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異種無線ネットワークにおける SCTP に基づいたハンドオーバ技術に関する論文調査

異種無線ネットワークにおける SCTP に基づいたハンドオーバ技術に関する論文調査. 九州大学　システム情報科学府 情報知能工学専攻 岡村研究室 修士１年 張騰. 目次. 背景 発表者の研究 文献１の紹介 文献２の紹介 文献３の紹介 発表者の今後の研究. 発表者の研究. 発表者は無線ランにおける垂直シームレスハンドオーバに関する研究を行っている 異種類のネットワークを同時に持っている場合、渋滞程度、ネットワークの qos ， シグナルの強さ、ユーザの好みなどいろいろな要素を考え、どうな時点にどんな技法でネットワークを切り替えるということを研究している

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異種無線ネットワークにおける SCTP に基づいたハンドオーバ技術に関する論文調査

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Presentation Transcript

  1. 異種無線ネットワークにおけるSCTPに基づいたハンドオーバ技術に関する論文調査異種無線ネットワークにおけるSCTPに基づいたハンドオーバ技術に関する論文調査 九州大学　システム情報科学府 情報知能工学専攻 岡村研究室 修士１年 張騰

  2. 目次 背景 発表者の研究 文献１の紹介 文献２の紹介 文献３の紹介 発表者の今後の研究

  3. 発表者の研究 発表者は無線ランにおける垂直シームレスハンドオーバに関する研究を行っている 異種類のネットワークを同時に持っている場合、渋滞程度、ネットワークのqos，シグナルの強さ、ユーザの好みなどいろいろな要素を考え、どうな時点にどんな技法でネットワークを切り替えるということを研究している 垂直ハンドオーバの技法と性能評価に関する文献を３つ紹介する

  4. 文献１の紹介 タイトル：“A New Method to SupportUMTS/WLAN VerticalHandover Using SCTP” 著者： Li Ma, Fei Yu, Victor Leung, Department of Electrical and Computer Engineering The University of British Columbia Vancouver, BC, Canada V6T 1Z4 Tejinder Randhawa New Media Innovation Center 概要：sctpに基づくUMTSとWLANネットワーク間の新しい切り替えの制御技法を提案し、それと今までの技法と比べ、疑似ネットワーク環境上で、性能評価実験を行い、それぞれの状況で新技法の切り替え時間とスループットを評価する

  5. 背景 Web Server Internet GGSN Loose coupling Tight coupling RNC Ap NodeB UMTS Network WLAN Network Movement

  6. 以前の提案 • MIP 　利点 • MIPV4では，ハンドオーバ時に変化するIP アドレをトランスポート層以上に隠すことで，TCP やUDP などのトランスポート層以上のプロトコルがMN のハンドオーバを意識することなく，通信を継続することができる。トランスポート層が変わらなくてもいい。 　欠点 • 三角ルーティングによる通信遅延の増加 • HA の耐故障性 • Ingress フィルタリング問題 • 導入コスト

  7. SCTPプロトコル • SCTPとは • The Stream Control Transmission Protocol • 次世代ネットワークにトランスポート層のプロトコルの一種 • TCPの制限のいくつかを解決する • M-SCTPは、SCTPのモバイルバージョン、動的にip addressを配置する機能が増加する • m-SCTPの特徴の機能 • Multi-homeingをサポート • 動的にIP addressの増加、削除が可能 • 動的にprimary ip addressの変換が可能

  8. 提案の利点 • 第三者の参加は必要ではない • 任意種類のAPをサポート可能 • 中間のルータなどのソフトウェアの変更する必要ない

  9. 提案の手法：モデル Web Server 1： Add-ip messageの送信 2：Set Primary messageの送信 3：Delete IP messageの送信 Web Server Internet GGSN Loose coupling SGSN Tight coupling RNC Ap NodeB UMTS Network WLAN Network 1 2 2 3 Movement

  10. 提案の手法：single homing configuration

  11. 提案手法：もっと効率を向上させる • Single homing configuration • T-delay = T-asconf + T-handover • サーバは一つだけのipアドレスが必要 • Dual homing configuration • T-delay = T-handover • サーバは二つ以上のipアドレスが必要（通常２個）

