ICN研究会に期待すること

村⽥正幸⼤阪⼤学⼤学院情報科学研究科murata@ist.osaka-u.ac.jp www.anarg.jp

April 7th, 2015電⼦情報通信学会ICN技術時限研究専⾨委員会第１回 シンポジウム

内容

ICN技術研究会の⽬指すところ ICNへの期待 ICNの課題

1. ICNのターゲットユーザ（／サービス）︖2. ICN for XXX?3. クラウドを超えるICNサービス?4. キャッシュの効果︖5. Deployment︖

M. Murata 2

ICN技術研究会の構成

3

委員⻑村⽥ 正幸 ⼤阪⼤学

副委員⻑朝枝 仁 情報通信研究機構阿多 信吾 ⼤阪市⽴⼤学

幹事明⽯ 修 ⽇本電信電話株式会社松原 ⼤典 株式会社⽇⽴製作所

幹事補佐⼩南 ⼤智 ⼤阪⼤学藤波 誠 ⽇本電気株式会社松園 和久 情報通信研究機構横⽥ 健治 株式会社KDDI研究所

顧問浅⾒ 徹 東京⼤学後藤 滋樹 早稲⽥⼤学

専⾨委員⽯橋 圭介 ⽇本電信電話株式会社今井 悟史 株式会社富⼠通研究所太⽥ 能 神⼾⼤学岡村 耕⼆ 九州⼤学甲藤 ⼆郎 早稲⽥⼤学⾦⼦ 豊 ⽇本放送協会上⼭ 憲昭 ⼤阪⼤学川合 信吉 株式会社情報⼯房菊地 俊介 株式会社富⼠通研究所地引 昌弘 ⽇本電気株式会社⽥上 敦⼠ 株式会社KDDI研究所寺岡 ⽂男 慶應義塾⼤学中⾥ 秀則 早稲⽥⼤学⻄永 望 情報通信研究機構朴 容震 早稲⽥⼤学原井 洋明 情報通信研究機構松本 直⼈ さくらインターネット株式会社三宅 茂樹 ⽇本電信電話株式会社村本 衛⼀ パナソニック株式会社⼋⽊ 毅 ⽇本電信電話株式会社⼭本 幹 関⻄⼤学⽶⽥ 孝弘 パナソニック株式会社

M. Murata

設⽴の背景 ⾳楽や動画などの⼤容量コンテンツの流通や、タブレットやスマートフォンなどの⾼性能な携帯端末、更に

SNS（ソーシャルネットワーキングサービス）に代表されるユーザー主体の情報発信サービスの普及が、インターネットでの通信量増加に拍⾞をかけています。このような背景において、従来のIPアドレスベースの通信ではなく、「情報（コンテンツ）」を識別⼦として通信を⾏う新しいネットワーク技術、「情報指向（あるいは情報中⼼型）ネットワーク技術︓Information-Centric Networking（ICN）」の研究活動が世界的にも活発になっております。

情報指向ネットワーク（以下、ICN）では、コンテンツの取得に際し、サーバーのIPアドレスではなくコンテンツ名を指定することで、より近くのルーターなどからもコンテンツの取得を可能とします。これにより、多くのユーザーに対して迅速で効率的な情報提供が可能となります。また通信量の削減も期待されております。

しかしながら、ICNの実現、そして展開には多くの技術的な課題があります。特に「ネットワーク内キャッシュ」と呼ばれる情報共有の仕組みにおいて、転送されるコンテンツ／データを通信経路途中のルーターや通信ノードが⾃律分散的にキャッシュし、当該コンテンツを要求するノードに対し転送する機能でありますが、どのようなコンテンツをどのルーターがキャッシュすべきか、あるいはどれくらいの期間キャッシュすべきか、更に、要求ノードはどのようにキャッシュしているルーターを発⾒すべきか等を決定する仕組みが必要になりますが、それは従来のIPアドレスベースの経路制御プロトコルを拡張して⾏うべきなのか、あるいはそれに特化した新しい経路制御アルゴリズムを開発すべきなのかを決める必要があります。コンテンツ転送を担う「トランスポート技術」に関しても、従来のエンド･ツー･エンドの1対1のチャネルではなく、複数のキャッシュロケーションからの転送を想定した通信形態を想定する必要があり、この場合、輻輳制御や転送レート制御アルゴリズムも新しい技術が要求されると考えられます。そして技術展開を⾒据えた「オペレーション」や、コンテンツ共有に対する「セキュリティ」、またICNのユースケース（実現シナリオ）として期待される移動体通信やセンサネットワーク、Internet of Things（IoT）やM2M、ソーシャルネットワークなどへの適⽤に対しても⼗分な研究成果と議論が必要になってきます。更に、社会的要求である通信の省エネルギー化においても⼗分な考察が必要になります。

