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SDMANET  :  So+ware  Defined  Networkのモバイルアドホックネット

ワークへの適用

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概要

•  So+ware  Defined  Networkのモバイルアドホックネットワークへの適用  

•  モバイルアドホックネットワークの自動構築  •  モバイルアドホックネットワークを集中管理し，動的な定義が出来るようにする

背景

•  スマートフォンやノートPC等モバイル端末の普及  

•  モバイルアドホックネットワーク研究への注目  – 災害時等既存インフラが機能しなくなった場合の代替インフラとしての働き

モバイルアドホックネットワークの  多様性

•  多様な端末  – 移動速度の違い  

• 車，人，家  

•  多様な想定環境  – 端末密集度，電波伝搬特性の違い  

• 市街地，山奥，海上  

モバイルアドホックネットワーク  の多様性

•  想定環境，端末に合わせた様々なルーティングプロトコル  – プロアクティブ型  

•  あらかじめ経路構築をしておく  –  OLSR  

– リアクティブ型  •  パケットを送信する段階で経路を構築する  

–  DSR  – ハイブリッド型  

•  プロアクティブ型とリアクティブ型を組み合わせた形  –  AODV  

従来のモバイルアドホックネットワークの問題点

•  環境によって適切なプロトコルが違う  – 多様な想定環境  

• 山奥と市街地では求められる要件が異なる  – 適切なルーティングプロトコルが違う  

従来のモバイルアドホックネットワークの問題点

•  多くのルーティングプロトコルの存在  – サポートしているルーティングプロトコルでしか動作しない

DSR未サポート

DSRパケット DSRパケット DSRパ

ケット

従来のモバイルアドホックネットワークの問題点

•  自律的なネットワークのため，管理，動的な定義が出来ない

端末はそれぞれサポートして  いるプロトコルでのみ動作．  管理端末は存在しない．

目的

•  モバイルアドホックネットワークを柔軟にする  – 管理端末から構成端末を定義出来るようにする  

• 多様な環境に合わせ動的に  

– So+ware  Defined  Networkのアーキテクチャを取り入れる  

Openflowコントローラ

So+ware  Defined  Network  の柔軟性

•  概要  – 集中管理型のアーキテクチャ  – 管理端末のコントローラからスイッチの動作を定義することが出来る  

– Openflow(So+ware  Defined  Networkの標準規格)

Openflowコントローラ

Define Defined

Openflowスイッチ

So+ware  Define  Networkの柔軟性

データ転送機能

ルータとしての  経路制御機能

従来のネットワーク端末(ルータ)

データ転送機能

経路制御機能

Openflowコントローラ

Openflowスイッチ

ルーティングテーブル

ルーティングテーブル

So+ware  Defined  Network  の管理パケット

•  Echo  –  Reply  – OpenflowコントローラからOpenflowスイッチへの死活監視  

•  Packet-­‐In  – OpenflowスイッチからOpenflowコントローラへの未定義パケットの通知  

•  Packet-­‐Out  – 未定義パケットの処理を定義  

So+ware  Defined  Network  のデータ転送処理

•  Openflowスイッチはそれぞれのフローテーブルを持っている  

•  マッチしたフローテーブルにしたがって処理を決定する

Packet

OpenFlow スイッチ

フローテーブル 1

Not matching

フローテーブル 3フローテーブル 2

MatchingPacket

Send Packet

So+ware  Defined  Network  のデータ転送処理

•  マッチするフローテーブルが存在しない場合はPacket-­‐Inをコントローラに送信する  – Openflowコントローラから新たにフローテーブルを受け取り，それに応じた処理を行う

Packet

OpenFlow スイッチ

フローテーブル 2

Not matching

OpenFlow コントローラ

Packet In Flow Table

フローテーブル 3

Send Packet

フローテーブル 1

Not matchingPacket

SDMANET

•  モバイルアドホックネットワークにSo+ware  Defined  Networkを取り入れる  – 端末の動的な定義  – QoSの実現  – ネットワークの設計

