災害時における無線メッシュネットワークを用いた

災害時における無線メッシュネットワークを用いた 孤立無線ネットワーク復旧手法の提案

永井 順也^†，伊藤 将志，渡邊 晃 名城大学理工学部 名城大学大学院理工学研究科

1. はじめに

災害等の被害により，無線ネットワークの無線 アクセスポイント（AP）を接続する有線ケーブル が切断されるという状況が考えられる．このとき，

無線端末が孤立した APに接続し続け，外部ネッ トワークとの通信機会を失ってしまうことが懸 念される．本稿では，我々が無線メッシュネット ワ ークの 一実現 方式とし て研究 を行っ てい る WAPL(Wireless Access Point Link)[1][2]を拡張して，

無線APの孤立した状態を素早く復旧させ，無線 端末を元のネットワークに接続する方法を提案 する．

2. WAPL 2.1 概要

WAPLの概要を図1に示す．WAPLではWAPL独 自のAPをWAP(Wireless Access Point)と呼称する．

WAPはインフラストラクチャモードとアドホッ クモードの無線インタフェースを持つ．インフラ ストラクチャモードのインタフェースは一般の APと同様に無線端末と接続する．アドホックモー ドのインタフェースはWAP同士でアドホックネ ットワークを形成する．無線端末は離れた通信相 手に対して，WAPを中継して通信することができ る．無線端末が通信を開始する前に，WAPと無線 端末の対応関係(以下，マッピング情報)がわかっ ている必要があるが，WAPLではマッピング情報 をオンデマンドで生成するため，制御パケットの 負担が少ない．WAPLに利用するアドホックネッ トワークはMANETのルーティングプロトコルか ら自由に選択できる．

インフラストラ クチャモード

無線インター フェース1

無線インター フェース2

アドホック ネットワーク

無線端末

無線AP として無線端末

と通信

他のWAP と通信

図1 WAPLの概要

また，端末が移動してもパケットロスのないシー ムレスなハンドオーバーを実現できる．

2.2 通信方式

WAPは無線端末が通信開始する際のARP処理 をトリガとして，WAPと無線端末のマッピング情 報をWAP間で交換し，LT（Link Table）に記録す る．LTの生成シーケンスを図2に示す．WAPは 端末からのARP要求を受信すると，他のWAPへ LT生成要求メッセージを広告する．LT生成要求 メッセージには探索端末の IP アドレスと送信元 端末のIPアドレスとMACアドレスが記載されて いる．LT生成要求メッセージを受信したすべての WAPは自身のLTに送信元端末と送信元WAPの IPアドレスの対応を記述する．配下に目的の探索 端末が存在することを検出した WAP は，ユニキ ャストで送信元WAPにLT応答メッセージを返す．

LT 応答メッセージには探索端末と送信元端末の IPアドレスとMACアドレスが記述されており，

LT生成要求メッセージの送信元WAPはLT応答 メッセージを受け取ると，自身の LT に探索端末 と，その端末が所属するWAPのIPアドレスの対 応を記述する．以上の動作により，互いの WAP にLTが生成され，以後のデータパケットはWAP 間のアドレスにより IP カプセリングされて中継 される．

図.2 LTの生成シーケンス Researches on the recovery of isolated networks using Wireless

Access Point Link "WAPL"

†Junya Nagai, Akira Watanabe

‡Faculty of Science and Technology, Meijo University

†Masashi Ito

‡Graduate School of Science and Technology, Meijo

宛先 送信元 _宛先^{カプセル化}_送信元 宛先 送信元

端末1

A.2

A.1 A.3 W.2 W.1 A.4

IPパケット

カプセル化 W.2

W.1 A.2 A.1 A.2 A.1

WAP WAP ARP Reqest

LT Reqest _{ARP Reqest}^代理

ARP Reply

LT Reply

代理 ARP Reply

端末2

ネットワ ーク部

ホスト 部 英字.数字 IP

ARP→LT LT→ARP

ARP←LT

宛先 送信元

A.2 A.1 デカプセル化

Infrastructure mode adhoc network

LT←ARP

3. 提案方式 3.1 R-WAP

提案方式では，インターネットから孤立したAP とそれが所属する孤立ネットワークを WAPL が 提供するネットワークを介して元のネットワー クに復旧させる．孤立ネットワークとWAPLの接 続はWAP が孤立AP の配下端末となることで確 立する．これを実現するため，図3のように，WAP にはAP配下端末として接続できる機能を新たに 追加した．この AP の配下端末となる WAP を R-WAP(Relay Wireless Access Point) と呼称する．

R-WAP インフラストラ

クチャモード

無線インタ ーフェース

1

無線インタ ーフェース

2 アドホック ネットワーク

無線端末

無線APとして 無線端末と通信

他のWAP と通信 無線インター

フェース3 無線AP

無線クライアント として無線APと

通信 追加

図.3 R-WAP概要 3.2復旧の流れ

本方式によって復旧したネットワークの構成 例を図.4に示す．R-WAPを復旧させたい孤立ネッ トワークと元の無線ネットワークのそれぞれ無 線LANクライアントとしてAPの配下に設置する．

