成蹊大学理工学研究報告
J. Fac. Sci. Tech., Seikei Univ.
Vol.44 No.２ (2007) pp.83-88（特別研究費に係る論文）

オールＩＰネットワークにおけるふくそう制御方式の提案
畠山賢一＊1，栗林伸一＊２

Proposed congestion control methods for all IP-based networks
Kenichi HATAKEYAMA＊１ and Shin-ichi KURIBAYASHI＊２，
ABSTRACT : All-IP networks, including next generation networks (NGNs), in which IP technology isused to integrate all services, are being studied or introduced in earnest worldwide. To support any
services in all-IP networks, it is necessary to allocate both the computing resource (processing ability)
and the network resource (bandwidth) simultaneously.
This paper discusses congestion control schemes for all-IP based networks, based on the joint allocationof multiple types of resources. This paper first analyzes congestion control schemes used in existing
services and networks, and proposes basic principles on congestion control for all-IP networks, assuming
the joint allocation of multiple types of resources. Next, two schemes are proposed to materialized a partof basic principles. First scheme is a flexible resource reallocation scheme in which a part of network
resources not fully used in one center are reallocated to other center. Second scheme is a smart request
restriction scheme to ease the congestion, which does not restrict all requests uniformly but restricts only
those requests that require a large amount of resource of the congested resource type. Finally, wedemonstrate the effectiveness of the proposed schemes by numerical computation and simulation
evaluations.
Keywords : Congestion control，All-IP network，NGN(Received August 3, 2007)
問題となっているウイルス，不正アクセス，DoS 攻撃な１．まえがきどが今までそのような問題が発生していなかったサービ
次世代ネットワーク(NGN) も含め，全てのサービススにも拡大する懸念がある｡ VoIP による不正音声スパ(1)

を IP 技術により統合する“オール IP ネットワーク”の

ム SPIT などはその一例である。

検討ならびに導入が近年積極的に進められている｡オー

また，複数のサービスが混在することになり，他ユー

ル IP ネットワークでは，従来インターネットで提供されザトラヒックに伴う干渉に加え，サービス間の干渉(他サていたメール、Web アクセス，ブログ，動画配信だけでービスの過負荷やふくそうによって影響を受けること)なく，固定電話，携帯電話，TV ，センサ情報なども IPが多発する可能性が高くなる。例えば，地震発生などに技術を用いてサービス提供される。また，単に既存サーよる発信規制などは従来データ通信ネットワークではあビスを IP 化するだけでなく，他サービスとの連携や新たまり大きな問題とはなっていなかったと思われるが，同なサービス創出も期待されている。従来ネットワーク事じ資源を共有する限り干渉を受けることになる。つまり，業者と呼ばれていた事業者もネットワークの提供だけで今まで特定サービスでしか発生していなかったふくそうなく計算能力も合わせて提供するサービスも開始していが他サービスのふくそうを誘発したり，または特定サー

(2)

(3)

ビスの異帯トラヒック(スパムや DDoS 攻撃なども含

全てのサービスをインターネットに類似したネットワむ)が他のサービスの品質劣化を引き起こす可能性が出る 。
ーク上で提供することを想定すると，インターネットでてくる。
次世代ネットワークを含むオール IP ネットワークが*1：工学研究科物理情報工学専攻修士程学生

本格導入ならびに社会インフラ化する前に，これらに対*2：理工学部情報科学科教授 ( kuribayashi@st.seikei.ac.jp)－83－

応する対策を確立しておくことは大変重要なことである。

資源全体

本論文では，次世代ネットワークを含むオール IP ネット
・・

ワークにおけるふくそう制御方式について検討する。まず，既存サービスや既存ネットワークで検討されている

サービス
1 専用

ふくそう制御方式の分析を踏まえたオール IP ネットワサービス
2 専用

サービス
N 専用

共用資源

図２
複数サービスに対する資源割当てイメージ
図２．複数サービスに対ークのふくそう制御に対する基本的な考え方を明らかに整理する。次に，課題の１つである“複数資源を同時に割り当てること”を前提としたふくそう対策を新たに提＜３＞特定サービスが過負荷またはふくそうになった案し，その有効性を評価する。

