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ワイヤレス・ワイヤードLANにおける広帯域通信
の最新動向について
自然科学研究機構 国立天文台
大江将史<masa@fumi.org>
自己紹介
•大江将史 (おおえ まさふみ)
http://fumi.org/
•自然科学研究機構 国立天文台
•NAOJ: National Astronomical Observatory Of JAPAN
•天文データセンター 助教
•なに...
TCJ2012-updated 3
事例) 分散型HPCシステム(2013)
TCJ2012-updated 4
• 500Tflopsの広域分散型HPC
– 三鷹市~大手町~奥州市(岩手県)
に10ギガビット広域回線を整備
– 単一システムを構成する計算資源や
ストレージ資源を...
はじめに:本日のテーマ
•技術動向
•技術解説
• ワイヤレス
• ギガビットワイヤレスLAN技術:IEEE802.11ac
• マルチホップワイヤレス技術:IEEE802.11s,及びレガシー技術
• ワイヤード
• 廉価化が進む:40ギガビ...
ワイヤレス技術:802.11acのポイント
•ギガビット級の無線LAN規格
•802.11n(a)の次の規格として策定
• 1111ab11g11n[11ac]
•5GHz帯のみ
•433Mbps~6.93Gbpsの通信速度(理論値)
...
802.11acの広帯域化技術(変調方式)
•802.11nの64QAMから最大256QAM
•8×8の64値のシンボル=6ビット伝送
•16x16 の256値のシンボル=8ビット伝送
TCJ2012-updated 764QAMの信号空間ダイ...
802.11acの広帯域化技術(無線帯域)
•無線帯域の拡張
•20MHz(802.11,802.11abg)
•40MHz(802.11n)
•80MHz,160MHz (802.11ac)
• 20~80Mhzは標準,160MHzはオプショ...
802.11acの広帯域化技術
•20MHz OFDMサブキャリアは52
•40MHz サブキャリアが108へ, 80MHz/160MHzへも応用
•チャネル間ガードバンド分も有効活用(802.11n)
•OFDMのシンボル間インターバルを削減...
他高速化技術(802.11nで採用)
•フレームのアグリゲーション
•2つのフレーム1つに統合
• 2つの手法(Mac Service Data Unit/ Message Protocol Data Unit)
•フレームサイズの拡張
•4K...
802.11 フレーミングの理解(1)
TCJ2012-updated 11
非公開資料
【フレーミングと変調】
802.11 フレーミングの理解(2)
TCJ2012-updated 12
非公開資料
【フレーミングと変調】
802.11 フレーミングの理解(3)
TCJ2012-updated 13
非公開資料
【フレーミングと変調】
802.11 フレーミングとオーバーヘッド
TCJ2012-updated 14
非公開資料
【フレーミングと変調】
802.11 フレーミング(DCF)(例)
TCJ2012-updated 15
data
【フレーミングと変調】
非公開資料
TDMAのしくみ
TCJ2012-updated 16
非公開資料
【フレーミングと変調】
FDMAのしくみ
TCJ2012-updated 17
非公開資料
【フレーミングと変調】
Spectrum of FDMA
TCJ2012-updated 18
非公開資料
【フレーミングと変調】
Orthogonal-FDM(OFDM)のしくみ(1)
TCJ2012-updated 19
非公開資料
【フレーミングと変調】
OFDMのしくみ(2)
TCJ2012-updated 20
非公開資料
【フレーミングと変調】
フレネルゾーン:自由空間相当と見なせ
る空間の確保
21
非公開資料
【フレーミングと変調】
TCJ2012-updated
802.11acの広帯域化技術(空間拡張)
•MIMO: 複数の受信系・送信系での送信による空間での
送受信ストリーム数を増やす
•同一chに複数のアンテナ・送信機で送信、受信側で分離
• 帯域の効率を向上できる演算量大・消費電力大
• 送...
802.11ac / 80MHz をまとめる
TCJ2012-updated 23
非公開資料
【フレーミングと変調】
802.11acの製品動向
•最高通信速度は,実装コスト・消費電力・実用性・
マーケットが考慮された上で登場
•2012年:Broadcom / Atheros 等のacドラフトチップセット
• Buffero WZR-D1800H 1.3Gb...
ワイヤレス技術:ワイヤレスメッシュ
•ワイヤレスメッシュ・ネットワーク
•ステーション
•アドホック
•メッシュ
TCJ2012-updated 25
Access
Point
STAtion
ADHOC
STATION
(Infrastruc...
ワイヤレスメッシュ方式
•ワイヤレスメッシュを実現する種々の方式
•IEEE802.11s
• 伝送+メッシュルーティング
•既存応用方式
• 伝送
• Wireless Distribution System:WDS ベース
• ADHOCベ...
ワイヤレス技術:802.11s
•特殊な伝送方式ではない
•802.11abgn/ac上で動作
•アドホックモードの応用
•上位層はそのまま利用可能
•従来のabgn/acと混在可
•種々のdeveloperの実装を統
合したのが,802.11...
802.11sのノード構成
•MP: Mesh Point
•他のMPノード間との通信を行うノード
•MPP: Mesh Portal Point
•MP+有線LANとの接続を行うノード
•MAP: Mesh Access Point
•MP(...
802.11sの特長(従来方式と比べて)
•有線LAN・WAN整備状況・コストに左右されることなく,
Wi-Fiサービスエリアを広げられる.
•屋外やコストをかけられない場所への展開
•既存の802.11abgn APを提供できるため,互換性が...
802.11s メッシュルーティング
•スイッチングハブにおける経路構築に使われるSTPのよ
うにメッシュでは,Hybrid Wireless Mesh
Protocol(HWMP)により経路構築を行う.
