JP2005079979A - 情報通信システムとその通信経路設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＱｏＳ（Quality of Service）の要求を満たす通信経路を規定の時間内に選択することの可能な情報通信システムとその通信経路設定方法を提供する。
【解決手段】エンド・ツウ・エンドでの通信を要求する端末装置の対ごとに複数の通信経路を仮定する。そして、通信経路の組合わせごとに、各通信経路における（算出遅延時間／最大許容遅延時間）の二乗を充足度として算出し、その総和を求める。この手順を複数の組合わせごとに順次実施し、充足度の総和が高い組合わせを残すようにして、いわば遺伝的アルゴリズムに例えることのできる手順により、充足度の総和が最も高い通信経路の組合わせを抽出するようにした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば無線ＬＡＮ（Local Area Network）などを利用する情報通信システムと、この情報通信システム内にＱｏＳ（Quality of Service）の確保を要求される通信回線を設定するための通信経路設定方法に関する。

情報通信ネットワークにおいては、種々の形式の通信回線が設定される。通信回線は、ＱｏＳを保障しないベストエフォート型と、ＱｏＳを保障するギャランティ型との２種類に大別できる。ＱｏＳは伝送経路において生じる伝送遅延時間を主な指標として評価され、所望の帯域に対して遅延時間が短いほど高く評価される。

ＱｏＳが重視されるネットワークにおいて任意の端末間でのエンド・ツウ・エンドの経路にＱｏＳ保障の必要が生じると、その時点でリソース予約プロトコルなどによりネットワークのリソースが確保される。確保されたリソースは、ＱｏＳ保障の必要が無くなった時点で解放される。このような方式において複数の経路のうちいずれを選択するかは、ネットワーク管理者により手動で決定される場合と、またはルーティングプロトコルを用いたマシン処理により自動的に決定される場合とがある。

前者の場合には、ネットワークの管理者に高いスキルレベルが要求される。また、特に無線ＬＡＮ（Local Area Network）により形成される通信網においてはネットワークトポロジが頻繁に変化することが多い。このため経路設定に係る各種の設定をトポロジの変化の度に変更する必要があり、人手を介する作業によっては迅速な対応を期待することが難しい。

後者の場合には、複数の端末間で同じ経路が共有されることがしばしば発生する。ルーティングプロトコルは、端末間で選択可能な経路のうち最も効率のよい経路を選択するからである。よって、或るリンクの許容量を越える帯域を要求された場合に、仮に他のリンクにより十分な帯域を持つ迂回経路が用意できるとしても、ＱｏＳを維持できなくなることがある。また端末間で要求される遅延時間の最大値が経路途中のノードの処理能力を越えた場合にも、ＱｏＳを維持できなくなるという不具合がある。また、経路の演算結果が収束しないことが頻繁に生じるため、前者の場合と同様に迅速な対応を期待することが難しいという不具合がある。

ところで、遺伝アルゴリズムと称して知られるアルゴリズムがある（例えば、非特許文献１参照）。このアルゴリズムは人工知能の分野における研究から発展してきたもので、車載カーナビゲーションシステムなどへの応用が研究されている（例えば、特許文献１参照）。このアルゴリズムは、与条件下での最適な解を得られるとは限らないが、解を得るまでの時間を比較的短くできるという特長を有する。
特開２００１−９１２８４号公報（［００５４］など） 平野 広美 著「応用事例でわかる遺伝的アルゴリズムプログラミング」パーソナルメディア（株）発行

