JP2014229938A - ネットワーク設計装置、及びネットワーク設計方法 - Google Patents

ネットワーク設計装置、及びネットワーク設計方法 Download PDF

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Abstract

【課題】スロットに割り当てられたデマンドの解消数を抑えて、ネットワークを再最適化することである。【解決手段】ネットワーク設計装置10は、割当パターン算出部131bとデマンド変更手順抽出部132aと出力部14とを有する。割当パターン算出部131bは、ネットワーク上のノード間で送受信されるデマンドを、上記ネットワーク上のリンクを構成するスロットに割り当てる際、複数の割当候補の中から、上記デマンドの解消を要しない割当パターンを算出する。デマンド変更手順抽出部132aは、上記ネットワークの再最適化前の割当パターンを、割当パターン算出部131bにより算出された割当パターンに変更するための、上記デマンドの変更手順を決定する。出力部14は、割当パターン算出部131bにより算出された割当パターンを、上記ネットワークの再最適化後の割当パターンとして、決定された変更手順と共に出力する。【選択図】図2

Description

本発明は、ネットワーク設計装置、及びネットワーク設計方法に関する。
従来、WDM(Wavelength Division Multiplex)方式を採用した光ネットワークは、運用開始当初に、リソース(例えば、光回線の帯域等)を最大限に活用可能な様に設計される。しかしながら、通常は、時間の経過に伴い、クライアントからのデマンドの分布変化、ネットワークトポロジの変化、あるいは、機器故障等に起因して、リソースが最大限に活用されない状況となる。かかる状況下では、ネットワーク設計装置は、一旦最適化されたネットワークを設計し直すことで、ネットワークの再最適化を図ることが有効である。
ネットワーク設計装置は、再最適化のため、光回線の各タイムスロット(以下、単に「スロット」と記す。)に対し、従前とは異なる割当て方で、デマンドを割り当てる。該割当てに際し、運用中のネットワークでは、代替の光回線を事前に準備することなく、スロットへのデマンド割当てを解消すること(以下、必要に応じて「デマンド解消」と記す。)は、通信断を生じさせる可能性がある。通信断は、通信事業者の提供するサービスを中断させる要因となるため、極力回避されることが望ましい。
特開2012−199644号公報
しかしながら、上述したネットワーク設計には、以下の様な問題点があった。すなわち、従来のネットワーク設計装置は、ネットワークを再最適化する際、各デマンドを変更する手順を考慮することなく、スロットの割当てを行っていた。このため、ネットワーク設計装置は、デマンド解消を行うことなく再最適化が可能な手順(以下、「最善手順」と記す。)がある場合でも、かかる手順を短時間で導くことができなかった。また、最善手順が存在しない場合にも、ネットワーク設計装置は、最少のデマンド解消数により再最適化が可能な手順(以下、「次善手順」と記す。)を短時間で導くことができなかった。これらのことが、ネットワークを効率良く再最適化するために有効な手順を、ユーザに迅速に提示することを阻害する要因となっていた。
開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、スロットに割り当てられたデマンドの解消数を抑えて、ネットワークを再最適化することのできるネットワーク設計装置、及びネットワーク設計方法を提供す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、本願の開示するネットワーク設計装置は、一つの態様において、算出部と、決定部と、出力部とを有する。前記算出部は、ネットワーク上のノード間で送受信される接続要求を、前記ネットワーク上のリンクを構成するスロットに割り当てる際、複数の割当候補の中から、前記接続要求の解消を要しない割当パターンを算出する。前記決定部は、前記ネットワークの再最適化前の割当パターンを、前記算出部により算出された割当パターンに変更するための、前記接続要求の変更手順を決定する。前記出力部は、前記算出部により算出された割当パターンを、前記ネットワークの再最適化後の割当パターンとして、前記決定部により決定された変更手順と共に出力する。
本願の開示するネットワーク設計装置の一つの態様によれば、スロットに割り当てられたデマンドの解消数を抑えて、ネットワークを再最適化することができる。
図1は、ネットワーク設計システムの構成を示す図である。 図2は、ネットワーク設計装置の機能構成を示す図である。 図3は、ネットワーク設計装置のハードウェア構成を示す図である。 図4Aは、再最適化前におけるネットワークの構成を示す図である。 図4Bは、再最適化後におけるネットワークの構成を示す図である。 図5は、スロットへのデマンド割当パターンを示す図である。 図6Aは、再最適化後におけるデマンドの割当パターンに応じて、デマンドの変更手順が変化する様子の前半部分を説明するための図である。 図6Bは、最善設計が可能な場合における再最適化のためのデマンド変更手順を示す図である。 図7Aは、再最適化後におけるデマンドの割当パターンに応じて、デマンドの変更手順が変化する様子の後半部分を説明するための図である。 図7Bは、最善設計が不可能な場合における再最適化のためのデマンド変更手順を示す図である。 図8は、再最適化の前後におけるデマンド依存関係を表現するデマンド依存関係グラフを示す図である。 図9Aは、再最適化前後における、最善設計可能なスロット割当パターンを示す図である。 図9Bは、最善設計可能なスロット割当パターンを基に、デマンド依存関係グラフが作成される様子を示す図である。 図9Cは、最善設計可能なスロット割当パターンを基に作成されたデマンド依存関係グラフを示す図である。 図10Aは、再最適化前後における、最善設計不可能なスロット割当パターンを示す図である。 図10Bは、最善設計不可能なスロット割当パターンを基に、デマンド依存関係グラフが作成される様子を示す図である。 図10Cは、最善設計不可能なスロット割当パターンを基に作成されたデマンド依存関係グラフを示す図である。 図11は、デマンド変更手順を考慮したスロット割当処理を説明するためのフローチャートである。 図12は、異なる光回線が、同一の物理リンクにより接続されるグループに分類される様子を示す図である。 図13Aは、スロットが固定されるデマンドの再最適化前の様子を示す図である。 