ネットワーク構成情報を考慮した Peer-to-Peer コンテンツ配信制御
に関する研究
渋谷 惠美
電気通信大学大学院情報システム学研究科 博士（工学）の学位申請論文
2011 年 3 月
ネットワーク構成情報を考慮した Peer-to-Peer コンテンツ配信制御
に関する研究
博士論文審査委員会
主査 吉永 努 教授
委員 小池 英樹 教授
委員 本多 弘樹 教授
委員 加藤 聰彦 教授
委員 笠井 裕之 准教授
委員 大坐畠 智 准教授
著 作 権 所 有 者 渋 谷 惠 美
2011
A study on Peer-to-Peer contents distribution
control methods from network configuration information Megumi Shibuya
Abstract
Recently due to wide deployment of the broadband Internet access and performance improvement of personal computers, the users have been able to obtain the video contents easily and watch the video streaming through the Internet. Accordingly the Internet traffic is significantly increasing. For the increase of the Internet users as well as the number of larger size of content files, a P2P content distribution is desirable for ASPs (Application Service Providers) in terms of the cost effectiveness because P2P enables to effectively reduce the server load for the significant number of user accesses. On the contrary, P2P increases traffic for ISP (Internet Service Provider). In the P2P system, the pieces of the same contents are repetitively transferred across the inter-link of ISP networks as well as within the ISP network. This feature consumes the bandwidth of ISP networks and causes the bandwidth shortage. In this thesis, to eliminate the problems caused by P2P traffic, the following analysis and proposals are given.
First, the P2P content delivery architecture is evaluated their performance and ana- lyzed issues in broadband access networks. Current broadband access networks consist of heterogeneous networks of FTTH and ADSL. The performance evaluation of the P2P content delivery in such a network configuration using a P2P progressive download soft- ware, which is a kind of streaming, is investigated in both laboratory test network as well as in the Internet. Through these experiments, traffic from the server is reduced, and the contribution of the FTTH link to the P2P progressive download in the heterogeneous access network is clarified. In addition, from the result of this analysis, a decrease of the optimistic unchoke interval in order to improve the download performance is proposed.
Then effectiveness of the proposed method is verified for the improvement of download performance.
Next to reduce the inefficient P2P traffic, which is the issue for ISP, a network-aware P2P scheme is proposed. This proposed scheme enables to localize P2P traffic in the specific network domain by choosing the peers in the same domain as much as possible using the network information. However, ISP is not willing to disclose the network information
system can be deployed without disclosing the own network information to ASPs and the users. In addition, by minimizing the modification of the P2P software, ASP can easily adopt this scheme without interrupting the running services. The effectiveness of this scheme is evaluated by laboratory experiments using about 50 personal computers. The result validates that ISP enables to control the P2P traffic volume in their network with the designated amount.
Furthermore, to deploy this scheme in the Internet, it is important to validate with the scalability from the viewpoint of ISP as well as users. For the evaluation of the scalability, network-aware P2P simulator which accommodates ten thousand users is implemented.
Using this simulator, effectiveness of the traffic localization in ISP perspective and user perspective is confirmed. The simulation results confirmed the effectiveness. Finally, based on the validation of the proposed scheme, the future works are addressed.
ネットワーク構成情報を考慮した
Peer-to-Peer コンテンツ配信制御に関する研究
渋 谷 惠 美
概 要
