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Post on 27-May-2020
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情報通信工学特論
情報知能工学科
太田 能
内容
通信品質保証
性能評価
その他の話題
を考えていますが….
評価方法
レポートのみで評価
出席はとらない
テストはしない
レポート課題はWebに掲示予定http://www28.cs.kobe-u.ac.jp/~ohta
から手繰ってください
電話網とインターネット
電話網キャリアによる網管理
通信品質への要求条件が厳しい
ITU-T における標準化(閉鎖的,遅い)
ちゃんとしましょう,の文化
インターネット自律分散システム(ネットワークのネットワーク)
ベストエフォートサービス
IETF における標準化(開放的,早い)
いいかげん,の文化だったが…
電話網とインターネット
1876ベル電話発明
1969ARPAnetノード稼動
1991NSFネット
商用開放
1988N-ISDNサービス開始
1997ATMサービス開始
1985B-ISDN標準化開始
爆発的発展
マルチメディアサポートへの試み電話
インターネット
Web サービス
境界あいまいに
1987携帯電話サービス開始 All IP
ネットワークコア
相互接続されたルータ網
基本的な質問: データは
ネットワークをどのように転送されるのか
回線交換: 呼(call)ごとの専用回線: 電話網
パケット交換: データは
ばらばらの“かたまり”としてネットワーク内を転送される
ネットワークコア:回線交換
“呼”に対してエンド間の資源が予約される
リンク帯域,交換能力
専用資源:非共有
回線のような (保障された) 性能
呼設定が必要
ネットワークコア:回線交換
網資源(例:帯域)を分割
分割した断片を呼に割当
割当られた呼が使用しなければ,その断片はアイドルのまま(非共有)
分割方法
周波数分割
時分割
回線交換: 周波数分割多重と時分割多重
周波数分割多重FDM(Frequency Division Multiplexing)
frequency
time時分割多重TDM(Time-Division Multiplexing)
frequency
time
4 usersExample:
ネットワークコア:パケット交換各エンド間データストリームをパ
ケットに分割
ユーザA,Bのパケットはネットワーク資源を共有
各パケットは全リンク帯域を使用
資源は必要なときに使われる
資源競合:全資源要求が利用可能な量を超える場合がある
輻輳:パケットはキューに入りリンク使用を待つ
蓄積交換: パケットは1
ホップづつ移動
リンク上を伝送
次のリンクの順番を待つ帯域分割
帯域割当
資源予約
パケット交換:統計多重
AとBのパケット発生のパターンは異なる 統計多重
逆に,TDMでは,ホストはTDMフレーム内の同一スロットを利用する.
A
B
C10 MbsEthernet
1.5 Mbs
D E
統計多重
queue of packetswaiting for output
link
パケット交換 対 回線交換
1 Mbps(Mega bit per sec.) のリンク
ユーザ定義: アクティブ時:100 kbpsアクティブ状態の時間割合:10%
回線交換: 10 ユーザサポート
パケット交換: 35ユーザ:アクティブユーザ数が10を超える確率0.0004 以下で
パケット交換はより多くのユーザのネットワーク利用を可能にする!
N users1 Mbps link
パケット交換 対 回線交換
バーストデータに対しては効果大
資源共有
簡単,呼設定不要
輻輳: パケット遅延とロス
高信頼データ転送や輻輳制御のためのプロトコル
Q:回線交換のようなサービスをどのように提供するか?
音声/映像アプリに対して必要な帯域保証
未解決の問題
パケット交換は圧倒的な勝者か?
パケット交換ネットワーク:転送目的: パケットをルータを介して送信ホストから終点ホ
ストまで運ぶ
経路選択(ルーティング)アルゴリズム
データグラム(DG:datagram)ネットワーク:パケット内の終点アドレスにしたがって次ホップを決定
セッションの間に経路が変わる可能性
経路上での資源確保困難
バーチャルサーキット(VC:virtual circuit)ネットワーク:各パケットはタグ (virtual circuit ID)を含んでおり,タグによっ
て次ホップが決定される
呼設定時に経路が決定され,その呼の間は固定される.
