情報通信工学特論

情報知能工学科

太田 能

内容

通信品質保証

性能評価

その他の話題

を考えていますが…．

評価方法

レポートのみで評価

出席はとらない

テストはしない

レポート課題はＷｅｂに掲示予定http://www28.cs.kobe-u.ac.jp/~ohta

から手繰ってください

電話網とインターネット

電話網キャリアによる網管理

通信品質への要求条件が厳しい

ITU-T における標準化（閉鎖的，遅い）

ちゃんとしましょう，の文化

インターネット自律分散システム（ネットワークのネットワーク）

ベストエフォートサービス

IETF における標準化（開放的，早い）

いいかげん，の文化だったが…

電話網とインターネット

1876ベル電話発明

1969ARPAnetノード稼動

1991NSFネット

商用開放

1988N-ISDNサービス開始

1997ATMサービス開始

1985B-ISDN標準化開始

爆発的発展

マルチメディアサポートへの試み電話

インターネット

Web サービス

境界あいまいに

1987携帯電話サービス開始 All IP

ネットワークコア

相互接続されたルータ網

基本的な質問: データは

ネットワークをどのように転送されるのか

回線交換: 呼（call）ごとの専用回線: 電話網

パケット交換: データは

ばらばらの“かたまり”としてネットワーク内を転送される

ネットワークコア：回線交換

“呼”に対してエンド間の資源が予約される

リンク帯域，交換能力

専用資源：非共有

回線のような (保障された) 性能

呼設定が必要

ネットワークコア：回線交換

網資源（例：帯域）を分割

分割した断片を呼に割当

割当られた呼が使用しなければ，その断片はアイドルのまま（非共有）

分割方法

周波数分割

時分割

回線交換: 周波数分割多重と時分割多重

周波数分割多重FDM（Frequency Division Multiplexing）

frequency

time時分割多重TDM（Time-Division Multiplexing）

frequency

time

4 usersExample:

ネットワークコア：パケット交換各エンド間データストリームをパ

ケットに分割

ユーザＡ，Ｂのパケットはネットワーク資源を共有

各パケットは全リンク帯域を使用

資源は必要なときに使われる

資源競合:全資源要求が利用可能な量を超える場合がある

輻輳：パケットはキューに入りリンク使用を待つ

蓄積交換: パケットは１

ホップづつ移動

リンク上を伝送

次のリンクの順番を待つ帯域分割

帯域割当

資源予約

パケット交換：統計多重

ＡとＢのパケット発生のパターンは異なる 統計多重

逆に，ＴＤＭでは，ホストはＴＤＭフレーム内の同一スロットを利用する．

A

B

C10 MbsEthernet

1.5 Mbs

D E

統計多重

queue of packetswaiting for output

link

パケット交換 対 回線交換

1 Mbps（Mega bit per sec.） のリンク

ユーザ定義: アクティブ時：100 kbpsアクティブ状態の時間割合：10%

回線交換: 10 ユーザサポート

パケット交換: 35ユーザ：アクティブユーザ数が10を超える確率0.0004 以下で

パケット交換はより多くのユーザのネットワーク利用を可能にする！

N users1 Mbps link

パケット交換 対 回線交換

バーストデータに対しては効果大

資源共有

簡単，呼設定不要

輻輳: パケット遅延とロス

高信頼データ転送や輻輳制御のためのプロトコル

Q:回線交換のようなサービスをどのように提供するか？

音声/映像アプリに対して必要な帯域保証

未解決の問題

パケット交換は圧倒的な勝者か？

パケット交換ネットワーク：転送目的： パケットをルータを介して送信ホストから終点ホ

ストまで運ぶ

経路選択（ルーティング）アルゴリズム

データグラム（DG:datagram）ネットワーク:パケット内の終点アドレスにしたがって次ホップを決定

セッションの間に経路が変わる可能性

経路上での資源確保困難

バーチャルサーキット（VC:virtual circuit）ネットワーク:各パケットはタグ (virtual circuit ID)を含んでおり，タグによっ

て次ホップが決定される

呼設定時に経路が決定され，その呼の間は固定される．

ルータは呼ごとの状態を保持

DG方式とVG方式

11223344

1122

3344

1122

33441122 3344

データグラム方式データグラム方式

1122334433

4411

22

3344

バーチャルサーキット方式バーチャルサーキット方式

順序入替発生順序入替発生

動的動的経路選択経路選択

経路設定後経路設定後送信送信

到着順序保証到着順序保証

柔軟柔軟

1122

ネットワークの分類

情報通信ネットワーク

回線交換ネットワーク

ＦＤＭ ＴＤＭ

パケット交換ネットワーク

ＶＣネットワーク

ＤＧネットワーク

IPネットワーク

インターネットの概観

インターネット：“ネットワークのネットワーク”

