JP2015126355A - Traffic flow allocation method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、予め発着ノード等の属性が与えられたトラヒックフロー群に対して、ネットワーク上の経路を割り当てるトラヒックフロー割当方法および装置に係り、特に、SDN（Software-Defined Network）の各スライス（仮想ネットワーク）間でパケット転送キューの共用によるリンク帯域の共用を少ない計算リソースで実現するトラヒックフロー割当方法および装置に関する。 The present invention relates to a traffic flow assignment method and apparatus for assigning a route on a network to a traffic flow group to which attributes such as arrival and departure nodes are given in advance. The present invention relates to a traffic flow allocating method and apparatus for realizing sharing of a link bandwidth by sharing a packet transfer queue between networks with a small amount of computing resources.
ソフトウェアによって仮想的なネットワークを作り上げる技術として、非特許文献１，２にSDNが開示されている。SDNでは、一つの物理ネットワーク上に「スライス」と呼ばれる完全に独立した仮想的なネットワークをいくつも構築できるため、スライスごとにユーザの要求に応じた固有のネットワークを構築できる。 Non-Patent Documents 1 and 2 disclose SDN as a technology for creating a virtual network by software. In SDN, since a number of completely independent virtual networks called “slices” can be constructed on one physical network, a unique network corresponding to a user's request can be constructed for each slice.
特許文献１には、SDNにおいて、各スライス間でのパケット転送キューおよびリンク帯域の共用を促進して、パケット転送のスケジューリングコストを最小化するトラヒックフロー割当方法および装置が開示されている。 Patent Document 1 discloses a traffic flow allocation method and apparatus for promoting sharing of a packet transfer queue and a link band between slices in an SDN to minimize a packet transfer scheduling cost.
SDNの各スライスは物理ネットワークの各リンクを共用できるが、その際、スライスごとに独自のリンク帯域を設定するとリンク帯域を有効利用できない。例えば、帯域が２Gの物理リンクについて、スライスA，Bに1Gずつの帯域が固定的に割り当てられていると、例えばスライスAのトラヒック量が多く、スライスBのトラヒック量が少ない場合でも、スライスAにスライスBの余剰帯域を割り当てられない。 Each slice of SDN can share each link of the physical network. However, if a unique link bandwidth is set for each slice, the link bandwidth cannot be used effectively. For example, if a 1G bandwidth is fixedly allocated to slices A and B for a physical link with a bandwidth of 2G, for example, even if slice A has a large traffic volume and slice B has a small traffic volume, slice A Cannot allocate the surplus bandwidth of slice B.
これに対して、物理リンク毎にスライスA，Bが一つのパケット転送キューを共用するようにして2Gの帯域を割り当てれば、各スライスA，Bは余剰帯域を他のスライスに分け与えることができるので、各スライスのサービス品質を低下させることなくリンク帯域を有効利用できる。しかしながら、これまでSDNの各スライスが物理リンクごとに一つのパケット転送キューを共用してリンク帯域を共用することが検討されていなかった。 On the other hand, if slices A and B share a single packet transfer queue for each physical link and 2G bandwidth is allocated, each slice A and B can allocate the surplus bandwidth to other slices. Therefore, the link bandwidth can be effectively used without degrading the service quality of each slice. However, until now, it has not been studied that each slice of an SDN shares a link bandwidth by sharing one packet transfer queue for each physical link.
このような技術課題に対して、本発明の発明者等は、ネットワークのトポロジー情報およびトラヒックフロー情報を入力として、全てのリンクのパケット転送に関するスケジューリングコストの総和を最小化するトラヒックフロー割当を整数計画法モデルの解として計算し、その際、ネットワークのリングごとに、当該リンクを通過するトラヒックフローの優先クラスが１種類である複数のスライスのうち、当該優先クラスが同一のスライス同士にリンク帯域を共用させる条件下でトラヒックフロー割当を計算する方法および装置を発明し、特許出願した（特許文献１）。 In response to such a technical problem, the inventors of the present invention input the network topology information and traffic flow information as input, and assign traffic flow allocation that minimizes the sum of scheduling costs for packet transfer of all links to an integer plan. Calculated as a solution of the legal model, and for each ring of the network, among the slices with one priority class of traffic flow passing through the link, the link bandwidth is set between slices having the same priority class. A method and apparatus for calculating traffic flow allocation under shared conditions was invented and a patent application was filed (Patent Document 1).
しかしながら、特許文献１に開示された整数計画法モデルの直接解法は大量の計算リソースを使用するので、小規模なSDNにしか適用できないという技術課題があった。 However, since the direct solution of the integer programming model disclosed in Patent Document 1 uses a large amount of computational resources, there is a technical problem that it can be applied only to a small-scale SDN.
本発明の目的は、上記の技術課題を解決し、SDNの各スライスが物理リンクごとに一つのパケット転送キューを共用してリンク帯域を共用するトラヒックフロー割当を、少ない計算リソースで実現できるトラヒックフロー割当方法および装置を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above technical problem, and to enable traffic flow allocation in which each slice of an SDN shares a link bandwidth by sharing one packet transfer queue for each physical link with a small number of computing resources. It is to provide an allocation method and apparatus.
上記の目的を達成するために、本発明は、SDNの各スライス間でパケット転送キューの共用によるリンク帯域の共用を実現するトラヒックフロー割当を算出するトラヒックフロー割当装置において、ネットワークのトポロジー情報およびトラヒックフロー情報に基づいて、スライスごとに複数のツリートポロジー候補を作成する手段と、スライス間でのツリートポロジー候補の組み合わせを対象に、トラヒックフローが通過する各リンクのパケット転送に関するスケジューリングコストの総和を最小化するトラヒックフロー割当を整数計画法モデルの解として計算する手段とを設けた。 In order to achieve the above object, the present invention provides a traffic flow allocation apparatus that calculates traffic flow allocation that realizes sharing of a link bandwidth by sharing a packet transfer queue between slices of an SDN, and includes network topology information and traffic. Based on flow information, for the combination of means for creating multiple tree topology candidates for each slice and the combination of tree topology candidates between slices, the total scheduling cost for packet transfer of each link through which traffic flows passes is minimized. And means for calculating the traffic flow allocation to be converted as a solution of the integer programming model.