近年，ブロードバンド環境の普及や，ユーザのPC性能の向上に伴い，ユーザはインター ネット上の画像や映像コンテンツを容易にダウンロードや視聴できるようになり，コンテンツ 配信によるトラフィックが急増している．今度のユーザ数やコンテンツの数の増加，コンテ ンツサイズの大容量化に対し柔軟に対応するために，Peer-to-Peer(P2P)コンテンツ配信技術 は，配信サーバのアクセス集中を回避でき，また，回線帯域を削減でき費用対効果があること からアプリケーションサービス事業者ASP(Application Service Provider)において非常に有 効な手段である．しかし，インターネット接続事業者ISP(Internet Service Provider)にとっ ては，P2Pトラフィックが増加し，同じコンテンツ片がISP間またはISP内部を何度も横断 するため，非効率なP2PトラフィックがISP内・ISP間のネットワーク資源を消費し，帯域 を圧迫しているという問題が存在する．そこで，この問題解決のために，本論文では以下の分 析と提案を行う．
まず始めに，ブロードバンド環境におけるP2Pコンテンツ配信技術の性能評価・課題分析 を行う．現在のブロードバンド環境は，FTTH(Fiber To The Home)とADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)が混在した異種ネットワークで構成されている．このようなネット ワーク構成におけるP2P コンテンツ配信の性能評価を，ストリーミング配信の一種である P2Pプログレッシブダウンロード配信ソフトウェアを使用し，実機を用いて構築した実験室 内環境，および，インターネット環境において実験を実施し評価・分析を行った．その結果，
クライアント/サーバ型配信と比較し，サーバからのトラフィック量が削減されることを確認 すると共に，FTTH回線ユーザがP2Pネットワーク全体の配信性能の向上に大きく貢献して いることを明らかにした．また，本分析で得られた知見より，ビデオストリーミングサービス を提供するために低速回線ユーザのダウンロード速度向上手法として，optimistic unchoke時 間（アップロードを許可するピアを定期的に選択する時間）を短縮する手法を提案し，低速回 線ユーザの選択される確率が向上するために有効な手段であることを理論的に検証した．
次に，ISP の課題である非効率なP2Pトラフィック削減のために，ネットワーク構成情 報を使用してピアと同一のセグメント（AS やISP，ISP内の地域などある一定の領域を意 味する）のピアを優先的に選択させることで，セグメント内にトラフィックを局所化させる Network-aware P2Pアーキテクチャを提案した．本手法は，ISPが運営管理するn-Tracker
展開でき，また，既に運用中のソフトウェアの改修を最小限としたため，ASPにおいても容 易に導入できる仕組みである．本提案手法の効果を，約50台のPCによる実験室内環境にお いて評価し，ISPがISP内のトラフィック量をほぼ設定通りのトラフィック量に制御できる ことを検証した．
さらに，実運用のためには，実用を想定した大規模なユーザ数でISPおよび，ユーザの両 視点においての有効性を示すことが重要である．そこで，実際のISPの規模を想定したユー ザによる評価を行うために，ユーザ数1万人規模でNetwork-aware P2Pアーキテクチャの動 作を実装したNetwork-aware P2Pシミュレータを構築した．そして，本シミュレータを用い てISP視点での局所化効果と，ユーザ視点でのコンテンツのダウンロード時間短縮効果を評 価し，その結果，両視点において有効であることを確認した．
最後に，上記提案・検証で得た知見より，今後の課題や本提案技術の展望について述べる．
i
目次
第1章 序論 1
1.1 本研究の背景 . . . 1
1.2 研究のアプローチ . . . 2
1.3 本論文の構成と内容 . . . 4
第2章 研究の技術的な背景 7 2.1 Peer-to-Peerコンテンツ配信手法 . . . 7
2.1.1 P2Pコンテンツ配信の概要 . . . 7
2.1.2 P2Pコンテンツ配信の分類 . . . 8
2.1.2.1 P2Pコンテンツ配信アーキテクチャの分類 . . . 8
2.1.2.2 コンテンツ配信方式の分類 . . . 9
2.1.3 P2P型コンテンツ配信と他のコンテンツ配信方式の比較 . . . 10
2.1.4 BitTorrentプロトコル . . . 11
2.2 インターネットにおけるP2Pトラフィックに関する課題. . . 15
2.2.1 インターネットトラフィックの動向 . . . 15
2.2.2 ISPにおけるP2Pトラフィックの課題 . . . 17
2.3 P2Pトラフィック制御手法 . . . 18
2.3.1 関連研究 . . . 19
2.3.2 海外・国内動向 . . . 20
2.3.3 標準化動向. . . 21
2.3.4 提案方式と関連研究の比較 . . . 24
第3章 ブロードバンド環境におけるP2Pプログレッシブダウンロード配信方式に関 する分析 26 3.1 はじめに . . . 26
3.2 P2Pプログレッシブダウンロード配信方式 . . . 28
3.3 実機を用いた実験室内環境による性能評価実験 . . . 30
3.3.1 実験環境 . . . 30
3.3.2 実験結果 . . . 32
3.3.2.1 FTTH回線の効果 . . . 32
3.3.2.2 FTTHピア数とダウンロード速度 . . . 33
3.3.2.3 FTTHノードのダウンロード開始順序. . . 34
3.3.2.4 複数のFTTHノードのダウンロード開始順序 . . . 35
3.4 実環境による性能評価実験. . . 37
3.4.1 実験環境 . . . 37
3.4.2 実験結果 . . . 38
3.4.2.1 統計結果 . . . 38
3.4.2.2 ダウンロード速度 . . . 39
3.5 考察. . . 40
3.5.1 プログレッシブダウンロードの性能分析 . . . 40
3.5.2 ダウンロード性能の向上に関する提案 . . . 43
3.6 まとめ . . . 47
第4章 Network-aware P2Pによるトラフィック局所化方式の提案 48 4.1 はじめに . . . 48
4.2 BitTorrentシステム . . . 50
4.3 Network-aware P2P配信方式の提案 . . . 50
4.4 評価. . . 54
4.4.1 実験環境 . . . 54
4.4.2 実験結果 . . . 57
4.4.2.1 同一セグメントピア選択率の効果 . . . 57
4.4.2.2 局所率の効果 . . . 58
4.4.2.3 シーダの有効性 . . . 60
4.5 考察. . . 60
4.6 まとめ . . . 61
第5章 実運用加入者数を想定したISP およびユーザ視点におけるNetwork-aware P2P配信手法の効果に関する分析 63 5.1 はじめに . . . 63
5.2 評価用シミュレータ(NaP2Pシミュレータ）の構築 . . . 64
5.2.1 NaP2Pシミュレータの概要 . . . 64
5.2.2 シミュレータ構成 . . . 67
5.2.2.1 トポロジ作成機能 . . . 68
5.2.2.2 イベント処理機能 . . . 69
5.2.2.3 BitTorrent機能. . . 71
5.2.2.4 送受信管理機能 . . . 71
5.2.2.5 シミュレータ設定入力機能 . . . 75
5.2.2.6 データ出力機能 . . . 75
iii
5.2.3 シミュレータの性能 . . . 75
5.3 大規模ユーザ環境におけるコンテンツ配信性能評価. . . 77
5.3.1 目的 . . . 77
5.3.2 ISP視点の性能評価 . . . 77
5.3.2.1 同一セグメントピア選択率の局所化効果 . . . 78
5.3.2.2 ノード数，コンテンツサイズによる局所化の影響 . . . 80
5.3.2.3 2AS間の局所率 . . . 81
5.3.3 ユーザ視点の性能評価 . . . 83
5.3.3.1 ファイルのダウンロード時間 . . . 83
5.3.3.2 ストリーミングの視聴可否 . . . 85
5.4 考察. . . 88
5.5 まとめ . . . 88
第6章 結論 91
謝辞 95
参考文献 97
v
図目次
1.1 論文構成 . . . 4
2.1 ハイブリッド型P2Pとピュア型P2P . . . 9
2.2 BitTorrentの構成とプロトコル . . . 11
