図1 多くの人が考える通信経路の例
この論文ではネットワークの通信速度とは何か、について研究することを目的としてい る。インターネットを利用しゲームや動画再生の際に通信速度が遅くなり不満に思ったこ とがあると思う。そこでネットワークの通信速度を改善するために調べると様々な方法が 出てくる。その中で多くの人が ISP や回線事業者を変えてインターネット速度を改善させ るという方法を選ぶことが多い。ほかにもデバイスのスペックを上げたり、IP を IPv4 から IPv6 に変更することで速度向上を図ることができる。しかし、これらを行っても必ず通信 速度が速くなるわけではないことをインターネットの通信経路もとに解説する。
インターネットの通信速度とは「bps」で表される。これは 1 秒間に送信できるデータ量 を表している。通信速度にはアップロードとダウンロードがあり、それぞれ上り・下りと表 記されること多い。インターネットの通信速度にはこの上り・下りが大きく関係している。
ネットワークは繋がっているから良いという人も多くネットワークの全体像というもの がわからないブラックボックスと化しているのが現状である。その中でインターネットの 上り・下りの通信速度を知ることによりトラフィックが起きている際にどこで問題が起き ているかを予想する事ができる。下りの速度が出ているが、上りの速度が出ていない場合な ど現状を知る事で対処法を考えることができる。この論文ではインターネットの通信速度 を知る事とはどういうことなのかについて記していく。
図1 多くの人が考える通信経路の例
インターネット・プロトコルを利用したネットワークでは通常、TCP でのサービスを受 ける。TCP は大きなデータを誤りなく端末に送るためのプロトコルで回線を溢れさせてデ ータを失わないように通信容量を調整している。その為、遠方からファイルをダウンロード する場合、途中の経路の中でもっとも通信料が少ない部分(ボトルネック)に合わせて通信を 行う。TCP はクライアントとサーバーが接続されていることが確認された後にデータの送 受信を行う。データ送信がうまくいかなかった場合再度送信し相手からの応答があった場 合通信が終了する。通信がうまくいったか確認しながら行うため信頼性が高い通信を行え る。TCP と同様に IP プロトコルのトランスポート層で動作するプロトコルで UDP(User Datagram Protocol)というものがある。IP を使ったネットワークにおいて、アプリケーショ ン同士が最小限の仕組みでデータを送受信できるように考案されたシンプルなプロトコル。 リアルタイム性が重要視される音声通話や動画配信などで利用されることが多い。受信す る側のデータを受け取れたか確認しないため信頼性はほかに比べ低いが、データ送受信に かかる工数が削減され、効率的かつ高速にデータを送り出せるというメリットがある。 ICMP は TCP/IP でネットワークの疎通がされているノード(サーバー、ネットワーク機器 など)間で、通信状態の確認をするために使われるプロトコル ICMP は OSI 参照モデルの ネットワーク層で動作する。
インターネットはローカルネットワークをルーターで接続したものであるが、世界的に 接続している現在においては階層構造になっている。最下層は利用者の端末である。これを より上の階層であるインターネットサービスプロバイダ(ISP)が、多くの利用者と接続する。 また、会社など組織単位のサーバーも最下層に位置付けられ、これも ISP に接続する。複数 の ISP が相互に接続するのがその上の階層であるインターネットエクスチェンジ(IX)と呼 ばれるものである。基本的にはこの 3 階層で成立をしているが IX 周辺には高速で大規模な 通信回線を提供する組織や、国際的に IX 群を組織している組織もある。さらに近年サーバ ー群を構築するクラウドサービスが直接 IX に接続できるように、クラウドサービス組織が IX 周辺の組織と連携することもある。
図2 インターネットの階層イメージ
