NTMobile の経路最適化の提案と実装

(1)

1. はじめに

IP通信では，端末が移動しても通信を継続できる移動透過性とNATの存在に関わらず通信を開始できるNAT越え技術は重要である．これら2つを同時に実現する手法として，

我々はNTMobile（Network Traversal with Mobility）[1]

を提案している．

しかし，NTMobileでは通信を行う両端末がNAT配下に存在する場合に，直接通信可能な場合であっても後述する第3の機器を用いた中継通信を行ってしまう．IPv4ネットワークでは通常NATを介した通信となるため，中継機器の負荷増大やスループットの低下に繋がる．本稿では，

NTMobileに追加処理を行わせることにより，この問題を解決する手法について検討する．

2. NTMobile

2. 1 NTMobileの動作概要

NTMobileを構成する機器として，NTMobile^の機能を有するNTMobile 端末，NTMobile端末を管理する DC

（Direction Coodinator），両NTMobile端末がNAT配下に存在する場合や通信相手が一般端末の場合に通信を中継するRS（Relay Server）がある．

NTMobile端末はネットワーク接続時に DC^に対して位置情報登録を行う．この時，NTMobile端末は DCから仮想IP アドレスを割り当てられ，上位アプリケーションは仮想IPアドレスで通信を識別する．NTMobile端末（MN:Mobile Node）は通信開始時及び移動時にDCの指示に従い通信相手NTMobile^端末（CN:Corresponded Node），もしくはRSとの間にUDPトンネルを構築する．

アプリケーションは仮想IPアドレスを用いている為，移動に伴うIPアドレスの変化を隠ぺいできる．また，UDPトンネルを用いることで，通信経路上にNAT^{が介在しても確} 実に経路を構築できる．

2. 2 NTMobileにおける課題

NTMobileでは，両方の端末がNAT配下に存在する場合，直接通信可能な場合であってもRS^{を経由する経路とな} り，これは好ましくない．

また，MN^とCN^が同一のNAT配下に存在する場合，プライベートネットワークが多段NAT構成であると，NAT 越え問題によりMNとCN間で直接通信できない可能性がある．DCはプライベートネットワーク内のネットワーク構成を知ることができない為，RSを必ず経由させることでこの問題を回避できるが，冗長な経路となる．

3. 提案方式

提案方式の動作概要を図1に示す．図は，MNがCNに通信を開始するときの動作シーケンスである．網掛部分が

新たに変更・修正した部分である．提案方式では，RS^との経路を構築した後，MNとCNが互いにパケットを投げ合うことで直接通信可能であるかどうかを試みる．直接通信可能であった場合には経路を更新する．第1処理では従来のNTMobile^{と同様の処理を行い，}RS^{を経由する通信経} 路を構築する．この時点でMNはCNとデータパケットの送受信が可能となる．このとき，NATCNのポート番号をAccess Check Response^によってDCMNに通知する，

Route Directionには互いに通信相手のNATのポート番号及び第2処理を行うための指示を含ませる．第2^{処理では，}

エンド端末同士が互いにTunnel Requestを通信相手に送信する．このメッセージを一方または両方のNTMobile^端末が受信した場合，RSを経由しないエンドエンドの通信経路を確立する．両方のNTMobile端末がこのメッセージを受信できなかった場合，RSを経由した通信が継続される．

また，提案方式をLinuxに実装し，経路が最適化されることを確認した．

MN NAT_MN DNS_MN DC_MN RS DC_CN NAT_CN CN

DNS Query for A

DNS Reply for A DNS Query for NTMobile

DNS Reply for NTMobile Direction Request

Access Check Request Access Check Response

Relay Direction Route Direction Route Direction

Tunnel Request Tunnel Request

Tunnel Response Tunnel Response

Capsulated Packet

Tunnel Response Capsulated Packet

First NegotiationSecond Negotiation

図1: Sequence of proposed method

4. まとめ

本稿ではNTMobileを拡張し，通信を行う両端末がNAT 配下に存在しても直接通信を行うことが可能な方式を提案・

実装した．今後は，端末の移動時の仕様検討やIPv6^における動作の検討を行う予定である．

参考文献

[1] 内藤克浩,西尾拓也,水谷智大,鈴木秀和,渡邊晃,森香津夫,^小林英雄. NTMobileにおける移動透過性の実現と実装.DICOMO2011, pp.1349 - 1359, 2011.

