Wi-Fiとクラウドを複数のネットワークを介してつなぐ広域仮想網を日米間で実証

2016年3月7日

国立研究開発法人情報通信研究機構
国立大学法人東京大学大学院情報学環
株式会社KDDI研究所

ポイント

特性が異なるWi-Fi接続、インターネット回線、クラウドサーバをSDNで一括制御
高遅延・低速から低遅延・高速まで多様なIoTサービス向けネットワークをカスタムメイド
屋内移動型ロボットのインターネット経由での遠隔操縦など、製造・物流での用途に期待

NICT、国立大学法人東京大学大学院情報学環（東京大学、総長: 五神真）、株式会社KDDI研究所（KDDI研究所、代表取締役所長: 中島康之）は、株式会社日立製作所及び米国ユタ大学（The University of Utah、ソルトレイクシティ市）の協力を得て、NICTが開発した仮想化Wi-Fiを含めた複数の仮想網で構成される有無線マルチドメイン仮想網の国際実証実験に世界で初めて成功しました。

本成果により、要件が多岐にわたる個々のIoTサービス向けに、異なる事業者からWi-Fi接続、インターネット回線、クラウドサーバ等を必要な容量で調達し、規模や通信量に見合ったカスタムメイドな専用ネットワークをインターネット上に構築することが可能になります。Wi-Fiエリア内を移動するロボットを、クラウドからインターネット経由でストレスなく操縦するといった用途に利用でき、特に製造業や物流分野での応用が期待されます。

本成果は、3月8日（火）～9日（水）に米国で開催される「24th GENI Engineering Conference（GEC-24）」で展示します。

背景

Wi-Fi通信機能を内蔵するスマートグラスや移動型ロボット等の無線IoTデバイスと、遠隔のクラウドサーバとの常時通信を基本とするサービスの需要が、製造業や物流分野で急速に高まっています。最近では海外拠点のクラウドが利用される事例も増え、国際・国内回線やWi-Fi等の複数のネットワークを経由した利用が一般的です。しかし、ネットワークごとに特性や運用ポリシーが異なるため、全体として一貫した通信品質を確保することが困難でした。

東京大学大学院情報学環、KDDI研究所らの研究グループは、NICTの委託研究「新世代ネットワークを支えるネットワーク仮想化基盤技術の研究開発」の一環として、複数の有線仮想網を共通の品質やポリシーで相互接続する技術等を共同開発しました。しかし、無線仮想網の相互接続までは実現できていませんでした。

一方、NICTは、ユーザ密集等によりWi-Fiが混雑する環境において、SDN（Software-Defined Network）技術に基づき、特定アプリケーションの通信品質を優先的に確保できる仮想化Wi-Fi基地局の開発を進めてきました。

今回の成果

有無線マルチドメイン仮想網の国際実証実験

本研究グループは、このたび、クラウドを含む有線仮想網とWi-Fi仮想網を相互接続する技術を新たに開発し、Wi-Fi-インターネット-クラウド間をつなぐ有無線マルチドメイン仮想網を日米間で構築する実証実験に成功しました。

今回の成果は、通信方式が異なる複数の無線仮想網との相互接続にも応用可能で、新しい無線技術が次々と実用化されるIoT時代のSDN相互運用の高度化に向けて、大きな一歩を踏み出したと言うことができます。

今回の実験では、東京大学、KDDI研究所が中心となって開発した「スライスエクスチェンジポイント（以下、SEP）」に、NICTが日立の協力を得て開発したWi-Fi仮想網接続機能を追加することで、SDNによる3つの仮想網の一括制御を実現しました。国内からの海外クラウド利用を想定し、国内Wi-Fi仮想網と、ユタ大学の仮想化基盤 ProtoGENI上に構築されたクラウドを、JGN-X上で運用される仮想化ノードによる有線仮想網が中継する構成としました。

今後の展望

本成果により、海外拠点のクラウドを利用したスマートグラス向けサービスや、屋内移動型ロボットの安全な遠隔自動操縦等、製造・物流を中心に、Wi-Fiとクラウドを利用したIoTサービスへの幅広い応用が期待されます。

なお、本成果は、3月8日（火）～9日（水）に米国で開催される「24th GENI Engineering Conference（GEC-24）」で展示します。

http://groups.geni.net/geni/wiki/GEC24Agenda

・2015年3月31日：国立大学法人東京大学大学院情報学環、日本電信電話株式会社、
株式会社KDDI研究所、株式会社日立製作所、日本電気株式会社、富士通株式会社
「グローバルなマルチドメインプログラマブル高機能仮想網の実現と新世代ネットワークアプリケーション実験に成功～日米欧連携強化で新世代ネットワーク技術の実用化に向けた研究開発を加速～」

