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2015 Fiscal Year Research-status Report

OpenFlowによるサイクル構造に着目した高速障害復旧方式の開発

Research Project

Project/Area Number 26330120
Research InstitutionSoka University

Principal Investigator

篠宮 紀彦  創価大学, 理工学部, 教授 (60409779)

Project Period (FY) 2014-04-01 – 2017-03-31
Keywords情報ネットワーク / 障害復旧 / ネットワーク制御
Outline of Annual Research Achievements

現在、インターネットを介した多種多様なサービスが多くの人によって利用されているため、ネットワークを流れる情報量は否応なしに増加しており、たとえわずかな時間の障害や輻輳であっても、通信サービスを利用するユーザに甚大な損害を与える可能性がある。同時に情報通信ネットワークは大規模かつ複雑になっており、より信頼性が高く、効率の良い管理および制御のための技術が求められている。本研究では、従来、グラフ理論を用いて確立されてきたネットワーク制御手法を拡張し、近年、ソフトウェアによって、より自由度の高い制御を可能にする技術として注目を集めているSDN(Software Defined Networking)とりわけOpenFlowプロトコルを用いて、信頼性の高い大規模なネットワークの設計を目的としている。具体的には、制御負荷の軽減とシステム規模の拡張性を高めるため、分散配置された複数のコントローラが協調動作して効率的な運用を実現する発展的な手法を研究している。
一般的にリング型のトポロジを用いた障害復旧技術は少ない制御メッセージ数で高速な障害復旧が可能であることが知られているが、適応可能なネットワークが限られている。そこで、この技術をメッシュネットワークへ適用する取り組みがなされており、リング構造(サイクル)を用いた障害復旧方式が提案されている。この方式では、全ての通信回線の障害に対応でき、かつ、予備経路を最大限に節約するサイクルの集合を求めることが非常に難しい。
そこで、まず集中型のコントロールプレーンによる障害復旧制御に焦点を絞り、提案手法を実装するための要求条件や基本タイセット系を用いた障害復旧の動作について詳細な設計を行った。また、実際に開発したOpenFlowによる障害復旧方式を評価するための検証実験を行い、結果の考察から有効性を示すことができた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

大規模化しているネットワークを制御可能なSDNの設計手法について研究を進めている。SDNを用いた実装例も多く出てきているが、より大規模なネットワーク制御を実現するためには、(1)コントローラへの負荷集中、(2)制御チャネルの遅延の影響、(3)制御ルール数の制約という問題点があった。
当該年度では、基本タイセット系による障害復旧を実現するために、予備経路の算出方法と障害が発生してから復旧するまでの一連の具体的動作を提案し、各ノードが所持するテーブルの作成法、および、テーブルに従ってどのように振る舞うかを分析した。具体的には、(3)の問題に着目し、ネットワークの規模が大きくなったとしてもフローエントリ数の増加が緩やかなフローエントリの作成方法を提案した。また、問題(1)と(2)に対応するため、複数コントローラによるコントロールプレーンの構築方法について議論し、コントローラ間の情報共有を削減可能なサイクルクラスタリングを提案した。
また、実際のネットワークに近い環境であるOpenFlowネットワークへ提案方式を実装し、特性を検証した。コントローラを構築するプラットフォームは、Linux Foundation傘下の共同オープンソースプロジェクトであるOpenDaylightおよびNEC社のTremaによる実装を同時並行に進めており、上位と下位に分割した2階層型のコントローラの開発した。検証実験より、サイクルクラスタリングは、ランダムグラフやデータセンターを模したグラフ、広域ネットワークをモデル化したグラフにおいて、集約ノードの信頼性を高め、かつ、共有する情報量を削減することが可能であることが分かった。現状までで、提案方式はノード数が増加してもパケットロスを抑えた障害復旧を少ない制御メッセージ数で実現できることを示せている。

