平成 13 年年度
学士学位論文パケット アセンブリ装置性能評価とその高機能化に関する研究

A improvement research on Packet Assembly system
performance based on transmitting evaluation

1020301

谷岡 亮介

指導教員

島村 和典

2001 年 2 月 8 日
高知工科大学 情報システム工学科

要 旨

パケットアセンブリ装置性能評価とその高機能化に関する研究
谷岡 亮介

近年、インターネットの爆発的な普及に伴いネットワーク技術は飛躍的に進歩を遂げている。また、ネットワークアプリケーションの種類やトラフィック量も急増している。従って、ネットワーク内を流れるパケット 数やホップ 数が急増し 、コアルータの負荷が急増している。また、従来のベストエフォート型の転送制御では 、様々なアプ リケーショントラフィッ
クに対しての QoS（ Quality of Service ）保証ができない。
そこで、エッジルータにおいてパケットアセンブ リを行い、コアルータの負荷軽減を試みる研究を行っている。つまり、コアルータにおける負荷軽減を行うことにより、QoS 保証
をすることを目指している。パケットアセンブリは、同じ宛先のパケット連結を行い、コア
ネットワークに流れるパケット数を減少させる。これによりルータにおけるヘッダ処理が減
少し 、コアルータの負荷軽減が可能になる。従って、効率の良いデータ転送が行えるので 、QoS 保証をすることが可能となる。
過去のパケットアセンブ リ研究においては 、シミュレ ーションや擬似アセンブ リによるデータ測定を行い、その有効性を検証してきた。本論文では 、パケットアセンブリ装置を用
いて 、実環境におけるパケットアセンブ リの性能測定を行った。この取得したデータにより、パケットアセンブリの有効性を検証すると共に、その問題点や改良点を挙げている。
また 、パケットアセンブ リの課題として 、遅延やアセンブ リに適さないアプ リケーショ
ントラフィックの識別を行うことが挙げられる。そこで 、パケットアセンブリに適したスケ
ジューリング方式の提案も行っている。

{i{キーワードパケットアセンブリ，実環境, 負荷軽減，コアルータ，エッジルータ{ ii {

Abstract
A improvement research on Packet Assembly system
performance based on transmitting evaluation
Ryosuke Tanioka

Recently, with explosive spread of the Internet, network technology has madeprogress. The type of application and trac quantity also have increased. Therefore,
the number of packets and the number of hop in the network has increased remarkably, so that the load of core router has increased remarkably. The transmission control
based on traditional best-e ort type cannot guarantee Quality of Service about various
application trac. Then, load reduction of core routers is investigated by conducting
Packet Assembly at edge router. That is, QoS guarantee is aimed at by performing
load reduction in core router. Packet Assembly is conducted by the combination of
the same address or same subnetmask packets at edge router, and decreases the number of packets in core network. The header processing at the core routers decreases
by this way, and load reduction of a core router is enabled. Therefore, since ecient
data transmission can be performed, it becomes possible to guarantee QoS. In the past
Packet Assembly research, the e ect was investigated by the simulation or De agment
Assembly, and the validity of Packet Assembly has been veri ed. In this thesis, Packet
Assembly performance was measured using Packet Assembly device in real network.
The validity of Packet Assembly was veri ed with the data acquired in this research,and the problem and the improved point of Packet Assembly are given. On the other
hand, there are delay for the application trac which dosen't suit assembly as Packet{ iii {

Assembly's problems. Then, the Scheduling system which suits Packet Assembly is
proposed.
key words

Packet Assembly,real network,load reducation,core router,edge router{ iv {

目次
1章

研究目的

1

1.1

パケットアセンブリの目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.2

本研究の目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

2章

研究背景

3

2.1

背景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.1.1

小サイズパケットの存在.......................

3

2.1.2

ルータの負荷.............................

5

既存の技術 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.2.1 MPLS(Multi-Protocol Labbel Switch) . . . . . . . . . . . . . . . .

5

第

第

2.2

2.2.2 FAST(Framed ATM over SONET/SDH transport) . . . . . . . . . 6

3章

パケット アセンブリ

7

3.1

デフラグ メント . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

3.2

パケットアセンブリシステム........................

7

第

3.2.1

シングルフローアセンブリ......................

9

3.2.2

マルチフローアセンブリ.......................

9

3.2.3

パケットアセンブリフォーマット . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

3.2.4

付加ヘッダ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

3.2.5

パケットアセンブリモード（ 本実験アセンブリ装置の設定項目） . .

13...................................

14....................................

16

3.3

評価方法

3.4

問題点

4章

パケット アセンブリ装置性能実験・評価

4.1

測定内容

第

...................................
{v{

17
17

目次

4.1.1

測定環境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

パケットアセンブリ装置設定項目 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

測定環境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18.................

18

１．パケット最大連結数.......................

18

２．パケット平均連結数.......................

19

３．アセンブリ装置負荷.......................

20

4.1.3 ATM ルータでの測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

１．ATM ルータの負荷 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

２．ATM ルータ内パケット数....................

22

考察 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

4.2.1

.......................

22

１．パケットアセンブリ最大連結数.................

22

２．パケットアセンブリ平均連結数.................

23

３．パケットアセンブリ装置負荷 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

４．ATM ルータ負荷 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

５．ATM ルータ内パケット数....................

24

６．遅延と帯域低下 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

パケットアセンブリ装置改善点 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

考察による装置改善点 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

その他の装置改善点 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

4.1.2

4.2

4.2.2

アセンブリ装置での測定項目・結果

パケットアセンブリ評価

4.3

今後測定すべき項目.............................

27

4.4

結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

5章

アセンブリ装置高機能化の提案−スケジューリング方式−

29

5.1

高機能化への目的

第..............................

{ vi {

29

目次

5.2

5.3

........................

29

5.2.1

スケジューリング方式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

5.2.2

パケットアセンブリスケジューリング−本実験装置− . . . . . . . .

31

パケットアセンブリスケジューリング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32..................................

32

従来のスケジューリング方式

5.3.1

構成

5.3.2

ユーザ設定項目............................

35

5.3.3

本実験装置との違い . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

5.4

考察 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

5.5

今後の課題 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

6章

まとめ

37

第

謝辞

38

参考文献

39

{ vii {

図目次
2.1

ネットワーク上におけるパケット分布....................

4

3.1

パケットアセンブリネットワーク構成....................

8

3.2 IP cut header Assembly Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

3.3 TCP/IP cut Assembly Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

3.4 No cut Aseembly Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

3.5 No cut Aseembly Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

3.6 IPv4 ヘッダ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.7 IP パケットの付加ヘッダ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.8 TCP/IP パケットの付加ヘッダ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.9 アセンブリモード 設定画面 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

4.1

実験環境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

4.2

パケット最大連結数（ FTP サーバ側）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.3

パケット最大連結数（ クライアント側）...................

4.4

パケット平均連結数（ FTP サーバ側）. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.5

パケット平均連結数（ クライアント側）...................

1920

4.6 アセンブリ装置負荷の比較（ FTP サーバ側） . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.7 アセンブリ装置負荷の比較（ クライアント側） . . . . . . . . . . . . . . . .

21

4.8 ATM ルータ負荷の比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

4.9 ATM ルータ内パケット数の比較 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

4.10 今後予定する実験環境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

5.1

本実験装置のスケジューリング

........................