  12. 提案の手法：dual homing configuration

  13. シミュレーションの構成 • ソフトウェア • network simulator ns-2 version 2.1b8 [12] with SCTP module • Add ip addressとdelete ip addressの機能(m-sctpの部分)を自分で増加する • ネットワークの遅延時間(rtt)は100msにセットする • 実験の内容 • Singleとdualの状況でWLAN->UMTSのハンドオーバの遅延時間の測定（遅延時間はTSNの増加で表示される） • Singleとdualの状況でUMTS->WLANのハンドオーバの遅延時間の測定（遅延時間はTSNの増加で表示される） • Singleとdualの状況でWLAN->UMTSのスループットの変化の測定 • Singleとdualの状況でUMTS->WLANのスループットの変化の測定

  14. 結果

  15. 結論と性能評価 • Singleとdualの性能比較 • Singleで、UMTS->WLANかWLAN->UMTSかどちらでも500msぐらいのハンドオーバ遅延時間がかかる • Dualで、どちらでも200msぐらい遅延時間がかかる • スループットもdualの方がいい • Duplicated packetsの発生 • ハンドオーバの時期に、サーバが二つ以上の経路から同時にパケットを受信する。もし新しい経路のパケットが遅延によって以前の経路のパケットより早く到達すれば、sctpのduplicated retransmision機能が効く、それは効率を低下させる問題になる • Slow startの発生 • 低帯域のUMTSから高帯域のWLANに切り替える時、sctpはslow startの機能が効く。もっといい効率を求めれば、それは要らないほうがいい

  16. 文献2の紹介 タイトル：“Delay-Centric Handover in SCTP over WLAN” 著者：Andrew Kelly, Gabriel-Miro Muntean, Philip Perry, and John Murphy 所属 : Performance Engineering Laboratory, School of Electronic Engineering, Dublin City University, Glasnevin, Dublin 9, Ireland 掲載ジャーナル: PERIODICA POLITECHNICA, Transactions on AUTOMATIC CONTROL and COMPUTER SCIENCEVol.49 (63), 2004, ISSN 1224-600X 概要：今までのsctpにおけるハンドオーバの制御方式の欠点を分析し、その上で、delayに基づく新しいハンドオーバの制御技法を提案する。シミュレーションで、性能評価実験を行い、新技法のハンドオーバをする時のスループットを評価する

  17. 文献2の紹介 タイトル：“Delay-Centric Handover in SCTP over WLAN” 著者：Andrew Kelly, Gabriel-Miro Muntean, Philip Perry, and John Murphy 所属 : Performance Engineering Laboratory, School of Electronic Engineering, Dublin City University, Glasnevin, Dublin 9, Ireland 掲載ジャーナル: PERIODICA POLITECHNICA, Transactions on AUTOMATIC CONTROL and COMPUTER SCIENCEVol.49 (63), 2004, ISSN 1224-600X 概要：今までのsctpにおけるハンドオーバの制御方式の欠点を分析し、その上で、delayに基づく新しいハンドオーバの制御技法を提案する。シミュレーションで、性能評価実験を行い、新技法のハンドオーバをする時のスループットを評価する

  18. 背景 • 無線LAN-CSMA/CAの概要 • Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidanceの略 • 無線LANの通信規格のIEEE802.11a、802.11b、802.11gの通信手順として採用されている • 処理手順：電波上で信号が流れていないか確認->ランダムな時間を待ち、データの転送を開始->APはデータを受信後、ESS（Extended Service Set）内の全てのWLAN端末にAckを送信する->APからのAckの確認後、ランダムな時間を待ち、データの伝送を開始

  19. 背景 • SCTPとは • The Stream Control Transmission Protocol • 次世代ネットワークにトランスポート層のプロトコルの一種 • マルチホーミング(multihoming)をサポート • 輻輳制御にとってはtcpと同様であり、あまり無線LANの環境に向かない

  20. 現在の方式 通信は継続できなかったら、ハンドオーバする 判断の根拠：5回のtimeoutが発生（送信してからある時間内にackが受け取ってない場合） 欠点：１、ハンドオーバが発生するまでの必須時間が長い（5回なので、63秒が必須） 　　　　２、通信が継続できるが、一番適切な経路が選べられないので、遅延が急に大きくなる可能性がある

