CN1984011B - 数据传输网络和数据传输网络的运用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种数据传输网络以及数据传输网络的运用方法。本发明的课题在于提供从有效节点数、必要链路数、必要最大节点容量、网络总成本等观点出发的综合评价高于现有网络的数据传输网络。作为解决手段，本发明的数据传输网络的特征在于，具有在构成m(m为2以上的自然数)维超集线结构的核心节点间直接连接的m维交换结构。

Description

数据传输网络和数据传输网络的运用方法

技术领域

本发明涉及通过链路连接多个节点的数据传输网络。

本发明的数据传输网络可应用于例如一般的因特网、公众通信网、企业内通信网、LAN、计算机网络、分布式计算机网络、分布式路由器网络、交换机网络、在路由器或各种装置内部等使用的各种开关网络、连接CPU或存储器的数据通信网、CPU等的LSI内部的数据通信网等的各种网络。

背景技术

作为结合多个节点而分散节点处理的现有的数据传输网络的构成方式，有(1)总线网络(bus network)；(2)环形网络(ring network)；(3)集线网络(hub network)(星形网络)；(4)全互连网络(full-mesh network)，以及它们的超扩展(hypercube：超立方体)网络等(参照非专利文献1)。

非专利文献1：(日本)平成16年NICT委托研究开发成果报告书「フオトニツクネツトワ一クに関する光アクセス網高速広带域通信技術の研究開発」，独立行政法人情报通信研究机构，平成17年5月刊，p280-308，p513-522

但是，今后，如同在计算机IT网络等中看到的那样，终端数量将会非常庞大，对终端速度也要求进一步高速化。对于这种巨大、高速的网络，提高网络整体的通信量收容能力是很重要的，并且相对于通信量收容能力，使网络结构所需的资源量的总和最优化、效率化成为探讨的课题。

相对于通信量收容能力T来决定网络整体资源量总和的变量有多种，而单位通信量的节点总数和单位通信量的链路总数这两个变量是独立的重要变量。在上述(1)～(4)的网络及其超结构的网络中，单位通信量的节点总数如图12所示，单位通信量的链路总数如图13所示。如图12和图13所示，即使单位通信量的节点总数较小，单位通信量的链路总数也不一定小，两个变量产生相互折衷关系的情况较多。

相对于通信量收容能力T的最优网络结构，意味着以单位通信量的节点总数和单位通信量的链路总数这两个作为变量，使网络总成本TNC最低的结构。

将网络总成本TNC作为以单位通信量的节点总数和单位通信量的链路总数这两者为变量导出的模型，使用与实际价格非常一致的SL成本模型等，从而在图14中示出相对于通信量收容能力T的各网络结构的网络总成本TNC。

另外，这里示出的相对于通信量收容能力T使网络总成本TNC较小的网络结构，具有依存于通信量收容能力T的大小而变化的可能性，找出保持随着网络规模增长的情况来改变结构，从而始终能够相对于通信量收容能力T，使网络总成本TNC保持为较小的网络结构以及运用网络的方法是当前的课题。

发明内容

为了解决上述课题，本发明的数据传输网络具有在构成m(m为2以上的自然数)维超集线(hyper hub)结构的核心节点间直接连接的m维交换(interchange)结构。

另外，本发明的数据传输网络的运用方法，当改变构成网络的节点的数量时，计算相对于通信量收容能力的网络总成本，保持网络总成本为最优而进行网络结构切换。

在使用本发明的网络结构时，能够使单位通信量的节点总数和单位通信量的链路总数保持平衡地减小。图15中示出了基于本发明的网络总成本TNC与通信量收容能力T的TNC/T比。为了与其它网络进行比较，在图14中也同时示出了其它网络结构的值，可见，在本发明的网络结构中能够实现网络总成本TNC较低的数据传输网络。

此外，由图15可知，随着通信量收容能力增长，从一维超全互连结构、二维超全互连结构、三维交换结构乃至三维超全互连结构、四维交换结构、五维交换结构，最优结构逐渐变化。由此可见，本发明中所包含的各种网络结构表现出了在某一限定的通信量收容能力的范围内为最优结构，随着收容能力的变化最优结构改变的倾向。

作为在各种所需收容能力下实现这种随收容能力变化而改变的最优结构的方法，例如可以考虑使用OXC等功能而实现的网络运用方法，由此，可在更宽的通信量收容能力的范围内有效地运用网络。

