「トラフィック特性を考慮したネットワーク機器の省電力化の研究」に関連した論文調査

「トラフィック特性を考慮したネットワーク機器の省電力化の研究」に 関連した論文調査九州大学　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年生李楠

発表内容 • 背景 • 準備 • 目的 • スリープ手法：文献［1］の紹介 • トラフィック予測：文献［2］の紹介 • 通信速度制御：文献［3］の紹介 • 今後の研究

背景 • 急速に広がったインターネットは，ユーザの増加とアクセス技術およびサービスの多様化などの要因により，年々更にその規模を広げている • より多くのユーザに対して，より高品質なサービスを提供するために，サービスプロバイダはサーバを増強する • サービス向上によって引き起こされるトラフィック増加に対してISP はネットワークを増強する • この流れにより，インターネットに接続する無数の機器は，莫大なエネルギーを消費しているそのため • ネットワーク機器における省電力化は重要な課題となってきている一般的

背景 • 通信量の少ない時は、給電量を下げる方式が主流である • 待機のための電力消費量が大きい • 起動時における消費電力が高いことにより、ある程度の時間、電源を切っておかなければ総合的に節電にならないという問題がある • 実際にはネットワーク内の機器の役割によりトラフィック特性が異なるため、省電力化の実現は容易ではないしかしそこで • 「トラフィック特性を考慮したネットワーク機器の省電力化の研究」

準備 • トラフィックとは • ネットワークを伝わる情報量を、「トラフィック」と呼びます。 • １対１のトラフィック • 特定の1つの端末だけに • データが届く • 通常のデータ転送時 • １対多のトラフィック • 同じセグメント内に存在 • するすべての端末に • データが届く • 制御用のトラフィックと、 • マルチキャスト http://www.atmarkit.co.jp/fnetwork/tokusyuu/08net-const/net-const05.html

準備 • トラフィック特性の違い • コアネットワーク • インターネットを利用する際に頻繁に用いられる経路 • 具体的には，ISP (Internet Service Provider) 間を結ぶ回線や，ISP とIX (Internet eXchange) を結ぶ回線などがある • 特性：昼夜を問わず常にトラヒック流量が多くてあまり変動しない • エッジネットワーク • LAN などのインターネットの端に位置するネットワーク • 特性：時間帯によってトラヒック流量が大きく変動し，夜間などにはほとんどトラヒックが発生しない

目的 • エッジ，コアを合わせたネットワーク全体の省電力化のために • 省電力の手法の検討 • どんな条件で正常モードから省電力モードに切り替えする • スリープ手法 • トラフィック予測 • 通信速度制御

スリープ手法：文献［1］の紹介 文献［１］ • Greening of the Internet • Maruti Gupta, Suresh Singh • Proc. ACM SIGCOMM2003, pp. 19–26, Aug. 2003 • 概要 • 2000 年度のアメリカにおけるネットワーク機器の消費電力が本論文において紹介されている。本論文では、LAN スイッチ内の全到着パケットの転送処理が行われ待機状態になったときに、直ちに電力セーブモードへ遷移し、待機電力を削減する手法が提案されている。

ネットワーク機器での消費電力 文献［１］ (Tera-Watt hours) ネットワーク機器の消費電力がアメリカの総電力消費量のなかで占める割合は0.07%だが，この消費電力は原子力発電所のリアクタ一基の年間発電量にも相当し，発電にかかるコストは年間10 億ドルにも達する。

提案手法 文献［１］パケット転送パケット YES 正常モード？パケットあるか？ YES 正常モードウェイクアップ NO NO セーブモード大きな電力が消費される

まとめ：文献[1]の問題点 文献［１］ • 電力セーブモードの時間が短い場合，省電力化で得られる電力削減量よりも復帰時の突入電流による消費電力の方が大きくなり，結果的に省電力効果が得られない場合がある． • 短い時間に過度に電力セーブモードから復帰すると，機器に電気的ストレスを与える可能性がある。

他のスリープ手法 • スリープを用いた待機電力削減は，基本的にポートバッファに蓄積された全到着パケットの転送処理完了後，直ちにそのポートを電力セーブモードに移行することで行うが，電力セーブモードからの復帰方法の違いにより数種類の手法がある ①Simple Sleep • 電力セーブモードの時間があらかじめ設定されており，その時間が経過すると通常稼働状態に復帰する • 電力セーブモード中にパケットが到着しても，そのパケットは転送されずに棄却される

他のスリープ手法 ②HABS (Hardware Assisted Buffered Sleep) • 電力セーブモード中もパケットの到着を監視し，パケットの到着を検知すると，到着したパケットをバッファリングし通常稼働状態に復帰する • パケットの転送処理は，ポートが通常稼働状態に復帰した後に行われる • HABS は，電力セーブモード中もパケットの到着を監視する必要があるため， • 電力セーブモード中の消費電力量はSimple Sleep に比べて大きくなるしかし • ルータや別のLAN スイッチが接続されるポートにSimple Sleep を用いると， • 　ネットワークの通信性能に大きな影響を及ぼす可能性がある一方 • 電力セーブモードから通常稼働状態に復帰するまでバッファリングされること • で若干の遅延が生じる以外は，ネットワーク性能に影響を及ぼすことなく省 • 電力化することができる．

他のスリープ手法 ③standby time 設定スリープ • バッファ内の全到着パケットの転送処理後電力セーブモードへの遷移が可能になったとき，直ちに電力セーブモードへ遷移せずに，standby timeと呼ばれるあらかじめ設定された待機時間が経過してから遷移することで突入電流の影響を抑えることができる． • 過度の遷移を抑制する • standby time 設定スリープ手法は他の手法より良い • HABS を用いると通信性能の大きな劣化を防ぎつつ省電力化することができるしかし • 電力セーブモードと通常稼働状態を短い間隔で頻繁に遷移することになる