  21. 再送制御 0 DATA1 to addr1 PMR = 0 RTO ＝１ DATA1 to addr2 1 SACK(DATA1) Primary pathでの送信 PMR = 1 RTO = 2 Primary path DATA2 to addr1 Secondary pathでの送信 DATA2 to addr2 3 Secondary path SACK(DATA2) RTO (Retransmission TimeOut) PMR((Path Max Retransmission) PMR = 3 RTO = 4 DATA3 to addr1 31 パスの切りかえ 63 PMR = 5と、切り替え Time:秒

  22. 再送制御

  23. 提案の手法 • 遅延でハンドオーバの時期を決める、もしprimary pathの遅延がsecondary pathの遅延より大きくなれば、すぐハンドオーバする • Rttの急に変化の影響を防ぐため、low pass filterでsrttを計算し、srttでハンドオーバの時期を決める • SRTT = (1- a)×SRTT + a×RTT、その中、a = 1/8 • Rttは今回測定したrttで、右のsrttは前回のsrttである。それで、srttの急激な変化を抑えられる • ;

  24. 提案の手法 • 利点 • 送信して測定された遅延によって、パスの状態がすぐ感知できる。もし状態が悪くなったら、迷わずすぐ切り替えられる • 欠点 • 遅延だけハンドオーバを決定するのは、パス振動という問題が起きかねない。 • Vertical handoverをする場合、異種のネットワークの遅延時間を参照するのは、あまり意味がない

  25. シミュレーション Background station Background station UDP stream background 衝突の範囲 AP1 interface3.2 Pa th0 interface1.2 HOST A HOST B interface4.2 interface2.2 Pa th1 AP2

  26. シミュレーションの構成 HOST AとHOST Bがap1とap2で繋がってる 初期のprimary pathはinterface3.2から1.2間のpath0であり、secondary pathは4.2から2.2間のpath1である。 手順：１、associationが確立された 　　　　２、18分に背景stream(udp stream)を増加する 　　　　３、path 0で輻輳が発生したため、自動にハンドオーバが起き、path1はprimary pathになる 　　　　４、暫く置いて、その後、28分に背景streamを減少する 　　　　５、path0のdelayが減少したため、ハンドオーバが起き、path0がprimary pathに戻った 　　　　６、実験中TSN(Transmission Sequence Number )とRTTの変化を記録し、図を作る

  27. シミュレーションの結果

  28. シミュレーションの結果 • 図2 • 縦軸：TSN（データchunkの番号である） • 横軸：時間 • 青い線:path0 紫の線:path1 • 図3 • 縦軸：delay • 横軸：時間 • 赤い線:path0 緑の線:path1 • この二つの図から見ると、確かにパスは輻輳が発生する場合、ハンドオーバが起きる。その上で、スループットの減少もあまり見てない。

  29. 結論 無線ランにおいて、遅延に敏感な応用（例えば、voipなど）はこの提案の技法でsctp handoverを制御すれば、通信の効率が向上できる。

  30. 文献3の紹介 タイトル：“” 著者：Andrew Kelly, Gabriel-Miro Muntean, Philip Perry, and John Murphy 所属 : Performance Engineering Laboratory, School of Electronic Engineering, Dublin City University, Glasnevin, Dublin 9, Ireland 掲載ジャーナル: PERIODICA POLITECHNICA, Transactions on AUTOMATIC CONTROL and COMPUTER SCIENCEVol.49 (63), 2004, ISSN 1224-600X 概要：今までのsctpにおけるハンドオーバの制御方式の欠点を分析し、その上で、delayに基づく新しいハンドオーバの制御技法を提案する。シミュレーションで、性能評価実験を行い、新技法のハンドオーバをする時のスループットを評価する

