塩田 茂雄

IEEE802.11無線LANの課題の1つにフローQoS制御機能の実現がある.MAC層,IP層,TCP層相互のクロスレイヤ制御により,(アクセスポイント以外の)無線端末にMAC層のQoS制御機能(IEEE802.11eなど)を追加することなく,無線LAN上で特定アプリケーションの品質を保証する手法を提案する.提案手法は,(1)アクセスポイントのIP層のバッファを優先/非優先トラフイック用に分離してPriority Queueを適用し,(2)無線端末からの非優先トラフィックのフレームをMAC層において確率的に受信拒否する機能(動的MACフレーム受信機会制御)をアクセスポイントに搭載することで,(3)TCPのウィンドウ制御を利用して,特定アプリケーションの品質を保証するものである.本稿では,シミュレーションにより,提案手法がIEEE802.11eと同程度以上の品質保証能力を有することを示す.

PCN(Pre-congestion notification)とは,現在IETFのPCN WGで議論されているリアルタイム通信のQoS確保技術であり,パケットにマーキングをすることで輻輳を事前に検知,通知するものである.PCNではリンクごとに受付制御レートと強制切断レートの2つのレートが定義されており,それによりリンク帯域が3つの領域に分けられる.受付制御,強制切断といった制御はPCNトラヒックがこの3つの領域のどこに属するかによりなされる.しかしながらIPトンネリングの際にヘッダ情報がPCNにとって適切にコピーされるわけではないため,マーク有無の2状態しか割り当てられないという制約がある.既に1種類のマークでこのPCNの3状態を表現できる方式が提案されているが,この方式では強制切断の際,切断量がわからないため少量ずつ切断する必要性があり,過剰トラヒックがその少量の切断量よりも少ない場合には必要以上に切断してしまうという問題があった.本論では,1種類のマークでPCNの3状態を表現し,さらに切断量を計測できるマーク方式とそれに伴う切断方式を提案する.

近隣ノードの次数の相互関係性に基いてネットワーク構造をモデル化する「次数相関モデル」の視点から,ASレベルトポロジとルータレベルトポロジを比較分析する.特に,1次の次数相関からネットワーク構造を確率的に再現する原理の1つとしてマルコフ性の概念を導入し,ASレベルトポロジとルータレベルトポロジのマルコフ性を分析する.その結果,クラスタ係数の点ではASレベルトポロジの方がよりマルコフ的であり,2次のassortativityの点ではルータレベルトポロジの方がマルコフ性への適合性が若干高いことを明らかにする.また,従来のネットワーク生成手法では,1次の次数相関のみからASやルータレベルトポロジの特徴を正しく反映したネットワークを生成することは困難であることを示す.

モバイルアドホックネットワーク用のプロアクティブ型経路制御であるOLSRおよびOLSRv2のスケーラビリティについて考察する.OLSRやOLSRv2ではMPR (Multi Point Relay)がTC (Topology Control)メッセージを定期的にフラッディングするため,1つのノードが受信するTCメッセージ数はノード数に対して線形に増加する.一方,物理層での接続性を保証するためには一定以上のノード密度が必要になることから,1つのノードが受信するTCメッセージ数は経路制御を適用するエリアの広さに比例する.従って,ある一定以上の広さを持っエリアにOLSRやOLSRv2を適用すると,TCメッセージによる輻輳が生じ,ネットワークを正常に機能させることが困難となる.本稿では,このようなエリアサイズに関する適用限界をシミュレーションにより定量的に確認する.

現実に存在する多くのネットワークには,次数の小さいノードが次数の大きいノードと隣接しやすいといった傾向がある.このような近隣ノード同士の次数の関係性を「次数相関」という.ネットワークの性質が次数分布と隣接ノード間の次数相関から決まるとき,「ネットワークはマルコフ的である」と定義する.本研究では,マルコフ的なネットワークの性質を分析し,クラスタ係数やassortativity coefficient等に関する解析式を導出するとともに,現実のルータレベルトポロジーのマルコフ性を実データに基づいて検証する.その結果,ルータレベルトポロジーはマルコフ的でなく数ホップ先まで次数相関が強く残ること,マルコフ性から予想するよりもクラスタ係数が大きく,ローカルなノードの接続性が強いことを明らかにする.

