新世代ネットワークにおけるキャッシュを用いたコンテンツ配信
関西大学システム理工学部
山本 幹

1

本日の講演内容


新世代ネットワークにおけるコンテンツ配信

コンテンツオリエンテッドネットワーク
コンテンツオリエンテッドネットワークの背景
 コンテンツオリエンテッドネットワークの研究例


ネットワーク誘導を用いたキャッシュネットワーク

テストベッドを用いたアプリケーション
ネットワーク誘導を用いたキャッシュの部分普及
 ネットワーク誘導の積極的利用
 異種ネットワーク統合による効果
 今後の展開2

コンテンツ流通

インターネットの通信モデル
point-to-point通信
ホスト間の通信をベースとするロケーションオリエンテッドな形態

WWWの出現によるインターネットの使用形態の変化


人気のあるコンテンツを提供するWebサーバに、世界中のユーザからアクセス
ユーザはWebサーバにアクセスすることが目的ではなく、そのWebサーバが提供するコンテンツに興味がある
YouTubeやニコニコ動画の出現により、リッチコンテンツの配信へとさらに変遷し、トラヒック量の観点でもコンテンツ流通が支配的な状況

コンテンツ流通を支える情報流通基盤としてインターネットが位置づけられるようになった3

クライアントサーバモデルからCDNへ

クライアントサーバモデル

サーバにトラヒックが集中
Zipf則で知られるように人気サーバは少数
クライアントサーバモデル

CDN






複製サーバにトラヒックを分散
ユーザはURLを指定（ロケーションオリエンテッドなID)
DNSによる複製サーバへのアクセスのredirect
CDN

4CDNによる通信サービスの変化

クライアントサーバモデルによるオリジナルサーバからのコンテンツ取得

「どのサーバから（どこのサーバから）コンテンツを取得するか」が重要であるlocation-oriented サービス

CDNによる複製サーバからのコンテンツ取得


ユーザは、オリジナルサーバからコンテンツが取得できなくても全く問題ない
複製サーバのうちどのサーバからコンテンツが取得できるのかも全くわからない
どのサーバからコンテンツを取得するかにはもはや関心はなく、どのコンテンツを取得するかが重要であるContent-orientedサービス
5

CDNにおいてcontent-orientedサービスを提供するメカニズム

DNSによるredirect

DNSにより複製サーバを選DNSサーバ択し、指定ユーザは指定された複製サーバからコンテンツ取得 DNSによる名前解決
で複製サーバを回答

コンテンツオリエンテッドな通信サービスを提供するのは、アプリケーション層指定された複製サーバからコンテンツ取得

ネットワーク外部の取り組みにより、コンテンツオリエンテッドな通信サービスを提供
6

P2P


CDNの問題点

複製サーバに分散できたとしても、基本はサーバからのコンテンツ取得
人気サーバへのアクセス集中を基本的に解決する手段ではない

P2P


ユーザ間でのコンテンツ流通を促進することで、コンテンツ取得先はサーバではなくユーザ（複数ユーザ）「どこから」「誰から」コンテンツが得られるのかには全く無関心で、どのコンテンツが得られるのかだけが重要
CDNよりもさらにコンテンツオリエンテッドな通信サービス

7

P2Pにおいてcontent-orientedサービスを提供するメカニズム


アプリケーション層において構築するオーバーレイネットワークで、コンテンツ発見コンテンツ発見において実ネットワーク構造が考慮されない ネットワークの外側でコンテンツ発見が行われるという、CDNの構造と同じ


ネットワーク外部の取り組みにより、コンテンツオリエンテッドな通信サービスを提供

8

コンテンツ流通の現状の課題

コンテンツ発見のオーバーヘッド

例：CDNにおける名前発見によるコンテンツ発見では、DNSサーバへの問い合わせが必要（ネットワークにその機能があれば不要）

コンテンツ流通の非効率性


例：P2Pにおいて発見されたピアは、実ネットワーク上での効率的転送をもたらさない

本質的問題点
上位層でのContent-orientedサービスと、下位層でのLocation-oriented
転送基盤との乖離

ネットワークアーキテクチャ自体をContent-orientedなものに変革する

コンテンツオリエンテッドネットワーク

9コンテンツオリエンテッドネットワークとは

コンテンツオリエンテッドとは

ユーザにどこからコンテンツが得られているのか全く意識させることなくコンテンツを流通させる「コンテンツオリエンテッド」におけるコンテンツ取得の手順


コンテンツ発見
どこにコンテンツがあるのか分からないので、コンテンツを発見する手順が必要
コンテンツ転送発見した所望コンテンツを、ユーザのところまで転送する

これらの機能をネットワーク自体が提供するもの＝

コンテンツオリエンテッドネットワーク

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Content Centric Network

Networking Named Contentで提案されたアーキテクチャ名
データのconsumer drivenなアーキテクチャ（受信側主導）
受信側


ネットワーク側のルータは以下の構成






FIB: コンテンツ名をエントリにもつルーチングテーブルContent store: バッファ
PIT: Interest到着方向を示しこれを逆に辿ることで、コンテンツ転送を誘導