前記トラヒックフロー割当を計算する手段は、各リンクを通過するトラヒックフローの優先クラスが１種類である複数のスライスのうち、当該優先クラスが同一のスライス同士にリンク帯域を共用させる条件下で、ツリートポロジー候補の組み合わせおよび各ツリートポロジー候補におけるトラヒックフロー割当を計算するようにした。 The means for calculating the traffic flow allocation is a tree under a condition in which, among a plurality of slices having a single priority class of traffic flow passing through each link, the slices having the same priority class share a link bandwidth. The combination of topology candidates and the traffic flow allocation in each tree topology candidate are calculated.
本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1) 各スライスにおいて、予め与えられた複数のツリートポロジー候補の中から、最もパケット転送スケジューリングコストを削減するツリートポロジー候補を選択するために整数計画法モデルの求解を行うのみなので、大量の計算リソースを必要とせず、規模の大きなSDNにも適用できる。
According to the present invention, the following effects are achieved.
(1) In each slice, only an integer programming model is solved to select a tree topology candidate that reduces the packet transfer scheduling cost from among a plurality of tree topology candidates given in advance. It does not require resources and can be applied to large SDN.
(2) 仮想ネットワークである各スライス上でツリートポロジー候補を構成することにより、各スライスにおいて通過するトラヒックフローの優先クラスが１種類であるリンクの割合を増加させて、スライス間でのパケット転送キューおよびリンク帯域の共用を促進し、リソース利用効率の向上を図ることができる。 (2) By configuring a tree topology candidate on each slice that is a virtual network, the percentage of links with one priority class of traffic flow passing through each slice is increased, and a packet transfer queue between slices In addition, sharing of link bandwidth can be promoted, and resource utilization efficiency can be improved.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。ここでは初めに、本発明におけるパケット転送キューの共用によるリンク帯域の共用およびその際のツリートポロジーの有用性について説明し、次いで、ツリートポロジーを前提にリンク帯域の共用によりスケジューリングコストを最小化できるトラヒックフロー割り当ての方法について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Here, the link bandwidth sharing by sharing the packet transfer queue in the present invention and the usefulness of the tree topology at that time will be described first, and then the traffic that can minimize the scheduling cost by sharing the link bandwidth based on the tree topology A flow allocation method will be described in detail.
なお、本実施形態におけるスケジューリングコストとは、各ノードが各トラヒックフローのパケットをその優先クラスに応じた優先度で転送するために要する処理コストであり、リンク帯域を共有するスライス数やパケット転送キュー数に依存する。 The scheduling cost in this embodiment is a processing cost required for each node to transfer a packet of each traffic flow with a priority according to its priority class. The number of slices sharing the link bandwidth and the packet transfer queue Depends on the number.
本発明では、典型的には図１に示したように、複数のスライス（ここでは、２つのスライス#1，#2）において同一の物理リンクにそれぞれ設けていたパケット転送キューを一つにまとめ、複数のスライス#1，#2に一つのパケット転送キューを共用させることにより、当該リンクに関してスライス#1，#2のそれぞれに割り当てられていたリンク帯域の総和をスライス#1，#2が共用するトラヒックフロー割当を実現する。 In the present invention, typically, as shown in FIG. 1, the packet transfer queues provided in the same physical link in a plurality of slices (here, two slices # 1 and # 2) are combined into one. By sharing a single packet transfer queue for multiple slices # 1 and # 2, the total of the link bandwidth allocated to each of slices # 1 and # 2 for that link is shared by slices # 1 and # 2 Traffic flow allocation is realized.
一方、トラヒックフローに複数の優先クラスが設けられているスライスでは、一般的に優先クラスに応じて相対的に優劣のある帯域割り当てが行われるが、このような帯域割当は契約サービスの料金等に基づくものなので、優先クラスの高いパケット転送が増えた結果、優先クラスの低いパケット転送機会が失われてサービス品質が低下したとしても、スライス内では不公平感はあまり無い。 On the other hand, in slices in which a plurality of priority classes are provided in the traffic flow, bandwidth allocation with relatively superiority and inferiority is generally performed according to the priority class. Therefore, even if packet transfer opportunities with a low priority class are lost as a result of an increase in packet transfers with a high priority class, the quality of service is reduced, so that there is not much unfairness within a slice.
しかしながら、図２に示したように、トラヒックフローに複数の優先クラスが設けられているスライス（#3，#4）にリンク帯域を共用させると、一方のスライス（ここでは、スライス#4）のトラヒックフローが増加して高優先トラヒックフローが増えると、他方のスライス（ここでは、スライス#3）の、特に低優先トラヒックフローに割り当てられるべき帯域が浸食されてしまい、そのサービス品質に低下が生じるので不公平が生じる。 However, as shown in FIG. 2, when the link bandwidth is shared by slices (# 3, # 4) in which a plurality of priority classes are provided in the traffic flow, one slice (here, slice # 4) If the traffic flow increases and the high-priority traffic flow increases, the bandwidth that should be allocated to the low-priority traffic flow of the other slice (here, slice # 3) is eroded, and the service quality is degraded. So unfairness arises.
そこで、本発明ではパケット転送キューの共用によるリンク帯域の共用の対象とするスライスを、各リンクに単一かつ同一の優先クラスのトラヒックフローのみが流れるスライス同士に限定した。 Therefore, in the present invention, the slices that are subject to link bandwidth sharing by sharing the packet transfer queue are limited to slices in which only a single and the same priority class traffic flow flows through each link.
なお、このようなスライスの組み合わせには、図１に示したように、優先クラスが唯一であるスライス同士のみならず、図３，４に示したように、スライスとしては優先クラスの異なるトラヒックフローが存在するものの、リンク単位では、高優先トラヒックフローのみが流れるスライス（図３）、低優先トラヒックフローのみが流れるスライス（図４）のように、優先クラスが唯一となるスライス同士でも同様なので、当該スライスについてはリンク帯域の共用対象とした。 In addition, as shown in FIG. 1, the combination of slices includes not only the slices having a unique priority class as shown in FIG. 1, but also traffic flows having different priority classes as slices as shown in FIGS. However, in the link unit, slices in which only the high priority traffic flow flows (FIG. 3) and slices in which only the low priority traffic flow flows (FIG. 4) are also the same in the slices in which the priority class is unique. The slice is a link band sharing target.