•  動的に端末の振る舞いを定義出来る  – スイッチ，ルータ，ファイアウオールとしての定義  

端末の動的な定義

Openflowコントローラ

スイッチとして  定義

ルータ ファイアウオール

QoS制御の実現 Mobile Ad hoc Network Software Defined Mobile Ad hoc Network

帯域

端末

ゲートウェイ

端末

ゲートウェイ

端末

端末

端末

端末

端末

端末

Openflowコントローラ

ネットワークの設計

•  ネットワークセグメントやアドレッシング機能の定義が可能

ネットワークセグメント

VLAN

端末

Openflowコントローラ

端末

端末

端末

端末

端末

端末

端末

端末

端末

既存研究

•  Sensor  OpenFlow:  Enabling  So+ware-­‐Defined  Wireless  Sensor  Networks    – Tie  Luo,  Hwee-­‐  Pink  Tan  Tony  Q.S.  Quek,  IEEE  COMMUNICATIONS  LETTERS,  2012.    

•  OpenFlow  for  Wireless  Mesh  Networks    – Dely,  Peter,  Andreas  Kassler,  and  Nico  Bayer  ,  46    – Computer  Communica\ons  and  Networks  (ICCCN),  2011  Proceedings  of  20th  Interna-­‐  \onal  Conference  on.  IEEE,  2011.    

事前実験

•  実験  – Openflowのマルチホップネットワークでの挙動  

•  Raspberry  Pi13台を15m間隔で設置，Openflowネットワークの構築  •  Openflowプロトコルによるパケットの送受信  

Openflowコントローラ

事前実験

•  結果  – 三台以上の接続でネットワークがダウン  

•  Openflow管理パケットがRaspberry  Pi一台につき一分間に180増加  

Openflowコントローラ

SDMANETを構築する上での問題

•  モバイルアドホックネットワーク(Openflowネットワーク)を自動で構築出来ない  – コントローラへの接続  – アドレッシング  – VLANやネットワークインタフェースの定義  

•  Openflowプロトコルによる管理パケットが無線帯域を圧迫

Openflowコントローラ

接続

接続

接続要求

機能要件

•  So+ware  Defined  Networkによるモバイルアドホックネットワークの自動構築  – コントローラからのネットワークの定義  – スイッチのコントローラの選択  – アドレッシング機能  

•  Openflowコントローラによるマルチホップ無線ネットワークの集中管理  – Openflowプロトコルによる管理パケットの削減

モバイルアドホックネットワーク  の自動構築

Openflowコントローラ Openflowスイッチ

Openflowコントローラ SWITCH_DISCOVERY SWITCH_REPLY CONNECT_REQUEST CONNECT_REQUESTが早く到達した  コントローラに向けて接続する

CONNECT_REPLY SEND_INTERFACE_INFO

受信したインタフェースの  情報(アドレス，SSID)を設定

CONTROLLER_CONNECT

管理パケットの削減

•  Openflowコントローラによるマルチホップネットワークの集中管理  – Openflowの管理パケットをPakcet-­‐In，Packet-­‐Outのみに削減

Openflowコントローラ

Packet-­‐In

死活監視パケット

実装環境

•  ハードウェア  – Raspberry  Pi  model  B+  

•  OS  – Raspbian  

•  プログラミング言語  – Ruby  

•  Openflowコントローラ  – Python  

• アドレッシング機能  

システム構成図

•  モバイルアドホックネットワークの自動構築

送受信

ー

送受信

ー

制御パケット コントローラ選択  モジュール

インタフェース定義  モジュール  

コントローラ  接続モジュール  

制御パケット

制御パケット

スイッチ探索  モジュール

インタフェース  情報決定  モジュール

スイッチ接続  モジュール

Openflowコントローラ Openflowスイッチ

システム構成図

•  Openflowコントローラによるマルチホップネットワークの集中管理  – 管理パケットの削減

Openflow    Local  コントローラ

Openflow    Local  コントローラ

Openflow    マスター    コントローラ

Openflowスイッチ  Openflowスイッチ   L2ラーニングスイッチ  

Packet-­‐In Packet-­‐In

Packet-­‐Out Packet-­‐Out

Openflowプロトコル Openflowプロトコル

実験

•  Raspberry  Piを13台15m間隔で設置  •  ICMPパケットを30秒間送信  – パケット送信回数  – パケット受信率  – レスポンスタイム  – パケット重複率  