2.3 ファイルとピース構成 . . . 12
2.4 ノードコネクションマップの一例(ダウンロード開始13番目のノードの動作) 14 2.5 我が国のインターネットトラフィックの推移(平均) （文献[20]より） . . 15
2.6 ブロードバンド契約者数の推移 （文献[21]より） . . . 16
2.7 P2Pアプリケーションがトラフィック総量に占める割合 (文献 [22]より) . . 17
2.8 P4P構成図 . . . 20
2.9 ALTOアーキテクチャ . . . 22
2.10 ALTOプロトコル構成 . . . 23
2.11 Map Service . . . 23
3.1 プログレッシブダウンロードのピース収集 . . . 28
3.2 室内実験構成図. . . 31
3.3 FTTHピア数=0，および，FTTHピア数=1のダウンロード速度分布 . . . 33
3.4 FTTHピア数，および，最大unchoke数変化にけるダウンロード速度分布 . 34 3.5 FTTHピアダウンロード開始順序によるダウンロード速度分布 . . . 35
3.6 FTTH 2ピアの起動順序. . . 36
3.7 FTTH 2ピアの起動順序に対するダウンロード速度分布 . . . 36
3.8 フィールド実験構成図 . . . 37
3.9 最大unchoke数に対する配信速度 . . . 40
3.10 ダウンロード時間とダウンロードファイルサイズ(室内実験) . . . 42
3.11 ダウンロード時間とダウンロードファイルサイズ(フィールド実験) . . . 43
3.12 着目ピア以外の１ピアがunchokeピアを選択する方法 . . . 44
3.13 シーダ数に対するダウンロード時間とシーダからのダウンロードトラフィッ ク率. . . 46
4.1 提案手法とP4Pとの違い . . . 50
4.2 NaP2Pアーキテクチャ . . . 51
4.3 NaP2P通信手順 . . . 52
4.4 優先付けピアリスト . . . 53
4.5 実験ネットワークモデル . . . 54
4.6 実験環境構成図. . . 55
4.7 異なる伝搬遅延時間における同一セグメントピア選択率Srvs 局所率Lr . . 59
5.1 NaP2Pシミュレータ構成 . . . 65
5.2 NaP2Pシミュレータ処理フロー. . . 66
5.3 シミュレータ機能構成図 . . . 67
5.4 ネットワーク構築 . . . 68
5.5 イベント動作 . . . 70
5.6 送受信イベント関連図 . . . 72
5.7 送受信イベント処理手順 . . . 73
5.8 データ系メッセージ . . . 74
5.9 ユーザ数別使用メモリサイズとシミュレーション実行時間 . . . 76
5.10 シミュレーション経過時間と使用メモリサイズ . . . 76
5.11 実験ネットワークモデル . . . 78
5.12 同一セグメントピア選択率Sr vs局所率Lr . . . 79
5.13 ノード数vs局所率Lr . . . 80
5.14 コンテンツサイズvs 局所率Lr . . . 81
5.15 2AS間ネットワークモデル . . . 82
5.16 Srに対するダウンロード時間(1ASの場合) . . . 84
5.17 Srに対するダウンロード時間(AS数の違い) . . . 85
5.18 再生前バッファリング時間に対する可視聴率 . . . 87
6.1 Network-aware技術の適用例 . . . 93
vii
表目次
2.1 コンテンツ配信方式の分類. . . 10
2.2 関連研究の比較. . . 24
3.1 実験諸元 . . . 31
3.2 実験諸元 . . . 38
3.3 アクセスリンクタイプ別配信分布 . . . 39
4.1 ipfwコマンド . . . 56
4.2 実験諸元 . . . 56
4.3 セグメントのトラフィック分布 . . . 58
4.4 シーダ存在時の局所率 . . . 60
5.1 シミュレータ設計要求項目. . . 65
5.2 アクションリスト . . . 69
5.3 NaP2Pシミュレータ装置 . . . 75
5.4 実験諸元 . . . 78
5.5 セグメントの局所率Lr. . . 79
5.6 2AS間配信トラフィックの割合 . . . 82
5.7 ダウンロード時間実験 . . . 83
5.8 ストリーミング可視聴実験. . . 86
6.1 提案ピア選択手法と効果 . . . 92
1
第 1 章
序論
1.1 本研究の背景
本論文では，ブロードバンド環境におけるPeer-to-Peer(P2P)コンテンツ配信の性能・課題 分析，および，ISP間や地域ネットワークにおける非効率なP2Pトラフィックを削減するた めの，ネットワーク構成情報を考慮したP2Pコンテンツ配信制御技術について論じる．以下 に本研究の背景を述べる．
近年，ブロードバンド環境や常時接続の普及，ユーザ端末の高性能化により，ユーザはイン ターネット上の音楽・映像・画像など高品質のコンテンツを容易に配信できるようになり，これ に伴い，コンテンツ配信トラフィックが急増している．今後更に，VoD(Video on Demand)， ストリーミング配信，ライブ配信など様々な配信方式によるコンテンツ配信が普及し，2014 年に全世界のトラフィック量は2009年のトラフィック量の4倍に増加し，そのうちP2Pを 含む映像配信のトラフィック量がコンシューマトラフィックの91%を占めるようになるとい う予測がされている[1]．このような流れの中で，ユーザ数，コンテンツ数の増加，および，コ ンテンツの大容量化に対応するために，アプリケーションサービス事業者ASP(Application Service Provider，以降，本論文では「コンテンツ配信事業者」を含めてASPと称する)は，配 信サーバの増設，高性能サーバへの置換，高速回線の増設が必要である．また，インターネッ ト接続事業者ISP(Internet Service Provider)においても，膨大なトラフィックを転送するた めに，バックボーンネットワークを広範囲に渡り拡大しなければならず，トラフィックの増加 に応じた回線の増設が必要となり，ASP，ISP共に多額の設備投資を行わなければならない．
この膨大なトラフィックを配信するために，バックボーントラフィックを軽減し，大容量 コンテンツを効率的に配信するための技術であるIPマルチキャスト技術やCDN(Content Delivery Network)技術によるキャッシュベースの配信システムを導入するISPやASPも多 く存在する．IPマルチキャスト技術は，サーバから複数のユーザに対し同一コンテンツを配 信できるため，同報配信のコスト低減に優れている．しかし，経路上の全ネットワーク機器が IPマルチキャスト対応の機器を用いる必要があり，ISPが限定されるという制限がある．ま た，CDNは，Akamai Technologies [2]で代表されるように，エンドユーザに近い多数の拠点 に大規模なストレージを持つサーバを設置し，オリジナルコンテンツの複製をサーバへ保存す
る．そして，このサーバ同士を1Gbpsクラス以上の高速回線で接続し，ユーザからの要求に 応じて最も適切なサーバからコンテンツを提供する仕組みである．しかし，これには高性能な サーバや高速回線が必要となるため，コスト効率性に欠ける．
Peer-to-Peer(P2P)コンテンツ配信は，1990年代末頃からファイル交換の仕組みとして登 場してきた技術である．クライアント/サーバ型は，中心となるサーバから全ユーザにコンテ ンツを配信する仕組みに対し，P2Pコンテンツ配信技術は，エンドユーザのリソース(PCな ど)を中継し，ユーザ間でコンテンツの断片（コンテンツの一部もしくは全て）を交換して配 信するため，配信サーバの負荷を軽減できる技術である．ゆえに，P2Pコンテンツ配信技術 は，配信サーバのアクセス集中を回避でき，限られたサーバの回線帯域でコンテンツを配信で きることから，ASPにとっては費用対効果，スケーラビリティの観点において魅力的であり 非常に有効な手段として注目され，商用サービスへ取り入れられるケースも増加している．事 実CNNでは，2009年米国オバマ大統領就任演説を，P2P配信技術を用いて2,500万ビデオ ストリームの配信に成功している[3]．
