JP2016054342A - 通信装置、通信方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】特定のリンクへのトラヒック集中という輻輳の発生を防ぎ、帯域利用効率を向上させることができる通信装置、通信方法及びプログラムを提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る通信装置は、ＳＰＢ網において、「全リンクの帯域使用率の最大値」を、最小化するトラヒック構成を算出する「トラヒック構成算出手段」と、「トラヒック構成算出手段」の出力結果から該トラヒック構成と整合する最短経路構成を持つような通信装置間のリンクメトリック及び経路選択確率値を算出する「リンクメトリック及び経路選択確率算出手段」を備え、「リンクメトリック及び経路選択確率算出手段」の出力するリンクメトリック値及び経路選択確率値を各リンクに割り当てし、該リンクメトリック及び経路選択確率値に基づき経路を決定する。【選択図】図７

Description

本発明は、通信ネットワークを利用する全ユーザの帯域要求を鑑みてリンクメトリック設定と経路選択を行い、スループットおよび帯域利用効率を向上させ、輻輳の発生を防止する通信装置に関するものである。

一般に、アクセスネットワークにおいて、データの転送制御を行う通信装置は、ユーザから転送されたトラヒックの集線を行い、ユーザトラヒックを多重化した上で、エッジルータ（ＥＲ）を通じコアネットワーク（通信事業者間を接続する大容量の基幹通信ネットワーク）に転送する。各通信装置は、フレームに記載されたＣＯＳ（Ｃｌａｓｓ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）などの値を用いて優先度を識別し、ＶＬＡＮ（Ｖｉｒｔｕａｌ ＬＡＮ）ＩＤなどのユーザ識別子を用いて送信元ユーザを識別する。特に、広域に分布するユーザの集線を効率的に行うためには、通信装置を多段接続した上で、コアネットワークに接続する構成が必要となる。キャリアネットワークにおいては、信頼性向上の観点から装置や経路の冗長化が重要であり、従来ＥＲＰ（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標） Ｒｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ）等を適用したレイヤ２リングトポロジが広く採用されている。通信装置を多段接続する場合にも、複数のエッジルータ（ＥＲ）を接続したリングトポロジを構成することは重要である。

一方で近年、データセンタにおけるサーバ仮想化技術の進展に伴い、データセンタ内ネットワークの効率化、管理容易化のためにＳＰＢ（Ｓｈｏｒｔｅｓｔ Ｐａｔｈ Ｂｒｉｄｇｉｎｇ）、ＴＲＩＬＬ（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｏｔｓ ｏｆ Ｌｉｎｋｓ）といったイーサネット（登録商標）ファブリック（ＥＦ）技術の標準化が進んでいる。ＥＦでは、ＩＳ−ＩＳ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用しノード間で経路情報を交換して転送経路を決定することで、最短経路転送、マルチパス転送を実現する。またループ回避のために従来必須であったブロッキングポートを不要とし、リソースの有効利用および経路管理の容易化を図っている。

今後、アクセスネットワークにおける集線区間へのＥＦ網の利用が考えられる。ＥＦ網では、任意のネットワーク構成においてブロッキングポートが無くなり、最短経路転送が実現される。各リンクにはリンクメトリックが付与され、リンクメトリック和が最小となる経路が最短経路として使用される。

最短経路が複数存在する場合には、自律的にマルチパスを設定し、負荷分散が実行される。そのため、リソースの有効利用および経路管理の容易化が期待される。さらにリングトポロジにとどまらず、需要に応じて柔軟にネットワークを構成することが可能となる。特にＳＰＢでは、エッジノードにおいて、Ｉ−ＳＩＤ（拡張サービスインスタンス識別子）等に基づいて複数の転送経路のうちから一つの転送経路が選択され、選択された転送経路に対応したＢ−ＶＩＤ（バックボーンＶＬＡＮ識別子）が付与され、フレームが転送される。