なお、図１ないし図４では説明の都合上、２つのスライス間でのリンク帯域の共用を例にして説明したが、図５に示したように、例えば８つのスライス#1〜#8により共用されるリンクでは、スライス#1，#2はリンク帯域を共用し、スライス#3，#4は共用せず、スライス#5，#6は共用し、スライス#7，#8は共用することになる。 For convenience of explanation, FIGS. 1 to 4 have been described with an example of sharing a link band between two slices. However, as shown in FIG. 5, for example, eight slices # 1 to # 8 are shared. In this case, slices # 1 and # 2 share the link bandwidth, slices # 3 and # 4 do not share, slices # 5 and # 6 share, and slices # 7 and # 8 share Become.
本発明では、ネットワーク全体で、上記のようなスライス間のパケット転送キューおよびリンク帯域の共用を促進し、パケット転送のスケジューリングコストを最小化するトラヒックフロー割当を実現する。 The present invention realizes traffic flow allocation that promotes sharing of the packet transfer queue and link bandwidth between slices as described above and minimizes the scheduling cost of packet transfer throughout the network.
最小化されるパケット転送スケジューリングコストは、各リンクにおけるパケット転送スケジューリングコストの総和である。各リンクにおけるパケット転送スケジューリングコストは、スライス間スケジューリングコストとスライス内スケジューリングコストとの和である。 The packet transfer scheduling cost to be minimized is the sum of the packet transfer scheduling costs in each link. The packet transfer scheduling cost in each link is the sum of the inter-slice scheduling cost and the intra-slice scheduling cost.
スライス間スケジューリングコストは、リンク帯域を共用するスライス数が１以下の時はゼロであり、スライス数が２以上の時にはスライス数に比例する。なお、スライス数は、リンク帯域の共用を図った後のスライス数である。したがって、図１，３，４の例では「0」、図５の例では、[#1+#2]，[ #3]，[ #4]，[ #5+#6]および[ #7+#8]の「5」となる。 The inter-slice scheduling cost is zero when the number of slices sharing the link bandwidth is 1 or less, and is proportional to the number of slices when the number of slices is 2 or more. The number of slices is the number of slices after sharing the link bandwidth. Therefore, in the examples of FIGS. 1, 3 and 4, “0” is obtained, and in the example of FIG. 5, [# 1 + # 2], [# 3], [# 4], [# 5 + # 6] and [# 7 +5 of [# 8].
なお、スライス間スケジューリングコストとして、各スライス対応に設けられるパケット転送処理を行う仮想マシンの台数を考える時は、スライス間スケジューリングコストは単純にスライス数に比例する。したがって、図１，３，４の例では「1」、図５の例では、[#1+#2]，[ #3]，[ #4]，[ #5+#6]および[ #7+#8]の「5」となる。 When considering the number of virtual machines performing packet transfer processing provided for each slice as the scheduling cost between slices, the scheduling cost between slices is simply proportional to the number of slices. Therefore, in the examples of FIGS. 1, 3 and 4, “1” is used, and in the example of FIG. 5, [# 1 + # 2], [# 3], [# 4], [# 5 + # 6] and [# 7 +5 of [# 8].
一方、スライス内のスケジューリングコストは、各スライスにおけるスケジューリングコストの総和である。各スライスにおけるスケジューリングコストは、パケット転送キューの個数が１以下の時はゼロであり、パケット転送キューの個数が２以上の時には、パケット転送キュー数に比例する。したがって、図１，３，４の例では「0」、図５の例では、スライス#3における「2」およびスライス#4における「2」の計「4」となる。 On the other hand, the scheduling cost in a slice is the sum of the scheduling costs in each slice. The scheduling cost in each slice is zero when the number of packet transfer queues is 1 or less, and is proportional to the number of packet transfer queues when the number of packet transfer queues is 2 or more. Therefore, in the example of FIGS. 1, 3, and 4, “0” is obtained, and in the example of FIG. 5, “2” in slice # 3 and “2” in slice # 4 are “4” in total.
本発明では、リンク帯域制御を行う必要があるスライス間のスケジューリングコストを最小化するトラヒックフロー割当を実現し、さらにスライス間スケジューリングコストが等しい場合には、スライス内のスケジューリングコストを最小化するトラヒックフロー割当を実現する。 In the present invention, traffic flow allocation that minimizes the scheduling cost between slices that need to perform link bandwidth control is realized, and when the scheduling cost between slices is equal, the traffic flow that minimizes the scheduling cost in the slice Realize the allocation.
一方、本発明によるパケット転送キューの共用によるリンク帯域の共用では、リンク帯域を共用できるスライスが、当該リンクを通過するトラヒックフローの優先クラスが１種類であるスライス同士に制限される。したがって、リンク帯域の共用をより促進するためには、各スライスには、通過するトラヒックフローの優先クラスが１種類であるリンクをより多く含むトポロジーであることが望まれる。 On the other hand, in sharing a link band by sharing a packet transfer queue according to the present invention, slices that can share a link band are limited to slices that have one kind of priority class of traffic flows that pass through the link. Therefore, in order to further promote the sharing of the link bandwidth, it is desirable that each slice has a topology including more links having one kind of priority class of traffic flow to pass.
ここで、ループを含むことが無いツリー構造のネットワークトポロジーに注目すると、図６に示したように、最下層のリーフをエンドノードとみなせば、当該エンドノードに近いリンクには当該エンドノードを始点または終点とするトラヒックフローしか流れないので優先クラスが１種類である可能性が高くなる。また、エンドノードから離れたリンクほどより多くのトラヒックフローに共用されることになるので、通過するトラヒックフローの優先クラスが複数である可能性が高くなる。 Here, focusing on the network topology having a tree structure that does not include a loop, as shown in FIG. 6, if the lowermost leaf is regarded as an end node, the end node is the starting point for a link close to the end node. Alternatively, since only the traffic flow as the end point flows, there is a high possibility that there is one kind of priority class. In addition, since the link farther from the end node is shared by more traffic flows, there is a high possibility that there are a plurality of priority classes of traffic flows that pass.