•HWMPによる経路構築
•Proac...
HWMPの概要
Proactive Routing
• メッシュノードにて宛先不明の場合に実施
On-Demand Routing
TCJ2012-updated 31
MAP
MPP
MP
Wired LAN
MP
MAP
MPP
Netwo...
802.11s他,メッシュ技術の現状
•アドホックモードやステーションモードにてL2リンク
を構築し,その上で,伝送パケットのカプセル化や,
独自の経路構築プロトコルにて構成している
•Cisco Mesh ネットワーク (WLC)
•OLSR...
OSLR
•L3/IPルーティングプロトコル
•経路表は,全ノードが定期的に経路情報を効率良くフ
ラッディング(経路情報のバケツリレーのように伝
搬)させて構築する(Proactive)
TCJ2012-updated 33
経路表の構築
経路...
OSLR
•経路のフラッディング=非効率,ほどよく効率化する=OSLRの思想
•重複のある部分を枝切りして,フラッディングを行うグループMPR(Multi-Point
Relay)を形成し,効率良く「フラディング」する.
•全ノードは,隣接ノー...
B.A.T.M.A.N
•隣接ノードへのフラッディングにより全ノードが宛先
経路を把握
•パケットのルーティングは,各ノード毎に「最適」な
先へおくるというシンプルな構成
•IP routingのように,全体的な最適化は求めない
TCJ2012...
802.11s他,メッシュ技術の現状
•802.11sは,最近のAtheros,Broadcomなどの無線チップ
セットに実装されている
•OpenWRTやDDWRT上で利用可能
• AR91xxなど
•性能は,数メガ程度であり,検証が必要な状...
OpenWRT/DD-WRT
•LinuxベースのオープンソースのワイヤレスLANディスト
リビューション
•対応ハードウェアは,一般に販売されている無線アク
セスポイント
•メッシュ,AP,STA,3G USBカードなど,柔軟な無線環
境を構...
メッシュネットワークと現実
•メッシュネットワークの災害現場での運用は難しかっ
た.
•東日本大震災でのICT支援(2011.3~2012.2)からの知見
• 衛星回線をWi-Fiで展開して,カバレッジエリアを拡大を目論む
•展開しようにも,実...
実証されたディザスタリカバリシステム
衛星回線を利用したWi-Fiネットワーク例
TCJ2012-updated 39
衛星アンテナ
IPStar(or JSAT)衛星モデム
ルーター
5C
同軸
2本
WiFiアクセスポイント
(PoE給電)...
Cisco メッシュネットワークの事例
•ではどの程度の性能がでるのか?
•現実
•ホップ数増加=遅延,エラー率増加,無線帯域の負荷
•IPでは,2ホップ程度が実用範囲とされる.
•802.11s(OpenWRT)では,数メガ程度と低パフォーマ...
Cisco LWAP(WLC) Mesh modeでのスループット
(理想環境下)
TCJ2012-updated 41
300Mbps(MCS 15)
120Mbps(MCS 5)
14Mbps(MCS 1)
• 5GHz
• 802.11n...
2.4GHz帯の問題
•11bg(2.4GHz)と11a(5GHz)では、5GHz帯の方が高い伝送性能を有
する
•2.5GHz帯が遅いのは、干渉源が多数存在する
•多数の11b/gアクセスポイントが存在
• 東京都千代田区大手町近傍では、30...
【参考】役に立つツール
•見えないものをデバッグするツールは重要
•Metageek Chanalyzer Pro + Wi Spy DBx($999)や,Airmagnet 等
TCJ2012-updated 43
IETF76の運用事例:
•会場内に50台以上のCisco Wireless AP +WLCを設置
•IETFで初の集中制御運用成功事例
•緊急時に15分でASモードにフォールバックする仕組み
TCJ2012-updated 44
• 895 ...
IETF76の運用事例:高調波
•STAが突然通信断という苦情
•アカシアE / マイク(UHF/800MHz)からの
高調波により、channel 2-5に干渉
•オーキッドW マイク(UHF/800MHz)から
の高調波により2.4GHz帯...
IETF76の運用事例:高調波
•対策
•自動チャンネル構成では対応出来ない
•マイク側のチャンネルを変更する方法があるが,大きな会場の場
合,空きがないため非常に難しい
•他の困った意外な機器
•結婚式などでのビデオ映像伝送装置(5GHz),...
ワイヤードLAN
TCJ2012-updated 47
ワイヤード技術:40GbE - 802.3ba
•40ギガビットイーサーネット:データセンタ,エンタプ
ライズでの利用が進む
•標準化はもとより
•廉価化が進む
•100ギガビットイーサーネット:キャリア
•米国においては,数百オーダーでの導入...
XFPからSFP+ ,CFP から QSFP+
•10GbEは,SFP+/T対応による低コスト化
•10Gbase-CR(DA: Direct Attach)
•10Gbase-T
•40GbEは,CFPからQSFP+
•40Gbase-SR4...
40G/100Gの落とし穴
•10Gの多リンクのLAG=40G/100G
•シングルフロー=10Gで頭打ちとなる製品がある.
• 40G/100Gの第一世代に多い
•40Gbase-R対応とあっても,40Gbase-Rで使えるのではなく,
10...
誰でも作れる10GbE?
•高性能な汎用スイッチングハブ用チップが販売
•Fulcrum Microsystems
•Broadcom
•Realtek
•各社エントリーモデルの箱は,上位機種が独自ASICで
あっても,廉価機器は,汎用チップを...