ＲＰＦＣ（Ｒｅｖｅａｒｓｅ Ｐａｔｈ Ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ Ｃｈｅｃｋ）によるループ回避を利用できるようにするため、及びＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標） ＯＡＭ（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ，Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ）を既存のＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）網と同様の環境で利用できるようにするため、ＳＰＢは全ての２ノード間において往復経路の一致を保証する。ＳＰＢは、往復経路の一致を保障するため、各リンクについて往復対象なリンクメトリックを保持する。非特許文献３では、往復経路の一致を保障するため、ＳＰＢが各リンクについて往復対象なリンクメトリックを最短経路計算に用いることを規定している。すなわち、最短経路計算時、ノードｉからノードｊへのリンクメトリックｍ_ｉ，ｊと、ノードｊからノードｉへのリンクメトリックｍ_ｊ，ｉは等しい。もしｍ_ｉ，ｊとｍ_ｊ，ｉが異なって設定された場合は、最短経路計算時にｍ_ｉ，ｊとｍ_ｊ，ｉの大きい値をノードｉとノードｊ間のリンクメトリックとして採用する。
以降、この処理を「リンクメトリック対称化処理」と呼ぶ。

しかし、複数の転送経路から各フローの転送経路を単純に選択した場合、適切に負荷分散が行われないことがある。すなわちＳＰＢでは通常、各フローに関しＩ−ＳＩＤ等に基づいて転送経路が選択される。そのため各フローが利用する経路に偏りがある場合には、一部のリンクに高レートのフローが集中することがある。このため、帯域の有効活用が図れず、特定フローのスループット低下や遅延増大等の転送品質低下が発生することがある。

特定フローのスループット低下を防ぎ公平性を実現するための関連技術として、非特許文献１に示される経路選択確率最適化がある。非特許文献１の技術は、各リンクの伝送容量、ユーザの帯域使用要求、各転送経路の経由リンク情報を基に、リンクの帯域使用率のＥＦ網内の最大値を最小化するような、すなわちＥＦ網内のリンクの帯域使用率を平均化するような、転送経路へのフロー選択確率を算出し、その確率に基づき転送経路にフローを割り振る。

非特許文献１の技術を用いることで、ＥＦ網全体にフローを分散し、特定フローのスループット低下や遅延増大等の転送品質低下を防ぎ、公平性を改善することができる。

しかし、非特許文献１の技術では、不適切なリンクメトリック設計により、そもそも最短経路が経由するリンクに偏りがある場合に、そのリンクへのフロー集中を防ぐことができず、帯域利用効率を向上させることができないという課題があった。例えば、非特許文献１の技術を用いた場合、最短経路に属するリンク群ａとどの最短経路も経由しないリンク群ｂが存在する時、各最短経路へのフロー選択確率を変更することでリンク群ａに属するリンク同士で負荷分散は可能であるが、そもそも転送経路に属さないリンク群ｂに対してフローを載せ替えることはできない。そのため、全体としての帯域利用効率が低いにも関わらずフレームの廃棄が発生してしまい、ネットワーク全体として帯域の有効活用が測れず、各フレームのスループット低下や遅延の増大等が発生してしまうことがあった。

最短経路の偏りに起因する、特定フレームのスループット低下や遅延の増大を解決するための関連技術として、非特許文献２に示されるリンクメトリック最適化がある。非特許文献２の技術は、各リンクの伝送容量、ＥＦ網トポロジ、ユーザの帯域要求を基に、リンクの帯域使用率のＥＦ網内の最大値を最小化するような、すなわちＥＦ網内のリンクの帯域使用率を平均化するような、最短経路構成を持つリンクメトリックを算出する。

非特許文献２の技術を用いることで、特定のリンクに最短経路が集中することを防ぐようなリンクメトリックを算出することができる。したがって、非特許文献１の技術と非特許文献２の技術を合わせて用いることで、非特許文献１の技術のみを用いた場合の課題であった、最短経路の偏りに対処することができる。すなわち、非特許文献１の技術のみを用いた場合、最短経路に属するリンク群ａとどの最短経路も経由しないリンク群ｂが存在する時、各最短経路へのフロー選択確率を変更することでリンク群ａに属するリンク同士で負荷分散は可能であるが、そもそも転送経路に属さないリンク群ｂに対してフローを載せ替えることはできなかった。一方で、非特許文献１の技術と非特許文献２の技術を併用した場合、非特許文献２の技術がリンクメトリックを適切に変更することで、もともとリンク群ｂに所属していたリンクｌをリンク群ａに所属変更し、その上で非特許文献１の技術が各最短経路へのフロー選択確率を変更することで、リンクｌも含めた負荷分散が可能である。

Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＥＣＴ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ＳＰＢＭ ｎｅｔｗｏｒｋｓ， Ｙｕ Ｎａｋａｙａｍａ， ｉｅｉｃｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｅｘｐｒｅｓｓ， ｖｏｌ． ３， ｎｏ． １， ｐｐ． ３３−３８， ２０１４ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｔｒａｆｆｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｗｉｔｈｏｕｔ ｆｕｌｌ ｍｅｓｈ ｏｖｅｒｌａｙｉｎｇ、Ｙｕｆｅｉ Ｗａｎｇ， ｅｔ ａｌ．， ＩＮＦＯＣＯＭ ２００１， ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ， ｖｏｌ．１， ｐｐ． ５６５−５７１， ２００２ ＩＳ−ＩＳ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎｓ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ＩＥＥＥ ８０２．１ａｑ Ｓｈｏｒｔｅｓｔ Ｐａｔｈ Ｂｒｉｄｇｉｎｇ， ＩＥＴＦ ＲＥＣ ６３２９， ２０１２

しかし、非特許文献２の技術には、次のようなケースが発生することがあった。非特許文献２の技術はもともとＯＳＰＦ等の有向リンクメトリックを持つプロトコル向けの技術であるため、往復非対称なリンクメトリックを出力する場合があった。すなわち、一本のリンクに対し往復方向にそれぞれ異なるリンクメトリック値を解として算出する場合があるため、前記したリンクメトリック対称化処理によりリンクメトリックが往復方向で同一値となるよう変換され、最短経路の形状が歪み、結果的に特定のリンクに最短経路が集中する場合があった。

このため、非特許文献１の技術と非特許文献２の技術を併用した場合、意図せぬ形状に最短経路が歪み、特定のリンクにトラヒックが集中し、各フレームのスループット低下や遅延の増大、及び帯域利用効率の低下等が発生することがあり、これらの回避が課題であった。

そこで、本発明は、上記課題を解決すべく、特定のリンクへのトラヒック集中という輻輳の発生を防ぎ、帯域利用効率を向上させることができる通信装置、通信方法及びプログラムを提供することを目的とする。

本発明は、特定のリンクにトラヒックが集中しないようなトラヒック構成をあらかじめ計算し、そのトラヒック構成に対応する往復対称なリンクメトリックと、経路選択確率を逆算することで、特定のリンクにトラヒックが偏ることを防ぎ、帯域利用効率を向上させることとした。

具体的には、本発明に係る通信装置は、ＳＰＢ（Ｓｈｏｒｔｅｓｔ Ｐａｔｈ Ｂｒｉｄｇｉｎｇ）ネットワークを形成する通信装置であって、
ＳＰＢネットワークのトポロジ、ＳＰＢネットワーク内の全ての２ノード間の帯域要求、及びＳＰＢネットワークに形成される全てのリンクの伝送容量のネットワーク情報を取得する情報取得手段、
前記情報取得手段が取得した前記ネットワーク情報に基づいて、前記リンク全ての帯域使用率の最大値αを最小化するトラヒック構成を算出するトラヒック構成算出手段、
前記トラヒック構成算出手段が算出した前記トラヒック構成で使用される転送経路のリンクメトリックの和が最小となるように、前記トラヒック構成で使用される転送経路のそれぞれの前記リンクのリンクメトリックを算出するリンクメトリック算出手段、及び
前記トラヒック構成算出手段が算出した前記トラヒック構成上の転送経路を選択する確率である経路選択確率を算出する経路選択確率算出手段、
を有する計算部と、
前記リンクメトリック算出手段が算出した前記リンクメトリックをそれぞれの前記リンクに割り当て、前記経路選択確率算出手段が算出した前記経路選択確率を前記トラヒック構成上の転送経路に割り当て、前記トラヒック構成をＳＰＢネットワークに構築する経路構築手段を有する転送経路判断部と、
を備える。