コンテンツを保持するサーバ


コンテンツ要求Interestを送信

自身の提供するコンテンツ名を広告
OSPFやBGPの枠組みを利用

コンテンツ発見のみならずコンテンツ転送、の双方をコンテンツオリエンテッドな手法で実現
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FIBとPITFIB (Forwarding Information Base)

コンテンツ保持サーバから、自身がもつコンテンツの情報をネットワーク内に広告
これに基づき各ルータでのコンテンツ名に基づくルーチングテーブルとしてFIBが作成される







Name-basedルーチングプロトコルにより作成されるルーチングテーブル/parc.com/media/art

PIT (Pending Interest Table)Interestがフォワーディングされた方向を示すテーブル
コンテンツ要求側から送出されたInterestがFIBに基づきサーバへと転送される
転送に際して、Interestの到着方向をルータがPITとして保持/parc.com/media/art

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バッファ


Content Storeルータに用意されたバッファ
IPルータのバッファとコンテンツルータのバッファの本質的差異

IPルータのバッファ
パケットはロケーションオリエンテッドなので、再利用の可能性なし
蓄積したパケットはフォワーディングの後、即座に破棄
コンテンツルータのバッファ
パケットはコンテンツオリエンテッドなので、再利用の可能性あり蓄積したパケットはフォワーディングの後、キャッシュ13

コンテンツ転送

コンテンツ保持サーバからコンテンツが到着すると、PITによりrequester(コンテンツ要求を送出したもの）へ転送「サーバ → コンテンツルータ → ・・・ → コンテンツルータ →要求を出したホスト」の各ホップごとの転送をPITによりルーチング（コンテンツルーチング）
コンテンツオリエンテッドによるコンテンツ転送はCCNのみ
上記各ホップのホップバイホップによる転送

転送はエンドツーエンドではない

PITに記載された方向へ転送

所望コンテンツをコンテンツname宛に送信
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キャッシング

従来のWebキャッシング（プロキシ）はコンテンツオリエンテッドか？


ユーザはプロキシサーバの存在を意識した上で、Webアクセスはまずそのプロキシサーバのアドレス宛に行う

厳密な意味でのコンテンツオリエンテッドではない

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コンテンツオリエンテッドなキャッシュSpace decoupling

コンテンツ送信者とコンテンツ受信者はお互いの情報を得ている必要はない
コンテンツを複製サーバ、キャッシュなどどこから得ても問題ない

ランデブーポイントは？
コンテンツ要求が通る経路上のキャッシュ
受動的なランデブーポイントの形成
 コンテンツ要求をキャッシュのある方向へ誘導
能動的なランデブーポイントの形成
16Breadcrumbsキャッシュへの誘導情報Breadcrumbs
Breadcrumbs誘導情報によるキャッシュへの誘導
1.
ロケーションIDによるコンテンツ要求
2.
コンテンツのダウンロード時：経路上ルータにBreadcrumbsを残す
3.
Breadcrumbsにヒットしたコンテンツ要求は、その方向へ誘導

コンテンツ要求＋ダウンロード

Content Server

Breadcrumbs
17コンテンツID とロケーション ID
コンテンツ ID

コンテンツを指定するIDでユーザが使用

ロケーション ID


位置を指定するIDで、ネットワーク内のルーチングに使用
Cached content

Network

インネットワーク誘導
コンテンツIDによるコンテンツ要求

Content Server

Cached content

ロケーション IDによるルーチング

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課題番号：145『新世代ネットワーク技術戦略の実現に向けた萌芽的研究 』イメージ図
副題：コンテンツIDとロケーションIDの連携によるコンテンツ流通プラットフォームの研究開発

提案者名：関西大学、大阪府立大学、神戸大学、日本電気株式会社
コンテンツの流通足跡をインネットワーク誘導情報として保持し、誘導情報に利用するコンテンツIDとロケーションIDを状況に応じて適応的に使い分け、コンテンツ属性やユーザコンテキストを考慮した誘導を行うインネットワーク誘導情報の多次元化技術と、インネットワーク誘導情報をサーバ負荷やキャッシュ状況等に応じて適応的に配置する技術、及び、異種ネットワークを統合的に利用してコンテンツの発見・誘導・配信を行う制御技術を開発し、それらの技術を柔軟でスケーラブルに実現するアーキテクチャ検討を行い、コンテンツ流通プラットフォームの基盤技術を確立する。
動画配信サーバ

