インターネットはどのように変化するか～幾つかの話題～後藤滋樹早稲田大学理工学術院 1 これまでの変化 • • • • • 1969 1983 1984 1990 1994 インターネットの誕生プロトコルをＴＣＰ／ＩＰに変更ドメイン名を導入商用インターネットの解禁 (1991) Ｗｅｂの隆盛（日本） 2 １９６９年 APRAnet誕生２００８年（第２４回）日本国際賞受賞者「情報通信の理論と技術」分野 Vinton Gray Cerf Robert Elliot Kahn http://www.japanprize.jp/prize/2008/j1_cerf_kahn.htm 3 もしも４人が受賞できたら Leonard Kleinrock and Lawrence G. Roberts 4 なぜクラインロック博士が？ • • • • • 当時のパケット通信は遅いコンピュータの性能が低かったそんな通信は使い物にならない誰もプロジェクトを引き受けない専門ではないクラインロック先生が引き受けた 1969年当時にUCLA博士課程の院生であった Kilnam Chon先生（韓国KAIST）談． 5 1983年 TCP/IPに変更 • 本来は1983年1月1日を期して一斉に切り替える予定であった • 実際には数ヶ月を要した • 次第にNCP（古いプロトコル）の大学は通信の相手が減っていく Robert Kahn博士談 Date 08/1981 05/1982 08/1983 10/1984 10/1985 02/1986 11/1986 ； Hosts 213 235 562 1,024 1,961 2,308 5,089 6 1984年ドメイン名の導入 • 1984年のメールアドレス [email protected] （注：sail=Stanford AI Lab） • 切替後のアドレス [email protected] • 利用者から不満が続出しかしネットワーク管理者が説得経験則：1,000個を越えると名前が衝突する 7 1990年商用ネットワークの解禁 • それまではＡＵＰ acceptable use policyで厳格に運用されていた • スタンフォード大学の Gay and Lesbian Club事件 • ＭＩＴの模型飛行機事件 • 米国においても1980年代にはネット販売、ネット広告は存在しない後藤, 外山「インターネット工学」コロナ社, 2007. 8 1994年Ｗｅｂの隆盛日本におけるWebサーバの数（高田・坂本・佐藤氏による）尾家, 後藤, 小西, 西尾「インターネット入門」岩波書店, 2001. 9 これからの変化（の可能性） 1. 構造の変化 2. 新世代ネットワーク 3. 金融とネットワーク 10 １．構造の変化これまで便利に使ってきたIPv4アドレスを新規に割り当てることができなくなる 11 IPv4 アドレス在庫枯渇問題 • そもそも、どのような問題なのか？ http://www.nic.ad.jp/ja/ip/ipv4pool/ • 地域インターネットレジストリ(RIR)における未分配の IPアドレスの在庫がなくなるＲＩＲ 12 いつ頃に枯渇が予想されるか Projected IANA Unallocated Address Pool Exhaustion: 23-Jun-2011 Projected RIR Unallocated Address Pool Exhaustion: 12-Oct-2012 Geoff Huston http://www.potaroo.net/tools/ipv4/index.html 13 ＪＰＮＩＣによる別の推計法 • ＲＩＲに対応する世界の５地域について、次の要因でＩＰｖ４アドレスの需要予測を行う 1. 政府最終消費支出政府による消費財への支払い、公務員の給料 2. 総固定資本形成総固定資本形成=民間住宅投資+民間設備投資+公共投資 3. インターネット利用者数 4. ブロードバンド利用者数 5. 電子商取引市場 • ５地域の合計による枯渇予測時期は前のスライドの時期よりも少し早い 14 枯渇すると誰が困るのか • 現在のインターネットが直ちに停止する訳ではない • 新しく IP アドレスの割り当てを受けることができなくなる IANA  APNIC  JPNIC  ISP  利用者 • 新しい利用者は、どのような対策をとるか • その利用者と通信をするために既存の設備を変更する必要があるのか、ないのか 15 どのような対策があるのか（１） • 割り当てを受けているのに使っていないアドレスを返却してもらう • 未利用のアドレスを流通させるために IP アドレスの取引市場を設けるという提案がある 16 http://www.potaroo.net/tools/ipv4/index.html 問題点（１） • 回収によって再利用が可能となると想定されるアドレス規模は、多くても世界的なアドレス需要の数ヶ月分に過ぎないと思われる。