以上述べたように、特にネットワークトポロジが頻繁に変化する情報通信システムにおいては、ＱｏＳの確保を要求される通信経路を迅速に設定し難いという不具合がある。遺伝アルゴリズムまたはそれに類似したアルゴリズムを何らかの工夫により情報通信経路の選択に応用できれば、ＱｏＳの要求を満たす経路を比較的短時間に選択できる可能性がある。しかしながらそのような情報通信システムは未だ知られていない。
本発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、ＱｏＳの要求を満たす通信経路を規定の時間内に選択することの可能な情報通信システムとその通信経路設定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、複数のノードとこれらのノードを接続する複数のリンクとを備えて形成されるネットワークと、このネットワークを利用して互いに情報通信を行う複数の端末装置とを備え、一対の端末装置間に形成される通信経路が他の一対の端末装置間に形成される通信経路と互いに区別し得る優先度を有する情報通信システムにおいて、前記複数のノードおよび複数のリンクの個々の通信能力情報を収集する収集手段と、前記ネットワーク内における前記通信経路の組合わせを規定数にわたり無作為に仮定し、各組合わせにおける通信経路ごとに、当該通信経路の途中に存在するノードおよびリンクの通信能力情報と当該通信経路の優先度とを引数とする関数を用いてＱｏＳの充足度を算出する算出手段と、前記充足度の総和が最も高い組合わせを反映する通信経路を前記ネットワーク内に設定する設定手段とを具備することを特徴とする。

このような手段を講じることにより、端末間に設定される通信経路につき、所定の関数により算出される充足度を尺度として、端末間でのＱｏＳの要求にどの程度応えられるかを評価することができる。一対の端末間を接続する通信経路は幾通りにも考えられ、通信経路の組合わせを複数通りにわたり仮定することができる。組合わせの総数は、接続すべき端末装置の対が増えるにつれ幾何級数的に増加するが、このうち規定数の組合わせが無作為に仮定される。仮定されたそれぞれの組合わせにつき通信経路の充足度の総和が算出され、その値が最も高い通信経路の組合わせが設定手段により実現される。

従って、通信経路の複数の組合わせのうちＱｏＳの充足度が最も高い組合わせを選択することができるようになる。しかも、予め定められた数の組合わせの中から最も充足度の高い組合わせを選択すれば良いので、演算処理が収束しないといった事態を招くことも無い。これにより、ＱｏＳの要求を満たす通信経路を規定の時間内に選択することが可能になる。

本発明によれば、ＱｏＳの要求を満たす通信経路を規定の時間内に選択することの可能な情報通信システムとその通信経路設定方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図１は、本発明に係わる情報通信システムの実施例を示すシステム図である。図１の情報通信システムは、情報通信ネットワークと、このネットワークに接続される複数の端末装置１１〜１ｔとを備える。情報通信ネットワークは例えば無線ＬＡＮなどとして実現され、複数のノード２１〜２ｓと、これらのノード２１〜２ｓの間を接続するリンクＬとを備えて形成される。本実施例では、各ノード間におけるそれぞれのリンクＬは必ずしも固定的かつ安定的に存在するとは限らないとする。よって情報通信ネットワークのネットワークトポロジは比較的短い時間内に変化し得る。

端末装置１１〜１ｔは例えばＰＣ（パーソナルコンピュータ）、携帯電話端末、または、ＰＤＡ（Personal Digital Assistants）などとして実現される。端末装置１１〜１ｔは任意の２つが一対の組をなし、情報通信ネットワークを介して互いにエンド・ツウ・エンドでの情報通信を行う。その通信経路は幾通りにも考えることができる。ノード２１〜２ｓは例えばルータ（Router）である。リンクＬは、例えば無線通信チャネルとして実現される。

ところで、図１の情報通信システムは経路判定装置１００を備える。経路判定装置１００は情報通信ネットワークに設けられ、いずれかのノード（図１ではノード２５，２６，２９，および２ｓ）に接続される。経路判定装置１００は例えばサーバ装置に専用のアプリケーションソフトウェアを実装して実現される。経路判定装置１００とノードとを接続するリンクＬは少なくとも一つが常時確保されているものとし、経路判定装置１００がネットワーク内で孤立することは無いものとする。