図13Bは、スロットが固定されるデマンドの再最適化後の様子を示す図である。 図14Aは、AHC変数が解を有する場合のデマンドを示す図である。 図14Bは、AHC変数が解を有さない場合のデマンドを示す図である。 図15は、スロットへのデマンド割当パターンを求める際に使用される計算モデルのパラメータ一覧を示す図である。 図16Aは、使用スロット固定制約緩和のプロセスが不要なデマンドを示す図である。 図16Bは、使用スロット固定制約緩和のプロセスが必要なデマンドを示す図である。 図17は、デマンドの種類に応じた解消の可否を示す図である。 図18Aは、総デマンド数の内、スロット割当に関わるデマンド数を説明するための図である。 図18Bは、スロット割当に関わるデマンドの割当て方法を説明するための図である。 図19は、1回の計算により、デマンド変更の最適解が得られる様子を示す図である。 図20は、割当結果及び変更手順の算出に伴う計算負荷の削減効果を説明するための図である。
以下に、本願の開示するネットワーク設計装置、及びネットワーク設計方法の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施例により本願の開示するネットワーク設計装置、及びネットワーク設計方法が限定されるものではない。
まず、本願の開示する一実施例に係るネットワーク設計システムの構成を説明する。図1は、ネットワーク設計システム1の構成を示す図である。図1に示す様に、ネットワーク設計システム1は、ネットワークN1と、該ネットワークN1上に接続されたネットワーク設計装置10とを有する。ネットワークN1上には、複数のノードA〜Gが配設され、各ノードA〜G間は、光回線リンクL1により接続されている。なお、図1では、ネットワーク設計装置10が、複数のノードA〜Gの内、ノードAに接続される構成を例示したが、ネットワーク設計装置10は、他のノードB〜Gに接続されるものとしてもよい。
図2は、ネットワーク設計装置10の機能構成を示す図である。図2に示す様に、ネットワーク設計装置10は、入力部11と記憶部12と演算部13と出力部14とを有する。これら各構成部分は、一方向又は双方向に、信号やデータの入出力が可能な様に接続されている。
入力部11は、例えば、設計対象のネットワークN1に関する情報として、局舎の位置、局舎間におけるファイバ接続の有無、どの局舎からどの局舎に向かってどの程度の帯域のデマンドが存在しているか等の情報を入力する。また、入力部11は、例えば、再最適化設計の前後におけるネットワークN1で発生したデマンドや、光回線リンクL1の配置状況等の情報を入力する。具体的には、入力部11は、再最適化前及び後のネットワークN1内における光回線の配置、あるいは、該光回線内にどの様にデマンドが収容されているか等の情報を入力する。
記憶部12は、入力情報記憶部121と制約緩和情報記憶部122とを有する。入力情報記憶部121は、入力部11により入力された上記の各種情報を記憶する。制約緩和情報記憶部122は、ネットワーク設計の前処理の際、使用スロットの固定制約のある箇所(例えば、ノードA、B間)の情報を記憶する。また、制約緩和情報記憶部122は、制約緩和プロセスにおける解消を許可されているデマンド(例えば、デマンドD1)の情報を記憶する。
演算部13は、変更手順考慮機能付スロット割当部131と変更手順決定部132とを有する。変更手順考慮機能付スロット割当部131は、更に、数理計画モデル構成部131aと割当パターン算出部131bと制約緩和可否判定部131cとを有する。数理計画モデル構成部131aは、後述する各種パラメータを用いて表現可能な数理計画モデルを、記憶部12内の情報を基に構成する。割当パターン算出部131bは、数理計画モデル構成部131aにより構成された数理計画モデルを用いて、最適なスロット割当パターンを算出する。制約緩和可否判定部131cは、割当パターン算出部131bによる算出結果から、ネットワークN1内の各局舎における制約緩和プロセスの適用の可否を判定すると共に、該判定結果に基づき、制約緩和情報記憶部122内の情報を更新する。
変更手順決定部132は、変更手順考慮機能付スロット割当部131によるスロット割当の結果に基づき、デマンドの変更手順を決定する。具体的には、変更手順決定部132は、上記数理計画モデルを実行して得られたスロット割当結果から、デマンドの変更手順を抽出し、出力部14に出力する。
出力部14は、割当パターン算出部131bによる算出結果を基に、解消の必要なデマンドの情報、及びデマンドの収容される光回線リンクL1上に形成されたスロットの情報を出力する。また、出力部14は、変更手順決定部132により抽出されたデマンド変更手順を出力する。
次に、ネットワーク設計装置10のハードウェア構成を説明する。図3は、ネットワーク設計装置10のハードウェア構成を示す図である。図3に示す様に、ネットワーク設計装置10は、プロセッサ10aと、記憶装置10bと、入力装置10cと、表示装置10dとが、バスを介して各種信号やデータの入出力が可能な様に接続されている。プロセッサ10aは、例えば、CPU(Central Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)である。記憶装置10bは、例えば、HD(Hard Disk)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ等の不揮発性記憶装置の他、SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)等のRAMを含む。また、入力装置10cは、例えば、キーボード、マウス、タッチパネルにより構成され、表示装置10dは、例えば、LCD(Liquid Crystal Display)、ELD(Electro Luminescence Display)により構成される。
機能構成とハードウェア構成との対応関係に関し、図2に示したネットワーク設計装置10の機能的構成要素の内、入力部11は、ハードウェアとしての入力装置10cにより実現される。また、記憶部12は、記憶装置10bにより実現され、演算部13は、プロセッサ10aと記憶装置10bとにより実現される。そして、出力部14は、プロセッサ10aと表示装置10dとにより実現される。