また、本発明に係る通信方法は、
ＳＰＢ（Ｓｈｏｒｔｅｓｔ Ｐａｔｈ Ｂｒｉｄｇｉｎｇ）ネットワークのトポロジ、ＳＰＢネットワーク内の全ての２ノード間の帯域要求、及びＳＰＢネットワークに形成される全てのリンクの伝送容量のネットワーク情報を取得する情報取得手順と、
前記情報取得手順で取得した前記ネットワーク情報に基づいて、前記リンク全ての帯域使用率の最大値αを最小化するトラヒック構成を算出するトラヒック構成算出手順と、
前記トラヒック構成算出手順で算出された前記トラヒック構成で使用される転送経路のリンクメトリックの和が最小となるように、前記トラヒック構成で使用される転送経路のそれぞれの前記リンクのリンクメトリックを算出するリンクメトリック算出手順と、
前記トラヒック構成算出手順で算出された前記トラヒック構成上の転送経路を選択する確率である経路選択確率を算出する経路選択確率算出手順と、
前記リンクメトリック算出手順で算出された前記リンクメトリックをそれぞれの前記リンクに割り当て、前記経路選択確率算出手順で算出された前記経路選択確率を前記トラヒック構成で使用されるそれぞれの転送経路に割り当て、前記トラヒック構成をＳＰＢネットワークに構築する経路構築手順と、
を備える。

一方、本発明に係るプログラムは、コンピュータをＳＰＢ（Ｓｈｏｒｔｅｓｔ Ｐａｔｈ Ｂｒｉｄｇｉｎｇ）ネットワークを形成する通信装置として機能させるためのプログラムであって、
前記コンピュータに、
ＳＰＢネットワークのトポロジ、ＳＰＢネットワーク内の全ての２ノード間の帯域要求、及びＳＰＢネットワークに形成される全てのリンクの伝送容量のネットワーク情報を取得する情報取得手順と、
前記情報取得手順で取得した前記ネットワーク情報に基づいて、前記リンク全ての帯域使用率の最大値αを最小化するトラヒック構成を算出するトラヒック構成算出手順と、
前記トラヒック構成算出手順で算出された前記トラヒック構成で使用される転送経路のリンクメトリックの和が最小となるように、前記トラヒック構成で使用される転送経路のそれぞれの前記リンクのリンクメトリックを算出するリンクメトリック算出手順と、
前記トラヒック構成算出手順で算出された前記トラヒック構成上の転送経路を選択する確率である経路選択確率を算出する経路選択確率算出手順と、
前記リンクメトリック算出手順で算出された前記リンクメトリックをそれぞれの前記リンクに割り当て、前記経路選択確率算出手順で算出された前記経路選択確率を前記トラヒック構成で使用されるそれぞれの転送経路に割り当て、前記トラヒック構成をＳＰＢネットワークに構築する経路構築手順と、
を実行させることを特徴とする。

本発明は、特定のリンクにトラヒックが集中しないようなトラヒック構成をあらかじめ計算し、そのトラヒック構成に対応する往復対称なリンクメトリックと、経路選択確率を逆算することで、特定のリンクにトラヒックが偏ることを防ぎ、帯域利用効率を向上させることができる通信装置を提供することができる。つまり、本発明は、非特許文献２の技術の課題であった往復非対称なリンクメトリック解を算出する場合がある、という点を克服し、必ず往復対称なリンクメトリックを算出することで、リンクメトリック対称化処理により最短経路が歪むことを防ぐことができる。

従って、本発明は、特定のリンクへのトラヒック集中という輻輳の発生を防ぎ、帯域利用効率を向上させることができる通信装置、通信方法及びプログラムを提供することができる。

本発明は、特定のリンクへのトラヒック集中という輻輳の発生を防ぎ、帯域利用効率を向上させることができる通信装置、通信方法及びプログラムを提供することができる。

本発明に係る通信装置のネットワーク内における位置を説明する図である。 本発明に係る通信装置の構成を説明する図である。 先行技術での通信方法を説明する図である。ｕｓｅｒ−ＥＲ間で２．０Ｇｂｐｓ双方向の帯域要求があるものとする。 先行技術での通信方法を説明する図である。ｕｓｅｒ−ＥＲ間で２．０Ｇｂｐｓ双方向の帯域要求があるものとする。 本発明に係る通信方法を説明する図である。トラヒック構成算出手順後の状態である。ｕｓｅｒ−ＥＲ間で２．０Ｇｂｐｓ双方向の帯域要求があるものとする。 本発明に係る通信方法を説明する図である。リンクメトリック算出手順後の状態であり、最短経路とリンクメトリックを示している。ｕｓｅｒ−ＥＲ間で２．０Ｇｂｐｓ双方向の帯域要求があるものとする。 本発明に係る通信方法を説明する図である。経路選択確率算出手順後の状態である。ｕｓｅｒ−ＥＲ間で２．０Ｇｂｐｓ双方向の帯域要求があるものとする。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図１、２、３、４、５、６、及び７を用いて実施形態１の通信装置を説明する。各図面のＳＷが本実施形態の通信装置である。