31

5.2

パケットアセンブリスケジューリング

....................

32{ viii {

図目次

5.3

パケット分類の流れ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

5.4

送信制御の流れ................................

34{ ix {

表目次
2.1 データリンク毎の MTU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

{x{

4

第1章

研究目的
本章では、パケットアセンブリにおける研究目的と本研究の目的について述べている。

1.1 パケット アセンブリの目的
基幹ネットワーク内において、ホップ数，パケット数が急増し 、コアルータの負荷が増大している。そこで 、エッジルータにおいてパケットアセンブ リ [1] を行うことにより、コアルータの負荷軽減を行うことを目的とする研究を行っている。パケットアセンブ リは、エッジルータにおいてパケットを連結することにより、基幹ネットワークを流れるパケット数を減少させる。パケット数が減少することから 、ルータ内でのヘッダ，ルーティング処理や入出力キュー間の移動などを減少させることができるので 、コアルータの負荷が軽減できる。
従って、コアルータの負荷軽減を行うことによって、効率の良い転送が行え、QoS を保証することが実現できる。

1.2

本研究の目的過去のパケットアセンブ リ研究においては、デフラグ メントを用いたパケットアセンブリ[2] やシミュレータ [3] を用いて、パケットアセンブリについての性能評価を行ってきた。そこで本研究は 、パケットアセンブリ装置を用いて 、実環境におけるパケットアセンブリの性
能評価を行い、その有効性を検証することが目的である。コアルータやパケットアセンブリ装置において 、過去の測定項目に加え、擬似アセンブリやシミュレーションにおいては測定できなかった項目の測定や 、実環境において発生してし まう問題点を見つけ出し 検証して

{1{

1.2 本研究の目的
いく。
また、パケットアセンブ リにはいくつかの課題があるので、その課題を克服して、パケッ
トアセンブ リ装置の性能向上を目指す目的がある。そこで、「パケット受信 → 格納 → 連結
→ 送信」一連の動作に着目して、パケットアセンブリに適さないフローの分別を実行する、
パケットアセンブ リスケジューリング方式を提案している。

{2{

第2章

研究背景
本章では、これまでの研究背景の説明と類似技術の紹介をしている。

2.1

背景

近年、ネットワーク技術が飛躍的進歩を遂げたことから、インターネットの爆発的な普及が進み、ネットワークアプ リケーションの種類やトラフィック量が増大している。更に多くのサービ スが展開され 、これからもネットワークに対する期待は非常に大きい。ネットワー
クアプ リケーショントラフィックの増加は 、従来の Best-e ort 型のトラフィック制御ではQoS 保証が行えない事態を招いている。そのため、それぞれのネットワークアプリケーションに適した QoS 保証が重要となっている。QoS パラメータとしては 、遅延，揺らぎ ，ロス率などがある。そこで 、ネットワークアプ リケーションの特性に適したトラフィック制御を行うことが重要となっている。

2.1.1

小サイズパケット の存在

基幹網におて 、MTU(Maximum Transmission Unit) よりもパケットサイズが小さいパケットが多く存在している。その理由としては 、IP パケット転送の際には 、データリンク
毎に定められた MTU 以下のサイズ（ 表 2.1 ）でパケットが転送されることが挙げられる。
しかし 、中継ルータでのデフラグ メントは禁止されており、MTU の小さいネットワークから MTU の大きいネットワークに転送する際にも小さいサイズのまま転送されてしまう。また、初期転送時から小さいサイズでパケットが転送される場合もある。

{3{

2.1 背景

データリンクMTU(Byte)

IP ovre ATM

9180

IEEE 802.4 Token Bus

8166

IEEE 802.5 Token Ring

4464

FDDI

4352

Ethernet

1500

PPP

1500

IEEE 802.3 Ethernet1492

表 2.1 データリンク毎の MTU

実際の基幹網において流れるパケットサイズは 、1500Byte 以下のパケットがほぼ大多数を占めており、その中でも 44Byte のパケットサイズが約 40%を占めている（ 図 2.1 ）。小さ
いサイズのパケットが基幹網に与える影響としては 、IP ヘッダの転送処理の負荷増大や帯域使用率の低下が挙げられる。

図 2.1 ネットワーク上におけるパケット分布

現在では、技術の発展に従って高品質の基幹網が配備されているので、基幹網内の伝送効率を向上させることが重要となっている。そこで 、エッジルータでパケットの連結を行い、{4{

2.2 既存の技術
パケットサイズを次ネットワークの MTU にできるだけ近づけてパケットを転送して、転送処理の負荷軽減と帯域を有効利用することが重要となる。

2.1.2

ルータの負荷IP 転送はルータにより、パケット毎に処理されている。パケット数の急激な増加により、ルータの処理回数が増え負荷が増大している。ルータの処理としては 、ルーティング処理，
パケットヘッダ処理，チェックサムの計算，入出力キュー間の移動があり、ルータの負荷は

per‐packet によって決まる。また、ホップ 数も増加傾向にある。ホップ 数が増加してしまうと、各ノード においてパケット処理による負荷が掛かってしまった場合、各ノード 毎の遅延が積み重なり重大な遅延となって現れる。データ転送量が増加している今日のネットワー
ク内において、決められた帯域でいかに IP パケットをより高速に転送するかが重要な課題である。よって 、IP 転送を行う際にど のようにしてパケットの処理回数を減らすことが重要となっている。そこで 、基幹ネットワーク内のルータ負荷を軽減するための IP パケット転送方式として、パケットアセンブ リの研究行っている。

2.2

既存の技術

2.2.1 MPLS(Multi-Protocol Labbel Switch)
MPLS は 、シスコ社のタグ スイッチング技術をベースに誕生した 、IETF 標準のテクノロジーである。IP パケットの転送が可能な、いかなるメディア上でも利用することできる。

MPLS は 、ラベルをもとにパケットを転送して行くという画期的な方法である。入力側のLER（ Label Edge Router ）では 、着信し たパケットの処理を行い、ラベルの選択と適用が行われる。中継点のルータは 、そのラベルを読みとってパケットを適切に転送する。パケットの分類や集中分析、フィルタリングなどの処理は 、全て入力側の LER で一度実行されるだけである。出力側の LER ではラベルがはがされ 、パケットは最終的な宛先へ転送される。MPLS の特徴として 、ルータにかかる負荷を軽減することで 、高速化を実現するこ{5{

2.2 既存の技術と、IP 層の経路情報を元にするので 、ATM の下位層のルーティングプロトコルが不要で 、ATM ／フレームリレーと IP の緊密な統合が可能になること、ラベルによるネットワークの分離によって「 IP − VPN 」を実現すること 、IP ネットワークにおいて ATM での高度な QoS 制御を利用することが挙げられる。また、MPLS を導入することにより経済性，パフォーマンス，セキュリティの向上や運営管理，拡張の容易さが望める。同様の技術として Ipsilon Networks(現 Nokia) の「 IP スイッチ」、Cisco Systems の「タグ スイッチ」、東芝の「 CSR(Cell Switch Router) 」などが挙げられる。[4] MPLS とパケットアセンブ リの違いは、MPLS はパケットにラベルを付加することにより IP 転送を行うが 、パケットアセ
ンブ リはパケットを連結して IP 転送を行うことや 、MPLS はエッジルータや基幹網内の中継ルータにおいても MPLS 対応のルータでなければならないが 、パケットアセンブ リは
エッジルータにのみ実装すれば通常の IP 転送が行える。また、パケットアセンブ リされたパケットは通常の IP 転送を行えることから、MPLS との親和性も図れると考えられる。

