモジュールは，DHCPサーバの機能を包含し，GNからのIPアドレス要求に対して上記仮想 IPアドレスを割り当てる．イニシエータモジュールは，

GNから送信されたパケットをRAWソケットで受信する．受信したパケットがDNSクエリであった場合，相手NTM端末との間でNTMobileシグナリングによりトンネル構築処理を行う．また，トンネル構築終了後に，DNSクエリの返信をGNに送信する．GN側から受信したパケットがUDP/TCPパケットであった場合は，

改造したNTMfw（R-NTMfw：Remodeled-NTMfw）の APIを介してトンネル通信でパケットを送信する．GN は，NTM端末の仮想IPアドレスをターゲットとする ARPリクエストを送信することがあるので，NTMAは自らのMACアドレスでARPリプライを返信する．

Initモジュールイニシエータモジュール

NIC１ NIC２

R-NTMfw NTM　Socket

RawSocket

Linux

C Socket

Gnenral

communication NTMobile

communication

GN NTM Node

図3 NTMA(^{イニシエータ側})^{のモジュール構成}

5.2 R-NTMfw

NTMfwはlwIPによりユーザデータから仮想IPアドレスによるパケットを生成する機能があるが，NTMA は，GNが送信するIPパケットをRAWソケットでそのまま受信する．そのため，NTMfw内部で仮想IPパケットを生成する必要がない．また，相手NTM端末から受信したパケットは，仮想IPアドレスのパケットを抽出した後，IPヘッダを除去せずに，そのままGNへ中継すればよい．IPパケットの生成と削除は，NTMfw 内のlwIPで行われていたため，R-NTMfwではlwIPの処理をスキップするように改造した．また，NTMfwは，

カーネルが認識する全てのNICに対してNTMobileの処理を行うように実装されているため，R-NTMfwでは NTMobile通信を行わないNICを認識しないように変更した．

5.3 動作検証

提案方式の動作検証をするにあたって，Initモジュールとイニシエータモジュールの中継処理部をC言語で作成した．検証方法は，NTMAとNTM端末間でのトンネル構築処理はあらかじめ終了させた．また，GNの IPアドレスとしてNTMAがDCから割り当てられた仮想IPアドレスを静的に設定した．この状態でGNから NTM端末の仮想IPアドレス宛てにパケットを送信した．NTMAは，このパケットをNTMobile通信に変換して送信し，NTM端末で受信することを確認した．逆に，NTM端末から送信したパケットをNTMAが一般パケットに変換し，GNがデータを受信することを確認した．

6 ^まとめ

本稿では，NTMobileを実装できない一般端末のために，一般端末に隣接設置してNTMobile通信を代行する NTMAを提案した．また，試作によりNTMAが動作できることを確認した．今後，NTMAのレスポンダ側の機能について検討していく．

(3)

参考文献

[1]上醉尾一真ほか：情報処理学会論文誌，Vol54，No10， pp．2288–2299(2013)．

(4)

尾久史弥† 納堂博史† 鈴木秀和† 内藤克浩

☨

渡邊晃†

†名城大学理工学部

‡愛知工業大学情報科学部

(5)

 現在の主流は

IPv4

ネットワーク

 IPv4

グローバルアドレスの枯渇問題

• NAT

を利用したプライベートネットワークの構築が一般的



NAT

越え問題

 インターネット側端末から通信を開始できない

NAT

インターネット側端末プライベート側端末A

プライベート側端末B ＮＡＴ越え問題

Private Network Grobal Network

ＮＡＴ越え問題

を解決する技術

*NTMobile(Network Traversal with Mobility)

^{が提案されている}

(6)

• 通信の経路指示

• 仮想IPアドレスの配布

通信の中継基本的にエンドエンド通信

NTM端末：MN NAT NTM端末：CN

DC

RS Internet

•

移動透過性の実現と

NAT越え問題の解決

^{を同時に実現する技術}

• NTM端末，DC(Direction Coordinator), RS(Relay Server)で構成

NTMobileframework(NTMfw) MN（Mobile Node）

CN(Correspondent Node)

• 端末の位置に依存しないIPアドレス

• 実IPアドレスの変化を隠蔽仮想IPアドレス

NAT

(7)

通信の中継通信を継続

NTM端末：MN NAT NTM端末：CN

DC

RS Internet

•

移動透過性の実現と

NAT越え問題の解決

^{を同時に実現する技術}

NTMobileframework(NTMfw) MN（Mobile Node）

NAT Hand Over

(8)

