System Wide Information Management (SWIM) ネットワークモデルでのQoS 実装
中里秀則
早稲田大学 国際情報通信研究センター
2015 年 6 月 5 日

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Copyright Last Revised at 11:59 June 17, 2015.

System Wide Information Management (SWIM) ネットワークモデルでの QoS 実装
2015 年 6 月 5 日– 1 / 23

目次
研究概要

研究概要

要求条件の整理
統合ネットワークの実装
終わりに要求条件の整理
統合ネットワークの実装
終わりに

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2015 年 6 月 5 日– 2 / 23

研究の背景研究概要• 研究の背景• 研究の目標要求条件の整理• 航空機の監視、気象情報、航空機フロー管理、空港情報、フライト管理など航空機の運航に関する様々な情報を共有できる
System Wide Information Management (SWIM) が検討されている

統合ネットワークの実装
終わりに

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2015 年 6 月 5 日– 3 / 23

研究の目標研究概要• 研究の背景• 研究の目標
要求条件の整理
統合ネットワークの実装
終わりに• SWIM では、情報の伝達をおこなうネットワークにおいても、多様な通信品質条件（帯域、遅延、損失）をもつ情報を統合して扱うが、統合の結果、伝達する情報間の相互干渉により通信品質が低下する可能性がある• そこで、本研究では、多様な品質条件をもつ情報を、その条件を保証するように伝達するネットワークの実現に向けた検討をおこなった

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2015 年 6 月 5 日– 4 / 23

SWIM で統合する情報
研究概要
要求条件の整理

• SWIM で統合する情報• SWIM を利用する
ユーザ• サービス条件• 各データの更新周期
統合ネットワークの実装
終わりに• まず、SWIM のネットワークにおいて扱う必要のある情報について整理をおこなった• ここでは、以下の情報サービスを SWIM で統合する情報サービスの対象とすることとした
◦
◦
◦
◦
◦
◦
◦

Aeronautical information（航空情報）
Flight trajectory（飛行軌道の情報）
Aerodrome operations（空港に係わる情報）

気象情報
Air traffic flow（航空交通管理情報）
Surveillance information（監視システムの情報）
Capacity and demand information（乗客サービスに関する情報）

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SWIM を利用するユーザ
研究概要
要求条件の整理

• SWIM で統合する情報• SWIM を利用する
ユーザ• サービス条件• 各データの更新周期
統合ネットワークの実装
終わりに• 情報によっては、それを利用するユーザ毎に、必要な品質条件が異なる可能性がある• そこで、SWIM を利用するユーザをまとめるとは以下のようになる
◦
◦
◦
◦
◦

管制官
航空会社
空港運営会社
地上オペレ−タ旅客

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サービス条件
研究概要
要求条件の整理

• SWIM で統合する情報• SWIM を利用するユーザ• サービス条件• 各データの更新周期
統合ネットワークの実装
終わりに• 一般旅客からのアクセスはインターネット経由である• 監視システムなどでは短い頻度でデータの更新がおこなわれ、データのリアルタイム性が要求される• 気象情報のようなデータ量の大きいものがある• 重要なリアルタイムデータへのアクセスが、他のユーザの利用により妨げられないようにする必要がある• 各ユーザの情報サービスへのアクセスは、各サービスのアクセス制御要件に合っている必要がある

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各データの更新周期
研究概要
要求条件の整理

• SWIM で統合する情報• SWIM を利用する
ユーザ• サービス条件• 各データの更新周期
統合ネットワークの実装
終わりに• Aeronautical Information (航空情報) : 長期間にわたり変化しない情報• Flight trajectory (4D 軌道飛行の詳細情報): 30 秒に一度の更新• Aerodrome operations (空港の詳細情報): 1 秒に一度の更新• Meteorological (過去、現在、将来の気候情報): 3 時間に一回の更新、大容量 300MByte• Air traffic flow (航空交通管理情報): 変化の少ない情報• Surveillance (監視システムの情報):

