災害に強い自律的通信システムとして
のDTN研究開発
2013年9月6日
ＮＥＣ クラウドシステム研究所
田中 淳裕
概要
1.
DTNを用いた分散型情報共有システムの研究開発
2.
総務省委託研究（災害時ネットワーク）
A. 被災エリアにおける臨時ネットワーク B. 駅・避難所における大規模配信 © NEC Corporation 2013 Page 2 中継ノード ﾃﾞｰﾀ ②移動 DTNの転送形態 ①最も宛先へ到達できそうな 隣接ノードへ一旦転送 ③宛先を発見したら ストアしていたデータを転送 ﾃﾞｰﾀ ソースノード 宛先ノード ﾃﾞｰﾀ ﾃﾞｰﾀ データ全体を待たずにセ グメント単位で蓄積転送 データ全体 分割されたセグメントDTN技術とDTN分散型情報共有システム
▐ DTNとは？ End-to-Endの接続性がない不安 定・不確実なNW環境（防衛・防災・ 宇宙・過疎地など）でも通信を可能 にするNWアーキテクチャ ▐ DTN分散型情報共有システム (NECにおける取り組み) DTNのメカニズムを利用し、到達管 理等の差別化機能を組み込むこと で、劣悪な無線環境下における 端末間のピアツーピア型コンテンツ 共有を実現 DTN転送とDTN経路制御により、宛先へ の到達性のない場合でも配信可能 参加ノード（リーダ） 参加ノード 指示 情報 映像 ﾃﾞｰﾀ センサ 情報 画像 ﾃﾞｰﾀ P2P情報共有端末 共有する情報の種類/ 属性に基づいて転送 方法を制御し、NW 資源の利用を効率化 © NEC Corporation 2013 Page 3 Page 4DTN技術実用化のための研究開発
経路がdeterministicに決まらない ・宛先への到達可能性を経路履歴に基づ き確率で数値化 ・確率がより大きいノードへ転送【高信頼経路制御技術】
ソースノード 宛先ノード(D) ﾃﾞｰﾀ 到達確率(D):0.5 到達確率(D):0.8 ﾃﾞｰﾀ ・帯域が極端に少ない 同報配信にお いて既に同じコンテンツを保持している ノードへの重複配信を防止 ・重複する制御メッセージを抑制する制御【高効率情報配信技術】
高速配信を維持し、制御負荷を40%改善 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6Successful transfer ratio
Motion size ratio(x and y-axis)
AODV(TCP) Proposed(DTN) データ到達率 移動範囲 データ到達率を70%改善 従来方式 0 5 10 15 20 25 100 200 300 400 500 制御負荷（メッセージ数） [/sec] ノード数 Event Proposed Periodic 従来の低速配信 ：高速配信 従来の高速配信 © NEC Corporation 2013
© NEC Corporation 2013 Page 5
DTN分散型情報共有システム：主な機能
▐ ノード情報共有機能 ノードID・IPアドレス・位置情報，etc. • Epidemicルーティングによるプロアクティブ型の全体共有 ▐ コンテンツ共有機能 ユニキャスト • Push型/Pull型（DTNルーティング） • コンテンツキャッシュ機能 ▐ 同報配信 Epidemicルーティング ＋DTNマルチキャスト 全ノード共有・グループ単位共有 ▐ コンテンツ検索 TTLを増加させながら近隣 遠方のノードへ問い合わせ 最寄りのキャッシュしているノードが応答 参加ノード（リーダ） 参加ノード 指示 情報 映像 ﾃﾞｰﾀ センサ 情報 画像 ﾃﾞｰﾀ P2P情報共有 端末 自分の持っている コンテンツリスト 参加ノードリスト 検索タブ ログ 参加ノード 詳細タブ コンテンツ 詳細タブ総務省委託研究(A): 被災エリアにおける臨時ネットワーク
Page 6 総務省 委託研究 「平成２３年度 補正予算（第３号）情報通信ネットワークの耐災害性強化のための研 究開発（大規模災害においても通信を確保する耐災害ネットワーク管理制御技術の研究開発）」 実施体制：KDDI研究所（幹事）、KDDI、NTT、東北大学、NEC 実施期間：1年（2012年3月～2013年3月末終了） © NEC Corporation 2013研究開発の背景・目的
▌
東日本大震災では、通信インフラの途絶・輻輳や停電などにより
情報通信が利用不能となり、大きな問題となった
▌
そこで、
1.
通信インフラに依存しない
2.
電気がこなくても使える
3.
普段使っている通信装置をそのまま災害時も使える
緊急時のコミュニケーション基盤
を提供する
▌
特に末端のネットワークでは、
1.
災害時は
自助・共助
による対策が基本
2.