補足資料

（1）実証実験の概要と成果

今回の実証実験では、仮想化Wi-Fi基地局によるWi-Fi仮想網、及びユタ大学が開発した仮想化基盤ProtoGENIを用いて構築したクラウド機能を有する仮想網（以下、ProtoGENI仮想網）を、仮想化ノードによる有線仮想網（以下、VNode仮想網）を介して相互接続し、異なる3つの仮想化基盤（ドメイン）でWi-Fi仮想網内のWi-Fi端末からProtoGENI仮想網内のサーバまでの全区間を包含する有無線マルチドメイン仮想網を構築しました。3つのドメインそれぞれにおいて利用する無線資源、ネットワーク資源、サーバ資源をまとめて記述した一つの仮想網（スライス）定義ファイルを作成し、日米にまたがる有無線マルチドメイン仮想網がワンクリックで構築できることを実証しました。仮想網定義ファイルの入力から仮想網の構築完了までの所要時間は約4分でした。

図1-1に、今回の有無線マルチドメイン仮想網の実験構成を示します。各ドメインの仮想網は、それぞれNICT本部に設置された仮想化Wi-Fi基地局2台、JGN-Xが運用する国内3拠点の仮想化ノード、ユタ大学キャンパス内に設置されたProtoGENIノード4台を用いて構成しました。仮想網間をSEPにより相互接続するために、制御プレーン相互接続用のゲートキーパー（GK）ノード及びデータプレーン相互接続用のゲートウェイ（GW）ノードを各ドメインに1台ずつ構築しました。GK間通信を中継するSEPコアノードを、GKと同じ制御用ネットワーク上に構築しました。

物理構成としては、SEPコア、VNode仮想網向けVNode-GK及びVNode-GW、ProtoGENI仮想網向けOmni-GK及びOmni-GWをユタ大学内に設置しました。Wi-Fi仮想網向けWiFi-GK及びWiFi-GWは、仮想化Wi-Fi基地局とともにNICT本部（東京）に設置しました。NICT本部・JGN-X間の接続にはJGN-Xのアクセス回線を、JGN-X・ユタ大学間の接続にはTransPAC国際回線、米国内はInternet2、ユタ州内はUtah Education Network（UEN）といった回線を、それぞれ利用しました。

VNode仮想網内は、ノード間でレイヤ2トンネルを構築する技術であるGREによるメッシュ型トポロジーとし、仮想網内での輻輳や障害発生時に即座に代替ルートに切り替えるといった機能を必要に応じて導入することが可能な構成としました。すなわち、任意のプロトコルやパケットフォーマットが新規に設計できるというVNode仮想網の「高機能」という特徴は、今回構築した有無線マルチドメイン仮想網でも維持されています。

図1-2は、今回構築した有無線マルチドメイン仮想網により、NICT本部内のWi-Fi端末がユタ大学内のクラウドサーバからパケットロスなく安定した応答が得られる様子を示しています。Wi-Fi端末40台により擬似的なWi-Fi輻輳状態を生成した上で、端末・クラウドサーバ間で400KByteのデータが往復する時間を、応答時間として計測しました。なお、図1-1の実験構成では、VNode-GWをユタ大学に設置した関係で、上記データが端末・クラウドサーバ間を1往復する間に、物理的に日米間リンクを3往復することになります。64Byteという小さいサイズのデータでも応答時間は約400msになります。このような理由により、図1-2では有無線マルチドメイン仮想網利用時でも、応答時間が400ms以上となっています。

図1-1：有無線マルチドメイン仮想網の実験構成

図1-2：有無線マルチドメイン仮想化網によりクラウドサーバからの応答が安定

（2） SEPによる有無線マルチドメイン仮想網構築の仕組み

図2に、SEPによる有無線マルチドメイン仮想網構築の仕組みを示します。図2は、それぞれのドメインにおいて利用する無線資源、ネットワーク資源、サーバ資源をまとめて記述したスライス定義を、仮想化Wi-Fi側に構築したポータル機能を持つWi-Fiポータルに投入するケースを示しています。

基本的な手順は以下の通りです。

(1) まず、仮想網全体のスライス定義を受け付けたWi-Fiポータルは、Wi-Fi仮想網に関する記述部分を分割し、それに基づくWi-Fi仮想網の構築を仮想化Wi-Fiコントローラ（VNCS）にリクエストします。

(2) Wi-Fiポータルは、Wi-Fi仮想網構築完了後、分割された残りのスライス定義をWiFi-GKに通知します。この時、仮想化Wi-Fiコントローラが決定したWiFi-GK・VNode-GK間VLANIDを併せて通知します。

(3) WiFi-GKは、残りのスライス定義をProtoGENI仮想網用とVNode仮想網用に再度分割します。まずProtoGENI仮想網用スライス定義を、SEPが規定するメッセージフォーマット及びプロトコルに基づき、Omni-GKに通知します。

(4) 最後に、ProtoGENI仮想網構築完了後、VNode仮想網定義をVNode-GKに通知します。

Wi-Fiポータル、Omni-GK及びVNode-GKは、それぞれ受け取ったスライス定義を基に、ドメイン固有の仮想網生成コマンドを生成し、各ドメイン内のコントローラが提供する制御API等を用いて個別に仮想網を構築します。仮想網全体を削除する場合は、上記と逆の手順で、個別の仮想網を順に削除します。