しかし一方，P2P技術は１つのファイルを小さなコンテンツ片に分割しこれをピア間で転 送して配信するため，ISP間またはISP内部を同一コンテンツ片が何度も横断し，P2Pトラ フィックがISP内部・ISP間のネットワーク帯域を消費・圧迫するという問題が，P2Pコン テンツ配信の増加により大きくなっている．このことから，ISPにおいてP2Pコンテンツ配 信技術は有益な配信手法とは必ずしも言い難い．これは，P2P配信技術は，ネットワークトポ ロジを意識せずにコンテンツ片を交換するピアを選択しているためである．つまり下位層であ るIPネットワークトポロジを考慮せずに，アプリケーションレベルでノードとノード間論理 リンクで構成されるオーバレイネットワークとして動作するためである[4] [5]．
そこで，非効率なP2Pトラフィックを削減するために，ネットワークトポロジを意識した ピア選択を行い，ネットワークを効率的に使用するコンテンツ配信制御が必要とされている．
1.2 研究のアプローチ
本研究では，まず現在のインターネット環境におけるP2Pコンテンツ配信の動作および課 題の把握を行った．具体的には，商用で使用しているネットワーク実機を用いて実験室内に，
FTTHとADSL混在のブロードバンド環境を疑似的に構築した．そしてP2Pストリーミン グ配信の一種であるプログレッシブダウンロード配信方式の特性評価を行った．この実験で FTTHユーザが全体の配信に大きく貢献していることが明らかとなった．また，実際のイン ターネット環境で配信実験を行い，FTTHユーザの貢献について確認した．さらに，本実験 において，ストリーミング配信時に，低速回線ユーザがコンテンツの再生時間までに当該ピー スが収集されずにストリーミング再生が停止する状態が発生した．そこで，実験で得られた知 見により，ビデオストリーミングサービスを提供するためのダウンロード速度向上のために，
optimistic unchoke切替え時間を短縮する手法を提案し，本手法により，低速回線ユーザが他
のユーザ(回線速度に関係なく)から選択される確率が向上することを理論的に証明し，提案 手法が有効であることを検証した．
1.2 研究のアプローチ 3
次に，非効率なP2Pトラフィックを削減するために，ISP内部およびISP外部のネット ワーク構成情報を用いることでネットワークトポロジを認識し，ピアと同一のセグメント（AS やISP，ISP内の地域などある一定の領域を意味する）に存在するピアを優先的に選択する Network-aware P2P手法を提案した．
ネットワーク情報を用いて非効率なP2Pトラフィックを削減する手法はこれまでも様々 な研究が行われている．現在，多くのISPは，ISPが運用するネットワークアドレス，プレ フィックス，ネットワークアドレスに対応する地域などのネットワーク構成情報を管理して いる．ISPは，ASPなどのユーザに対して契約することで回線を提供するが，ASPの配信ア プリケーションを制御することはできない．一方ASPは，契約した回線上に配信アプリケー ションを導入し，配信サービスを行うが，契約したISPや他のISPのネットワーク構成情報 を取得できるわけではない．このような関係において，ネットワークを提供するISPとアプリ ケーションを提供するASPが互いに協力することを前提として，ISPが管理するネットワー ク情報をASPへ公開し，このネットワーク情報を基に優先的なピア選択を行うP4P手法 [6]
が提案されている．
しかし，これには，以下３つの考慮すべき点がある．
• ISPは，自身が管理するネットワーク情報の公開は，企業戦略の点で望まない
• ISPは，ネットワークの状態を運用・管理しているISP自身のポリシーに従った制御を 行いたい
• ASPは，既にサービス中のアプリケーションの改修は最小限としたい
これらの観点から，本論文では，要求ピアと接続候補となるピア（候補ピア）の情報をASP から与えてもらい，ISPで管理しているネットワーク構成情報を基に，ISPが候補ピアの優先 付けを行なうピア選択制御手法を提案した．そして，本提案手法の評価を，実機を用いて疑似 的に構築した商用ネットワークとPC49台で構成した実験環境で行い，要求ピアが同一セグメ ント内から配信させる割合(同一セグメントピア選択率Sr)を，ISPがほぼ指定した通りの割 合でトラフィックを局所化制御できることを検証し，本提案手法の有効性を確認した．
しかし，上記評価は，ISP視点のみの評価である．実運用のためには，ユーザ視点において も効果があることが確認されなければならない．そこで，実運用を想定し，大規模ユーザ数に おいて，ISP視点のトラフィック局所化制御の有効性，および，ユーザ視点においての配信時 間の向上について評価を行った．実際のISPの規模を想定したユーザ数で評価するために，実 機を用いることは困難であることから，一万人規模のNetwork-aware P2Pを模擬するシミュ レータを構築し，このシミュレータを用いて実験評価を実施した．この結果，局所化が行える こと，および配信速度が平均32.7%向上することが確認され，ISPのみならずユーザ視点にお いても有効であることを検証した．
1.3 本論文の構成と内容
図1.1に本論文の構成を示す．本図に沿って，本論文の章構成と概要を述べる．
【第1章】 序論
【第6章】 結論
【第2章】 研究の技術的な背景
【第3章】 ブロードバンド環境におけるP2P プログレッシブダウンロード配信
方式に関する分析 【第4章】 Network-aware P2Pによるトラフィ ック局所化方式 の提案
【第5章】 実運用加入者数 を想定したISP およびユーザ視点における Network-aware P2P配信手法の 効果に関する分析
・非効率なP2Pトラフィック削減
同一セグメントピア選択 高速ピア，低速ピア選択
図1.1.論文構成
まず始めに，第2章で，P2Pのコンテンツ配信手法に関する技術的な説明，および，イン ターネットトラフィックの輻輳要因となるP2Pトラフィックの課題について整理する．また，
課題解決のための関連研究および標準化動向と本論文で対象とする課題について述べる．
次に第3章で，ブロードバンド環境におけるP2Pビデオストリーミング配信について，実 験室内に実機を用いて構築した疑似ネットワーク環境，および，インターネット環境で実施し
1.3 本論文の構成と内容 5
た実験から性能評価・分析結果について述べる．また，実験で生じたダウンロードパフォーマ ンス劣化の原因を分析し，得られた知見より，P2Pビデオストリーミングサービスを提供する ためにダウンロード速度を向上させる効果的な方法を提案する．
第4章および5章は，ネットワーク構成情報を考慮したP2Pコンテンツ配信Network-aware P2P(NaP2P)手法について述べる
第4章では，ISPの課題であるISP内外の非効率なP2P トラフィックを削減することを 目的とし，ネットワーク構成情報を使用して，セグメント内にトラフィックを局所化させる
Network-aware P2Pアーキテクチャを提案する．また，提案手法を疑似ネットワーク環境で
合計49台のPCを用いた実験評価および効果について述べる．
第5章では，提案Network-aware P2P手法の実用を想定した大規模ユーザ数における実 験評価を行う．10,000人規模のNetwork-aware P2Pを模擬するためにNetwork-aware P2P シミュレータ(NaP2Pシミュレータ)を構築した．本章では，このNaP2Pシミュレータの構 成，機能について説明し，ISPおよびユーザの異なる２つの視点において提案Network-aware P2P配信手法の効果を分析する．ISP視点としてトラフィックの局所化について，ユーザ視 点として配信速度について評価分析評価を行う．また，P2Pストリーミング配信を行った場 合の，コンテンツ可視聴に関する評価も行う．
第6章では，本論文の総合結論を述べる．具体的には，本論文により研究された成果と，
Network-aware P2P配信手法の有効性に関する成果と，今後の課題について述べる．
7
第 2 章
研究の技術的な背景
本章では，まず，このコンテンツ配信技術の一つで，かつ，本研究のテーマであるPeer-to-
Peer(P2P)の配信手法について技術的な説明を行う．また，インターネットトラフィックの現
状について述べ，P2P配信によるインターネット上のトラフィック輻輳要因となるP2Pトラ フィックの課題について整理する．さらに，課題解決のための関連研究および標準化動向と本 論文で対象とする課題について述べる．
2.1 Peer-to-Peer コンテンツ配信手法
2.1.1 P2P コンテンツ配信の概要