すなわち、各スライスをツリートポロジーにできれば、各リンクを通過するトラヒックフロー数の不均等化が図られ、通過するトラヒックフローの優先クラスが１種類であるリンク数が増えるので、スライス間でのリンク帯域の共用が促進される。 That is, if each slice can be made into a tree topology, the number of traffic flows passing through each link can be made non-uniform, and the number of links with one kind of priority class of passing traffic flows increases, so the link bandwidth between slices Sharing is promoted.
のみならず、後に詳述するように、本発明では全てのリンクのパケット転送に関するスケジューリングコストの総和を最小化するトラヒックフロー割当が整数計画法モデルの解として計算されるが、各スライスのネットワークトポロジーを予めツリートポロジーに限定できれば計算リソースを大幅に削減できる。 In addition, as will be described in detail later, in the present invention, the traffic flow allocation that minimizes the sum of the scheduling costs for packet transfer of all links is calculated as a solution of the integer programming model. Can be reduced to a tree topology in advance, computational resources can be greatly reduced.
そこで、本発明ではスライスごとに、要求されているトラヒックフローを満足できる複数のツリートポロジー候補を予め用意し、スライス間での各ツリートポロジー候補の組み合わせの中から、スケジューリングコストを最小化できる組み合わせを整数計画法モデルの解として計算するようにした。 Therefore, in the present invention, for each slice, a plurality of tree topology candidates that can satisfy the requested traffic flow are prepared in advance, and a combination that can minimize the scheduling cost is selected from combinations of tree topology candidates between slices. It was calculated as the solution of the integer programming model.
図７は、本発明の一実施形態に係るトラヒックフロー割当装置１の主要部の構成を示した機能ブロック図である。このようなトラヒックフロー割当装置１は、汎用のコンピュータやサーバに、後述する各機能を実現するアプリケーション（プログラム）を実装することで構成できる。あるいは、アプリケーションの一部がハードウェア化またはROM化された専用機や単能機として構成しても良い。 FIG. 7 is a functional block diagram showing the configuration of the main part of the traffic flow allocation apparatus 1 according to one embodiment of the present invention. Such a traffic flow allocation apparatus 1 can be configured by installing an application (program) for realizing each function described later on a general-purpose computer or server. Alternatively, a part of the application may be configured as a dedicated machine or a single-function machine in which hardware or ROM is implemented.
入力インタフェース（I/F）１０は、ネットワークのトポロジー情報の入力を受け付けて記憶するトポロジー情報受付部１０ａ、およびトラヒックフロー情報の入力を受け付けて記憶するトラヒックフロー情報受付部１０ｂを含む。 The input interface (I / F) 10 includes a topology information receiving unit 10a that receives and stores input of network topology information, and a traffic flow information receiving unit 10b that receives and stores input of traffic flow information.
ツリートポロジー候補作成部２０は、ネットワークのトポロジー情報およびトラヒックフロー情報に基づいて、スライスごとにトラヒックフローの経路を合成して構成される複数のツリートポロジー候補を作成する。 The tree topology candidate creation unit 20 creates a plurality of tree topology candidates configured by synthesizing traffic flow paths for each slice based on the network topology information and traffic flow information.
図８は、スライスごとに複数のツリートポロジー候補を作成する手順を示したフローチャートであり、イーサネット(登録商標)においてループ構成を回避するためのスパニングツリープロトコルとして知られている。 FIG. 8 is a flowchart showing a procedure for creating a plurality of tree topology candidates for each slice, and is known as a spanning tree protocol for avoiding a loop configuration in Ethernet (registered trademark).
本実施形態では、スライスごとに当該スライスに属するトラヒックフローが１本ずつランダムに選択され、最小コスト経路計算法によるトラヒックフローの割当が逐次的に実現される。そして、トラヒックフローの割当が行われるごとに、当該トラヒックフローに割当てられたリンクのコストを十分小さな値に更新し、当該スライスに属する全てのトラヒックフローの割当が終了した時点でコストが十分に小さな値に更新されているリンク群が、得られたツリートポロジー候補を示す。本実施形態では、以上の処理がスライスごとに所定のツリートポロジー候補数分だけ繰り返される。 In the present embodiment, one traffic flow belonging to the slice is randomly selected for each slice, and traffic flow allocation by the minimum cost route calculation method is realized sequentially. Each time a traffic flow is assigned, the cost of the link assigned to the traffic flow is updated to a sufficiently small value, and the cost is sufficiently low when assignment of all the traffic flows belonging to the slice is completed. The link group updated to the value indicates the obtained tree topology candidate. In the present embodiment, the above processing is repeated for a predetermined number of tree topology candidates for each slice.
すなわち、ステップS１０１ではリンク帯域の共用対象となるスライスのリストが作成される。ステップS１０２では、前記スライスリストから今回注目する一のスライス（注目スライス）が取り出される。ステップS１０３では、ツリートポロジー候補数Ncadに初期値として「１」がセットされる。 That is, in step S101, a list of slices to be shared with the link band is created. In step S102, one slice (target slice) of interest is extracted from the slice list. In step S103, “1” is set as the initial value for the tree topology candidate number Ncad.
ステップS１０４では、前記注目スライスのフローリストがトラヒックフロー情報に基づいて作成される。ステップS１０５では、全てのリンクコストが「1.0」に初期設定される。ステップS１０６では、前記フローリストからランダムに一のトラヒックフローが選択されて注目トラヒックフローとされる。 In step S104, the flow list of the target slice is created based on the traffic flow information. In step S105, all link costs are initialized to “1.0”. In step S106, one traffic flow is selected at random from the flow list and set as a traffic flow of interest.
ステップS１０７では、前記注目トラヒックフローに対して最小コスト経路が割り当てられる。ステップS１０８では、注目トラヒックフローが通過するリンクのコストが十分に小さな値（例えば、0.001）に設定される。 In step S107, a minimum cost route is assigned to the traffic flow of interest. In step S108, the cost of the link through which the traffic flow of interest passes is set to a sufficiently small value (for example, 0.001).
ステップS１０９では、前記フローリストに登録されている全てのトラヒックフローに関して最小コスト経路の割り当てが完了したか否かが判定される。完了していなければステップS１０５へ戻り、注目トラヒックフローを切り替えながら前記最小コスト経路の割当およびリンクコストの更新が繰り返される。 In step S109, it is determined whether or not the allocation of the minimum cost path has been completed for all the traffic flows registered in the flow list. If not completed, the process returns to step S105, and the allocation of the minimum cost path and the update of the link cost are repeated while switching the traffic flow of interest.
