JP2014027547A - 経路選択方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ネットワーク上で、エッジノード間のトラフィック要求に応じて、スリープできるリンクとコアノードを増やす。
【解決手段】 本発明は、トポロジ情報を取得し、ひとつのエッジノードをツリーの始点として、他のすべてのエッジノードを終点とするスタイナーツリーを求める。このとき、始点とするエッジノードは、すべてのエッジノードの中で最もノード次数の大きいノードを選択する。スタイナーツリー上の１エッジノードを始点エッジノードとし、当該始点エッジノードからツリーに沿って経路を辿って行き、他のエッジノードに辿り着いたときに、その経路を始点エッジノードから当該エッジノードまでの経路として確定し、この処理をすべての始点エッジノード以外のエッジノードに行きつくまで続け、スタイナーツリーに属するリンクとノードのみでエッジ間の経路を求める。
【選択図】 図２

Description

本発明は、経路選択方法及び装置に係り、特に、ネットワーク上のノードとリンクをスリープモードにすることにより、当該ネットワークで利用される電力の削減を実現するための経路選択方法及び装置に関する。

IP(Internet Protocol)ネットワークでは、エッジルータから他のエッジルータまでデータが通信される際に、複数のリンクと複数のコアルータを経由する。しかし、エッジ間のトラフィックが少ない場合には、トラフィックが通過しないリンクとノードをスリープモードにすることにより使用電力を削減できる。そのため、エッジ間のトラフィック要求の変動に合わせて、スリープできるリンクとコアノードを増やすことを可能とする経路選択方法が求められる。

複数のノードとその複数ノード間を繋ぐ複数のリンクで構成されるネットワーク上で、ネットワーク利用ユーザに繋がる複数のエッジノード間で生じるトラフィック要求をどのような経路を通ってコアネットワーク上で通信するかについては、いくつかの文献が出ている。

非特許文献１では、エッジノード間で要求されるトラフィックが与えられた際に、そのトラフィックをネットワーク上で送信時、スリープモードにできるノード内のラインカードとリンクの終端ポートに必要な電力の総和を最大にする経路を選択することにより求める。ただし、経路選択で利用するリンクは、各リンクのトラフィック容量の上限値を満たすという条件をつけている。つまり、すべての経路選択のパターンの中で条件を満たす最大スリープ電力を求めるのである。そのため、ネットワークの規模が大きくなると膨大な計算量が要求される。

非特許文献２では、非特許文献１の負荷の軽減と、既存のOSPFプロトコルの流用を目指して、EAR (Energy-Aware Routing)方式を提案している。第１図で(a)はOSPF(Open Shortest Path First)が適用されているネットワークであるとする。各ノード間には方向によって異なるリンクが２本設定させている。OSPFではダイクストラのアルゴリズムを使って各ルータが自律的に、他のすべてのルータまでの最短経路であるSPT（Shortest Path Tree)を作成し、自ルータのルーティングテーブルに設定する。

第１図(b)はルータR3からのSPT：SPT(R3)を示し、第１図(c)はルータR1からのSPT：SPT(R1)を示す。図１(d)がEARを用いて2つの異なるSPTをマージする手法を示している。

同図(d)の例では、R1がexporterとなり、R3がimporterとなる。つまり、R3はSPT(R3)をSPT(R1)に重ねる手法をとる。(c)と(d)との違いはR1-R3間のリンク方向が異なるのみであり、(b)と(d)との違いは(b)においてSPT(R3)がR3-R4間のリンクを使っていたのに対し、(d)においてはそのリンクは使われていない。このことにより、R3から他のルータまでの経路でR3-R4を使わず、R1からの他のルータまでの経路でもR3-R4を使わないので、R3-R4をスリープ状態にできる効果がある。あるルータ間のリンクは、そのどちらかの方向のリンクが使用されている場合にはスリープ状態にできないため、両方向のリンク使用を無くすことが省エネルギーに有効である。

M. Zhang, C. Yi, B. Liu, and B. Zhang, "Green TE: Power-Aware Traffic Engineering," IEEE ICC, 2010. A. Cianfrani, V. Eramo, M. Listanti, and M. Polverini, "An OSPF Enhancement for energy saving in IP Networks," IEEE Infocom, Workshop on Green Communication and Networking, 2011. 松浦, "P2MP-TEに適用する新Steiner treeアルゴリズムの提案," 信学技法, ICM2012-14.