ユーザ
更新周期
管制官（広域）10 秒
管制官（空港近傍）
4秒
管制官（空港面）
1秒
航空会社
30 秒
空港運営会社20 秒
地上オペレ−タ
10 秒
旅客
1〜5 分
• Capacity and demand (乗客サービスに関する情報): 1 分に一度の更新
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SWIM 統合ネットワーク実現方針
研究概要
要求条件の整理
統合ネットワークの実装• SWIM 統合ネットワー
ク実現方針• ネットワーク仮想化• サービス条件に基づく情報サービスのグループ化• ネットワーク構成• 実装方法• MX シリーズルータによる実装の検討• Interface-Set コンフィ
ギュレーション
• スライスのコンフィ
ギュレーション
• vNode による実装• 様々な情報サービスを統合し、かつそれぞれのサービス条件を満足するために、ネットワーク仮想化を利用する• 必要なリアルタイム特性を得るために、特定のスケジューリングを適用してパケットスケジューリングを行う

終わりに

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ネットワーク仮想化
研究概要
要求条件の整理
統合ネットワークの実装• SWIM 統合ネットワー
ク実現方針

ネットワーク仮想化とは、ソフトウェア処理により、一つの物理ネットワーク、あるいは複数の物理ネットワーク上に、仮想的に分離した複数のネットワーク（スライス）を構築できる機能である• ネットワーク仮想化• サービス条件に基づく
情報サービスのグループ化• ネットワーク構成• 実装方法• MX シリーズルータによる実装の検討• Interface-Set コンフィ
ギュレーション
• スライスのコンフィ
ギュレーション
• vNode による実装

仮想ネットワーク 1

終わりに物理ネットワーク

仮想ネットワーク 2

処理能力

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2015 年 6 月 5 日– 10 / 23

ネットワーク仮想化
研究概要
要求条件の整理
統合ネットワークの実装• SWIM 統合ネットワー
ク実現方針• ネットワーク仮想化• サービス条件に基づく情報サービスのグループ化• ネットワーク構成• 実装方法• MX シリーズルータによる実装の検討• Interface-Set コンフィ
ギュレーション
• スライスのコンフィ
ギュレーション
• vNode による実装

ネットワーク仮想化により、それを利用する側としてどのような機能が利用可能になるかは、実装されているネットワーク仮想化機能に依存するが、一般に以下の様なことが可能になる• 物理的に一つのネットワークを複数のスライス、あるいは複数の物理ネットワークを一つのスライスに見せる• 各スライスは相互に分離されたネットワーク環境を提供する• 任意のトポロジをもつ仮想ネットワークを構成する

終わりに

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2015 年 6 月 5 日– 11 / 23

ネットワーク仮想化
研究概要
要求条件の整理
統合ネットワークの実装• SWIM 統合ネットワー
ク実現方針• ネットワーク仮想化• サービス条件に基づく
情報サービスのグループ化• ネットワーク構成• 実装方法• MX シリーズルータによる実装の検討• Interface-Set コンフィ
ギュレーション
• スライスのコンフィ
ギュレーション
• vNode による実装
終わりに• ネットワークノード（ルータ）に、プログラムを実行する能力があり、パケットに含まれるデータを処理することができる
processor
control
packetpacket◦ ユーザが作成したプログラムをネットワークノードに搭載し、そのプログラムで定義した処理をネットワークノードに実行させることができる◦ プログラム処理の内容は、パケットの転送制御やパケット自体の変更である◦ ネットワーク仮想化に係わる技術として、Software Defined
Network (SDN) や Netwrok Function Virtualization (NFV) がある

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サービス条件に基づく情報サービスのグループ化
研究概要
要求条件の整理
統合ネットワークの実装• SWIM 統合ネットワー
ク実現方針• ネットワーク仮想化• サービス条件に基づく情報サービスのグループ化• ネットワーク構成• 実装方法• MX シリーズルータによる実装の検討• Interface-Set コンフィ
ギュレーション
• スライスのコンフィ
ギュレーション
• vNode による実装
終わりに