続いて、図4A及び図4Bを参照して、ネットワーク再最適化処理の概要を説明する。図4Aは、再最適化前におけるネットワークN1の構成を示す図である。図4Aにおいて、光回線リンクL1は、1スパン(隣接ノード間)当たり8スロットを割当て可能な10Gbpsの光回線である。また、デマンドD1〜D4は、1スパン当たり4スロットを要する5Gbpsの接続要求である。図4Aに示す様に、再最適化前のネットワークN1では、デマンドD1は、ノードD、C間をノードA、B経由で接続し、デマンドD2は、ノードA、D間をノードB、C経由で接続する。同様に、デマンドD3は、ノードA、E間をノードD、C経由で接続し、デマンドD4は、ノードD、C間をノードE経由で接続する。従って、使用されるリソースは、11スパン×4スロットとなる。
一方、図4Bは、再最適化後におけるネットワークN1の構成を示す図である。図4Bでは、デマンドD1は、ノードD、Cを直接接続する経路に最適化され、デマンドD2は、ノードA、Dを直接接続する経路に最適化される。また、デマンドD3は、ノードCを経由することなく、ノードDのみを経由して、ノードA、E間を連結する経路に最適化される。更に、デマンドD4は、ノードD、Cを直接接続する経路に最適化される。その結果、使用リソースは、5スパン×4スロットで済むこととなり、最適化前と比較して、24(=44−20)リソース分の使用リソースの削減が可能となる。
上述の再最適化に際しては、ネットワーク構成、すなわち、クライアントからのデマンドを実現するための経路、の変更手順が重要となる。ネットワーク設計装置10は、デマンド解消によって、使用している光回線のスロットを解放することができるが、運用の信頼性を確保する観点から、デマンド解消は極力回避することが望ましい。このため、デマンド解消の無い変更手順は、「最善設計」と定義することができ、デマンド解消数が有っても最小となる変更手順は、「次善設計」と定義することができる。また、デマンドの変更回数についても、極力少ないことが望ましい。
デマンドの変更は、光回線リンクL1に空きスロットが存在する場合にのみ、各局舎でのスイッチング機能により実現される。例えば、OTN(Optical Transport Network)の場合、デマンドD1〜D4の変更は、ODU(Optical Data Unit)−XC(cross Connect)機能の活用により、実現可能である。
ここで、デマンドの変更手順の前提として、スロットへのデマンド割当パターン(スロット割当パターン)について説明する。本実施例では、ネットワークN1が一旦最適化されたことを前提としているため、ネットワークN1を構成する光回線リンクL1では、割当パターンは既に決定されている。従って、ネットワーク設計装置10が再最適化後の割当パターンをどの様に設計するかが重要となる。
図5は、スロットへのデマンド割当パターンを示す図である。図5に示す様に、光回線リンクL1は、1ノード間当たり8つのスロットを有するのに対し、デマンドは、1ノード間当たり4つのスロットを占有する。このため、光回線リンクL1上の1ノード間(8スロット分)には、最大でも2種類のデマンド(例えば、デマンドD1とデマンドD2)しか割り当てられないこととなる。図5に示す例では、ノードA、B間のスロットにデマンドD1、D2が割り当てられ、ノードB、C間のスロットにデマンドD2、D3が割り当てられている。しかしながら、この場合でも、各リンクA−B、B−Cに対するデマンドの割当て方は無数に存在し、少なくとも、図5に示すスロット割当パターンP1〜P4の4種類が存在する。デマンドの変更手順は、このスロット割当パターンによって異なる。
図6Aは、再最適化後におけるデマンドの割当パターン(割当て結果)に応じて、デマンドの変更手順が変化する様子の前半部分を説明するための図である。図6Aに示す様に、再最適化後の割当パターンが、リンクA−D、D−C、D−Eにおいて、それぞれデマンドD2及びD3、D1及びD4、D3である場合を想定する。図6Bは、最善設計が可能な場合における再最適化のためのデマンド変更手順を示す図である。図6Bに示す様に、ネットワーク設計装置10は、再最適化前の割当パターンから、デマンドD3、D1、D2、D4の順に、割当先のスロットを変更していくことで、何れのデマンドも解消することなく、再最適化を行うことができる。換言すれば、ネットワーク設計装置10は、ネットワークN1の最善設計が可能である。
一方、図7Aは、再最適化後におけるデマンドの割当パターン(割当て結果)に応じて、デマンドの変更手順が変化する様子の後半部分を説明するための図である。図7Aに示す様に、再最適化後の割当パターンが、リンクA−D、D−C、D−Eにおいて、それぞれデマンドD2及びD3、D4及びD1、D3である場合を想定する。図7Aでは、図6Aと異なり、破線で囲んだ領域R1、R2において、デマンドD1の移動のためにはデマンドD2の先の移動が必須であり、デマンドD2の移動のためにはデマンドD1の先の移動が必須である状態(デッドロック状態)が生じている。このため、スロット割当パターンを再最適化後の状態にするためには、少なくとも、デマンドD1、D2の何れかの解消が必要となる。
図7Bは、最善設計が不可能な場合における再最適化のためのデマンド変更手順を示す図である。図7Bに示す様に、ネットワーク設計装置10は、再最適化前の割当パターンから、デマンドD1を一旦解消した後、デマンドD2、D3、D4の順に、割当先のスロットを変更する。その後、ネットワーク設計装置10は、解消したデマンドD1を再設定することで、デマンドの解消数を最小限(1つ)に抑えて、再最適化を行うことができる。換言すれば、ネットワーク設計装置10は、ネットワークN1の次善設計が可能となる。上述した様に、スロットへのデマンド割当パターンの相違(図6A、図7A参照)は、デマンドの変更手順に影響を与え、デマンド割当パターンによって、変更手順は大幅に異なってくる。従って、ネットワーク設計装置10は、ネットワークN1の再最適化を行う際、デマンド割当パターンを決定する上で、デマンドの変更手順を考慮することは、極めて重要となる。
ここで、変更手順の適否を見極めるために有効なツールであるデマンド依存関係グラフについて説明する。図8は、再最適化の前後におけるデマンド依存関係を表現するデマンド依存関係グラフを示す図である。図8に示す様に、デマンド依存関係グラフは、光回線リンクL1に方向が存在する有向のグラフである。図8では、デマンドD4を起点として、デマンドD1に向かう矢印Y1が引かれている。このことから、デマンドD1の使用していたスロットは、再最適化後に、デマンドD4によって使用されることが判る。同様に、矢印Y2、Y3から、デマンドD2、D3の使用していたスロットは、再最適化後に、それぞれデマンドD1、D2によって使用されることが判る。この様に、デマンド依存関係グラフは、各スロット毎に、デマンド間における依存関係を考慮して作成される。
