仮想バックボーンを利用する ALM における常時接続ピアの評価指標に関する検討

芝浦工業大学大学院　工学研究科

杉野博徳　 森野博章　三好匠　

研究の背景・目的 –はじめに -

各マルチキャストの相違点はパケットの複製・中継を役割を担うノード

マルチキャストの利用による効率化 ex. IP マルチキャスト， Flexcast ， ALM

(OLM)

ユーザ端末

放送型の一対多通信を行うサービスが増加してきている

ルータ

ALM

IP マルチキャスト

Flexcast スプリッタ

ex. ストリーミング配信， IPTV

ネットワークに専用の設定やノードが必要

ALM は導入の容易さなどの面で有利である

アプリケーションのインストール

研究の背景・目的 – ALM の問題 -

配信元 ルータ

論理

網

物理

網

配信元

A B

C

D

AB

D

C

配信ツリーの例

冗長な Traffic転送遅延の増大

ALM は基本的に論理網で配信ツリーを構築 を行う

例のような配信ツリーを構築すると

しかし，物理網を考慮せずに

今後，ユーザが増加するに従い深刻な問題となる

1

2

3

4 5

6

78

9

10

11

12

データ到達までの Hop 数が大きく転送遅延が大きい

問題解決へのアプローチ –従来方式 -

MST(Minimum Spanning Tree)•物理 Hop 数の総和を最小する

•配信ピアからの Hop 数の増加

SPT(Shortest Path Tree)•新規参加ピア - 配信ピア間の Hop数が最小にするように配信ツリーを構築

•冗長な Traffic の発生

•ピアの参加順が影響する

欠点・課題点MST

SPT

共通

A

BC

D

図は A,B,C,D の順番でピアが参加

MST

SPT

A

B C

D

12

3

4

5

6

7

89

10

11

問題解決へのアプローチ –提案方式 -

VBT(Virtual-Backbone-based Tree)予め仮想的なバックボーン (Virtual Backbone) を構築しておく

配信元

( 仮想バックボーン )

仮想バックボーンを利用した例

バックボーンを利用する効果

Traffic の削減と Hop 数の低減

•近傍に接続先となるピアが存在•経路集約

•ネットワークに常時接続し接続を受け付けられるピア

•各 ALM 参加ピアからアクセスしやすい位置に存在しているピア

バックボーン構築ピアの選択指針

Virtual Backbone

Virtual Backbone の構築 (1)

ALM に参加するピアの分類前提として、 ALM に参加するピアには次の 3 種類があると仮定する

長期視聴・常時接続ピア

短期視聴・非常時接続ピア

長期間サービスを利用するユーザピアネットワークには常時接続

短期間のみサービスを利用するユーザピアネットワークには一時的に接続

短期視聴・常時接続ピア短期間サービスを利用するユーザピアネットワークには常時接続

今回のポイントサービスを利用してい

なくても，ネットワークに常時接続しているピアを配信ツリーに組み込む！！

Virtual Backbone の構築 (2)

Step1. バックボーン構築ピア (BP) の選択

Step2. スタイナー木の作成

常時接続ピアに対して重み付けする 常時接続ピ

ア

重み付けの例

Step.1 で選択したピアによりスタイナー木を構築

重みの大きいピア (X-1) 個と配信ピアを BP として選択する

重み付けの定義式

Pi

S 配信ピア

R

HopPi->S

HopPi->R

Hop R->SWR = HOPPi→SHOPPi→R + HOPR→Si

WN=WR/N

配信ツリーの構築　 - ピアの新規参加 -

•ピアの新規参加Step1. 最寄りの BP の発見

接続先判定式Step2. 接続先ピアの決定

Step3. 接続を行う

R= HOPPi→BPHOPPi→R + HOPR→BP

接続先ピアの子ピアが接続上限数に達していた場合子ピアに対して接続動作を行う

R > RT (閾値 )

となる参加済みピアが，

Virtual Backbone

新規参加ピア

BP

BP

BP

BP

最短経路

P

HopP->R

Hop R->BP

Hop P->BP

参加済みピア

R

存在する

存在しない

参加済みピアを接続先ピアにするBP を接続先ピアにする

性能評価 - 評価指標 - 　評価指標

•延べ利用物理リンク数

•ピア - 配信ピア間の平均物理 Hop数

転送遅延への影響

ネットワーク全体での帯域の消費 延べ物理リンク数

=5

51

2

3

4

論理リンクA-> B, B->C

Hop 数が少なければ参加ピアへデータが到達する時間が短くなる

リンク数が少なければネットワークにかかる負荷が少なく効率的といえる

A

B

C

性能評価 - ネットワークモデル -

ネットワークトポロジ Abilene

ピア数 203

常時接続ピア数 20

ピア新規参加時の閾値RT

0.6

各ピアの最大接続数 3

視聴間隔 負の指数分布 (平均 =10[min])