Peer-to-Peer(P2P)コンテンツ配信は，1990年後半からファイル交換システムとして利用 されてきたアーキテクチャである．P2Pは名前の通り「対等なピア（端末）同士が通信を行 う」ことを特徴とした通信方式である．
インターネットでは，これまでwebアクセスなどでクライアント/サーバ型のネットワーク が使用されてきた．これは複数のクライアントからサーバに処理要求を送信し，サーバがこれ に対する応答を行うことから，特定のサーバへアクセスが集中する．また，利用者やコンテ ンツ数の増加，および，コンテンツサイズの大容量化など需要の変化に応じて，サーバ設備，
ネットワーク回線の高速化など設備増強が必要となり，スケーラビリティが劣るという問題が ある．
これに対し，P2P型配信アーキテクチャは，ピア自身が状況に応じてクライアントにもサー バにもなり，ユーザ端末資源を利用することから，クライアント/サーバ型配信に比べ，サー バやネットワーク上の特定の機器や回線に対し負荷が集中しにくく，スケーラビリティに優れ ている．また，ネットワーク上の特定の機器に障害が発生した場合でも，他のピアへ通信切替 えが容易であることから耐障害性の点でも優れる．したがって，特にASPにはサーバコスト 削減や障害によるサービスの停止を避けることができ，有効なコンテンツ配信手法である．一 方，ISPにとっては，ブロードバンド環境の普及に伴いユーザ数が急増した結果，非効率な P2PトラフィックによりISP帯域やバックボーンを圧迫し，その結果，サーバからのレスポ
ンス遅延や，他のアプリケーションの配信に影響を及ぼすという問題が生じている．
P2Pコンテンツ配信を行うピアは，１つあるいは複数の他のピアと接続することで，ピア同 士による論理ネットワークを構成する．この論理ネットワークは，実際のルータ，物理回線や 端末によるネットワークトポロジに関係なく，IPネットワークの上位に構成されたオーバレ イネットワークとして捉えることができる．しかしながら，P2Pコンテンツ配信は，ネット ワーク構成情報を考慮した配信が行われている分けではない．
P2Pコンテンツ配信技術の特徴は次の通りである．
スケーラビリティ
ユーザが急増した場合でも，ユーザが所望のコンテンツファイルは分散しているため，
特定箇所のネットワークに対し負荷が集中しにくい．ユーザの PC資源を使用するた め，大規模なシステム投資をせずにユーザ数を拡大できる．
障害対応
各ピアがコンテンツファイルの処理，蓄積，伝送を分担して行うため，特定の機器に障 害が発生しても全体のネットワーク機能は維持される．また，複数のピアが同一情報を 保持するため，情報の消失・損傷リスクが軽減される．
管理コスト
専用サーバを必要としないため，サーバに起因する直接的なコスト（機器，管理者の教 育，運用・保守）を削減できる．
管理柔軟性
情報検索にセンターサーバを利用するハイブリッド型P2Pネットワークであれば，情 報が一ヶ所で管理されるため，柔軟な情報管理が容易である．
2.1.2 P2P コンテンツ配信の分類
P2Pコンテンツ配信は，配信ネットワーク構成，配信コンテンツの種類，配信経路など様々 な分類方法がある．ここでは，P2Pコンテンツ配信アーキテクチャと，コンテンツ配信方式で 分類し説明を行う．
2.1.2.1 P2Pコンテンツ配信アーキテクチャの分類
P2Pコンテンツ配信は，各種ファイルに関する属性情報，例えばファイル名，ファイルサイ ズ，ファイルを所持するピアのIPアドレスやポート番号などが設定されているメタファイル の管理方法により，「ハイブリッド型P2P」と「ピュア型P2P」の２つに分けることができる．
他の分類方法もあるが，全てはこの2種類のどちらかに含まれる[7]．
「ハイブリッド型P2P」は，図2.1(a)に示す通り，インデックスサーバとピアで構成され る．インデックスサーバでコンテンツファイルの所在管理やピアの選択通知を行う．このため ファイルの検索方法は，インデックスサーバへ問い合わせるクライアント/サーバ型を併用し ている．検索後のデータはピア間で転送されるP2P型である．インデックスファイルやコン
2.1 Peer-to-Peerコンテンツ配信手法 9
(a) ハイブリッド型P2P (b) ピュア型P2P
インデックス サーバ
ファイル検索 データ 転送
図2.1.ハイブリッド型P2Pとピュア型P2P
テンツファイルの管理や制御が可能であることから商用サービスとして導入が容易である．一 方，検索がクライアント/サーバ型なので，システムの耐障害性が低く，スケーラビリティが ピュア型P2Pより劣る．Napster [8]，BitTorrent [9]が代表例である．
これに対し，「ピュア型P2P」は，図2.1(b)の通り，ピアがメッシュ状に接続し，隣接ピア を中継してコンテンツファイルの検索やファイルデータの転送を行う自律分散型システムであ る．スケーラビリティや耐障害性が高いが，反面コンテンツの保有管理をピアで行うため，管 理情報が分散するので管理・把握がしにくく，また，セキュリティ面から商用サービスには向 かない．代表例としてWinny [10], Gnutella [11]がある．
その他「スーパーノード型P2P」があるが，これは「ハイブリッド型P2P」と「ピュア型 P2P」の組み合わせで構成された，両方の利点を併せ持つ配信方式である．
2.1.2.2 コンテンツ配信方式の分類
P2Pコンテンツ配信で扱うコンテンツは，実装アプリケーションにより異なるが，映像や写 真，文書ファイルなど様々なフォーマットのファイルを扱うことが可能で，それぞれに適した 配信方式により配信が行われる．
P2P配信技術におけるコンテンツ配信タイプの分類を，表2.1に示す．大別すると，ファイ ル転送に用いられる非同期型の「ダウンロード型」と，リアルタイムのライブ映像配信や番組 配信に使用される同期型の「ストリーミング型」および「プログレッシブダウンロード型」が ある．ダウンロード型も動画ファイルをダウンロードすることができるが，視聴はファイルの ダウンロード完了後となる．これに対し，「ストリーミング型」および「プログレッシブダウ ンロード型」は，コンテンツをダウンロードしながら映像再生が行えるため，ユーザはコンテ
ンツのダウンロード完了を待つことなく，即時にコンテンツを視聴することができる．
ストリーミング型とプログレッシブ型の違いは，ダウンロードしたファイルがユーザのPC 上に蓄積されるか否かである．プログレッシブダウンロードは，ダウンロードファイルがユー ザのPC上に蓄積されるため，再視聴を行う場合，再度配信ネットワークに接続してコンテン ツをダウンロードすることなく視聴できるというメリットがある．本論文3章では，この「プ ログレッシブダウンロード型」のアプリケーションを用いた実験を行う．
表2.1.コンテンツ配信方式の分類
配信タイプ
特徴
非同期型 同期型
ダウンロード型 ストリ ーミ ング型
プログレッシブ ダウンロード型
用途 ファイル転送 ライブ配信，VoD
映像再生 ダウンロード完了後 ダウンロード開始直後
ユーザPCファイル蓄積 有 無 有
2.1.3 P2P 型コンテンツ配信と他のコンテンツ配信方式の比較
コンテンツ配信方式には，P2P型配信の他，クライアント/サーバ型配信，CDN(Content Delivery Network)型配信がある．
クライアント/サーバ型は，複数のクライアントが1台のサーバに対し処理要求を送信し，
サーバはこの要求に応じて処理および応答送信することから，特定のサーバへのアクセスや，
ネットワーク上の特定の機器や回線に対し負荷が集中する問題があった．この問題解決のため に，P2P型配信およびCDN型配信が行われるようになった．どちらもサーバ配信負荷を削減 し，トランジットやバックボーンネットワークの負荷軽減を目的としたものである．
CDNは，エンドユーザに近い多数の拠点に大規模なストレージをもつエッジサーバを設置 し，ここにオリジナルコンテンツの複製を置くことで，コンテンツを効率的に配信させる仕 組みである．エッジサーバ同士は，1Gbpsクラス以上の高速ネットワークで接続されており，
ユーザからの要求に応じてもっとも適切なサーバからコンテンツを提供する．サーバの所有権 が運用者側にあり，また，ユーザから対価を貰うため，サービス品質（回線，セキュリティ）
の向上に努めている．
これに対し，P2P 型配信は，仕組みとアーキテクチャはCDNとほぼ同一であるものの，
CDNのエッジサーバに相当するものがエンドユーザの端末資源であるため，サービスの信頼 性および通信品質に大きな違いがある．また，ユーザからの対価を得ないこと，P2Pシステム に参画するPCの設置が容易であるという利点がある．