ネットワーク設計装置10は、デマンド依存関係グラフの参照により、以下の様に、ネットワーク設計の可否を判定することができる。例えば、上記デマンド依存関係グラフがループを含まない場合には、図6Aに示した最善設計が可能である。これに対し、上記デマンド依存関係グラフ内にループが存在しても、該ループを構成する複数のデマンドの中に、解消可能なデマンドが少なくとも1つ(例えば、デマンドD1、D2)存在する場合には、次善設計が可能である。但し、解消可能なデマンドが上記ループ上に存在しない場合には、ネットワーク設計装置10は、ネットワークN1に対し、最善設計のみならず、次善設計を行うこともできない。
続いて、図9A〜図10Cを参照して、デマンド依存関係グラフの作成方法について説明する。図9Aは、再最適化前後における、最善設計可能なスロット割当パターンを示す図である。図9Aは、図6Aと同様であるため、その詳細な説明は省略する。図9Bは、最善設計可能なスロット割当パターンを基に、デマンド依存関係グラフが作成される様子を示す図である。図9Bに示す様に、デマンド依存関係グラフは、光回線リンクL1の1区間毎に、各デマンドD1〜D4間の依存関係を考慮して作成される。
例えば、リンクA−B間、B−C間、D−E間、C−E間には、再最適化後のデマンドの割当が無いことから、矢印は引かれないが、リンクA−D間では、デマンドD1からデマンドD2への置換が生じている。このため、図9BのリンクA−D間では、デマンドD2からデマンドD1に向かう方向の矢印Y4が引かれることとなる。同様に、リンクD−C間では、デマンドD1からデマンドD3への置換に併せて、デマンドD4からデマンドD2への置換も生じている。このため、図9BのリンクD−C間では、デマンドD1からデマンドD3に向かう方向の矢印Y5と共に、デマンドD4からデマンドD2に向かう方向の矢印Y6が引かれることとなる。
デマンド依存関係グラフは、図9Bに示した各区間毎に生じるデマンド依存関係を全て纏めることにより作成される。図9Cは、最善設計可能なスロット割当パターンを基に作成されたデマンド依存関係グラフを示す図である。図9Cに示す様に、作成されたデマンド依存関係グラフは、ループを含まないことから、再最適化前後のスロット割当パターン(図9A参照)は、最善設計可能なものであると判別される。また、図9Cに示すデマンド依存関係グラフからは、最善設計の可否のみならず、デマンドの変更手順も特定可能である。すなわち、ネットワーク設計装置10は、デマンド依存関係グラフ上に示された矢印Y5、Y4、Y6を逆方向に辿ることで、再最適化前の割当パターンが再最適化後の割当パターンとなるまでのデマンドD1〜D4の変更手順を取得することができる。
図10Aは、再最適化前後における、最善設計不可能なスロット割当パターンを示す図である。図10Aは、図7Aと同様であるため、その詳細な説明は省略する。図10Bは、最善設計不可能なスロット割当パターンを基に、デマンド依存関係グラフが作成される様子を示す図である。図10Bに示す様に、デマンド依存関係グラフは、光回線リンクL1の1区間毎に、各デマンドD1〜D4間の依存関係を考慮して作成される。
例えば、リンクA−B間、B−C間、D−E間、C−E間には、再最適化後のデマンドの割当が無いことから、矢印は引かれないが、リンクA−D間では、デマンドD1からデマンドD2への置換が生じている。このため、図10BのリンクA−D間では、デマンドD2からデマンドD1に向かう方向の矢印Y7が引かれることとなる。同様に、リンクD−C間では、デマンドD3からデマンドD4への置換に併せて、デマンドD2からデマンドD1への置換も生じている。このため、図10BのリンクD−C間では、デマンドD4からデマンドD3に向かう方向の矢印Y8と共に、デマンドD1からデマンドD2に向かう方向の矢印Y9が引かれることとなる。
デマンド依存関係グラフは、図10Bに示した各区間毎に生じるデマンド依存関係を全て纏めることにより作成される。図10Cは、最善設計不可能なスロット割当パターンを基に作成されたデマンド依存関係グラフを示す図である。図10Cに示す様に、作成されたデマンド依存関係グラフは、破線で囲んだ領域R3内にループが存在する。従って、再最適化前後のスロット割当パターン(図10A参照)は、最善設計が不可能なものであるとの判別が可能である。また、図10Cに示すデマンド依存関係グラフからは、最善設計の可否のみならず、解消すべきデマンドの特定も可能である。すなわち、デマンド依存関係グラフ上に示された矢印Y7、Y8がループを形成することから、ネットワーク設計装置10は、該ループ端に位置するデマンドD1、D2の内、何れかのデマンドの解消を許容することで、ネットワークN1を再最適化することができる。
次に、動作を説明する。図11は、デマンド変更手順を考慮したスロット割当処理を説明するためのフローチャートである。
まずS1では、数理計画モデル構成部131aは、前処理の前半部分として、光回線を、同一の物理リンク毎にグループ分けする。図12は、異なる光回線リンクM1、M2が、同一の物理リンクT1により接続されるグループに分類される様子を示す図である。図12に示す様に、光回線リンクM1、M2は、相互に異なる光回線であるが、同一の物理リンクT1によりノードA〜Dを接続する回線である。従って、光回線リンクM1と光回線リンクM2とは、同一グループ内の光回線に分類される。この様に、数理計画モデル構成部131aは、同一の物理リンクT1に対応する複数の光回線リンクM1、M2を、1つのグループに纏めるプロセスを実行する。
次のS2では、数理計画モデル構成部131aは、前処理の後半部分として、各物理リンク内において、再最適化の前後双方で使用されているデマンドのスロットを固定する。図13Aは、スロットが固定されるデマンドD1、D2の再最適化前の様子を示す図である。図13Bは、スロットが固定されるデマンドD1、D2の再最適化後の様子を示す図である。図13A及び図13Bに示す様に、デマンドD1〜D4の内、デマンドD1、D2は、再最適化の前後において同一の物理リンクT1(同一のグループ内)で使用されているデマンドである。従って、数理計画モデル構成部131aは、これらのデマンドD1、D2の使用するスロットを、それぞれ光回線リンクM1、M2の左側のスロットに固定する。一方、デマンドD5、D6が、光回線リンクM1、M2の内、何れの光回線のスロットに割り当てられるかは、固定ではなく、ネットワーク設計者による選択によって決定される。