• 上位アプリケーションに対して

NTMobile

機能を提供

 NTMobile

通信用の

API

を提供

4

通信ライブラリアップデートソフトウェア対応可能OS

NTMfw アプリケーション層必要なし変更必要あり Linux,

Android, iOs カーネル層

送受信モジュール NTMobile

通信ライブラリカプセル化

APP

NTMobile 通信ライブラリ

カプセル化 APP

・・・・・・ NTMobile 通信ライブラリ

カプセル化 APP

*Linuxでは，動作確認済み

(9)

• 上位アプリケーションに対して

NTMobile

機能を提供

 NTMobile

通信用の

API

を提供

通信ライブラリアップデートソフトウェア対応可能OS

NTMfw アプリケーション層必要なし変更必要あり Linux,

Android, iOs カーネル層

送受信モジュール NTMobile

通信ライブラリカプセル化

APP

NTMobile 通信ライブラリ

カプセル化 APP

・・・・・・ NTMobile 通信ライブラリ

カプセル化 APP

ntmfw_bind() ntmfw_sendto() ntmfw_recvfrom()

NTMソケットAPI

(10)



NTMobile

は

Linux

で動作が確認されている

Linux

以外の

OS

は未対応



NTMfw

（

NTMobile framework

）を組み込めない

組み込み型の家電



工場の出荷後はプログラムを書き換えられないサーバー



安定性を重視することから，新しい機能の追加が許可されない

...

...C標準ソケットAPI NTMソケットAPI bind()

sendto() recvfrom()

(11)



NTMobile

は

Linux

で動作が確認されている

Linux

以外の

OS

は未対応



NTMfw

（

NTMobile framework

）を組み込めない

組み込み型の家電



工場の出荷後はプログラムを書き換えれないサーバー



安定性を重視することから，新しい機能の追加が許可されない

...

...C標準ソケットAPI NTMソケットAPI bind()

sendto() recvfrom()

NTMobile アダプタ (NTMA)

^の提案

(12)

 一般端末

(GN:General Node)

に

NTMA

を隣接設置

 GN

の通信を

NTMobile

通信に変換

 GN

のプログラムに手を加えない

NTMobile通信一般通信

NTM端末

Internet

NTMA

Private Network NAT

NTMA NAT GN

NTM端末

Internet Private Network

イニシエータ側

レスポンダ側

GN

(13)

ＧＮの想定環境

 Windows ＰＣ

 NTMfw未実装端末

 イニシエータ

NTMA



通信開始側

(

イニシエータ

)

の

GN

に設置

 GN

の通信を

NTMobile

通信に変換

NTMA NAT GN

NTM端末

NTMobileの課題

 NTMfwが未実装

Windowsは未対応

NTMｆｗが未実装の端末

(14)

NTM端末

Internet

NTMA

Private Network

NAT レスポンダ側

 NTMfwを組み込めない

新しい機能の追加が許可されない

工場の出荷後はプログラムを書き換えれない NTMobileの課題

 サーバー

 組み込み型家電

GN

 レスポンダ

NTMA



通信開始される側

(

レスポンダ

)

の

GN

に設置

 NTMobile

通信を一般通信に変換

(15)

NTMobileの課題

 NTMfwが未実装

Windowsは未対応

NTMｆｗが未実装の端末

 Windows ＰＣ

 NTMfw未実装端末

イニシエータ側 NTMA の動作について確認

NTMA NAT GN

NTM端末

(16)



NIC

を

2

枚用意

 NIC0をインターネット側にブリッジ接続

 NIC1をGNにブリッジ接続



GN

に仮想

IP

アドレスを設定

 NTMAがDCに割り当てられる仮想IPアドレス

イーサネット0 イーサネット1 Internet NTMA

Private Network NAT

GN NIC1 NIC0

仮想IPアドレスを設定

仮想IPアドレスの割り当て DC

NTM端末 NIC：Network Interface Card

 LANに接続するための装置

(17)

Application NTMobile NTMobile Application RIP：RIP_MN

VIP：VIP_MN VIP：VIP_CNRIP：RIP_CN

MN CN

カプセル化デカプセル化

VIP_MN →VIP_CN VIP_MN →VIP_CN

RIP_MN → RIP_CN VIP_MN →VIP_CN

RIP：端末の実IPアドレス VIP：端末の仮想IPアドレス

Data flow Ｐａｃｋｅｔ flow

(18)

RIP：VIP_NTMA

14

Application NTMobile

CN VIP：VIP_CNRIP：RIP_CN Application NTMobile

RIP：RIP_NTMA Application

ＧＮ

ＮＴＭＡ

VIP_NTMA →VIP_CN VIP_NTMA →VIP_CN

RIP_NTMA → RIP_CN VIP_NTMA →VIP_CN

VIP_NTMA →VIP_CN GNのパケットをそのままNTMobileへ

RIP：端末の実IPアドレス

VIP IP

Data flow Ｐａｃｋｅｔ flow

(19)