IEEE802.11無線LANの課題の1つにフローQoS制御機能の実現がある.以前我々は,アクセスポイント(Access Point:AP)において非優先フローからのMACフレームを確率的に受信拒否することで,非優先フローのフレーム転送を抑制する「MACフレーム受信機会制御」を提案した.提案方式の制御パラメタであるフレーム受信拒否確率は,優先/非優先フローのトラフィック量等に応じて適応的に調整する必要がある.本研究では,音声通話のような双方向アプリケーションの品質を保証するために,フレーム受信拒否確率をAPのバッファ利用状況を見ながら動的に制御する仕組みを提案し,その基本性能を評価する.さらに,APバッファを優先/非優先トラフィック用にIP層で分離してPriority Queueを適用することが優先トラフィックの品質保証に極めて効果的であることを示す.

無線LANのMACは,自律分散制御であるため,特にアップリンクにおける優先制御方法の確立が急務である.無線LANにおける優先制御の方法として標準化されているIEEE 802.11eでは,MACパラメータ値の差異により行う.しかしながら,この方法では,各優先クラスのスループットを連続的に制御することは難しい.また,全ての端末をIEEE 802.11eに対応させなければならず,導入コストも高い.一方,我々がすでに提案したROC(受信機会制御方式)は,IEEE 802.11eに比べてきめ細かな優先制御を行うことができ,なおかつAPのみの変更で優先制御が実現できる.ただし,制御オーバーヘッドにより,総スループットが低下してしまう.本稿ではIEEE 802.11に規定されており,多くのMACチップでサポートされているRTS/CTS機能を利用し,APがCTSのみを優先させたい端末に送信することによってアップリンクトラヒックの優先制御を実現する手法を提案する.提案方式により,APのみの変更で実現できるというROCの利点を受け継ぎながら,かつ総スループットの低下を抑え,連続的なスループット優先制御が実現できる.提案手法の優先制御に関する効果についてシミュレーション評価を行い,その有効性を示した.

無線LANを利用した(VoIP等の)双方向リアルタイムアプリケーションの性能劣化は,無線LANアクセスポイント(Access Point:AP)でのバッファーオーバフローによるパケットロスが原因となることが多く,このバッファーオーバフローは,IEEE802.11MACレイヤが輻輳し,APからのフレーム読み出し速度が落ちることにより発生する.このため,無線LANを利用した通信の性能評価には,APのバッファーオーバフローとIEEE802.11MACレイヤの混雑度の両方を考慮できるモデルが必要である.本研究では,IEEE802.11MAC層の混雑度を考慮しながらIPレイヤの挙動を待ち行列モデルで解析する性能評価モデルを提案し,その解析法を示す.さらに,提案モデルをVoIPの最大収容可能本数の評価に適用し,その精度をシミュレーションにより検証する.

IEEE802.11ベースの無線LANのように上下の帯域が非対称なリンクにおいて,狭帯域側のリンクが輻輳をおこしACKやデータのロスが多発する場合,TCPフロー間に深刻な不公平性が発生する.本稿では,TCPフロー間の不公平性を緩和するために,狭帯域側リンクのバッファで用いるバッファマネジメント方法を提案する.提案方法は,パケット到着時にバッファが満杯であるならば,バッファ内の冗長なACKをプッシュアウトし,代わりに到着パケットを格納することで,バッファの効率的かつ公平な使用を実現するものである.提案方法が上りTCP間の不公平性を解消し,上下TCP間の不公平性を緩和することをシミュレーションにより確認する.

我々はROC方式(MAC Frame Receiving-Opportunity Control)と呼ぶ無線LANにおけるQoS制御方式を提案している。ROCは、ACKの送出を意図的に行わないというアイデアにより、既存の802.11の端末に一切変更を加えないで、QoS制御を実現する方法である。無線LANにおいては、802.11e(EDCA)というQoS制御が標準化されているが、EDCAは、実用的な観点でQoS制御として必須な機能要件を満たしていないなどの欠点を持っている。本稿では、ROC方式がQoS制御の必須要件を満足するかどうか、実際の使用環境で制御効果が得られるかについて検証した結果を示す。11eには困難であるアドミッション制御や流量制限制御などがROCでは容易に可能であること、また、試作システムでは、シミュレーションとほぼ同様の制御効果が発揮されること、VoIPを用いたMOS評価でも効果が確認できることなどを示す。