しかしながら、非特許文献2のEAR方法には以下の問題がある。一つは、Exporter側のSPT (図1ではSPT(R1))に大きなトラフィック負荷がかかることである。文献の中で述べられているように、Exporterはネットワークトポロジが変わらない限り変更されないので、トラフィックがExporterのSPTに集中することによって輻輳が起きることが懸念される。

第２に、この方法はネットワークの全体最適にならないことである。この手法は各ルータが、そのルータからのSPTをダイクストラのアルゴリズムで求めているが、このように、複数のExporterのSPTを使うことがスリープできるコアルータと、リンクの総電力の最大化に繋がるとは限らない。

第３に、このEAR方法を当該ネットワークを管理する１つのルーティングサーバで実現しようとした場合、ルーティングサーバはダイクストラのアルゴリズムをネットワーク上のノード数回走行する必要がある。つまり、ノード数をn, リンク数をlとすると、O(n(l + n log n))の平均時間計算量が必要となる。この計算量は現在ダイクストラのアルゴリズムの最小の平均計算量であるフィボナッチヒープを使った場合のO(l + n log n)をn個のノードで走行する必要があるためである。ルーティングサーバでは、あるリンクで輻輳がおきたときには、その負荷が大きいリンクのコストを大きくするなどしてEARアルゴリズムを再走行し、柔軟にトラフィック要求の変動に対応する必要があるが、EARの処理時間が大きい場合、迅速な対応ができない。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、ネットワーク上で、エッジノード間のトラフィック要求に応じて、スリープできるリンクとコアノードを増やすことが可能な経路選択方法及び装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明（請求項１）は、複数ノードを通信リンクを介して相互に接続可能としたネットワーク上で、エッジノード間のトラフィック要求に応じて、スリープできるリンクとコアノードを増やすことを目的として経路選択する経路選択方法であって、
ツリー作成手段、ネットワークトポロジを保持するネットワークトポロジ記憶手段、経路選択手段を有する装置において、
前記ツリー作成手段は、前記ネットワークトポロジ記憶手段からリンク情報及びノード情報を取得し、ひとつのエッジノードをツリーの始点として、他のすべてのエッジノードを終点とするスタイナーツリーをスタイナーツリーアルゴリズムによって求めるツリー生成ステップと、
前記経路選択手段が、前記スタイナーツリーに属するリンクとノードのみでエッジ間の経路を求める経路選択ステップと、を行う。

また、本発明（請求項２）は、前記ツリー生成ステップにおいて、
前記スタイナーツリーアルゴリズムの始点とするエッジノードは、すべてのエッジノードの中で最もノード次数（接続リンク数）の大きいノードを選択する。

また、本発明（請求項３）は、前記経路選択ステップにおいて、
前記スタイナーツリーアルゴリズムで求められたツリー上の１エッジノードを始点エッジノードとし、当該始点エッジノードからツリーに沿って経路を辿って行き、他のエッジノードに辿り着いたときに、その経路を始点エッジノードから当該エッジノードまでの経路として確定し、この処理をすべての始点エッジノード以外のエッジノードに行きつくまで続ける。

また、本発明（請求項４）は、前記ツリー生成ステップにおいて、
前記スタイナーツリーアルゴリズムとしてBBMC (Branch-Based Multi-Cast)を使い、該スタイナーツリーアルゴリズムのパラメータであり、生成ツリー構成リンク数を削減する効果のあるパラメータβを利用し、リンク数削減要求、通信品質要求に応じてβの値を設定する。

本発明によれば、すべてのエッジルータを含む最小木に近いツリーが求められ、そのツリー上のリンクを万遍無く利用できるので、非特許文献２のEAR方法におけるExporterのSPTにトラフィックが集中する問題を避けることができる。

また、ネットワークのすべてのエッジルータの位置を考慮してスタイナーツリーを作成するので、SPTのように局所的な最短経路ツリーでの最適化よりもスリープできるリンクのネットワークとしての最適化が可能になる。

また、本発明の経路選択スタイナーアルゴリズムを、当該ネットワーク用のルーティングサーバに適用することにより、１回のスタイナーアルゴリズムの走行で、ツリーを求め、そのツリーから請求項３で述べたように各エッジルータから、すべての他のエッジルータまでの経路をO(n)の時間計算量で求めることができる。例えばBBMCをスタイナーツリーアルゴリズムとして用いた場合は、その平均時間計算量は非特許文献３よりO(log m (l+n log n))である。ここでmはエッジルータ数である。また、すべてのエッジルータから他のエッジルータまでの経路はO(n)をm回走行する必要あるので、O(nm)である。そのため、全体の平均時間計算量はO(nm+ log m (l + n log n))=O(nm) であり、この平均時間計算量はEARをルーティングサーバ内で走行した場合の平均時間計算量であるO(n(l + n log n))を大幅に下回る。そのため、経路計算が迅速に行われるので、トラフィック要求の変動に対して迅速に新規ルートを算出できる。

