我々は日常的にインターネットを使用しています．そのインターネットの登場から約半世紀が経過しますが，その利用目的は当時と現在で大きく異なります．開発当初は大学などの特定の研究機関の間で通信すること，つまり，場所と場所を繋ぐために使用されていました．これに対し現在はWWW (World Wide Web) の発展や個人端末の高性能化・大衆化により，Web閲覧やビデオ再生，SNS (Social Networking Service) といった新たな利用形態が発生し，場所と場所ではなく，「データ」と「人」，「人」と「人」を繋ぐ目的で使用されています．今後はIoT (Intrenet of Things) などによって今までには発生しなかったデータがインターネット上を流通することとなり，「人」と「人」だけではなく，「モノ」と「モノ」までもが通信する時代がやって来ます．この状況に対し，インターネットを将来の利用形態に合ったネットワークに創り変えようという動きがあります．それがコンテンツオリエンテッドネットワーク (CON: Content Oriented Network) です．従来ではネットワークの外側に存在したコンテンツ発見，及びコンテンツ流通のシステムをネットワーク自体が具備し，コンテンツ流通の効率化を図るものとしてCONが定義されます．当研究室では，このネットワークを対象とし，以下に示す様々な研究を行っています．

 CONを実現する代表的なアーキテクチャとしてCCN/NDN (Content Centric-Networking/Named-Data Networkingが研究されています．IPネットワークではユーザがコンテンツを取得する場合，コンテンツ取得先であるサーバのIPアドレスを指定して通信を行います．そのため，IPアドレスが異なる別のユーザがこのパケットを利用することは不可能です．しかし，CCN/NDNではコンテンツ名を指定して通信するため，同じコンテンツを要求するユーザ間でデータを再利用することが出来ます．

 CCN/NDNにおけるルータは，FIB (Forwarding Information Base), PIT (Pending Interest Table), CS (Content Store) という三つの構成要素を持ちます．FIBはコンテンツ名をインデックスに持つルーチングテーブルであり，ユーザが送信したコンテンツ要求はFIBを参照することでサーバ方向へと転送されます．PITはコンテンツ要求の到着方向が記載されているテーブルで，ユーザへのコンテンツ転送はこのPITを参照することで実現されます．CSはコンテンツをキャッシュするためのストレージであり，ルータはコンテンツ転送時にそのコンテンツをキャッシュします．



 このように，CCN/NDNでは，サーバだけでなく経路中に存在するルータ内のキャッシュからコンテンツを取得することが出来ます．その結果，サーバよりも近い位置からコンテンツを取得できるため，コンテンツ取得時間が短くなります．また，サーバに到着するコンテンツ要求の数が減少するので，サーバ付近のトラヒック負荷軽減が可能です．

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 一般的なIPネットワークでは，人気なコンテンツを配信しているサーバには，ユーザからのコンテンツ要求が集中するため，そのサーバや付近のネットワークのトラヒック負荷が高くなります．しかし，CCNではサーバだけでなくネットワーク内のルータのキャッシュからのコンテンツ取得が可能です．ゆえに，キャッシュの効率的な利用によりサーバの負荷を軽減できます．加えて，ユーザはサーバよりも近い位置にあるルータからコンテンツを取得することで，コンテンツの取得時間やネットワーク内で発生するトラヒック量が減少します．しかし，ネットワーク全体のキャッシュ容量は有限であるため，キャッシュを効率的に利用することが重要な課題となります．

 キャッシュの効率的な運用を図る研究は数多く存在します．ユーザからサーバに至るまでの経路上に存在するキャッシュを効率よく利用するためには，どのようなコンテンツをネットワーク内にキャッシュさせるかを制御する方法 (Caching Policy) があります．また，コンテンツ要求はサーバまで最短経路で転送されることが一般的ですが，これでは最短経路上に存在するキャッシュのみしか利用できず，ネットワーク全体のキャッシュを有効利用できていません．そこで，最短経路外のキャッシュを積極的に利用するために，コンテンツ要求の転送方法 (Forwarding Policy) を変更する方法もあります．このように，キャッシュの運用には様々な方法が組み合わされています．当研究室では，これらの組合せを考慮したキャッシュ運用に関する研究を行っています．


