[論文レビュー] A new NS3 Implementation of CCNx 1.0 Protocol

Marc Mosko, Ramesh Ayyagari+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2017

Caching and Content Delivery参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、モジュラーで拡張可能な情報中心ネットワーキング（ICN）プロトコルのシミュレーションを可能にする、CCNx 1.0プロトコルスタックのネイティブNS3実装であるccns3Simを提示する。この実装は、フォワーダ、PIT、FIB、コンテンツストアといったコアコンポーネントのランタイム設定を可能にし、処理遅延および入力遅延のモデルを導入している。主な貢献は、カスタムプロトコル実装および名前フローディングプロトコル（NFP）をサポートする完全統合型のNS3ネイティブCCNxシミュレータの実現であり、ICNルーティングおよびキャッシュ動作の現実的なシミュレーションを可能にする。

ABSTRACT

The ccns3Sim project is an open source implementation of the CCNx 1.0 protocols for the NS3 simulator. We describe the implementation and several important features including modularity and process delay simulation. The ccns3Sim implementation is a fresh NS3-specific implementation. Like NS3 itself, it uses C++98 standard, NS3 code style, NS3 smart pointers, NS3 xUnit, and integrates with the NS3 documentation and manual. A user or developer does not need to learn two systems. If one knows NS3, one should be able to get started with the CCNx code right away. A developer can easily use their own implementation of the layer 3 protocol, layer 4 protocol, forwarder, routing protocol, Pending Interest Table (PIT) or Forwarding Information Base (FIB) or Content Store (CS). A user may configure or specify a new implementation for any of these features at runtime in the simulation script. In this paper, we describe the software architecture and give examples of using the simulator. We evaluate the implementation with several example experiments on ICN caching.

研究の動機と目的

• 既存のシミュレータで見られるコードの重複や二重の抽象化モデルを回避する、CCNx 1.0プロトコルスタックの完全統合型NS3ネイティブ実装を提供すること。
• 研究者がシミュレーションスクリプトを通じて、フォワーダ、PIT、FIB、コンテンツストア、ルーティングプロトコルといったICNコアコンポーネントをランタイムで簡単に置き換えたり設定したりできるようにすること。
• データ構造やプロトコル操作における処理遅延および入力遅延の正確なシミュレーションを可能にし、プロトコルの性能評価に不可欠な要因をカバーすること。
• 名前フローディングプロトコル（NFP）を導入および評価すること。NFPは、CCNx向けの距離ベクトルルーティングプロトコルであり、ループフリーな等コストマルチパスルーティングと動的リンク障害処理をサポートする。
• 暗号処理、仮想ペイロード、LTEなどのモバイルネットワークモデルとの統合を含む、将来的な拡張の基盤を構築すること。

提案手法

• ccns3Simフレームワークは、すべての主要なCCNxコンポーネントのインターフェースを定義する抽象基底クラス（ns3::Objectを継承）を用い、実行時における遅延バインディングとプラグイン型の設定を可能にする。
• フォワーダ、PIT、FIB、コンテンツストアといった各コンポーネントは、その抽象インターフェースを継承した具象クラスとして実装されており、ユーザーがシミュレーションスクリプトでカスタム実装を差し替えられる。
• 入力遅延（例：パケット到着のジタ）および処理遅延（例：テーブルの検索・更新時間）の両方をシミュレートするモジュラー遅延モデルが実装されている。
• 名前フローディングプロトコル（NFP）は、各プレフィックス・アンカー・ペアに対してシーケンス番号付き広告を使用する動的ルーティングプロトコルとして導入され、独立した後続グラフを可能にし、不均等コストマルチパスルーティングをサポートする。
• シミュレータはNS3のネイティブ機能を活用しており、C++98、NS3スマートポインタ、xUnitテスト、ドキュメンテーション統合を備えており、NS3エコシステムと整合性を保っている。
• 実験では154ノードのAT&Tトポロジーを用い、リンク障害後の計算コストとルーティングメッセージ量を測定し、リアルタイム実行速度およびメモリ使用量の観点から性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コアプロトコルコンポーネントのランタイム設定を可能にする、ネイティブでモジュラーかつ拡張可能なNS3実装としてのCCNx 1.0の設計は、どのように可能か？
• RQ2 NS3フレームワークを用いてCCNxデータ構造における処理遅延および入力遅延をシミュレートする際の性能オーバーヘッドはどの程度か？
• RQ3 リンク障害状態下で、名前フローディングプロトコル（NFP）の計算コストおよびルーティングメッセージ量は、どのようにスケーリングするか？
• RQ4 ccns3Simフレームワークは、現実的な遅延モデル化を備えて、コンテンツキャッシュや動的ルーティングといった複雑なICN動作を効率的にシミュレートできるか？
• RQ5 大規模ICNシミュレーションにおいて、ccns3Simのリアルタイム実行速度およびメモリ消費量の性能特性はどのようなものか？

主な発見

• MacBook Pro（2.6 GHz コア i7 CPU）上で、50秒間の仮想時間シミュレーションを40.1秒の実時間で実行し、1880万件以上の計算イベントと221,880パケットを処理した。
• ルーティングプロトコルイベント1件あたりの平均実行時間は2.1マイクロ秒であり、ICNプロトコル評価に適した高いシミュレーション性能を示している。
• メモリ使用量は285 MB未満で安定しており、主にコンテンツリポジトリに割り当てられており、ノード1つあたり平均1.8 MB未満である。
• リンク障害後、計算コストおよびルーティング更新メッセージ数は、コンテンツレプリカ数に比例して線形に増加する。これは、NFPにおける各（アンカー名, プレフィックス）ペアの独立した伝搬に起因する。
• NFPプロトコルは、ループフリーな等コストマルチパスルーティングを正常にサポートし、リンク障害時にレプリカ数に比例した撤回メッセージを発行することで障害処理を実現するが、LSCR や DCR よりもスケーリング効率が劣る。
• シミュレータは、フォワーダ、PIT、FIB、コンテンツストア、ルーティングプロトコルといったすべての主要コンポーネントの完全なランタイム設定を可能にし、コード変更なしにカスタム実装の差し替えが可能である。