2.2.2 FAST(Framed ATM over SONET/SDH transport)
FAST は、ATM Forum が行っている研究の１つである。FAST は、SONET/SDH 上で，可変長の ATM フレームを伝送する技術である。ATM は，5Byte のヘッダに，48Byte のデータを付けた合計 53Byte の固定長セルを使って伝送する。一方 FAST では，4Byte の固定長ヘッダーと，最大 64KByte の可変長のデータ・フィールド でフレームを構成する。IP
パケットは可変長のデータ・フィールド に格納する。大きな可変長フィールド を採用したことで，IP パケットを短い ATM セルに分割する必要がなくなり，効率の高い IP パケット伝送が期待できる。類似技術として、米ルーセント・テクノロジーズの「 SDL 」（ simple datalink ）や NTT の「 MAPOS 」（ multiple access protocol over SONET ）が挙げられる。[5]
この様な大きいサイズのフレームが使用されるようになれば 、ますます小さいサイズのパケットの再構築が必要となり、パケットアセンブリの有効性が大きくなると考えられる。

{6{

第3章

パケット アセンブリ
本章では、パケットアセンブリの仕組み, 問題点, 計測すべき項目について述べている。パケットアセンブ リはエッジルータにおいてパケット連結を行い基幹網に IP パケットを転送する方式である。

3.1 デフラグメント
データリンクによって最大転送単位（ MTU ）は異なる。従ってパケットは 、必要に応じてホストやルータにおいて分割化処理（ Fragmentation ）が行われる。そこで、終点の宛先
ホストにおいては、パケットを再構築する必要がある。このことをデフラグ メント呼ぶ。IP
パケットが同じ経路を辿るとは限らなかったり、分割化されたパケットが途中で失われたり、
別のルータを通過する際にまた分割化しなければならないといった理由からルータに大きな負荷がかかるために、現在では経路途中のデフラグ メントは行われていない。[6]パケットアセンブリは、このデフラグ メント処理に似ている。違うところは 、デフラグ メ
ントするためはフラグ メントされた全パケットが必要であるが 、パケットアセンブリにおいては必要ないことである。また、エッジルータのみにおいてパケットアセンブリを行うこと
で、余計なパケット連結や分割を減らしている。

3.2 パケット アセンブリシステム
パケットアセンブリは、アクセス網から基幹網に入るエッジルータにおいてパケットを連結する。基幹網内の中継ルータにおいては 、通常の IP 転送が行え、再びエッジルータにパ{7{

3.2 パケットアセンブリシステム
ケットが到着したときパケットを分割する。よって、基幹網のエッジルータにのみ実装すればパケットアセンブリシステムが構築できる。パケットを減少させることにより、基幹網内のルータの転送処理が減少することから負荷が軽減され 、効率の良い転送が行えるようになる。

以下に、パケットアセンブリの例を示す。

[1] ア クセス網 A から 送信され た小さいサ イズのパケットが 、エッジルータに おいて
パケット連結（アセンブリ）され 、アセンブリされたパケットが基幹網に転送される。

[2] アセンブリされたパケットがコアネットワーク内に転送される。
[3] アセンブ リされ たパケット が エッジル ータに おいて 、元のパケット サ イズに 分割（ リアセンブリ）され 、アクセス網 B に転送される。

NetworkC
NetworiD[3]

Access Network

Edge Router

Edge Router

Access Network

Core Rouer[2]
Core RouterCore Router
Edge Router[1]

Backbone

Edge Router

NetworkB
NetworkA

Access Network

Access Network
図 3.1 パケットアセンブリネットワーク構成{8{3.2 パケットアセンブリシステム

3.2.1 シングルフローアセンブリ
シングルフローアセンブリは、受信パケットの送信元 IP アドレス及び 、宛先 IP アドレスが一致するパケットをアセンブリする。TCP の場合は 、同一の宛先ポート , 送信元ポートも一致しなければならない。

3.2.2

マルチフローアセンブリ

マルチフローアセンブ リは、受信パケットの同一の送信元サブネットマスク及び 、宛先サ
ブネットマスクのパケットをアセンブリする。
（ 但し 、パケットアセンブリするクラスは、ク
ラス B とクラス C とする。）本方式を使うことによりフローが集約され 、よりパケットアセ
ンブリの性能が向上すると考えられる。

3.2.3

パケット アセンブリフォーマット

アセンブリフォーマットには以下の４種類がある。
● IP header cut Assembly

IP header cut Assembly は 、IP パケットのヘッダ 部の一部をカットし 、各ヘッダ 部の連結及び 、各パケットデータ部の連結を行った後データを転送する方式である。本
方式では 、IP より上位層について単なる IP データとして扱う為、例えば UDP 等の上位プロトコルをパケットアセンブリ処理することができる。

DataN.........

Data1

IP N cut ........
headerData part

図 3.2

IP 2 cut IP 1 cut addition
headerheaderheaderIP cut header part

additionheaderpart

IP cut header Assembly Format● TCP/IP header cut Assembly

TCP/IP header cut Assembly は 、TCP/IP パケットのヘッダ 部の一部をカットし 、{9{

3.2 パケットアセンブリシステム
各ヘッダ部の連結及び 、各パケットデータ部の連結を行った後、データを転送する方式である。本方式では、TCP をパケットアセンブ リ処理することができる。
DataN.........

Data1

Data part

TCP/IP N
cutheader........

TCP/IP 2 TCP/IP 1
additioncut
cutheaderheaderheader

TCP/IP cut header part

図 3.3

additionheaderpart

TCP/IP cut Assembly Format● No cut Asssembly

No cut Assembly は 、パケットデ ータのヘッダ 部を何も操作せずに 、各ヘッダ 部の連結及び 、各パケットデータ部の連結を行った後、データを転送する方式である。

DataN.........

Data1

TCP/IP N
headerData part........

TCP/IP 2 TCP/IP 1 addition
headerheaderheader

TCP/IP header part

図 3.4

additionheaderpart

No cut Aseembly Format● Marker AssemblyMarker Assembly は 、上記の各アセンブ リフォーマット のヘッダ 操作をパケット 毎に行い、操作された各々のパケットを順次連結した後、データを転送する方式である。

DataN

IP N cutheader........