附图说明

图1是第一实施方式的节点和节点坐标的说明图。

图2是完全二部图的说明图。

图3是示出第一实施方式的从群G1的一个节点展开的链路的图。

图4是示出第一实施方式的从群G2的一个节点展开的链路的图。

图5是示出第一实施方式的从群G3的一个节点展开的链路的图。

图6是示出第一实施方式的节点和链路的图。

图7是表示OXC节点结构例的图。

图8是示出第二实施方式的节点群和节点配置的图。

图9是示出在第二实施方式中将节点作为网格点表示时从(0，1，1，1)向其它节点的链路展开方式的图。

图10是示出在第二实施方式中将节点作为网格点表示时群G3和群G4之间的链路状态的图。

图11是示出在第二实施方式中将节点作为网格点表示时全部链路的展开方式的图。

图12是表示在各种网络中单位通信量的节点总数的图。

图13是表示在各种网络中单位通信量的链路总数的图。

图14是表示相对于通信量收容能力T的各网络结构的网络总成本-通信量比(TNC/T)的图。

图15是表示相对于通信量收容能力T的各网络结构的网络总成本-通信量比(TNC/T)的图。

图16是示出使用OXC功能的网络结构切换的例子的图。

具体实施方式

本发明对于大规模化、高速化的网络，为了提高网络整体的通信量收容能力，使网络结构最优化/高效化，作为相对于通信量收容能力T减小图14所示网络总成本TNC的网络构成手段，使用下面的m维交换网络构成方法。

首先，在对m维交换网络构成方法进行说明之前，对各节点是m(m是2以上的自然数)维超集线结构的网络进行说明。

m维超集线结构是指由排列在m维长方形上的节点数N^*＝∏n_i(其中，∏为i＝1～m的积)个边缘节点构成的网络，该m维长方形各边由n_i个节点构成。使该N^*个边缘节点分别与表示各自位置的节点坐标相对应，记为(a₁，a₂…a_m)，表示在各维方向上是第几个节点(其中，在各个第i维方向上，a_i满足1≤a_i≤n_i)。

在m维超集线结构中，除了该N^*个边缘节点还考虑下面的N(＝N^*∑(1/n_i)；其中∑为i＝1～m的和)个核心节点，各自的坐标使用表示边缘节点的坐标的方法，设为(b₁，b₂…b_m)。其中，除了m个维方向中的一个以外，与边缘节点同样地满足1≤b_i≤n_i，仅剩下的一个坐标值为0。第i个坐标值为0的核心节点共有N^*/n_i个，而核心节点总共有N^*∑(1/n_i)个。当在这些边缘节点与核心节点之间必定展开下面所示的链路，而在此之外没有链路展开时，将该网络结构称为m维超集线结构。

m维超集线结构中的链路扩展方式是在坐标(a₁，a₂…a_m)的边缘节点和坐标(b₁，b₂…b_m)的核心节点之间，在全部坐标中当b_i＝0或b_i＝a_i成立时一定展开链路，而除此以外则不展开。在m维超集线结构中，边缘节点之间或核心节点之间不是以链路直接连接，而是链路仅在特定的边缘节点与核心节点之间展开。

以该m维超集线结构为基础，说明m维交换网络结构。m维交换网络结构的节点仅在m维超集线结构中考虑的N＝N^*∑(1/n_i)个核心节点处成立。m维交换网络结构的节点坐标使用m维超集线结构的核心节点坐标，记为(b₁，b₂…b_m)。即，其中m个的维方向中除了一个以外都为1≤b_i≤n_i，而仅剩下的一个坐标值为0。此时，在m维交换网络结构的节点之间进行如下的链路展开。将两个m维交换网络结构的节点坐标记为(b₁，b₂…b_m)和(c₁，c₂…c_m)，则在m维超集线结构中存在具有两个核心节点(b₁，b₂…b_m)和(c₁，c₂…c_m)的边缘节点(a₁，a₂…a_m)，在分别与边缘节点(a₁，a₂…a_m)链接时，两个m维交换网络结构的节点(b₁，b₂…b_m)和(c₁，c₂…c_m)链接，除此以外不进行链接。将这种网络称作附随于m维超集线结构的超集线副结构，或者简称作m维交换结构。

(A)第一实施方式

以下，参照附图对本发明的数据传输网络的第一实施方式进行说明。

图6是示出第一实施方式的数据传输网络的节点配置和节点间连接结构的说明图。第一实施方式的数据传输网络NET1可以考虑为，将具有图2所示的所谓完全二部图的N(＝N1+N2)个节点的网络进行维扩展(超扩展)至m维。图2中节点分为G1和G2这两个群，群G1的全部节点与群G2的每一节点均展开了链路。图1是将该完全二部图扩展至三维，仅示出节点的图。示出了全部节点分为G1、G2、G3三个群，各群分别由20个(＝4个×5个)、15个(＝5个×3个)、12个(＝3个×4个)节点构成的情况。群G1的20个节点使用三个坐标值x1、x2、x3表示为(x1，x2，x3)。其中x1全部为零，x2为从1到4的整数，x3为从1到5的整数。使用该坐标将群G1的节点排列为4×5的矩形。