Strategy for Future Research Activity

まず、タイセットに基づく障害復旧手法における最大フローテーブル数の解析を行う。SDNではスイッチに登録可能な制御ルール数に限りがあるため、フローエントリ数を抑える必要があり、これまで基本タイセット系を用いることで予備経路用のフローエントリを削減する手法を検討してきた。しかし、この手法は平均フローエントリ数の低減にのみ着目しており、その最悪値は考慮していなかった。多くのフローが通過するノード(中心ノード)のフローエントリ数が高くなる可能性がある。また、基本タイセット系の作成に用いる木の特徴によっても、平均フローエントリ数に対して最大フローエントリ数が変化することが分かっている。より大規模なネットワークでの特性を調べるため、フローエントリ数の上限を求めることが必要となる。
次に、彩色アルゴリズムを応用したタイセットIDの節約手法を提案する。基本タイセット系を用いた障害復旧制御では、パケットヘッダの特定のフィールドにタイセットIDを書き込んでいる。必要なタイセットID数は、ネットワークの零度が高くなると増加し、ヘッダに書き込むことが出来る上限数を超えてしまう可能性がある。そこで、グラフの彩色問題を応用したタイセットIDの節約方法が必要となる。この方法では、リンクを共有しないタイセットには同じIDを付与可能であることを利用し、ID 数を削減可能としているが、リンクの追加などのトポロジに変化があった場合には、彩色数が増大してしまう可能性がある。そこで、トポロジの変化に彩色を求める必要がある。
その他、可能であれば、グループテーブルを使用した高速障害復旧方式の提案、クラスタリングにより削減可能な共有情報量の下限の解析、共有情報の削減によるコントローラ負荷の低減効果の計測も進めたいと考えている。

Causes of Carryover

当初予定していた国際会議への参加が学内校務のためキャンセルとなった。また、実験環境として購入予定だったコンピュータ関係の部品価格が下がり、購入費用を抑えることができたため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

別の国際会議へ研究成果をまとめた論文を投稿し、採録されているので、研究協力者と共に参加し、発表および最新の技術動向を調査する予定である。

  • Research Products

    (21 results)

All 2016 2015 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (17 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Efficient switch clustering for distributed controllers of OpenFlow network with bi-connectivity2016

    • Author(s)
      Junichi Nagano, Norihiko Shinomiya
    • Journal Title

      Computer Networks

      Volume: Vol.96 Issue C Pages: 48-57

    • DOI

      10.1016/j.comnet.2015.10.017

    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Network Partitioning Problem for Effective Management of Multi-domain SDN Networks2015

    • Author(s)
      Hidenobu Aoki, Norihiko Shinomiya
    • Journal Title

      IARIA International Journal on Advances in Networks and Services

      Volume: vol.8 no.3&4 Pages: 171-181

    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] 複数の無線通信サービスが混在した環境における使用アプリケーションを考慮した基地局割り当て手法2015

    • Author(s)
      亀田栄一, 篠宮紀彦
    • Journal Title

      情報処理学会論文誌コンシューマ・デバイス&システム(CDS)

      Volume: vol.5, no.4 Pages: 79-87

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 複数コントローラとタイセット系を用いたノード障害復旧のための迂回パス制御手法2016

    • Author(s)
      武藤弘幸,伊藤隆太,篠宮紀彦
    • Organizer
      電子情報通信学会 総合大会
    • Place of Presentation
      九州大学(福岡県)
    • Year and Date
      2016-03-15 – 2016-03-18
  • [Presentation] Multiple Leader Election in Clustered Graph for Distributed Network Control2016

    • Author(s)
      Hideki Shindo, Norihiko Shinomiya
    • Organizer
      電子情報通信学会 総合大会
    • Place of Presentation
      九州大学(福岡県)
    • Year and Date
      2016-03-15 – 2016-03-18
  • [Presentation] 頂点のもつ可変量の均等化を利用したグラフの分割状況に対する辺の重要度算出手法2016

    • Author(s)
      濱田賢人,篠宮紀彦
    • Organizer
      情報処理学会 全国大会
    • Place of Presentation
      慶應義塾大学(神奈川県)
    • Year and Date
      2016-03-10 – 2016-03-12
  • [Presentation] 複数コントローラによって管理されるOpenFlowネットワークへのグラフ分割アルゴリズムの応用2016

    • Author(s)
      福田伸一郎,篠宮紀彦
    • Organizer
      情報処理学会 全国大会
    • Place of Presentation
      慶應義塾大学(神奈川県)
    • Year and Date
      2016-03-10 – 2016-03-12
  • [Presentation] QoEに着目したモバイルネットワーク割り当てシステムの構成方法2016

    • Author(s)
      山片優一,篠宮紀彦
    • Organizer
      情報処理学会 全国大会
    • Place of Presentation
      慶應義塾大学(神奈川県)
    • Year and Date
      2016-03-10 – 2016-03-12
  • [Presentation] A matching based algorithm for access point selection in heterogeneous wireless networks2016