おおざっぱな階層構造

インターネットとイントラネット

インターネットの標準化RFC: Request for commentsIETF: Internet Engineering Task Force

地域 ISP

企業内ネット

広域 ISP

router workstationserver

mobile

Cerf and Kahn の相互接続原理:小主義，自律主義 – 総合接続のため

にいかなる内部変更も必要としないベストエフォートサービスモデルステートレスルータ分散制御

今日のインターネットアーキテクチャを定義

インターネットの構造: ネットワークのネットワーク

おおざっぱな階層構造

中央: “tier-1” ISPs（国際 ISPs） (e.g., UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T), 国／国際間をカバー

インターネットのバックボーン

互いを同等に扱う

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier-1 providers interconnect (peer) privately相互接続点

NAP

Tier-1 providers also interconnect at public network access points (NAPs)複数ＩＳＰを接続

Tier-1 ISP: e.g., SprintSprint US backbone network

インターネットの構造：ネットワークのネットワーク

“Tier-2” ISPs: より小さな(広域) ISPs１つ以上のtier-1 ISPsに接続，他のtier-2 ISPs にも接続可

能

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

NAP

Tier-2 ISPTier-2 ISP

Tier-2 ISP Tier-2 ISP

Tier-2 ISP

Tier-2 ISP pays tier-1 ISP for connectivity to rest of Internet

tier-2 ISPはtier-1 ISP の顧客

Tier-2 ISPs also peer privately with each other, interconnect at NAP

インターネットの構造：ネットワークのネットワーク

“Tier-3” ISPs and 地域 ISPs （エンドシステムに も近い） 終ホップ（“アクセス”）ネット

ワーク

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

NAP

Tier-2 ISPTier-2 ISP

Tier-2 ISP Tier-2 ISP

Tier-2 ISP

localISPlocal

ISPlocalISP

localISP

localISP Tier 3

ISP

localISP

localISP

localISP

Local and tier-3 ISPs は，自

分たちを他のインターネットに接続してくれるより上位のtier ISPsの顧客

インターネットの構造：ネットワークのネットワーク

パケットは複数のネットワークを通る！

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

NAP

Tier-2 ISPTier-2 ISP

Tier-2 ISP Tier-2 ISP

Tier-2 ISP

localISPlocal

ISPlocalISP

localISP

localISP Tier 3

ISP

localISP

localISP

localISP

複数のISPが関与 ⇒ 網側によるエンド・ツー・エンドでの品質保証困難

Power LawMichalis Faloutsos, Petros Faloutsos, Christos Faloutsos, “On power-law relationships of the Internet topology,”Proceedings of the conference on Applications, technologies, architectures, and protocols for computer communication, 1999

Power Law

Power Law Power LawPoisson distribution

Exponential Network

Power-law distribution

Scale-free Network

Power Lawトポロジ生成法

Preference attachment により Internet Power Law ネットに近い特性を作り出すことができる

Π：新しいノードをノード i に接続する確率

jj

ii k

kkΣ

=Π )(

ただし，完璧にはインターネットトポロジに近い特性は得られない⇒いろんな方法が検討されている

P(k) ~k-3

Power Law

2.0 – 2.4Living organisms

2.1Telephone calls

2 – 3Gnutella

3Scale-free model (artificial)

2.1 – 2.5Social networks

1.9 – 2.7WWW

2.4 – 2.5Internet routers

2.1 – 2.2Internet domains

Degree exponent γSystem

パワー則はいろいろなところで発見されている

Power Lawパワー則ネットの弱点

Attacks

FailuresTopological

error tolerance

Rnak の高いノードから取り除いていくとばらばらに

Small WorldR. Albert, H. Jeong, and A. Barabasi, “Error and attack tolerance of complex networks,”Nature, vol. 406, pp. 378-382, Jul. 2000.