以下の方針により情報サービスをグループ化し、それぞれ個別のスライスによってサービスを提供する• 統合しようとする情報サービスには、リアルタイム性が必要とされるものがある◦ リアルタイム性を必要とするサービスは、一つの仮想ネットワークにまとめることによりサービス品質を満足しやすい• 大量のデータを転送する必要のあるサービスはリアルタイム性を必要とするサービスとは分離する• 各グループ内では、サービス毎の品質要求条件を満たすよう、パケットの分類とスケジューリングを行う• インターネットからのアクセスはここで検討するネットワークに接続されたサーバを経由してアクセスするものとする

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2015 年 6 月 5 日– 13 / 23

サービス条件に基づく情報サービスのグループ化
研究概要
要求条件の整理
統合ネットワークの実装• SWIM 統合ネットワー
ク実現方針• ネットワーク仮想化• サービス条件に基づく情報サービスのグループ化• ネットワーク構成• 実装方法• MX シリーズルータによる実装の検討• Interface-Set コンフィ
ギュレーション
• スライスのコンフィ
ギュレーション
• vNode による実装
終わりに• 情報サービスのグループ化方針に基づき、以下のようなグループ化を行い、それぞれのグループ用に仮想ネットワーク（スライス）を定義する
スライス 1: 監視システムからの情報、空港の詳細情報
スライス 2: 4D 軌道飛行の詳細情報、監視システムからの広域の情報、乗客サービスに関する情報、航空情報、航空交通管理情報
スライス 3: 気候情報
• 各スライスには以下のユーザがアクセス可能とする

スライス 1: 管制官、地上オペレ−タ（旅客。ただしスライス 2: 管制官、航空会社、空港運営会社、サーバ経由）
スライス 3: 管制官、航空会社• さまざまな要求条件のサービスが混在するスライス 2 については、スライス内でサービス毎に異なる通信品質を確保するよう、サービス毎に制御するパケットスケジューリングを実施する
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2015 年 6 月 5 日– 14 / 23

ネットワーク構成
研究概要
要求条件の整理
統合ネットワークの実装• SWIM 統合ネットワー
ク実現方針

情報サービスおよびユーザのグループ化を基に、以下の仮想ネットワーク構成を構築する• ネットワーク仮想化• サービス条件に基づく情報サービスのグループ化• ネットワーク構成• 実装方法• MX シリーズルータによる実装の検討• Interface-Set コンフィ
ギュレーション
• スライスのコンフィ
ギュレーション
• vNode による実装
終わりに

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2015 年 6 月 5 日– 15 / 23

実装方法
研究概要
要求条件の整理
統合ネットワークの実装• SWIM 統合ネットワー
ク実現方針• ネットワーク仮想化• サービス条件に基づく情報サービスのグループ化• ネットワーク構成• 実装方法• MX シリーズルータによる実装の検討• Interface-Set コンフィ
ギュレーション
• スライスのコンフィ
ギュレーション
• vNode による実装
終わりに• 仮想ネットワークは、現在研究中のネットワークであり、提案する SWIM 統合ネットワークを実装する環境がまだ十分に整っていない• 実装環境として現在可能性のあるものとして以下がある◦ Juniper 社の MX シリーズルータによって構築したネットワー

ク環境•

NICT が提供するネットワークテストベッドである JGN-X
では、昨年度から上記 Juniper MX シリーズルータを使ったサービスを開始した◦ 情報通信研究機構 (NICT) が開発している vNode およびFLARE により構築したネットワーク環境•