Data2

IP 2 cutheader

Data1

IP 1 cut addition
headerheaderadditionheaderpart

図 3.5

No cut Aseembly Format{ 10 {

3.2 パケットアセンブリシステム

3.2.4

付加ヘッダ

IP ヘッダはルータの転送処理において重要な役割を果たしている。なぜなら IP ヘッダ
は、宛先 IP アドレス, プロトコル番号,TTL 等の様々な情報を持っており、それを基にルータは転送処理を行っているからである。
パケットアセンブリを行う際には、送信元アドレス, 宛先 IP アドレスを見て、パケットを連結するか判断する。パケットを連結すると IP ヘッダにいくつかの問題点が浮上してくる。

04

versio

8
IHL

16

31

Total Length

TOS

Identification

TTL

19

Flags FlagmentOffset

ProtocolHeader Checksum

Source Address
Destination Address
Options
図 3.6

Padding

IPv4 ヘッダ

まず最初に、Total Length の書き換えが必要になる。Total Length は、パケット全体のByte 長を示す。パケットを連結してしまうと、連結したサイズ分だけパケット長を書き換えなければならない。次に 、Header Checkesum の再計算が必要である。Header Checksum
は 、IP ヘッダが壊れていないか保証するための物である。IP ヘッダを書き換えてしまうことから 、再計算の必要がある。最後に 、TTL の統合が挙げられる。TTL はパケットがネッ
トワーク内に存在してもよい時間を秒単位で示したものである。パケットを連結すると複数の TTL が存在してしまうので 、アセンブ リされる最初のパケットが持つ TTL 値に統合する必要がある。
そこで 、これらの問題を解決するために付加ヘッダを付け加える。付加ヘッダは 、IP パ
ケットの先頭に付け加えられる。利点としては 、誤った IP ヘッダの上書きを防ぐ ことや、

{ 11 {

3.2 パケットアセンブリシステム
アセンブリ, リアセンブリ処理の高速化が挙げられる。

0

4

8

versio

16

IHL

19

31
Total Length

TOS

Identification

TTL

Flags FlagmentOffset

Header ChecksumProtocolSource Address
Destination Address

Length

not used

図 3.7

TTL Record assembly num

IP パケットの付加ヘッダ

Not used: 未使用フィールド
Length: 付加された情報部で、アセンブリされたパケット数をセットする。
TTL record: 付加された情報部で、アセンブリした先頭 IP パケットの TTL をセットする。
Assembly Num: 付加された情報部で、アセンブリ方式をセットする。
04

versio

8
IHL

16

31
Total Length

TOS

Identification

TTL

19

Flags

FlagmentOffset

Header ChecksumProtocolSource Address
Destination Address

not used

LengthTTL Record

Source Port

assembly num

Destination Port
Sequence Number

Acknowledgement Number
OffsetReserved TCP flag
Checksum

図 3.8

Window
Urgent PointerTCP/IP パケットの付加ヘッダ{ 12 {

3.2 パケットアセンブリシステム

3.2.5

パケット アセンブリモード（ 本実験アセンブリ装置の設定項目）■ TOS 値によるパケットアセンブリルート設定

IP ヘッダにおいて 8bit で構成される TOS（ Type Of Service ）の TOS フィールド（ 4bit ）を利用して、パケットアセンブリルート（ 格納キュー）を設定する。設定可能な範囲は、0〜 15 である。設定された各ルートにおいては、下記の設定項目が各ルートごとに設定できる。また、この TOS 値に従って、パケットアセンブリを実行するか 、しないかも設定できる（ TOS 値が 、どのルートにも一致しなければ 、パケットアセンブリは実行されない）。
■パケットアセンブリタイムアウト値設定
パケットが連結することができる最大の待ち時間の設定を行う。パケットアセンブ リタイム
アウト値のカウント方法は、最初のパケットがパケットアセンブリキューに挿入されてから設定時間に達する迄である。設定範囲は、100 〜 3000[msec] 以内で行うことができる。
■最大パケット連結数の設定
パケットアセンブ リの最大連結数の設定を行う。最大で 170 個（ 1 〜 170 ）まで連結するこ。
とができる（ 但し 、パケットサイズが 9180Byte を超えない範囲である）■パケットアセンブリフォーマットの設定
パケットアセンブ リフォーマットを、No cut Assembly,IP header cut Assembly,TCP/IP

header cut Assembly, Marker Assembly(No cut Assembly), Marker Assembly(IPheader cut Assembly), Marker Assembly(TCP/IP header cut Assembly) の計 6 種類から選択する。
■ TCP フロー制御

TCP フロー制御の設定を「 ON 」にすることで、TCP フロー制御が実行できる。TCP フ
ロー制御が「 ON 」の場合は、トラフィックが輻輳状態になり、エラー再送が検出された時点で、初めてパケットアセンブリ処理を実行し 、輻輳状態を少しでも回避させようと動作する。TCP フロー制御が「 OFF 」の場合は、通常のパケットアセンブリが実行される。
■マルチフローアセンブリの設定{ 13 {

3.3 評価方法
マルチフローアセンブリの設定を「 ON 」にすることで 、マルチフローアセンブリが実行できる。マルチフローアセンブリの設定が「 OFF 」の場合は、シングルフローアセンブ リが実行される。

図 3.9 アセンブリモード 設定画面

3.3

評価方法

パケットアセンブリの評価方法を以下に挙げる。
１．基幹網内ルータの負荷
パケットアセンブ リの主な目的が 、基幹網内のルータの負荷軽減であるから、同じ条件の実
験環境の基でパケットアセンブリ転送時と通常の IP パケット転送時における基幹網内の中
継ルータ負荷測定を行い、比較して評価する。ルータの負荷軽減の効果としては、パケット減少率と同等の負荷軽減率が得られれば十分であると考えている。
２．アセンブリ装置の負荷
基幹網内の負荷が軽減しても、エッジルータの負荷が余りにも高くなれば 、ネットワーク全
体の負荷が上がってしまうので、パケットアセンブリを実行する効果がなくなってしまうので、同じ条件の実験環境の基でパケットアセンブリ転送時と通常の IP パケット転送時のア
センブリ装置負荷を比較する必要がある。また、どれだけ負荷がかけれるかも測定する必要がある。
３．アセンブリ装置内の遅延{ 14 {

3.3 評価方法
パケットアセンブ リは、パケットを連結させる際に遅延が発生する。そこで、同じ条件の実
験環境の基でパケットアセンブリ転送時と通常の IP パケット転送時の遅延差を比較し評価する必要がある。
４．ネットワーク全体の遅延
パケットアセンブ リは、パケットを連結させる際に遅延が発生する。そこで、この遅延がフローにどれくらい影響を与えるか測定する必要がある。
５．アセンブリ装置におけるパケットが連結数
エッジルータにおいて、パケット連結数がどれくらいかを測定することにより、パケットア
センブリの有効性を検証する必要がある。
６．基幹網に転送する際の帯域幅
パケットアセンブ リは、パケットを連結させる際に遅延が発生する。そのため、帯域の低下が予測されるので 、同じ条件の実験環境の基でパケットアセンブリ転送時と通常の IP パ
ケット転送時の測定を行い評価する必要がある。
７．パケットロス
パケットアセンブ リを実行することにより、パケットロスが発生するか 、同じ条件の実験環境の基でパケットアセンブリ時とノーアセンブリ時の比較を行い評価する必要がある。
８．シングルフローアセンブリとマルチフローアセンブリの比較
マルチフローアセンブリは、フローの集約を行い、パケットアセンブリの向上を実現する。
そこで、同じ条件の実験環境の基でシングルフローアセンブリとマルチフローアセンブリの測定を行い、マルチフローアセンブ リの有効性を実証し 、その効果どれくらいであるかを示していく必要がある。
９．TCP Ack のパケットアセンブ リ
ネットワーク内の大半を占めるパケットの種類は TCP である。よって、パケットサイズが小さい Ack のパケットアセンブリが重要となる。Ack には 、再送処理があるので、タイム
アウト時間内にパケットアセンブリを終了し 、Ack を送信先の端末まで転送する必要がある。しかし 、パケットアセンブリは、パケットを連結させる際に遅延が発生してしまうの{ 15 {

