Advanced Network Architecture Research Group
http://www.anarg.jp
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Osaka University

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研究の背景
IPv4 のアドレス枯渇が目前に控えている
IPv6 の他に、キャリアグレードNAT の導入も検討
キャリアグレードNAT:
現在、ISP がグローバルアドレスではなくローカルアドレスを配布する機構

Measurement and analysis of Network
by Considering Applications’ Dynamism

一つのグローバルアドレスの共有人数を設計する必要

大量にコネクションを使用するアプリケーションが増加
Google Map や Amazon などのサイトでは応答性を重視するため、Web ブラウザが複数のコネクションを大量に使用

古田 晋也
大阪大学大学院情報科学研究科
先進ネットワークアーキテクチャ研究室¾ Firefox などのブラウザは、そのようなサイトに最適化するように多量のコネクションを張るような初期設定になっている¾ サーバ毎の持続的接続の最大接続数 6 (RFC では2を推奨)

BitTorrent はダウン/アップロードのために大量のコネクションを使用

予期しなかった問題
NAPT のセッションテーブルのあふれサーバ側の負担の増加※NAT (Network Address translation)
1

NAPT (Network Address Port Translation)
2

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研究の目的と方法

研究の方法
研究の方法

研究の目的
ネットワークの設計に適用するための基礎データの取得
ルータのセッションテーブルのサイズの設計
キャリアグレード NAT が一つのグローバルアドレスを共有する人数の設計
新しい通信アーキテクチャのための基礎データの取得
近年、コネクション毎に IP アドレスをわりふる
Unified Multiplex 通信アーキテクチャが提案されている
Unified Multiplex 通信アーキテクチャにおけるアドレスの消費数の見積もり

アプリケーション毎にユーザのアクションを定義
ユーザのアクションによるコネクション数の変動を観測
トラヒックの観測は Wireshark を使用

34

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Web ブラウザのコネクション数の時間変移評価の方法

z ユーザアクション (Amazon の場合)

対象アプリケーション① Amazon のトップページ(http://www.amazon.co.jp/) にアクセス② 本・コミック・雑誌→ 和書にアクセス
IE のkeep-alive の③ 和書Top 100 詳細を見るにアクセスタイムアウトによる切断④ 一位の本をクリック
Firefox の⑤ 閉じる
同時接続数の制限
12Web ブラウザ (Firefox 3 と IE 6)
Google Map、Amazon、Youtube の3サイトを閲覧

メールクライアント (Thunderbird 2 と Outlook)
インスタントメッセンジャー (Windows Live Messenger)
P2P ファイル共有ソフト (BitTorrent)
Number

アプリケーション毎にユーザアクションの定義
以下の基礎データで分析
コネクション数の時間的変移
コネクションのリクエスト数の時間的変移
コネクションの接続時間の累積分布
リクエスト間隔の累積分布

251020

Number308

サーバ側の keep-alive のタイムアウトによる切断

215
10
500

50

100150Time(sec)

5Ｆｉｒｅｆｏｘ

200

250

6
40050

100 150
Time(sec)

コネクション数の時間変移 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｅｘｐｌｏｒｅｒ

20025061

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メールクライアントのコネクションの時間変移

MSN Live Messenger のコネクション数の時間変移と接続時間の累積分布

z ユーザアクションz ユーザアクション

Number

1.5
10.5
フォルダの毎にコネクションを張る（サーバー一つにつき最大５つ）

00 50 100150200
250300350400450
認証のための接続がされる
Time(sec)
Outlook7
コネクション数の変移

0 50 100150200250300350400450
Time(sec)Thunderbird 2

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50

Torrent ファイルをクリックしてダウンロード開始
ファイルのダウンロードを終了
全体の9割弱が120秒以内の接続
しばらくの間、そのまま起動しておく
BitTorrent の終了

Number

ダウンロードの終了

30
25
20
15
10

Cumulative Distribution

40
35

0 200 400 600 8001000120014001600
広告のTime(sec)
ダウンロード コネクション数の時間変移

0.6

コンテンツを配信する
サーバのタイムアウト時間
まで接続

0.4

0.2

00200

400

600 800 1000 1200 1400 1600
connect-time(sec)

接続時間の累積分布

8

キャリアグレード NAT の収容人数
グローバルアドレス１つで NAPT を使うと 65,536個のセッションを使用することが可能
収容人数 = 65,536 / 同時コネクション数1

最大46個の接続

45

コンテンツのダウンロード

10.8

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ユーザアクション①②③④

認証やユーザの設定ファイルなどのための接続

マイクロソフトの中央サーバには常に接続

ネットワーク設計への適用

BitTorrent のコネクション数の時間変移と接続時間の累積分布
z

98
7654
3
2
10

① サインインする② 連絡先のクライアントに向けてメッセージを送信(15 秒ごとに交互に5 回ほどやり取りをおこなう)③ 会話ウィンドウをそのままに10 分間そのままにする④ 会話ウィンドウを閉じて10 分間そのままにする⑤ Windows Live メッセンジャーの終了

Cumulative Distribution

2

NumberNumber

8
7654
3
2
10

① アカウント1 のメールの受信をおこなう② アカウント1 のメールのフォルダを順に選択し、メッセージを受信をする(フォルダは約15 秒ずつアクセス、計10 個のフォルダを選択する)③ アカウント2 のメッセージを受信をする
サーバー一つにつき④ アカウント1 でメールの送信をする
一つのコネクション⑤ アカウント1 で再度メールの送信をする⑥ メールクライアントソフトを終了させる

0.8

0.6

0.4

0.2

ファイルの完全版を持っているサーバ（シーダー）には常に接続

Firefox でタブを使用すると、非常に多くのコネクションを使用（Google Readerでタブを10個同時に開くだけで600近くのコネクションを使用）
メールやメッセンジャーなどが常に10弱のコネクションを使用
BitTorrent は平均で160セッションほどセッションテーブルに残る

50
ファイルのアップロード
00
02000 4000 6000 8000 1000012000140001600018000
Time(sec)

コネクション数の時間変移

2000

収容数はたかだか100人程度

4000 6000 8000 10000 12000 14000
connect-time(sec)

接続時間の累積分布

9

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10

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Unified Multiplex 通信アーキテクチャへの適用まとめと今後の課題

コネクション毎に IPv6 アドレスをわりあてる
Unified Multiplex 通信アーキテクチャを提案している
IPv6 アドレスを使用するには、重複してないかを調べる
DAD をおこなう必要がある （約1秒必要）
コネクション毎にアドレスを割り当てるには事前に DAD をおこなっているアドレスのプールが必要
アドレスのプール数はコネクションの同時接続数以上に必要となる

まとめ
ネットワーク設計時にコネクション数が重要な要素となる
一般的なアプリケーション毎のトラヒック分析
アプリケーション毎に同時接続数の時間変移を調査
キャリアグレード NAT の適正な収容人数が、たかだが100人程度であることを明らかにした
コネクション毎に IPv6 アドレスを割り当てる通信アーキテクチャで、アドレスのプール数が700程度必要であることを明らかにした

今後の課題

アドレスのプール数は700程度必要分析した結果をもとにコネクション生成モデルの作成※DAD (Duplicate Address Detection)
11122