ISP は小規模のものから大規模のものが存在する。代表的なものが AWS(Amazon Web Services) Amazon Web Services, Inc. により提供されるクラウドコンピューティングサービ スである。クラウド全体(SaaS なども含む)における世界的シェアが約 33 %を占める。次に、 Akamai Technologies(アカマイテクノロジーズ)多数のサーバーと高速のネットワークを利 用して負荷分散やトラフィックの最適化などを施すことによる大容量で高速のコンテンツ 配信サービスを導入している企業で 2017 年には全世界のインターネット通信料の約 15 % を占めるほどの信頼がある。日本の大企業も利用している。ISP はインターネット接続を仲 介する業者のことを指す。インターネットに接続する際には回線事業者と ISP が必要にな る、近年では回線事業者と ISP のサービスを提供することも多いため本論文では ISP と回 線事業者は同一のものとして扱う。日本のインターネットは JPNIC (Japan Network Information Center)という組織により インターネットを安定的に、円滑かつ的確に運用・ 管理されている。NIR(National Registry:国別インターネットレジストリ)として IP アドレ ス、AS 番号を管理している。
インターネットはある程度の組織単位で成り立っている。それらを AS(Autonomous System)と呼び、自律システムとも呼ばれる。1 つの組織によって管理されたネットワーク の単位。ルーティングポリシーによって運営されるネットワークでもある。 また、AS 間と ISP、IX の間では様々な通信プロトコルが存在し図解しながら解説する。
図3 インターネットの大規模構造
通信を行う上で通信経路の案内をするものが存在する。それがルーターと呼ばれるもので ある。ルーターとはインターネットにおける道案内をする機器を指す。ルーティングとはコ ンピュータが送信したデータ(パケット)を宛先のコンピュータまで適切に転送する処理の こと。ルーターはルーティングテーブルをもとにデータの道案内を行う。パケットには宛先 の IP アドレスが記載されているのでその IP アドレスをもとに経路の判断を行う。
クラウドコンピューティングは 1 台の物理サーバーに複数台のサーバーを仮想的に立て ることができるハイパーバイザー(仮想化技術)により実現したもの。仮想的に立てたサーバ ーを「仮想サーバー」と呼ぶ。物理サーバーに近い環境が仮想的に作られており、物理サー バー1 台分のスペースで複数の仮想サーバーを運用できるようになった。
インターネットにおける速度とは、体感的には利用者がサービスを受けられる効率と関 係していることが望ましい。前期のようにサービスは TCP で行われるが、TCP のボトルネ ックの速度と関係している。さらに、インターネットの利用者にはそれぞれの生活リズムが あるが、それにより、特定の回線の利用者数は時刻、曜日、月などの人間生活の周期ととも に変動する。そのため特定のサービスを特定の利用者が受けるサービスの効率も変動する。 また、個々の通信回線は効率 100%になるまで一定の時間で伝搬されるが、それらを相互に 接続しているルーターでは、わずかにあふれた場合にはデータを失わないようにパケット をバッファリングして遅延して送信する機能がある。これにより、混雑している通信回線周 辺ではパケットの通信時間の遅延が観測される。
速度計測サイトを使わずともコマンドプロンプトのコマンドから応答時間を見て通信速度 をある程度知ることができる。まず一つ目に pingt というコマンドがある。これは ネッ トワーク・ホストにエコーを要求する。端末からエコーリクエストを送ってホストまたはゲ ートウェイからエコーレスポンスを得る。ネットワーク及び各種外部ホストの状況の判別、 ハードウェア及びソフトウェアの問題の追跡と特定などに使用される。仕組みはシンプル で指定した IP アドレス宛に ICMP エコー要求メッセージを送信する。ICMP エコー要求メ ッセージとして、データをそのまま送り返す。ICMP エコー応答メッセージが返ってくれば ping が成功する。
次に tracert コマンドである。これは、ホスト間の経路情報を取得するためのコマンド。 最大ホップ数や、それぞれのルータの応答時間などが表示される。応答時間の数値が大きい ホップがあれば、そこが遅延や不安定な疎通の原因になっているなどが判明する。あるホス トから宛先のホストまでに到達するためにどのネットワーク経路を使用しているのかが分 かる。tracert は ICMP または UDP のどちらかを利用する。Windows は ICMP を使用す る。Tracert の仕組みは次のページに記す。
本研究で使用した速度計測サイト Fast.com は使用しているパソコンの通信速度を測るこ とができる Netflix によって提供されている通信速度測定サイトである。Open Connect Appliance(OCA)の分散ネットワークから25 [MB]のテストビデオファイルをダウンロード する。コンテンツの 1[byte]から 25[MB]までのダウンロード時間を計測し表示している。
