JP2009284271A - ネットワーク経路選択方法および通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】高信頼通信を実現し、不要な通信を可能な限り回避することができるネットワーク経路選択方法を得ること。
【解決手段】ネットワークコーディングに用いる経路を選択するネットワーク経路選択方法であって、リンクの長さを初期化するステップと、送信元ノードからいずれか一つの宛先ノードへの独立経路をリンクの長さに基づいて求めるステップ（Ｓ２５，Ｓ２６）と、求めた独立経路に用いられたリンクの長さに係数を乗算するステップ（Ｓ２８）と、すべての宛先ノードについてＳ２５，Ｓ２６，Ｓ２８を繰り返し、独立経路に用いられたリンクおよびノードをサブグラフとし（Ｓ３０）、経路をサブグラフに基づいて選択する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、有線および無線のネットワークにおいてネットワークコーディングを行うネットワーク経路選択方法および通信システムに関する。

通信装置（以下、ノードという）を通信路（以下、リンクという）で接続したネットワークで発信元から宛先に向けて情報を伝送する際、従来の一般のパケット通信では、各ノードが入力された情報を所望の宛先に向けて出力する交換処理が行なわれていた。交換処理では、パケットを宛先に向けて振り分けるだけで、パケット内のユーザ情報に処理を施さない。これに対し、近年注目されているネットワークコーディング技術では、各ノードは、交換処理だけでなくコーディング（符号化）も行ない、ネットワーク全体として効率的な伝送ができるように工夫している（下記特許文献１および下記非特許文献１〜５参照）。

ネットワークコーディングの第一の特長は、伝送の効率化すなわち帯域等の通信資源の有効利用である。これまでのネットワークコーディングの技術では、多数の宛先に向けて送信すべき情報を、広く効率的に伝達する方法が提案されている。

特開２００６−３１６９３号公報 Ｒ． Ａｈｌｓｗｅｄｅ ｅｔ． ａｌ． "Ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｌｏｗ" ＩＥＥＥ ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ， ｖｏｌ． ４６， ｎｏ． ４， Ｊｕｌｙ， ２０００， ｐｐ． １２０４−１２１６ 山本幹 "ネットワークコーディング" 電子情報通信学会誌 Ｖｏｌ．９０，Ｎｏ．２，２００７年２月，ｐｐ．１１１−１１６ Ｓ−Ｙ． Ｒ． Ｌｉ ｅｔ． ａｌ． "Ｌｉｎｅａｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｄｉｎｇ" ｖｏｌ． ４９， ｎｏ． ２， Ｆｅｂ． ２００３， ｐｐ． ３７１−３８１ Ｔ． Ｈｏ， Ｍ． Ｍｅｄａｒｄ， Ｒ． Ｋｏｅｔｔｅｒ， Ｄ． Ｒ． Ｋａｒｇｅｒ， Ｍ． Ｅｆｆｒｏｓ， Ｂ． Ｌｅｏｎｇ， "Ａ ｒａｎｄｏｍ Ｌｉｎｅａｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｄｉｎｇ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｍｕｌｔｉ−ｃａｓｔ，" ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｈｅｏｒｙ， ｖｏｌ．５２， ｎｏ． １０， ｐｐ． ４４１３−４４３０， Ｏｃｔ． ２００６ Ｊ．−Ｓ． Ｐａｒｋ， Ｍ． Ｇｅｒｌａ， Ｄ． Ｓ． Ｌｕｎ， Ｙ． Ｙｉ， Ｍ． Ｍｅｄａｒｄ， "Ｃｏｄｅ−Ｃａｓｔ： Ａ Ｎｅｔｗｏｒｋ−Ｃｏｄｉｎｇ−Ｂａｓｅｄ Ａｄ Ｈｏｃ Ｍｕｌｔｉｃａｓｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ，" ＩＥＥＥ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ． ｖｏｌ． １３， ｎｏ． ５， Ｏｃｔ． ２００６， ｐｐ．７６−８１．

しかしながら、上記従来のネットワークコーディングの技術によれば、多数の宛先に効率良く伝送する方法が提案されており、特定の宛先に対して必要な情報を確実に伝達すること、また必要でない通信を避けて周囲から通信を傍受される機会を軽減すること、は考慮されていなかった。そのため、特定宛先に確実に情報を伝達することができず、また、傍受の確率を低減していない、という問題があった。