2.1 Peer-to-Peerコンテンツ配信手法 11
2.1.4 BitTorrent プロトコル
本論文では，BitTorrentをベースとしたアプリケーションを使用して評価実験を行ってい る．そこで，本節でBitTorrentの構成とプロトコルについて説明する．
BitTorrent は，2001 年に Bram Cohen によって開発された P2P プロトコルおよびア プリケーションで，世界中で最も使用されている P2P アプリケーションの一つである．
BitTorrent の初期バージョンはMainline と呼ばれ，オープンソースで入手可能であるこ
とから，文献 [12] [13] [14] [15] など多くの研究で BitTorrent が用いられている．現在の
BitTorrentは商用化されているため，ソースファイルの公開は行われていない．
Origin server + Tracker
3) piece map 交換 交換 交換 交換 要求ピア
2) 2)
2) 2) ピアリスト ピアリスト ピアリスト ピアリスト応答 応答 応答 応答
1) 1)
1) 1) ダウンロードダウンロードダウンロードダウンロード 要求
要求 要求
要求メッセージメッセージメッセージメッセージ
： ファイル ダウンロード/アップロード
keep alive
C
1C
2C
3C
4C
i: リモートピア
C
5図2.2.BitTorrentの構成とプロトコル
図2.2にBitTorrentの構成を示す．BitTorrentはハイブリッド型のP2Pアーキテクチャ であり，オリジナルコンテンツファイルを格納するオリジンサーバ，P2Pコンテンツ配信の制 御を行う配信制御サーバ(Tracker)とピアで構成される．オリジンサーバとTrackerは同じ装 置に存在することもある．
BitTorrentは，図2.3に示す通り，コンテンツファイルを小さなピース（一般的に，1ピース 256KByte）に分割し，ピースはさらに小さなサブピース(一般的に，1サブピース16KByte) に分割する．そして，転送はサブピース単位で行われ，複数のピアから効率的にピースを収集
#0 #n
#0-0
ピースに分割した１ファイル全体
#1 #2
piece コンテンツファイル
256KByte
16KByte
#0-1 #0-15
sub piece #1-0
16KByte
#1-1 #1-15
図2.3.ファイルとピース構成
する．1ピース分データのダウンロードが完了すると，SHA-1を用いたチェックサム整合照合 でデータが完全であることを検証し，ピアのPCのハードディスクに保存される．
コンテンツ要求ピアはクライアントソフトウェアを起動すると，P2P配信オーバーレイネッ トワークに参加するために，配信制御サーバに対し要求するコンテンツ情報と要求リモートピ ア数を含んだダウンロード要求メッセージを送信する．コンテンツ情報や配信制御サーバの URLは，コンテンツに対応するtorrentファイル（メタデータ）に記述されており，予めweb 上のポータルサイトよりダウンロードすることでtorrentファイルは取得できる．
配信制御サーバは，P2P配信オーバーレイネットワークに属しており，要求コンテンツファ イルの全て，または，ファイルの一部を所持しているリモートピアの情報を記載したピアリ
スト(peerlist)を作成し，これをピアへ返信する．ピアリストに記載のリモートピアは，通常
ネットワークトポロジを考慮せずに，ランダムまたはラウンドロビンで選択される．ピアは受 信したピアリストに記載されているリモートピアに対し，コネクション要求メッセージを送信 する．リモートピアはコネクション数が最大コネクション数に達していない場合，コネクショ ン要求を受け入れ，ピア間でTCPコネクションを確立する．
ピアはファイルピースの収集を開始する前に，ペア毎に，ピアが既に所持するピース情報
を含むpiece mapをBitFieldメッセージを使用して交換し，ピア間でファイルピースの保
有状況を共有する．このpiece mapを基に，ピアは互いに収集したいピースを要求すること となる．しかし，ピアが全ピースを取得済，または，全ピース未取得の時，Have allまたは
Have noneメッセージをそれぞれ送信する．新しいピースがpiece mapに追加されるとピア
はBitFieldを更新し，Haveメッセージを送信し取得したピース 情報を通知する．ピアはこ
のメッセージを受信すると，InterestedまたはNot interestedメッセージを送信し，ダウン ロードの意思を通知する．ピースのダウンロード順序は，最初に接続した時ピアをランダムに 選択するrandom first，希少ピースを最初に収集するrarest firstなどのピース選択アルゴリ ズムに基づき決定する．
次に，ピアがInterestedメッセージを受信した時，つまりアップロードを要求された時，ピ アは，tit-for-tatやoptimistic unchoke戦略のピア選択アルゴリズムに基づきピアの選択を行
2.1 Peer-to-Peerコンテンツ配信手法 13
う．tit-for-tatは，アップロード速度の高速なピアを選択する仕組みであり，一定時間毎（例，
10秒毎）に選択される．また，optimisticは，tit-for-tatとは別の時間間隔でピアをランダム に選択する．原則，これに応じて，他のピアからピースを受信するためにピースを与えなけれ ばならない．アップロードの受け入れ許可/拒否をchoke/unchokeメッセージにより通知する と共に，要求ピアの状態をchokeからunchokeへ変化する．これら戦略により，他の多くのピ アから特定のピアに集中するアクセス要求を回避することが可能となる．最大64ピアとコネ クションを確立できるが，1ピアが同時にパケットを転送できるピア数(以後，「最大unchoke 数」と呼ぶ)はデフォルトで最大4ピアである．
他ピアへのアップロード処理は，1ファイル分ダウンロードが完了するのを待つことなく，
各ピースのダウンロード完了後，直ちに可能となる．また，ピアは要求したコンテンツファイ ル全体もしくは一部を所持するピアを検索し，可能な限りオリジンサーバから直接ダウンロー ドすることを避ける．オリジンサーバは，オリジンサーバの負荷を軽減させるために，同時に 直接アップロードするピア数を限定した設計としている．しかし，もしピアリストに記載され た全ピアが要求ピースを所持していない場合，オリジンサーバへのアクセスは例外的に認めら れる．また，全ピースのダウンロードを完了させるために，全ピアに対しピースを要求して最 後のピースの収集を加速させるend-game mode機能が組み込まれている．
ピアは，keep-aliveパケットを送信し，制御サーバに定期的にピアの状態を通知する．配信
制御サーバは，このkeep-aliveで，ピアの接続状態や各ピアのダウンロード状況の監視が可能 である．
図2.4に，BitTorrentベースプロトコルにおける，ピア間通信状況を示したピアコネクショ
ンマップの一例を示す．図は，ネットワーク上に合計29のピアが存在し，各ピアの配信クラ イアントプログラムを5秒毎に起動させ，13番目に起動したピアが他のピア間との通信状況 をダウンロード/アップロード別に示したものである．図より，ダウンロード元やアップロー ド先のピアが短時間に頻繁に変化していることが確認できる．また，当該ピアより後から起動 したピアからもピースを収集していることが分かる．このように，BitTorrentプロトコルは，
複数のピアと接続し，データをダウンロードするとともに，PC上にキャッシュされたデータ を他のピアへ再配布する分散型配信であることが確認できる．
本論文3章で使用したP2Pコンテンツ配信システムは，グリッド・ソリューションズ社[17]
（現，日本ラッド株式会社 [18]）が開発したグリッド・デリバリー°Rシステム [19] であり，
BitTorrentをベースとしたプログレッシブダウンロード型P2Pを採用している．BitTorrent との違いは，ピースの収集順序である．BitTorrentの場合，ピースはランダムに選択された順 で収集するのに対し，グリッド・デリバリー°Rシステムは，ダウンロードしながらファイルを 再生するため，ピースをファイルの再生順に収集する方法としている．
0 5 10 15 20 25 30
0 50 100 150 200 250
N o d e N o .