図２は、図１の経路判定装置１００の実施例を示す機能ブロック図である。経路判定装置１００は、インタフェース（Ｉ／Ｆ）部１０１と、表示部１０２と、入出力部１０３と、制御部１０４と、記憶部１０５とを備える。インタフェース（Ｉ／Ｆ）部１０１は、接続相手のノードとの間でのリンクＬを介したインタフェース処理を担う。表示部１０２および入出力部１０３は、経路判定装置１００とその操作者（オペレータ）との間でのユーザインタフェース処理を担う。制御部１０４は、記憶部１０５に記憶される制御ソフトウェアや各種データをもとに情報通信ネットワーク内に通信経路を設定するための処理を実行する。

ところで制御部１０４は、収集処理部１０４ａと、算出処理部１０４ｂと、設定処理部１０４ｃとを備える。収集処理部１０４ａは、ノード２１〜２ｓの個別の通信能力情報、および、各リンクＬの個別の通信能力情報を各ノード２１〜２ｓから定期的に収集する。通信能力情報とは、例えば収容可能な伝送容量や通信速度などを示す量である。各リンクＬの通信能力情報は当該リンクＬに隣接するノードにより定期的にモニタされ、データ化される。収集処理部１０４ａは、例えばポーリング方式によりノードに問い合わせることにより、リンクＬの通信能力情報に係るデータを収集する。

算出処理部１０４ｂは、情報通信を要求する端末装置の対が生じた場合に、各対の端末装置間に設定可能な通信経路の組合わせを、規定数にわたり無作為に仮定する。そして、この仮定されたそれぞれの組合わせにおける通信経路ごとに、その通信経路の途中に存在するノードおよびリンクＬの通信能力情報と、その通信経路の優先度とを引数とする関数を用いて、端末装置の要求するＱｏＳの充足度を算出する。設定処理部１０４ｃは、算出処理部１０４ｂにより算出される充足度の総和が最も高い組合わせを反映する通信経路を情報通信ネットワーク内に設定する。

なお収集処理部１０４ａ、算出処理部１０４ｂ、および設定処理部１０４ｃの各機能は、既存の制御ソフトウェアにパッチコードを追加することなどにより追加される新たな機能である。

図３は、図１および図２の構成における処理手順を示すフローチャートである。図１において、経路判定装置１００は各ノード２１〜２ｓからリンクＬおよびノード自身の通信能力情報を定期的に収集し、ネットワークの状況を把握する（ステップＳ１）。次に、通信を要求する端末装置は、通信の開始に先立って既知のリソース予約プロトコルにより、例えば通信帯域などといった通信リソースの予約を最寄のノードに要求する（ステップＳ２）。

リソースの予約を要求されたノードは、要求されたリソースと、端末装置の要求するＱｏＳレベルとに基づいて最大許容遅延時間を算出する（ステップＳ３）。算出された最大許容遅延時間は情報通信ネットワークを介して経路判定装置１００に通知される。経路判定装置１００は、通知された最大許容遅延時間を通信を要求する端末装置の対ごとに記憶する。

次に経路判定装置１００は、通信経路の組合わせを区別するための添字ｉを初期化（ｉ＝０）したのち（ステップＳ４）、通信を要求する端末装置の対ごとに一つの通信経路を無作為に仮定する。これにより通信経路の一つの組合わせが仮定され、この組合わせをＮ０（すなわちＮｉでｉ＝０）とする（ステップＳ５）。

通信経路の組合わせは、個々の通信経路をＰｍｎで表すと、次式（１）のように表される。なおＰｍｎは、個々の端末装置の対を自然数ｎで区別したとき、組合わせＮｍにおいて端末装置対ｎの間に形成される通信経路である。