すなわち、S2では、ネットワーク設計装置10は、再最適化前後の双方で、同一グループ内に同一のデマンド(本実施例ではデマンドD1、D2)が収容されている場合には、該デマンドを割り当てるスロットを固定するという制約を施す。この制約により、ネットワーク設計装置10は、第1回目の計算モデルの計算負荷を大きく低減することができると共に、大部分の条件下において、最適解(最適の割当パターンと変更手順)を得ることができる。但し、再最適化前の割当パターンによっては、上記制約の結果、解が存在しなくなる場合もあるが、この場合には、ネットワーク設計装置10は、後述するプロセスにおいて上記制約を緩和することで、救済を図る。
S3では、ネットワーク設計装置10は、数理計画モデル構成部131aにより、数理計画法を活用した計算モデルである数理計画モデルを構成した後、割当パターン算出部131bにより、該モデルを用いて、スロットへのデマンド割当パターンを算出する。ネットワーク設計装置10は、割当パターンの算出に際し、デマンド変更手順を考慮する。
数理計画モデル構成部131aは、AHC(Acyclic Hop Count)変数等のパラメータを活用して、数理計画モデルを構成する。AHC変数は、各デマンドD1〜D4に対して付与される整数値であり、上述したデマンド依存関係グラフにおいて、上流のデマンドは下流のデマンドより大きな値をもたなければならないという制約の下に定まる。図14Aは、AHC変数が解を有する場合のデマンドを示す図である。図14Aに示す様に、AHC変数は、デマンド依存関係グラフがア・サイクリックグラフである場合にのみ、解を有する。割当パターン算出部131bは、AHC変数が解をもつ様な割当パターン、換言すれば、デマンド依存関係グラフにループが存在しない割当パターンを算出する。
図14Bは、AHC変数が解を有さない場合のデマンドを示す図である。図14Bに示す様に、AHC変数は、デマンド依存関係グラフがサイクリックグラフ(ループを含むグラフ)である場合には、解を有さない。図15は、スロットへのデマンド割当パターンを求める際に使用される計算モデルのパラメータ一覧を示す図である。ネットワーク設計装置10は、上記AHC変数と図15に示すパラメータとを用いて、デマンド依存関係グラフにループが存在しない最適解を算出する。
ここで、デマンドを解消しない設計(最善設計)を実行するための計算モデルは、下記制約式(1)〜(5)、及び下記制約式(6)からIsDisrupted(cd)を含む項を削除した式と、図15のNo.1〜8、10、12〜15のパラメータとを使用して構成される。この計算モデルが基本モデルとなる。
Figure 2014229938
Figure 2014229938
Figure 2014229938
Figure 2014229938
Figure 2014229938
Figure 2014229938
デマンド解消数を最小とする設計(次善設計)を実行するための計算モデルは、上記制約式(1)〜(5)及び上記制約式(6)(IsDisrupted(cd)を含む項を含む)と、図15のNo.1〜10、12〜15のパラメータとを使用して構成される。このとき、数理計画モデル構成部131aは、割当パターン算出対象のデマンドD1〜D4の内、絶対に解消の許されないデマンドに対して、下記制約式(7)を適用することで、上記計算モデルの構成を可能とする。
Figure 2014229938
なお、ネットワーク設計装置10は、一旦最適化されたネットワークN1を再度最適化する装置であるため、再最適化の前後において設計結果自体が異なる場合には、上述した計算モデルの構成とは異なる対応が必要となる。そこで、上記場合には、数理計画モデル構成部131aは、上記制約式(1)〜(7)及び下記制約式(8)、(9)と、図15のNo.1〜15のパラメータとを使用して、計算モデルを構成する。
上記場合としては、再最適化の前後において、使用されるリンク数が異なる場合が該当する。例えば、図4A及び図4Bを参照すると、再最適化前にデマンドD1〜D4の使用していたリンク数は“6”(6リンク中全リンク)であるのに対し、再最適化後にデマンドD1〜D4の使用するリンクは“3”である。すなわち、ネットワークN1内で使用されるリンクの数は、再最適化に伴い、減少している。従って、ネットワーク設計装置10の演算部13は、割当パターンの算出に際し、割当パターン算出部131bにより、再最適化後のリンクが、再最適化前のリンクの内、何れのリンクを流用するかの判定を行う。図4A及び図4Bに示す例では、再最適化前に使用されていた6リンクの内、リンクA−D、D−C、D−Eの3リンクが、再最適化後も引き続き使用(流用)されるリンクと判定されることとなる。
Figure 2014229938
Figure 2014229938
図11に戻り、S3における算出結果に解が存在する場合(S4;Yes)には、デマンド変更手順抽出部132aは、取得されたデマンド依存関係グラフ(図9C参照)から、デマンド変更手順を確定する(S5)。すなわち、デマンド変更手順抽出部132aは、上記デマンド依存関係グラフの最下流のデマンドD3から上流に向かって、各デマンドD1〜D4に変更順位を付与していく。なお、上記デマンド依存関係グラフ内にループが存在する場合(図10C参照)には、デマンド変更手順抽出部132aは、該ループ上の解消可能なデマンドD1を始点として、上流に向かって、変更順位を付与していく。そして、付与された順位に従って、各デマンドD1〜D4の割当先となるスロットを変更する。
上記S4において、上記S3における算出結果に解が存在しない場合(S4;No)には、制約緩和可否判定部131cは、解放可能な固定スロットの有無を判定する(S6)。該判定の結果、解放可能な固定スロットが有る場合(S6;Yes)、数理計画モデル構成部131aは、使用スロットの固定制約を緩和した上で(S7)、再びS3以降の処理を実行する。
以下、図16A及び図16Bを参照して、制約緩和プロセスI(使用スロット固定制約緩和)について、より詳細に説明する。図16Aは、使用スロット固定制約緩和のプロセスが不要なデマンドを示す図である。図16Aでは、デマンドD1、D2は、再最適化の前後において同一の10Gbps光回線を使用しなければならない、という使用スロット制限の固定制約が掛かっているとする。この場合、図16Aに示す例では、再最適化の前後において、デマンドD1、D2は、同一の光回線を使用するため、ネットワーク設計装置10は、スロット固定を維持しても特に問題は生じない。