バンド幅ではなく低遅延への要求
•Cisco/Arista Networks/Gnobalなど
•nsオーダーの低遅延
•金融(FHT)が低遅延化を引っ張る
•アルゴリズムに基づくトレーディング(システムトレード)
• NASDAQ / JPX...
ワイヤード技術:廉価化
•40ギガ・10ギガのネットワークカードの市場価格は?
•2009年:10ギガx1 20万円
• FCのチップを転用した10GbE NIC
•2010年:10ギガx2 <10万円
• ただしワイヤーレートではない.
• ...
なぜ?PCが10GbEを生かし切るから
•PCアーキテクチャの進化
•PCI-E 2.0/3.0 ,メモリーの高速化
•QPI / HT ,ノースブリッジ統合,IOHハブ統合,
•仮想化,GPGPU,コンシューマなどPCでの活用環境
TCJ2...
事例:10GbEワイヤーレートから低遅延へ
•Chelsio T4 ASIC アーキテクチャ
•強力なオフロード実装により,データ伝送量にメモリバンド・CPU負担を軽減
•NIC内でのカットスルーによる低遅延伝送
•Kernelスタックを経由さ...
【参考】PCI-Express 2.0
•PCI-E 2.0 (Gen2) 2007年登場、一般化
•PCI-E 1.1 の完全上位互換
•PCI-E 2.0 x1 = 2.5Gbps x 2倍=5Gbps
•x8レーン=40Gbps 10G...
実例:PCを利用した高機能IPサービスルータ開
発 ULTRA 40/200プロジェクト
•高機能IPルーター 「野川」
•実効L3 バックプレーン容量 75Gbps
• 80Gbps (QSFP+ 40GBASE-R x 1) + 10GbE...
ULTRA40/200-アーキテクチャ
HPC向けのストレージアクセラレータとして開発
TCJ2012-updated 58
2011年度版 ULTRA 40 IP高機能ルータ
Intel 5520 Tylersburg + Linux or ...
野川:ストレージモジュール性能
•超高速ストレージ
•CentOS 6.2
• Micron m4 SSD Firmware 0902 x 16で構成
• LSI Megaraid 9265 8i x 2
• ストライピング/EXT4パラメータ...
性能計測
•IXIA とSpirent を接続し,160Gbps環境で性能を検証
TCJ2012-updated 60
10GBASE-DA or SRにて,160Gbpsで接続
どのように達成したか?
•NIC搭載のハードウェアを活用
•IP/UDP/TCP/Bondingオフロードエンジン
•組み込みL2フォワーディング機能
•2 ポート間のフォワーディングを内蔵の組み込みL2 SWを利用する
•Userlandまで...
システム構成例
•仮想化VM
•VMノード:Supermicro X8 シリーズ
• DualCore /Xeon X5520(Tylersburg-36D)系
• メモリー 96GB
•ストレージ:Supermicro X8 シリーズ
• S...
今後の課題
TCJ2012-updated 67
今後の課題:ワイヤレス
•無線帯域の問題
•2.4GHz帯(802.11bgn)は電波の墓場
• 2.4GHzデバイスが多数
• モバイル向け小型Wi-Fiアクセスポイントの普及
• 乱立するAP,パワー,チャンネル制御
•ソウルの悪夢か?
•...
今後の課題:ワイヤレス
•現実的に無線帯域がクリーンな環境はない
•スペックと実性能の乖離
•電波法の問題
•acに対応した法改正はいつ?
•メッシュネットワーク:相互接続性の停滞
•802.11s:Wi-Fi Alliance においての検証...
今後の課題:ワイヤード
•広帯域化の利活用
•40ギガは,現実的(今から5年位)
• だがその先は?
•現在,100ギガは,キャリア様用
•ネットワーク機器・ネットワークカード・PC機器の廉価化・モ
ジュールの小型化により,100G?
•さらな...
今後の課題:ワイヤード
•低遅延化の限界
•金融セクター
•データセンター内,仮想化インフラにおける遅延の削減は性能に
直結
• PCでは,PCI-E,メモリがボトルネック
•極限に近づく
• FPGA/FPGA+ASIC
TCJ2012-up...
今後の課題
•人材の育成:技術だけでない人
•ソフトウェア・アイデアが際立つ世
• Broadcomや,Fulcrum Microsystemsにより,安価な高性能機器が実装できる.
• ソフトウェア部分:CLI,仮想化,スタック技術等々
• ...
ありがとうございました
http://fumi.org/
http://www.nao.ac.jp/
TCJ2012-updated 73
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Wireless mesh network (2)
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ワイヤレス・ワイヤードにおける広帯域通信 2

主にワイヤレス技術の最新動向について,変調・フレーミング・高速化技術を説明した,大学生授業向けの勉強資料です.
ワイヤレスについては,802.11ac に至る高速化技術に投入されている変調方式,フレーミング,無線バンドを基にして,各要素技術の背景を基礎を理解します.