群G2和群G3也同样地可以使用(x1，x2，x3)形式的坐标来表示各节点而排列成矩形。在群G2中x2全部为零，x1为从1到3的整数，x3为从1到5的整数。另外，在群G3中，x3全部为零，x1为从1到3的整数，x2为从1到4的整数。

在这样以坐标表示群G1、群G2、群G3的节点时，在该网络中，在不同的群的节点中三个坐标值中的两个坐标值不同的两个节点之间展开链路。

例如考虑群G1中坐标为(0，1，1)的节点。与该节点展开链路的节点，在群G2的节点中有(1，0，1)、(2，0，1)、(3，0，1)这三个节点，在群G3的节点中有(1，1，0)、(2，1，0)、(3，1，0)这三个节点，总共与六个节点展开链路。

同样地，群G2的各个节点分别与其它群的各四个节点，总共八个节点展开链路。另外，群G3的各个节点分别与其它群的各5个节点，总共十个节点展开链路。这样的情形如图3、图4、图5所示。

图1、图3、图4、图5、图6是本发明的数据传输网络的三维超扩展例，示出了坐标值的最大值分别是3、4、5的情况的例子，一般地，任意整数值的组合均可。

图7是表示各节点内部结构例的框图。各节点由光开关部和路由器部、多个光发送部、多个光接收部构成，构成为OXC(光交叉连接)节点。在图7中，第一实施方式的节点中的一个节点N0向光开关S0一同输入来自与自己链路连接的m个节点N1，N2…Nm的光信号，和来自本节点的路由器部R0的插入(add)光信号，通过光开关进行所期望的交换后，输出发往与自己链路连接的m个节点N1，N2…Nm的光信号，以及发往本节点的路由器部R0的分出(drop)光信号。分出光信号通过光接收部Rx0转换为路由器输入电信号，路由器输出信号经光发送部Tx0转换为插入光信号。在路由器部R0中，与输入该节点的插入电信号一起输入路由器输入电信号，进行所期望的转送(forwarding)处理后，与从该节点输出的分出电信号一起作为路由器输出电信号输出。

(B)第二实施方式

下面，参照附图对本发明的数据传输网络的第二实施方式进行说明。其中，图8是示出第二实施方式的数据传输网络的节点配置和节点群的说明图。

在图6所示的第一实施方式的数据传输网络NET1中，对图2所示的完全二部图进行三维扩展。第二实施方式的数据传输网络NET2是对图2所示的完全二部图进行四维扩展的网络。在第二实施方式中也与第一实施方式同样，将网络的全部节点分为四个群G1～G4，各节点分别以四个坐标值(x1，x2，x3，x4)表示。其中，群Gi的节点的第i个坐标值为零，其它坐标值xj具有从1到nj的整数值。连接节点间的链路的展开方式与第一实施例完全相同，在不同的群的节点中，坐标值中有两个不相同的节点彼此连接。

图8中示出的第二实施方式的数据传输网络NET2表示n1，n2，n3，n4分别为4时的节点配置，群G1～G4的节点分别形成一边四节点的立方体，以64个节点构成一个群，整个网络中具有256个节点。各立方体中所包含的点(节点)向其它立方体的某一特定点(节点)进行链路扩展。图9示出了在将节点表示为网格点时，从群G1的一个节点向其它群展开链路的状态。图10中作为例子示出了群G3和群G4之间的全部链路，图11中记入了网络中的全部链路，用白色线条表示将各群的节点排列为网格状的情况。

第二实施方式的各节点的内部结构例可以是与第一实施方式的各节点的内部结构例相同的结构。

通过第一实施方式和第二实施方式，或者对其进行五维以上的超维扩展，从而可实现提高了有效节点数对节点数的比例，抑制了总链路数(必要链路数)或所需最大节点容量，降低了网络总成本的网络。

图15示出了三维、四维和五维的网络总成本-通信量流量比，由这些附图，可以证明上述效果。

在上述各实施方式的说明中，没有涉及本发明的数据传输网络的用途，但本发明例如可以应用于一般的因特网、公众通信网、企业内通信网、LAN、计算机网络、分布式计算机网络、分布式路由器网络、交换机网络、在路由器或各种装置内部等使用的各种开关网、连接CPU或存储器的数据通信网、CPU等LSI内部的数据通信网等的各种网络。

(C)第三实施方式

通过计算相对于通信量收容能力的网络总成本，能够选择使单位通信量的节点总数和单位通信量的链路总数取得平衡且较小的网络结构。

该网络总成本例如可以通过考虑以下的S-L成本模型(Superlinear-Linear Cost Model)而求得。

网络的总成本(TNC：Total Network Cost)分为作为节点导致的成本而取决于节点处理量的成分和不取决于节点处理量而仅由节点敷设数量决定的成分。对链路也同样考虑。其通过以下式(1)表示。

