ワイヤレス・ワイヤードにおける広帯域通信 2
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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
- 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
- 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. 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. 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 • 1111ab11g11n[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. 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. 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. 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. 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
- 18. Spectrum of FDMA TCJ2012-updated 18 非公開資料 【フレーミングと変調】
- 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. 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. 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. 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. 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
- 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
- 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. 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. 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
- 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. 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. 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
- 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. 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. 【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. 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. 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
- 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. 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
- 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. 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. 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. 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. 【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/10B128b/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. 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. 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. 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. 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. 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. 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
- 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. 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
- 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