筆者らは,アクセスポイント(AP)の機能変更のみで導入が可能な無線LAN用のQoS制御手法(MACフレーム受信機会制御)を提案し,その基本性能を分析した.この手法は,APがMACフレームを確率的に受信拒否することなどにより,IEEE 802.11eでは実現できないフローQoS制御を,アクセスポイントの変更のみで達成できることを示した.本稿では,IEEE802.11のQoS拡張として標準化されているIEEE802.11e(EDCA)とMACフレーム受信機会制御の性能比較を行い,両者の特性について述べる.さらにシミュレーションによりIEEE802.11e端末が存在する環境においてMACフレーム受信機会制御を同時に使用した場合,IEEE802.11eの効果を阻害することなく,優先制御を行うことができることを示す.

非構造型P2Pに経路制御を導入する仕組みを提案する.各ピアはそれぞれ「カバーエリア」と呼ばれる定められたホップ数以内のピアについて,それらを頂点とするホップ制限付き最短路木(の部分情報)を管理する.ユニキャストを行う場合,宛先がカバーエリア内にある場合は宛先をrootとする最短路木の上流に向かってメッセージを転送し,カバーエリア内に存在しない場合は,発信元をrootとする最短路木の下流に向かってメッセージを複製・転送する.ホップ制限付き最短路木はカバーエリア内のピアに関する距離情報(ホップ制限付き距離ベクトル)を隣接ピア間で交換することにより構築・維持できる.本稿では,提案する経路制御を,P2P型ファイル共有アプリケーションに適用した場合のファイル検索向上効果について評価する.

与えられた次数対列(各リンクの両端ノードの次数)を再現する単純グラフを生成するアルゴリズムを提案する.さらに,スケールフリー性を再現するBAモデル,次数列を再現するPLRGとHavel-Hakimiアルゴリズム,および次数対列を再現する提案アルゴリズムの4つを取り挙げ,現実のネットワークの再現精度(生成されたネットワークと元のネットワークとの差)を,次数分布,ホップ数分布,クラスタ係数,隣接ノードの平均次数等の点から分析する.その結果,BAモデルは,他のアルゴリズムに比べて再現精度の点で劣ることを示す.また,次数列を再現するアルゴリズムは次数分布を,次数対列を再現するアルゴリズムは次数分布と隣接ノードの平均次数を正確に再現するが,他の特徴量については必ずしも現実のネットワークを再現しないことを示す.

センシングエリア内の物体の大きさを計測できるが測位能力のない多数のセンサを監視領域に配置し,領域内に侵入した物体の大きさと周囲長,さらには侵入物体の形状を推定する手法を提案する.提案手法は,センサがポアソン過程に従ってランダムに配置されるケース,等間隔に規則正しく配置されるケース等,センサの配置が空間定常性を満たす場合に広く適用できる.本稿では,点過程論を用いてセンサネットワークを数学的にモデル化し,提案推定法の精度を理論的に分析するとともに,詳細なシミュレーション実験を通して,物体形状やセンサ配置パタンに推定精度がどのように依存するかを定量的に明らかにする.

IEEE802.11のQoS拡張であるIEEE802.11e(EDCA)は優先クラス数の限定や,同じクラス内での優先制御ができないといった問題がある.以前,我々はアクセスポイント(AP)の機能変更のみで導入が可能な無線LAN用のQoS制御手法(MACフレーム受信機会制御)を提案し,その基本性能を分析した.この手法はAPがMACフレームを選択的に受信拒否するなどしてQos制御を実現するものである.本稿では,MACフレーム受信拒否率をネットワークの状況に応じて動的に制御することで,MACフレーム受信機会制御の問題であった,帯域の利用効率を向上する手法を提案し,その基本性能を評価する.

与えられた次数列を再現するネットワークを生成する手法としてHavel-Hakimiの定理を利用したアルゴリズムが知られている.本稿ではHavel-Hakimiの定理を利用して次数列を再現するネットワークを構成したとき,構成されたネットワークと現実のネットワークとの間に,2点間距離,クラスタ係数,周辺ノードの平均次数等の特徴量の点でどのような違いが存在するかを分析する.Havel-Hakimiの定理によるネットワーク構成には様々なバリエーションが存在するが,バリエーションの違いが構成されるネットワークに与える影響についても調査する.