ルータは呼ごとの状態を保持
DG方式とVG方式
11223344
1122
3344
1122
33441122 3344
データグラム方式データグラム方式
1122334433
4411
22
3344
バーチャルサーキット方式バーチャルサーキット方式
順序入替発生順序入替発生
動的動的経路選択経路選択
経路設定後経路設定後送信送信
到着順序保証到着順序保証
柔軟柔軟
1122
ネットワークの分類
情報通信ネットワーク
回線交換ネットワーク
FDM TDM
パケット交換ネットワーク
VCネットワーク
DGネットワーク
IPネットワーク
インターネットの概観
インターネット:“ネットワークのネットワーク”
おおざっぱな階層構造
インターネットとイントラネット
インターネットの標準化RFC: Request for commentsIETF: Internet Engineering Task Force
地域 ISP
企業内ネット
広域 ISP
router workstationserver
mobile
Cerf and Kahn の相互接続原理:小主義,自律主義 – 総合接続のため
にいかなる内部変更も必要としないベストエフォートサービスモデルステートレスルータ分散制御
今日のインターネットアーキテクチャを定義
インターネットの構造: ネットワークのネットワーク
おおざっぱな階層構造
中央: “tier-1” ISPs(国際 ISPs) (e.g., UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T), 国/国際間をカバー
インターネットのバックボーン
互いを同等に扱う
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier-1 providers interconnect (peer) privately相互接続点
NAP
Tier-1 providers also interconnect at public network access points (NAPs)複数ISPを接続
Tier-1 ISP: e.g., SprintSprint US backbone network
インターネットの構造:ネットワークのネットワーク
“Tier-2” ISPs: より小さな(広域) ISPs1つ以上のtier-1 ISPsに接続,他のtier-2 ISPs にも接続可
能
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
NAP
Tier-2 ISPTier-2 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP
Tier-2 ISP pays tier-1 ISP for connectivity to rest of Internet
tier-2 ISPはtier-1 ISP の顧客
Tier-2 ISPs also peer privately with each other, interconnect at NAP
インターネットの構造:ネットワークのネットワーク
“Tier-3” ISPs and 地域 ISPs (エンドシステムに も近い) 終ホップ(“アクセス”)ネット
ワーク
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
NAP
Tier-2 ISPTier-2 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP
localISPlocal
ISPlocalISP
localISP
localISP Tier 3
ISP
localISP
localISP
localISP
Local and tier-3 ISPs は,自
分たちを他のインターネットに接続してくれるより上位のtier ISPsの顧客
インターネットの構造:ネットワークのネットワーク
パケットは複数のネットワークを通る!
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
NAP
Tier-2 ISPTier-2 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP
localISPlocal
ISPlocalISP
localISP
localISP Tier 3
ISP
localISP
localISP
localISP
複数のISPが関与 ⇒ 網側によるエンド・ツー・エンドでの品質保証困難
Power LawMichalis Faloutsos, Petros Faloutsos, Christos Faloutsos, “On power-law relationships of the Internet topology,”Proceedings of the conference on Applications, technologies, architectures, and protocols for computer communication, 1999
Power Law
Power Law Power LawPoisson distribution
Exponential Network
Power-law distribution
Scale-free Network
Power Lawトポロジ生成法
Preference attachment により Internet Power Law ネットに近い特性を作り出すことができる
Π:新しいノードをノード i に接続する確率
jj
ii k
kkΣ
=Π )(
ただし,完璧にはインターネットトポロジに近い特性は得られない⇒いろんな方法が検討されている
P(k) ~k-3
Power Law
2.0 – 2.4Living organisms
2.1Telephone calls
2 – 3Gnutella
3Scale-free model (artificial)
2.1 – 2.5Social networks
1.9 – 2.7WWW
2.4 – 2.5Internet routers
2.1 – 2.2Internet domains
Degree exponent γSystem
パワー則はいろいろなところで発見されている
Power Lawパワー則ネットの弱点
Attacks
FailuresTopological
error tolerance
Rnak の高いノードから取り除いていくとばらばらに
Small WorldR. Albert, H. Jeong, and A. Barabasi, “Error and attack tolerance of complex networks,”Nature, vol. 406, pp. 378-382, Jul. 2000.
Small World Small World
5 5
Small World
確率pでランダムにエッジを書き換える
短ホップ数小さく,クラスタ形成される領域がでる
Small World
ロスは遅延はどうして生じるのか?