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 コンテンツオリエンテッドネットワークでは，ユーザはどこからコンテンツを取得するかという事に関心が無いという概念に基づき，同一のコンテンツを提供する複数のコンテンツサーバからダウンロードが可能です．その場合，ルータにおけるルーチングテーブルは同一コンテンツに対して複数の転送先インタフェースを保持します．我々は，コンテンツ要求パケットが送信されてから応答パケットが受信されるまでのRTTをルータにおいて計測し，そのRTTに基づいて確率的に転送先インタフェースを選択する方式を提案しています．この方式により，計測RTTに基づいてインタフェースを適応的に切り替えることで，サーバの負荷分散やネットワーク輻輳の緩和が可能になります．その結果，ユーザがコンテンツ取得にかかる遅延を減少することが可能となります．


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 IPネットワークにおいて，輻輳制御はサーバによって実行されます．一般的に，サーバはユーザからの受信確認応答 (ACK: ACKknowledgement) や往復遅延 (RTT: Round-Trip Time) を用いて，ネットワーク内で発生した輻輳を検知し，送信レートを制御します．これに対して，CCNではACKやRTTを用いて輻輳を検知することが出来ません．その理由は，CCNが 1)ユーザ主体のコンテンツ名に基づく通信，2) ユーザが複数のコンテンツ保持者からコンテンツを取得，という二つの特徴を持つためです．

 コンテンツ名ベースの通信では，IPアドレスのような場所を表す情報が無いため，ユーザはどこからデータが転送されてきたのか把握できません．ゆえに，ユーザはACKを返信することが出来ません．また，コンテンツ名ベースで通信することによりユーザは複数の経路からコンテンツを取得することが可能であるため，経路ごとにRTTが異なります．これにより，IPにおいて輻輳検知のために使用される正確なRTTの見積りが困難となります．このようにCCNではIPの輻輳制御技術をそのまま適用できないため，新たな輻輳制御方式が必要です．

 本来，ネットワーク内で発生する輻輳は発生箇所に強い相関をもつ事象です．しかしながら，CCNの特徴からユーザがロケーション情報を把握することはCCNのアークテクチャに適していません．また，ユーザはコンテンツをどの経路（単一経路・複数経路）から取得しているかを把握できません．加えて，ユーザの輻輳ウィンドウは一つのコンテンツに対し一つです．そのため，輻輳検知ごとに輻輳ウィンドウを半減させると，過度に輻輳ウィンドウが減少します．そこで我々は，輻輳の発生場所であるルータが輻輳を検知し，ユーザに対して輻輳の発生とその度合いを通知する手法を提案しています．さらにこの手法では，ルータは分岐地点において要求パケットを確率的に振り分けます．この振り分け確率は各経路の輻輳発生の頻度と密に関係しており，輻輳が発生する度に適宜調整されます．これにより，ユーザはコンテンツの転送経路や輻輳の場所などを全く意識することなく，輻輳に対応することが出来ます．





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 近年の無線通信技術は目覚ましい進歩を遂げ，目に見えない場面で我々の生活を支えています．例えば，我々が普段利用するスマートフォンなどの携帯端末にはLTEやWi-Fi等の技術が使用されています．また，災害などの非常時の通信やIoT (Internet of Things) に代表されるセンサネットワーク，公共無線LAN (Local Area Network) など様々な場面で無線通信技術は利用されています．この技術を駆使して構築される無線ネットワーク（ワイヤレスネットワーク）は有線とは異なり，電波干渉やトラヒック集中など様々な点で課題があります．

 総務省の情報通信白書において，モバイル端末による通信量は年間約二倍のペースで増加していることが報告されています．この通信量の増大に対して，電波や通信資源を効率的に利用する無線通信・ネットワーク技術の開発がとても重要です．またIoTでは，パーソナルコンピュータやスマートフォンなどの通信機器に限らず，あらゆる「モノ」がインターネットに接続されることにより，膨大なデータがインターネットへ流通して輻輳が発生します．加えて，その「モノ」には省電力性が求められます．そのため，IoTを実現するためには，通信・電力効率の良いネットワーク技術が必要となります．

 当研究室では，モバイルネットワークやセンサネットワークなどの多様なワイヤレスネットワークを対象とした研究を行っています．特に，これらのネットワークの抱える課題を解決するために，前述のコンテンツオリエンテッドネットワークをワイヤレスネットワークに適用する研究を積極的に取り組んでいます．