IEEE802.11ワイヤレスLAN (WLAN)の課題の1つにQoS制御機能の実現がある.以前我々は,アクセスポイント(AP)の機能変更のみで導入が可能なWLAN用のQoS制御手法(MACフレーム受信機会制御)を提案した.この手法は,APがMACフレームを選択的に受信拒絶する,あるいは受信したと偽ることでQoS制御を実現するものである.本稿では,MACフレーム受信機会制御の基本性能を,TCP輻輳制御やレイトアダプテーションの影響を考慮しつつ,理論・シミュレーションの両面から詳細に分析する.さらに,VoIPフローとTCPフローが無線LANを共有するケースに提案手法を適用し,VoIPフローが経験する遅延やパケット損失率の抑制に充分な効果が得られることを示す.

DDOS攻撃の攻撃経路を検出するIPトレースバック技術の一つに,ルータが通過パケットにIPアドレスの部分情報を書き込むパケットマーキングがある.本研究では,IPアドレスのハッシュ値の分割(フラグメント)をパケットに記載するハッシュフラグメントマーキング方式に着目し,ハッシュフラグメントマーキングの効率性(攻撃経路の検出漏れ確率,誤検出確率)を評価するとともに,その最適パラメタ設定について考察する.更に,シミュレーションによりその正当性を検証する.

ネットワーク内の各ノードが,近隣のノードを頂点としホップ数制限された最短路木(部分最短路木)をメッセージ転送テーブルとして予め保持することで,フラッディング時の無効メッセージ数を滅らすフラッディング効率化手法を提案する.提案手法では,メッセージが部分最短路木に沿って転送されるため,メッセージの冗長な複製を防止できるだけでなく,最短経路でのメッセージ配信が保障される.また,各ノードがホップ数の制限された範囲の距離ベクトルを定期的に交換する二とで,その近隣のノードを頂点とする最短路木を構築でき,更にトポロジの変化にも対応しうることを示す.

アクセス網として近年普及が著しいIEEE802.11ワイヤレスLAN (WLAN)をシームレスに有線のエッジ網/コア網に接続するにあたっての課題の1つに、WLANのQos制御が挙げられる。WLANのQos制御としては、物理帯域を有効に活用することにこれまでの研究の主眼が置かれ、個々のUDP/TCPフローのQoSについての議論は少ない。IEEE802.11では、IEEE802.11eという4つの優先クラスを実現するQoS制御が標準化されているが、効果は限定的であると言われている。これに対して、IEEE802.11とは異なるMAC制御の導入で問題を解決するアプローチもあるが、筆者らは、既存の端末が持つIEEE802.11がそのまま使え、なおかつQoSが実現できる方式が必要だと考える。本稿では、MACフレームの受信機会を制御すること、すなわち、MACフレームを選択的に受信拒絶するあるいは受信したと偽ることで制御を行う方式(ROC)を提案する。これにより、802.11で標準装備のMACレベルの再送およびバックオフ機能を利用して、フロー毎のQoS制御が実現できる。提案方式ROCは、システム全体のスループットをいくらか低下させるものの、優先制御に効果があることをシミュレーションにより示している。

DDOS攻撃の攻撃経路を検出するIPトレースバック技術の一つに,ルータが通過パケットにIPアドレスの部分情報を書き込むパケットマーキングがある.本研究では,IPアドレスのハッシュ値の分割(フラグメント)をパケットに記載するハッシュフラグメント方式に着目し,ハッシュフラグメント方式の各種特性(攻撃経路の検出漏れ確率,誤検出確率)を評価し,その最適パラメタ設定について考察する.

車々間アドホックネットワークの通信経路存在性(接続性:コネクティビティ)について考察する.特に,道路網が格子状のトポロジーを持ち,車が道路網上にポアソン過程で配置される場合,車両密度がある有限値(臨界密度)を超えると,互いに接続性を持つ無限台数の車両からなる集合が出現し,大多数の車両がその集合に所属することを示す.すなわち,車両が臨界密度を超えて配置されると,高い確率で任意の車々間の接続性が(車々間の距離にかかわらず)保証されることを明らかにする.また,道路網が正方格子の場合において,臨界密度を解析的に見積もる手段を提案する.更に,臨界密度の評価式の精度をシミュレーションにより確認する.