端末1 端末2

孤立無線ネットワーク

AP1

The Internet

R-WAP

AP2

ルータ(デフォルト ゲートウェイ)

R-WAP

元の無線ネットワーク

ネットワ ーク部

ホスト 部 英字.数字

A.2 IP

A.3 A.8 W.2 W.1

A.1

A.6 A.5

A.7 Broken

Infrastructure mode adhoc network

図.4 ネットワーク構成例

復旧対象のネットワークのどちらかに DHCP サ ーバがあればインフラストラクチャ側のネット ワーク設定は自動で行うことができる．

R-WAPはインフラストラクチャ側とアドホック

側の両方に DHCP 探索メッセージを送信し，

DHCPの有無を調べ，DHCPサーバが存在すれば 無線LANクライアントインタフェースのIPアド レスとデフォルトゲートウェイの IP アドレスを 取得する．失敗した場合は手動で設定する．

経路生成とパケットの中継方法を図5に示す．

経路生成は通常のWAPLと同様にARPをトリガ にして，LT を生成することで実現する．R-WAP

はAPを介して端末からのARP要求を受信すると，

他のR-WAPへLT生成要求メッセージをフラッデ ィングする．LT生成要求メッセージを受信したす べてのR-WAPは自身のLTに送信元端末と送信元 R-WAPのIPアドレスの対応を記述し，R-WAPの 無線LANクライアントインタフェース側からAP へ，代理でARP要求をブロードキャストする．探 索端末からのARP応答を受信したR-WAPはユニ キャストで LT 生成要求メッセージの送信元 R-WAPにLT応答メッセージを送信する．送信元 R-WAPはLT応答メッセージを受け取ると，自身 の LT に探索端末と，その探索端末を配下に持つ R-WAPのIPアドレスの対応を記述し，ARP要求 の送信元端末へ向けて無線 LAN クライアントイ ンタフェース側からAPを介してARP応答を送信 する．以上の動作により，互いの R-WAP に相手 端末への LT が生成され，以後のデータパケット はR-WAP間のアドレスによりIPカプセリングさ れて中継される．

宛先 送信元

端末1

孤立無線ネットワーク

AP2 元の無線ネットワーク

A.2

A.3 A.5 A.6

R-WAP R-WAP

W.2 W.1 A.7

IPパケット

宛先 送信元 宛先^{カプセル化}送信元

W.2

W.1 G.1 A.3 G.1 A.3

A.8R-WAP R-WAP

ARP Reqest LT Reqest 代理

ARP Reqest ARP Reply LT Reply

代理 ARP Reply ネットワーク部 ホスト部

英字.数字 IP

LT ARP←

ARP LT←

デカプ セル化 Infrastructure mode

adhoc network

宛先 送信元

G.1 A.3 AP1

カプ セル化

端末2

LT

→ARP ARP

→LT

図.5 経路生成とパケット中継シーケンス

4. むすび

孤立した無線ネットワークの復旧を実現する ためにWAPに無線LANクライアント機能を持た せ，APとWAPLを介して，切断されたネットワ ーク間のパケットを中継する方法を提案した．

今後は実装と評価を行う.

参考文献

[1]伊藤将志,鹿間敏弘,渡邊晃 シームレスハンドオーバ を実現する無線メッシュネットワークの提案とシミュレ ーション評価 (DICOMO2007シンポジウム論文集，

Vol2007.No.1，pp.1-8)

[2] 加藤 佳之,伊藤将志,渡邊晃 無線アクセスポイント リンク ”WAPL” の提案と評価（DICOMO2007 シンポジウム 論文集， Vol.2007，No.1，pp.9-15）

災害時における無線メッシュネットワークを用いた 孤立無線ネットワーク復旧手法の提案

Proposal of method of restoring wireless isolation network at the disaster where wireless mesh network was used

名城大学 理工学部 情報工学科

永井順也 伊藤将志 渡邊晃

はじめに

The Internet

AP

無線端末

端末 端末 サーバ 端末

ルータ

ネットワークが破壊され外部との通信 が不能になるという状況が考えられる

近年，無線

LAN

災害等の被害によりネットワーク が破壊されると全壊，半壊，健全 のネットワークが混在する

ネットワークに無線アクセスポイント (AP)が存在することが考えられる

半壊のネットワークに限定

課題 孤立無線ネットワーク

無線端末

端末 端末 サーバ 端末

ルータ

孤立無線ネットワークの AP 自体は正常

孤立無線ネットワークが 発生

無線ネットワークとインターネットとの間に 障害が発生した場合

ネットワーク

孤立無線ネットワーク内 に存在する AP を使って ネットワークの復旧がで

きないか

孤立無線ネットワーク内 に存在する AP を使って ネットワークの復旧がで

きないか

接続 復旧

孤立無線ネットワークの発生例

端末 端末

ルータ

(

)

無線ネットワーク

ネットワ ーク部

ホスト 部

英字.数字

A.3 IP

A.5

A.1

A.4 A.2

孤立無線ネットワークの発生例

端末 端末

ルータ

(

)

