山本 貴之 大阪大学 大学院基礎工学研究科 情報数理系専攻 村田研究室 博士前期課程

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1 山本 貴之 大阪大学 大学院基礎工学研究科 情報数理系専攻 村田研究室 博士前期課程
A Study on Routing/Transport Protocols on Ad Hoc Networks for High-speed Data Service アドホックネットワークにおける 高速データ通信プロトコルに関する研究 山本 貴之 大阪大学 大学院基礎工学研究科 情報数理系専攻 村田研究室 博士前期課程

2 発表内容 無線アドホックネットワークとは フレキシブル無線ネットワークに関する研究 TCPを用いたエンドホスト間通信に関する研究
システム概要 フレキシブル無線ネットワークに関する研究 プロトコルの評価と、性能向上のための提案 TCPを用いたエンドホスト間通信に関する研究 生存時間の短いTCPコネクション向けのルーティング 手法の提案 これまで提案されたルーティング手法との比較 まとめと後期課程での研究計画 本発表ではまず… また、商用システムの１つである… 発表いたします。 Feb 修士論文発表会

3 無線アドホックネットワークとは パケット中継機能を備えた複数台の無線端末に よって構成されるマルチホップネットワーク
端末の追加、削除、移動に対応 5 3 4 1 2 一通り説明した後 「このシステムを実装した商用システムの１つとして」と次ページへ移る Feb 修士論文発表会

4 システムの特徴 -利点- 設置、撤去が簡単で素早く行える 既設のインフラストラクチャに依存しない （協調動作させることも可能） -問題点-
ルーティングに必要なリソースが大きい 有線ネットワークに比べてパケットロス率が高い 問題点まで終わった後 「こういった特徴をもったアドホックネットワークを実装した製品として…」 Feb 修士論文発表会

5 フレキシブル無線ネットワーク ㈱富士電機により開発された 情報収集システム 信頼性を高めることを主眼に 置いた独自のプロトコル
アプリケーション適用例 プラントの電力消費量の収集 自動販売機の売上集計 スキーリフトのゲートからのデータ集計 「株式会社富士電気により開発された情報収集システム『フレキシブル無線ネットワーク』が 　挙げられます。このシステムは…」 Feb 修士論文発表会

6 システム概要 隣接端末との経路表交換による経路探索 （Proactive routing protocol）
目標端末に対して複数の経路を管理 中継エコー方式により、ホップごとのパケット受領確認と再送制御を行う 無線チャネルは固定時間でスロットに分割される パケットにはスロット単位の最大生存時間が設定される 「再送制御を行う方式をとっており、これらによってネットワークの信頼性を高めています」 スロットの話 「このパケット最大生存時間はこれまでは一律に設定されていましたが、シミュレーションによるシステムの性能評価を行った結果、この値はネットワーク性能に大きな影響をもつことがわかりました」 Feb 修士論文発表会

7 性能向上手法の提案 適切な最大生存時間を設定する手法 パケット複製の原因となる、パケット衝突を 抑える手法
送信元端末でパケット最大生存時間を設定する際 パケットごとに目標ノードまでのホップ数を考慮する シミュレーションでは一例として計算式 L(h)=6h+12 を用いて評価を行う パケット複製の原因となる、パケット衝突を 抑える手法 パケット再送までの時間をランダムに決定する 生存時間が足りなくなると予想されるパケットを棄却する 「そこでより高い性能を得るために、送信元端末で…」 「次にこれらの手法をネットワークシミュレータns-2に実装し、評価を行った結果を示します。 　シミュレーションの詳細については論文をご参照ください。」 Feb 修士論文発表会

8 性能向上手法を適用した時の パケットロス率
ここでは横軸にネットワークに与える負荷、縦軸にパケットロス率を示しています。 赤と水色のラインは、提案手法を適用せず、パケット最大生存時間のみを変化させたときの結果です。 ここから生存時間が短いと、負荷が低くてもロス率が高くなってしまう一方、生存時間が長いと負荷の増加に伴って急激に性能が劣化してしまうことがわかります。 最大生存時間をホップ数に応じて計算した結果、緑のラインのように急激な劣化を抑えることができ、加えてパケット衝突を抑える２つの手法を適用することで、さらに性能を向上できることがわかりました。 パケットロス率 = 目標ノードに届かなかったパケットの割合 Load　　　　　　 = １スロットあたり発生する平均パケット数 L(h)　　　　　　　= パケット最大生存時間 Feb 修士論文発表会

9 TCP on Ad Hoc Networks アドホックネットワーク上のトランスポート層プロトコルとしてTCPが使用される
無線アドホックネットワークと有線ネットワークの統合 センサネットワークへの適用 これまで行われてきた研究のアプローチ 長時間続くTCPコネクションの定常状態を対象とし、スループットで性能評価を行う 本研究のアプローチ 生存時間の短いTCPコネクションを対象とする 有線ネットワークとの統合を考えると、TCPに変更を加える性能向上手法は適用しにくい ルーティングプロトコルの改善による性能向上 Feb 修士論文発表会