 近年，タブレット端末やスマートフォンなどの無線端末からのインターネット接続が増加し，その接続方法として無線LANが広く普及しています．しかし，1つの無線LAN基地局がカバーできる電波範囲には限界があります．この問題解決策として，ユーザの端末を中継機，つまり，ルータとして使用する無線マルチホップネットワークが注目を集されています．無線マルチホップネットワークにおいて，ある端末 （ユーザ) がコンテンツを取得する場合，一般的には無線LAN基地局となるゲートウェイノード (GW) を介して，無線マルチホップネットワーク外のインターネットに接続されているコンテンツサーバにアクセスします．そのため，全てのコンテンツ要求とコンテンツダウンロードはGWを介して実行されるため，GW付近での干渉や輻輳などにより無線マルチホップネットワーク全体の性能劣化に繋がることが懸念されています．



 この問題に対する一つの解決策として，ネットワーク内の中継端末にキャッシュ機能を設ける，キャッシュネットワークの適用が挙げられます．しかし，キャッシュネットワークには，コンテンツ要求がGWに向かう途中の最短経路（default-path）上のキャッシュのみしか利用できないという制限があります．この制限を解消し，default-path上に存在しないキャッシュ (off-pathキャッシュ) へ要求を誘導し，ネットワーク内のキャッシュを有効利用する手法として，インネットワーク誘導方式であるBreadcrumbsが提案されています．Breadcrumbs方式においては、ネットワーク内の中継端末がコンテンツを転送する際に、コンテンツのキャッシュとともに``Breadcrumbs’’と呼ばれる，ダウンロード方向を示す誘導情報を残します．これにより，新たなコンテンツ要求はこの``Breadcrumbs’’を辿ることによりoff-pathのキャッシュを探索することが可能となります．

 我々は，このBreadcrumbs方式を無線マルチホップネットワークに導入することで，GWにかかるトラヒック負荷を軽減しネットワーク全体の性能改善を目標として研究を行っています．

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 東日本大震災の経験を受け，災害時における通信技術に関心が高まっています．既存の通信インフラ設備が地震等の大規模災害により破損した場合，DNS (Domain Name System) の機能が利用できなくなり，インターネットへのアクセスが途絶え，安否情報などのコンテンツを取得することが出来なくなります．本研究では，この問題を解決するためにCCN (Content-Centric Networking) を情報流通基盤として利用します．これにより，災害により通信インフラ設備が破損した劣通信環境においても情報取得が可能となります．しかし，既存のCCNをそのまま適用した場合，劣通信環境特有の断続的なリンクによりコンテンツ要求の冗長な再送が発生します．当研究室では，この問題に対応するため，断続的なリンクを認識するための動的なルーチングプロトコルと，そのルーチングプロトコルから得られるリンク接続情報に基づいたパケット転送制御を提案しています．これらにより，ユーザの消費電力やコンテンツ取得にかかる時間の低減が可能となる事を示しています．


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 ノートパソコンやスマートフォンなどの個人使用のコンピュータの高性能化に伴い，個人が扱うアプリケーションのデータ量の増加が顕著なものとなった今日，クラウドコンピューティングという概念が誕生しました．クラウドコンピューティングでは，個人が自身のコンピュータ上でデータを保守・管理し，処理するのではなく，インターネットの先に存在するコンピュータ群（クラウド）にデータの保守・管理や処理を委任します．このサービス形態はクラウドサービスと呼ばれ，メールやデータベース，仮想オペレーティングシステムなどのサービスに適用されています．これらのサービスを提供するために必要不可欠な設備がデータセンタです．データセンタにおいては，数十万台の高性能サーバがネットワークを介して分散的に処理を行います．当研究室では，クラウドコンピューティングを下支えするデータセンタネットワークの問題点の解決や，性能向上を目的とした研究に取り組んでいます．

 Facebook，Twitterなどのソーシャル・ネットワーキング・サービスの普及によりデータセンタネットワークにおいてマルチキャストが使用される可能性が高まっています．例えば，分散ファイルストレージシステムにおけるデータの複製や，データセンタ内のOSの更新などにおいても，マルチキャスト通信を用いることでリンクをネットワークの効率的運用が可能となります．このような背景から，データセンタ内でマルチキャスト通信を実現することを目的に信頼性やスケーラビリティに関する研究が盛んに行われています．