Open Connect(OC)とは安全なポイントツーポイント接続を実装する仮想プライベート ネットワーク(VPN)に接続するための OSS(Open Source Software)アプリケーションを一 般的に指す。Netflix の OC は少し変わっており、ISP と直接共通の IX で自由にピアリング グすることができる。現在 Netflix には物理データセンターは無く Open Connect 技術の開 発が継続している。加入者が 10 万人を超える大規模 ISP に対して、Netflix は ISP のデー タセンターまたはネットワーク内でコンテンツをキャッシュしインターネットのトランジ ットコストを削減する Netflix Open Connect server Appliance(以下 NOCA)を無料で提供し ている。
tracert などから得られた IP アドレス WHOIS というサービスで調べる事ができる。イン ターネットで使用される IP アドレスやドメインは、それぞれに登録者が決まっており、IP アドレス登録者やドメイン登録者には、一定の情報を WHOIS で提供することが義務付け られている。この登録者の情報を照会するサービスを WHOIS という。
ARIMA モデルは Box & Jenkins によって最初に導出された。モデルには 3 つのタイプパ ラメータ、つまり自己回帰パラメータ(p)、差分の階級(d)、移動平均のパラメータ(q)が含 まれる。時系列データの分析において、多くの場合時系列の統計的な性質が時間の推移によ って変化しない定常過程を前提として分析が行われる。通常、時系列解析で定常化というと、 次に述べる統計的性質が弱定常化の事を指す。
大きさ n の時系列 { y1, y2, …yn }に対して、
すなわち、平均値、分散が観測時刻によらず一定値である時系列データである。その為、非 定常データに対しては、事前に差分変換、対数変換、平方根変換などの変換処理を行うこと で、定常化することはよく行われる。
ARIMA モデルは非定常過程に対する時系列モデルである。上で述べたように、ARMA モ デルは定常な時系列過程を前提としてきた。定常性ということは、 モデル自身が発散しないということである。時系列において平均値が時間的に変動する場 合(傾向変動が見受けられる場合など)は非常によく見受けられるものであり、それらに対し て、ARMA モデルはそのままでは適用できない。その為、平均値揺動を取り除くために様々 な方法が用いられるが、時系列の階差をとり、その階差時系列に対して ARMA モデルを適 用する。このモデルを ARIMA モデルあるいは自己回帰和分移動平均モデルと いう。
例えば、元の時系列データ {yt∶ t = 1, 2, … , n} を取り上げると、その一時階差時系列 {xt∶ t = 1, 2, … , n − 1}は次のように表される。
同様に、2 次の階差時系列 {zt ∶ t = 1, 2, … , n − 2}は
一般に d次の階差の時系列zt に ARMA モデルを適用 したものが ARIMA モデルである。
約 1 か月の朝と夜に通信測度計測サイトで通信速度を計測し人間生活とどう関係して いるか(時間や行事等)を調べ分析と考察を行う。今回使用する通信速度を計測するサイトは 「fast.com」を使用する。朝と夜に速度計測を 10 回ずつ行いデータの収集をする。測定は 埼玉県の自宅、iphone13 の 4G 通信で行う。
通信速度に関係する通信経路を特定するためにコマンドプロンプト上のコマンド 「tracert」や応答時間を計測する「ping」を使用する。通信経路及び通信にかかった時間を 測定しどこでトラフィックが起こっているかを確認する。「whois」のドメイン/IP アドレス サーチを使用してどのサーバー使用しているのか、どの団体が管理しているのかを調べる。 「fast.com」に関する文献や構築に関して調べる。
表1 使用機器
| 使用機器名 | スペック等 |
|---|---|
| Mouse G-Tune NG-N-i5520SA1-EX3 |
|
|
|
| iPhone 13 | RAM: 4GB |
10 月と 12 月に通信速度測定を行った。それによって得られたデータをグラフにして 示す。10 月は 3 日からデータ測定を始めた為値が少しずれている。
図4 時間による散布図(10月)
図5 時間による散布図(12月)
次に 10 月、12 月の朝と夜の比較と Excel で行った ARIMA モデルの予測結果を示す。
図6 10月朝の結果と予測