(非公開な部分が含まれています.ご了承ください)

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ワイヤレス・ワイヤードにおける広帯域通信 2

  1. 1. ワイヤレス・ワイヤードLANにおける広帯域通信 の最新動向について 自然科学研究機構 国立天文台 大江将史<masa@fumi.org>
  2. 2. 自己紹介 •大江将史 (おおえ まさふみ) http://fumi.org/ •自然科学研究機構 国立天文台 •NAOJ: National Astronomical Observatory Of JAPAN •天文データセンター 助教 •なにしてるのか? •専門は、ネットワークセキュリティ、衛星通信、無線通信など •天文と情報ネットワークの融合に関する研究等 •国立天文台のネットワーク運用や設計等 TCJ2012-updated 2
  3. 3. TCJ2012-updated 3
  4. 4. 事例) 分散型HPCシステム(2013) TCJ2012-updated 4 • 500Tflopsの広域分散型HPC – 三鷹市~大手町~奥州市(岩手県) に10ギガビット広域回線を整備 – 単一システムを構成する計算資源や ストレージ資源を各所に展開し運用 – 汎用計算ノード群 • 国立天文台水沢(奥州市水沢区)に設 置 – ストレージノード群 – 専用(多体問題)計算ノード群 – 汎用サーバ向け仮想化ノード群 • 国立天文台三鷹(東京都三鷹市)に設 置 • 40Gbps アクセスサービスとして提供 – 新基盤ネットワークを整備 計 算 ストレージ
  5. 5. はじめに:本日のテーマ •技術動向 •技術解説 • ワイヤレス • ギガビットワイヤレスLAN技術:IEEE802.11ac • マルチホップワイヤレス技術:IEEE802.11s,及びレガシー技術 • ワイヤード • 廉価化が進む:40ギガビットイーサーネット,NICやネットワーク機器の動向 •構築事例 •ワイヤレス • マルチホップワイヤレス構築事例と伝送性能 •ワイヤード • オーバー10ギガにおけるPC性能 • L2/L3ネットワーク機器とPCを組み合わせた仮想化システム •今後の発展 •ワイヤード・ワイヤレスの課題 TCJ2012-updated 5
  6. 6. ワイヤレス技術:802.11acのポイント •ギガビット級の無線LAN規格 •802.11n(a)の次の規格として策定 • 1111ab11g11n[11ac] •5GHz帯のみ •433Mbps~6.93Gbpsの通信速度(理論値) •各種ベンダーから無線チップセットが登場 •Broadcomからリリース •各国において、802.11acに関連する法整備が整い次第製品出 荷 •日本は、現行法無いにおいて問題ない技術が 802.11ac相当として実 装され出荷 • 80MHz/160MHzは電波法の改正が必要 TCJ2012-updated 6
  7. 7. 802.11acの広帯域化技術(変調方式) •802.11nの64QAMから最大256QAM •8×8の64値のシンボル=6ビット伝送 •16x16 の256値のシンボル=8ビット伝送 TCJ2012-updated 764QAMの信号空間ダイアグラム 256QAMの信号空間ダイアグラム
  8. 8. 802.11acの広帯域化技術(無線帯域) •無線帯域の拡張 •20MHz(802.11,802.11abg) •40MHz(802.11n) •80MHz,160MHz (802.11ac) • 20~80Mhzは標準,160MHzはオプション • チャンネルを束ねる=通信帯域の向上 • ガードバンドも含めた無線帯域の有効利用 •変調+無線帯域を組み合わせることで •40MHz : 180Mbps •80MHz : 433.3Mbps •160MHz/64QAM: 866.7Mbps TCJ2012-updated 8
  9. 9. 802.11acの広帯域化技術 •20MHz OFDMサブキャリアは52 •40MHz サブキャリアが108へ, 80MHz/160MHzへも応用 •チャネル間ガードバンド分も有効活用(802.11n) •OFDMのシンボル間インターバルを削減 •SIFSからRIFS:ガードインターバルを400nsへ(802.11n) • OFDM間の干渉を押さえるため送信シンボル間のインターバルを削減 TCJ2012-updated 9 (c) Cisco ↑FECデータビット割合
  10. 10. 他高速化技術(802.11nで採用) •フレームのアグリゲーション •2つのフレーム1つに統合 • 2つの手法(Mac Service Data Unit/ Message Protocol Data Unit) •フレームサイズの拡張 •4KB 64KB •802.11e •送信権(CF-Poll)と送信時間割当(WMM) •HCCA等 TCJ2012-updated 10 Data1Ctrl Data2Ctrl Data1&2Ctrl 【参考】 Ctrl(20%) Data 802.11 802.11g Data(80%) Data(46%) Ctrl(54%) 送信に要する時間
  11. 11. 802.11 フレーミングの理解(1) TCJ2012-updated 11 非公開資料 【フレーミングと変調】
  12. 12. 802.11 フレーミングの理解(2) TCJ2012-updated 12 非公開資料 【フレーミングと変調】
  13. 13. 802.11 フレーミングの理解(3) TCJ2012-updated 13 非公開資料 【フレーミングと変調】
  14. 14. 802.11 フレーミングとオーバーヘッド TCJ2012-updated 14 非公開資料 【フレーミングと変調】
  15. 15. 802.11 フレーミング(DCF)(例) TCJ2012-updated 15 data 【フレーミングと変調】 非公開資料
  16. 16. TDMAのしくみ TCJ2012-updated 16 非公開資料 【フレーミングと変調】
  17. 17. FDMAのしくみ TCJ2012-updated 17 非公開資料 【フレーミングと変調】
  18. 18. Spectrum of FDMA TCJ2012-updated 18 非公開資料 【フレーミングと変調】
  19. 19. Orthogonal-FDM(OFDM)のしくみ(1) TCJ2012-updated 19 非公開資料 【フレーミングと変調】
  20. 20. OFDMのしくみ(2) TCJ2012-updated 20 非公開資料 【フレーミングと変調】
  21. 21. フレネルゾーン:自由空間相当と見なせ る空間の確保 21 非公開資料 【フレーミングと変調】 TCJ2012-updated