 データセンタネットワーク内のリンクを高利用率で運用するためには輻輳制御が重要です．しかしながら，マルチキャスト通信を対象とした輻輳制御に関しては，研究はあまり行われていません．そこで当研究室では，広帯域低遅延のデータセンタ環境に対応したマルチキャスト輻輳制御に関する研究を行っています．



 データセンタでマルチキャスト通信を行う際に，４層ユニキャスト輻輳制御方式であるDCTCP (Data Center TCP) と同一のリンクを共有することが考えられます．また，マルチキャスト通信を行う際には，ルータはマルチキャストグループのステートを保持する必要があります．しかしながら，データセンタネットワークで使用される安価なスイッチのメモリ量は少ないため，スイッチに複雑な機能を要求できません．そこで，我々はスイッチに複雑な機能を要求しないマルチキャスト輻輳制御方式TFMCC (TCP-Friendly Multicast Congestion Control) を基にデータセンタ環境に対応したエンドツーエンドマルチキャスト輻輳制御方式DCMC（Data Center Multicast Congestion control）を提案しています．DCMCはマルチキャストグループ内の最悪輻輳状態にある受信者を選択し，送信レートをDCTCPと親和性のあるものに合わせることでスループットの公平性を実現します．

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 大規模なデータセンタには，LAN (Local Area Network)とSAN (Storage Area Network)と呼ばれる二つのネットワークが存在しています．これら二つのネットワークを構成するネットワーク機器の消費電力や各ネットワークにおける配線の複雑化の問題が深刻化しています．そこでLAN/SANの統合がIEEE802.1 Data Center Bridging Task Groupにより標準化されています．これまで，LANではフレームロスに対しては，トランスポート層のTCPにより対応できることを前提に厳格な対応をしていませんでした．これに対し，SANではデータストレージのバックアップ時などに与える影響が甚大であることから，極力フレームロスを許容しないプロトコルが用いられてきました．このようにフレームロスへの対応に大きな差異のあるLANとSANを統合した場合，フレームロスを非常に低く抑えるプロトコルをLANで用いられるイーサネット上に展開される必要があります．そこで2層スイッチにおいてフレームロスを抑制するための方法として，２層輻輳制御の研究が活発に行われています．２層輻輳制御の一つとしてIEEE802.1Qauにおいて標準化されているQCN (Quantized Congestion Notification) があります．QCNでは，輻輳状態において確率的にスイッチから送信ノードへ送られるフィードバック情報をもとに，送信ノードが送信レートを調整します．低いキュー長をターゲットとしてここにキュー長を安定させることで，ロスレスでかつ高利用率を実現する輻輳制御です．

 しかし，QCNでは輻輳時にスイッチが確率的に輻輳通知フィードバックを送信するため，単一のボトルネックリンクを通るフロー数が増加した場合に，輻輳状態にあるにも関わらず送信ノードが輻輳通知フィードバックを受信できずレートを制御できない可能性があります．これにより，ボトルネックリンクのキュー長を不安定に変動させる問題も生じます．我々はこれらの問題に対して，QCNに遅延ベースによるレート制御を組み合わせることで，送信ノードがフィードバックを受信できない場合においても適切に送信レートを調整可能なQCN/DC (QCN with Delay-based Congestion detection) を提案しています．QCNに遅延ベース輻輳制御を組み合わせることにより，遅延ベース輻輳検知によってフロー数増加時にQCNのフィードバックが返送されない状況でも適切にレートを下げることができます．また，QCNのレート制御メカニズムにより，フロー数増加時にも各フローの送信レートを細かい粒度で制御でき，通常のQCNにより安定したキュー長で動作させることが期待できます．



 また，データセンタネットワークでは通信形態としてマルチキャストが多く使用されるため，一つの輻輳制御のセッションに対して，複数のボトルネックリンクが存在する状況が比較的多く発生します．マルチキャスト通信を行った場合，複数ボトルネックポイントより返送されるフィードバックにより，送信レートが過度に抑制される問題があります．これに対し，我々はボトルネックポイントごとにレート計算を行い計算されたものから最小のレートを選択するQCN/BS (QCN with Bottleneck Selection) を提案しています．これにより，複数ボトルネックを経験するフローの送信レートの過度な減少を防ぎ，フロー間の公正性を実現が可能となります．

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