10 既存のルーティングプロトコルに対する考察
Proactive protocol 隣接端末との経路表交換による経路探索 既知の経路は素早く探索可能 端末数が増えるとオーバーヘッドが増大する リンク切断時に素早く新しい経路を探索できない On-demand protocol ブロードキャストパケットによる経路問い合わせ 最適な経路を発見する可能性が高い リンク切断に対して再度経路探索が可能 経路探索のため、コネクション確立に時間がかかる Feb 修士論文発表会

11 提案 LHR (Low-latency Hybrid Routing protocol)
短生存時間TCPコネクションに適したルーティング手法 送信データが少量の場合、ルーティングのための遅延がコネクション時間全体に占める割合が大きくなる ルーティング遅延を小さくすることで、TCPコネクションの確立・データ転送を素早く行い、性能を向上させる Feb 修士論文発表会

12 初期経路探索 RREQ (Route Request) メッセージと RREP (Route Reply) メッセージによる オンデマンド経路探索 RREP broadcast D D RREQ broadcast これにより、RREQを発生した端末だけでなく、他の端末も目標端末への経路を認識することができます。その後各端末は、周期的にメッセージを交換し、RREPパケットで作成された経路表を更新します。毎回ブロードキャスト経路探索を行う必要がないため、遅延を減らすことができます。 またTCPコネクション確立時には3way handshakeが行われますが、その時この経路探索が必要になると、SYNパケットはバッファリングされることになり、遅延が増加します。（次へ TCP SYN TCP SYN S S Feb 修士論文発表会

13 経路探索とコネクション確立 の統合 経路探索とコネクション確立を統合した方式での TCPコネクション確立までの流れ
1. RREQ with TCP SYN送信 (src.) 2. RREP with TCP SYN+ACK送信 (dst.) (1) RREQ with TCP SYN broadcast D S (2) RREP with TCP SYN+ACK broadcast Feb 修士論文発表会

14 リンク切断からの素早い回復 使用中のリンクが途中で切れた場合、素早く 別経路で回復できなければならない
複数経路を管理し、素早く別経路に切り替える 代替経路が無い場合、ブロードキャストで経路探索を開始する ２ ４ アドホックネットワークでは、ノイズ・障害物・端末移動などに伴うリンク切断が発生します。 それに対して素早く経路を回復するため、LHRは… １ ３ Feb 修士論文発表会

15 プロトコル性能評価環境 ネットワークシミュレータ ns-2 を使用 500m x 2000mのフィールド、50ノード
端末移動は最大0, 5, 20 m/secのrandom waypoint model TCPコネクション開始要求は平均5本/secの ポアソン分布に従って発生する 各コネクションのデータ量は、最大10パケットまで 比較対象のルーティング手法 Proactive protocol (DSDV) On-demand protocol (DSR) Feb 修士論文発表会

16 評価結果 端末移動 なし 端末移動最大速度 20m/sec 横軸：コネクション確立時間 縦軸：時間内に確立できたコネクションの累積度数分布
軸の説明。 DSDVは経路の変化が速くなると、経路表の交換が間に合わなくなる。 オンデマンド経路探索が可能なLHRやDSRは端末移動がある環境でも適切な経路探索が可能であり、LHRは様々な環境下でDSRよりも素早くコネクションを確立できることが確かめられました。 横軸：コネクション確立時間 縦軸：時間内に確立できたコネクションの累積度数分布 Feb 修士論文発表会

17 まとめ アドホックネットワークの性能評価と 性能向上手法の提案
商用システム「フレキシブル無線ネットワーク」を対象とした評価と性能向上手法の提案 システムパラメータ（パケット最大生存時間）とネットワーク性能の関係に注目 提案手法がネットワーク性能を向上できることを示した センサネットワーク等を対象とした、短生存時間TCPコネクションに適したルーティング手法 LHR の提案 アドホックネットワーク特有のルーティング遅延の低減により 素早いコネクション確立と、リンク切断時の経路再構築を実現 様々なネットワーク環境下で比較対象としたプロトコルよりも多くのコネクションを短時間で確立できることを示した Feb 修士論文発表会

18 後期課程での研究計画 モバイル環境を対象としたピアツーピア 情報共有基盤 インフラストラクチャとしてアドホックネットワークを適用
モバイルデバイスからの情報発信 有線ネットワークからモバイル環境上の資源への アクセス データリンク、ルーティングプロトコル 位置登録、資源登録、資源探索、ゲートウェイ アプリケーション Feb 修士論文発表会

19 集団移動を考慮した 経路制御や ゲートウェイ設定
後期課程での研究計画 有線ネットワーク との統合 資源名による 経路探索 資源のキャッシュ クラスタヘッド選定 集団移動を考慮した 経路制御や ゲートウェイ設定 Feb 修士論文発表会