図2： SEPによる有無線マルチドメイン仮想網構築の仕組み

（3）実証実験システム

図3に、今回構築した実証実験システムのうち、NICT本部側に設置したシステムの外観を示します。NICTが開発した仮想化Wi-Fiシステムは、仮想化Wi-Fi基地局（複数）、それを収容するOpenFlow機能を具備したWiFi-GW、及び仮想化Wi-Fiコントローラ（VNCS）から構成されます。今回の実験では、仮想化Wi-FiコントローラとSEPソフトウェアが動作するWiFi-GK間で仮想網生成・削除コマンドの受け渡しができるように（図2の(1)、(2)の機能に相当）、Wi-Fiポータルを新規に構築しました。Wi-Fiポータル及びWiFi-GKは、1UサイズのIAサーバ上にそれぞれ仮想マシンとして実装しました。WiFi-GK、WiFi-GWは、VLANを介して、それぞれSEPコア、VNode-GW（ともにユタ大学内に設置）に接続しました。

図3：実証実験システムの外観（NICT本部）

用語解説

マルチドメイン仮想網

複数の異なるネットワーク仮想化基盤（ドメイン）を相互接続することによって構成され、全体として一貫性のあるアドレス体系やセキュリティポリシー、通信品質が確保された一つの仮想ネットワークとして動作可能な、仮想ネットワークの集合体。特に、仮想化ノードのように、通信プロトコルの書き換えといったプログラム性が高いものをマルチドメイン高機能仮想網と呼ぶ。

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ネットワーク仮想化（技術）

仮想化技術等を用いてネットワークを構成するルータやサーバ等のハードウェアのCPU処理能力や記憶容量等の物理資源を論理的に分割し、これらの資源を任意に組み合わせることで、独立で自由に通信プロトコルを書き換え可能な論理ネットワークを複数共存させる技術。この発表資料においては、生成された論理ネットワークをスライスと呼ぶ。

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仮想化Wi-Fi

優先度が高いサービス専用の基地局資源を動的に確保することで、Wi-Fi混雑環境下においても、特定サービスの通信品質を優先的に向上させることができる技術。複数の物理基地局から構成されるWi-Fiネットワーク上に、特定サービスの利用者だけが接続を許可されるサービス専用仮想基地局を論理的に構成する。基地局稠密配置環境下においては、Wi-Fiモジュール単体やWi-Fiチャネルの物理的通信容量の限界を超えて伸縮可能な容量を有し、かつ単一の物理基地局と等価な振る舞いをする基地局を構成できる。

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SEP（スライスエクスチェンジポイント）

インターネットにおけるIX（Internet eXchange）のように、複数の異なるネットワーク仮想化基盤間において、仮想網を相互に接続するための仮想ネットワーク接続機構。東京大学、KDDI研究所らが2012年に提案し、2014年よりGENIで同様の機構の普及が開始。
参考： VNode Project,

“Federation Architecture and Common API / Common Slice Definition (Draft V2.0)”, March 2014.
http://nvlab.nakao-lab.org/Common_API_V2.0.pdf

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ProtoGENI

GENIの主要プロジェクトの一つ。ユタ大学を中心に開発され、全米に広がるInternet2にバックボーンを持つテストベッドプロジェクト。仮想ネットワークを動的に構築し、プログラムを自由に導入することで、新世代ネットワークの実証実験が可能。日本の仮想化ノードとは構成技術が異なる。

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JGN-X

NICTが整備する新世代ネットワークのためのテストベッド（実際の運用環境に近い試験用のプラットフォーム）。NICTでは「Japan Gigabit Network」（JGN）の運用開始以来、一貫してネットワーク技術の実証を志向したネットワークテストベッドを整備してきており、2011年4月、NICTのネットワーク研究の柱となる新世代ネットワーク技術の実現とその展開のための新たなテストベッド環境として、新世代通信網テストベッド「JGN-X」を構築、運用を開始している。
参考： http://www.jgn.nict.go.jp/ja/info/what-is-jgn-x.html

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仮想化ノード

ネットワーク仮想化技術に基づき、仮想ネットワークを複数独立に構築可能なシステム。具体的にはルータ、スイッチ、サーバやネットワークプロセッサ等から構成される。2008年度から2010年度に、NICT、東京大学、NTT、NEC、日立、及び富士通研究所の共同研究により研究開発が行われ、2011年度からは、NICTの委託研究としてKDDI研究所が加わり、次世代の仮想化ノードの研究開発が行われた。
参考：2010年3月30日 NICTプレスリリース

新たなネットワークの実現を支えるネットワーク仮想化ノードの実証実験を産学官で開始
https://www.nict.go.jp/press/2010/03/30-1.html

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GENI (Global Environment for Network Innovations)

2005年に基本設計の検討を開始したNSF（アメリカ国立科学財団：National Science Foundation）が支援する長期的ネットワークテストベッドプロジェクト。新しいインターネット構成やネットワークサービスの研究開発を促進するため、複数のネットワーク実証実験が同時かつ独立に遂行できるネットワーク共通基盤テストベッドの開発を目指している。

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