たとえば、上記非特許文献４，５記載の技術では、各ノードはランダムにコーディング方式を選択して情報を伝送し、失敗した場合にはそのパケットを廃棄する。したがって、確実な情報伝達，不要の通信の回避については考慮されていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、特定宛先に確実に情報を伝達する高信頼通信を実現するとともに、不要な通信を可能な限り回避して傍受される確率を低減することができるネットワーク経路選択方法および通信システムを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ノードと、前記ノードを接続するリンクと、で構成され、また、前記ノードのうちの１つを情報の送信元である送信元ノードとし、また、前記ノードのうちの２つ以上を情報の宛先である宛先ノードとするネットワークモデルを用いて、ネットワークコーディング方式の通信に用いる経路を選択するネットワーク経路選択方法であって、前記リンクの長さを所定の値に初期化する初期化ステップと、前記送信元ノードから前記各宛先ノードのうちのいずれか一つの宛先ノードへの独立経路を、前記リンクの長さに基づいて求める独立経路算出ステップと、前記独立経路算出ステップで求めた独立経路に用いられたリンクの長さに所定の係数を乗算する係数乗算ステップと、前記独立経路算出ステップおよび前記係数乗算ステップがすべての宛先ノードについて実行されるまで、前記独立経路算出ステップおよび前記係数乗算ステップを繰り返し実行し、前記繰り返しの後に、前記独立経路に用いられたリンクおよびノードを抽出してサブグラフとするサブグラフ生成ステップと、を含み、ネットワークコーディングの通信に用いる経路を前記サブグラフに基づいて選択することを特徴とする。

この発明によれば、独立経路として用いられないリンクおよびノードを含まないサブグラフを生成し、また、各リンクが独立経路として使用されるたびにそのリンクの長さに重み係数ｐを乗じることとし、重み係数ｐを乗じたリンクの長さを考慮して独立経路を選択して、また、サブグラフを用いてネットワークコーディング方式を決定するようにしたので、特定宛先に確実に情報を伝達するとともに、不要な通信を可能な限り回避して傍受される確率を低減することができる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかるネットワーク経路選択方法および通信システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明にかかる通信システムの実施の形態のネットワークモデルの一例を示す図である。本実施の形態では、図１に示すようなネットワークモデルを前提として本発明にかかるネットワーク通信方法を説明する。図１に示すように、ネットワークモデルは、通信装置を示す複数のノードＮと、ノードＮ間を接続する通信路であるリンクＬと、で構成される。図１に示すように、リンクＬは、方向成分を有しており、矢印で示した方向に向き付けられている。このように、本実施の形態では、ノードＮが方向成分を有するリンクＬ（以下、有向リンクという）で、結ばれているネットワークを前提とする。

また、図１に示すように、ノードＮのうちの１つは、情報の送信元（Ｓ：Source）である発信元ノードＮＳとする。また、ノードＮのうちの１つまたは複数は、情報の宛先（Ｔ：Target）である通信装置である宛先ノードＮＴとする。図１では、宛先ノードＮＴは、２つとし、それぞれ宛先ノードＮＴ１、ＮＴ２と添え字をつけて表す。

本実施の形態では、ネットワークコーディング技術を用いて、できるだけ効率的な通信を行なうネットワークコーディングでは、ネットワークモデルにおける発信元ノードＮＳから宛先ノードＮＴへの独立経路が意味を持つ。独立経路とは、１つの発信元ノードＮＳから１つの宛先ノードＮＴｉ（ｉは宛先ノードを識別するための添え字）まで他の経路と共通のリンクＬを通ることのない経路である（共通のノードは通ってもよい）。

ネットワークコーディング技術では、図１で例示したネットワークモデルにおいて、発信元ＮＳから宛先ノードＮＴへの独立経路数が効率的通信の上限値となることが「Ｓ−Ｙ． Ｒ． Ｌｉ ｅｔ． ａｌ． “Ｌｉｎｅａｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｄｉｎｇ” ｖｏｌ． ４９， ｎｏ． ２， Ｆｅｂ． ２００３， ｐｐ． ３７１−３８１」などで理論的に示されている。このため、ネットワークコーディング技術では、発信元ノードＮＳから宛先ノードＮＴへ独立経路の確保が効率的な通信を行うために重要な意味を持つ。