無線LANにおいてレイトアダプテーションにより生じる端末間の伝送レイトの差が,フローレベルのスループットに与える影響を評価した.UDPフローのみの場合,伝送レイトの差の有無にかかわらずフローレベルのスループットはほぼ均等化され,伝送レイトの違いはフローレベルスループットに影響しないことが確認された.一方,TCPフローの場合,フロー間でスループットに不公平が生じるものの,伝送レイトの差が不公平性の原因ではないこと,また伝送レイトの低い端末がスループットの面で不利とはならないことが判明した.更に,UDP,TCPを問わず,レイトアダプテーションにより,ある端末の伝送レイトが下がると,当該端末のフローのみならず,無線LANを共有する全てのフローのスループットが一様に低下する現象が確認された.

センサがランダム配置される2次元ランダムセンサネットワークの被覆性能,とりわけセンサネットワークがカバーする領域内を動く物体の軌跡の被覆性能を解析する.本研究では,センサネットワークの被覆性能を,被覆割合・完全被覆確率・部分被覆確率により定義し,これらをセンサ密度,センシング半径,通信半径の関数として導出する.さらに,センサの通信半径が被覆性能に与える影響を考察し,特に部分被覆確率(物体検出確率)を高める上で通信半径を充分大きく取ることが重要であることを示す.

スケールフリー性を持つ有向グラフを生成するネットワークモデルを提案する.提案モデルでは,各ノードはリンクの張り易さおよび張られ易さに対応する二つの重み(outgoing weight, incoming weight)を有し,ノードiのoutgoing weightとノードjのincoming weightの和があるしきい値を超える場合にのみノードiからjに有向リンクが生成される.本稿では提案モデルのスケールフリー性を詳細に解析し,(1)出線数分布,入線数分布にそれぞれベキ則が出現し,各分布のべき次数を任意の値に制御できること,(2)クラスタ係数にもベキ則が出現すること,(3)クラスタ係数のベキ指数の値はoutgoing weightとincoming weightの相関性の有無に関係することを示す.

非圧縮画像などテラバイトクラスのファイルをバースト転送するためには,100Gbpsを超える帯域を持つネットワークが必要となる.本稿では,回線交換方式を用いて純粋なフォトニックネットワークにより超高速LANを構築する場合の性能上の課題について考察する.特に,超大容量ファイル転送とWEB・メール等の通常のアプリケーションとが混在する用途の場合,回線交換ベースの光LANはその性能を充分に発揮できない危険性があることを指摘し,従来のパケット交換ベースのLANを併設することで,上記欠点が解消される可能性を述べる.さらに,シミュレーション実験により,従来LANの併設効果の有効性を検証する.

ユーザの移動を陽に考慮できる移動体通信システムのネットワークモデルとその解析法を提案する.特に,モデルに幾つかの修正(積形式解条件)を加えると,各セルの通話ユーザ数の同時分布が積形式で表され,各セルの呼損率がアーラン損失式で評価できることを示す.積形式解条件は現実には成立せず,モデルの厳密な呼損率とアーラン損失式による呼損率とは一致しないが,通常の条件ではその差は小さいことを数値的に確認する.また,「等価呼量」の概念を導入することで,アーラン損失式に基づくチャネル数設計が可能であることを紹介し,その精度を評価する.

一定時間周期でパケットを抽出・分析する「定周期サンプリング」を用いた高レイトフロー検出手法の提案とその精度検証を行う.まず,定周期サンプリングの概念を説明し,既存のサンプリング手法と比較しながら,その狙いと特徴を述べる.次いで,定周期サンプリングを用いたフローレイト推定手法と,フローレイト推定結果に基づいた高レイトフロー検出手法について説明する.さらに,実トラフィックデータを用いて,高レイトフロー検出手法の精度を数値的に検証する.

少数のパケットカウンタを用いて,不特定多数の発生源や着信先を持つトラフィックの異常原因(例えば着信先)を高確率で検出するためのカウンタ構成法について検討する.特に,このカウンタ構成問題を幾つかの最適化問題として定式化し,二つの異なるカウンタ構成を導出する.さらに,トラフィック異常の原因を一意に特定できる確率を数値的に評価する.その結果,高々数十個のカウンタを用いることにより,実用上充分なトラフィック異常検出能力が得られることを明らかにする.