場合の規制のため，サービス毎に優先，非優先などの処理レベルも設ける。

２．オールＩＰネットワークのふくそう制御に対す＜４＞オール IP ネットワーク上でサービスを提供する基本的な考え方

るためには，コンピューティング資源(計算能力)やネットワーク資源(帯域)など複数資源を同時に割当てる必要

電話網，バケット交換網，携帯電話網，FR 網，ISDNがある(6)，(7)。複数種別資源の“同時割当て”を前提とし網，ATM 網，高度 IN，インターネット，VoIP などの既た場合，特定の資源種別がふくそうするとその資源種別存ネットワークでは，様々なふくそう対策が実施されての資源だけを他から融通し，ふくそうを緩和させる対応(4)，(5)｡それらの対策はオール IP ネットワークにも適が考えられる。また，ふくそうが継続する場合には全て用できるものが多いと考えられる。以下では，それらもの要求を規制するのではなく，ふくそうしている資源種踏まえたオール IP ネットワークのふくそう制御に対す別を多く必要とする要求のみを規制する対応が考えられる基本的な考え方を以下に整理する。なお，これらは全る。これらの対応により，サービス品質の劣化を抑制しての考え方ではなく，特徴的なものを抽出している。まかつ資源の有効利用を図ることができる。詳細は３章でた，全ての項目を実施する必要はなく，システム毎に必説明する。

いる

要な項目を選択して実施することを前提とする。

＜５＞ふくそう時の緊急通信確保や通常呼の公平な接＜１＞特定サービスの過負荷，ふくそう，DoS/DDoS

続(時間はかかっても順番に着実に接続)のため，ふくそ攻撃などによる他サービスヘの影響･干渉を極力排除すうしていない他サービスの資源を用いてふくそう状態をる。そのため，地理的に分散する様々なサーバ，ネット関係者に通知，または接続規制の支援を行う(図３)。たワーク帯域，ファイヤーウォール装置(SIP 向け SBC 装だし，ふくそうしていなかったサービスが逆にふくそう置なども含む)等の資源を仮想化し，サービス毎に割り当にならないように，ふくそうサービスのための処理量をてる(図１)。

一定値以下に抑えることが条件となる。
オール IP ネットワーク

他サービス用サーバ

サービス 1

利用したいサービス用サーバ（許可されたトークン付の要求以外は拒否）③発信者情報サービス 2・・サービスＮ

①通信予約

図１
IPIPネットワークを共用するイメージ
図１．複数サービスでオール複数サーネット
を共用する②待ち時間＆トークン配布＜２＞また，各サービスに対しては最低品質を維持で発信者⑤接続要求（②で得たトークン付）④待機（②で指示された待ち時間経過後接続要求を行う）
図３ 特定サービスふくそう時に他サービス資源を用い
図３．特定サービスふくそうててふくそうサービスへの接続規制処理を行う例
ふくそう サ
接続規を例

きる専用資源を割当て，共用資源については全サービスで極力公平に利用できるものとする(図２)。サービス毎に専用に割り当てる資源量は利用状況に応じて適宜みなおす。また，特定サービスがふくそう状態になった場合には，共用資源を特定サービスに優先的に振り分け，ふくそうの緩和を図ることも考える。

－84－

＜６＞サービス毎にふくそう対策を考える場合，サーして計算能力と帯域の２つを前提に，その改善策を以下バ，ネットワーク帯域，端末など個々の構成要素で判断に提案する。

するのではなく，ネットワーク全体をみた“真のふくそう原因”特定を行う必要がある。例えば，サーバが混み

3．2

特定資源種別に着目した資源融通方式

合っている場合，そのサーバに接続するネットワークの3．2．1

考え方

帯域が大きすぎるのが真の原因(収容設計の問題)であれ空きがある資源種別の資源の一部を他センタに融通すば，サーバヘの対処でなく接続するネットワークの帯域る。ただし，融通することにより融通するセンタ自体のを小さくする必要がある。