式（１）において、ｊは通信を要求する端末装置の対の総数である。すなわちｎおよびｊは自然数であり、１≦ｎ≦ｊである。

次に経路判定装置１００は、各通信経路Ｐｉｎ（ｉ＝０）ごとに、通信に係る遅延時間を第１のパラメータとして算出する。また各通信経路Ｐｉｎ（ｉ＝０）ごとに、個々の端末装置の対が要求する最大許容遅延時間を第２のパラメータとして求める。そして、各通信経路Ｐｉｎ（ｉ＝０）ごとに、（第１のパラメータ／第２のパラメータ）の二乗、すなわち（算出遅延時間／最大許容遅延時間）の二乗を算出する。その値を本実施例では充足度と称する。充足度は、端末装置の要求するＱｏＳを各通信経路がどの程度充足するかを示す指標として用いることができる。そして経路判定装置１００は、組合わせＮ０に対して充足度の総和Ｓｉ（ここではｉ＝０）を求める（ステップＳ６）。算出されたＳ０の値は変数Ｑに代入される。

なおＳｉの一般式は、次式（２）のように表すことができる。

式（２）において、Ｆ（）は各経路における充足度算出関数である。Ｗｋは経路Ｐｉｋに設定される優先度である。

次に経路判定装置１００は、添字ｉをインクリメントして（ステップＳ８）、別の経路の組合わせＮｉ（ｉ＝１）を仮定する（ステップＳ９）。次に経路判定装置１００は、ステップＳ６と同様にして充足度の総和Ｓｉ（ｉ＝１）を算出する（ステップＳ１０）。次に経路判定装置１００は、ＱとＳｉとを比較し、その値の大きいほうをＱに代入する（ステップＳ１１〜Ｓ１３）。これにより、いわば遺伝的アルゴリズムに似た手順に基づいて、充足度の総和が高い経路が徐々に抽出されるようになる。

ステップＳ８からステップＳ１３までの処理手順は、ステップＳ１４の判断ブロックによりｉが規定値に達するまで繰り返される。そしてｉが規定値に達することにより、試行回数ｉのなかで充足度の総和が最も高い経路が選び出される。すなわちステップＳ１４においてＹｅｓと判断された時点におけるＱに対応する経路の組合わせが、充足度の総和が最も高い組合わせに対応する。そして経路判定装置１００は、この時点におけるＱに対応する通信経路の組合わせを、情報通信ネットワーク内に設定する（ステップＳ１５）。

図４は、情報通信ネットワーク内に設定される通信経路の一例を示す図である。図４においては、端末装置１１と１３とからなる対の間に、ノード２１，２５，２６，２４を経由する通信経路が設定された状態が示される。

このように本実施例では、エンド・ツウ・エンドでの通信を要求する端末装置の対ごとに複数の通信経路を仮定する。そして、通信経路の組合わせごとに、各通信経路における（算出遅延時間／最大許容遅延時間）の二乗を充足度として算出し、その総和を求める。この手順を複数の組合わせごとに順次実施し、充足度の総和が高い組合わせを残すようにして、いわば遺伝的アルゴリズムに例えることのできる手順により、充足度の総和が最も高い通信経路の組合わせを抽出するようにしている。

このようにしたので、各経路の組合わせごとにＱｏＳがｄの程度満たされているかを、ネットワーク全体を対象として（すなわち個々の通信経路のみを対象とするのでなく）、的確に評価することが可能となる。しかも、仮定される経路の組合わせの総数が予め定められているので、設定すべき通信経路の算出にかかる時間を、システム要求に応じてどのようにも定めることができる。さらに、各組合わせごとに充足度の操作を算出しその値の高い組合わせを残すといった比較的単純なアルゴリズムに基づくものであるため、演算の結果が収束しないといった事態を招く虞も無い。このようなことから、ＱｏＳの要求を満たす通信経路を規定の時間内に選択することの可能な情報通信システムとその通信経路設定方法を提供することが可能となる。

なお、本発明は上記実施例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素の適宜な組合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

本発明に係わる情報通信システムの実施例を示すシステム図。 図１の経路判定装置１００の実施例を示す機能ブロック図。 図１および図２の構成における処理手順を示すフローチャート。 情報通信ネットワーク内に設定される通信経路の一例を示す図。