世界レベルの研究動向を鑑みると、現在欧⽶を中⼼としてICN研究が強く推進されており、わが国においても同分野の国際競争⼒の強化が求められています。ここでは、個別の研究推進のみならずICN研究開発拠点としてのわが国の地位確⽴が強く求められています。本時限研究専⾨委員会を通じ、わが国における幅広いコミュニティーの叡智を結集することにより、ICN研究開発の強化・活性化を通じ、ICNの研究開発における国際競争⼒を⾼め、欧⽶に並ぶICN研究開発拠点としてのわが国の地位確⽴を⽬指していく必要があります。 4M. Murata

⽬的

⼤量で多様な端末の収容、ネットワークの⼤規模化・多様化・複雑化・モバイル化・仮想化、通信の省エネルギー化、安全性・信頼性の確保など、従来の情報ネットワーク分野における学術的基盤では取り扱うことが困難な問題を克服し、また、情報ネットワークの今後の益々の発展を⽀えるために、体系化された情報指向ネットワーク技術を確⽴していくことは急務と⾔えます。そのためには、既存のいわゆる情報通信⼯学だけでなく、その周辺分野、さらにはオペーレーションも含めた技術展開の議論など、多様な視座からのアプローチが求められます。加えて、同分野の国際競争⼒の強化には、欧⽶に並ぶICN拠点形成によるわが国の地位確⽴が必須であります。

本時限研究専⾨委員会では、これまで独⽴して研究開発が推進されてきた情報指向ネットワークを主体的、体系的に捉え、充実した議論の場を提供し、今後の情報通信分野における情報指向ネットワーク技術の⼀層の研究促進を⽬指します。

5M. Murata

担当する研究分野１）情報指向ネットワークアーキテクチャ 情報指向ネットワークアーキテクチャ設計

コンテンツベースルーティングインネットワークキャッシング⾃律分散ネットワーク省電⼒ネットワーク

２）情報指向ネットワーク理論 コンテンツベース計測および分析コンテンツプロビジョニングビッグデータ解析ソーシャルネットワーク分析ネットワーク性能評価情報指向ネットワークモデリング

３）情報指向ネットワーク基盤技術 名前解決プロトコルパケット処理技術と⾼速化ノードアーキテクチャコンテンツモビリティコンテンツアクセス制御プライバシ・セキュリティID/Locator分離トランスポート技術フロー制御

４）情報指向ネットワーク応⽤ M2M・IoT家電ネットワークセンサネットワークサイバーフィジカルシステムテストベッド

6M. Murata

新世代ネットワークの展開

仮想化 SDN (Software-Defined Network)／OpenFlow、NFV (Network

Functions Virtualization) サービスの多様な発展の促進、HWのコモディティ化、SW制御によるHW

の多様な技術発展の吸収、CAPEX/OPEXの削減 IoT (Internet of Things)、M2M (Machine-to-Machine

Communication)、CPS (Cyber-Physical System) 実社会と仮想社会の融合のための情報流通基盤 NDN (Named Data Networking)/CCN (Content Centric

Networking)/ICN (Information Centric Networking)1. Decouple “what” from “where” 2. Bind content names to intent 3. Equip network with content caches4. Route based on content names

M. Murata 7

ネットワーク研究開発の今後

NW⾃⾝がサービスを提供するサービスイネーブラ“ネットワーク=⼟管”からの脱却「オブジェクト指向」ネットワーキング

NW⾃⾝がクラウド機能を提供するNWノードはナノデータセンター化

NW＝トランスポート＋制御＋管理＋サービスサービスイネーブラを組み合わせて⾼度なサービスを実現

7M. Murata

ICNへの期待（＝技術的課題）

サーバロケーション⾮依存「サーバ位置を感じさせない」は、ネットワークのそもそもの⽬標

ではなかったか︖ ネットワーク内キャッシュ／処理 ICNでしかできない︖サービスまで含める → というと必ずトランスコーディング

セキュリティコンテンツ保護︖ サイバー攻撃耐性︖

モビリティサポート「IPではできない」︖VoCCN

マルチキャスト需要はあるか︖

9

Jacobson, V., Smetters, D. K., Briggs, N. H., Plass, M. F., Thornton, J. D., & Braynard, R. L. (2009). VoCCN : Voice-over Content-Centric Networks, 1–6.