図２は、本実施の形態のネットワークモデルの独立経路の一例を示す図である。図２では、ＮＳを始点としＮＴ１を宛先とした場合の２つの独立経路の例として、独立経路ＲＴ１＿１，ＲＴ１＿２を示している。また、同図では、ＮＳを始点としＮＴ２を宛先とした場合の２つの独立経路の例として、独立経路ＲＴ２＿１，ＲＴ２＿２を示している。

図２を見ると、ＮＳからＮＴ１までの独立経路ＲＴ１＿１，ＲＴ１＿２と、ＮＳからＮＴ２までの独立経路ＲＴ２＿１，ＲＴ２＿２のいずれにも使用されない（独立経路構成に寄与しない）多数のリンクＬがある。ＮＳからＮＴ１，ＮＳからＮＴ２への通信に使用するのは、コーディング方式の決定（各ノードが行う符号化，演算等の具体的内容の決定）の前に設定する独立経路のみであり、それ以外のリンクおよびノードは使用しない。したがって、独立経路構成に寄与しないリンクおよびノードは、コーディング方式の決定の前にネットワークモデルから削除しても、ネットワークコーディングの効率的な通信には影響がない。それどころか、独立経路構成に寄与しないリンクの設定および維持にも通信資源が必要となることを考慮すると、これらのリンクの削除により、通信効率をより高めることが可能となる。

また、冗長なリンクやノードが無い分、コーディング方式決定が容易となる。さらに、元のネットワークモデル中に巡回路（ループ）、すなわちリンクＬの向きに沿って一周するともとのノードＮに戻るようなネットワーク部分が存在したとしても、冗長なリンクやノードの削除によりループの一部が切断され、ループを回避できる可能性が高い。

本実施の形態では、元のネットワークモデルから冗長なリンクおよびノードを削除したものをサブグラフと呼ぶこととする。図３は、本実施の形態のサブグラフの一例を示す図である。サブグラフは、ノードＮとリンクＬがそれぞれ元のグラフ（図１に示したネットワークモデル）の部分集合（サブセット）であるグラフ（ネットワーク部分モデル）である。効果的なサブグラフとは、独立経路構成に寄与しない冗長なリンクおよびノードを含まないグラフである。図３に示したサブグラフは、図１または図２に示した元のネットワークモデルから、図２に示した独立経路ＲＴ１＿１，ＲＴ１＿２および独立経路ＲＴ２＿１，ＲＴ２＿２に使用されない（独立経路構成に寄与しない）リンクＬおよびノードＮを削除したものである。

また、独立経路は同一の宛先ノードに対しては同一リンクを含まないが、異なる宛先ノードに対応する独立経路同士は、同一のリンクを含む場合がある。ある１つのリンクがいくつの独立経路に含まれるか、をリンクの使用率と呼ぶこととする。リンクの使用率が高いほどリソースを有効活用した効率的な通信を行うことができるため、本実施の形態では、リンクの使用率を上げるように独立経路の選択を行う。

つづいて、本実施の形態のネットワーク経路選択処理について説明する。図４は、本実施の形態のネットワーク経路選択処理を含むネットワークコーディング設計方法の手順の一例を示すフローチャートである。まず、発信元ノードと宛先ノードを決定し、元のネットワークモデルを生成する（ステップＳ１１）。このネットワークモデルは、ノードと有向リンクからなり、本実施の形態では図１に示したネットワークモデルを生成することとし、生成方法は、従来の一般的なネットワークコーディングの場合と同様である。

つぎに、後述のネットワーク経路選択処理の手順に従って、ネットワークコーディングのための効果的なサブグラフを決定する（ステップＳ１２）。そして、ステップＳ１２で決定したサブグラフに基づいて、ネットワークコーディング方式を決定する（ステップＳ１３）。ネットワークコーディング方式の決定とは、各ノードＮで入力信号にどのような行列をかけて出力信号を得るか、を具体的に決定することであり、ネットワークコーディングの符号化の方式，演算の方式を決定することである。ネットワークコーディング方式の決定方法は、一般的なネットワークコーディング技術で行われる方法と同様とする。従来のネットワークコーディング技術では、ステップＳ１２は行われない。本実施の形態では、ステップＳ１１とステップＳ１３の間にステップＳ１２を行うことにより、ステップＳ１３を効率的に実施することができる。

図５は、本実施の形態のネットワーク経路選択処理の手順の一例を示すフローチャートである。なお、このネットワーク経路選択処理は、ネットワークに含まれるノード（たとえば、発信元ノードＮＳ、または、ネットワークを制御するノード等）が行うようにしてもよいし、あらかじめ、ネットワークとは別の計算機で処理を行うようにしてもよい。