  22. 22. 802.11acの広帯域化技術(空間拡張) •MIMO: 複数の受信系・送信系での送信による空間での 送受信ストリーム数を増やす •同一chに複数のアンテナ・送信機で送信、受信側で分離 • 帯域の効率を向上できる演算量大・消費電力大 • 送信アンテナ数 n 受信アンテナ数 m で、 nXmで表現 •MIMOでx8ストリームまで拡張 •160MHz/256QAM: 866.7Mbps x 8 = 6.93Gbps TCJ2012-updated 22 1ストリーム + + 2x2 MIMO ※一般に受信のS/N 比向上のため、 2x3MIMO
  23. 23. 802.11ac / 80MHz をまとめる TCJ2012-updated 23 非公開資料 【フレーミングと変調】
  24. 24. 802.11acの製品動向 •最高通信速度は,実装コスト・消費電力・実用性・ マーケットが考慮された上で登場 •2012年:Broadcom / Atheros 等のacドラフトチップセット • Buffero WZR-D1800H 1.3Gbps =(80MHz -256QAM + 3x3MIMO) •2013年:モバイル向け チップセット • タブレット向けを想定 • 仮想デスクトップ環境の端末へも 2014年には,ギガビット無線の普及が考えられる ギガビットの壁を超える=有線インフラのコストアップ TCJ2012-updated 24
  25. 25. ワイヤレス技術:ワイヤレスメッシュ •ワイヤレスメッシュ・ネットワーク •ステーション •アドホック •メッシュ TCJ2012-updated 25 Access Point STAtion ADHOC STATION (Infrastructure) MESH Wired LAN Wired LAN STA STA Wired LAN 有線LANに 影響されてない広い カバレッジを実現
  26. 26. ワイヤレスメッシュ方式 •ワイヤレスメッシュを実現する種々の方式 •IEEE802.11s • 伝送+メッシュルーティング •既存応用方式 • 伝送 • Wireless Distribution System:WDS ベース • ADHOCベース • メッシュルーティング • OLSR (Optimized Link State Routing) • B.A.T.M.A.N (Better Approach To Mobile Adhoc Networking) TCJ2012-updated 26
  27. 27. ワイヤレス技術:802.11s •特殊な伝送方式ではない •802.11abgn/ac上で動作 •アドホックモードの応用 •上位層はそのまま利用可能 •従来のabgn/acと混在可 •種々のdeveloperの実装を統 合したのが,802.11s TCJ2012-updated 27 トランスポート層 IP層 デー タリ ンク 層 802.11s 802.11 an bgn
  28. 28. 802.11sのノード構成 •MP: Mesh Point •他のMPノード間との通信を行うノード •MPP: Mesh Portal Point •MP+有線LANとの接続を行うノード •MAP: Mesh Access Point •MP(or MPP)+従来のAP機能を提供する TCJ2012-updated 28 MPP Wired LAN MAP MAP MP Wired LAN
  29. 29. 802.11sの特長(従来方式と比べて) •有線LAN・WAN整備状況・コストに左右されることなく, Wi-Fiサービスエリアを広げられる. •屋外やコストをかけられない場所への展開 •既存の802.11abgn APを提供できるため,互換性が高い •STAはもちろん,メッシュノード群の開発コストが低い •MP/MPPを分散・冗長化することで,ロバストなワイヤ レスネットワークを構築できる. •MP/MPP/MAPを適当に配置すれば,Wi-Fiによる通信イ ンフラを構築できる. •短時間での緊急通信インフラ構築 • 災害用,軍用などでの活用が進む TCJ2012-updated 29
  30. 30. 802.11s メッシュルーティング •スイッチングハブにおける経路構築に使われるSTPのよ うにメッシュでは,Hybrid Wireless Mesh Protocol(HWMP)により経路構築を行う. •HWMPによる経路構築 •Proactive Routing:事前に経路表を構築 •On-Demand Routing:通信宛先に応じて経路表を構築 TCJ2012-updated 30
  31. 31. HWMPの概要 Proactive Routing • メッシュノードにて宛先不明の場合に実施 On-Demand Routing TCJ2012-updated 31 MAP MPP MP Wired LAN MP MAP MPP Network Root Portal Announcement定期広報・ ネゴし,Network Rootを決定 MP/MAP-MPP間は, MPP Network Rootを HUBとしたパケット ルーティング Root Announcement を定期広報 Root Announcementに 基づき経路表を構築 MAP MPP MP Wired LAN MP MAP MPP Network Root 1.宛先問い合わせ 2.応答 4.フォワーディング 3.複数の応答着する 各経路Airtimeにより 経路決定 ※Airtime: 転送速度,経路の重なり合い,通信量により算出
  32. 32. 802.11s他,メッシュ技術の現状 •アドホックモードやステーションモードにてL2リンク を構築し,その上で,伝送パケットのカプセル化や, 独自の経路構築プロトコルにて構成している •Cisco Mesh ネットワーク (WLC) •OLSR (Optimized Link State Routing) •B.A.T.M.A.N (Better Approach To Mobile Adhoc Networking) TCJ2012-updated 32
  33. 33. OSLR •L3/IPルーティングプロトコル •経路表は,全ノードが定期的に経路情報を効率良くフ ラッディング(経路情報のバケツリレーのように伝 搬)させて構築する(Proactive) TCJ2012-updated 33 経路表の構築 経路表の構築 経路表の構築 経路表の構築 経 路 情 報
  34. 34. OSLR •経路のフラッディング=非効率,ほどよく効率化する=OSLRの思想 •重複のある部分を枝切りして,フラッディングを行うグループMPR(Multi-Point Relay)を形成し,効率良く「フラディング」する. •全ノードは,隣接ノード等を含めたHELLO メッセージ定期的に送信,各ノードは, HELLOメッセージの受信により,どのノードがどのノードの先にいるかを把握す る •上記の把握を元に,自ノードから直接伝えられないノードや,自ノードから伝え られないノードに伝えることができるノードを選定していき,MPRを構築する •MPR構築結果へHELLOメッセージにより,隣接ノードに伝え,MPRに選定された ノードは,経路の伝搬をおこなう TCJ2012-updated 34 経路表の構築 経路表の構築 経路表の構築 経路表の構築 経 路 情 報 MPR MPR
