Created: 2023/04/05
Last modified: 2024/10/23

あつまれ低レイヤの杜

〜システムソフトウェア（松原克弥）研究室

研究室紹介出展概要

オープンラボ当日は，対面にて，下記の催しを行います．
- WasmEdge で LogoFetch
- MAGIC:Magical webAssembly miGration stIck
- バランスボール・ロボ
- Flowerで花推定
- あさっこルームズ
- Choigru

システムソフトウェア研究

本研究室では，システムソフトウェアの研究をとおして，社会で飛びぬけて活躍できるエンジニアスキルを身につけることを目指しています．

システムソフトウェアって何？

システムソフトウェアは，PC やスマホで動く様々なアプリケーションの快適な動作や安心・安全を支える縁の下の力持ち的なソフトウェアです．
代表的なものとして，OS（オペレーティングシステム）があります．
（例：Windows，Mac，Android，Linux など）

システムソフトウェアがないとどうなるの？

例えばインターネット… OS がないと，複雑で難解なネットワーク通信を自分で制御しなければならず，ネットサーフィンするのも一苦労です．

例えば，アプリケーションを使うとき… Word や Excel，ゲームや Web ブラウザを同時に使えなかったり，フリーズしたり快適に動作しなかったりします．さらに，システム攻撃や情報漏えいに対して無防備になります．

システムソフトウェアを研究して，いいことあるの？

いいことその１：ブラックボックスの解明

Windows や Mac，Android など，システム内の動作や仕組みを理解できるため，システムやアプリケーションのチューンナップ，エラー発生や動作不安定の原因究明に役立ちます．

いいことその 2：最新技術研究とのコラボ

IoT（Internet of Things）やビッグデータ，クラウドコンピューティングといった最新技術に触れることができます．

いいことその 3：PC やスマホの眠れる力を呼び覚ます

PC やスマホの性能を引き出し，新たな機能を創造できます．

こんな人にオススメ

コンピュータやプログラムが動いている裏側を知りたい！
低レイヤに関する技術力を高めたい！
松原克弥先生が好き！

キーワード

システムソフトウェア技術（仮想化，ネットワーク，システムプログラミング，並列分散処理など）
コンピューティング技術（クラウド，IoT など）
圧倒的成長
松原克弥

研究紹介

Inter-Planetary Filesystem における Churn 耐性とコンテンツ取得効率に関する分析

伊藤晋梧
高度ICT領域・修士 2 年

Inter-Planetary Filesystem(IPFS)と呼ばれる分散ファイルシステムが現在普及し始めている
IPFSはWeb3.0の構造を支える技術であり，その性能や仕組みについて研究が行われている
現在実現されている中央集権型のシステムとの比較や代替となるかどうかの検証は行われているが，IPFSのコンテンツ指向な特性や非中央集権的な仕組みを用いたことによる変化や影響はあまり検証されていない
IPFSには，複数ノードがネットワークに頻繁に出入りした時の挙動が実装通りかどうかなど，明らかになっていない点が多く存在している
IPFSを用いたシステムの開発を行なっても安全かどうか，挙動が正常かどうかを判断する資料がないため，IPFSを用いたシステムの開発が困難になっている
IPFSの実装の調査や，ネットワークに対して実験を行い，IPFSのChurn耐性やコンテンツ取得の流れ，効率を明らかにする

広域に分散した IoT デバイス群を対象とした P2P 型 OS プロビジョニング

森川太斗
情報アーキテクチャ領域・修士 2 年

熊谷竣
情報アーキテクチャ領域・修士 2 年

インターネット上の様々な攻撃にさらされる IoT デバイスは、ソフトウェアアップデートなど適切なセキュリティ対策が必要不可欠
一方で、 IoT デバイスは広域に分散して配置されているため管理が煩雑
サーバから OS イメージを動的に取得しつつデバイスを起動するネットワークブートは効率的な管理を実現できる
大量のデバイスを一斉起動した際、サーバに集中する負荷で起動時間が増加する「ブートストーム」が発生
P2P を用いた OS イメージの分散管理を導入することで課題の解決を図り、独自のテストベッドを用いて研究の有効性を評価

WebAssembly ランタイムにおける計算リソース利用量の監視・制御

石本直也
情報アーキテクチャ領域・修士 2 年

斉藤優月
情報システムコース・4 年

エッジコンピューティング基盤でのアプリケーション実行環境として計算資源消費量や起動速度の面で優れているWebAssembly(Wasm) に注目
既存 Wasm ランタイムの計算リソース制御は、指定した独自の実行コスト（Gasコスト）を超えた場合、プログラムの強制終了による制限のみ
Wasmアプリケーションごとの実行状態（メモリ使用量、CPU使用率など）の取得をLinuxカーネルの機能とWasmRuntimeの機能を活用し実現する
計算機基盤（OS）は、時間当たりの CPU 実行割合で管理しているため、Gasコストを各CPU毎の実行時間に変換し、Wasmの実行を時間当たりのコスト消費量で制御する機構を実現
これにより、計算資源の限られたクラウド基盤において柔軟で効率的な計算リソース割り当てが可能となる