また、請求項４のBBMCのパラメータβを用いることにより、非常にトラフィックが少ないときには、βを大きな正数に設定し、ツリーコストよりもツリーを構成するリンク数を重視したツリーを生成できる。そのため、状況に応じた最適な省電力が実現できる。

従来のEAR経路選択方式の説明図である。 本発明の一実施の形態におけるルーティングサーバの構成図である。 本発明の一実施の形態における経路選択処理のシーケンスチャートである。

以下、図面と共に本発明の実施の形態を説明する。

図２は、本発明の一実施の形態におけるルーティングサーバの構成を示す。以下図２を元に、本発明の実施の形態を説明する。

ルーティングサーバ１は、ツリー作成部１０、ネットワークトポロジ管理部２０、エッジ間経路選択部３０から構成される。

ツリー作成部１０は、スタイナーツリー作成部１１、生成ツリー記憶部１２を有する。

ネットワークトポロジ管理部２０は、ネットワークトポロジ管理処理部２１、リンク情報記憶部２２、ノード情報記憶部２３を有し、ルーティングサーバ１が対象とするネットワークのトポロジを管理する。ネットワークトポロジ管理処理部２１は、スタイナーツリー作成処理部１１からの要求により、ネットワークのリンク情報、ノード情報を渡す。リンク情報記憶部２２はネットワークの各リンク毎にそのリンクコスト等のリンク情報を保持する。ノード情報記憶部２３はネットワークの各ノード毎にそのノードが接続するリンク等をポインタで保持する。

エッジ間経路選択部３０は、エッジ間経路選択処理部３１とエッジ間経路記憶部３２を有する。
上記のリンク情報記憶部２２、ノード情報記憶部２３は再利用するためにデータベースに格納され、生成ツリー記憶部１２、エッジ間経路記憶部３２はコンピュータメモリ上に確保される。

以下に、上記の構成における処理を説明する。

図３は、本発明の一実施の形態における経路選択処理のシーケンスチャートである。

ステップ１０） スタイナーツリー作成処理部１１では、ネットワークトポロジ管理処理部２１にアクセスする。

ステップ２０） ネットワークトポロジ管理処理部２１は、指定されたノードについて、リンク情報記憶部２２、ノード情報記憶部２３からリンク情報とノード情報を読み出してスタイナーツリー作成処理部１１に出力する。

ステップ３０） スタイナーツリー作成処理部１１は、ツリーの始点にネットワークのエッジノードの１つ(E1)を指定し、他のエッジノード(E2〜E7）をツリーの終点として指定し、ツリーを構成するリンクのコストが最小になることを目指してツリーの生成を行う。N1〜N4はコアノードでスタイナーツリーに使われたノードである。

スタイナーツリー作成処理部１１は、ネットワークトポロジ管理部２０から指定したエッジノード（始点・終点ノード）のリンク情報とノード情報を取得すると、E1としてネットワークトポロジ管理処理部２１が管理するネットワークノードの中でノード次数（ノードに接続するリンク数）が最も大きいエッジノードを選択する。この理由はBBMC等のスタイナーツリーアルゴリズムでは、結果としてできるスタイナーツリーでE1に最もリンクが接続する可能性が高いからである（請求項２、６）。

ここで、非特許文献３で説明されているBBMCのパラメータβを正数にすることにより、ツリーの構成リンク数を、ツリーコストを犠牲にして小さくすることができるが、このβ値を正数に設定することにより、利用するリンクコストは比較的に大きくなるが、スリープモードにできるリンク数を増加させることができる。（請求項４、８）
ステップ４０） エッジ間経路選択部３０は、エッジ間経路選択処理部３１が生成ツリー記憶部１２に保存されているスタイナーツリーにアクセスして、このツリーから２つの異なるエッジ間のすべての経路を求め、エッジ間経路記憶部３２に格納する。

エッジ間経路記憶部３２には、各始点エッジノード毎にそのエッジからの他の６つのエッジノードまでの経路が格納されている。例えばE1からはスタイナーツリーのE1からE2までのリンクが選択され、その後にN1, N2に繋がっているエッジノードE3, E4までの経路が順次選択されていく。このように、一つのエッジノードから他のすべてのエッジまでの経路選択はネットワークノード数nの定数倍以内の処理で行われることからO(n)の時間計算量で行われる。(請求項３、７）
なお、図２に示すルーティングサーバ１のスタイナーツリー作成処理部１１をBBMCモジュール、ネットワークトポロジ管理処理部２１を、ネットワークトポロジ管理モジュール、エッジ間経路選択処理部３１をエッジ間経路選択モジュールとするプログラムとして構築し、経路選択装置として利用されるコンピュータにインストールして実行させる、または、ネットワークを介して流通させることが可能である。