  35. 35. B.A.T.M.A.N •隣接ノードへのフラッディングにより全ノードが宛先 経路を把握 •パケットのルーティングは,各ノード毎に「最適」な 先へおくるというシンプルな構成 •IP routingのように,全体的な最適化は求めない TCJ2012-updated 35
  36. 36. 802.11s他,メッシュ技術の現状 •802.11sは,最近のAtheros,Broadcomなどの無線チップ セットに実装されている •OpenWRTやDDWRT上で利用可能 • AR91xxなど •性能は,数メガ程度であり,検証が必要な状況 •アドホック・WDSをベースにした実装(802.11sではない) などは,多数存在 •Cisco WLC 5000シリーズなどのMesh Mode •OpenWRTなどのオープンな実装 TCJ2012-updated 36
  37. 37. OpenWRT/DD-WRT •LinuxベースのオープンソースのワイヤレスLANディスト リビューション •対応ハードウェアは,一般に販売されている無線アク セスポイント •メッシュ,AP,STA,3G USBカードなど,柔軟な無線環 境を構築できる •例)OpenWRT/DD-WRT対応ハードウェア例 •バッファロー社 WZR-HP-AH300N:市価5500円程度 • 802.11abgn + 2.4G/5Gの個別Wireless NIC • 飛び抜けたハードウェア性能Atheros91XX 高速CPU/ 大容量フラッシュ • AP/STA/Bridge/Mesh(11s/WDS,AD-HOC+OLSR/BATMAN)等 TCJ2012-updated 37
  38. 38. メッシュネットワークと現実 •メッシュネットワークの災害現場での運用は難しかっ た. •東日本大震災でのICT支援(2011.3~2012.2)からの知見 • 衛星回線をWi-Fiで展開して,カバレッジエリアを拡大を目論む •展開しようにも,実用にならない •入り組んだリアス地形 •丘陵地帯にある「避難所」 • 山、森、建物の残骸が邪魔をする •電源確保・仮設の無線アンテナを設置が難しい • コストに見合わない.安定運用が担保できない TCJ2012-updated 38 フレネルゾーン 目視:可視光 1μm | 実際:2.4GHz 120mm
  39. 39. 実証されたディザスタリカバリシステム 衛星回線を利用したWi-Fiネットワーク例 TCJ2012-updated 39 衛星アンテナ IPStar(or JSAT)衛星モデム ルーター 5C 同軸 2本 WiFiアクセスポイント (PoE給電) 事例) 高台にあった大船渡市役所 を起点にロングリーチのWi-Fiバックボー ンを展開
  40. 40. Cisco メッシュネットワークの事例 •ではどの程度の性能がでるのか? •現実 •ホップ数増加=遅延,エラー率増加,無線帯域の負荷 •IPでは,2ホップ程度が実用範囲とされる. •802.11s(OpenWRT)では,数メガ程度と低パフォーマンス TCJ2012-updated 40
  41. 41. Cisco LWAP(WLC) Mesh modeでのスループット (理想環境下) TCJ2012-updated 41 300Mbps(MCS 15) 120Mbps(MCS 5) 14Mbps(MCS 1) • 5GHz • 802.11n • 40MHz (c) WI-working group, WIDE Project
  42. 42. 2.4GHz帯の問題 •11bg(2.4GHz)と11a(5GHz)では、5GHz帯の方が高い伝送性能を有 する •2.5GHz帯が遅いのは、干渉源が多数存在する •多数の11b/gアクセスポイントが存在 • 東京都千代田区大手町近傍では、30+の無線局を観測 • ポケットWi-FiなどポータブルAPの乱立 •様々な機器が2.4GHz帯を使用 • コードレス電話・ヘッドセット・マイク・トーキー、Bluetooth 、RF タグ・・・ ネットワークの品質低く,再送連続,さらなる悪化 TCJ2012-updated 42 各チャンネル毎の無線デバイス
  43. 43. 【参考】役に立つツール •見えないものをデバッグするツールは重要 •Metageek Chanalyzer Pro + Wi Spy DBx($999)や,Airmagnet 等 TCJ2012-updated 43
  44. 44. IETF76の運用事例: •会場内に50台以上のCisco Wireless AP +WLCを設置 •IETFで初の集中制御運用成功事例 •緊急時に15分でASモードにフォールバックする仕組み TCJ2012-updated 44 • 895 active lease maximum for Wireless
  45. 45. IETF76の運用事例:高調波 •STAが突然通信断という苦情 •アカシアE / マイク(UHF/800MHz)からの 高調波により、channel 2-5に干渉 •オーキッドW マイク(UHF/800MHz)から の高調波により2.4GHz帯に広く干渉 •ワイヤレスマイクオンで話すたびにSTAに影 響 •干渉する周波数を避けるチャンネル構成へ 編成しなおし. 探索方法 •スペクトラムアナライザで現象を追跡 し発見した TCJ2012-updated 45
  46. 46. IETF76の運用事例:高調波 •対策 •自動チャンネル構成では対応出来ない •マイク側のチャンネルを変更する方法があるが,大きな会場の場 合,空きがないため非常に難しい •他の困った意外な機器 •結婚式などでのビデオ映像伝送装置(5GHz),コントローラー (2.4GHz) • 会期中に結婚式通信性能ダウン TCJ2012-updated 46
  47. 47. ワイヤードLAN TCJ2012-updated 47
  48. 48. ワイヤード技術:40GbE - 802.3ba •40ギガビットイーサーネット:データセンタ,エンタプ ライズでの利用が進む •標準化はもとより •廉価化が進む •100ギガビットイーサーネット:キャリア •米国においては,数百オーダーでの導入が行われ,100Gファイ メーカがボトルネックになるくらいに受注を抱える. 2012年~ サーバは,10ギガ,40ギガ (エンタープライズな)ネットワークでは,アクセス が10ギガ,バックボーンは40ギガ,100ギガ TCJ2012-updated 48
  49. 49. XFPからSFP+ ,CFP から QSFP+ •10GbEは,SFP+/T対応による低コスト化 •10Gbase-CR(DA: Direct Attach) •10Gbase-T •40GbEは,CFPからQSFP+ •40Gbase-SR4 : MPO(8芯MMF)コネクタ • 高密度に10Gbase-SRを収容可能 •40Gbase-CR4(DA) (安価) •40Gbase-LR4もモジュールメーカから出荷が進みつつある • 40Gbase-LR4 QSFP+モジュールが,約5500米ドル程度 TCJ2012-updated 49 PHOTO: 2011 Extreme Networks, Inc. All rights reserved.
