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コンテナ技術に基づく自己変革能力を備えたネットワークスライスモビリティの実現

研究課題

研究課題/領域番号 23K16869
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分60060:情報ネットワーク関連
研究機関奈良先端科学技術大学院大学

研究代表者

原 崇徳  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (70907881)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2025年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2024年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
キーワードネットワークスライシング / 粗相関均衡 / カーネルパケット処理 / AF_XDP / スライスモビリティ / 利己的最適制御 / クラウドネイティブネットワーク機能 / 時空間分析 / コンテナ技術
研究開始時の研究の概要

時空間変化するサービス需要とモビリティパターンを持つ自律移動機器に安定かつ高品質なサービスを提供するためには,環境の変化に反応して,ネットワーク資源の再構成・再配置・再利用を可能にする自己変革能力を備えたスライスモビリティの実現が不可欠である.特に(1)サービス需要とモビリティパターンの時空間予測,(2)テナント間の競合関係を考慮した資源割当,(3)需要変化・障害発生への適応といった課題を解決を解決するために,サービス需要とモビリティパターンの時空間分析とオンライン利己的最適制御による資源割当に基づく数理的解法とコンテナ技術を背景としたスライスインフラ基盤に基づく実践的解法をそれぞれ確立する.

研究実績の概要

2023年度は,(1) オンライン型利己的最適制御による資源割当と(2) ネットワークスライスの資源管理に関する研究をそれぞれ遂行した.(1)では,オンライン型利己的最適制御の確立の初期段階として,粗相関均衡(Coarse Correlated Equilibrium: CCE)を達成するクラウド・エッジへのタスクオフローディング手法を確立するとともに,提案方式の有効性を効用,実行時間の観点から評価した.本成果は,ブロックチェーンネットワークを対象としているが,ネットワークスライシングへの応用も今後検討する.(2)では,(2a) ネットワーク機能の多様性と冗長性の観点からネットワークスライスを構成するネットワーク機能の配置とサービスチェイニング手法,(2b) 機械学習を搭載したカーネルネットワーク機能をそれぞれ確立するとともに,その性能を分析した.得られた研究成果を査読付き雑誌論文2件,査読付き国際会議論文2件,国内会議・大会6件で報告した.
2024年度以降は,(1) ユーザのモビリティ特性を考慮したスライスモビリティ手法の確立,(2) Network Service Mesh (NSM) とKubernetesを活用したContainerized Network Function (CNF) 型ネットワークスライシング手法の性能評価,(3) カーネルネットワーク機能におけるネットワーク内学習手法の創出,(4) オンライン型利己的最適制御アルゴリズムの確立,についてそれぞれ取り組む.各項目について,得られた成果を査読付き国際会議論文および査読付き雑誌論文にまとめ,研究成果を国内外に発信する予定である.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

2023年度は,(1) オンライン型利己的最適制御による資源割当と(2) ネットワークスライスの資源管理に関する研究をそれぞれ遂行した.
(1)では,オンライン型利己的最適制御の確立の初期段階として,粗相関均衡(Coarse Correlated Equilibrium: CCE)を達成するクラウド・エッジへのタスクオフローディング手法を確立した.本手法では,CCEを達成するように,各マイナーが分散アプリケーションのマイニングタスクをクラウド・エッジにオフローディングするために,最適化問題を定式化し,Lyapunov最適化によるオンライン解法を提案した.数値実験により,提案方式の有効性を効用・公平性・実行時間の観点から確認し,オンライン型の資源割当の実現可能性を示した.本成果は,ブロックチェーンネットワークを対象としているが,ネットワークスライシングへの応用も今後検討する.
得られた研究成果を査読付き国際会議論文1件,国内会議・大会3件で報告した.また,査読付き雑誌論文1件に投稿中である.
(2)では,(2a) ネットワークスライスを構成するネットワーク機能の配置とサービスチェイニング手法,(2b) 機械学習を搭載したカーネルネットワーク機能をそれぞれ確立した.具体的には,(2a)はネットワーク機能の多様性と冗長性の観点から,資源割当効率と可用性を考慮したサービスチェイニングとVNF配置手法を提案した.(2b)は,カーネル空間で動作する軽量なニューラルネットワークを搭載したネットワーク機能とAF_XDPを活用したネットワーク機能をそれぞれ提案し,それらの性能分析を推論精度とパケット処理効率の観点から評価した.得られた研究成果を査読付き雑誌論文2件,査読付き国際会議論文1件,国内会議・大会3件で報告した.
以上を踏まえて,2023年度時点で本研究計画は概ね順調に進展しているといえる.

