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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

Link B4 tomoyan Advisor romen

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


•  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


•  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)


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


Not matching

OpenFlow コントローラ

Packet In Flow Table


Send Packet


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


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


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


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


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


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


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


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



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



Respon

se Tim

e (m

sec)

Number of Device

OLSR Openflow


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 2 4 6 8 10 12

Packet Receive Ratio (%)

Number of Device



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


SDMANET with a network segmentSDMANET with two network segmentsOLSR

Openflow


Packet Dup

lica\

on Ra\

o

Number of Device

sdmanet(:(so+ware(deﬁned( networkのモバイルアドホック...

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