参考文献 [1] JPNIC「IPｖ４アドレス在庫枯渇問題に関する検討報告書（第一次）」 p.39, 2007年12月. http://www.nic.ad.jp/ja/pressrelease/2007/20071207-01.html 17 どのような対策があるのか（２） • NAT を用いてグローバルな IP アドレスの必要個数を減らす http://www.nic.ad.jp/ja/ip/ipv4pool/ipv4exh-report-071207.pdf NAT 18 問題点（２） • プライベートアドレス＋ＮＡＴでは、グローバルアドレスと同じサービスが出来ない場合がある（ＩＰ電話、テレビ会議、Ｐ２Ｐ応用など）次のスライド • 従来のＮＡＴが対応してきた実績は数万利用者の規模である • 既にＮＡＴを用いている利用者を、さらにＮＡＴを用いて収容する場合には、多段のＮＡＴとなる。プライベートアドレスの衝突の可能性がある。 19 ＮＡＴによる変換 • Network Address Translator, Network Address Port Translator (NAPT). グローバルアドレス NAT プライベートアドレス 10.0.0.0～10.255.255.255 10/8 172.16.0.0～172.31.255.255 172.16/12 192.168.0.0～192.168.255.255 192.168/16 20 NAT越え (NAT traversal) 国際会議論文: Yuan Wei, D. Yamada, S. Yoshida and S. Goto, A New Method for Symmetric NAT Traversal in UDP and TCP, APAN Network Research Workshop 2008, pp.11—18, August, 2008. 21 どのような対策があるのか（３） • IPｖ６を用いれば膨大な数の IP アドレスを利用することができる • そもそも IPｖ６は、IPv4 アドレスが不足することを見越して設計されている IPｖ４３２ビット＝ 232 約４０億 IPｖ６１２８ビット＝ 2128 22 問題点（３） • 新規に IPv6 で利用を開始するクライアントはそのままでは IPv4 のネットワークに接続できない（トランスレータなどが必要） • 新規の IPv6 のサーバはクライアントが IPv6 対応にならなければサービスを提供できない • 利用者のアクセス回線が事業者に依存する場合がある次のスライド 23 アクセス網提供事業者 • フレッツはトンネルを使う IP IP IP IP トンネルとは、パケットを他のパケットのデータとして包み込んで（カプセル化）送ること「NTT西のフレッツはNTT東とどう違う？」 IPpro http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/20071017/284759/ 24 ＩＰｖ４とＩＰｖ６の混在時代 • ある論者は地下鉄と地上の鉄道の譬え話を使って相互乗り入れの難しさを指摘している http://www.unixuser.org/~euske/doc/ipv6ex/ Daniel J. Bernstein, and 新山 • 駅の名前の文字数が制限されているとするいずれ駅が足りなくなる（IPv4枯渇）そこで大規模地下鉄を作る（IPv6） • ただし相互に乗り入れるためには変換が必要となる(translate) 25 IPv4 と IPv6 のデュアルスタック • 現在のインターネットで IPv6 が利用できる機器は、大抵 IPv4 も使用することができるデュアルスタック MAC OS の例 • そのままの方法で IPv6 を拡大するのでは IPv4 のアドレスが相変わらず必要になる過渡期にはtranslatorがIPv4, IPv6の橋渡しをする 26 CPE: Customer Premises Equipment 27 デュアルスタック IPv6アドレス + プライベートIPv4アドレス • IPv4枯渇の最終解はIPv6 IPv6アドレスでの接続を提供 • IPv6対応出来ない古いサーバ、古いWindows のために IPv4の接続も最低限のレベルで維持 – IPv4アドレスが枯渇するので、少量のIPv4をISPの NATにより共有してやりくりする – IPv4プライベートアドレスでの接続を提供 – IPv4の接続はISPのNAT経由となり多くの制限がある。P2Pなどのアプリケーションを使うためには最終的には IPv6 対応が必要 28 JPNIC 報告書 [1] の結論 • アドレス回収、ＮＡＴによるグローバルアドレスの削減、いずれも限定的な効果に留まる • 本格的な解決は IPv6 の導入ただし、IPv4 と IPv6 の相互接続を可能とするように、トランスレータ、デュアルスタックなどの準備を進めなければならない ※ 用語だけを紹介します IPv6を使わないアドレスの拡大方法：ＬＩＳＰ Locator/ID Separation Protocol 29 ２．