異種OS機能連携によるセキュアコンテナの実現

鈴木進太郎
情報アーキテクチャ領域・修士 1 年

坂口颯麻
情報システムコース・4 年

Linux で実現され広く普及したコンテナ型仮想化は、 OS カーネルをコンテナ間で共有することで、軽量かつ高速に起動することができる一方、カーネル脆弱性を悪用した攻撃によりコンテナ間隔離が脆弱となるリスク
ハードウェア仮想化技術やシステムコール検査などの手法と比較して、Linux 以外の OS カーネル上で Linux コンテナを動作可能とすることで、Linux カーネルの脆弱性を利用した攻撃を低オーバヘッドで回避
異種 OS が持つ独自のセキュリティ機能を透過的適用することで、ファイル I/O やネットワークを利用した攻撃に対しても効率的な防御を実現

ランタイム実装中立なWebAssemblyライブマイグレーション

藤井大吾
高度ICTコース・4 年

IoT や AI の技術進歩により、多くの IoT デバイスが大量のデータを生成し、データ転送による通信遅延が大きくなるので、デバイス付近にエッジサーバを配置するエッジクラウドが普及
エッジクラウドはクラウド・エッジサーバ・デバイスから構成され、各層のマシンや地理的特徴から処理性能と通信遅延のトレードオフが発生
WebAssembly(Wasm) を用いて、エッジクラウドにおけるクラウド層・エッジサーバ層・デバイス層間でアプリをマイグレーションすることで、処理性能と通信遅延のトレードオフを柔軟に変更可能に
異種 Wasm ランタイム間でマイグレーションを実現することで各環境や用途に合わせたWasm ランタイムを選択

クラウドドボティクスに適したロボット基盤ソフトウェアに関する研究

中村碧
知能システムコース・4 年

ロボットとクラウドが連携することで高度な知能処理と低遅延な制御処理を両立できるクラウドロボティクスでは、システム起動時に各機能モジュールをロボットとクラウドへ分散配置することが必要
バッテリ残やネットワーク状況の変化などが要因となり、モジュール配置構成が最適ではなくなる可能性
CPUアーキテクチャが異なるロボットとクラウド間でROS（Robot Operating System）ノードの配置を動的に再構成できるようにするために、WebAssemblyを用いた軽量でアーキテクチャ中立なROSランタイムを実現
ROS ランタイムの WebAssembly 化にともなうオーバヘッド増加に対処するために、組み込みデバイス向け軽量ROS2実装であるmROS2/POSIXを採用
災害時などの環境が変化する場合に対しても、ロボットとクラウド間での処理分担を柔軟に再構成・最適化することで、ロボット制御の継続実行を可能にする

連合学習処理における通信方式の最適化

東未来翔
知能システムコース・4 年

プライバシーの保護や、通信料の低減、学習処理の分散等の利点から機械学習の方式の一つである「連合学習」が使用されている
回線品質の低いクライアントが参加したすると、学習の進捗全体が阻害されるという課題がある
多くの連合学習フレームワークがTCPベースの通信方式を採用している TCPの信頼性保障の仕組みは、低質な回線においてはオーバーヘッドを増大させることが知られる -本研究では、連合学習の通信にUDPをベースとするDDSを採用し、上記課題の解決とQoS（Quality of Service）の制御によるより効率的な通信を目指す

キャンパスDXに向けた学務情報のオープンデータ化

中川匠海
情報システムコース・4 年

今日の大学では、LMS（Learning Management System）や教務システムなど、それぞれの目的に応じた複数のシステムを組み合わせたICT学修支援環境を構築している
複数のシステムに必要な情報が分散していることや、Webサイトやメール等の限られたアクセス手段しか提供されないことで、学生に対する「学務情報への到達容易性」が課題となっている
複数のシステムでそれぞれ異なる形式で分散管理されている学務情報（休講・振替連絡、課題〆切、教室空き状況など）をスクレイピング技術等を用いて収集し、モバイルアプリなどで活用できるようにオープンデータ化する
スマートフォンやSNSなどの情報アクセス媒体に慣れた「デジタルネイティブ世代」の学生に適した学修支援の実現を目指す