無線ネットワーク

ネットワ ーク部

ホスト 部

英字.数字

A.3 IP

A.5

A.1

A.4 A.2

孤立無線ネットワークの発生例 障害発生

孤立

AP

外部ネットワークに接続 できる

外部ネットワークに接続 できない

復旧概要

端末 端末

孤立無線ネットワーク

ルータ(デフォルト ゲートウェイ

)

元の無線ネットワーク

英字.数字

IP

A.3

A.5

A.1

A.4 A.2

ネットワ ーク部

ホスト 部

無線メッシュネットワークを使って 新たな経路を形成

無線メッシュネットワークを使って 新たな経路を形成

新たな 経路

具体的な説明の前に 無線 LAN の種類

インフラストラクチャモード アドホックネットワーク

⇒一般的な無線

LAN

⇒無線端末は無線アクセスポ イント

(AP)

⇒

AP

⇒研究段階のネットワーク

⇒無線端末同士が直接通信

⇒遠くの端末とはバケツリレー 方式で通信

無線 ^AP間は

有線

具体的な説明の前に 無線メッシュネットワーク

インフラストラクチャモード

＋ ＝

AP間が

有線 AP間が

無線

無線メッシュネットワーク

⇒研究段階のネットワーク

⇒

AP

無線メッシュネットワークシステム WAPL

WAPL(Wireless Access Point Link)

¾

¾WAPL

AP

WAP

¾WAP

2

¾WAP-

WAP

無線メッシュネットワークシステム WAPL

WAPL(Wireless Access Point Link)

¾

(

ITS

)

¾

¾WAP

WAP

アプリケーションレベル

ネットワークスタック

カプセル化処理 テーブル管理 メッセージ制御 近隣通信の監視

アドホック ルーティング プロトコル

802.11

802.11

WAP

IF1

端末 間通信

IF2

間通信

自由に選ぶ ことができる

WAPL を用いた無線メッシュネットワーク

無線端末

1

2

WAP1 WAP2

端末

1

送信元 端末

2

送信元

WAP1

カプセル化

各

WAP

WAP

端末

2

宛先

端末

1

送信元

端末

2

宛先 宛先

WAP2

端末

1

カプセル化

MAC

デカプセル化

無線端末

2

WAP2

たパケット

追加

R-WAP(Relay - Wireless Access Point)

¾ 孤立した AP に対してクライアントとして AP の配下に 入り，パケットを中継する

WAP の拡張 -R-WAP-

WAP

AP

WAP

AP

追加

今までと逆の 立場で接続 今までと逆の 立場で接続

復旧方法

端末 端末

孤立無線ネットワーク

ルータ

(

元の無線ネットワーク

ネットワ ーク部

ホスト 部

英字.数字

A.3 IP

A.5

A.1

A.4 A.2

復旧方法

AP1

AP2

APに変更を 加える必要

はない

復旧方法

R-WAP

複雑なネット ワーク設定は

復旧方法

以後，R-WAPはブリッジ としてパケットを中継

復旧方法

以前の 経路

APは受け取っ たパケットをブ ロードキャスト

R-WAPはMACレベルで パケットを変えることなく

中継 端末2へ通信

時間が経過する とブリッジ経路

表がリセット ブリッジ経路表

が更新

復旧方法

以前の 経路

ブリッジ経路表 が更新

以後，パケットはR-WAP を通るようになる

復旧方法

以後，パケットはR-WAP を通るようになる

固定端末 も同様

復旧方法

互いの電波が届かない場合は 複数の

WAP

R-WAP

R-WAP の実装

IEEE802.11

infrastructure Ethernet 変換

Ethernet IEEE802.11

adhoc

無線端末側 WAP側

MANET IP層

データリンク層 トランスポート層 アプリケーション層

ノートPC

パケット解析・

判断

無線AP SOCKET

パケット解 析・判断 カプセル化

デカプセル化 LT

処理 Link Table

LT message ARP

IP

Capsuled  IP

IP Capsuled 

IP

SOCKET WAP

IEEE802.11

infrastructure 無線クライアン

トカード

シンプルに提案方式を実現可能 実装済の

WAP

検討の結果，

WAP

追 加

今後

外部ネットワークと 通信不能

無線端末

1

2

孤立無線ネットワーク

A

デフォルト ゲートウェイ

AP

AP

デフォルト ゲートウェイ

C

B

GWAP(Gateway WAP)

ワークと接続

R-WAP

接続

R-WAP

接続

固定端末

複数の外部ネット ワークへの経路が あった場合の最適な

WAP

無線ネットワークの 破壊状況の自動判別

判定条件

まとめ

• 本発表

無線メッシュネットワークシステムを用いてネットワー クを復旧するための方法

– WAP に AP 接続機能を追加→ R-WAP – R-WAP により孤立 AP と接続

– クライアントとして AP の配下に入り，パケットを中 継

• 今後の課題 – 実装と検討

– 接続する無線ネットワークの自動判別

無線ネットワークの自動判別

デフォルトゲートウェイ の

IP

への経路と生存を確認

外部ネットワークへの 経路を確認

DHCP

デフォルトゲートウェイ のアドレス

ネットワークアドレス の取得が可能