新世代ネットワーク • 次世代ネットワークと新世代ネットワーク • 2つの類似用語 30 次世代ネットワーク（ＮＧＮ） • NGN • 従来の交換機による電話網をIP技術で構築 • 現在、進行中である • 課題がある品質基準を定める（標準化）システムを安定に運用する新世代ネットワーク • NWGN • GENI, FIND, FIRE, EuroFGI, Future Internet • 日本のフォーラムが設立された http://nwgn-forum.nict.go.jp/ • 研究の中心機関はNICT (www.nict.go.jp) • AKARIプロジェクト http://akari-project.nict.go.jp/index2.htm 評判のデモ（Open Flow Demo at SC 08） http://jpnoc.net/OpenFlow-DEMO.m4v movie by Jin Tanaka 33 スタンフォード大学のボード NetFPGA-1G Hardware Xilinx Virtex-2 Pro FPGA PCI Host Interface SRAM DRAM 4 * Gigabit Ethernet ports フローベースのルータ, スイッチ hash table routing table flow data • フローとは共通制御情報を持つパケット列 • flow = <Protocol, IPa, PORTa, IPb, PORTb> 35 メモリを使わないルータ • 従来型: 駐車場モデル queue • フロールータ：コネクション型, 遅延なし 36 Open Flowの課題 • 今までのところ大規模に試用されていない • セキュリティ対策は十分か？ • パケット型と電話型（コネクション）の中間 37 Anagran FR-1000 Caspian Networks NEC NetFPGA 38 ３．金融とネットワーク • ロスチャイルドの逸話１８１５年ワーテルローの戦いイギリス・オランダ・プロイセン連合対フランス（ナポレオン） • イギリス国債 Nathan Mayer Rothschild 売りか、買いか：ネイサンの逆売り • 一日の長国債の６２％を購入自己資産が２５００倍に wikipediaなど 39 エコノミストは言いたい放題 • コンピュータを安く使えるようにしてしまった • 人間を修理する人は偉いように思われ、ものを修理する人が軽んじられる • それにしても金融を軽視していた • 実は金融市場とネットワークが似ている 40 大恐慌の再来か? Phrase used by Paul Robin Krugman US 金融会社投資銀行 JP 製造会社輸出 Classification by Kazuo Mizuno 41 巨大な金融経済と実物経済の比較 US Investment Bank JP Export Company financial asset = market capitalization +bonds outstanding +money supply 200 180 160 140 120 financial asset 100 GDP 80 60 40 20 Jan-08 Jan-07 Jan-06 Jan-05 Jan-04 Jan-03 Jan-02 Jan-01 Jan-00 Jan-99 Jan-98 Jan-97 Jan-96 Jan-95 Jan-94 Jan-93 Jan-92 Jan-91 Jan-90 0 Kazuo Mizuno, and Mitsubishi UFJ Securities, graph redrawn by S.Goto 42 金融市場とネットワーク • 穏やかな変化正規分布多くの従来の経済学の前提 • 急激な変化べき乗分布最近注目されている主張 43 ブラックショールズ Black–Scholes http://en.wikipedia.org/wiki/Black-Scholes • The Black–Scholes model is a mathematical model of the market for an equity, in which the equity's price is a stochastic process. • The Black–Scholes PDE is a partial differential equation which (in the model) must be satisfied by the price of a derivative on the equity. • The Black–Scholes formula is the result obtained by solving the Black-Scholes PDE for European put and call options. 44 Black–Scholes • Merton and Scholes received the 1997 Nobel Prize in Economics for this and related work. Black was ineligible for the prize because of his death in 1995. dSt = μStdt+ σStdWt The price of the underlying instrument St follows a Wiener process Wt with constant drift μ and volatility σ, and the price changes are log-normally distributed: ブラック-ショールズモデルとは、1 種類の配当のない株と 1 種類の債券の 2 つが存在する証券市場のモデルで、時刻 t における株価 St と債券価格 Bt が dSt = St(σdWt + μdt), Bt = exp(rt) , r,σ,μは定数 , Wtは標準ブラウン運動, を満たすものをいう。 