災害現場での
安否確認や情報流通
を支援する地域ネットワーク
を、ユーザや自治体が主体となって構築・運用
© NEC Corporation 2013 Page 7今回開発した技術の概要
▐ 通信インフラに依存せずに臨時ネットワークを構築する技術を開発 公衆Wi-Fiスポットのアクセスポイントが災害時に臨時ネットワークを構成 DTN(※)技術を利用し、アクセスポイントが動き回ることで情報を配信 ※DTN (Delay/Disruption/Disconnection-Tolerant Network) 可搬型アクセス ポイント 固定型アクセス ポイント 利用者端末 （スマホなど） © NEC Corporation 2013 Page 8▐ DTN情報配信機能を搭載したWi-Fiアクセスポイント（DTNアクセスポイ ント）を試作 可搬型DTNアクセスポイント 固定型DTNアクセスポイント ソーラーパネル（最大190W） ＋バッテリー（200Wh×3個） AC電源、USB電源の口を持ち、 非常時には給電場所として活用 Wi-Fi通信装置 （DTN機能つき） バッテリー（200Wh） 8-10時間運用可能
技術の特長①：
臨時ネットワーク機能をもつWi-Fiアクセスポイント(1)
■平常時はWi-Fiスポットとして、災害時は臨時ネットワー クモードへ変更 1. 可搬型（バッテリー駆動） 2. 固定型（ソーラーパネルと蓄電池による電源自立） © NEC Corporation 2013 Page 9技術の特長①：
臨時ネットワーク機能をもつWi-Fiアクセスポイント(2)
▌ DTNアクセスポイントによる災害時情報配信 利用者端末（スマートフォンなど）のWebブラウザからDTNを用いた情報配信 サービスを利用可能 DTNアクセス ポイント 他のDTNアクセスポイント 下の利用者へ情報配信 被災エリア 利用者端末（スマホなど）の Webブラウザ（特別なアプリは不要） Wi-Fi接続 メール 地図 安否情報 ：：： 情報の 受け渡し © NEC Corporation 2013 Page 10技術の特長②：大規模な臨時ネットワークの構築が可能
▐ DTNアクセスポイント間の大規模な経路制御を実現 アクセスポイント間の接続関係に基づき自動的にグループ化、グループ単位 での経路制御を実行 【従来】 各宛先への経路を 交換・計算するため 負荷大 【今回の方式】 グループを自動的に構成 グループ単位で経路を 交換・計算 数十～100台程度が限界 最大1000台での制御が可能 © NEC Corporation 2013 Page 11技術の特長③：利用者に応じた通信優先度の設定が可能
▐ 通信インフラから途絶された状態でも，利用者毎にアクセスポイントへの 接続可否や優先度を設定できる技術を開発 既存システム 今回開発したシステム 学校等の避難所 認証・認可ができない 利用者の情報 学校等の避難所 認証・認可が可能 利用者の情報 証明書 証明書 ネットワーク経由で利用者情 報を確認する必要アリ 通信インフラに障害が発生す ると認証・認可ができない 利用者情報をローカル（証明 書を利用）に確認可能 通信インフラの障害に影響を うけない © NEC Corporation 2013 Page 12 東北大の２つのキャンパス（片平・青葉山）においてDTNアクセス
ポイントを用いた情報配信実験を実施（2013年1～2月）
【例１】拠点間配信実験（15台の DTNアクセスポイント間で情報配信）実証実験について
【例２】経路制御の大規模性能評価実験 （1000台分の疑似制御負荷を発生） 車で移動 徒歩で移動 災害時を想定した利 用者間の安否情報や メールの配信を実証 青葉山 キャンパス 片平キャンパス 1000台分の経路情報 を交換・計算 © NEC Corporation 2013 Page 13本技術のユースケース
災害時情報の同報配信 被災エリア内の情報共有 利用者間の情報伝達 生き残った通信インフラアクセスの共有 自治体など 一般利用者 利用者からの発信情報 （安否情報、口コミなど） 避難指示、住民 への連絡など 住民間の メールなど 通信インフラ 被災エリア外との 情報のやりとり © NEC Corporation 2013 Page 14プレスリリース
▐ 3月18日に東北大学と共同でプレスリリースを実施 「NECと東北大、災害など通信インフラ途絶時にWi-Fi活用により臨時ネット ワークを構築する技術を開発 ～ 緊急時のコミュニケーション手段を迅速に 提供 ～」 http://jpn.nec.com/press/201303/20130318_01.html Page 15 3/24 河北新報１面トップ 3/27 読売新聞朝刊（全国版） 等に掲載 © NEC Corporation 2013総務省委託研究(B): 駅・避難所における大規模配信