これに対し、図16Bは、使用スロット固定制約緩和のプロセスが必要なデマンドを示す図である。図16Bに示す例では、再最適化後、一方の10Gbps光回線が、10GbpsのデマンドD7によって占有される。このため、ネットワーク設計装置10は、使用スロット固定制約を緩和して、再最適化前後の双方で使用されているデマンドD1、D2の何れかを移動させなければ、スロット割当の実行可能解が、存在しなくなる。この様なケースでは、固定制約の緩和が必要となる。
但し、固定制約の緩和が不要な場合と必要な場合との見極めは、困難である。そこで、ネットワーク設計装置10は、図11のS3〜S9のループを実行するに当たり、1回目のループでは、使用スロット固定で設計することで、S6の処理終了後は常にS8の処理に移行するものとするものとしてもよい。そして、1回目のループ後も解が存在しない場合(S4;No)に初めて、ネットワーク設計装置10は、上記使用スロット固定制約を緩和することで、S6の処理終了後にS7の処理の実行を可能とするものとしてもよい。これにより、ネットワークN1の拡張性が向上するというメリットもある。
上記S6において、解放可能な固定スロットが無い場合(S6;No)、制約緩和可否判定部131cは、解消可能なデマンドの有無を判定する(S8)。該判定の結果、解消可能なデマンドが有る場合(S8;Yes)、数理計画モデル構成部131aは、デマンドの解消可能条件を緩和した上で(S9)、再びS3以降の処理を実行する。
以下、図17を参照して、制約緩和プロセスII(デマンド解消制約緩和)について、より詳細に説明する。再最適化を行う上で、何れのデマンドも解消する必要のない設計が最善の設計となるが、ネットワークN1の形態や最適化の仕方によっては、ネットワーク設計装置10は、デマンドの解消を認めなければ、再最適化を実現することができない場合がある。この様な場合には、デマンドの解消可能条件の緩和が必要となるが、ネットワーク設計装置10は、上記制約式(7)の適用により、デマンドの優先度に応じて可変的な解消を行う、といった設計も可能である。
図17は、デマンドの種類に応じた解消の可否を示す図である。図17に示す様に、デマンド解消可否テーブル123において、例えば、「種類番号」が“1”のデマンドは、“Work(現用)”かつ“一時解消不可”であるので、「重要度」として、最高ランクの“◎”が設定されている。また、「種類番号」が“2”のデマンドは、“Work(現用)”かつ“一時解消可能”であるので、「重要度」として、中程度の“○”が設定されている。この様に、同じWork(現用)のデマンドの中でも、顧客との契約内容(例えば、サービスレベルアグリーメントの高低)に応じて、デマンドの「ステータス」は、異なる値に設定される。更に、「種類番号」が“3”のデマンドは、“Protection(予備用)”かつ“一時解消可能”であるので、「重要度」として、最低ランクの“△”が設定されている。
ネットワーク設計装置10は、デマンドの種類に応じた解消の可否を可変的に設定することで、例えば、以下の様な設計が可能となる。すなわち、ネットワーク設計装置10は、図11のS3〜S9のループを実行するに当たり、1回目のループでは、全ての種類のデマンド解消を禁止する設計を行う。次に、1回目のループで解が得られない場合(S4;No)、ネットワーク設計装置10は、「種類番号」が“3”のデマンドについてのみ解消を許可する。2回目のループでも解が得られない場合(S4;No)には、ネットワーク10は、デマンドの解消可能条件を更に緩和し、「種類番号」が“3”のデマンドに加えて、“2”のデマンドついても解消を許可する設計を行う。
上記S8における判定の結果、解消可能なデマンドが無い場合(S8;No)は、ネットワーク設計装置10は、ネットワークN1の設計に失敗したと判断する(S10)。特に、アルゴリズムで対応している制約緩和を行ってもなお、解が存在しない場合には、例えば、以下の方策を採ることが有効である。すなわち、ネットワーク設計装置10は、光回線の追加、デマンドの変更、現時点の設計結果を禁止制約にした再最適化設計の再実行、あるいは、デマンド解消数の下限値の増加等の対応をとることが可能である。
なお、上述した2種類の制約緩和プロセスの実行順序は任意である。すなわち、図11では、使用スロット固定制約緩和プロセスが、デマンド解消制約緩和プロセスに先立って実行されるものとしたが、ネットワーク設計装置10は、後者のプロセスを優先的に実行するものとしてもよい。
上述した様に、ネットワーク設計装置10は、整数線形計画法(ILP:Integer Linear Programming)を用いて、変更手順考慮機能付のスロット割当計算モデルを構築するプロセス(図11のS3)を実行する。併せて、ネットワーク設計装置10は、上記モデルの活用により可能となるプロセスであり、解無しの場合に段階的に設計制約条件を緩和する制約緩和プロセス(図11のS6〜S9)を実行する。ネットワーク設計装置10は、上記各プロセスを経て、再最適化後のスロット割当設計と、該設計内容を実現するための変更手順の設計とを同時に実現することができる。
次いで、再び図4A及び図4Bに示したネットワークN1を例にとり、ネットワークN1の再最適化の方法(スロットへのデマンド割当結果、デマンド変更手順)が出力される過程について説明する。
図18Aは、総デマンド数の内、スロット割当に関わるデマンド数を説明するための図である。図18Aに示す様に、図4A及び図4Bに示したネットワークN1内の総デマンド数dは“4”であるが、スロット割当に関わるデマンド数dslotは“2”である。以下、図18Bを参照して具体的に説明する。
図18Bは、スロット割当に関わるデマンドの割当て方法を説明するための図である。まず、リンクA−Dに関し、デマンドD3は、再最適化前後の双方において割り当てられるので、スロット割当の方法は1つのパターン(スロット番号5〜8)に定まる。このため、リンクA−Dに対するデマンドD2の割当て方も、1つのパターン(スロット番号1〜4)に定まる。次に、リンクD−Eに関し、スロット番号1〜4のスロットは、再最適化前のデマンドD4によって使用されているため、デマンドD3の割当先は、スロット番号1〜4以外の空きスロット(スロット番号5〜8)に決定される。