ja.wikipedia.org/wiki/ブラック-ショールズ方程式 45 Network Traffic • Our diffusion equation is similar to that taken by Black and Scholes who modeled the option pricing behavior as a geometric Brownian motion. • http://dspace.wul.waseda.ac.jp/dspace/bitstream/2065/4894/1/93038_391.pdf Yoshitaka Takahashi, A branching Poisson Process Input Finite-Capacity Queueing System for Telecommunication Networks, Waseda Commercial Review, vol.391, pp.105— 116, Dec 2001. 46 フラクタルとマルチフラクタル • Benoit B. Mandelbrot, A Multifractal Walk Down Wall Street, Scientific American, February 1999. http://www.elliottwave.com/education/SciAmerican/Mandelbrot_Article2.htm • Benoit B. Mandelbrot and Richard L. Hudson, The (Mis)behaviour of Markets: A Fractal View of Risk, Ruin, and Reward, 2004. • (In Japanese, Econophysics) 高安秀樹「経済物理学の発見」光文社新書１６７, 2004. 47 Random Walk vs. Fractal A Multifractal Walk Down Wall Street Burton G. Malkiel, Random Walk Down Wall Street: The Time-Tested Strategy for Successful Investing 48 フラクタル Fractal Koch curve ja.wikipedia.org/wiki/コッホ曲線 49 ネットワークの流量変動 normal distribution (fGn model) X (ti) ti Pr [X (ti) = x] ti histogram asymmetric X (ti) Pr [X (ti) = x] Captured Packets X (ti) Tatsuya Mori, PhD Thesis, Waseda Universtiy, 2005 histogram symmetric X (ti) 50 Power Function (High volume AS numbers) ベキ乗 95.00% R 2  0.9899 90.00% Cumulative Distribution Naoki Arai and Shigeki Goto, Traffic Analysis Based on Autonomous System Numbers , IWS2000, Internet Workshp 2000 pp.121-126 , February 16, 2000. 85.00% 80.00% 75.00% 70.00% Cumulative Distribution 65.00% Approximated Curve (Power Function) 60.00% 1% 2% 3% 4% 6% Distribution of ASes 7% 8% 9% 51 ネットワークトラフィックのローソク足チャート清水奨, 福田健介, 廣津登志夫, 菅原俊治, 後藤滋樹, “ローソク足チャートを用いたTCP トラフィックの表示法”, FIT2004, 情報科学技術レターズvol.3, pp.333.336, 2004 年9 月. 52 教訓 • 新しい理論を用いても株価の予測はできません • 従来の理論はリスクを低く見積り過ぎている • ネットワークのトラフィック: 料金の95% ルール（SLA）は合理的か？ 53 正規分布と非正規分布 • 穏やかな正規分布の時代 • 激変の非正規分布の世界 • 人間の行動がマシンによって増幅金融市場ネットワークトラフィック • それにしても視覚化の遅れデイトレーダが見ている画面は古典的 54 穏やかな変化で済みますように！ • IPv4在庫枯渇 • Geoff Huston氏のコメント 55