3.4 問題点
で、再送処理に影響を与える可能性がある。そこで、実際に TCP フローを流し 、Ack パ
ケットアセンブリについて検討する必要がある。

3.4

問題点

パケットアセンブリの問題点を以下に挙げる。
１．遅延
パケットアセンブ リは、パケットを連結させる際に遅延が発生する。そこで、アセンブリ装
置内の遅延をどれくらいに抑えるかが課題になる。アセンブリ装置内で発生する遅延は２つある。パケットを連結する際の遅延と、パケットを連結するための待ち時間（パケットアセ
ンブリタイムアウト時間）の遅延がある。連結する際の遅延は CPU の性能によるが 、パケットを連結するための待ち時間による遅延は、パケットアセンブリの実験において検証していく必要があり、検証した結果から効率の良いパケットを連結するための待ち時間を得る
ことができると考える。また、この遅延がフローにどのくらい影響を与えてしまうのか検証しなければならない。
２．TCP の Ack 処理
ネットワーク内の大半を占めるパケットの種類は TCP である。よって、パケットサイズが小さい Ack のパケットアセンブリが重要となる。Ack のパケットサイズは 50Byte 程と小さい。そこで、パケットアセンブリをする必要性がでてくるのだが 、問題が１つ起こってくる。それは、TCP 特有の再送処理にある。しかし 、パケットアセンブリには、パケットを連結させる際に遅延が発生してしまう問題がある。よって、タイムアウト時間内にパケット
アセンブリを終了し 、Ack を送信先の端末まで転送する必要がある。そこで、その問題を解決するために、Ack のパケットアセンブリ手法の検討を行わなければならない。

{ 16 {

第4章

パケット アセンブリ装置性能実験・評価
本章では、まず、測定環境を説明してから、測定内容・結果を示し 、パケットアセンブ リに対する評価と装置の改善点を述べ、今後の実験内容についても触れている。

4.1

測定内容

4.1.1

測定環境
WindowsNT

Ethernet

アセンブリ装置
FTPサーバ

100Mbps

ATMネットワーク Ethernet

ATMルータアセンブリ装置

155.52Mbps
図 4.1

100Mbps

受信端末

実験環境

パケット アセンブリ装置設定項目■ TOS 値の設定をアセンブリを実行する場合もしない場合も「 0 」とする
■パケットアセンブリタイムアウト値を 100[msec] に設定■アセンブリするパケットサイズは最大で、ATM の MTU である 9180Byte に設定■パケットアセンブリフォーマットは、No cut Assembly とする■パケットアセンブリを行わない場合の測定は、パケットアセンブリする個数を「１」と{ 17 {

4.1 測定内容
する■ TCP フロー制御は、「 OFF 」とする

測定環境
■ FTP サーバ側から 5Mbyte のファイルを TCP パケットで受信端末に転送する■送信パケットサイズを、250Byte,500Byte,1000Byte,1500Byte に変えて、パケットを送信する■ネットワーク環境として、「 FTP サーバ‐アセンブリ装置」間と「アセンブリ装置‐受信端末」間は Ethernet,「アセンブリ装置」間は ATM とする■ ATM ルータは 、WindowsNT で構築している

4.1.2

アセンブリ装置での測定項目・結果

１．パケット 最大連結数

FTP サーバ側とクライアント側のアセンブリ装置において、各送信パケットサイズごとのパケット最大連結数の測定を実施した。
測定ツールは、アセンブリ装置に付属しているものを使用した。

packets

最大パケット連結数（サーバ側）
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
250Byte

500ByteNo assembly

1000Byte

1500Byte

Assembly

図 4.2 パケット最大連結数（ FTP サーバ側）{ 18 {

4.1 測定内容

packets

パケット最大連結数（Client側）
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
250Byte

500ByteNo assembly

1000Byte

1500Byte

Assembly

図 4.3 パケット最大連結数（ クライアント側）

２．パケット 平均連結数

FTP サーバ側とクライアント側のアセンブリ装置において、各送信パケットサイズごとのパケット平均連結数の測定を実施した。
測定ツールは、アセンブリ装置に付属しているものを使用した。1[sec] ごとの平均パケット
連結数が計算される。

パケット平均連結数（ｆｔｐサーバ側）

packets

7
6
5
4
3
2
1
0
250Byte

500ByteNo assembly

1000Byte

1500Byte

Assembly

図 4.4 パケット平均連結数（ FTP サーバ側）{ 19 {

4.1 測定内容
パケット平均連結数（クライアント側）
6

packets

5
4
3
2
1
0
250Byte

500Byte

1000Byte

No assembly

1500Byte

Assembly

図 4.5 パケット平均連結数（ クライアント側）

３．アセンブリ装置負荷

FTP サーバ側とクライアント側のアセンブリ装置において、パケットアセンブリを実行する場合としない場合のアセンブリ装置負荷の比較を、各送信パケットサイズごとで測定を実施した。
測定ツールは、アセンブリ装置に付属しているものを使用した。1[sec] ごとの平均アセンブ
リ装置負荷（ step 数）が計算される。

Ｌｏａｄ steps

アセンブリ装置負荷（ｆｔｐサーバ側）
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
250Byte

500ByteNo assembly

1000Byte

1500Byte

Assembly

図 4.6 アセンブリ装置負荷の比較（ FTP サーバ側）{ 20 {

4.1 測定内容

Load steps

アセンブリ装置負荷（クライアント側）
350
300
250
200
150
100
50
0
250Byte

500Byte

1000Byte

No assembly

1500Byte

Assembly

図 4.7 アセンブリ装置負荷の比較（ クライアント側）

4.1.3 ATM ルータでの測定
ATM ルータの負荷

１．

パケットアセンブリを実行する場合としない場合の ATM ルータの負荷の比較を、各送信パ
ケットサイズごとで測定を実施した。
負荷の測定ツールは、WindowsNT 付属のパフォーマンスモニタを使用した。Processor 処
理の１ [sec] の平均負荷を計算する。
※ Processor Time は、あるプロセッサが非アイドル状態のスレッド の実行に費やした時間
をパーセンテージで表した値とする。

ATMルータ負荷

Proceccor %

2.5
2
1.5
1
0.5
0
250Byte

500ByteNo assembly

図 4.8

1000Byte
Assembly

ATM ルータ負荷の比較{ 21 {

1500Byte

4.2 考察ATM ルータ内パケット 数

２．

パケットアセンブリを実行する場合としない場合の ATM 内パケット数の比較を、各送信パ
ケットサイズごとで測定を実施した。
「アセンブリ装置‐ATM ルータ」
パケット数の測定ツールは、ATM Sni er を使用した。
間において ATM Sni er を繋ぎ 、TCP パケットをキャプチャする。

ATMルータ内パケット数
50000

packets

40000
30000
20000
10000
0
250Byte

500ByteNo assembly

図 4.9

1000Byte

1500Byte

Assembly

ATM ルータ内パケット数の比較

4.2

考察

4.2.1

パケット アセンブリ評価

１．パケット アセンブリ最大連結数

FTP サーバ側, クライアント側の両アセンブリ装置において、100[msec] のパケットアセン
ブリタイムアウト値の設定でパケットアセンブリを実行した場合、送信パケットサイズが1000Byte 以上の場合は 、9180Byte（ ATM の MTU ）迄パケットアセンブリすることができたが 、500Byte 以下のパケットサイズにおいては、9180Byte を満たす迄パケットアセン
ブリすることができなかった。実際のネットワークにおいては小サイズのパケットが大多数を占めている。そこで、アセンブリタイムアウト値を 100[msec] 以下に設定するか、パケッ{ 22 {