要求棄却率が劣化しない(つまり，資源の一部を融通して＜７＞トランスポート系が混み合っている場合にはそも自身のサービス品質劣化にはつながらない)ことを条

れをリソース／受付制御系やサービス制御機能に伝え，件とする。

新たな呼の接続などを抑制するなどの連携が必要である。
3．2．2＜８＞災害時のふくそうに備え，サービス毎に 171 や方式概要

IAA などに相当する安否システムやふくそうアナウン

図４のモデルを用いて，帯域を融通する場合を説明す

ス(ユーザが通常使用する機器を対象)などを準備しておる。計算能力を提供するサーバ１とサーバ２は物理的にく必要がある。

離れた場所に設置され，各サーバ向け帯域はネットワー
ク内のスイッチによりサーバ１向けとサーバ２向けに分３．複数資源同時割当てを前提としたふくそう制御割されるものとする。図４の例では，サーバ２向け帯域(N2)の空きがほとんどないため，サーバ２の計算能力に方式の提案空きがあるにも関わらずサーバ２で新たな要求を処理で3．1きない状況である。この場合，サーバ１向け帯域(N1)に考え方

本章では，２章で述べた考え方＜４＞を実現する具体

空きがあれば，サーバ１向け要求処理のサービス品質を的なふくそう制御方式を提案する。例えば，ネットワー

劣化させない範囲内で帯域の一部(Nα)をサーバ２向け帯ク装置で計算能力の使用率(通常 CPU 使用率と呼ばれる域に融通する。これにより，サーバ２で処理できる要求ものと同じである)や帯域使用率など複数の指標を監視が増加し，システム全体で扱う要求量が増加する。

しそれらの１つでも一定値以上になると規制を実施する
例は従来もあるが，複数種別の資源を同時に割当てるこ3．2．3とを前提としたものはほとんどない。

最適帯域融通量の算出法

表１は，図４のモデルを前提とした帯域融通量の算出

複数種別の資源を同時に割当てることを前提とした場式をまとめたものである。表１のパターンＩおよびⅡに合，従来の考え方では特定の１つの資源種別だけがふく該当しない場合には，帯域の融通は行わないことを意味

そうしても，サービス品質を維持するために全ての要求する。Wa はサーバ 2 の計算能力の使用率の空きを全て種別を対象に規制が実施されてしまい，資源の利用効率使い切るだけの帯域量を示し，Wb はサーバ１向け帯域が大幅に低下する可能性がある。ここでは，資源種別との残り量を示す。
従って，実際に融通できる帯域量は Wa，