昨年度開発が終了したが、まだ一般利用には供されていない

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2015 年 6 月 5 日– 16 / 23

MX シリーズルータによる実装の検討
研究概要

まず、MX シリーズルータによる実装について検討した

要求条件の整理
統合ネットワークの実装• SWIM 統合ネットワー
ク実現方針• ネットワーク仮想化• サービス条件に基づく情報サービスのグループ化• ネットワーク構成• 実装方法• MX シリーズルータによる実装の検討• Interface-Set コンフィ
ギュレーション
• スライスのコンフィ
ギュレーション
• vNode による実装• ネットワーク仮想化環境でのスライスと一般の IP ネットワークを接続する仕組みとして、まだ確立された方法はない• JGN-X では、MX シリーズルータの VLAN をスライスに対応させている• SWIM では 3 つのスライスを利用するが、その構成は以下のようになる
スライス３
VLAN 300

VLAN 300

終わりにスライス２
VLAN 200

VLAN 200

スライス１
VLAN 100

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VLAN 100

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2015 年 6 月 5 日– 17 / 23

MX シリーズルータによる実装の検討

Gm GM
Gl GL
Eh EH

終わりにVLAN nGm

GMGl

GL

Eh

EH

El

EL

RemainingEl EL

PQMDRR
Gh GH

PQMDRR
GHVLAN 1

PQMDRR
Gh GH

01GMGL
EH
EL

Remaining• ネットワーク仮想化• サービス条件に基づく
情報サービスのグループ化• ネットワーク構成• 実装方法• MX シリーズルータによる実装の検討• Interface-Set コンフィ
ギュレーション
• スライスのコンフィ
ギュレーション
• vNode による実装

制御することができる
INTERFACE-SET

統合ネットワークの実装• SWIM 統合ネットワー
ク実現方針• MX シリーズルータでは、下図の内部構成によりパケット転送をINTERFACE-SET

要求条件の整理

Port

研究概要

7

EH/EL: Excess Rate High/Low
GH/GM/GL: Guaranteed Rate High/Medium/Low
PQMDRR: Priority Queue Deﬁcit Weighted Round Robin Schedulingc 2015 by Hidenori Nakazato. All rights reserved.
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2015 年 6 月 5 日– 18 / 23

Interface-Set コンフィギュレーション
研究概要
要求条件の整理
統合ネットワークの実装• SWIM 統合ネットワー
ク実現方針• ネットワーク仮想化• サービス条件に基づく情報サービスのグループ化• ネットワーク構成• 実装方法• MX シリーズルータによる実装の検討• Interface-Set コンフィ
ギュレーション
• スライスのコンフィ
ギュレーション
• vNode による実装• JGN-X では、スライスが VLAN に対応する• スライス 1 から 3 に求められる品質要求条件の違いから、Interface-Set のレベルで以下のコンフィギュレーションを設定をする
Slice Conﬁguraon/Logical Interface

SLICE 1Real-me(VLAN-ID 100)

終わりにIngress Port Traﬃc

PhysicalInterface/Classiﬁer(MA)SLICE 2Stac or Non real-me(VLAN-ID 200)

SLICE 3

Long update interval(VLAN-ID 300)

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COS Conﬁguraon• Peak information rate : 400M
• Committed information rate : 200M
• Class: Guaranteed Rate High(Priority : High, Low-loss priority)• Peak information rate : 300M
• Committed information rate : 150M
• Class: Guaranteed Rate Medium(Priority : Medium, Low-loss priority)• Peak information rate : 300M
• Committed information rate : 150M
• Class: Excess Rate Low(Priority : Low, Medium-loss priority)

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2015 年 6 月 5 日– 19 / 23

スライスのコンフィギュレーション
研究概要
要求条件の整理
統合ネットワークの実装• SWIM 統合ネットワー
ク実現方針• ネットワーク仮想化• サービス条件に基づく情報サービスのグループ化• ネットワーク構成• 実装方法• MX シリーズルータによる実装の検討• Interface-Set コンフィ
ギュレーション
• スライスのコンフィ
ギュレーション
• vNode による実装
終わりに• 各スライスに対応する VLAN の中で、Guaranteed Rate あるいはExcess Rate のクラスとさらにそのクラスの中で優先度を設定し、スケジューリングする• スライス１◦ 空港面監視情報、空港詳細情報: Guaranteed Rate High•