4.2 考察
トを連結する個数を適度に指定する必要があることがわかった。また、小サイズのパケットにおいては 9180Byte 迄アセンブリできないので、Ethrenet のデータリンクにおいてもパケットアセンブリを実行することで 、エッジルータでのパケットアセンブ リをより有効的なものにすることができると考える。

２．パケット アセンブリ平均連結数
この実験結果の予測として、パケットサイズが小さいもの程、よりパケット連結が実行されると考えていた。特に、FTP サーバ側のアセンブリ装置においては、主に 5Mbyte のファ
イルのデータがパケットアセンブリされているので、送信パケットサイズが小さい程パケッ
トが連結すると予測できると考えた。しかし 、実際の結果は FTP サーバ側, クライアント
側両アセンブリ装置において、500Byte の時、最小の平均連結数となった。この原因について考察しているが 、未だその原因突き止めていない。そこで、原因解明のために FTP サー
バ・受信端末において、Ethereal（パケットキャプチャソフト ）によるパケット解析を行っていく予定である。

３．パケット アセンブリ装置負荷
パケットアセンブ リ装置の負荷の結果は、パケットアセンブリ平均連結数のグラフと類似するグラフとなり、FTP サーバ側, クライアント側の両装置においての負荷は、通常時の転送時に比べ 2.1 〜 4.3 倍以内に収まった。また、この値がルータの処理（ step 数）能力において許容範囲にあるかど うかが問題である。しかし 、アセンブリ装置はルータとは動作が異なる。そこで、アセンブリ装置とルータの負荷比較をどのように行っていくかが今後の課題となる。

{ 23 {

4.2 考察
４．

ATM ルータ負荷

パケットアセンブ リを実行した場合、送信パケットサイズが 1000Byte 以上の場合は、

ATM ルータの負荷を 1/2 以下まで軽減することができ、送信パケットサイズが 500Byte
以下の場合は、負荷を /10 以下に迄軽減することができた。このことから、サイズが500Byte 以下のパケットについては 、十分に満足な結果が得られと考えており、このことは、小サイズパケットが多数存在する現状のネットワークにおいて、パケットアセンブリが有効的であることを示すことができたと言える。また、MTU の小さいデータリンクから

MTU の大きいデータリンクに転送するエッジルータにおいて 、パケットアセンブリが有効的であることが言える。

５．

ATM ルータ内パケット 数

パケットアセンブリを実行した場合、コアルータ内のパケット数は 、2/7 〜 1/6 以下に減少させることができた。このことから 、IP ヘッダ処理等が減ることからコアルータの負荷軽減に繋がることが良く分かった。また、コアルータ内のパケット数が 1/5 減少したとしても、コアルータ負荷が等しく 1/5 に軽減されないことから 、パケット数の減少率が直接負荷の軽減率にかかわらないことがわかった。

６．遅延と帯域低下
上記のパケット最大連結数の考察から、遅延と帯域の低下が起きていると考えられる。その理由として、500Byte 以下のパケットにおいては、パケットが連結する最大個数でも9180Byte を満たさないことが挙げられる。このことから、連結されるパケットは毎回
100[msec] 待たされることになるので余分な待ち時間が多く存在することになので、この時間が遅延となり、帯域を低下させることになる。また、この帯域の低下により、ATM ルー
タの負荷の軽減に影響が出てしまうことになる。帯域の低下による ATM ルータ負荷の軽減{ 24 {

4.2 考察は望ましいものではない。そこで、遅延と帯域の低下を抑制する必要がある。その方法として、最も簡単なやり方はパケットアセンブリタイムアウト値を 100[msec] 以下に設定することである。タイムアウト値を具体的にどれくらい設定するかは、これからの測定による。しかし 、実際のネットワークの状態は、時間・場所等様々な要因により常に変化しているので、タイムアウト値を一定に設定することは余り望ましくないと考えられる。次に、提案する方法としては、パケットサイズやパケット間隔から、パケット連結を制御する機能をパケット
アセンブリ装置に追加することである。これは、パケットサイズやフローからのパケット間隔の予測を行い、パケットを連結する個数を決定するものである。具体的な方法については
これから検討していくつもりである。また、この方法は、パケットを連結する個数をタイムアウト値にすることでも良いと考えられる。何故なら 、タイムアウト値が固定値ではなくなるので、常に変化するネットワーク状態に対応できるものと考えられるからである。

4.2.2

パケット アセンブリ装置改善点

考察による装置改善点
１．パケットアセンブリタイムアウト値
アセンブリ最大連結数や遅延, 帯域の低下の考察に述べたようにパケットアセンブ リ装置において、パケットアセンブ リタイムアウト値を 100[msec] 以下の設定が行えるようにすべきであることがわかったので、より小さい値のパケットアセンブリタイムアウト値を設定できるようにする必要がある。今後測定に必要な具体的なタイムアウト値の設定範囲は、1 〜

100[msec] 以内であると考えている。この問題は、次号機のパケットアセンブリ装置において改善される予定であり、パケットアセンブリタイムアウト値の設定範囲は、0 〜1000[msec] となる。
２．パケット連結（ タイムアウト値）制御機能
遅延と帯域の低下の考察において述べたように、パケットアセンブリの性能向上を求める上でパケット連結やタイムアウト値の制御機能を付加する必要があると考えている。これは、{ 25 {

4.2 考察
パケットサイズやフローからパケット間隔などを予測し 、パケット連結数やタイムアウト値を決める機能である。フローの予測方法等の具体的な方法については、今後検討していく予定である。

その他の装置改善点
１．複数端末間によるパケットアセンブリ制御
本研究で使用したパケットアセンブ リ装置は、1 対 1 の通信においてしかパケットアセンブ
リを実行できない。これでは、実ネットワークに近い環境で測定することやマルチフローア
センブリの評価ができないので、複数端末間にでのパケットアセンブリが実行できるようにする必要がある。この問題は、次号機のパケットアセンブリ装置において改善される予定である。
２．優先スケジューリング送信機能
これは、アセンブ リルートごとに設定された優先度を基に、パケットアセンブリ後のパケッ
ト送信順序に優先付けを行う機能である。優先度の設定は最大で 33 の優先付けが行える。
この優先制御を実行することによって、フローに対して差別化を行うことから、ある程度の

QoS を保証することができるようになる。この機能は、次号機のパケットアセンブリ装置
において付加される予定である。
３．ルーティング機能
本実験装置においては、ルーティング機能が実装されていなかった。よって、Ethernet ⇔Ethernet,Ethernet ⇔ ATM,ATM ⇔ ATM 間のルーティング機能が 、次号機のパケットア
センブリ装置において付加される予定である。
４．ARP（ Address Resolution Protocol ）本研究で使用したパケットアセンブ リ装置には、ARP に対応していなかったため、送信・受信端末において静的に付け加えていた。そこで、次号機のパケットアセンブリ装置において ARP 応答の機能が追加される予定である。

