anced Network Architecture Research Group Studies on Modeling Packet Delay Dynamics of the Internet using System Identification and its Application for Designing a Rate-Based Congestion Control Mechanism ソフトウェア科学コース 村田研究室 森田 光茂 [email protected] 2002年 2月20日 修士論文発表会 1 anced Network Architecture Research Group 研究の背景 receiver sender • パケット伝送遅延時間の特性がわかれば – QoS (Quality of Service) を向上できる – 効率的な輻輳制御の実現が可能 • パケット伝送遅延時間の特性とは – 送信レートの変化により、伝送遅延時間がどのように 変化するのか パケット伝送遅延時間の特性の モデル化が必要 2002年 2月20日 修士論文発表会 2 anced Network Architecture Research Group 研究の目的 • パケット伝送遅延時間の特性をモデル化 – – – – ネットワークをブラックボックスとして扱う モデルに対する入出力データを測定 システム同定を用いてパラメータを決定 ２種類の検証方法でモデルの妥当性を検証 • レート制御機構の設計 – 得られたモデルに制御理論を適用 2002年 2月20日 修士論文発表会 3 anced Network Architecture Research Group ネットワークのモデル化 sender ブラックボックス receiver 入力 出力 • 本研究での入出力の定義 入力 出力 2002年 2月20日 パケット送信レート ラウンドトリップ時間 修士論文発表会 4 anced Network Architecture Research Group ARX（Auto-Regressive eXogenous）モデル e(k) 雑音 （他のトラヒックの影響） u(k) 入力 (送信レート) y(k) ARX モデル 出力 （ラウンドトリップ時間） y (k ) = -a1 y (k - 1) - ..... - ana y (k - na ) + b1u (k - 1) + ..... + bnb u (k - nb ) + e(k ) システム同定によりパラメータを決定 2002年 2月20日 修士論文発表会 5 anced Network Architecture Research Group モデル化の流れ 入力データ 出力データ ARXモデル パラメータ システム同定 １．入出力データを測定する ２．測定した入出力データをARXモデルにあてはめ、 システム同定を用いてパラメータを決定する ３．モデルの妥当性を評価する 2002年 2月20日 修士論文発表会 6 anced Network Architecture Research Group 測定環境 • 測定環境により同定精度は大きく変化 – 雑音の影響 – ボトルネックリンクの特性 N1：LAN ネットワーク構成が単純な場合 N2: WAN ネットワーク構成が複雑、かつ アクセス回線がボトルネックの場合 N3: WAN ネットワーク構成が複雑、かつ アクセス回線がボトルネックでない場合 2002年 2月20日 修士論文発表会 7 anced Network Architecture Research Group ネットワークN1 sender receiver 100Mbps FTP server 120 FTP client Mbps 入 力 （ パ ケ 80 ッ ト 送 信 40 レ ー ト 0 ） 2000 slot 2150 ms 出 力 （ ラ ウ 0.43 ン ド ト 0.42 リ ッ プ 時 間 0.412000 ） 0.44 slot 2150 サンプリング周期 = 0.9ms 2002年 2月20日 修士論文発表会 8 anced Network Architecture Research Group ネットワークN2 bottleneck Internet ISP sender Access link 0.08 Mbps 入 力 （ パ 0.06 ケ ッ 0.04 ト 送 信 レ 0.02 ー ト 0 ） 2000 slot 2150 出 力 （ ラ ウ ン ド ト リ ッ プ 時 間 ） 500 receiver ms slot 2150 150 2000 サンプリング周期 = 125ms 2002年 2月20日 修士論文発表会 9 anced Network Architecture Research Group ネットワークN3 Internet bottleneck sender receiver 入20 Mbps 力 （ パ 15 ケ ッ ト 10 送 信 5 レ ー ト 02000 ） slot 2150 出 力 （ ラ ウ ン ド ト リ ッ プ 時 間 ） 80 ms 60 40 20 2000 slot 2150 サンプリング周期 = 6ms 2002年 2月20日 修士論文発表会 10 anced Network Architecture Research Group シミュレーションによる妥当性の評価 入力データ１ 出力データ1 モデル化した ARXモデル 入力データ２ モデルの出力 モデルの出力と測定した出力データを比較 出力データ２ 2002年 2月20日 修士論文発表会 11 anced Network Architecture Research Group ボード線図による妥当性の評価 unknown sin(w t ) A sin(wt + j ) A ゲイン特性 j 位相特性 ARXモデルの モデル化した ARXモデル 周波数特性 スペクトル解析による 周波数特性 入力データ 出力データ 周波数特性が一致すればモデルの妥当性がいえる 2002年 2月20日 修士論文発表会 12 anced Network Architecture Research Group N1 シミュレーション sender receiver 100Mbps FTP server FTP client measured data model output ラ ウ 0.42 ン ド ト リ ッ プ 0.415 時 間 0.41 2250 2260 2270 2280 2290 2300 slot 2002年 2月20日 修士論文発表会 13 anced Network Architecture Research Group N1 ボード線図 Amplitude 10 -2 ARX モデル スペクトル解析 10 -4 -6 Phase(degrees) 1010 -2 10 -1 10 0 10 1 0 100 200 10 -2 10 -1 10 0 10 1 Frequency (rad/s) 2002年 2月20日 修士論文発表会 14 anced Network Architecture Research Group N2 シミュレーション bottleneck Internet sender receiver 450 ラ ウ ン ド ト リ ッ プ 時 間 400 350 300 250 200 150 2250 2002年 2月20日 measured data model output 2260 2270 修士論文発表会 slot 2280 2290 2300 15 anced Network Architecture Research Group N2 ボード線図 Amplitude 10 10 4 3 ARX モデル スペクトル解析 2 Phase(degrees) 1010 -2 10 -1 10 0 10 1 0 200 400 10 -2 10 -1 10 0 10 1 Frequency (rad/s) 2002年 2月20日 修士論文発表会 16 anced Network Architecture Research Group N3 シミュレーション Internet bottleneck sender receiver 40 ラ ウ ン ド ト リ ッ プ 時 間 35 30 25 20 2250 2002年 2月20日 measured data model output 2270 2260 修士論文発表会 slot 2280 2290 2300 17 anced Network Architecture Research Group N3 ボード線図 Amplitude 10 2 ARX モデル スペクトル解析 10 0 2 Phase(degrees) 1010 -2 10 -1 10 0 10 1 0 500 1000 10 -2 10 -1 10 0 10 1 Frequency (rad/s) 2002年 2月20日 修士論文発表会 18 anced Network Architecture Research Group 輻輳制御機構の設計 パケット送信側ホスト u(k) (transmission rate) regulator ネットワーク e(k) ARXモデル x(k) state observer ABC 2002年 2月20日 y(k) (round-trip time) system identification 修士論文発表会 19 anced Network Architecture Research Group まとめ • パケット伝送遅延時間の特性をモデル化 – ネットワークをブラックボックスとして扱う – モデルに対する入出力データを実際のネットワークで 測定 – システム同定を用いてパラメータを決定 – モデルの妥当性を検証 送信レートがラウンドトリップ時間に 大きな影響を与える場合はモデル化が可能 2002年 2月20日 修士論文発表会 20
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