符号の説明

Ｌ…リンク、１１〜１ｔ…端末装置、２１〜２ｓ…ノード、１００…経路判定装置、１０１…インタフェース部、１０２…表示部、１０３…入出力部、１０４…制御部、１０４ａ…収集処理部、１０４ｂ…算出処理部、１０４ｃ…設定処理部、１０５…記憶部

Claims (6)

1. 複数のノードとこれらのノードを接続する複数のリンクとを備えて形成されるネットワークと、このネットワークを利用して互いに情報通信を行う複数の端末装置とを備え、一対の端末装置間に形成される通信経路が他の一対の端末装置間に形成される通信経路と互いに区別し得る優先度を有する情報通信システムにおいて、
   前記複数のノードおよび複数のリンクの個々の通信能力情報を収集する収集手段と、
   前記ネットワーク内における前記通信経路の組合わせを規定数にわたり無作為に仮定し、各組合わせにおける通信経路ごとに、当該通信経路の途中に存在するノードおよびリンクの通信能力情報と当該通信経路の優先度とを引数とする関数を用いてＱｏＳ（Quality of Service）の充足度を算出する算出手段と、
   前記充足度の総和が最も高い組合わせを反映する通信経路を前記ネットワーク内に設定する設定手段とを具備することを特徴とする情報通信システム。
2. 前記算出手段は、前記通信経路の途中に存在するノードおよびリンクの通信能力情報から当該通信経路において生じる遅延時間を第１のパラメータとして算出し、当該通信経路の優先度から当該通信路において許容される最大の遅延時間を第２のパラメータとして算出し、（第１のパラメータ／第２のパラメータ）の二乗を前記充足度として算出することを特徴とする請求項１に記載の情報通信システム。
3. 前記算出手段は、充足度の総和を選択基準とする遺伝的アルゴリズムに基づいて前記規定数の組合わせから一つの組合わせを選択し、
   前記設定手段は、この選択された組合わせを反映する通信経路を前記ネットワーク内に設定することを特徴とする請求項１に記載の情報通信システム。
4. 複数のノードとこれらのノードを接続する複数のリンクとを備えて形成されるネットワークと、このネットワークを利用して互いに情報通信を行う複数の端末装置とを備える情報通信システムの前記端末装置間に、互いに他と区別し得る優先度を有する通信経路を設定する通信経路設定方法において、
   前記複数のノードおよび複数のリンクの個々の通信能力情報を収集する収集ステップと、
   前記ネットワーク内における前記通信経路の組合わせを規定数にわたり無作為に仮定する仮定ステップと、
   この仮定ステップにおいて仮定された各組合わせにおける通信経路ごとに、当該通信経路の途中に存在するノードおよびリンクの通信能力情報と当該通信経路の優先度とを引数とする関数を用いてＱｏＳ（Quality of Service）の充足度を算出する算出ステップと、
   前記充足度の総和が最も高い組合わせを反映する通信経路を前記ネットワーク内に設定する設定ステップとを具備することを特徴とする通信経路設定方法。
5. 前記算出ステップは、
   前記通信経路の途中に存在するノードおよびリンクの通信能力情報から当該通信経路において生じる遅延時間を第１のパラメータとして算出する第１パラメータ算出ステップと、
   前記通信経路の優先度から当該通信路において許容される最大の遅延時間を第２のパラメータとして算出する第２パラメータ算出ステップと、
   （第１のパラメータ／第２のパラメータ）の二乗を前記充足度として算出する充足度算出ステップとを含むことを特徴とする請求項４に記載の経路設定方法。
6. 前記算出ステップは、
   充足度の総和を選択基準とする遺伝的アルゴリズムに基づいて前記規定数の組合わせから一つの組合わせを選択する選択ステップを備え、
   前記設定ステップは、前記選択ステップにおいて選択された組合わせを反映する通信経路を前記ネットワーク内に設定するステップであることを特徴とする請求項４に記載の経路設定方法。

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