(2)

渡邊研究室 080425241 納堂博史

提案と実装

(3)

• 移動通信の需要増加

公衆無線網の普及小型携帯端末の普及

• 移動しながら通信を開始・継続する必要性

IP 通信では移動すると IP アドレスが変化

通信識別子である IP アドレスの変化に伴い IP 通信は切断

• NAT を跨る通信の必要性

IPv4 ネットワークでは一般に NAT を介する通信となる NAT の外側から通信を開始できない

はじめに

P-01

NAT を跨る移動透過性を実現する NTMobile の提案

NTMobile: Network Traversal with Mobility, NAT:Network Address Translation

(4)

NTMobile の概要

P-02 DC: Direction Coordinator, RS: Relay Server

仮想 IP アドレスの導入 UDP トンネル技術の利用

移動透過性 NAT 越え

Private Network

Internet

NAT

DC

RS 3G Network A

B C

NAT

仮想 IP アドレスの割当

トンネル構築指示

パケットの転送

(5)

NTMobile の概要

P-02 DC: Direction Coordinator, RS: Relay Server

仮想 IP アドレスの導入 UDP トンネル技術の利用

移動透過性 NAT 越え

Private Network

Internet

NAT

DC

RS 3G Network A

B C

NAT

仮想 IP アドレスの割当

トンネル構築指示

パケットの転送

(6)

NTMobile の概要

P-02 DC: Direction Coordinator, RS: Relay Server

仮想 IP アドレスの導入 UDP トンネル技術の利用

移動透過性 NAT 越え

Private Network

Internet

NAT

DC

RS 3G Network A

B C

NAT

仮想 IP アドレスの割当

トンネル構築指示

パケットの転送

(7)

NTMobile の動作シーケンス

P-03

• CN の名前解決をトリガとして UDP トンネルを構築

• トンネルを構築後， CN の仮想 IP アドレスをアプリケーションに通知

経路指示要求

経路指示経路指示要求

経路指示トンネル構築トンネル構築

MN: Mobile Node, CN: Correspond Node

MN NATMN DCMN RS DCCN NATCN CN

Direction Request

Capsulated Packet Name Resolution

(8)

NTMobile の動作シーケンス

P-03

• CN の名前解決をトリガとして UDP トンネルを構築

• トンネルを構築後， CN の仮想 IP アドレスをアプリケーションに通知

経路指示要求

経路指示経路指示トンネル構築トンネル構築

MN: Mobile Node, CN: Correspond Node

Direction Request

(9)

NTMobile の動作シーケンス

P-03

• CN の名前解決をトリガとして UDP トンネルを構築

• トンネルを構築後， CN の仮想 IP アドレスをアプリケーションに通知

経路指示要求

経路指示経路指示要求

トンネル構築トンネル構築

MN: Mobile Node, CN: Correspond Node

Direction Request

(10)

NTMobile の動作シーケンス

P-03

• CN の名前解決をトリガとして UDP トンネルを構築

• トンネルを構築後， CN の仮想 IP アドレスをアプリケーションに通知

経路指示要求

経路指示経路指示要求

経路指示トンネル構築

MN: Mobile Node, CN: Correspond Node

Direction Request

(11)

• DC は両端末が NAT 配下なら RS 経由の経路を指示

• RS を経由しなくて良い可能性有り

NTMobile で生成される冗長な通信経路

P-04

NAT

NAT MN

CN RS

NAT CN

RS

NAT MN

両端末が同一 NAT 両端末が異なる NAT

(12)

• DC は両端末が NAT 配下なら RS 経由の経路を指示

• RS を経由しなくて良い可能性有り

NTMobile で生成される冗長な通信経路

P-04

NAT

NAT MN

CN RS

NAT CN

RS

NAT MN

両端末が同一 NAT 両端末が異なる NAT

(13)

• DC は両端末が NAT 配下なら RS 経由の経路を指示

• RS を経由しなくて良い可能性有り

NTMobile で生成される冗長な通信経路

P-04

NAT

NAT MN

CN RS

NAT CN

RS

NAT MN

両端末が同一 NAT 両端末が異なる NAT

(14)

• 端末間で直接制御パケットを投げ合う

どちらかの端末で受信できれば経路を最適化

• RS 経由の通信経路構築後に最適化

最適化できない場合も通信の継続が可能

• アプリケーションの通信と並行して最適化

RS 経由の通信経路構築後すぐに通信が可能

NTMobile の経路最適化

P-05

(15)