Small World Small World

5 5

Small World

確率pでランダムにエッジを書き換える

短ホップ数小さく，クラスタ形成される領域がでる

Small World

ロスは遅延はどうして生じるのか？

パケットはルータバッファのキューに入る

リンクへのパケット到着速度が出力リンクの容量を超える

パケットはキューに入り，順番を待つ

A

B

パケットの伝送 (遅延)

パケットの待ち行列 (遅延)空き（利用可能な）バッファ：空きバッファがなければ到着パケットが落ちる（廃棄）

ルータアーキテクチャの概要

二つの主要機能:経路制御アルゴリズム／プロトコルの実行 (RIP, OSPF, BGP)入力リンクから出力リンクへのデータグラムの交換

入力ポート機能

分散入力ポート処理:データグラムの宛先にもとづき，入力ポート内の経路制御表を使って出力ポートをルックアップ

目標：ラインスピードでの入力ポート処理

待つ行列：交換基盤への転送レート以上の速度でデータグラムが到着した場合

物理層:ビットレベルの受信

データリンク層:e.g., Ethernet

5章参照

入力ポート待ち行列交換基盤速度が入力ポート速度の合計より低い場合

⇒入力ポートで待ち行列が形成される可能性

ヘッドオブライン(HOL) ブロッキング: 待ち行列の先頭デー

タグラムが，競合しないポートを目指す，背後のデータグラムをブロック

待ち行列遅延や入力ポートキューでのバッファオーバフローによる廃棄

3種類の交換基盤

メモリ型交換基盤第一世代ルータ:パケットはシステムの（単一）CPUによりコピーされる

速度はメモリ帯域によって制限（データグラムあたり２度バス

を通過）InputPort

OutputPort

Memory

System Bus

現在のルータ:入力ポートプロセッサがルックアップとメモリへのコピーを

実行（共有メモリアーキテクチャ）

Cisco Catalyst 8500

バス型交換基盤

共有バスを介して入力ポートメモリから出力ポートメモリへデータグラム転送

バス競合: 交換速度はバス帯域によって制限

1 Gbps bus, Cisco 1900: アクセスルータ，エンタープライズルータでは十分な交換速度（非広域・バックボーンルータ）

内部接続網（クロスバスイッチ）型交換基盤

バス帯域制約の解決

バンヤンネットワーク，他がマルチプロセッサにおけるプロセッサ接続に利用

先端設計: データグラムを固定長セルに分割し，交換基

盤を介してセルを転送

Cisco 12000: 大 60 Gbps の交換能力

出力ポート

データグラムが出力リンク速度を超えて交換基盤から到着した場合にバッファリングが発生

スケジューリング規律により伝送するデータグラムを選択（FIFOとは限らない）

出力ポート待ち行列

出力リンク速度を超えて交換基盤からデータグラムが到着した場合に待ち行列が形成される

待ち行列遅延や出力ポートバッファあふれによる廃棄！

パケット遅延の４つの原因

1. ノード処理遅延:ビットエラーチェック

出力リンクの決定

A

B

伝播

伝送

ノード処理遅延 待ち行列

2. 待ち行列遅延

伝送のために出力リンクで待っている遅延

ルータの輻輳（混雑）の度合いに依存

パケット交換網内での遅延

3. 伝送遅延:R=リンク帯域 (bps)L=パケット長 (bits)パケットをリンクに送り込むための時間 = L/R

4. 伝播遅延:d = 物理リンクの長さ

s = 媒体中の伝播速度(~2x108 m/sec)伝播遅延 = d/s

A

B

伝播

伝送

ノード処理遅延 待ち行列遅延

Note: s と R はまったく異なる値

ノード遅延

dproc = 処理遅延

通常数マイクロ秒以下

dqueue = 待ち行列遅延

輻輳状態に依存

dtrans = 伝送遅延

= L/R, 低速度リンクでは顕著

dprop = 伝播遅延

数マイクロ秒から数百ミリ秒

proptransqueueprocnodal ddddd +++=

待ち行列遅延

R=リンク帯域 (bps)L=パケット長 (bits)a=平均パケット到着率

（単位時間あたりの到着個数）

トラヒック強度 = La/R

La/R ~ 0: 平均待ち行列遅延小

La/R -> 1: 平均待ち行列遅延増加

La/R > 1: 処理能力以上のパケットが到着，

平均遅延無限大！