その後、フローリストに登録されている全てのトラヒックフローに関する処理が完了したと判定されるとステップS１１０へ進み、コストの低いリンク集合が今回の注目スライスに関するツリートポロジー候補の一つとして登録される。ステップS１１１では、ツリートポロジー候補数Ncadがインクリメントされる。 Thereafter, when it is determined that the processing related to all the traffic flows registered in the flow list is completed, the process proceeds to step S110, and a link set with a low cost is registered as one of the tree topology candidates related to the current slice of interest. In step S111, the tree topology candidate number Ncad is incremented.
ステップS１１２では、ツリートポロジー候補数Ncadが所定の候補数に達したか否かが判定される。所定の候補数に達していなければ、ステップS１０４へ戻って上記の各処理が繰り返され、今回の注目スライスについて別のツリートポロジー候補が作成される。 In step S112, it is determined whether the tree topology candidate number Ncad has reached a predetermined number of candidates. If the predetermined number of candidates has not been reached, the process returns to step S104 and the above processes are repeated to create another tree topology candidate for the current slice of interest.
本実施形態では、スライスごとにフローリストに登録されたトラヒックフローが最終的には全て選択されることになるので、注目されるトラヒックフロー群は毎回同一である。しかしながら、ランダムな順序で注目される各トラヒックフローの最小コスト経路を探索する過程で、トラヒックフローが一度でも通過したリンクはリンク集合に加えられると同時に、そのコストが十分小さな値に更新される。 In this embodiment, since all the traffic flows registered in the flow list for each slice are finally selected, the traffic flow groups to be noted are the same every time. However, in the process of searching for the minimum cost path of each traffic flow to be noticed in a random order, the link through which the traffic flow has passed once is added to the link set and the cost is updated to a sufficiently small value.
従って、任意のノードAとノードBとが、リンク集合に含まれるリンクのみによって構成される経路で接続されていれば、その経路のコストは十分小さく、以後のトラヒックフローの最小コスト経路が、もしノードAとノードBを通過するのであれば必ず同じ経路を辿ることになる。すなわち、リンク集合に含まれるリンクによって、ノードAとノードBとを含むループ経路が構成されることはない。従ってリンク集合はループを含まないトポロジー、すなわちツリートポロジーを構成することになる。 Therefore, if an arbitrary node A and node B are connected by a route composed only of links included in the link set, the cost of the route is sufficiently small, and the minimum cost route of the subsequent traffic flow is If it passes through node A and node B, it always follows the same route. That is, the loop path including the node A and the node B is not configured by the links included in the link set. Therefore, the link set constitutes a topology that does not include a loop, that is, a tree topology.
その後、ステップS１１２において、今回の注目スライスに関して所定数のツリートポロジー候補が取得できたと判定されるとステップS１１３へ進み、これらのツリートポロジー候補が当該注目スライスのツリートポロジー候補群として登録される。ステップS１１４では、全てのスライスに関してツリートポロジー候補群の抽出が完了したか否かが判定される。完了していなければステップS１０２へ戻り、注目スライスを切り替えながら上記の各処理が繰り返され、スライスごとにNcad個のツリートポロジー候補群が抽出される。 Thereafter, when it is determined in step S112 that a predetermined number of tree topology candidates have been acquired for the current target slice, the process proceeds to step S113, and these tree topology candidates are registered as a tree topology candidate group of the target slice. In step S114, it is determined whether or not extraction of tree topology candidate groups has been completed for all slices. If not completed, the process returns to step S102, and the above processes are repeated while switching the target slice, and Ncad tree topology candidate groups are extracted for each slice.
図７へ戻り、トラヒックフロー割当計算部３０は、前記トポロジー情報および各スライスにおけるツリートポロジー候補情報を入力とする整数計画法モデルを解いて、パケット転送のスケジューリングコストを最小化する、ツリートポロジー候補の組み合わせおよびトラヒックフローの割当結果を出力する。 Returning to FIG. 7, the traffic flow allocation calculation unit 30 solves an integer programming model that receives the topology information and the tree topology candidate information in each slice, and minimizes the scheduling cost of packet forwarding. Outputs combination and traffic flow allocation results.
ネットワークのトポロジー情報は、ネットワークを構成するノード集合およびリンク集合を含む。ツリートポロジー候補情報は、各ツリートポロジー候補を構成する、当該スライスに含まれるトラヒックフローの経路に関する情報である。整数計画法モデルにおける定数および集合は以下のように定義される。
Node：ノード集合
node：ノード
s：発ノード
d：着ノード
t：中継ノード
Link：リンク集合
link：リンク
node inout：ノードnodeに接続するリンクの集合
Flow：トラヒックフロー集合
f：トラヒックフロー
Pr：優先クラス集合
pr：優先クラス
Sl：スライス集合
sl：スライス
FPr (pr)：優先クラスprに属するトラヒックフロー集合
FSl (sl)：スライスslに属するトラヒックフロー集合
MCad：各スライスにおけるツリートポロジー候補数
cad：ツリートポロジー候補。
X f, cad (link)：トラヒックフローfを含むスライスにおいて、ツリートポロジー候補cadが選択される時、トラヒックフローfがリンクlinkを通過する時に「1」、そうでない時に「0」であるバイナリー定数
A：十分大きな値を持つ定数
The topology information of the network includes a node set and a link set constituting the network. The tree topology candidate information is information relating to the path of the traffic flow included in the slice constituting each tree topology candidate. Constants and sets in the integer programming model are defined as follows:
Node: Node set
node: Node
s: Originating node
d: destination node
t: Relay node
Link: Link set
link
node inout : A set of links connected to the node node
Flow: Traffic flow set
f: Traffic flow
Pr: Priority class set
pr: Priority class
Sl: Slice set
sl: Slice
FPr (pr): Traffic flow set belonging to the priority class pr
FSl (sl): traffic flow set belonging to slice sl
MCad: Number of tree topology candidates in each slice
cad: Tree topology candidate.
X f, cad (link): When a tree topology candidate cad is selected in a slice including traffic flow f, a binary constant that is “1” when traffic flow f passes through link link and “0” otherwise.