提案方式の動作シーケンス（ 1 ）

P-06 NAT

CN

の

ポート番号取得

MN NAT

MN

DC

MN

RS DC

CN

NAT

CN

Direction Request

Access Check Request Access Check Response

Relay Direction Route Direction Route Direction

Tunnel Request Tunnel Request

Tunnel Response Tunnel Response

Capsulated Packet

ポート番号通知 MN宛:NAT

CN

CN宛:NAT

MN

(16)

• MN と CN で互いにパケットを投げ合う

パケットをどちらか片方でも受信したら最適化

提案方式の動作シーケンス（ 2 ）

P-07 経路更新

経路更新

MN NAT

MN

NAT

CN

Tunnel Request Tunnel Request

Tunnel Response Capsulated Packet

RS

(17)

• 経路最適化モジュール

パケットの投げ合い , トンネルテーブルの更新

• アクセス制御モジュール

ポート番号の取得 / 格納

経路最適化の実装

P-08

NTMobile

カーネルモジュール NTMobileデーモン

トンネル構築モジュール経路最適化モジュール

NTM 端末 DC

NTMobileデーモン

トンネル構築モジュールアクセス制御モジュール

経路指示関数その

他の関数

(18)

• 評価方法

スループット測定

EN ^A から EN ^B に FTP 転送 (1GB) 最適化の有無で比較

性能評価

P-09

ENA ENB

NAT Router

100BASE-T

DCA DCB RS

Device OS CPU Memory

DC Ubuntu 10.04

Core 2 Duo P9400

2.4GHz 1.9GB

RS Ubuntu 10.04

Core 2 Duo E6600

2.4GHz 2.0GB

EN Ubuntu 10.04

Core 2 Duo U9400

1.4GHz 1.8GB

各機器の仕様ネットワーク構成

(19)

評価結果

P-10

RS NAT

Data

CN MN

3.94ms

最適化 10.83MB/s

RS経由 5.02MB/s 最適化に

要する時間ス

ルー

プッ

ト

アプリケーションデータ

最適化シーケンス

(20)

• NTMobile で通信経路が冗長になる問題

両端末が NAT 配下に属する場合に冗長経路が構築される

• 課題の解決

直接通信が可能な場合の経路最適化を提案 - 端末間で互いに Tunnel Request を投げ合う - 上記で直接通信可能かを判断

-Tunnel Request/Response を受信すると経路が更新される

• 今後の予定

端末移動時の経路最適化の検討

端末がそれぞれ異なる NAT 配下の場合の性能評価

まとめ

P-11

(21)

補足資料 (NTMobile のパケット )

補-01

MN CN

TO:RIPCN

From:RIPMN

TO:VIPCN

From:VIPMN Data

Encrypt

TO:VIPMN

From:VIPCN Data

TO:RIPCN

From:RIPMN

TO:VIPCN

From:VIPMN Data

Decrypt

TO:VIPCN

From:VIPMN Data

TO:RIPCN

From:RIPMN Capsulated Data TO:RIPCN

From:RIPMN Capsulated Data

IP Layer

Real IP Address: RIPMN

Virtual IP Address: VIPMN

Real IP Address: RIPCN

Virtual IP Address: VIPCN

New Header New Header

実IPアドレスオリジナルパケット

仮想IPアドレスデータ

(22)

補足資料 (NTMobile の NAT 越え )

補-02

Private Network

WAN NAT LAN

CN:4330 NAT:1000 MN:4330

MN To=CN:4330

From=MN:4330 To=CN:4330

From=NAT:1000

CN To=NAT:1000 From=CN:4330

To=MN:4330 From=CN:4330

Private Network

WAN NAT LAN

MN CN

To=NAT:4330 From=CN:4330

NAT 越え問題

NAT 越え手法

NAT エントリ未生成

→WAN 側からアクセスできない

NAT エントリを事前に生成

→LAN からパケット送信

(Tunnel Request)

(23)

補足資料 ( 経路最適化の NAT 越え )