time [sec]
13
0 5 10 15 20 25 30
0 50 100 150 200 250
N o d e N o .
time [sec]
13
(b) アップロード (a) ダウンロード
Up load Download
図2.4.ノードコネクションマップの一例(ダウンロード開始13番目のノードの動作)
2.2 インターネットにおけるP2Pトラフィックに関する課題 15
2.2 インターネットにおける P2P トラフィックに関する課題
2.2.1 インターネットトラフィックの動向
インターネットにおけるP2Pトラフィックの課題を整理するために，まず，近年のインター ネットトラフィック動向について説明する．
図2.5に総務省が2010年2月に発表した平成21年度の「日本のインターネットトラフィッ クの推移」[20]を，図 2.6に同じく総務省が2010年3月に発表した「1契約あたりのトラ フィック量の推移」[21]を示す．
グラフより，日本のインターネットのトラフィック量は年々増加していることが確認でき る．日本のブロードバンドサービス契約者のダウンロードトラフィック総量は，2009年11月 の時点で推定1.36Tbps，2008年11月は988.4Gbpsであり，この1年で約1.4倍(37.9%増) であった．アップロードトラフィック総量も2009年11月で推定943.4Gbps，2008年11月 で689.5Gbpsで，1年間で約1.4倍(36.8%増)であり，ダウンロードおよびアップロードト ラフィックともほぼ同等の増加率であった．2008年後半から2009年前半はやや増加率が鈍 化しているものの，年間で比較すると，過去5年間で最高の増加率となった．
また，2009年時点での日本におけるブロードバンドサービス契約者(FTTH，DSL，CATV) は約31万人で，その内訳はFTTHが約17万人，DSLが10万人，そしてCATVが4万人 で，FTTH利用者が約54%を占めている(図2.6)．1契約当りのトラフィック量は，ダウン ロード，アップロードそれぞれ，43.2kbps，29.9kbpsであった．
402.7
277.1
269.4 298.1 319.7
424.5 469.1 523.6
636.6 721.7
812.9 879.6
988.4 1234.0
1362.9
539.7
109.8 236.4 258.5 278.8 320.2 354.3
400.5 468.7
512.5 567.5
631.5 689.5
860.8
943.4
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11
1997ᐕ 1998ᐕ 1999ᐕ 2000ᐕ 2001ᐕ 2002ᐕ 2003ᐕ 2004ᐕ 2005ᐕ 2006ᐕ 2007ᐕ 2008ᐕ 2009ᐕ
6 (Gbps)
දജISP6␠䈱࿖ౝਥⷐIX䈪
឵䈘䉏䉎䊃䊤䊍䉾䉪䈀B1,Out䈁 䋨ෳ⠨䋩࿖ౝਥⷐIX䈪឵䈘䉏 䉎䊃䊤䊍䉾䉪䊏䊷䉪୯*3
࿖ౝਥⷐIX䈪឵䈘䉏䉎 ᐔဋ䊃䊤䊍䉾䉪䈀C䈁*3
䋨*1䋩 䋱ᣣ䈱ᐔဋ䊃䊤䊍䉾䉪䈱ᐔဋ
݈ОрѴӃҏ̔ҝғҘҘҹҢғѿрఌڂ̢ࢫ̣
37.9䋦Ⴧട
(2008.11)
䋨*3䋩2007ᐕ6䈱࿖ౝਥⷐIX䈪
឵䈘䉏䉎䊃䊤䊍䉾䉪䈱㓸⸘୯䈮 䈧䈇䈩䈲䊂䊷䉺䈮ᰳ⪭䈏䈅䈦䈢 䈢䉄㒰ᄖ
(2009.5)
䋨*2䋩1T䋽1000G
ᚒ䈏࿖䈱䊑䊨䊷䊄䊋䊮䊄 ᄾ⚂⠪䈱䉻䉡䊮䊨䊷䊄
䊃䊤䊍䉾䉪✚㊂ 1362.9Gbps䋨ផቯ୯䋩
දജISP6␠䈱䊑䊨䊷䊄䊋䊮䊄ᄾ
⚂⠪䈱䊃䊤䊍䉾䉪䈀A1,Out䈁 (2009.11)
ᚒ䈏࿖䈱䊑䊨䊷䊄䊋䊮䊄 ᄾ⚂⠪䈱䉝䉾䊒䊨䊷䊄
䊃䊤䊍䉾䉪✚㊂ 943.4Gbps䋨ផቯ୯䋩
図2.5.我が国のインターネットトラフィックの推移(平均) （文献 [20]より）
図2.6.ブロードバンド契約者数の推移 （文献[21]より）
トラフィックの流入に関しては，2007年5月時点では国内協力プロバイダー以外の国内プ ロバイダーと，国内の主要IX(Internet eXchange point)で交換されるトラフィックが最も多 かった．ところが，2007年11月からは国外プロバイダーから国内協力プロバイダーに流入す るトラフィックが最多となり，国外から国内のISPに流れ込むトラフィックが増加している．
次に，トラフィック量をアプリケーション別に見る．図2.7は，国内ISPのPOI(Point of interface)で測定した2006年1月から2008年5月のトラフィック量の変化を示したグラフ である．このグラフより，ダウンロードトラフィックは，2006年当時はP2Pアプリケーショ ンが全体の半数以上を占めていたが，2008年時点では，P2PよりもHTTPやストリーミン グが占める割合が大きくなった．P2Pアプリケーションの割合は2年間でほぼ横ばいで，ト ラフィック総量に対する割合は減少しているものの，2008年時点で全体トラフィック量の約 1/3をP2Pアプリケーションが占めている(図2.7(a))．一方アップロードトラフィック量は 年々増加していることが確認できる(図2.7(b))．
今後のトラフィック量に関しては，世界のインターネットトラフィック量は，2014年まで に2009年のトラフィック量の4倍になり，引き続きTV, VoD, インターネットビデオ, P2P を含む映像配信が，世界のコンシューマトラフィックの91%を占めるようになるとの予測が 行われている[1]．
以上の傾向より，今度も益々コンテンツ配信が普及すると共に，国内のみならず海外からも コンテンツ配信によるトラフィックが増加すると推測される．
2.2 インターネットにおけるP2Pトラフィックに関する課題 17
(a) ダウンロードトラフィックの変化
(b) アップロードトラフィックの変化
図2.7.P2Pアプリケーションがトラフィック総量に占める割合(文献[22]より)
2.2.2 ISP における P2P トラフィックの課題
P2Pコンテンツ配信は，サーバの配信負荷を軽減し，ユーザ数増加に伴う設備増強を抑える ことが可能なため，ASPにおいて有益な配信手法である. しかし一方，P2P配信トラフィッ クによりISPの回線が圧迫されているため，一部のISP事業者で帯域制御など実施している が，これが「ネットワークの中立性」[23] [24]に関し，問題視されている．ここではP2Pト ラフィックが要因となる課題について説明する．
帯域占有と帯域制御問題
P2P トラフィックは，同じピースが何度もAS間を横断するため，非効率なトラ フィックの削減が必要である．この状態が継続された場合，ISPのバックボーンや特定 のISP間接続トランジット回線の帯域が圧迫され，Webやメール，CDNコンテンツ配 信など他のアプリケーショントラフィックに対して遅延が発生するなど影響を及ぼす可 能性が生じる．また，P2Pトラフィックは，P2Pユーザの上位10%で総トラフィック