RIP：VIP_NTMA

実IPヘッダ IP

RIP：端末の実IPアドレス

Application NTMobile

VIP：VIP_CNRIP：RIP_CN Application NTMobile

RIP：RIP_NTMA Application

ＧＮ

ＮＴＭＡ

VIP_NTMA →VIP_CN VIP_NTMA →VIP_CN

RIP_NTMA → RIP_CN VIP_NTMA →VIP_CN

VIP_NTMA →VIP_CN

NTMfw の改造 NTMA モジュールの作成

 パケットの振り分け＋処理

• DHCPパケット

• DNSクエリ

• ARPリクエスト

• TCP/UDPパケット

 NTMfwの処理(iniｔ..etc)

実装

以降のスライドで説明

CN

(20)

 NTM

ソケット

API

 上位アプリケーションに NTMソケットAPIを提供

 Virtual IP Stack

 仮想IPパケットの生成



パケット操作モジュール

 暗号化・MAC付与

 CソケットAPI

 Linuxが提供するCソケット

 アプリケーション層で動作する通信ライブラリ

 上位アプリケーションにNTMobile機能を提供

16

NTMソケットAPI

Virtual IP Stack

トンネルテーブルパケット操作モジュール

ネゴシエーションモジュール

CソケットAPI

NIC

NTMobile framework

アプリケーション Data ntmfw_sedto()..etc

NTM 仮想TCP/IP HMAC 仮想IP 仮想TCP Data

NTM 仮想TCP/IP HMAC IP UDP

Linux

(21)

NTMソケットAPI

Virtual IP Stack

トンネルテーブルパケット操作モジュール

ネゴシエーションモジュール

CソケットAPI

NIC0 Ｒ-ＮＴＭｆｗＮＴＭＡアプリケーション

TCP/IPパケット

 Ｒ

-NTMfw

 ＮＴＭｆｗを改造したアプリケーション

NIC1

TCP/IPパケット

Linux RAWソケット

TCP/IPパケット

NTMAアプリケーションは TCP/IPをデータとして扱う

Virutual IP Stackの処理は

重複

(22)

 提案方式を

Linux

上に実装



一般通信を

NTMobile

通信に変換する動作を確認

 測定環境



仮想マシン上に

NTMA

を実装



仮想マシン上に

NTM

端末

,DC

を構築

 Windows

実機の

GN

18 NTMA(Virtual Machine)

OS Ubuntu 14.04

CPU Intel Corei7-930(2.80GHz) Memory 2GB

ＧＮＮＴＭＡＤＣＮＴＭ端末 NTMA NAT

GN NTM端末

Virtual Machine( )

Ethernet0 Ethernet1

(23)

GN ＮＴＭＡＤＣＮＴＭ端末 Virtual Machine

424.2ns パケット中継に

要する時間 424.2ns パケット処理時間 15.5ns R-NTMfw処理時間 408.7ns

ＡＲＰ処理時間 485.7ns

ＡＲＰリクエストＡＲＰリプライ

パケット送信

ＵＤＰトンネル通信

ARP処理時間

パケット処理時間

R-NTMfw処理時間

一般通信をNTMobile通信に変換する時間は僅か

10

回の平均値

(24)



NTMobile アダプタの実現方式の検討



一般端末に

NTMA

を隣接設置

•

一般通信を

NTMobile

通信に変換

•

一般端末のプログラムに手を加えない



今後の方針



NTMA

の実装の完了



レスポンダ側

NTMA

の機能について検討・実装

NTMA

の機能拡張に向けて検討

(25)

(26)

• NTM端末が通信開始時に行う処理

 両NTM端末間でトンネル構築処理を行う

NTM端末：MN NTM端末：CN

RIP：RIPmn VIP：VIPmn

RIP：RIPcn VIP：VIPcn トンネル構築指示要求

RIP IP VIP IP

DC

Internet

(27)

RIP：RIPcn VIP：VIPcn トンネル経路指示

DC

Internet

(28)

RIP：RIPcn VIP：VIPcn

RIP IP VIP IP

DC

Internet

トンネル構築処理

(29)

• UDPトンネル通信

 実IPパケットで仮想IPパケットをカプセル化

RIP：RIPcn VIP：VIPcn DC

Internet

トンネル構築通信

UDP Data

RIP VIP

(30)



Bind

DNS

クエリのフォワード

Bind

のインストール

/

設定のみで実現可能

(31)

GN1 NTMA

NAT

DNS

GN2

DNSクエリ

DNSレスポンス

一般通信フォワード

DNSレスポンス

(32)

GN1 NTMA^GN1

NAT

DNS

GN2

DNSクエリ

DNSレスポンス

DNSレスポンス一般端末のアドレスを指定

(33)