一定時間周期でパケットを抽出・分析する「定周期サンプリング」を用いたフローレイト推定法の特徴を説明し,推定精度を向上させるための幾つかの手法を提案する.まず,サンプリング頻度に基づく単純なフローレイト推定法は,フローレイトを実際より大きく推定する傾向があることを述べる.その上で,各サンプリングウィンドウで最初に到着するパケットでなく,2番目に到着するパケットをサンプリングすることで推定精度が向上すること,また,フローレイト分布の事前情報が得られるならば,ベイズ推定の考え方を利用して,より高精度なフローレイト推定が可能であることを説明する.さらに,推定精度向上効果を実トラフィックデータを用いて数値的に検証する.

一定時間周期でパケットを抽出・分析する「定周期サンプリング」の概念と,定周期サンプリングに基づくフローレイト推定法を提案する.本稿では,まず定周期サンプリングの考え方とその利点を述べる.次いで定周期サンプリングに基づくフロー情報の分析例としてフローレイト推定を取り上げ,サンプリング頻度を利用した推定法とその特徴を説明する.さらに,実データを用いて推定精度の検証を行うとともに,提案推定法を「高レイトフロー」の検出に適用した場合の検出誤差についても評価する.

本研究では, VPNサイトとプロバイダネットワーク間のアクセスリンク上の入出力トラフィック量の測定値のみから, VPNサイト間の交流トラフィックを推定する問題を考える.そのために, 交流トラフィックを推定問題を, 決定論的もしくは確率論的な最適化問題として定式化し, それぞれの問題の解として, 二つの推定法を導く.一つの推定法は, 一つの入出力トラフィックの観測結果(いわゆるsnapshot)から, 交流トラフィックを推定するものであり, もう一つは複数の観測結果から, 統計的な手法を用いて, 交流トラフィックを推定するものである.いずれも, 既存の提案法に比べて, 少ない計算量で推定が行える点に特長がある.更に, シミュレーション実験により, これらの提案推定法が, 既存の交流トラフィック推定法と比べて同等以上の推定精度を持つことを示す.

サービス妨害攻撃への対策技術の一つに, パケットマーキングを用いたIPトレースバックがある.本研究では, パケットマーキング方式の簡易な解析モデルを用いて, パケットマーキングに関する代表的な既存提案(フラグメントマーキング方式, ハッシュマーキング方式, 組み合わせハッシュ方式, ハッシュフラグメント方式)の効率性を分析する.特に, これら方式の攻撃経路検出に要するパケット数の期待値, 攻撃経路の検出漏れ確率(false negative probability), 攻撃経路の誤検出確率(false positive probability)の表式を導出し, 更にこれらを数値的に比較することで, 各方式の得失を明らかにする.

ネットワーク内の各ノードが, 近隣のノードを頂点とする最短経路配信木の一部をメッセージ転送テーブルとして予め保持することで, フラッディング時のメッセージ衝突を減らすフラッディング効率化手法を提案する.提案手法では, メッセージが部分最短配信木に沿って転送されるため, メッセージ衝突を防止(メッセージ数を削減)できるだけでなく, 到達率と最短経路でのメッセージ配信が保障される.また, 各ノードがホップ数の制限されたダミーメッセージをフラッディングすることで, その近隣のノードが, ダミーメッセージの発信元を頂点とする最短経路配信木を自律分散学習できることを示す.更に, シミュレーションにより, べき乗則に従うネットワークにおいて, 提案手法が特に優れたメッセージ削減効果を示すことを明らかにする.

サービス妨害攻撃への対策技術の一つに, パケットマーキングによるIPトレースバックがある.パケットマーキングとは, ルータが通過するパケットに確率的にリンク情報をマーキングする手法のことであり, 被害ノードは, 攻撃パケットにマーキングされたリンク情報から, 攻撃経路を推定する.これまでに, マーキングするリンク情報やマーキング手法の異なる様々なパケットマーキング方式が提案されているが, 本研究では, これら既存提案を包括的に解析できる汎用的な数学モデルを提示し, その解法を示す.特に, 攻撃経路を検出するまでに被害ノードが受信するパケット数の分布関数の陽式を導出する.また, 分布関数を高速に評価するための幾つかの数値計算上の工夫について述べる.