{ 26 {

4.3 今後測定すべき項目

4.3

今後測定すべき項目

１．リアセンブリ処理の負荷測定
本研究の測定においては、リアセンブリ処理の負荷が測定できなかった。連結パケットを分解するだけなので 、パケットアセンブリ処理程は負荷でないと予測できるが 、ネットワーク
全体の負荷として比較する際に用いるので測定を行う必要がある。また、分解する際に、遅延が発生し 、フローに影響を与え帯域に影響を与えてしまうか測定する必要がある。
２．複数の送信・受信端末数によるパケットアセンブ リ評価
本研究の測定においては、1 対 1 の通信でのパケットアセンブリ評価を行った。その理由として、実験に使われたパケットアセンブリ装置は、1 対 1 の通信においてしかパケットアセ
ンブリを実行できない条件があったからである。今後、パケットアセンブ リ装置を実用化していくためには、複数の端末間（ネットワーク間）の通信による測定は行わなければならない。下記に今後の実験環境予定図を示す。
・・・・・・・・・・

アセンブリ装置・・・・・

アセンブリ装置

ATMルータATMネットワーク

アセンブリ装置・・・・・

アセンブリ装置

・・・・・・・・・・

図 4.10

今後予定する実験環境

今後は、複数の端末間によるパケットアセンブリの有効性を実証しながら 、問題点を抽出していく予定である。

{ 27 {

4.4 結論
３．シングルフローアセンブリとマルチフローアセンブリの比較
上記でも述べたが 、複数の端末間の通信が実行できないため、シングルフローアセンブリとマルチフローアセンブリの比較が行えなかった。マルチフローアセンブリは、サブネットマ
スク毎のアセンブ リを実行するために複数の端末間の通信が必要条件となるからである。実際に、マルチフローアセンブリがシングルフローアセンブリより有効であるか実証し 、またその効果がどれくらいであるかを示していく予定である。
４．TCP Ack のパケットアセンブ リ
本研究において、TCP フローを実際に転送したが 、Ack パケットの検証は行わなかった。
そこで、パケットアセンブリを実行している場合の TCP パケットをキャプチャし 、Ack が実際にどのように動いているかを調査していき、適切なパケットアセンブ リ方法を検討していく予定である。
５．パケットアセンブリタイムアウト値
パケットアセンブ リパケット最大連結数の考察から、パケットアセンブリタイムアウト値を

100[msec] 以下に設定する必要があることが分かったことから、タイムアウト値を変更しながらパケットアセンブリの実験を実施し 、適切なタイムアウト値を検証していく予定で
ある。

4.4

結論

今回の測定を行った結果、ATM ルータ負荷軽減においてパケットアセンブ リ方式の有効性を実証できた。しかし 、検証するべき課題も多く残っており、遅延と帯域低下といった問
題点も浮き出てきた。この問題に関しては、パケット連結（パケットアセンブリタイムアウト値）制御機能を追加することにより、遅延と帯域低下を抑制できることから 、パケットア
センブリ装置の性能向上が実現できるので、アセンブリ装置の高機能化が実現できると踏んでいる。

{ 28 {

第5章

アセンブリ装置高機能化の提案−ス
ケジューリング方式−
本章では 、まず高機能化の目的を述べ 、スケジューリング 方式の説明と紹介を行い 、パケットアセンブリスケジューリングについて述べている。

5.1

高機能化への目的

パケットアセンブリには 、パケットを結合・分割する際に発生する遅延、リアルタイムパ
ケットや経路制御プロトコルなどのパケットアセンブリに適さないトラフィックの分別方法、

TCP の Ack のアセンブリ方法など 様々な課題がある。よって、このような課題を解決して、
パケットアセンブリを更に向上させる必要がある。そこで今回、主にパケットアセンブ リに適さないパケットの分別を解決するパケットアセンブ リスケジューリングを考案した。

5.2

従来のスケジューリング方式

実際のネットワークにおいて 、ルータは複数の入力フローと 1 本の出リンクしか存在しない。そこでパケットを 1 本または複数のキューに格納し 、一定のアルゴ リズムに従ってキューから 1 個ずつ順にパケットを取り出して、出リンクに送出する必要がある。この送出順序を選択するスケジューリングアルゴ リズムをスケジューリング方式という。[7]{ 29 {

5.2 従来のスケジューリング方式

5.2.1

スケジューリング方式

1 FIFOQ(First in First out Queueing)
FIFOQ は従来の Best-e ort 型のスケジューリング 方式である。すべてのフローのパケットを到着順に 1 本のキューに格納し 、キューの先頭から順に出力する。よって、フロー毎の出力レートは入力レートに比例する。また、小さなバーストならばそのま
ま転送される。現在の多様なアプ リケーショントラフィックが存在するネット ワーク
においては、この方式で QoS を保証することができない。[7]2 PQ(Priority Queueing)
PQ はフロー毎の優先度を定め、そのフローすべてのパケットにフローの優先度を記入してキューに格納する。ゲートウエィでは優先度に従ってパケットを処理する。優先度の高いフローは順次パケットが送出されるが 、優先度の低いフローは枯渇する恐れがある。[7]3 WFQ(Weighted-Fair Queueing)
WFQ は各フロー毎にキューを用意して 、パケットを格納する。ゲートウェイにおいては 、重み付けをされた各フローをラウンド ロビン方式によりパケットを送出する。
動的に帯域幅を割り当てれ るので他のフローの影響を一定以下に抑えることができる。また、ラウンド とリップ 遅延の変動問題にも対応しており、量の多い通信が複数行われても転送レ ートと到着間隔が 予測可能となる。し かし 、各フロー毎にキューを用意するのでメモリを浪費してしまうので、ハード ウェアでの実装が高価になる。[8]4 CBQ(Classed-Based Queueing)
CBQ は同一の出リンクに出力されるフローを階層的なクラスに分類して 、パケットをキューに格納してから 、各クラスに出力レートを与える。CBQ スケジューラーは 、各フローに 静的な帯域を確保するだけでなく、各クラスに静的な帯域を割り当てる
ように入力フローの帯域を制御できる。しかし 、他のクラスの帯域に余裕がある場合（ 子クラスの親が違う）でも静的に帯域が決められているため、効率的な転送が行え{ 30 {

5.2 従来のスケジューリング方式
ない場合がある。[7]5.2.2パケット アセンブリスケジューリング−本実験装置−[4]送信処理[2]アセンブリルート処理[1]

受信バッファ

[3]アセンブリバッファ

図 5.1 本実験装置のスケジューリング

[1] 受信バッファ
この受信バッファは 、装置に受信されたパケットが格納される場所である。

[2] アセンブリルート処理
TOS 値によるアセンブリルート処理が行われる場所である。
[3] アセンブリバッファ
アセンブリされるパケットが格納され 、パケットアセンブリが実行される場所である。

[4] 送信処理{ 31 {

5.3 パケットアセンブリスケジューリング
アセンブリされたパケットを送信する場所である。
送信方法は、アセンブリルートをラウンド ロビンで監視し 、パケット連結が完了されたアセ
ンブリパケットから順に送信する。

5.3 パケット アセンブリスケジューリング
5.3.1

構成

非アセンブリバッファ
link

link

[3] スケジューラ[1] パケット分類

アセンブリバッファ[2] バッファ
図 5.2 パケットアセンブリスケジューリング

[1] パケット分類■プロトコル番号, ポート番号によるアセンブ リ実行選択
プロトコル番号とポート番号を参照して、アセンブリバッファに格納するか 、非アセンブリ{ 32 {