  50. 50. 40G/100Gの落とし穴 •10Gの多リンクのLAG=40G/100G •シングルフロー=10Gで頭打ちとなる製品がある. • 40G/100Gの第一世代に多い •40Gbase-R対応とあっても,40Gbase-Rで使えるのではなく, 10Gbase-R x 4のブレイクアウトケーブルでの利用専用製品だった り. • ブレイクアウトケーブル方式は,高密度に10Gを収容する上で有効 TCJ2012-updated 50
  51. 51. 誰でも作れる10GbE? •高性能な汎用スイッチングハブ用チップが販売 •Fulcrum Microsystems •Broadcom •Realtek •各社エントリーモデルの箱は,上位機種が独自ASICで あっても,廉価機器は,汎用チップを利用している場 合が多い. TCJ2012-updated 51
  52. 52. バンド幅ではなく低遅延への要求 •Cisco/Arista Networks/Gnobalなど •nsオーダーの低遅延 •金融(FHT)が低遅延化を引っ張る •アルゴリズムに基づくトレーディング(システムトレード) • NASDAQ / JPX 処理時間を定めて設計 •インターネット=取引所直結,フィートの争い • 米国:小規模な取引所=高速,大規模な取引所=左記より遅い • 標準プロトコルFIX •PCの高性能化,NICの高性能化 •高機能NIC(FPGA on NIC+PCアシスト) • NAPATECなど •FPGA内蔵スイッチングハブ • 各取引所への接続&脊髄反射的判断 TCJ2012-updated 52 Arista 7124FX
  53. 53. ワイヤード技術:廉価化 •40ギガ・10ギガのネットワークカードの市場価格は? •2009年:10ギガx1 20万円 • FCのチップを転用した10GbE NIC •2010年:10ギガx2 <10万円 • ただしワイヤーレートではない. • ネイティブな10GbE ASIC搭載 NIC •2011年:10ギガx2 <7万円 • 各種Offload • ワイヤーレート • オーバーサブスクライブ(28ギガ程度)で,10ギガx4や40ギガ登場 急速に高性能化と低価格化が進んでいる. TCJ2012-updated 53 10Gbase-R x 2 (PCI-E2.0 x8)
  54. 54. なぜ?PCが10GbEを生かし切るから •PCアーキテクチャの進化 •PCI-E 2.0/3.0 ,メモリーの高速化 •QPI / HT ,ノースブリッジ統合,IOHハブ統合, •仮想化,GPGPU,コンシューマなどPCでの活用環境 TCJ2012-updated 54
  55. 55. 事例:10GbEワイヤーレートから低遅延へ •Chelsio T4 ASIC アーキテクチャ •強力なオフロード実装により,データ伝送量にメモリバンド・CPU負担を軽減 •NIC内でのカットスルーによる低遅延伝送 •Kernelスタックを経由させないことでユーザー空間からの低遅延NIC利用 TCJ2012-updated 55
  56. 56. 【参考】PCI-Express 2.0 •PCI-E 2.0 (Gen2) 2007年登場、一般化 •PCI-E 1.1 の完全上位互換 •PCI-E 2.0 x1 = 2.5Gbps x 2倍=5Gbps •x8レーン=40Gbps 10Gbps x 2 搭載NICに最適 40G/100Gbps NICでは,PCI-E2.0がボトルネック •PCI-E 3.0 (Gen3) 2012年 •PCI-E1.1比で4倍 つまり、10Gbps(片方向)を実現 • 8B/10B128b/130b • 5Gtps 8Gtps の合わせ技で、10Gbpsを実現 •NICベンダーは,PCI-E3.0 x 8 を40Gbps/ 100Gbps NICのプラットフォー ムにしている. • 既存ASICを3.0のx8ベースで製作し,高性能化を目指している. TCJ2012-updated 56
  57. 57. 実例:PCを利用した高機能IPサービスルータ開 発 ULTRA 40/200プロジェクト •高機能IPルーター 「野川」 •実効L3 バックプレーン容量 75Gbps • 80Gbps (QSFP+ 40GBASE-R x 1) + 10GbE x 2 •超高速ストレージモジュール搭載 • 書き込み性能に特化したSSDを16台搭載 • トラフィックロギングモジュール • ストレージアクセラレータモジュール •高機能IPルーター 「大沢」 •18 x 10GBASE-R •実効L3バッププレーン容量 100Gbps •サービス妨害攻撃モジュール搭載(評価) TCJ2012-updated 57
  58. 58. ULTRA40/200-アーキテクチャ HPC向けのストレージアクセラレータとして開発 TCJ2012-updated 58 2011年度版 ULTRA 40 IP高機能ルータ Intel 5520 Tylersburg + Linux or FreeBSDベース SANアクセラ レータ モジュール サービス妨害 攻撃 モジュール 高性能NIC 4TB SSD ストレージ モジュール FPGA? GPGPU? トラフィック Logging モジュール アプリケーション サービス ハードウェア 各用途に合わせて カスタマイズ Xeon® processor E5-2600へ更新中
