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QoS 保証

IP ネットワークにおけるアドミッション制御

この項目においては,インターネットやその他の IP ネットワークにおけるアドミッション制御についての 従来の研究開発についてのべる. まず前提となる QoS 制御の基本方式について説明し,つづいてアドミッション制御の 2 種類の分類についてのべる. IPネットワークにおけるアドミッション制御の検討においては,ATM とはことなるインターネット・トラフィックの性質を考慮する必要が あるとかんがえられるが,これについては他の項目においてのべる.

関連項目: アドミッション制御の概要

QoS 制御の基本方式

アドミッション制御の検討にあたっては,まずどのような QoS 制御方式にしたがうかをきめる必要がある. そこで,この項においては IP ネットワークにおける 2 つの代表的な QoS 制御方式である IntServ と DiffServ とについてのべる.

インターネットにおける QoS 保証のための方法として IETF においてまず IntServ が提案され,つづいて DiffServ が提案された. IntServ (Integrated Services) [Bra 94] [She 97] とは,フローごとに帯域などのネットワーク資源を確保することによって QoS を確保しようとする QoS 保証通信サービスである.

IntServ においてはフローごとに帯域などの資源を制御するのに対して,DiffServ においてはフローをクラスに分類し,クラスごとに資源を制御する. そのため,DiffServ はフローごとの制御が困難な大規模ネットワークにおいて 実用的な方法である. スケーラブル QoS の研究開発においてもバックボーンにおいて DiffServ を使用することを前提としたが,この研究開発においても DiffServ を前提とすることが適切だとかんがえられる. したがって,この報告においても DiffServ を前提とする.

DiffServ においては QoS 保証をするためにトラフィックをクラスわけし, クラスごとにコア網におけるルータのふるまいをさだめている. この,ホップごとのふるまいを PHB (Per-Hop Behavior) という. PHB をきめる値が IP パケットの DS フィールドに記入されるが,その値を DSCP (DiffServ Code Point) という. すなわち,PHB および DSCP がバックボーンにおける DiffServ のクラスに対応する. 代表的な PHB としてつぎのものがある.

  • 仮想専用線サービスのための PHB である EF (Expedited Forwarding) [Dav 02] [Cha 02] [Arm 02].
  • EF よりゆるい保証サービス,すなわち最低帯域保証つきの ベストエフォート・サービスのための PHB である AF (Assured Forwarding) [Hei 99].
  • QoS 保証をおこなわない DF (Default Forwarding) または BE (Best Effort).

バックボーン QoS の研究開発においても EF, AF, DF を使用しているが,この研究開発においてもこれらの PHB を使用するのが適切だとかんがえられる.

集中制御型と分散制御型

この項以降では IP ネットワークにおけるアドミッション制御法を分類する. まずこの項においては集中制御型,分散制御型,それらをくみあわせた型の 3 つにわけ,それらについて説明する.

帯域わりあておよびアドミッション制御のためのアプローチはつぎの 3 つに分類することができる.

集中制御型アプローチ: 帯域ブローカ
DiffServ における帯域わりあておよびアドミッション制御のための しくみとして帯域ブローカ (Bandwidth Broker) [Tei 99] [Soh 02] が提案されている. DiffServ を固定的なサービスとして実施するのであれば,各ユーザと ネットワーク・オペレータ (ISP,キャリアなど) とのあいだであらかじめサービスレベル合意 (SLA) をむすび,それにしたがってネットワークを固定的に設定しておけばよい. しかし,ユーザの要求はときによって変化するから, そのつど必要なサービスレベル仕様 (SLS) を指定できるほうがネットワークをより柔軟に利用することができる. このようにユーザが動的に SLS を指定する相手を帯域ブローカという. 帯域ブローカはネットワーク資源を管理し,アドミッション制御をおこなう. 帯域ブローカへの資源要求のためのプロトコルとしては,IntServ において使用される RSVP [Wro 97] を使用することもできるが,COPS [Dur 00] などのプロトコルによって帯域ブローカに直接要求することもできる. 帯域ブローカは,高速な研究・教育用のネットワーク最先端技術を開発してきた Internet2 プロジェクト [Soh 02] などで研究されてきた.
分散制御型アプローチ
帯域ブローカのような集中制御のしくみを使用せず, 各ルータがそこに接続されたリンクのトラフィックの計測にもとづいて 分散的・局所的にアドミッション制御をおこなう方法として Implicit Admission Control [Mor 00] [Jia 06] が提案されている.
混合型アプローチ
Rhee ら [Rhe 02] は帯域ブローカによる方法と分散的な方法を くみあわせている. この方法においては,帯域ブローカはパス単位のアドミッション制御を おこない,各ルータはリンク単位のアドミッション制御をおこなう. これにより,帯域ブローカが,オーバヘッドのおおきいリンク単位の 管理をおこなう必要をなくしている.