補-03

Private Network Private Network

WAN NATMN LAN

DCMN:4330 NATMN:100 MN:4330

MN

Dst=DCMN:4330 Src=MN:4330 Dst=DCMN:4330

Src=NATMN:100 Dst=NATMN:100 Src=DCMN:4330

Dst=MN:4330 Src=DCMN:4330

CN

WAN NATCN LAN

DCCN:4330 NATCN:200 CN:4330

DCMN

DCCN

Dst=DCCN:4330 Src=CN:4330

Dst=DCCN:4330 Src=NATCN:200 Dst=NATCN:200 Src=DCCN:4330 Dst=CN:4330

Src=DCCN:4330

WAN NATMN LAN

DCMN:4330 NATMN:100 MN:4330 NATCN:200 NATMN:100 MN:4330

WAN NATCN LAN

DCCN:4330 NATCN:200 CN:4330 NATMN:100 NATCN:200 CN:4330

Dst=NATMN:100

Src=CN:4330

Dst=NAT

MN

:100,Src=NAT

CN:200

Dst=NAT

CN

:200,Src=NAT

MN:100

Dst=CN:4330 Src=DCCN:4330

Dst=NATCN:200 Src=MN:4330

(24)

補足資料 ( 経路最適化の並行処理 )

補-04

RS NAT

Tunnel Request Tunnel Response

SYN

SYN,ACK ACK

FTP Data

Optimized Optimized

CN MN

Capsulated Packet

CN MN

Tunnel established via RS

トンネル構築

(RS)

NTMobile の経路最適化の提案と実装

渡邊研究室 080425241 納堂 博史

提案と実装

• 移動通信の需要増加

公衆無線網の普及 小型携帯端末の普及

• 移動しながら通信を開始・継続する必要性

IP 通信では移動すると IP アドレスが変化

通信識別子である IP アドレスの変化に伴い IP 通信は切断

• NAT を跨る通信の必要性

IPv4 ネットワークでは一般に NAT を介する通信となる NAT の外側から通信を開始できない

はじめに

P-01

NAT を跨る移動透過性を実現する NTMobile の提案

NTMobile: Network Traversal with Mobility, NAT:Network Address Translation

NTMobile の概要

P-02 DC: Direction Coordinator, RS: Relay Server

仮想 IP アドレスの導入 UDP トンネル技術の利用

移動透過性 NAT 越え

NAT

DC

RS 3G Network A

B C

NAT

仮想 IP アドレスの割当

トンネル構築指示

パケットの転送

NTMobile の概要

P-02 DC: Direction Coordinator, RS: Relay Server

仮想 IP アドレスの導入 UDP トンネル技術の利用

移動透過性 NAT 越え

NAT

DC

RS 3G Network A

B C

NAT

仮想 IP アドレスの割当

トンネル構築指示

パケットの転送

NTMobile の概要

P-02 DC: Direction Coordinator, RS: Relay Server

仮想 IP アドレスの導入 UDP トンネル技術の利用

移動透過性 NAT 越え

NAT

DC

RS 3G Network A

B C

NAT

仮想 IP アドレスの割当

トンネル構築指示

パケットの転送

NTMobile の動作シーケンス

P-03

• CN の名前解決をトリガとして UDP トンネルを構築

• トンネルを構築後， CN の仮想 IP アドレスをアプリケーションに通知

経路指示要求

経路指示 経路指示要求

経路指示 トンネル構築 トンネル構築

MN: Mobile Node, CN: Correspond Node

NTMobile の動作シーケンス

P-03

• CN の名前解決をトリガとして UDP トンネルを構築

• トンネルを構築後， CN の仮想 IP アドレスをアプリケーションに通知

経路指示要求

経路指示 経路指示 トンネル構築 トンネル構築

MN: Mobile Node, CN: Correspond Node

NTMobile の動作シーケンス

P-03

• CN の名前解決をトリガとして UDP トンネルを構築

• トンネルを構築後， CN の仮想 IP アドレスをアプリケーションに通知

経路指示要求

経路指示 経路指示要求

トンネル構築 トンネル構築

MN: Mobile Node, CN: Correspond Node

NTMobile の動作シーケンス

P-03

• CN の名前解決をトリガとして UDP トンネルを構築

• トンネルを構築後， CN の仮想 IP アドレスをアプリケーションに通知

経路指示要求

経路指示 経路指示要求

経路指示 トンネル構築

渡邊研究室 080425241 納堂博史

公衆無線網の普及小型携帯端末の普及

経路指示経路指示要求

経路指示トンネル構築トンネル構築

経路指示経路指示トンネル構築トンネル構築

経路指示経路指示要求

トンネル構築トンネル構築

経路指示経路指示要求

経路指示トンネル構築