A: Constant with a sufficiently large value
また、各変数は以下のように定義される。
Y sl, cad：スライスslにおいて、ツリートポロジー候補cadが選択される時に「1」、そうでない時に「0」であるバイナリー変数
Q pr, sl (link)：スライスslにおいて優先クラスpr に属するトラヒックフローが、リンクlink を通過する時に「1」、そうでない時に「0」であるバイナリー変数
Q1 sl (link)：スライスslにおいて１つ以上の優先クラスに属するトラヒックフローが、リンクlink を通過する時に「1」、そうでない時に「0」であるバイナリー変数
Q2 sl (link)：スライスslにおいて２つ以上の優先クラスに属するトラヒックフローが、リンクlink を通過する時に「1」、そうでない時に「0」であるバイナリー変数
NQ pr (link)：あるスライスにおいて、優先クラスpr に属するトラヒックフローのみが、リンクlink を通過する時に「1」、そうでない時に「0」であるバイナリー変数
SQ (link)：２つ以上のスライスに属するトラヒックフローが、リンクlink を通過する時に「1」、そうでない時に「0」であるバイナリー変数
Each variable is defined as follows.
Y sl, cad : A binary variable that is “1” when the tree topology candidate cad is selected in slice sl, and “0” otherwise.
Q pr, sl (link): A binary variable whose traffic flow belonging to priority class pr in slice sl is “1” when passing through link link, and “0” otherwise.
Q1 sl (link): A binary variable that is “1” when a traffic flow belonging to one or more priority classes in the slice sl passes the link link, and “0” otherwise.
Q2 sl (link): A binary variable that is “1” when a traffic flow belonging to two or more priority classes in slice sl passes the link link, and “0” otherwise.
NQ pr (link): A binary variable that is “1” when only traffic flows belonging to the priority class pr pass through the link link and “0” otherwise.
SQ (link): A binary variable that is “1” when a traffic flow belonging to two or more slices passes through the link link, and “0” otherwise.
整数計画法モデルにおいて、各スライスにおいて選択されるツリートポロジー候補の条件は次式(1)で与えられる。 In the integer programming model, the condition of the tree topology candidate selected in each slice is given by the following equation (1).
次式(2)は、各スライスにおいて各優先クラスに属するトラヒックフローが各リンクを通過する条件であり、Q pr, sl (link)は、ΣΣ(X f, cad (link)×Y sl, cad)が０以下であれば「0」、１以上であれば「1」となる。 The following equation (2) is a condition that traffic flows belonging to each priority class pass through each link in each slice, and Q pr, sl (link) is ΣΣ (X f, cad (link) × Y sl, cad ) Is 0 or less, it is “0”, and if it is 1 or more, it is “1”.
次式(3)は、各スライスにおいて、１つ以上の優先クラスに属するトラヒックフローがリンクを通過する条件であり、Q1 sl (link)は、ΣQ pr, sl (link)が０以下であれば「0」、１以上であれば「１」となる。 The following equation (3) is a condition that traffic flows belonging to one or more priority classes pass through the link in each slice, and Q1 sl (link) is ΣQ pr, sl (link) is 0 or less “0”, “1” if 1 or more.
次式(4)は、各スライスにおいて、２つ以上の優先クラスに属するトラヒックフローがリンクを通過する条件であり、Q2 sl (link)は、ΣQ pr, sl (link)-1が０以下であれば「0」、１以上であれば「１」となる。 The following equation (4) is a condition that traffic flows belonging to two or more priority classes pass through links in each slice. Q2 sl (link) is ΣQ pr, sl (link) -1 is 0 or less “0” if present, “1” if greater than or equal to “1”.
次式(5)は、あるスライスにおいて、各優先クラスに属するトラヒックフローのみがリンクを通過する条件である。 The following equation (5) is a condition that only a traffic flow belonging to each priority class passes through the link in a certain slice.
次式(6)は、２つ以上のスライスに属するトラヒックフローがリンクを通過する条件であり、SQ (link)は、ΣQ2 sl (link)+ΣNQ pr (link)-1が０以下であれば「0」、１以上であれば「１」となる。 The following equation (6) is a condition that traffic flows belonging to two or more slices pass through the link, and SQ (link) is ΣQ2 sl (link) + ΣNQ pr (link) -1 if it is 0 or less “0”, “1” if 1 or more.
最小化すべきパケット転送のスケジューリングコストは、次式(7)のように表される。 The scheduling cost of packet transfer to be minimized is expressed by the following equation (7).
上式(7)において、上段の定数W1に乗じられる項は、スライス間のスケジューリングコストを表し、定数W1は、スライス数をスライス間スケジューリングコストに換算する比例定数を表している。下段の定数W2に乗じられる項は、スライス内のスケジューリングコストを表し、定数W2は、パケット転送キュー数をスライス内スケジューリングコストに換算する比例定数を表している。 In the above equation (7), the term multiplied by the upper constant W1 represents the scheduling cost between slices, and the constant W1 represents a proportionality constant for converting the number of slices into the scheduling cost between slices. The term multiplied by the lower constant W2 represents the scheduling cost in the slice, and the constant W2 represents a proportional constant for converting the number of packet transfer queues into the scheduling cost in the slice.
前記定数W1に乗じられる項において、第１項（ΣQ2 sl…）は、今回の注目リンクlink（∈Link）に、同一スライス内で優先クラスの異なる複数のトラヒックフローが流れるスライス総数、すなわち当該注目リンクに関して、単独でスライス間スケジューリングが必要となるスライス総数であり、前記スライス#3，#4に相当する。 In the term multiplied by the constant W1, the first term (ΣQ2 sl...) Is the total number of slices in which a plurality of traffic flows having different priority classes flow in the same target link (∈Link), that is, the target This is the total number of slices that require inter-slice scheduling independently for the link, and corresponds to slices # 3 and # 4.
第２項（ΣNQ…）は、今回の注目リンクlink（∈Link）に、当該優先クラスに属するトラヒックフローのみが流れるスライスが存在するような優先クラス（pr）の総数であり、前記スライス[#1+#2]，[ #5+#6]，[ #7+#8]に対応する優先クラスに相当する。すなわち、当該注目リンクに関して、１つの優先クラスに属するトラヒックフローのみが流れるリンク帯域共用の対象と成り得るスライスについて、リンク帯域の共用が図られた後のスライス総数を表す。 The second term (ΣNQ...) Is the total number of priority classes (pr) in which there are slices in which only traffic flows belonging to the priority class exist in the current link of interest (link), and the slice [# Corresponds to the priority class corresponding to [1 + # 2], [# 5 + # 6], [# 7 + # 8]. That is, regarding the link of interest, the total number of slices after the sharing of the link bandwidth is represented for a slice that can be a link bandwidth sharing target in which only traffic flows belonging to one priority class flow.