GN1 NTMA^GN1

NAT

DNS

GN2

DNSクエリ

DNSレスポンス

FQDNの中にntm端末固有の文字列がないかを調べる

(34)

GN1 NTMA^GN1

NAT

DNS

GN2

DNSクエリ

DNSレスポンス

(35)

通信の中継基本的にエンドエンド通信

NTM端末：MN

NTM端末：CN NAT

DC

RS Internet

• NAT越え問題を解決する技術

NTMobile framework MN（Mobile Node）

(36)

GN1 ＮＴＭ端末

NTMA NAT DC

ＤＮＳクエリ

ＤＮＳレスポンス

NTMobileシグナリング

UDPトンネル通信パケット送信

NTM端末のFQDNを指定

(37)

GN1 ＮＴＭ端末

NTMA NAT DC

ＤＮＳクエリ

NTM端末のFQDNの場合トンネル構築処理を行う

(38)

GN ＮＴＭ端末

NTMA NAT DC

ＤＮＳクエリ

NTM端末の仮想IPアドレスで返信

(39)

GN1 ＮＴＭ端末

NTMA NAT DC

ＤＮＳクエリ

(40)

GN1 ＮＴＭ端末

NTMA NAT DC

ＤＮＳクエリ

(41)

GN1 ＮＴＭ端末

NTMA NAT DC

ＤＮＳクエリ

(42)

R-NTMfw

Linux NIC1 NIC0

Data flow 一般通信 NTMobile通信

ＧＮ NTM端末

ＲＡＷソケット

Ｃソケット

ＮＴＭソケット

(43)

R-NTMfw

Linux NIC1 NIC0

ＧＮ NTM端末

Ｃソケット

• ＤＣから仮想IPアドレスの割り当てを受ける

• ＤＨＣＰサーバの機能を包含し，GNからのIP アドレス要求に対して，

仮想IPアドレスを割り当てる．

(44)

R-NTMfw

Linux NIC1 NIC0

Data flow 一般通信 NTMobile通信

ＧＮ NTM端末

Ｃソケット

ＮＴＭソケットＧＮから送信されるパケットを

RAWソケットで受信

• DNSクエリ

 トンネル構築処理

 DNSリプライの送信

• UDP/TCPパケット

 トンネル通信でパケットを送信

• APR

 自身のMACアドレスでARPリプライ

• DHCP

 Ｉｎｉｔモジュールに処理を渡す

(45)

R-NTMfw

Linux NIC1 NIC0

ＧＮ NTM端末

Ｃソケット

(46)



ＮＴＭ fw を改造したアプリケーション

lwIPの処理をスキップ

データ

データ仮想IP 仮想UDP

NTM ＨＭＡＣ

ＵＤＰＩＰ

lwIP

NTMfw NTMソケット

Ｃソケット

(47)



ＮＴＭ fw を改造したアプリケーション

lwIPの処理をスキップ

R-NTMfw

NTMソケット

ＣソケットＲＡＷソケット

NTM ＨＭＡＣ

ＵＤＰＩＰ

(48)

44

仮想スイッチ0

仮想ブリッジ仮想スイッチ1

GN

NTMA DC AS NTM端末

VNIC1 VNIC0 VNIC0 VNIC0 VNIC0

NIC1 NIC0

Private Network NIC0

Ethernet0 Ethernet1

(49)

スイッチ

ブリッジ

NTMobile アダプタの実現方式の検討

尾久 史弥† 納堂 博史† 鈴木 秀和† 内藤 克浩

渡邊 晃†

†名城大学 理工学部

‡愛知工業大学 情報科学部

IPv4

 IPv4

• NAT

NAT

ＮＡＴ越え問題

*NTMobile(Network Traversal with Mobility)

•

NAT越え問題の解決

•

NAT越え問題の解決

NTMobile

 NTMobile

API

NTMobile

 NTMobile

API

NTMobile

Linux

Linux

OS

NTMfw

NTMobile framework





NTMobile

Linux

Linux

OS

NTMfw

NTMobile framework





NTMobile アダプタ (NTMA)

(GN:General Node)

NTMA

 GN

NTMobile

 GN

NTMA



(

)

GN

 GN

NTMobile

NTMA



(

)

GN

 NTMobile

イニシエータ側 NTMA の動作について確認

NIC

2

GN

IP

NTMfw の改造 NTMA モジュールの作成

以降のスライドで説明

 NTM

API

 Virtual IP Stack



-NTMfw

重複

Linux



NTMobile



NTMA



NTM

,DC

 Windows

GN

10

尾久史弥† 納堂博史† 鈴木秀和† 内藤克浩

渡邊晃†

†名城大学理工学部

‡愛知工業大学情報科学部