量の60%以上を占有している [24]．このユーザ（「ヘビーユーザ」と呼ぶ）に対し，一 部のISPで帯域制御を実施している．ISPにより対応は異なるが，日本では約28%の 事業者が既に対応している[25]．
著作権法問題
P2Pコンテンツ配信は1990年後半から世界中で行われてきたが，多くのP2Pコン テンツ配信は，著作権侵害に関わる訴訟でP2Pに不利な判決となり，配信サービス停 止を強いられてきた．しかし，著作権法に従わない配信が後を絶たない．日本では，平 成22年1月に著作権法が改正された[26]．これによりキャッシュを用いた配信が可能 となり，日本国内においては不法なコンテンツは削減されつつある．
コスト負担の公平性
インターネットの構造は，階層化構造になっている．下位のAS(Autonomous Sys- tem)を取得したISPは，上位ISPとトランジット契約して経路情報を取得し，他AS へデータを送信する．ゆえに，下位ISPはトラフィック量に応じた料金を上位ISPへ 支払う従量課金制のモデルを多く採用している．現在のP2Pは，冗長化した同一ピー スが何度もISP間を転送するため，転送する度に課金されることになる．トランジッ トASの場合は，他AS間で送受信するP2Pトラフィックも中継するため，タダ乗り と呼ばれるトラフィックが発生し，このトラフィックに対する課金も強いられる．さら に，最下位のISPは，契約ユーザにこの分の料金負担を依頼することは困難で，どこか らもコスト回収が行えず，コスト負担の公平性問題が生じている．この問題解決のため にも，コスト削減とした，非効率なP2Pトラフィックの削減が必要である．
2.3 P2P トラフィック制御手法
ネットワーク負荷軽減のため，P2Pトラフィック制御手法は,主に「帯域制御」「ネットワー クキャッシュ」「トラフィック局所化」の３つがある．「ネットワークキャッシュ」および「ト ラフィック局所化」に関しては，現在研究が行われている段階であり，詳細は次節2.3.1で述 べる．
「帯域制御」は，2.2.2章の帯域占有と帯域制御問題で述べた通り，既に一部のISPで実施 している制御手法である．帯域制御方法として，制御装置の利用，ポート番号で制御する「ア プリケーション規制方式」，ユーザ毎にトラフィック量を測定し，一定量を超過したユーザを 規制する「総量規制方式」がある．これら方式を用い，P2P配信で大量にパケットを発生させ るヘビーユーザに，超過トラフィックに対する追徴課金やサービス停止などの処置を実施して いる．帯域制御の運用基準に関するガイドライン検討協議会が2010年3月に発表した「帯域 制御に関する実態調査結果」によると，回答が得られた179社のうち約28%の事業者が帯域 制限を実施していた[25]．しかし，帯域制御手法は「ネットワークの中立性」における「通信 の秘密」及び「利用の公平」の是非に関し問題となっている．今後動画配信の増加に応じて，
「帯域制御の運用基準に関するガイドライン」[64]の見直しを随時行うことが必要である．
2.3 P2Pトラフィック制御手法 19
2.3.1 関連研究
P2Pコンテンツ配信による冗長化トラフィック削減を目的とした研究は，２つに大別され る．一つは，一度配信したコンテンツを配信ネットワーク上でキャッシュする「ネットワーク キャッシュ」，もう一つはAS，ISP，および，地域ネットワークなど同一セグメント内で配信 を行う「トラフィック局所化」である．
ネットワークキャッシュ
文献 [63]では，トランジットISPが下位のネットワークとの接続点にキャッシュを 設置する場合を対象に，総P2Pトラフィック量を最小化する，動的計画法を用いた最 適キャッシュ設計法を提案している．また，文献 [27]では，ISPネットワークの境界 ゲートウェイにキャッシュ装置を配置させることで，ISP間の冗長化P2Pトラフィッ クを削減することが可能な，ネットワークレイヤのパケットレベルのキャッシュ手法を 提案している.
トラフィック局所化
トラフィックを局所化するために，ネットワーク情報を与えネットワークトポロジ を認識させる仕組みが必要である．ISPとASPが連携しトラフィックを同一セグメン トに局所化させる手法として，DCIA(Distributed Computing Industry Association) がP4Pアーキテクチャを提唱した．P4Pとは，「Provider Portal for P2P」，または，
「Proactive network Provider Participation for P2P」の略称である．P4Pの構成を 図2.8に示す．iTrackerには，info, policy, capabilityの３つのインターフェースを設 けることで，ISP内，ISP間通信の最適化を促すことができる．infoはISP内のネッ トワークトポロジと状態を提供するためのインターフェースである．policyは，ISP間 のピアリングの入出トラフィックのバランス，時刻毎の利用制限，回線利用率に関す るポリシーを示す．そして，capabilityは，コンテンツプロバイダやピアに対し，その ISPのサポートするサービスのレベルを提供する．P4Pの有効性はPlanetLab [28]や
Verizon等の商用ネットワーク上を用いた実証実験で確認されている．また，本提案
は，IETF(The Internet Engineering Task Force)のALTO WG（Application-Layer Traffic Optimization) [29]で標準化のための議論に移行している（2.3.3章参照）． また，文献 [30]は，AS間トラフィックを削減するためにASパスや地理的な位置 を基にしたピア選択アルゴリズムを提案した．この手法は，GeoIP [31]など公開され ているサービスを用いてトポロジ情報を取得する方法である．さらに，文献 [33]は，
BitTorrentのTrackerとクライアントの両方のソフトウェアを改修し，ISP内にトラ フィックを局所化させた．
本論文で提案するトラフィック削減手法は，トラフィック局所化に関した手法である．
![図 2.6. ブロードバンド契約者数の推移 （文献 [21] より）](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123deta/7734525.1711750/34.892.145.816.201.560/図26ブロードバンド契約者数の推移文献21より.webp)