ただし、注目リンクが複数のスライスで共用されていなければ、当該注目リンクに関するスライス間スケジューリングは不要なので、これらの和にはSQ (link)が乗じられる。なお、スライス間スケジューリングコストとして、各スライス対応に設けられるパケット転送処理を行うための仮想マシンの台数を考える時は、SQ (link)を乗じない。 However, if the link of interest is not shared by a plurality of slices, scheduling between slices regarding the link of interest is unnecessary, and these sums are multiplied by SQ (link). Note that when considering the number of virtual machines for performing packet transfer processing provided for each slice as the scheduling cost between slices, SQ (link) is not multiplied.
前記定数W2に乗じられる項は、今回の注目リンクlinkにおいて、スライス内のスケジューリングが必要となる、複数の異なる優先クラスのトラヒックフローが流れるスライスslに含まれる、パケット転送キューの総数であり、前記スライス#3，#4において２つずつ設けられるパケット転送キューに相当する。 The term multiplied by the constant W2 is the total number of packet transfer queues included in the slice sl in which traffic flows of a plurality of different priority classes that require scheduling within the slice in the current link link of interest, This corresponds to two packet transfer queues provided in slices # 3 and # 4.
本実施形態では、W2の値に比べてW1の値が十分大きく設定される。これにより、スライス間のスケジューリングコストを最小化するトラヒックフロー割当が実現され、更にスライス間スケジューリングコストが等しい場合には、スライス内のスケジューリングコストを最小化するトラヒックフロー割当が実現される。各トラヒックフローの割当結果は、各スライスにおいて選択されたツリートポロジー候補を表す変数Y sl, cadの値から、定数X f, cad (link)の値よって知ることができる。 In the present embodiment, the value of W1 is set sufficiently larger than the value of W2. As a result, traffic flow allocation for minimizing the scheduling cost between slices is realized, and when the scheduling cost between slices is equal, traffic flow allocation for minimizing the scheduling cost within the slice is realized. The assignment result of each traffic flow can be known from the values of variables Y sl and cad representing the tree topology candidate selected in each slice by the values of constants X f and cad (link).
本実施形態によれば、SDNの各スライスにおいて、予め与えられた複数のツリートポロジー候補の中から、最もパケット転送スケジューリングコストを削減するツリートポロジー候補を選択するために整数計画法モデルの求解を行うのみなので、大量の計算リソースを必要とせず、規模の大きなSDNにも適用できる。 According to the present embodiment, in each slice of the SDN, an integer programming model is solved in order to select a tree topology candidate that reduces the packet transfer scheduling cost most from a plurality of tree topology candidates given in advance. Therefore, it does not require a large amount of computing resources and can be applied to large-scale SDN.
また、本実施形態によれば、仮想ネットワークである各スライス上でツリートポロジー候補を構成することにより、各スライスにおいて通過するトラヒックフローの優先クラスが１種類であるリンクの割合を増加させて、スライス間でのパケット転送キューおよびリンク帯域の共用を促進し、リソース利用効率の向上を図ることができる。 In addition, according to the present embodiment, by configuring a tree topology candidate on each slice that is a virtual network, the ratio of the link having one kind of priority class of traffic flow passing through each slice is increased, and the slice It is possible to promote the sharing of the packet transfer queue and the link bandwidth between them and improve the resource utilization efficiency.
なお、上記の実施形態では、リンク帯域の共用対象となるスライス組を、リンクを通過するトラヒックフローの優先クラスが唯一かつ同一のスライス同士とし、優先クラスの異なる複数のトラヒックフローが通過するスライス同士は共用の対象外であるものとして説明した。 In the above-described embodiment, the slice set that is the target of sharing the link band is the same and the same slice of the priority class of the traffic flow passing through the link, and the slices through which a plurality of traffic flows of different priority classes pass. Was described as being out of scope for sharing.
しかしながら、優先クラスの異なる複数のトラヒックフローが通過するスライス同士であっても、図９に示したように、スライス内の各優先クラスにリンク帯域が固定的に割り当てられていれば、対応する優先クラス同士でパケット転送キューを一つにまとめて共用させることで、優先クラスごとに各リンク帯域の総和を共用させても良い。このとき、各スライスの対応する優先クラスに割り当てられていた帯域は必ずしも同一でなくて良い。 However, even if the slices pass through a plurality of traffic flows with different priority classes, as shown in FIG. 9, if the link bandwidth is fixedly assigned to each priority class in the slice, the corresponding priority is assigned. By summarizing and sharing the packet transfer queue between classes, the sum of the link bandwidths may be shared for each priority class. At this time, the bandwidth allocated to the corresponding priority class of each slice does not necessarily have to be the same.
このようにすれば、優先クラスが同一のパケット同士は公平に扱われ、一方のスライスの高優先トラヒックフローが増加しても、他方のスライスの低優先トラヒックフローに割り当てられるべき帯域は確保される。したがって、サービス品質を不公平に低下させることなくリンク帯域の利用効率を向上させることができる。 In this way, packets with the same priority class are treated fairly, and even if the high-priority traffic flow of one slice increases, the bandwidth to be allocated to the low-priority traffic flow of the other slice is secured. . Therefore, link bandwidth utilization efficiency can be improved without unfairly degrading service quality.