IntServ はアクセス網に適し DiffServ はコア網に適しているため,これらをくみあわせて端点間の QoS 保証をおこなう方法が提案されている [Mam 99] [Har 00] [Lee 03] [Cha 00] [Bai 02]. このような IntServ と DiffServ が混用される環境における アドミッション制御の方法を Pereira ら [Per 06] が提案している.

トラフィック・モデルとアドミッション制御

指定された一定の帯域幅をセッションが持続するあいだずっと確保する (つまり CBR 型の QoS 保証をおこなう) ときは,トラフィックがどのようなモデルにしたがうか (トラフィックがどのようなパターンをしめすか) に配慮する必要はない. しかし,トラフィック量が時間とともに変化するばあいはモデル化が必要になる. したがって,この項においてはさまざまなトラフィック・モデルについてのべる.

ビデオ・トラフィックのモデル
ビデオ・トラフィックに特化したアドミッション制御の方法として,Choi ら [Cho 99],Nagarajan ら [Nag 01],Jiang ら [Jia 03] が提案している方法がある. Nagarajan ら [Nag 01] の方法は Fractional ARIMA (fARIMA) モデル [Ada 97] にもとづいている. Nagarajan ら [Nag 01] の方法は Wavelet にもとづいている. しかし,注意すべき点は,これらのいずれの方法においても, 推定・予測するトラフィックに属するすべてのパケットに関する情報が 必要とされることである.
他のモデル
Jamin ら [Jam 97] はトラフィックの推定・予測のために 3 種類のモデルを検討しているが,そのうちの 2 個は ON/OFF モデル [Ada 97] であり,のこりの 1 個は fARIMA モデルである. Jamin はこれらのモデルからもとめられるパラメタを測定値にもとづいて修正する 方法をとっている. Huang ら [Hua 04] はモデルとしてサポート・ベクタ・マシン (SVM) [Aka 02] [Mae 01] を使用している. モデルとして ATM のアドミッション制御につかわれている他の方法すなわち エントロピーやニューラルネットを使用することももちろん可能である. これらの方法もすべてのパケットの情報を使用する.
ほかに,Alanen ら [Ala 05] はトラフィック記述にもとづく方法と計測にもとづく方法とをくみあわせた DiffServ におけるマルチキャスト・トラフィックのアドミッション制御の 方法を提案している.