•  比較対象  –  Openflow  –  SDMANET(1セグメント)  –  SDMANET(2セグメント)  –  OLSR  

Des\na\on

ICMP

実験結果

•  パケット送信回数  – SDMANETにおいてのトラフィックの無駄なスイッチング

20

40

60

80

100

120

140

160

180

olsr openflow sdmanet

Transmittion Numbers

TrafficControl

Transm

ission  Num

bers

OLSR Openflow SDMANET

Traffic

Management

実験結果

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 2 4 6 8 10 12

Packet Receive Ratio (%)

Number of Device

OLSR networkOpenflow network

SDMANET with a network segmentSDMANET with two network segments

Packet  Receive  Ra\

o

Number  of  Device

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 2 4 6 8 10 12

Duplicate Packets ratio (%)

Number of Device

OLSR networkOpenflow network

SDMANET with a network segmentSDMANET with two network segments

Packet  Dup

lica\

on  Ra\

o

Number  of  Device

OLSR Openflow

SDMANET SDMANET(2segments)

パケット受信率 パケット重複率

実験結果

•  レスポンスタイム  – OLSRの安定性 – SDMANETのレスポンスタイムの増加  

• パケット受信率との関係  

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 2 4 6 8 10 12

Response Time(msec)

Number of Device

OLSR networkOpenflow network

SDMANET with a network segmentSDMANET with two network segments

Respon

se  Tim

e  (m

sec)

Number  of  Device

OLSR Openflow

SDMANET SDMANET(2segments)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 2 4 6 8 10 12

Packet Receive Ratio (%)

Number of Device

OLSR networkOpenflow network

SDMANET with a network segmentSDMANET with two network segments

Packet  Receive  Ra\

o

Number  of  Device

考察

•  SDMANETの膨大なトラフィック量  – L2層でのスイッチング  – 全ての端末がスイッチング  – パフォーマンスへの影響大  

•  OLSRの効率的なルーティング  – L3層でのルーティング  – 代表端末がルーティング  – マルチホップ無線ネットワークに適している

追加実験

•  SDMANETの大量のトラフィックの検証  – ブロードキャストパケットをSDMANET上に流し，パケットをキャプチャリング

•  結果  – ブロードキャストがネットワーク上でループを引き起こし，ブロードキャストストームが発生していた  

追加実装

•  SDMANET上でのブロードキャストストームの検知と対応  –  Ipv4_id,ipv6_idを見て判別  – Openflowプロトコルが対応していなかった  

•  Openflowプロトコルそのものの改変が必要  

Drop！

今後の展望と課題

•  SDMANETにおける管理パケットの見直し  – 移動端末への死活監視の必要性  

•  モバイルアドホックネットワーク向けのL2プロトコルの必要性  – パケットのループへの対応  – Openflowプロトコルそのものの無線マルチホップネットワーク向けへの改良  

•  Openflowコントローラへのモバイルアドホックネットワークプロトコルの組み込み  – 既存のルーティングプロトコル  – 位置情報を用いたトポロジ管理  

まとめ

•  So+ware  Defined  Networkの無線モバイルアドホックネットワークへの適用  

•  Openflowによる自動的なモバイルアドホックネットワークの構築  

•  Openflowプロトコルによる管理パケットの削減

ご清聴ありがとうございました

事前実験

•  実験  – Raspberry  Piを二台設置しICMPパケットを送信  

•  802.11b  2.4GHz  • 徐々に距離を離す  • 無線の伝送距離を確認

•  結果  – 20m以上でICMPの送受信が不安定  

実験結果

•  パケット重複率  – パケット送信回数から，SDMANETの電波干渉によるパケットロス  

– OLSRのトポロジ依存のルーティング効率性

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

0 2 4 6 8 10 12

Duplicate Packets ratio (%)

Number of Device

OLSR networkOpenflow network

SDMANET with a network segmentSDMANET with two network segmentsOLSR

Openflow

SDMANET SDMANET(2segments)

Packet  Dup

lica\

on  Ra\

o

Number  of  Device