スリープによる省電力化の問題点 • トラフィック流量が少なく，夜間にトラヒックが減少するなど時間帯によりトラフィック量の変動するエッジネットワークにおいて有効性が高い • コアネットワークでは常にパケットが流入し，スリープによる待機電力削減の効果が見込めないという問題点が存在する • エッジネットワーク例 • 研究室LAN • 社内LAN • コアネットワーク例 • ISP (Internet Service Provider) 間を結ぶ回線 • ISP とIX (Internet eXchange) を結ぶ回線

トラフィック予測：文献［2］の紹介 文献［2］ • ニューラルネットワークを用いたトラヒック予測器とその特性 • 戸出英樹　岩本厚志　池田博昌 • 電子情報通信学会論文誌 B Vol.J82-B No.2 pp.208-2161999年2月 • 概要： • 本論文はトラフィック予測技術としてニューラルネットワークを使用する予測法を取り上げ、基本ニューラル予測システムに対する改良法を提示し、現在有効なトラフィックの予測法として考えられている線形予測とその予測性能の比較を通じてニューラル予測システムの有効性を明らかにした。

ニューロンモデルとは 文献［2］ • 入力がｎ個あるとき、 • それに対応する結合荷重もｎ個存在する。 • ｉ番目の入力、結合荷重をそれぞれＸi、Ｗiとするニューロンの出力Ｙこれはニューロンを層状にならべ、前の層から次の層へ一方向のみ信号が伝わるというネットワークです。

ニューラル予測について 文献［2］ • ニューラルネットワーク(Neural Network)による予測 • ケーススタディからの学習を通じて所望の多変数関数を構成できる • フィードフォワード型ニューラルネットワーク(BPNN：Back-Error Propagation Neural Network) • 誤差逆伝搬則に従う学習機能を持つ • 一定周期ごとに予測値出力処理・関数学習処理を実行する

予測対象 文献［2］ • 予測対象：区間セル到着率 • 区間セル到着率＝ • 　　　　　　　　　　　セル到着数 / 区間長 • ATM（Asynchronous Transfer Mode）非同期転送モード：データ伝送技術の一つであり、セルと呼ばれる短い固定長のパケットを使うコネクション型のパケット通信セルを連続して通信し、セルにデータを入れて運ぶイメージがある。

ニューラフ予測器 文献［2］ • Phase I：過去の時系列データ｛Xn-k,…,Xn-1｝入力に対して次区間の到着率＾Xnを予測する処理 • Phase II：tn時点までに取得された最新のデータXn-1とその時の予測値＾Xn-1との差を予測誤差としてニューラルネットに逆伝搬させ、中間リンクの結合荷重値を更新する学習処理

まとめ：文献[2]の問題点 文献［2］ • 使うデータ量も生成されたデータ量も多い • トラフィック予測の正しさの向上に伴い、計算の複雑度も高くなる • 今までの論文で省電力を目的として、トラフィック予測の手法を使うのがあまりない

通信速度制御：文献[3]の紹介 文献［3］ • Managing energy consumption costs in desktop PCs and Lan switches with proxying split TCP connection, and scaling of link speed • C.Gunaratne, K.Christensen, B.Nordman • International Journal of Network Management Volume 15, Issue 5, pp.297-310, September 2005 • 概要 • 本論文はスリープ以外のネットワーク省電力化手法として、ネットワーク機器の通信速度制御を利用した省電力化が提案されている。バッファ内に存在するパケット数により，通常状態と低速な電力セーブ状態を切替えることで，省電力化を達成する手法が紹介されている。

スイッチの電力消費状況 文献［3］ • Cisco Catalyst 2970 switchの電力消費状況 • 結果 • 10Mb/sと100Mb/sの場合、リンクが増やす時、ただ0.3wの電力消費の増加がある • 1Gb/sの場合：1.8w

速度制御アルゴリズム 文献［3］ • 物理キュー • 各ポートごとに存在する1個から8個のキュー。スイッチは各パケットのCoS値、ToS値、DSCP値を参照し、送信前に出力キューに格納する。各キュー間での出力順序はスケジューリング方式により決定される。 • キューの長さは優先度の高いキューの閾値より長い時、通信速度を高いレベルに切り替える。 • キューの長さは優先度の低いキューの閾値より短い時、通信速度を低いレベルに切り替える。

省電力の結果 文献［3］ • 通信速度制御はLanスイッチとPC共に省電力の影響がある。

まとめ：論文[3]の問題点 文献［3］ • 端末 ― スイッチ間の単線リンクにおける転送速度制御による省電力化手法 • バッファに存在するパケット数により通常状態と低速な電力セーブ状態を切り替えることで、省電力化を達成する • この手法は単線リンクの物理リンクのみの転送速度変更を対象としているため、コアネットワークで使用されることの多いリンク集約技術については考慮していない • 転送速度の調整は通常状態と電力セーブ状態の2状態しか実行できない

今後の研究 • 今回の論文調査によりネットワーク機器に対する省電力手法はエッジネットワークに工夫したのが多いと分かった • 今後の研究の中で、エッジ，コアを合わせたネットワーク全体の省電力化のために調査を行い、もっと有効的な省電力手法に関する検討

ご清聴ありがとうございました。

「トラフィック特性を考慮したネットワーク機器 の省電力化の研究」に 関連した論文調査