参考文献

  • [Ada 97] Adas, A., "Traffic Models in Broadband Networks", IEEE Communication Magazine, July 1997, pp. 82-89.
  • [Aka 02] 赤穂 昭太郎, 津田 宏治, "サポートベクターマシン基本的仕組みと最近の発展", 別冊・数理科学 「脳情報数理科学の発展」, サイエンス社, 2002.
  • [Ala 05] Alanen, O., Paakkonen, M., Ketola, M., Hamalainen, T., and Joutsensalo, J., "Enhanced Admission Control Solution for Multicasting with DiffServ", Next Generation Internet Networks 2005 (NGI 2005), pp. 268-273, April 2005.
  • [Arm 02] Armitage, G., Carpenter, B., Casati, A., Crowcroft, J., Halpern, J., Kumar, B., and Schnizlein, J., "A Delay Bound Alternative Revision of RFC 2598", RFC 3248, IETF, March 2002.
  • [Aru 07] Arumaithurai, M., "NSIS PCN-QoSM: A Quality of Service Model for Pre-Congestion Notification (PCN)", draft-arumaithurai-nsis-pcn-00, Internet Draft, September 2007.
  • [Bai 02] Bai, H., Atiquzzaman, M., and Ivancic, W., "Running Integrated Services over Differentiated Service Networks: Quantitative Performance Measurements", Quality of Service over Next-Generation Internet, Boston, MA, July-August 2002.
  • [Bra 94] Braden, R., Clark, D., and Shenker, S., "Integrated Services in the Internet Architecture: an Overview", RFC 1633, IETF, June 1994.
  • [Bri 06a] Briscoe, B., Eardley, P., Songhurst, D., Le Faucheur, F., Charny, A., Babiarz, J., Chan, K., Dudley, S., Karagiannis, G., Bader, A., and Westber, L., "An Edge-to-Edge Deployment Model for Pre-Congestion Notification: Admission Control over a DiffServ Region", draft-briscoe-tsvwg-cl-architecture-04, Inter-net Draft, October, 2006.
  • [Bri 06b] Briscoe, B., Eardley, P., Songhurst, D., Le Faucheur, F., Charny, A., Liatsos, V., Babiarz, J., Chan, K., Dudley, S., Karagiannis, G., Bader, A., and Westber, L., "Pre-Congestion Notification marking", draft-briscoe-tsvwg-cl-phb-03, Internet Draft, October, 2006.
  • [Cha 00] Chahed, T., Hebuterne, G., and Fayet, C., "On Mapping of QoS between Integrated Services and Differentiated Services", 8th Int'l Workshop on Quality of Service (IWQoS 2000), pp. 173-175, June 2000.
  • [Cha 02] Charny, A., Bennett, J. C.R., Benson, K., Le Boudec, J. Y., Chiu, A., Courtney, W., Davari, S., Firoiu, V., Kalmanek, C., and Ramakrishnan, K. K., "Supplemental Information for the New Definition of the EF PHB (Expedited Forwarding Per-Hop Behavior)", RFC 3247, IETF, March 2002.
  • [Cho 99] Baek-Young Choi, Zhenhai Duan, Zhi-Li Zhang, and Du, D. H. C., "Measurement-based Admission Control Using Wavelets for Broadband Networks", 10th IEEE Workshop on Local and Metropolitan Area Networks (LANMAN'99), Sydney, Australia, November 1999.
  • [Dav 02] Davie, B., Charny, A., Bennett, J. C. R., Benson, K., Le Boudec, J. Y., Courtney, W., Davari, S., Firoiu, V., and Stiliadis, D., "An Expedited Forwarding PHB (Per-Hop Behavior)", RFC 3246, IETF, March 2002.
  • [Dur 00] Durham, D., ed., Boyle, J., Cohen, R., Herzog, S., Rajan, R., and Sastry, A., "The COPS (Common Open Policy Service) Protocol", RFC 2748, IETF, January 2000.
  • [Har 00] Harju, J. and Kivimaki, P., "Co-operation and Comparison of DiffServ and IntServ: Performance Measurements", 25th Annual IEEE Conference on Local Computer Networks (LCN 2000), pp. 177-186, November 2000.
  • [Hei 99] Heinanen, J., Baker, F., Weiss, W., and Wroclawski, J.: Assured Forwarding PHB Group, RFC 2597, IETF, June 1999.
  • [Hua 04] Chenn-Jung Huang and Chih-Lun Cheng, "Application of Support Vector Machines to Admission Control for Proportional Differentiated Services Enabled Internet Servers", 4th Int'l Conference on Hybrid Intelligent Systems (HIS'04), 2004.
  • [Jam 97] Jamin, S., Danzig, P. B., Shenker, S. J., and Zhang, L., "A Measurement-Based Admission Control Algorithm for Integrated Service Packet Networks", IEEE/ACM Trans. on Networking, Vol. 5, No. 1, pp. 56-70, February 1997.
  • [Jia 03] Jiang, J. and Zixiang Xiong, "Wavelet-based Modeling and Smoothing for Call Admission Control of VBR Video Traffic", 37th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, pp. 1510-1513, November 2003.
  • [Mae 01] 前田 英作, "痛快! サポートベクトルマシン", 情報処理, Vol. 42, No. 7, pp. 676-683, 2001.
  • [Mam 99] Mamais, G., Markaki, M., Politis, G., and Venieris, I. S., "Efficient Buffer Management and Scheduling in a Combined IntServ and DiffServ Architecture: A Performance Study", 2nd Int'l Conference on ATM (ICATM'99), pp. 236-242, June 1999.
  • [Nag 01] Nagarajan, K. and Zhou, G. T., "Self-similar Traffic Sources: Modeling and Real-time Resource Allocation", 11th IEEE Signal Processing Workshop on Statistical Signal Processing, pp. 74-77, 2001.
  • [Per 06] Pereira, A. and Monteiro, E., "Admission Control in IntServ to DiffServ Mapping", Int'l Conference on Networking and Services (ICNS'06), p. 83, 2006.
  • [Ram 01] Ramakrishnan, K., Floyd, S., and Black, D., "The Addition of Explicit Congestion Notification (ECN) to IP", RFC 3168, IETF, September 2001.
  • [Rhe 02] Woo-Seop Rhee, Jun-Hwa Lee, Mijung Yang, Jea-Hoon Yu, and Sang-Ha Kim, "Admission Control Mechanism Using Measurement Nased Dynamic Provisioning in Differentiated Service Networks", 8th Int'l Conference on Communication Systems (ICCS 2002), pp. 128-132, 2002.
  • [She 97] Shenker, S. and Wroclawski, J., "General Characterization Parameters for Integrated Service Network Elements", September 1997.
  • [Soh 02] Sohail, S. and Jha, S., "The Survey of Bandwidth Broker", Technical Report UNSQ-CSE-TR-0206, University of New South Wales, Sydney, Australia, May 2002.
  • [Tei 99] Teitelbaum, B. and Geib, R., "Internet2 QBone: A Test Bed for Differentiated Service", INET'99, June 1999.
  • [Wro 97] Wroclawski, J., "The Use of RSVP with IETF Integrated Services", RFC 2210, IETF, September 1997.
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