離脱から次の視聴までの間隔

負の指数分布 (平均 =10[min])

シミュレーション時間 1000[min]

性能評価 - トポロジー (1) - 　

0.4 <= WN < 0.5

配信ピアに近い位置のピアの WR の値が大きい

ハブノードに接続されている影響

全てのピアが常時接続ピアと仮定した際の各ピアの重みの様子

配信ピア

0.5 <= WN < 0.6

0.6 <= WN

評価結果 (1) 　 -BP の選択数の変化 -

平均 Hop 数の低減の効果が大きい、ただし BP 数には最適値が存在し，大きすぎる場合は性能低下

常時接続ピアはランダム配置

配信ピア-

参加ピア間の

平均H

op

数

延べ物理リンク数

SPT MSTVBT(BP=3)

VBT(BP=7)

VBT(BP=15)

VBT(BP=21)

0

150

300

450

600

750

0

5

10

15

20

25平均Hop数延べ物理リンク数

約3

割低減

評価結果 (2) 　 -WN による BP の選択 -

WN=(WR/ 総ピア数 ) を利用して BP を選択 (上限 15 とする )

SPT MST(0.4<=WN<0.5) (0.5<=WN<0.6) (0.6<=WN)

VBT(0.6<P) の場合， BP は 7 個しか選択されていない

配信ピア-

参加ピア間の

平均H

op

数

延べ物理リンク数

0

150

300

450

600

750

0

5

10

15

20

25平均Hop数延べ物理リンク数

VBT VBT VBT

性能評価 - トポロジー (2) - 　

0.4 <= WN < 0.5

コアネットワーク

コアネットワークがリング型の時の各ピアの重みの様子

配信ピア

0.5 <= WN < 0.6

0.6 <= WN

評価結果 (3) 　 -BP の選択数の変化 -常時接続ピアはランダム配置

配信ピア-

参加ピア間の

平均H

op

数

延べ物理リンク数

SPT MSTVBT(BP=3)

VBT(BP=7)

VBT(BP=15)

VBT(BP=21)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

5

10

15

20

25

30

35

40平均Hop数

延べ物理リンク数

延べ物理リンク数低減の効果が大きい

約 2 割低減

評価結果 (4) 　 -WN による BP の選択 -

WN=(WR/ 総ピア数 ) を利用して BP を選択 (上限 15 とする )配

信ピア-

参加ピア間の

平均H

op

数

延べ物理リンク数

SPT MST(0.4<=WN<0.5) (0.5<=WN<0.6)(0.6<=WN)

VBT VBT VBT0

100

200

300

400

500

600

700

800

0

5

10

15

20

25

30

35

40

平均Hop数

延べ物理リンク数

(0.5<=WN<0.6)のピアを BP とすれば十分な性能が出る

本発表のまとめVirtual Backbone を利用した配信ツリー構築方式の提案

今後の課題

•VBT のツリー構築においてスタイナー木以外の検討

•ネットワーク規模を拡大させて評価

•選択する数の最適値が存在する•0.5 < WN < 0.6 のピアから選択できれば十分な性能が得られる

バックボーン構築ピア(BP)

比較方式と比べ平均 Hop 数が約 3 割低減延べ物理リンク数が約 2 割低減

トポロジー(1)トポロジー(2)コアネットワークがツリーなら平均 Hop 数、リング型なら延べ物理リンク数に効果があるとい える

評価結果 (3) 　 -BP の分散と集中 -

BP同士の位置関係による性能への影響ここでは BP同士が少なくとも 4Hop以上離れている場合，BP の位置は分散しているとする

また， 0.5<WN<0.6 　と　 0.6<WN の時は重み付けの仕方からピアが集中 しているので， 0.4<WN<0.5 の重みのピアから BP を選択する　　　

分散とする

近傍とする

：ピア：ルータ

評価結果 (3) 　 -BP同士の位置関係による影響 -

配信ピア-

参加ピア間の

平均H

op

数

延べ物理リンク数

SPT MSTVBT( 近傍 ) VBT( 分散 )

平均 Hop 数の低減には近傍配置，延べ物理リンク数の低減には分 散配置がよい

0

150

300

450

600

750

0

5

10

15

20

25平均Hop数 延べ物理リンク数