図7 12月夜の結果と予測
図8 12月朝の結果と予測
図9 12月夜の結果と予測
次に一日で計測した朝と夜の平均値でグラフ化したものを示す。
図10 10月1日あたりの結果と予測
図11 12月1日あたりの結果と予測
次に朝から夜にかけての通信速度の推移と予測を示す。
図11 10月通信速度の推移と予測
図13 12月通信速度の推移と予測
通信経路の測定 ping と tracert によって得られた結果を以下に示す。
図14 pingの通信確認
ping 応答が4 回中4回あり損失が0%であるため安定した通信が行えている事が分かった。
図15 tracertによる通信経路測定
得られた結果の上から、
図 4,5 より、10 月は特に大きな行事もないため大きな変化はなかった。時間的に早朝や 深夜帯といった時間帯にほかに比べ速い通信速度を出していることが分かった。12 月はク リスマスや大晦日といった多くの人が休日になる行事があったためか月末になるにつれて 通信速度が低下していった。また、10 月と同様に 12 月も深夜帯の AM 1:00~AM 6:00 まで に計測を行うと速い通信速度を記録する事ができた。
図 6 で通信速度が 80 を超えている日は共に早朝の 5 時台に計測を行っている。図 7 の 29,30,31 はすべて AM 1:00~5:00 の間に計測している。図 8,9 も同様に速い通信速度が 出ている場所は深夜帯または早朝の時間である。 このグラフは朝と夜の通信速度の平均値をとっているため 30~70 のなかに収まっている。 10 月の朝と夜の平均を取り Excel で中央値を計算すると 40.84 になった。同様に 12 月も 中央値を求めると 48.25 になった。以上の事から一日を通す 40~50[Mbps]の通信速度にな っている。ことが分かった。
図 12,13 のグラフは日付の奇数のメモリが朝で、偶数のメモリが夜である。図 12,13 の通 信速度が低い場所がある。これは計測した時間帯が PM 7:00~22:00 であり、この時間帯は インターネットを使用している人が多いためこういった結果になったのだと考える。 早朝や深夜帯は就寝している人が多くインターネットを使用している人間が少ないため 速い通信速度を計測する事ができたと考える。また、12 月に関しては大晦日など多くの人 が休日になり自宅でインターネットを使用するため全体的に速度低下が生じたと考える。 また、クリスマスや年末年始は世界的にも祝う行事であるため、世界的な通信トラフィック が起きているのではないかと考えた。ARIMA モデルによる予測も中央値に近い値で予測値 が表示されていた。次の予測であるため来年の 10 月と 12 月の大まかな予測値が得られた。 インターネットの通信速度は人間の生活リズムと非常に深く関係していることが考えら れる。
図 15 の結果から「fast.com」の通信速度測定の通信経路を知ることができた。 また、インターネットの大まかな通信経路は以下のようになると考えた。
図16 大まかな通信経路
常に同じ経路を通っているわけではないためここでは大まかな通信経路と示している。 「fast.com」は Open Connect という OSS を利用している。これは Netflix のコンテンツを 保存して利用者に提供するサーバーのグローバルに拡散されたネットワークである。地域、 独自の運用サーバーを使用してインターネット速度をテストすることで利用者の使用して いる回線のパフォーマンスを適切に測定していることが分かった。 「fast.com」は Netflix 管轄ではあるが Netflix の物理サーバーは存在しないため、NOCA を 提供された大規模 ISP(Akamai や AWS)のサーバーにアクセスしていると考えた。また、 Open Connect と採用し現在も継続しているのは各地域に適したカスタマイズが行えるよ うにしているためだと考える。
fast.com はビデオのテストファイルをダウンロードしている中での最高速度を表示して いることが分かった。また、BGP の利用しているためお互いの情報経路をやり取りしつつ 最適な通信経路をたどっていることがわかった。図 20 より ISP を変えたところで必ずしも 通信速度が速くなるわけではないということが分かる。クライアント側のスペックや ISP の サービスの問題がある場合は改善が可能だが、IX や接続先の ISP サーバーに問題がある場 合、クライアント側は対処ができないということが分かる。通信速度を知るということは通 信が安定していること且つ通信経路に問題がないかを確認する事だと考える。