まず、各リンクの長さを１に初期化しておく。宛先ノードＮＴ１，ＮＴ２，…に対し、１，２，…，ｍ（ｍは宛先ノードの数）と番号をふる（ステップＳ２１）。つぎに各宛先ノードへの独立経路の数の最小値を求めるために用いる変数であるｄを大きな初期値に設定する（ステップＳ２２）。この大きな初期値は、たとえば、想定される各宛先ノードへの独立経路の数より大きな数にしておけばよい。

以下、ステップＳ２３からステップＳ２９を、各宛先ノードＮＴｉ（ｉ＝１〜ｍ）について行う。ｉ回目のステップＳ２３〜ステップＳ２９の処理では、ｉ番目の宛先ノードに関する処理を行う。まず、宛先ごとの独立経路を計数するためのカウンタとして用いるパラメータｋを０に初期設定する（ステップＳ２３）。つぎに、発信元ノードＮＳから番号（ステップＳ２１で振った番号）ｉに対応する宛先ノードＮＴｉまでの経路があるか否かを判断する（ステップＳ２４）。ステップＳ２４では、ｉ回目にステップＳ２４を実施する場合には、番号ｉに対応する宛先ノードＮＴｉまでの経路があるか否かを判断する。

ステップＳ２４で宛先ノードＮＴｉまでの経路があると判断した場合（ステップＳ２４ Ｙｅｓ）には、発信元ノードＮＳからｉ番目の宛先ノードＮＴｉまでの最短経路を選択する（ステップＳ２５）。このときの最短経路の選択方法としては、たとえば、「茨城俊秀、福島雅夫，“最適化の手法”，共立出版，１９９３，ｐｐ．４３−４４」に示されているダイクストラ法を用いる。最短経路の選択方法は、この他にもいろいろ知られており、これに限らず、どの方法を用いてもよい。また、厳密に最短な経路ではなくほぼ最短に近い経路を選ぶアルゴリズムを用いて最短経路として選択するようにしてもよい。

つぎに、パラメータｋを１だけ増加させ（ｋ＝“ｋ＋１”とする）、ステップＳ２５で選択した最短経路で使用したリンクをネットワークモデルから削除し、ステップＳ２４に戻る（ステップＳ２６）。ステップＳ２６で削除元となるネットワークモデルは、ｋ＝１の場合は、前述のステップＳ１１で生成したネットワークモデルである。また、ｋが２以上の場合には、ステップＳ２６で削除元となるネットワークモデルは、（ｋ−１）回目までのステップＳ２６の処理によりリンクの削除が行われた後のネットワークモデルとなる。

ｋが１以上の（同一の宛先ノードに対する２回目以降の）ステップＳ２４の処理では、（ｋ−１）のステップＳ２６の処理でリンクの行われた後のネットワークモデルについて、発信元ノードＮＳから宛先ノードＮＴｉまでの経路があるか否かを判断する。

ステップＳ２４で、発信元ノードＮＳから宛先ノードＮＴｉまでの経路がないと判断された場合（ステップＳ２４ Ｎｏ）には、ｋ＜ｄであればｄ＝ｋに設定する（ステップＳ２７）。ｋ＜ｄでない場合には、ｄの値はそのままとする。そして、ステップＳ２６で削除した全リンク（以下、削除リンクという）を元に戻し（ステップＳ１１で生成した状態に戻す）、戻す際に、削除リンクのそれぞれの長さに重み係数ｐ（０＜ｐ＜１）を乗じる（ステップＳ２８）。

そして、全ての宛先ノードについてステップＳ２３〜ステップＳ２８の処理が終了したか否かを判断し（ステップＳ２９）、終了していない場合（ステップＳ２９ Ｎｏ）には、ステップＳ２３に戻りつぎの宛先ノードについての処理を行う。ステップＳ２９で全宛先ノードについて処理が終了したと判断した場合（ステップＳ２９ Ｙｅｓ）には、ステップＳ１１で生成したネットワークモデルのうち最短経路で使用した全リンクを保持し、他のリンクおよびノードをすべて削除して（ステップＳ３０）、処理を終了する。