これに対し、リンクD−Cに関しては、再最適化前に割り当てられていたデマンドD3、D2が削除された後の空きスロット(スロット番号1〜8)に、新たに、デマンドD1、D4が割り当てられることとなる。このため、デマンドD1、D4の割当て方法は一意に定まらず、例えば、図18Bに示すスロット割当候補C1〜C3の様に、少なくとも3パターンが存在することとなる。すなわち、スロット割当に関わるデマンドは、全デマンドD1〜D4からデマンドD2、D3を除いたデマンドD1、D4のみである。従って、スロット割当に関わるデマンド数dslotは、“2”となる。
従来は、ネットワーク設計装置は、スロット割当を実行する際、変更手順を考慮しないため、解をもつ可能性のあるスロット割当パターンを、1つずつ試すこととなる。従って、デッドロックが生じない変更手順を1回目の試行で特定することは困難であり、ネットワーク設計装置が、デマンドを解消することなく再最適化可能な設計を導出するまでには、複数回の計算が必要となる。これに対し、本実施例に係るネットワーク設計装置10は、再最適化可能なネットワーク設計を、1回の計算で導出することができる。以下、図19を参照しながら、出力結果の導出方法について、詳細に説明する。
図19は、1回の計算により、デマンド変更の最適解が得られる様子を示す図である。図19に示す様に、ネットワーク設計装置10は、ユーザによる入力条件を基に、上記制約式(6)、(4)、(1)、(5)を用いて、スロットへのデマンド割当結果(スロット割当結果)W1とデマンド変更手順W2とを算定し、最終の出力結果として表示装置10dに出力する。ネットワーク設計装置10のユーザは、該出力結果を参照することで、デマンド変更の最適解を、迅速かつ正確に把握することができる。
なお、図19に示す例では、上述した様に、スロット割当候補が複数存在するリンクはリンクD−Cの1つのみであるので、上記制約式(2)は自明の式となる。従って、制約式(2)の記載は省略する。また、図19に示す例では、新規のリンク(HO−ODU:High Order channel-Optical Data Unit)が無いため、上記制約式(3)は両辺共に“0”となる。従って、制約式(3)の記載は省略する。
以上説明した様に、ネットワーク設計装置10は、割当パターン算出部131bとデマンド変更手順抽出部132aと出力部14とを有する。割当パターン算出部131bは、ネットワークN1上のノードA〜E間で送受信されるデマンドD1〜D4を、ネットワークN1上のリンクを構成するスロットに割り当てる際、複数の割当候補の中から、デマンドD1〜D4の解消を要しない割当パターン(図6Aの最善設計)を算出する。デマンド変更手順抽出部132aは、ネットワークN1の再最適化前の割当パターンを、割当パターン算出部131bにより算出された割当パターンに変更するための、デマンドD1〜D4の変更手順(図6B参照)を決定する。出力部14は、割当パターン算出部131bにより算出された割当パターンを、ネットワークN1の再最適化後の割当パターンとして、デマンド変更手順抽出部132aにより決定された変更手順と共に出力する。
すなわち、ネットワーク設計装置10は、ネットワークN1を再最適化するために各スロットへのデマンドD1〜D4割当のパターンを変更する際、各デマンドD1〜D4の変更順序を考慮する。これにより、ネットワーク設計装置10は、スロットに割り当てられたデマンドの解消数を抑えて、ネットワークN1を再最適化することができる。
また、ネットワーク設計装置10において、割当パターン算出部131bは、デマンドD1〜D4の解消を要しない割当パターンが存在しない場合、デマンドD1〜D4の解消数が最小となる割当パターン(図7Aの次善設計)を算出するものとしてもよい。更に、割当パターン算出部131bは、ネットワークN1の再最適化の前後においてデマンドD1〜D4の使用するリンクが異なる場合、上記再最適化前のリンクの内、何れのリンクを上記再最適化後のリンクに流用するかを判定するものとしてもよい。
また、ネットワーク設計装置10は、デマンドD1〜D4の解消を要しない割当パターンが存在しない場合(S4;No)、各デマンドD1〜D4の使用するスロットの固定制約、または、各デマンドD1〜D4の解消可能条件を緩和する制御を行う制約緩和可否判定部131cを更に有するものとしてもよい。
また、ネットワーク設計装置10は、上記割当パターンの算出に先立ち、同一の物理リンクT1に対応する複数の光回線リンクM1、M2を、同一のグループに分類する数理計画モデル構成部131aを更に有するものとしてもよい。この場合、制約緩和可否判定部131cは、数理計画モデル構成部131aにより同一のグループに分類された複数の光回線リンクM1、M2を構成する複数のスロットの内、上記再最適化の前後において同一のデマンド(例えば、D3)により使用されるスロットに対し、上記固定制約を付加するものとしてもよい。換言すれば、制約緩和可否判定部131cは、上記スロット(例えば、図6AのリンクA−Dのスロット番号5〜8を有するスロット)を、上記デマンドの使用するスロット(上記デマンド専用のスロット)に固定する制約を付加するものとしてもよい。
以下、図4A、図4Bに示したネットワーク構成を例に採り、図20、図18A、図18Bを参照しながら、本実施例に係るネットワーク設計装置10の奏する効果について、より詳細に説明する。
例えば、72ノード、86リンク、60デマンドの場合、計算時間を同一として従来手法と比較すると、設計結果の最適性は、2倍以上向上する。すなわち、従来手法では、デマンドの解消無く変更を行う手順を提示することができない場合でも、本実施例に係るネットワーク設計装置10は、かかる手順を提示することができるケースが存在する。また、本実施例に係るネットワーク設計装置10が、デマンドの解消無く変更を行う手順を提示することができない場合でも、従来手法と比較して、デマンド解消数を減少させることができるケースが存在する。
また、ネットワーク設計装置10は、数理計画法を用いて変更手順を考慮することにより、計算負荷を削減する効果を得ることもできる。図20は、割当結果及び変更手順の算出に伴う計算負荷の削減効果を説明するための図である。説明の前提として、スロット割当に関わるリンク数を「N」とし、スロット割当に関わる再最適化前のデマンドの種類数を「M」とし、スロット割当に関わるデマンド数を上述の様に「dslot」とする。また、1リンク当たりのスロット割当候補数は、上記Mを用いて、M!(Mの階乗)により表される。
