提出日 平成 23 年 2 月 15 日
ルータ間リンクの省電力制御が多重 TCP トラヒックに及ぼす影響調査のための実装実験
川原研究室
07232083 山田 賢吾

はじめに

表 1: 送信端末仕様
OSCPU

近年，通信技術の急速な発達により大容量データの高速通信が可能となった．そのためインターネットは企業・民間問わず広く普及し，利用者数は現在も増加傾向にある. これに伴いネットワーク機器の設置台数，消費電力も急増しており，その中でも多くの割合を占めるスイッチ/ルータの省電力化は急務の課題となっている．これまでにスイッチ/ルータの省電力化手法として，ポート転送速度が低いほどポートあたりの消費電力量が少ないという特徴から転送トラヒックに応じたポート転送速度の動的制御手法があげられている．しかし，上位レイヤプロトコルである TCP 通信を考慮した場合，通信性能が劣化してしまう可能性がある. 先行研究では TCP トラヒックの転送性能と帯域制限の関係についてシミュレーションにより評価し，TCP 通信におけるポート転送速度制御の影響が示されたが，実環境における性能は不明であるため，本研究では先行研究におけるシミュレーション環境に基づき，実験ネットワークを構築し，帯域制限の有用性を調査する．

バッファサイズ

表 2: ルータ・受信端末仕様
OSCPU
メモリ
バッファサイズ90100

simulation
experiment

9080

研究対象

Linux Debian lennyIntel(R)Core(TM)i3 3.07[GHz]3[Gbyte]15[Mbyte]

図 2: ネットワークトポロジ

図 1: 帯域と消費電力の関係
100

Wmin[Mbit/sec]

2

メモリ
TCP

Linux Debian lennyIntel(R)Pentium(R)Dual CPU 1.6[GHz]1[Gbyte]
CUBIC，NewReno,
Vegas，CTCP
3.4[Mbyte]

Wmin[Mbit/sec]

170605040807060302050
図 1 にポート転送速度と消費電力の関係を示す．この図より
1100
10delay time[msec]
設定帯域が小さいほど電力消費量が少なく，省電力効果が得られ0110100
CUBIC
CTCP
NewRenoVegas
delay time[msec]ることがわかる．本研究ではこの傾向に着目し，TCP トラヒッ
図 3: 必要最小帯域
図 4: TCP 毎の必要最小帯域
クにおけるルータ間のポート転送速度切り替えが転送性能に及結果と考察
ぼす影響から，TCP における帯域制限の有用性を調査する．今 4回の実験では帯域 100[Mbps] のネットワークを想定しており， 4.1 1 対 1 ノード間通信
帯域を 100[Mbps] 以下に制限した場合の通信性能，省電力効果
実機とシミュレーションによる必要最小帯域を図 3 に示す．横への影響から帯域制限可能である環境の調査を行う．
軸をルータ間遅延，縦軸を必要最小帯域とする．この図から実3

実験概要

機とシミュレーションともにルータ間リンク遅延が増加するほ2 対 2 ノード間通信

4.2

実験機器として送信端末仕様を表 1, ルータ・受信端末仕様を ど，省電力性能が向上することが明らかとなった．これはリンク表 2，ネットワークトポロジを図 2 に示す．図 2 の S は送信端 遅延の増加に伴い，セグメントの連続転送可能数を表すウィン
末，D は受信端末，R はルータを示す (今後，S1 -D1 を経路１， ドウサイズの増加が抑制されるため転送時間が大きくなり，評S2 -D2 を経路 2 と呼ぶ)．この実験ネットワークで次の 2 通り 価指標である 1.1D̄e 100 を満たす範囲が増加することに起因する．しかし，実機においてはシミュレーションほどの省電力性の実験を行う．
能は得られなかった．これは，シミュレーションでは輻輳回避
3.1 1 対 1 ノード間通信モードに移行するウィンドウサイズに関する閾値が固定である実機における有用性を示すため，1 対 1 ノード間通信を行い， のに対し，実機では送信側端末のメモリ，輻輳状況に応じて閾シミュレーションより得られた省電力性能と比較を行う．TCP 値が動的に変化するためである．今回は，実機の閾値がシミュは Linux のデフォルト実装である CUBIC を用い，送信間隔， レーションの閾値よりも総じて高く，設定帯域を十分に利用す
ファイルサイズは固定とした平均トラヒック量 10[Mbps] のファ るため，無制御時の転送時間の減少により，相対的に省電力性イル転送を行う．
能が低下することになる．

3.2

2 対 2 ノード間通信

実環境における有用性を示すため，リンク遅延が異なる 2 対
図 4 に各 TCP 毎の必要最小帯域を示す．横軸をルータ間リ2 ノード間通信（経路 1，2）において，送信間隔が指数分布， ンク遅延，縦軸を必要最小帯域とする．まず，ルータ間リンク遅ファイルサイズがパレート分布に従う間欠的なファイル転送を 延が 1[msec] の場合，Vegas の省電力性能が最も高く，CUBIC行う．実環境においては様々な TCP バージョンが存在し，各 が最も低くなる．遅延ベースである Vegas はパケットロスが発バージョン毎に輻輳制御方式が異なり，転送速度制限の影響も 生しないようウィンドウサイズを微調整することにより，他の異なると考えられるため，TCP バージョンの影響調査も行う． TCP と比較し無制御時の転送時間が長くなるため，省電力性能ネットワーク状況の推定方法は大きく 3 種類あり，パケット破 が高くなる．一方 CUBIC は ACK の到着毎に急激にウィンド棄情報を用いるロスベース，遅延情報を用いる遅延ベース，両 ウサイズを増加することから，転送時間が短く，通信性能の劣者を兼ね備えたロス + 遅延ベースに分類される．これらの比較 化の影響が大きいため，帯域制限が困難となる．ルータ間リンを行うため，ロスベースの CUBIC，NewReno，遅延ベースの ク遅延が 100[msec] の場合，CTCP の省電力性能が最も高く，Vegas，ロス + 遅延ベースの CTCP を適用する．
Vegas が最も低くなっている．すなわち，ルータ間遅延が大きい
場合は遅延ベースでウィンドウサイズを調整する Vegas より急3.3 評価指標激に増加する CTCP の方が適していることになる．以上より，双方の実験において，平均トラヒック量を 10[Mbps]，ルータ ルータ間リンク遅延が小さい場合 Vegas が，大きい場合 CTCP間リンク遅延を 1，10，100[msec]，帯域を 10〜100[Mbps] の場 が省電力化に有用であることが明らかとなった．
合に以下を評価する．
5 まとめ• 転送性能：平均ファイル転送時間 D̄e [sec]送信ファイルが宛先ノードに到着するまでの平均時間．
TCP トラヒックにおけるルータ間帯域制限の影響に関して，実装実験とシミュレーションにおけるウィンドウサイズ閾値が1 ファイル送受信時間の総和 [sec](1) 省電力性能に大きく影響することが明らかとなった．そのため
D̄e =送受信終了ファイル数
シミュレーションより省電力性能は低下するが，帯域制限の有効性については示された．また，実環境を想定した 2 対 2 ノー
• 省電力性能：必要最小帯域 Wmin [Mbps]
ルータ間帯域が 100[Mbps] の平均ファイル転送時間を ド間においては，ルータ間リンク遅延が大きい場合は CTCP，D̄e 100 とし，帯域制限時の D̄e が 1.1D̄e 100 以下となる 小さい場合は Vegas が最も省電力効果が得られることを明らかにした．
帯域の最小値を Wmin と定義する．

C5-2