パケットはルータバッファのキューに入る
リンクへのパケット到着速度が出力リンクの容量を超える
パケットはキューに入り,順番を待つ
A
B
パケットの伝送 (遅延)
パケットの待ち行列 (遅延)空き(利用可能な)バッファ:空きバッファがなければ到着パケットが落ちる(廃棄)
ルータアーキテクチャの概要
二つの主要機能:経路制御アルゴリズム/プロトコルの実行 (RIP, OSPF, BGP)入力リンクから出力リンクへのデータグラムの交換
入力ポート機能
分散入力ポート処理:データグラムの宛先にもとづき,入力ポート内の経路制御表を使って出力ポートをルックアップ
目標:ラインスピードでの入力ポート処理
待つ行列:交換基盤への転送レート以上の速度でデータグラムが到着した場合
物理層:ビットレベルの受信
データリンク層:e.g., Ethernet
5章参照
入力ポート待ち行列交換基盤速度が入力ポート速度の合計より低い場合
⇒入力ポートで待ち行列が形成される可能性
ヘッドオブライン(HOL) ブロッキング: 待ち行列の先頭デー
タグラムが,競合しないポートを目指す,背後のデータグラムをブロック
待ち行列遅延や入力ポートキューでのバッファオーバフローによる廃棄
3種類の交換基盤
メモリ型交換基盤第一世代ルータ:パケットはシステムの(単一)CPUによりコピーされる
速度はメモリ帯域によって制限(データグラムあたり2度バス
を通過)InputPort
OutputPort
Memory
System Bus
現在のルータ:入力ポートプロセッサがルックアップとメモリへのコピーを
実行(共有メモリアーキテクチャ)
Cisco Catalyst 8500
バス型交換基盤
共有バスを介して入力ポートメモリから出力ポートメモリへデータグラム転送
バス競合: 交換速度はバス帯域によって制限
1 Gbps bus, Cisco 1900: アクセスルータ,エンタープライズルータでは十分な交換速度(非広域・バックボーンルータ)
内部接続網(クロスバスイッチ)型交換基盤
バス帯域制約の解決
バンヤンネットワーク,他がマルチプロセッサにおけるプロセッサ接続に利用
先端設計: データグラムを固定長セルに分割し,交換基
盤を介してセルを転送
Cisco 12000: 大 60 Gbps の交換能力
出力ポート
データグラムが出力リンク速度を超えて交換基盤から到着した場合にバッファリングが発生
スケジューリング規律により伝送するデータグラムを選択(FIFOとは限らない)
出力ポート待ち行列
出力リンク速度を超えて交換基盤からデータグラムが到着した場合に待ち行列が形成される
待ち行列遅延や出力ポートバッファあふれによる廃棄!
パケット遅延の4つの原因
1. ノード処理遅延:ビットエラーチェック
出力リンクの決定
A
B
伝播
伝送
ノード処理遅延 待ち行列
2. 待ち行列遅延
伝送のために出力リンクで待っている遅延
ルータの輻輳(混雑)の度合いに依存
パケット交換網内での遅延
3. 伝送遅延:R=リンク帯域 (bps)L=パケット長 (bits)パケットをリンクに送り込むための時間 = L/R
4. 伝播遅延:d = 物理リンクの長さ
s = 媒体中の伝播速度(~2x108 m/sec)伝播遅延 = d/s
A
B
伝播
伝送
ノード処理遅延 待ち行列遅延
Note: s と R はまったく異なる値
ノード遅延
dproc = 処理遅延
通常数マイクロ秒以下
dqueue = 待ち行列遅延
輻輳状態に依存
dtrans = 伝送遅延
= L/R, 低速度リンクでは顕著
dprop = 伝播遅延
数マイクロ秒から数百ミリ秒
proptransqueueprocnodal ddddd +++=
待ち行列遅延
R=リンク帯域 (bps)L=パケット長 (bits)a=平均パケット到着率
(単位時間あたりの到着個数)
トラヒック強度 = La/R
La/R ~ 0: 平均待ち行列遅延小
La/R -> 1: 平均待ち行列遅延増加
La/R > 1: 処理能力以上のパケットが到着,
平均遅延無限大!
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