    • Author(s)
      Hideo Kobayashi, Eiichi Kameda, Norihiko Shinomiya
    • Organizer
      電子情報通信学会 システム数理と応用研究会(MSS)
    • Place of Presentation
      下関市(山口県)
    • Year and Date
      2016-03-03 – 2016-03-04
  • [Presentation] Controller Placement Problem to Enhance Performance in Multi-domain SDN Networks2016

    • Author(s)
      Hidenobu Aoki, Norihiko Shinomiya
    • Organizer
      IARIA The Fifteenth International Conference on Networks (ICN 2016)
    • Place of Presentation
      Lisbon (Portugal)
    • Year and Date
      2016-02-21 – 2016-02-25
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Controller Placement Algorithm to Alleviate Burdens on Communication Nodes2016

    • Author(s)
      Genya Ishigaki, Norihiko Shinomiya
    • Organizer
      International Conference on Computing, Networking and Communications (ICNC)
    • Place of Presentation
      Kauai (USA)
    • Year and Date
      2016-02-15 – 2016-02-18
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 複数無線通信サービス環境におけるアプリケーション特性とネットワーク指標を考慮した基地局割り当て手法2016

    • Author(s)
      亀田栄一,小林英雄,篠宮紀彦
    • Organizer
      情報処理学会 第15回コンシューマ・デバイス&システム(CDS)研究発表会
    • Place of Presentation
      天草(熊本県)
    • Year and Date
      2016-01-21 – 2016-01-22
  • [Presentation] 不可分フロー平滑化問題に対するタイセットを用いた分散アルゴリズムの考察2015

    • Author(s)
      山田正史, 石垣原野, 篠宮紀彦
    • Organizer
      電子情報通信学会 回路とシステム研究会(CAS)
    • Place of Presentation
      指宿(鹿児島県)
    • Year and Date
      2015-11-20 – 2015-11-21
  • [Presentation] On composing a disruption tolerant tree in a network with intermittent links based on stress centrality2015

    • Author(s)
      Genya Ishigaki, Norihiko Shinomiya
    • Organizer
      電子情報通信学会 回路とシステム研究会(CAS)
    • Place of Presentation
      指宿(鹿児島県)
    • Year and Date
      2015-11-20 – 2015-11-21
  • [Presentation] 複数OpenFlowコントローラ間の共有情報削減による負荷軽減手法の検証2015

    • Author(s)
      小野貴志,長野純一,篠宮紀彦
    • Organizer
      電子情報通信学会 ソサイエティ大会
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県)
    • Year and Date
      2015-09-08 – 2015-09-11
  • [Presentation] A Station Assignment Method Considering Applications being Used in a Mixed Environment of Different Wireless Communication Services2015

    • Author(s)
      Eiichi Kameda, Hideo Kobayashi, Norihiko Shinomiya
    • Organizer
      International Workshop on Informatics (IWIN2015)
    • Place of Presentation
      Amsterdam (Netherlands)
    • Year and Date
      2015-09-06 – 2015-09-09
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 重複度が1となるタイセットの分布と点素パスの算出について2015

    • Author(s)
      伊藤 隆太, 篠宮 紀彦
    • Organizer
      電子情報通信学会 第28回 回路とシステムワークショップ
    • Place of Presentation
      淡路島(兵庫県)
    • Year and Date
      2015-08-03 – 2015-08-04
  • [Presentation] サイクル構造に着目したフロー平滑化アルゴリズムの収束速度分析2015

    • Author(s)
      山田 正史, 石垣 原野, 篠宮 紀彦
    • Organizer
      電子情報通信学会 第28回 回路とシステムワークショップ
    • Place of Presentation
      淡路島(兵庫県)
    • Year and Date
      2015-08-03 – 2015-08-04
  • [Presentation] Layered Control Plane for Reducing Information Sharing in OpenFlow Networks2015

    • Author(s)
      Hidenobu Aoki, Junichi Nagano and Norihiko Shinomiya
    • Organizer
      IEEE The International Conference on Communications (ICC 2015)
    • Place of Presentation
      London (UK)
    • Year and Date
      2015-06-08 – 2015-06-12
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Network Partitioning Problem to Reduce Shared Information in OpenFlow Networks with Multiple Controllers2015

    • Author(s)
      Hidenobu Aoki, Junichi Nagano and Norihiko Shinomiya
    • Organizer
      IARIA The Fourteenth International Conference on Networks (ICN 2015)
    • Place of Presentation
      Barcelona (Spain)
    • Year and Date
      2015-04-19 – 2015-04-24
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 創価大学 理工学部 篠宮研究室

    • URL

      http://www.t.soka.ac.jp/~shinomi/

URL: 

Published: 2017-01-06  

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