短い更新周期を必要とするため優先してデータ転送をする• 情報量は扱う航空機の量の最大値を見積もり、一定帯域を保証するサービスを利用する◦ 空港近傍監視情報: Guaranteed Rate Medium•

上記空港面に関わる情報に次いで更新周期の短い情報であるので、中程度の優先度を利用する• ここでも、近傍の航空機量の最大値を元に、一定帯域を保証するサービスとする◦ 広域監視情報: Guaranteed Rate Low•

スライス１の中では更新周期は最も長いので優先度としては最も低いものを割り当てる

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2015 年 6 月 5 日– 20 / 23

スライスのコンフィギュレーション
研究概要
要求条件の整理
統合ネットワークの実装• SWIM 統合ネットワー
ク実現方針• ネットワーク仮想化• サービス条件に基づく情報サービスのグループ化• ネットワーク構成• 実装方法• MX シリーズルータによる実装の検討• Interface-Set コンフィ
ギュレーション
• スライスのコンフィ
ギュレーション
• vNode による実装• スライス２◦ 4D 軌道飛行の詳細情報、広域監視情報: Guaranteed RateMedium•

スライス２の中では、最も更新周期の短い情報である• 航空機の位置に関する重要な情報であると考えられるので、帯域保証のサービスを割り当てる◦ 航空情報、航空交通管理情報: Excess Rate Low•

更新の少ない、静的な情報である• 情報量として多くなる可能性を考え、上記情報を優先させるた
め Excess Rate サービスとする

終わりに◦ 乗客サービスに関する情報: Excess Rate High•

スライス２の中では中程度更新周期をもつ情報である• 情報量の変動を考慮し、Excess Rate サービスを割り当てる• スライス３◦ スライス３は大量の情報である気象情報専用に割り当てているため、Excess Rate サービスを使うこととし、特に優先度は任意で問題無い
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2015 年 6 月 5 日– 21 / 23

vNode による実装
研究概要
要求条件の整理
統合ネットワークの実装• SWIM 統合ネットワー
ク実現方針• ネットワーク仮想化• サービス条件に基づく
情報サービスのグループ化• ネットワーク構成• 実装方法• MX シリーズルータによる実装の検討• Interface-Set コンフィ
ギュレーション
• スライスのコンフィ
ギュレーション
• vNode による実装
終わりに• JGN-X では、現在転送クラスの設定やスケジューリングの設定をすることはユーザに解放されていない◦ これは、Juniper MX シリーズで個々のユーザに解放できる設定に限界があるためである• vNode では、ルータにプログラムを実行する能力が備わるため、スライス毎に柔軟な品質制御が可能になる
processorcontrol
packetpacket◦ 基本的には Linux 上でプログラムを実行できる環境がルータに備わるようである◦ NICT では、現在 vNode を使った仮想ネットワークの運用を停止しているが、7 月頃から再度運用を始め、その後 JGN-X サービスの一部として利用が可能になるとのことである◦ この場合も、情報の更新周期やアクセス周期によってクラス分けを行い、優先度および帯域制御のできるスケジューリングアルゴリズ
ムによって、本検討で行ったのと類似のコンフィギュレーションをすることによって実現可能と考える

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System Wide Information Management (SWIM) ネットワークモデルでの QoS 実装
2015 年 6 月 5 日– 22 / 23終わりに
研究概要
要求条件の整理
統合ネットワークの実装
終わりに• 終わりに• SWIM に向けた統合ネットワークの構成方法について検討をおこなった• 仮想ネットワークは現在開発中の技術であるため利用できる環境が限られており、今回提案のネットワークを実際に使用するためにはもうしばらく時間がかかる• SWIM に向けての統合ネットワークに関する研究をする機会を与えていただきありがとうございました

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System Wide Information Management (SWIM) ネットワークモデルでの QoS 実装
2015 年 6 月 5 日– 23 / 23