例えば、図4A、図4Bに示す例では、全リンク数は“6”であるが、スロット割当に関わるリンクは、上述した様に、リンクD−Cのみである。このため、N=1が設定される。また、デマンドD3、D2が異なる種類のデマンドであるとすると(図17参照)、スロット割当に関わる再最適化前のデマンドの種類数は、デマンドD3、D2の2種類である(図18B参照)。このため、M=2が設定される。同様に、図18Bを参照すると、スロット割当に関わるデマンドは、デマンドD1、D4であるので、デマンド数dslotには、dslot=2が設定される。更に、M=2であるため、1リンク当たりのスロット割当候補数M!として、M!=2が設定される。
上述の条件下では、図20の計算時間比較テーブル124に示す様に、設計試行回数は、従来の(M!)(=2=2)と比較して、1回に減少する。また、各式を構成する変数の数については、dから、d+dslot×M!に変更される。更に、計算時間については、d×(M!)から、最大でもd×(1+M!)に変更される。本実施例では、説明の便宜上、簡易なネットワーク構成を例示しているため、計算時間に大きな相違はないが、通常、1つのネットワーク上のノード数、リンク数、デマンド数は、例えば、50〜100程度の大きな値である。従って、ネットワーク設計装置10は、スロットへのデマンド割当結果を算出する際、数理計画法を用いて変更手順を考慮することにより、従来では、N(Nは自然数)乗のオーダであった計算時間を、N倍のオーダにまで短縮することができる。
なお、上記実施例に係るネットワークN1の形態としてリング型を図1に例示したが、これに限らず、本発明は、バス型、スター型、ツリー型、あるいは、これらの複合型等、任意のネットワーク形態に適用可能である。また、ネットワークにおいてパケットを中継するノードの数についても7つに限らない。
更に、上記実施例においては、ネットワーク設計装置10の各構成要素は、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的態様は、図示のものに限らず、その全部又は一部を、各種の負荷や使用状況等に応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することもできる。例えば、入力情報記憶部121と制約緩和情報記憶部122、あるいは、数理計画モデル構成部131aと割当パターン算出部131bと制約緩和可否判定部131cをそれぞれ1つの構成要素として統合してもよい。反対に、制約緩和可否判定部131cに関し、制約緩和プロセスの適用可否を判定する部分と、制約緩和情報記憶部122内の情報を更新する部分とに分散してもよい。更に、入力情報や制約緩和情報を記憶するメモリを、ネットワーク設計装置10の外部装置として、ネットワークやケーブル経由で接続する様にしてもよい。
1 ネットワーク設計システム
10 ネットワーク設計装置
10a プロセッサ
10b 記憶装置
10c 入力装置
10d 表示装置
11 入力部
12 記憶部
13 演算部
14 出力部
121 入力情報記憶部
121a ネットワーク情報
121b 光回線配置状況
121c デマンド経路情報
122 制約緩和情報記憶部
122a 使用スロット固定情報
122b 解消可能デマンド情報
123 デマンド解消可否テーブル
124 計算時間比較テーブル
131 変更手順考慮機能付スロット割当部
131a 数理計画モデル構成部
131b 割当パターン算出部
131c 制約緩和可否判定部
132 変更手順決定部
132a デマンド変更手順抽出部
A、B、C、D、E、F、G ノード
C1、C2、C3 スロット割当候補
d 総デマンド数
slot スロット割当に関わるデマンド数
D1、D2、D3、D4、D5、D6 5Gbpsデマンド
D7 10Gbpsデマンド
L1、M1、M2 光回線リンク
N1 ネットワーク
P1、P2、P3、P4 スロット割当パターン
R1、R2、R3 デッドロック発生領域
T1 物理リンク
W1 スロット割当結果
W2 デマンド変更手順
Y1、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8、Y9 デマンド依存関係を示す矢印

Claims (6)

  1. ネットワーク上のノード間で送受信される接続要求を、前記ネットワーク上のリンクを構成するスロットに割り当てる際、複数の割当候補の中から、前記接続要求の解消を要しない割当パターンを算出する算出部と、
    前記ネットワークの再最適化前の割当パターンを、前記算出部により算出された割当パターンに変更するための、前記接続要求の変更手順を決定する決定部と、
    前記算出部により算出された割当パターンを、前記ネットワークの再最適化後の割当パターンとして、前記決定部により決定された変更手順と共に出力する出力部と
    を有することを特徴とするネットワーク設計装置。
  2. 前記算出部は、前記接続要求の解消を要しない割当パターンが存在しない場合、前記接続要求の解消数が最小となる割当パターンを算出することを特徴とする請求項1に記載のネットワーク設計装置。
  3. 前記算出部は、前記ネットワークの再最適化の前後において前記接続要求の使用するリンクが異なる場合、前記再最適化前のリンクの内、何れのリンクを前記再最適化後のリンクに流用するかを判定することを特徴とする請求項1に記載のネットワーク設計装置。
  4. 前記接続要求の解消を要しない割当パターンが存在しない場合、前記接続要求の使用するスロットの固定制約、または、前記接続要求の解消可能条件を緩和する制御を行う制御部を更に有することを特徴とする請求項1に記載のネットワーク設計装置。
  5. 前記割当パターンの算出に先立ち、同一の物理リンクに対応する複数のリンクを、同一のグループに分類する分類部を更に有し、
    前記制御部は、前記分類部により同一のグループに分類された複数のリンクを構成する複数のスロットの内、前記再最適化の前後において同一の接続要求により使用されるスロットに対し、前記固定制約を付加することを特徴とする請求項4に記載のネットワーク設計装置。
  6. ネットワーク設計装置が、
    ネットワーク上のノード間で送受信される接続要求を、前記ネットワーク上のリンクを構成するスロットに割り当てる際、複数の割当候補の中から、前記接続要求の解消を要しない割当パターンを算出し、
    前記ネットワークの再最適化前の割当パターンを、算出された割当パターンに変更するための、前記接続要求の変更手順を決定し、
    算出された割当パターンを、前記ネットワークの再最適化後の割当パターンとして、決定された変更手順と共に出力する
    ことを特徴とするネットワーク設計方法。
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