図４ 資源融通方式のイメージと評価モデル－85－表１

帯域の融通量算出式（図４モデル前提）

パターン

融通先条件

Ⅰ

サーバ１向けの帯域をサーバ２向けへ融通

Vn2＝Vn2max
Vc2＜Vc2max
Vn1＜Vn1max

融通量min{Wa,Wb}
但し、
Wa={(Vc2max-Vc2)×Vn2／Vc2}×N2
Wb={Vn1max-Vn1}×N1

Ⅱ

サーバ２向けの帯域をサーバ１向けへ融通

Vn1＝Vn1max
Vc1＜Vc1max
Vn2＜Vn2max

min{Wa,Wb}
但し、
Wa={(Vc1max-Vc1)×Vn1／Vc1}×N1
Wb={Vn2max-Vn2}×N2

Wb の小さい方となる。の可否，融通量を静的に決定することができる。しかし，

表１のパターンＩを前提とした融通量の数値例を図５

実システムでは加わる要求量は時間と共に変動するため，に示す。図５の網掛け部分が帯域融通範囲を示す。またそれに合わせて融通の可否ならびに融通量を動的に決定

図５は，融通しない場合のシステム全体の要求量で正規する必要がある。その方法を以下に説明する。なお，３．

化した値(A)も合わせて示す。図５より，以下の諸点が２．３と同様に帯域の融通を対象とする(計算能力の融通明らかである。

は対象外)。

ⅰ) サーバ２の計算能力の使用率 Vc2 が一定値まではⅰ) まず，各資源の使用状況を把握する必要がある。集Wb が Wa よりも小さいため，融通量は Wb の値で一定中的に管理する方式も考えられるが，システム全体のである。Vc2 がそれ以上大きくなると融通量も Wa の状況を集めるための処理負荷が大きく，かつ収集遅延グラフに従って小さくなり，Vc2max で０になる。こでも問題がある。このため帯域の使用状況を帯に把握れはサーバ２に残されている計算能力使用率が少なくでき，かつ帯域の割り振りも行うスイッチで各資源の使なるにつれ帯域融通によって新たに処理できる要求量用状況を把握し，最適な融通量を決定するものとする。

も多くできなくなるためである。

ⅱ) スイッチは帯域の使用状況を監視し，それが許容最ⅱ) 各サーバに割当てられた帯域が同一の場合大に達した段階で各サーバに計算能力の使用状況(使(N1=N2=N)，Vn1 が０％の時にサーバ１向け帯域 N用率)を問い合わせる。そして収集した情報を基に，表を全て融通可能であり，融通によりシステム全体で扱１を使って融通量を計算する。なお MPLS ネットワー

う要求量は最大２倍となる。

クであれば，サーバヘの計算能力の使用状況問い合わ“リソース使用状況
せは LDP メッセージ(8)を拡張し，3．2．4

動的資源融通方式問合せメッセージ”という新たなメッセージを追加しサーバ１，サーバ２に加わる要求量が一定で，かつそて，そのメッセージによってサーバに現在の計算能力のの量が既知であれば，３．２．３で述べように帯域融通使用率を尋ねるものと考えられる。一例を図６に示す。

融通量[b/s]

1.0×N

*2

Wb(Vn1=0[%])*10.85× N2

融通範囲(Vn1=50[%]の時)

0.5×N

0

融通後にシステム全体で扱う正規化要求量 A

Wa0

Wb(Vn1=50[%])

1.5

150
Vc2max 100
サーバ２の計算能力の使用率Vc2[%]＜条件＞

Vc2max=85[%]
Vn2=Vn2max=85[%]
N1=N2=N[b/s](Vn1+Vn2)×N+min{Wa,Wb}
A=(Vn1+Vn2)×N*1：Wbが最大になる場合*2：融通前にシステムで扱う要求量で正規化

図５ 帯域の融通量及び融通による増加要求量の数値例

－86－

15
＜メッセージタイプ＞
1 0 リソース使用状況問い合
わせメッセージ(0x0600)
031
パラメータ長3．3．2

評価条件1) C 言語を用いたコンピュータシミュレーションにより評価を行う。

2

メッセージ ID2) サーバの計算能力ならびに帯域の総資源量を Cmax，

3 0 0 ＜TLVタイプ＞リソース0 使用状況”(0x0980)
4

Nmax とする。

TLV 長

3) 要求毎に必要となる計算能力と帯域の大きさはガウス分布に従ったそれぞれの平均値を C，N で表す。

サーバ ID

4) 要求の発生間隔(要求発生率)は平均 r の指数分布

図６ リソース使用状況問い合わせ用の LDP メッセージの例
3．3

5) 要求の発生パターンは{C=a，N=b}で表わす。これは，C と N がそれぞれ a，b の大きさの要求が繰りふくそう資源種別に着目したふくそう規制方式

3．3．1に従う。資源保留時間 H は一定とする。

返し発生することを示す。

方式概要

特定の資源種別のふくそうが要因で新たな要求を受付

6) サーバの計算能力が混み合っている状態を作るた

けにくい状況においては，全ての要求を一律に規制する

め，評価する要求とは別な負荷により定期的に Tのではなく，ふくそうしている資源種別の資源を多く必使用されているものと仮定する。
7）以下で定義される要求棄却率[％]を評価で使用する。

要とする要求のみを規制する。

・（棄却した要求数／発生した要求の総数）×100

一例を図７に示す。この例では，計算能力が許容最大に達成しており，従来方式では要求種別に関係なく全て3．3．3の要求を一律に規制する(100％でなく，一部処理するやシミュレーション結果と分析り方も含む)。一方提案方式では，必要とする計算能力が