こうして保持されたリンクとノードからなるサブグラフが、本実施の形態のサブグラフである。また、各宛先ノードについてステップＳ２６で削除したｋ個の最短経路がその宛先ノードへの独立経路であり、処理が終了した時点の最終的なｄの値が各宛先ノードへの独立経路の数の最小値である。ネットワークコーディングの一般論により、発信元ノードＮＳから宛先ノードＮＴｉ（ｉ＝１〜ｍ）にｄ次元のデータを１回の送信で送ることができる。

また、１つのリンクはできるだけ多数の経路に使用されていることが望ましいと考える点が、本発明の特徴の１つである。１つのリンクはできるだけ多数の経路に使用されると、必要なリンクおよびノードの数を少なくすることができ、効率的な通信を行うことができる。そこで、本実施の形態のネットワーク経路選択処理では、ステップＳ２６で選択された最短経路として使用したリンクの長さに重み係数ｐを乗じることにより、この望ましさを定量的に求めるようにしている。ここでは、０＜ｐ＜１としているため、リンクが使用される回数が多いほど、リンクの長さが短くなる。そして、リンクの長さが短いと、ステップＳ２５の最短経路の選択の際に、選択されやすくなる。したがって、このようにｐを乗じていくことにより、１つのリンクがより多数の経路として使用されやすくなる。なお、ｐの値は、０＜ｐ＜１の範囲で自由に設定してよいが、ｐの値が小さいほど「１リンクはできるだけ多数の経路に使用されていることが望ましい」という目的をより強く実現することができる。

このように、本実施の形態では、ネットワークモデルから独立経路として用いられないリンクおよびノードを削除したサブグラフを生成し、また、各リンクが独立経路として使用されるたびにそのリンクの長さに重み係数ｐを乗じることとした。そして、重み係数ｐを乗じたリンクの長さを考慮して独立経路を選択し、また、サブグラフを用いてネットワークコーディング方式を決定するようにした。このため、効率的なネットワークコーディングのために、宛先ごとに必要なノードおよびリンクを過不足なく含み、また、不要なノードおよびリンクを削除している。したがって、特定宛先に確実に情報を伝達する高信頼通信を実現するとともに、不要な通信を可能な限り回避して傍受される確率を低減することができる。

以上のように、本発明にかかるネットワーク経路選択方法および通信システムは、ネットワークコーディングを採用する通信システムに有用であり、特に、秘匿性を要求される通信システムに適している。

本発明にかかる通信システムのネットワークモデルの一例を示す図である。 本発明のネットワークモデルの独立経路の一例を示す図である。 サブグラフの一例を示す図である。 ネットワークコーディング設計方法の手順の一例を示すフローチャートである。 ネットワーク経路選択処理の手順の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

Ｌ リンク
Ｎ ノード
ＮＳ 発信元ノード
ＮＴ１，ＮＴ２ 宛先ノード

Claims (4)

1. ノードと、前記ノードを接続するリンクと、で構成され、また、前記ノードのうちの１つを情報の送信元である送信元ノードとし、また、前記ノードのうちの２つ以上を情報の宛先である宛先ノードとするネットワークモデルを用いて、ネットワークコーディング方式の通信に用いる経路を選択するネットワーク経路選択方法であって、
   前記リンクの長さを所定の値に初期化する初期化ステップと、
   前記送信元ノードから前記各宛先ノードのうちのいずれか一つの宛先ノードへの独立経路を、前記リンクの長さに基づいて求める独立経路算出ステップと、
   前記独立経路算出ステップで求めた独立経路に用いられたリンクの長さに所定の係数を乗算する係数乗算ステップと、
   前記独立経路算出ステップおよび前記係数乗算ステップがすべての宛先ノードについて実行されるまで、前記独立経路算出ステップおよび前記係数乗算ステップを繰り返し実行し、前記繰り返しの後に、前記独立経路に用いられたリンクおよびノードを抽出してサブグラフとするサブグラフ生成ステップと、
   を含み、
   ネットワークコーディングの通信に用いる経路を前記サブグラフに基づいて選択することを特徴とするネットワーク経路選択方法。
2. 前記初期化ステップでは、前記リンクの長さを１とし、前記係数を０より大きく１未満の値とすることを特徴とする請求項１に記載のネットワーク経路選択方法。
3. 宛先ノードごとの独立経路数の最小値を求め、前記最小値を前記ネットワークコーディングで送信するデータの次元数とすることを特徴とする請求項１または２に記載のネットワーク経路選択方法。
4. 請求項１、２または３に記載のネットワーク経路選択方法により選択された経路を用いてネットワークコーディング方式の通信を行うことを特徴とする通信システム。

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