インネットワーク誘導情報のアダプティブ配置技術
サーバ・キャッシュ主導の状況に応じたアクティブな誘導情報の配布機構によりサーバ負荷を低減

インネットワーク誘導情報の多次元化技術
キャッシュへの距離やコンテンツ属性に応じて誘導情報のライフタイムや誘導先を制御

誘導情報の適応的配布

コンテンツ
キャッシュ
コンテンツの足跡や属性等に基づく誘導制御

誘導情報に基づく異種NWへの乗り換え
センサNW

コンテンツキャッシュネットワークX

コンテンツキャッシュ

異種ネットワーク統合型コンテンツデリバリ技術
異種ネットワークを統合したコンテンツ発見・誘導・デリバリによりリソース利用効率を改善

広告配信サーバ

ネットワークY

基本プラットフォーム構成技術 大量かつ多様なインネットワーク誘導情報を利用した転送処理を柔軟かつスケーラブルに実現するアーキテクチャを確立

コンテンツキャッシュ19

Partial Deploymentへの対応


BreadcrumbsのPartial Deployment時の問題点Breadcrumbsの誘導が途中で切れる
途中切断に起因するBreadcrumbsの無効化により、本来有効なBreadcrumbsが削除される

Partial Deploymentへの対応


オーバーレイによるBreadcrumbsプレーンの形成
Breadcrumbsプレーンと基盤ネットワークとの連携

Breadcrumbs
プレーン連携による効率化
基盤ネットワーク
Breadcrumbs非対応
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Overlayにおける部分普及
BC導入ノードのみでOverlayを構成
Normal NWにおいてはサーバへ向けて転送Overlay NWにおいてはBCを利用した転送コンテンツはそれぞれのNWにおいて転送

Overlay NW

Normal NW
ServerBC対応ルータ
キャッシュ

BC対応ルータ(経路保持)
BC非対応ルータ

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拡張Overlayにおける部分普及
下位ネットワークにおいてBCの機能を開示
Normal NWからの要求であってもBC対応ルータ到達するとOverlay NWへ遷移

Overlay NWに遷移した要求はBCに従い誘導要求がキャッシュに到達するとNormal NWに遷移してデータ転送
Overlay NW

Normal NW
ServerBC対応ルータ
キャッシュ

BC対応ルータ(経路保持)
BC非対応ルータ

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Overlayにおける部分普及時の性能評価+5[10 ]

Number of invalidation

3

Normal NW
2
拡張Overlay

100

Overlay

50

100

Deployment ratio

サーバダウンロード率

無効化回数

Overlay
経路が途切れる状況が減少
拡張Overlay
Overlay非参加ユーザであってもBCの恩恵を得られているキャッシュの有効利用

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ネットワーク誘導の積極的利用
Active Breadcrumbs

Breadcrumbs（誘導情報）を状況に応じて積極的に配布することで、コンテンツ要求を誘導
ABCの基点ノード
AE(f1.null.B.13.45)

B(f1.A.C.29.48)

CD(f1.B.D.51.51)(f1.C.100)

G(f1.C.J.54.-Inf)F(f1.C.100)(f1.C.100)

Hキャッシュ保持BC保持ABC保持ＡＢＣの適用事例（BCのキャッシュノードCが基点となりABCを配布）

24

コンテンツID指定による異種ネットワー
ク統合

異種ネットワーク統合

コンテンツIDによる指定により、同一ネットワークプロトコル上のサーバからしかコンテンツを取得できないという従来の束縛からの解放
異種ネットワーク経路による候補パスの増加
最短経路改善の可能性

NWプロトコル 1
異種ネットワークの連携による利便性と効率化

異種ネットワーク統合

NWプロトコル 225

異種ネットワーク連携の効果（a）Random(b)Homogeneous BA(C)Heterogeneous BA

異種ネットワーク連携の効果＝ パスコストの減少
異種ネットワーク連携ノードの増加に伴い、効果が増加
最適配置の効果が大きいことから、戦略的配置の必要性

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異種NW連携ノードの戦略的配置（a）Random(b)Homogeneous BA(C)Heterogeneous BA

Outdegreeという簡単な指標による戦略的配置により、大きな効果
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今後の展開平成23年度～24年「新世代ネットワークを支えるネットワー
ク仮想化基盤技術の研究開発」
課題ウ「新世代ネットワークアプリケーションの研究開発」
における「ネットワーク誘導を利用した新世代コンテンツ配信アプリケーション」
 コンテンツオリエンテッドネットワークとしての、SpaceDecoupling（どこからコンテンツが得られるかに関心がなく、コンテンツそのものの取得に関心がある）のさらなる実現に向けた研究を進める
 JGN-X上での実験へ準備を進める


28

まとめ
新世代ネットワークの一つの方向性としてのコンテン
ツオリエンテッドネットワーク
 キャッシュネットワークの重要性
 ネットワーク内の誘導情報による効率的運用
 誘導情報を利用した新世代NWアプリケーション
Breadcrumbs
 Breadcrumbsの応用技術


実用化、実装を視野に入れた研究（部分普及） 今後の展開としてのJGN-X上での実験

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