本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲内において、種々変更・応用が可能である。

１ ルーティングサーバ
１０ ツリー作成部
１１ スタイナーツリー作成処理部
１２ 生成ツリー記憶部
２０ ネットワークトポロジ管理部
２１ ネットワークトポロジ管理処理部
２２ リンク情報記憶部
２３ ノード情報記憶部
３０ エッジ間経路選択部
３１ エッジ間経路選択処理部
３２ エッジ間経路記憶部

Claims (8)

1. 複数ノードを通信リンクを介して相互に接続可能としたネットワーク上で、エッジノード間のトラフィック要求に応じて、スリープできるリンクとコアノードを増やすことを目的として経路選択する経路選択方法であって、
   ツリー作成手段、ネットワークトポロジを保持するネットワークトポロジ記憶手段、経路選択手段を有する装置において、
   前記ツリー作成手段は、前記ネットワークトポロジ記憶手段からリンク情報及びノード情報を取得し、ひとつのエッジノードをツリーの始点として、他のすべてのエッジノードを終点とするスタイナーツリーをスタイナーツリーアルゴリズムによって求めるツリー生成ステップと、
   前記経路選択手段が、前記スタイナーツリーに属するリンクとノードのみでエッジ間の経路を求める経路選択ステップと、
   を行うことを特徴とする経路選択方法。
2. 前記ツリー生成ステップにおいて、
   前記スタイナーツリーアルゴリズムの始点とするエッジノードは、すべてのエッジノードの中で最もノード次数（接続リンク数）の大きいノードを選択する
   請求項１記載の経路選択方法。
3. 前記経路選択ステップにおいて、
   前記スタイナーツリーアルゴリズムで求められたツリー上の１エッジノードを始点エッジノードとし、当該始点エッジノードからツリーに沿って経路を辿って行き、他のエッジノードに辿り着いたときに、その経路を始点エッジノードから当該エッジノードまでの経路として確定し、この処理をすべての始点エッジノード以外のエッジノードに行きつくまで続ける
   請求項１記載の経路選択方法。
4. 前記ツリー生成ステップにおいて、
   前記スタイナーツリーアルゴリズムとしてBBMC (Branch-Based Multi-Cast)を使い、該スタイナーツリーアルゴリズムのパラメータであり、生成ツリー構成リンク数を削減する効果のあるパラメータβを利用し、リンク数削減要求、通信品質要求に応じてβの値を設定する
   請求項１または２記載の経路選択方法。
5. 複数ノードを通信リンクを介して相互に接続可能としたネットワーク上で、エッジノード間のトラフィック要求に応じて、スリープできるリンクとコアノードを増やすことを目的として経路選択する経路選択装置であって、
   ネットワークトポロジを保持するネットワークトポロジ記憶手段と、
   前記ネットワークトポロジ記憶手段からリンク情報及びノード情報を取得し、ひとつのエッジノードをツリーの始点として、他のすべてのエッジノードを終点とするスタイナーツリーをスタイナーツリーアルゴリズムによって求めるツリー生成手段と、
   前記スタイナーツリーに属するリンクとノードのみでエッジ間の経路を求める経路選択手段と、
   を有することを特徴とする経路選択装置。
6. 前記ツリー生成手段は、
   前記スタイナーツリーアルゴリズムの始点とするエッジノードは、すべてのエッジノードの中で最もノード次数（接続リンク数）の大きいノードを選択する手段を含む
   請求項５記載の経路選択装置。
7. 前記経路選択手段は、
   前記スタイナーツリーアルゴリズムで求められたツリー上の１エッジノードを始点エッジノードとし、当該始点エッジノードからツリーに沿って経路を辿って行き、他のエッジノードに辿り着いたときに、その経路を始点エッジノードから当該エッジノードまでの経路として確定し、この処理をすべての始点エッジノード以外のエッジノードに行きつくまで続ける手段を含む
   請求項５記載の経路選択装置。
8. 前記ツリー生成手段は、
   前記スタイナーツリーアルゴリズムとしてBBMC (Branch-Based Multi-Cast)を使い、該スタイナーツリーアルゴリズムのパラメータであり、生成ツリー構成リンク数を削減する効果のあるパラメータβを利用し、リンク数削減要求、通信品質要求に応じてβの値を設定する手段を含む
   請求項５または６記載の経路選択装置。

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