アプリケーションルータにおける情報抽出およびテーブル検索のアクセラレーションに関する研究

 高度情報化社会の進展に伴い，インターネットのあり方は大きく変化した．IP電話やファイル共有，スマートグリッド等，さまざまなアプリケーションがインターネット上で実行される．このような中で，インターネットにおける情報処理システムは成熟し，従来の至上命題であったスループットの獲得のみならず，ネットワーク利便性の向上やトラフィックの削減，消費電力の削減といった役割が求められるようになった．

 このような要求に対し，現在のエンドツーエンド原理を基にしたネットワーク処理がもたらす解決策は最適であるとはいえない．近年のインターネットでは，通信ノードが状況に応じて動的に変化するアプリケーションが増え，必ずしもエンドツーエンドにおいてネットワーク処理を行うことが最適ではなくなっている．そこで，通信内容まで踏み込んだパケット解析機能をルータが有することで，ネットワーク経路上においても高度に通信を制御可能とするアプリケーションルータが注目されている．

 アプリケーションルータは，通信内容やコンテンツ情報を含むパケットペイロードまで踏み込んだ情報抽出・解析を行うことで，IoTにおける情報処理や，ネットワーク型侵入検知システム，動的な負荷分散といった今後のインターネットに必要とされるさまざまな機能をネットワーク経路上で提供できる．しかしながら，アプリケーションルータには3つの性能的課題が存在する．

 まず1つに，GZIP圧縮されたネットワークデータの展開処理がある．GZIP展開は処理の複雑さから数Gbpsの達成が限界であった．次に，パケットのペイロードに対する文字列探索処理がある．文字列探索処理もGZIP展開と同様に，処理工数の多さから数Gbpsの達成が限界であった．最後に，テーブル検索処理がある．アプリケーションルータでは，情報解析結果をもとに各種テーブルのエントリ追加や変更を頻繁に行うため，従来のルータよりもテーブル検索にかかる負荷が増大する．これら性能的課題によって，既存のアプリケーションルータは10Gbps以上の広帯域ネットワークに適用することが困難であり，実用性の低さから普及に至っていない．

 そこで本論文では， 3つの性能的課題それぞれを解決するアーキテクチャを提案した．まず，ハードウェア並列性を活かした高速なGZIP展開機構を提案し，最大で25Gbpsの処理性能を得た．現在のGZIP圧縮適用率が5.5%程度であることから，本機構により400GbpsネットワークにおけるGZIP展開処理が可能となった．次に，ラビン-カープ法を基にした文字列探索処理のフィルタリング機構を提案し，文字列探索処理負荷を96%程度削減できることを示した．既存の文字列探索スループットが最大で7Gbps程度であることから．本機構を用いることで100Gbpsネットワークにおける文字列探索が可能となった．最後に，ごく小規模なキャッシュを用いたパケット処理機構を提案し，従来の17.9%の消費電力で400Gbps以上の処理性能が得られることを示した．これらにより，アプリケーションルータのパケット処理全体で100Gbps以上の処理性能が得られることを示した．