図８は要求① {C=x ， N=2}(x=4,5,6) と要求② {C=2 ，大きい要求種別①のみを規制対象とすることにより，多N=2}をサーバで処理することを前提に，要求①と要求くの要求を処理することができる。

②の混合(それぞれの割合は変化させる)，要求②のみ，で要求棄却率が１％以下になる要求発生率をそれぞれ求サーバの計算能力が常に最大許容使用率に近いために要求棄却が多発している状態
サーバ

計算能力

め，その比率 S={要求②発生率／(要求①＋要求②)発生＜従来方式＞＜提案方式＞率}を評価したものである。実際の制御では，棄却率が要求種別①

要求種別①１％以下になるように規制する要求数の比率に対応する。

××

要求種別②

要求種別②ⅰ) 計算能力を多く必要とする要求①の割合が多くなる○ほど比率 S は大きくなる。つまり，要求①を規制するこ×

図８より，以下の諸点が明らかである。

空き帯域

図７

×：規制、
○：受付
要求種別①：要求が必要とする計算能力が大要求種別②：要求が必要とする計算能力が小とにより，より多くの要求を処理することができる。
ⅱ) 要求①の C が大きいほど規制効果は大きくなる。

ふくそう資源通知に着目した規制方法

10

比率S

要求①{C=6[MIPS]、N=2[Mb/s]}＜条件＞
・Cmax１=20[MIPS]、Nmax1=20[Mb/s]
・要求②：{C=2[MIPS]、N=2[Mb/s]}
要求②の割合＝100％－要求①の割合
要求①{C=5[MIPS]、N=2[Mb/s]} ・定常負荷：他負荷によって使用されている計算能力の割合であり、要求①ならびに要求②は利用できない。
・資源保留時間 H=8[min]要求①{C= 4[MIPS]、N=2[Mb/s]}
・定常負荷T=5[MIPS]

5002040要求①の発生割合

図８6080 [％]ふくそう資源種別規制の評価結果－87－

[2] M. Montpetit and S.Ganesan, “IPTV architecturesand deployments”, CCNC2007 Tutorial.
[3] ULTINA On Demand Platform
http://www.japan-telecom.co.jp/english/newsreleas
e /2006/feb/0209/0209.html[4] 黒田，上村，更井，“パケット交換網ふくそう制御方式”，NTT 研究実用化報告,Vol.30,No.3(1981)[5] 富士，E.Y.Chen，岡田，柏：“DDoS 攻撃対策シス
テム Moving Firewall ”， NTT 技術ジャーナル

４．むすび
本論文は既存サービスや既存ネットワークで検討されているふくそう制御方式の分析を踏まえ，次世代ネットワークを含むオール IP ネットワークのふくそう制御に対する基本的な考え方を提案した。また，従来ほとん
ど検討が行われていない複数資源を同時に割当てることを前提としたふくそう対策として，特定資源種別に着目(2003.6)[6] S.Tsumura and S.Kuribayashi, “ Simultaneous

した動的も含めた資源融通方式と特定資源種別に着目したふくそう規制方式を新たに提案し，その有効性を明ら

allocation of multiple resources for computercommunications networks ” , APCC2006, 2F-4

かにした。
今後は提案方式の具体的実現方法，詳細な制御アルゴ(2006.8)

リズムならびに最適な制御パラメータ値(最低融通資源[7] 畠山，津村，栗林，“複数種別資源の同時割り当て量，要求規制量など)の決定法を明らかにしていく予定である。

を前提とした資源融通方式ならびにふくそう規制
方 式 の 提 案 ”， 電 子 情 報 通 信 学 会 信 学 技 報TM2006-64 (2007.03)[8] F.M.Holness, “ Congestion Control Mechanisms
within MPLS Networks”, Doctor paper, Queen
Mary and Westfield College University of London,
September 2000

参考文献
[1] N.Morita and H.Imanaka, “Introduction to the
Functional Architecture of NGN,” Proc. IEICE,
vol.E90-B, no.5, pp.1022-1031, May 2007.

－88－