M. Murata

ICN設計要件の例設計プリンシプル• Support multiple and new business

models• Simplicity• “Keep It Simple, Stupid” by David S.

Isenberg→ “Make everything as simple as possible, but not simpler,” by Albert Einstein

• Sustainability, Scalability and Robustness

• Loose coupling• As things get larger they often exhibit

increased interdependence between components

SRC: EC Future Content Networks Group, “Why do we need a Content-Centric Internet? Proposals towards Content-Centric Internet Architectures,” White paper.

設計要件1. Name resolution and findability2. Content-centric routing3. Flexible content business models4. Trustworthiness of content and media

services5. Choice of source and presentation6. Decentralized self-organization

メリット• Content could be stored/cached closer to

the end users• Routers could identify/analyze what

content is flowing through them• Network could dynamically identify what

is the best path to the user• Content could be interactively adapted• Content could be selected and adapted to

the context• Content could be active instead of static

10M. Murata

ICNの課題

1. ICNのターゲットユーザ（／サービス）︖2. ICN for XXX?3. クラウドを超えるサービス?4. キャッシュの効果︖5. Deployment︖

11M. Murata

ICNにおける「ユーザ視点」︖

M. Murata 12

ネットワーク内処理

ネットワーク内キャッシュ

ネットワーク内トラヒック低減レスポンスタイムの向上

これがICNの本質か︖ 確かにネットワークトラヒックの⼤部分を

動画が占めているが。

SDN/NFVの例

SDN is about customizing network paths

NFV is about introducing more flexibility in data plane services

Network Operators

Enables network optimization, traffic engineering

Reduces costs

Simplifies the deployment of data plane middleboxes

Enables the fast introduction of new data-plane services

Reduces costs and may increase revenues

End Users X Enables relocating data plane

services in the network Reduces costs, increase

flexibility

13

Risso, F., Manzalini, A., & Nemirovsky, M. (2013). Some controversial opinions on Software-Defined data plane services. SDN4FNS 2013 - 2013 Workshop on Software Defined Networks for Future Networks and Services, (November)

M. Murata

NETWORK FOR PEOPLE, NOT FOR GOOGLE実態は

コンテンツホルダーは寡占状態

6

「利⽤者は雲の中がどうなっているか気にせずサービスを利⽤できる」

エンドユーザ︓ データの所有から利⽤へ アプリ（サービス）も所有

から利⽤へ

クラウドとは

コンテンツ中⼼のネットワークへ 事業者も「所有から利⽤」へ スモールスタートの実現 ステークホルダーの再構築 ネットワーク中⽴性の確保 省エネ(︖)

ネットワークは単なる⼟管

M. Murata

複合処理（複合サービス）

クラウドを超えるサービス︖

ETSI Mobile Edge Computing Use Case 1: Active Device Location Tracking Use Case 2: Augmented Reality Content Delivery Use Case 3: Video Analytics Use Case 4: RAN-aware Content Optimization Use Case 5: Distributed Content and DNS Caching Use Case 6: Application-aware Performance Optimization 15

処理（サービス）

コンテンツ提供

モビリティ＋リアルタイム通信モビリティ＋リアルタイム処理

M. Murata

ICN

クラウド

ネットワークの価値

ネットワーク価値Metcalfʼs law: O(N2)

N ユーザ数Odlyzko et al.,: O(N logN)

サービスやコンテンツ・情報へのアクセシビリティO(logS x logM) (?)

S サービス数、M コンテンツ数

16

Odlyzko, A., & Tilly, B. (2005). A refutation of Metcalfeʼs Law and a better estimate for the value of networks and network interconnections. IEEE Spectrum, July 2006, pp. 26-31.

Van Hove, L. (2014). Metcalfeʼs law: not so wrong after all. NETNOMICS: Economic Research and Electronic Networking, 15(1), 1–8.

拡張クラウド

M. Murata

ICN

ICN FOR SDI

SDI for ICNDeploymentのための基盤

ICN for SDIFCSC: Function Centric Service Chaining

Decouple location from the identity (name) of the function

Can make better use of flexibility offered by NFV

17

Arumaithurai, M., Chen, J., Monticelli, E., Fu, X., & Ramakrishnan, K. K. (2014). Exploiting ICN for flexible management of software-defined networks. In Proceedings of the 1st international conference on Information-centric networking - INC ʼ14 (pp. 107–116).