5.3 パケットアセンブリスケジューリング
バッファに格納するか決定する。
■シングルフローアセンブリ or マルチフローアセンブリの確認
アセンブリバッファがシングルフローアセンブリかマルチフローアセンブ リのど ちらのモードか確認する。
■同一の宛先 IP アドレス（サブネットマスク）, 送信元 IP アドレス（サブネットマスク）によるアセンブリルート（キュー）処理。
宛先 IP アドレス, 送信元 IP アドレスを参照してパケットのアセンブリルート（キュー）を決定する。

プロトコル番号
ポート番号
処理

No

Assembly
非アセンブリバッファ

Assembly

シングルフローアセンブリor
マルチフローアセンブリ
シングルフローアセンブリ
マルチフローアセンブリ
どちらかCheck
アドレス
サブネットマスク処理
各アセンブリルートへ

アセンブリバッファ

図 5.3 パケット分類の流れ[2] バッファ■非アセンブリバッファ
パケットアセンブ リを実行されないパケットが格納される。

{ 33 {

5.3 パケットアセンブリスケジューリング
■アセンブリバッファ
パケットアセンブ リを実行されるパケットが格納され 、パケットアセンブ リが実行される。

[3] スケジューラ■送信制御
１．非アセンブリバッファにパケットが格納されているかの判断
非アセンブリバッファにパケットが格納されていると判断された場合、パケットの送出を開始する。
２．アセンブリバッファに連結が完了したパケットがあるかの判断
アセンブリバッファにパケット連結が完了したパケットがあると判断された場合、パケットを送出する。連結が完了されたアセンブリパケットは 、アセンブリされてないパケットに割り込んで優先的に送出される。但し 、非アセンブリバッファにおいて、パケット量がある閾
値を超えて存在した場合、非アセンブリバッファのパケット量が閾値の半分以下の量になるまで 、パケットを優先的に送出する。

非アセンブリバッファ
でのパケット確認
パケットありパケットなしアセンブリバッファでのパケット確認

パケット送出優先

連結完了パケットあり
連結完了パケットなし

図 5.4 送信制御の流れ■優先送信制御プロトコル番号, ポート番号とアドレスの参照により、アセンブリルートの連結パケットに{ 34 {

5.3 パケットアセンブリスケジューリング
対して優先送信制御を行う。

5.3.2

ユーザ設定項目■プロトコル番号, ポート番号によるパケットアセンブリの設定
パケットアセンブ リを実行しないプロトコル番号, ポート番号を設定する。
■プロトコル番号, ポート番号とアドレス（サブネットマスク）による優先送信制御の設定
優先送信制御を行いたいプロトコル番号, ポート番号やアドレス（サブネットマスク）を設
定する。

5.3.3

本実験装置との違い

１．プロトコル番号, ポート番号によるアセンブリ実行選択
本実験装置においては、TOS 値によって、パケットアセンブリの実行やアセンブリルート決定を行っている。しかし 、TOS による優先制御は現在の殆どのネットワークにおいては、要求は無視されたり、制御機構を実装することが難しく、要求が不正に設定されている場合に不公正さを生じることから利用されていないのが現実である。そこで、IP パケットに必ず含まれているプロトコル番号, ポート番号を参照することで、これらの問題を解決しようとしている。
２．優先送信制御
本実験装置においては、優先送信制御は行っていない。優先送信制御を行うことで、フローに対して差別化をおこなえることから、ある程度の QoS を保証することができるようになる。例えば 、あまり利用されないプロトコルのフローについては、優先度を低くし 、利用頻度の高いプロトコルについては優先度を高く設定したり、あるレベルの高いサービ スを受けているアドレスのフローについては優先度を高く設定し 、レベルの低いサービ スを受けているアドレスのフローについては優先度を低く設定したりすることで QoS を保証することができる。

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5.4 考察

5.4

考察

このパケットアセンブリスケジューリング方式を採用した場合、
１．優先送信制御を行うことで、ある程度の QoS が保証できる。
２．ユーザの設定項目を増やしたことからある程度のネットワーク環境に対応できることからパケットアセンブリ装置に汎用性を持たせることができた。
この 2 点が改善されると考えている。
また、プロトコル番号, ポート番号で、パケットアセンブリを実行するかしないかの設定が行えることから、目的であるパケットアセンブリに適さないフローの分別が実行できると考
えている。

5.5

今後の課題

まず、送信制御において、非アセンブリバッファが輻輳した場合の具体的な閾値について検証を行っていく必要がある。次に、パケットアセンブリスケジューリングをプログラミン
グによる実装を行うか、パケットアセンブリ装置への実装を行い、従来のパケットアセンブ
リのスケジューリング方式より有効性であるかを実証しなければならない。また、遅延など
他のパケットアセンブリの問題点を改善できるパケットアセンブリスケジューリングの提案を行っていく必要がある。

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第6章

まとめ
本稿では、パケットアセンブリ装置を用いて従来の IP パケット転送と比較し 、特に ATM
ルータ負荷軽減においてパケットアセンブリの有効性を実証した。しかし 、まだ 、検証すべき項目も多数あり、遅延と帯域の低下といった問題点も発見された。この問題点は 、パケッ
ト連結（パケットアセンブ リタイムアウト値）の制御機能を追加することにより抑制しようと試みている。遅延と帯域の低下を抑制することができれば 、パケットアセンブリ装置の性能が向上したことになるので、装置の高機能化が図れたことになる。
また、パケットアセンブ リに適さないパケットの分別するパケットアセンブリスケジューリングを提案した。このパケットアセンブリスケジューリングを採用することにより、ある程度の QoS が保証され 、パケットアセンブ リ装置に汎用性を持たせることができ、パケッ
トアセンブリに適さないパケットの分別が行えるようになる。
今後は、より実ネットワークに近い環境で測定を行いながらパケットアセンブリの有効性を検証すると共に 、パケットアセンブリの高機能化を図っていく。

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謝辞
本研究を行う際に 、指導を頂いた島村和典 学科長や通信・放送機構高知トラフィックリ
サーチセンタの神田敏克氏には 、助言、指導を頂き深く感謝いたします。また、副査となっていただいた岡田守 教授、岩田誠 教授にも深く感謝いたします。最後に 、同研究室の共同
研究者の浦西慶規さん、山田敦さん 、その他島村研究室の方々に感謝いたします。

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参考文献[1] T.Kanda and K.Shimamura, "Load reduction for the node processors in core networks by packet assembly," IEEE CQR Technical Committee, CQR International
workshop 2001 in Tucson, U.S.A.
[2]「高速パケットでフラグ メント自律化方式の制御に関する研究」学士学位論文 平成１２
年度，小林寛征，高知工科大学[3]「ネットワークトランスファ性能評価とその高機能化に関する研究」学士学位論文 平成１２年度，浦西慶規，高知工科大学[4] http://www.cisco.com/japanese/warp/public/3/jp/solution/sp/mpls/mpls1.html,
Cisco[5] http://www4.nikkeibp.co.jp/NCC/nccnews/ncc577.html[6]「 マスタリング TCP/IP 入門編第２版」竹下隆・村山公保・荒井透・苅田幸雄 共著,
オーム社[7]「詳解 ネットワーク QoS 技術」戸田巌，オーム社[8]「ギガビット イーサネット徹底解説」StphenSaunders 編 井早優子 訳 林田朋之・米澤寿員 監訳，日経ＢＰ社{ 39 {