  59. 59. 野川:ストレージモジュール性能 •超高速ストレージ •CentOS 6.2 • Micron m4 SSD Firmware 0902 x 16で構成 • LSI Megaraid 9265 8i x 2 • ストライピング/EXT4パラメータの最適値をSSD/ファームウェアにあわせてチューニング •32Gbps/最大4TBまでの連続書き込み性能 •32Gbpsのトラフィックフローなら,16分間ダンプ TCJ2012-updated 59
  60. 60. 性能計測 •IXIA とSpirent を接続し,160Gbps環境で性能を検証 TCJ2012-updated 60 10GBASE-DA or SRにて,160Gbpsで接続
  61. 61. どのように達成したか? •NIC搭載のハードウェアを活用 •IP/UDP/TCP/Bondingオフロードエンジン •組み込みL2フォワーディング機能 •2 ポート間のフォワーディングを内蔵の組み込みL2 SWを利用する •Userlandまでダイレクトに通過トラフィックを収集 • CAMの関係上,100MACまで •つまり, •いまや,ゲーミングパソコンのような数十万円のPCで100Gbpsを扱 える TCJ2012-updated 64 http://fumi.org/ULTRA へどうぞ
  62. 62. システム構成例 •仮想化VM •VMノード:Supermicro X8 シリーズ • DualCore /Xeon X5520(Tylersburg-36D)系 • メモリー 96GB •ストレージ:Supermicro X8 シリーズ • SingleCore / Xeon X5500 / E5500等 • メモリー 16GB • ストレージは三種 • 安価:SATA 1TB(7200rpm)ストレージ • 中庸:WD VerociRaptor 600GB (10000rpm)ストレージ • 高価:SSDストレージ • Microsoft iSCSI target/ 他 •これらをNexus や10GbE NIC 直結にて収容して運用 • 三鷹・大手町で分散運用,対計画停電対策 TCJ2012-updated 66
  63. 63. 今後の課題 TCJ2012-updated 67
  64. 64. 今後の課題:ワイヤレス •無線帯域の問題 •2.4GHz帯(802.11bgn)は電波の墓場 • 2.4GHzデバイスが多数 • モバイル向け小型Wi-Fiアクセスポイントの普及 • 乱立するAP,パワー,チャンネル制御 •ソウルの悪夢か? • モバイルキャリア・ホットスポットキャリア・個人・企業が人口密度の高い地域にWi- Fiアクセスポイントが高密度に設置 • 一部地域にて使い物にならない事例 • 全体性能が著しく低下する要因 • 短いビーコン間隔,出力やチャンネルの調停がない,周波数利用率高,他2.4GHz帯デバイス,UHF帯デ バイスからの高調波 TCJ2012-updated 68
  65. 65. 今後の課題:ワイヤレス •現実的に無線帯域がクリーンな環境はない •スペックと実性能の乖離 •電波法の問題 •acに対応した法改正はいつ? •メッシュネットワーク:相互接続性の停滞 •802.11s:Wi-Fi Alliance においての検証対象外(現在) • 各ベンダの独自実装,方式の寄り集まりが課題 •見えない悪魔の制御力 •大きな規模の運用経験が積みにくいので,デバッグノウハウの蓄 積が難しい. TCJ2012-updated 69
  66. 66. 今後の課題:ワイヤード •広帯域化の利活用 •40ギガは,現実的(今から5年位) • だがその先は? •現在,100ギガは,キャリア様用 •ネットワーク機器・ネットワークカード・PC機器の廉価化・モ ジュールの小型化により,100G? •さらなる広帯域化は,周辺ハードウェアの進化次第 • 遅延は別の課題 TCJ2012-updated 70
  67. 67. 今後の課題:ワイヤード •低遅延化の限界 •金融セクター •データセンター内,仮想化インフラにおける遅延の削減は性能に 直結 • PCでは,PCI-E,メモリがボトルネック •極限に近づく • FPGA/FPGA+ASIC TCJ2012-updated 71
  68. 68. 今後の課題 •人材の育成:技術だけでない人 •ソフトウェア・アイデアが際立つ世 • Broadcomや,Fulcrum Microsystemsにより,安価な高性能機器が実装できる. • ソフトウェア部分:CLI,仮想化,スタック技術等々 • アイデア・コンセプト次第で下克上 • 技術視点だけでよいのか? • J社の悪夢 •強いネットワーク機器の誕生には,技術・ビジネスに長けた視点 から要求要件をベンダーフリーでまとめる必要性 TCJ2012-updated 72
  69. 69. ありがとうございました http://fumi.org/ http://www.nao.ac.jp/ TCJ2012-updated 73
  • iwaiwax

    Mar. 17, 2017

主にワイヤレス技術の最新動向について,変調・フレーミング・高速化技術を説明した,大学生授業向けの勉強資料です. ワイヤレスについては,802.11ac に至る高速化技術に投入されている変調方式,フレーミング,無線バンドを基にして,各要素技術の背景を基礎を理解します. (非公開な部分が含まれています.ご了承ください)

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