© NEC Corporation 2013 総務省 委託研究 「平成２４年度 大規模災害時に被災地の通信能力を緊急増強する技術の研究開発 （災害時避難所等における局所的同報配信技術の研究開発）」 実施体制：NEC（幹事）、東北大学 実施期間：2年（2012年7月～2014年３月末終了予定） Page 16無線LAN環境において大規模に端末への情報配信・端末からの 情報発信を実現する 災害時避難所や駅において、数百～1000台規模で無線LAN（5GHz帯含む）を 用いた通信を行うのは困難 災害時局所的通信に適した通信手段：無線LAN • スマートフォン・タブレット等、無線LAN通信機能を備える端末の普及による汎用性 • バッテリー＋アドホック通信機能：災害時でも自立した運用が可能 • 可搬性+携帯可能であるため、設置や設備のコストが低い モバイル 網 エリア ワンセグ 無線LAN 耐災害性 コスト 双方向性 収容端末 数
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【他の手段との比較】 端末数 スループットQ. Ni, et al., “Saturation throughput analysis of error-prone 802.11 wireless networks,” Wireless Communications and Mobile
Computing, vol. 5, pp.945-956. より 【無線LAN（IEEE 802.11）の特性】 アクセスポイント（AP）・端末台数増 加に伴い、通信効率が低下
本研究の目的
課 題
駅・避難所における大規模配信：目的
© NEC Corporation 2013 Page 17駅・避難所における大規模配信：システム概要
▐ 通信インフラ不要でタブレット・スマホ間でピアツーピア型の情報配信を実現 Wi-Fiが混雑、切断する悪条件下でも確実にデータを配信するため、DTN※のメカニズムを活用 最大500台へ配信を実現する為のリライアブルマルチキャスト技術、配信状況の制御管理技術を 研究中 切断や通信混雑を 許容しながら確実な配信 送信者 受信者 タブレット スマートフォン （アプリをインストール） 端末間で Wi-Fi通信 同報配信 例） 授業・セミナー時 ・講演資料 ・アンケート 等 個別配信 例） 授業・セミナー時 ・テスト ・アンケートの回答 等 ※DTN (Delay/Disruption-Tolerant Network) ※本内容は現在、研究所で研究開発、一部実証実験をしている製品化前の要素技術となります。 ＜イメージ＞ ・Ａｎｄｒｏｉｄ/Windowsの異なる機器（タブレット／スマホ）間で配信が可能 ・静止画の他、動画等のコンテンツの共有、配信も可能 ・キャリアに依存しない為、様々な適用シーンが想定 ※今後の計画、検証予定内容 を含みます © NEC Corporation 2013 Page 18 © NEC Corporation 2013 Page 19大規模配信のための技術： リライアブルマルチキャスト
▐ 多ノードが接続されたWi-Fi環境に おける高効率かつ高信頼な大規模 配信を実現したい ▐ TCPを用いたリライアブルマルチキャ スト方式による高効率・高信頼な配 信を実現 受信ノードの中から代表ノードを選 択し、送信ノードと代表ノードでTCP によりコンテンツを転送 その他の受信ノードは、TCP通信を 傍受 受信できなかったデータは後で再送 要求 ▐ WPA等の暗号化方式にも対応 TCP通信 傍受 代表 ノード 送信 ノード グループ鍵※WPA: Wi-Fi Protected Access
0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250 ノード数 全 ノ ー ド への配 信時 間 [s e c ] Proposal FTP 全ノードへの配信完了時刻を約84%短縮 （ファイルサイズ: 131[KB]、パケットエラー率: 1%） © NEC Corporation 2013 Page 20
大規模配信のための技術： パケット衝突回避手法
▐ 多ノードが接続されたWi-Fi環境では、 パケット衝突が頻発し、性能が劣化 ▐ 自律分散型のパケット衝突回避手 法により性能劣化を軽減する 各端末がそれぞれ独立にタイムス ロットを管理し、パケット送信タイミン グを調整 ネットワーク中のノード数に応じた送 信確率に従い、各タイムスロットにお けるパケットの送信可否を決定 同時にデータ送信を行うノード数を CSMA/CAが効果的に機能する数 へ制御 ▐ 引き続き検討・評価中 ※CSMA/CA:Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
データ転送不可 データ転送可能 ファイル転送時間の一部短縮化を確認 （ファイルサイズ: 131[KB]、ノード数: 144） 周辺の端末数に応じて各端末が独自に算出した 送信確率に基づき、一定時間のみデータを送信
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まとめ
▐
NECにおけるDTN研究開発の取り組み
通信インフラが不要な分散型情報共有システムとして 経路制御の高信頼化・情報配信の高効率化など、実運用に耐えう る制御技術を開発▐
総務省委託研究
被災エリアにおける臨時ネットワーク 被災エリアにおける代替通信手段としての利用可能性を実証 駅・避難所における大規模配信 無線過密環境におけるDTNの利用可能性を実証 （予定）© NEC Corporation 2013 Page 22
