システム同定を用いたインターネット

システム同定を用いた
インターネットのパケット伝送遅延時間の
モデル化に関する検討
大阪大学大学院基礎工学研究科
情報数理系専攻村田研究室
森田光茂
[email protected]
2001年11月
TM研究会
1
研究の背景
• パケット伝送遅延時間の特性がわかれば
– QoS 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
2001年11月
TM研究会
2
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
2001年11月
TM研究会
3
ネットワークのモデル化
入力
ブラックボックス
sender
出力
receiver
• 本研究での入出力の定義
入力
出力
2001年11月
パケット送信レート
ラウンドトリップ時間
TM研究会
4
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
2001年11月
TM研究会
5
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
2001年11月
TM研究会
6
入出力の定義
5
6
7
8
9
10
時刻
• システム同定ではサンプリング周期が一定
であることが前提
パケット毎では、一定にならない
パケット数 × パケットサイズ
入力（送信レート）＝
サンプリング周期
出力（ラウンドトリップ時間）＝サンプリング期間中の
ラウンドトリップ時間の平均値
2001年11月
TM研究会
7
入出力データの測定方法
• データ測定には ICMP パケットを使用
• パケット送信間隔は指数分布に従わせる
• 送信側ホストで
▼パケット送信時刻
▼パケット長
▼パケット受信時刻
▼シーケンス番号
を記録
Echo Request
7 6 5
5 6 7
Echo Reply
2001年11月
5
5
TM研究会
8
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
アクセス回線以外がボトルネックの場合
2001年11月
TM研究会
9
ネットワークN1
sender
SW
100Mbps
FTP server
120
Mbps
入
力
（
パ
ケ 80
ッ
ト
送
信 40
レ
ー
ト 0
） 2000
SW
ms
slot
2150
出 0.44
力
（
ラ
ウ 0.43
ン
ド
ト 0.42
リ
ッ
プ
時
間 0.412000
）
receiver
FTP client
slot
2150
サンプリング周期 = 0.9ms
2001年11月
TM研究会
10
ネットワークN2
ISP
sender
Access
link
Internet
receiver
bottleneck
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
ms
150
2000
slot
2150
サンプリング周期 = 125ms
2001年11月
TM研究会
11
ネットワークN3
sender
Internet
receiver
(www.so-net.ne.jp)
bottleneck
20
Mbps
入
力
15
（
パ
ケ
ッ 10
ト
送
信
レ 5
ー
ト 0
） 2000
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
2001年11月
TM研究会
12
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
2001年11月
TM研究会
13
ボード線図による妥当性の評価
sin(w t )
unknown
A sin(wt + j )
A ゲイン特性
モデル化した
ARXモデル
入力データ
出力データ
ARXモデルの
j 位相特性
周波数特性
スペクトル解析による
周波数特性
周波数特性が一致すれば
モデルの妥当性がいえる
2001年11月
TM研究会
14
N1 シミュレーション
measured data
model output
ラ
0.42
ウ
ン
ド
ト
リ
ッ
プ
時 0.415
間
0.41
2250
2260
2270
2280
2290
2300
slot
2001年11月
TM研究会
15
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)
2001年11月
TM研究会
16
N2 シミュレーション
450
measured data
model output
400
ラ
ウ
ン
ド
ト
リ
ッ
プ
時
間
350
300
250
200
150
2250
2260
2270
2280
2290
2300
slot
2001年11月
TM研究会
17
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)
2001年11月
TM研究会
18
N3 シミュレーション
40
ラ
ウ
ン
ド
ト
リ
ッ
プ
時
間
35
30
25
measured data
model output
20
2250
2260
2270
2280
2290
2300
slot
2001年11月
TM研究会
19
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)
2001年11月
TM研究会
20
まとめと今後の課題
• まとめ
– 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
• 今後の課題
– モデルの精度の向上
• ARMAX モデルによるモデル化
– 輻輳制御機構の設計
2001年11月
TM研究会
21

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