  31. 文献3の紹介 タイトル：“Adaptive Primary Path Switching for SCTP Handover” 著者：Dong Phil Kim1, Dong Hwa Lee1, Seok Joo Koh1, Yong Jin Kim2 所属 : Department of Computer Science, Kyungpook National University, Modacom Incorporation 掲載ジャーナル: Advanced Communication Technology, 2008. ICACT 2008. 10th International Conference on ,page.900-902.issn.1738-9445,2008 概要：従来のRttに基づくSCTPを用いて異種無線ネットワーク環境下のハンドオーバでは、ハンドオーバの決定因子は小さいほど遅延時間の性能よいネットワークが選べられる。一方、ネットワークの振動によりスループットの減少する問題を抑えるため、ハンドオーバの決定因子は大きく設置しなければならない問題があった。それで、本研究は異種類ネットワークのrttの絶対差を用い、保守的と積極的なルールに分け、適応的なハンドオーバ制御技法を提案する。シミュレーションで、新技法は適応的な制御ができることと決定因子によりの性能変化を示した。

  32. 背景:以前の研究 BWA 【Broadband Wireless Access】WIMAX

  33. 背景:以前の研究[1] 遅延でハンドオーバの時期を決める 異種ネットワークの遅延の違いは倍数になると仮定する RTTp>αRTTaの時、ハンドオーバする。αは定数で、ハンドオーバの決定係数と呼ぶ。RTTpはprimary pathの遅延で、RTTaはalternative pathの遅延である。 [1] Junichi, F., et al., “A Study on Primary Path Switching Strategy,” Workshop on Cooperative Computing, Internetworking and Assurance (WCCIA 2005), pp. 536-541, April 2005

  34. 以前の研究の分析 RTTp>αRTTa ハンドオーバのパーフォーマンス(スループットで評価)に対し、RTT(round trip time)とCWND(congestion window)二つの影響因子がある RTTに対し、αは小さいほど良い。すぐ遅延の小さい経路に切り替えられる 一方、輻輳ウインドーに対し、 αは大きいほど良い。切り替えてから、sctpはslow startの段階に入るからだ。それで、頻繁に切り替えを防ぐ必要がある。

  35. 提案の手法 保守的なルール: when |RTTp - RTTa| ≤ β, If RTTP > α1 · RTTA, then ハンドオーバする 積極的なルール: when |RTTp - RTTa| > β, If RTTP > α2 · RTTA,then ハンドオーバする ここで、α1とα2とβは定数、 α1 > α2と仮定する

  36. 提案の手法:適応的な技法 異種類ネットワークのRTTの絶対差を用い、保守的と積極的なルールに分ける Rttの絶対差が小さい場合(同種ネットワークと見なせる)、保守的なルールを使う。保守的なルールは大きいαを使う。絶対差が小さいほど、その二つの異種ネットワークの違いは相対的に小さくなるので、largeαを使っても遅延への影響が少ないからだ。逆に、ネットワーク振動をうまく防げるという利点がある。 Rttの絶対差が大きい場合(異種ネットワークと見なせる)、積極的なルールを使う。積極的なルールは小さいαを使う

  37. シミュレーション

  38. シミュレーション Linux kernel sctpとNISTNET Network Emulatorを使った。NISTNET Network Emulatorで遅延の変動をシミュレーションする MT(mobile terminal)は不規則に電波の重なってるエリアにping-pong運動している MTはsctpのハンドオーバの操作をする。(eg. ADD-IP, Primary Switching,DELETE-IP) 二つのネットワークのRttの差が1秒以下(同種ネットワーク)と差が1-9秒(異種ネットワーク)と統合(0秒-9秒)の三つのモデルが設計された スループットでパーフォーマンスを評価する。ここで、スループットはTSN(Transmission Sequence Number)で計測する。(縦軸:TSN,横軸:時間)

  39. 結果：small RTTの差

  40. 結果:large RTTの差

  41. シミュレーションの結果:統合

  42. シミュレーションの結論 保守的な場合(small rttの差を使う)、大きいαを使った方がよい 積極的な場合(large rttの差を使う）、適切なαを選んだほうがよい。遅延と振動による損失の間のバランスを取る必要がある 統合の場合、small rttの差に対し大きいα1とlarge rttの差に対し小さいα2を設置すれば、よい結果が出る

  43. ご清聴ありがとうございました

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