TNC＝∑^αN{Cost^N(^αT)+C_N}+∑^βN{Cost^L(^βT)+C_L}(1)

其中，Cost^N，Cost^L是基于节点处理量、链路传输量的成本函数，C_N，C_L为节点、链路的敷设成本，^αN是第α个节点种类的个数，^αT是第α个节点种类的节点处理量，^βN是第β个链路种类的个数，^βT是第β个链路种类的链路传输量。Cost^N(x)、Cost^L(x)分别与x^k(k＝1.5～2.0)、x成正比。这是由于为了增加节点处理量，节点内的开关要素的数量按照节点处理量的平方增长，而成为接近节点处理量的平方的成本增长方式。与此相对，为了增加链路容量，可以控制链路而进行复用，控制装置数量需要与复用数成正比，因此线性关系成立。该S-L成本模型与实际成本曲线基本一致。

在使用该模型时，一般地，可以采用Cost^N(x)＝C₀(x/T₀)^k、Cost^L(x)＝C₀(x/T₀)。C₀和T₀是节点处理量和链路传输量相等，并且节点装置价格和链路装置价格相当时的价格和容量。在T和主节点容量Y一定的条件下，

TNC/C₀X_eff＝{A(Y/T₀)^K+(1-ρ)(Y/T₀)+(C’_N+C’_LL^N/2)B}/ρ(2)。

其中，

A＝(^α’γ/^α’δ)^k-1∑^αδ^k/^αγ^k-1、B＝(^α’δ/^α’γ)、C’_N＝C_N/C₀、C’_L＝C_L/C₀。

其中，^αγ表示第α个节点种类的个数^αN占节点数整体的比例，^αδ表示第α个节点种类的节点处理量^αT占总处理量整体的比例，^α’γ表示最大处理节点的个数^α’N占节点数整体的比例，^α’δ表示最大处理节点的节点处理量^α’占总处理量整体的比例。

使用该S-L成本模型进行成本计算，例如按照目前(2005年)市场实际价格预算为C₀＝10⁸(日元)，T₀＝10¹²(bps)，k＝1.7，C’_N＝5×10^-2，C’_L＝2.5×10^-1。其依据在于，设1TBps、100Gbps电路由器的实际价格分别为1亿、200万，10Gbps传输装置100万，节点敷设费用(C_N)为500万，链路敷设费用(C_L)为2500万。与此对应，估计2015年时，C₀＝10⁹(日元)，T₀＝2.5×10¹³(bps)，k＝1.7，C’_N＝5×10^-3，C’_L＝2.5×10^-2。其依据在于，设10TBps、100Gbps光路由器的价格为2亿，而k、节点敷设费用(C_N)、链路敷设费用(C_L)与2005年相同。

根据该假设，能够计算各种网络结构的网络总成本。

使用图7所示的具有OXC功能的节点，从而能够随着通信量的增长，而增加必要的网络资源，始终能够将网络整体结构重组为图15所示的最优网络结构。

该重组不限于具有适于大规模网络的m维交换结构的网络结构，在按照从适用于较小的全互连网络的一次全互连网络、二次超全互连网络、三次交换网络直到高次的交换网络的顺序进行重组的情况也是有效的。

图16表示在一般地由多个OXC节点构成的网络中，通过切换图7所示的OXC节点的光开关部来切换网络结构的状态。图16(1)表示8个节点和连接于节点之间的9条光纤布线。图16(2)表示使用8个节点的OXC功能来实现8节点链路结构(R¹)的状态。图16(3)表示使用OXC的切换功能，将图16(2)所示的8节点链路结构切换为8节点三维超全互连结构时的状态。通过该切换可将可处理通信量增加约1.21倍。

在图16中示出了使用OXC功能从链路结构切换成三次超全互连结构的例子，而同样地通过切换从一维超全互连结构、二维超全互连结构、三维交换结构乃至三维超全网状结构、四维交换结构、五维交换结构等网络整体结构，从而能够使得始终将网络总成本保持为最优地来进行网络扩展的网络运用成为可能。

Claims (3)

1.一种数据传输网络，其特征在于，该数据传输网络具有在构成m维超集线结构的核心节点间直接连接的m维交换结构，其中m为2以上的自然数，在m维超集线结构中，仅在特定的边缘节点与核心节点之间展开链路。

2.一种数据传输网络的运用方法，该数据传输网络具有在构成m维超集线结构的核心节点间直接连接的m维交换结构，其中m为2以上的自然数，在m维超集线结构中，仅在特定的边缘节点与核心节点之间展开链路，其特征在于，当改变构成网络的节点的数量时，计算相对于通信量收容能力的网络总成本，使网络总成本保持为最优而进行网络结构切换。

3.根据权利要求2所述的数据传输网络的运用方法，其特征在于，所述各节点具有光交叉连接功能，利用该光交叉连接功能进行网络结构切换。

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