１…トラヒックフロー割当装置，１０…入力インタフェース，１０ａ…トポロジー情報受付部，１０ｂ…トラヒックフロー情報受付部，２０…ツリートポロジー候補作成部，３０…トラヒックフロー割当計算部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Traffic flow allocation apparatus, 10 ... Input interface, 10a ... Topology information reception part, 10b ... Traffic flow information reception part, 20 ... Tree topology candidate preparation part, 30 ... Traffic flow allocation calculation part
Claims (9)
ネットワークのトポロジー情報およびトラヒックフロー情報に基づいて、スライスごとに複数のツリートポロジー候補を作成する手段と、
スライス間でのツリートポロジー候補の組み合わせを対象に、トラヒックフローが通過する各リンクのパケット転送に関するスケジューリングコストの総和を最小化するトラヒックフロー割当を整数計画法モデルの解として計算する手段とを具備し、
前記トラヒックフロー割当を計算する手段は、各リンクを通過するトラヒックフローの優先クラスが１種類である複数のスライスのうち、当該優先クラスが同一のスライス同士にリンク帯域を共用させる条件下で、ツリートポロジー候補の組み合わせおよび各ツリートポロジー候補におけるトラヒックフロー割当を計算することを特徴とするトラヒックフロー割当装置。 In a traffic flow allocation device that calculates traffic flow allocation that realizes link bandwidth sharing by sharing packet transfer queues between each slice of SDN,
A means for creating a plurality of tree topology candidates for each slice based on network topology information and traffic flow information;
Means for calculating a traffic flow allocation that minimizes the sum of scheduling costs related to packet transfer of each link through which traffic flows pass as a solution of an integer programming model for a combination of tree topology candidates between slices. ,
The means for calculating the traffic flow allocation is a tree under a condition in which, among a plurality of slices having a single priority class of traffic flow passing through each link, the slices having the same priority class share a link bandwidth. A traffic flow allocation apparatus that calculates a combination of topology candidates and a traffic flow allocation in each tree topology candidate.
ネットワークのトポロジー情報およびトラヒックフロー情報に基づいて、スライスごとに複数のツリートポロジー候補を作成する手段と、
スライス間でのツリートポロジー候補の組み合わせを対象に、トラヒックフローが通過する各リンクのパケット転送に関するスケジューリングコストの総和を最小化するトラヒックフロー割当を整数計画法モデルの解として計算する手段とを具備し、
前記トラヒックフロー割当を計算する手段は、各リンクを通過するトラヒックフローの優先クラスが複数であるスライスのうち、相互に対応する優先クラスを有し、かつ各優先クラスにリンク帯域が固定的に割り当てられているスライス同士に、対応する優先クラスのリンク帯域を共用させる条件下で、ツリートポロジー候補の組み合わせおよび各ツリートポロジー候補におけるトラヒックフロー割当を計算することを特徴とするトラヒックフロー割当装置。 In a traffic flow allocation device that calculates traffic flow allocation that realizes link bandwidth sharing by sharing packet transfer queues between each slice of SDN,
A means for creating a plurality of tree topology candidates for each slice based on network topology information and traffic flow information;
Means for calculating a traffic flow allocation that minimizes the sum of scheduling costs related to packet transfer of each link through which traffic flows pass as a solution of an integer programming model for a combination of tree topology candidates between slices. ,
The means for calculating traffic flow allocation has priority classes corresponding to each other among slices having a plurality of priority classes of traffic flows passing through each link, and a link bandwidth is fixedly allocated to each priority class. A traffic flow allocating apparatus that calculates a combination of tree topology candidates and a traffic flow allocation in each tree topology candidate under a condition that a link band of a corresponding priority class is shared among slices that are configured.
ネットワークのトポロジー情報およびトラヒックフロー情報に基づいて、スライスごとに複数のツリートポロジー候補を作成する手順と、
スライス間でのツリートポロジー候補の組み合わせを対象に、トラヒックフローが通過する各リンクのパケット転送に関するスケジューリングコストの総和を最小化するトラヒックフロー割当を整数計画法モデルの解として計算する手順とをコンピュータに実行させ、
前記トラヒックフロー割当の計算では、各リンクを通過するトラヒックフローの優先クラスが１種類である複数のスライスのうち、当該優先クラスが同一のスライス同士にリンク帯域を共用させる条件下で、ツリートポロジー候補の組み合わせおよび各ツリートポロジー候補におけるトラヒックフロー割当を計算することを特徴とするトラヒックフロー割当方法。 In a traffic flow allocation method for calculating traffic flow allocation that realizes sharing of a link bandwidth by sharing a packet transfer queue between slices of SDN,
Create multiple tree topology candidates for each slice based on network topology information and traffic flow information;
For a combination of tree topology candidates between slices, the computer calculates the traffic flow allocation that minimizes the total scheduling cost for packet transfer of each link through which the traffic flow passes as a solution of the integer programming model. Let it run
In the calculation of the traffic flow allocation, a tree topology candidate under the condition that among the slices having a single priority class of traffic flows passing through each link, the same priority class shares the link bandwidth among the same slices. A traffic flow allocation method comprising calculating a traffic flow allocation in each tree topology candidate and a combination thereof.
ネットワークのトポロジー情報およびトラヒックフロー情報に基づいて、スライスごとに複数のツリートポロジー候補を作成する手順と、
スライス間でのツリートポロジー候補の組み合わせを対象に、トラヒックフローが通過する各リンクのパケット転送に関するスケジューリングコストの総和を最小化するトラヒックフロー割当を整数計画法モデルの解として計算する手順とをコンピュータに実行させ、
前記トラヒックフロー割当の計算では、各リンクを通過するトラヒックフローの優先クラスが複数であるスライスのうち、相互に対応する優先クラスを有し、かつ各優先クラスにリンク帯域が固定的に割り当てられているスライス同士に、対応する優先クラスのリンク帯域を共用させる条件下で、ツリートポロジー候補の組み合わせおよび各ツリートポロジー候補におけるトラヒックフロー割当を計算することを特徴とするトラヒックフロー割当方法。 In a traffic flow allocation method for calculating traffic flow allocation that realizes sharing of a link bandwidth by sharing a packet transfer queue between slices of SDN,
Create multiple tree topology candidates for each slice based on network topology information and traffic flow information;
For a combination of tree topology candidates between slices, the computer calculates the traffic flow allocation that minimizes the total scheduling cost for packet transfer of each link through which the traffic flow passes as a solution of the integer programming model. Let it run
In the calculation of traffic flow allocation, among the slices having a plurality of priority classes of traffic flows passing through each link, the priority classes corresponding to each other are included, and the link bandwidth is fixedly allocated to each priority class. A traffic flow allocation method, comprising: calculating a combination of tree topology candidates and a traffic flow allocation in each tree topology candidate under a condition in which a corresponding priority class link bandwidth is shared among existing slices.
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