M. Murata

ICN FOR IOT

ストリームデータを扱いたい ネーミング︖

18

Baccelli, E., Mehlis, C., Hahm, O., Schmidt, T. C., & Wählisch, M. (2014). Information Centric Networking in the IoT: Experiments with NDN in the Wild. Proceedings of the 1st International Conference on Information-Centric Networking, (September), 77–86.

Why ICN for IOT︖ Simplified, natural API

Example: Get “/paris/cordeliers/amphi_farabeuf/temperature”

Increased robustness by caching Lossy wireless links in the IoT Ease data fusion by hop-wise

replication Reduced network layer Inherent auto-configuration IoT devices w/o user interface

M. Murata

情報指向ネットワークにおける⾃律移動可能なルータを⽤いた情報取得

19

相互に通信不可な 独⽴ネットワーク が分散している状況

UAV (Unmanned Air Vehicle) にCCN ルータを搭載した ⾶⾏ルータ が移動することで 地点間ネットワーク を構成し，独⽴ネットワーク間で通信

GW2

GW1

GW3

Host

Network 1

Region C

Network 2

Network 3Network 0

Region B

Region DRegion A

Intra-region network

AR

Inter-region network

Moving

GW各独⽴ネットワークを構成するゲートウェイ

コンテンツを保有するセンサノード等

コンテンツ

各独⽴ネットワークの通信可能エリア

⾶⾏ルータ（Aerial Router）

((( Wi-Fi 接続

北川 拓, “情報指向ネットワークにおける⾃律移動可能なルータを⽤いた情報取得,” ⼤阪⼤学基礎⼯学部情報科学科特別研究報告, February 2015.

M. Murata

デモンストレーション動画

M. Murata 20

ICN FOR DTN

21

Tyson, G., Bigham, J., & Bodanese, E. (2013). Towards an Information-Centric Delay-Tolerant Network. IEEE Infocom Nomen Workshop.

ICN (NDN architecture) DTN (Bundle Protocol)

Disruption Tolerance Interest packets without FIB entries are dropped. Data packets without PIT entries are also dropped. Either case would occur during disruption

Bundles will be stored and forwarded during disruption,assuming sufficient storage capacity.

API Synchronous get Socket-like with chronological TTL setting

In-network storage Ubiquitous router caching Temporary store-and-forward buffer

Addressing/Naming Hierarchical addresses for content URI addresses for nodes

Security Model Signing content by producers Signing bundles by senders

Reliable Delivery Receiver driven (re-request) Bundle custody transfer and replication

Fragmentation Managed by sources Managed by network (and optionally source)

COMPARISON OF ICNs AND DTNs(USING NDN [1] AND BUNDLE PROTOCOL [8] ARCHITECTURES)

M. Murata

キャッシュの効果︖

Zipf則ありきではなく、どう利⽤するか、なぜそうなっているか、が重要

Zipf則を前提にすれば、1000個の内上位25個をキャッシュすればヒット率50％（500個で90%）⼈気のあるコンテンツはLRUで追い出されてもすぐにアクセス→キ

ャッシュされるエッジのみにキャッシュすればよいというのも当然

22

Fayazbakhsh, S. K., Lin, Y., Tootoonchian, A., Ghodsi, A., Koponen, T., Maggs, B. M., Shenker, S. S. (2013). Less Pain, Most of the Gain: Incrementally Deployable ICN. Proceedings of ACM SIGCOMM, 43(4), 147.

Rank（⼈気順位）

リク

エス

ト数

1 10 1001

10

100

1000

1000M. Murata

HARDWARE DESIGN OF PROPOSED CCN ROUTER

23

/A/B/…/Z

/A/B

/A

name Bloom filter CAM

hit

not hit

not hit

/A/B/…/Z 1000

cached data, destination port, etc.

name RAMaddress

RAM

/A/B/…/Z

Bloom filter greatly reduces the workload on the CAM.

CAM searches a name in a single lookup.

split name into prefixes

Atsushi Ooka, Shingo Ata, Kazunari Inoue and Masayuki Murata, “Design of a High-speed Content-centric-networking Router Using Content Addressable Memory,” in Proceedings of IEEE INFOCOM 2014 Workshop on Name-Oriented Mobility, April 2014.

M. Murata

なぜZIPF則か

ランダム性を前提にした最適化、コピーの繰り返しなどが原因(1)

ただし、ある種の確率過程は対数正規分布になることも⽰されている(2)

YouTubeは︖

24

1. Christoph Salge, Nihat Ay, Daniel Polani, Mikhail Prokopenko, “Zipfʼs Law: Balancing Signal Usage Cost and Communication Efficiency,” SFI WORKING PAPER: 1013-10-033, 2013.