今後の研究の推進方策

2024年度は,(1) ユーザのモビリティ特性を考慮したスライスモビリティ手法の確立,(2) Network Service Mesh (NSM) とKubernetesを活用したCNF型ネットワークスライシング手法の性能評価,(3) カーネルネットワーク機能におけるネットワーク内学習手法の創出,(4) オンライン型利己的最適制御アルゴリズムの確立,についてそれぞれ取り組む.具体的には,(1)では,ユーザのモビリティ特性に基づくスライスモビリティを最適化問題として定式化するとともに,機械学習やゲーム理論を活用した効率的な解法を提案する.(2)では,NSMを利用したCNF型ネットワークスライシング手法を確立するとともに,可用性,レイテンシ,資源利用率の観点からその性能を分析する.(3)では,従来推論機能のみに着目していた機械学習に基づくカーネルパケット処理に対して,データ収集機能と学習機能を考慮する.(4)では,CCEを達成する資源割当手法を拡張し,オンライン型利己的最適制御アルゴリズムの確立を目指す.各項目について,得られた成果を査読付き国際会議論文および査読付き雑誌論文にまとめ,研究成果を国内外に発信する予定である.

報告書

(1件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 研究成果

    (10件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Resource-Efficient and Availability-Aware Service Chaining and VNF Placement with VNF Diversity and Redundancy2024

    • 著者名/発表者名
      HARA Takanori、SASABE Masahiro、SUGIHARA Kento、KASAHARA Shoji
    • 雑誌名

      IEICE Transactions on Communications

      巻: E107.B 号: 1 ページ: 105-116

    • DOI

      10.1587/transcom.2023WWP0003

    • ISSN
      0916-8516, 1745-1345
    • 年月日
      2024-01-01
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Practicality of in-kernel/user-space packet processing empowered by lightweight neural network and decision tree2024

    • 著者名/発表者名
      Hara Takanori、Sasabe Masahiro
    • 雑誌名

      Computer Networks

      巻: 240 ページ: 110188-110188

    • DOI

      10.1016/j.comnet.2024.110188

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 分散アプリケーションにおけるゲーム理論に基づくマイニングタスクのオフロード手法に関する一検討2024

    • 著者名/発表者名
      山田浩太, 原崇徳, 笠原正治
    • 学会等名
      電子情報通信学会ネットワークシステム研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] ゲーム理論を用いた分散アプリのオフロードマイニングにおけるLyapunov最適化2023

    • 著者名/発表者名
      山田浩太, 原崇徳, 笠原正治
    • 学会等名
      電子情報通信学会超知性ネットワーキングに関する分野横断型研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 分散アプリにおけるオフロードマイニングのための繰返確率ゲーム2023

    • 著者名/発表者名
      山田浩太, 原崇徳, 笠原正治
    • 学会等名
      電子情報通信学会ソサエティ大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] A Repeated Stochastic Game Approach for Offload Mining in Distributed Applications in a Permissionless Blockchain Network2023

    • 著者名/発表者名
      K. Yamada, T. Hara, and S. Kasahara
    • 学会等名
      International Conference Emerging Technologies for Communications (ICETC 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] On Practicality of Kernel Packet Processing Empowered by Lightweight Neural Network and Decision Tree2023

    • 著者名/発表者名
      T. Hara and M. Sasabe
    • 学会等名
      International Conference on Network of the Future (NoF 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 機械学習を搭載したカーネル空間・ユーザ空間 パケット処理の性能分析2023

    • 著者名/発表者名
      原崇徳, 笹部昌弘
    • 学会等名
      電子情報通信学会超知性ネットワーキングに関する分野横断型研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] ニューラルネットワークを搭載したAF_XDPによるパケット処理性能の分析2023

    • 著者名/発表者名
      原崇徳, 笹部昌弘
    • 学会等名
      電子情報通信学会ソサエティ大会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] ニューラルネットワークを搭載したextended Berkeley Packet Filterを用いたカーネルネットワーキングの一検討2023

    • 著者名/発表者名
      原崇徳, 笹部昌弘
    • 学会等名
      電子情報通信学会ネットワークシステム研究会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2024-12-25  

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