2. Michael Mitzenmacher, “A Brief History of Generative Models for Power Law and Lognormal Distributions,” Internet Mathematics Vol. 1, No. 2: 226-251

10-1

1

1 10 107

CCD

Daily View Count (DVC)

2013/7/12013/8/12013/9/1

2013/10/12013/11/12013/12/1

106105104103102

10-2

10-3

10-4

10-5

Zipf (Pareto)? Lognormal?Double-pareto?

SRC: NTT/⼤阪⼤学 上⼭憲昭⽒

M. Murata

ZIPF則ありきではなく… ロングテールの対処策︖

1.ロングテール部分 (One-timers) を持たないようにする(2)

⼀度しか⾒られないコンテンツが~70％(1)

2.⼈気がないコンテンツも積極的に持つ(3)

データセンターがなくても動作する

25

1. P. Gill, M. Arlitt, Z. Li, “Youtube Traffic Characterization: a View from the Edge,” in Proceedings of IMCʼ07, 2007.

2. Satoshi Imai, Kenji Leibnitz, Masayuki Murata, “Statistical Approximation of Efficient Caching Mechanisms for One-Timers”, submitted for publication.

3. 上⼭憲昭, 村⽥正幸 “CCNにおけるコンテンツの分散配置を実現するキャッシュ制御法,” 電⼦情報通信学会NS研究会, NS2013-210

a:101 b:001 c:100 d:111 e:010

User terminalg = 1の場合のキャッシュ位置

g = 2の場合のキャッシュ位置

リク

エス

ト数

1 10 1001

10

100

1000

1000

Rank（⼈気順位）

M. Murata

ZIPF則ありきではなく…

時間局所性、空間局所性⼈気の時間的変化、コンテンツ⼈気の地域的違い

26

Cf. Dabirmoghaddam, A., Barijough, M. M., & Garcia-Luna-Aceves, J. J. (2014). Understanding optimal caching and opportunistic caching at “the edge” of information-centric networks. In Proceedings of INC ʼ14 (pp. 47–56).

http://www.visualthinking.jp/archives/13580

YouTube Trends Map国間の⼈気動画の⼀致度合い

SRC: Yuma Kitade, “Analyzing popularity dynamics ofYouTube content and its application to content cachedesign,” Masterʼs thesis, Graduate School of InformationScience and Technology, Osaka University, February 2015.

0.001

0.01

0.1

1

1 2 3 4 5 6

ratio

the number of countries

AsiaEurope

English zonethe entire world

M. Murata

DEPLOYMENTをどうするか︖

技術的にはICN on SDN/NFV

Proprietary Routingキャッシュ名前解決

産業界を巻き込むには︖キャッシュによるQoE向上

特に5Gを⽬指した展開トラヒック削減 → CAPEXSDN/NFVのユースケース

27M. Murata

ICNの本質︖ 新しい情報流通のしかけ IPの良さを継承しながら、既存IPの問題（ネットワーク内処理、セ

キュリティ、マルチキャスト、モビリティ等）を統合的に解決

M. Murata 28

V. Jacobson, et. al, “Networking Named Content,”ACM CoNext 2009

Etsi nfv

ETSI GS NFV-INF 001 V1.1.1 (2015-01), Network Functions Virtualisation (NFV), Infrastructure Overview

オールマイティ︖マジックワード︖

1. KISSの原則2. Hourglass Model

Everything over IP/IP over Everything3. イノベーションの源泉

まだ実現できていないこと⼤規模複雑システムを対象とした 時間ダイナミクスへの対応短期︓（急激な）トラヒック変動、故障、情

報粒度⻑期︓トラヒック増⼤（⻑期的増⼤）、新し

いサービスの登場に対する変動 空間ダイナミクスへの対応 短期︓端末や情報のモビリティ ⻑期︓情報数／端末数／ノード数／インター

ネット全体の構成に関する規模的成⻑

M. Murata 29SRC: ATLAS Internet Observatory 2009 Annual Report, C. Labovitz, S. Iekel-Johnson, D. McPherson

インターネットHyper Giantsの登場によるトポ

ロジー、トラヒック流の⾮構造化

ICN/SDN/NFV「時空間ダイナミクスに対する適

応を可能にする」ツール→その解決策は今後

IoT/M2M制御フィードバックによる時間変

動の取り扱い︖