＜実施形態１＞
図１は、ネットワーク内における本実施形態の通信装置の位置を説明する図である。ＳＷ間は、ＳＰＢを用いて接続され、ＥＦ網２００を形成している。ＥＦ網２００内のトポロジは何でも良い。各ＳＷにはそれぞれ、アクセスネットワークを通じてユーザ端末Ｕが接続される。さらに、いずれかのＳＷに対しエッジルータＥＲが接続され、さらにコアネットワーク１００に接続されている。なお、ユーザ端末ＵとエッジルータＥＲの接続する形態は例であり、ユーザ端末ＵとエッジルータＥＲのいずれか一方または双方を接続する必要はない。

図２は、本実施形態の通信装置ＳＷを説明する図である。通信装置ＳＷは、ＥＦ網のトポロジ、ＥＦ網内の全ての２ノード間の帯域要求、及び各リンクの伝送容量からリンクメトリックと転送経路選択確率を算出する計算部１１と、前記リンクメトリックをＩＳ−ＩＳの経路情報に格納し、他スイッチと交換する経路情報交換部１２と、他スイッチから受信した前記経路情報から最短経路を計算し、フレームを宛先に転送する一つ以上の最短経路を保持する転送テーブル１３と、転送経路判断部１４と、を備える。なお、計算部１１と転送経路判断部１４の少なくとも一方を一部の通信装置ＳＷまたは通信装置ＳＷの外部に備え、その計算結果および判断結果を計算部１１と転送経路判断部１４の少なくとも一方を備えない通信装置ＳＷに通知するとしてもよい。

詳細には、計算部１１は、
ＳＰＢネットワークのトポロジ、ＳＰＢネットワーク内の全ての２ノード間の帯域要求、及びＳＰＢネットワークに形成される全てのリンクの伝送容量のネットワーク情報を取得する情報取得手段、
前記情報取得手段が取得した前記ネットワーク情報に基づいて、前記リンク全ての帯域使用率の最大値αを最小化するトラヒック構成を算出するトラヒック構成算出手段、
前記トラヒック構成算出手段が算出した前記トラヒック構成で使用される転送経路のリンクメトリックの和が最小となるように、前記トラヒック構成で使用される転送経路のそれぞれの前記リンクのリンクメトリックを算出するリンクメトリック算出手段、及び
前記トラヒック構成算出手段が算出した前記トラヒック構成上の転送経路を選択する確率である経路選択確率を算出する経路選択確率算出手段、
を有する。
また、転送経路判断部１４は、
前記リンクメトリック算出手段が算出した前記リンクメトリックをそれぞれの前記リンクに割り当て、前記経路選択確率算出手段が算出した前記経路選択確率を前記トラヒック構成上の転送経路に割り当て、前記トラヒック構成をＳＰＢネットワークに構築する経路構築手段を有する。

なお、転送経路判断部１４は、コンピュータにＳＰＢネットワークを形成する通信装置として機能させるためのプログラムを実行させ、実現することができる。
当該プログラムは、コンピュータに、
ＳＰＢネットワークのトポロジ、ＳＰＢネットワーク内の全ての２ノード間の帯域要求、及びＳＰＢネットワークに形成される全てのリンクの伝送容量のネットワーク情報を取得する情報取得手順と、
前記情報取得手順で取得した前記ネットワーク情報に基づいて、前記リンク全ての帯域使用率の最大値αを最小化するトラヒック構成を算出するトラヒック構成算出手順と、
前記トラヒック構成算出手順で算出された前記トラヒック構成で使用される転送経路のリンクメトリックの和が最小となるように、前記トラヒック構成で使用される転送経路のそれぞれの前記リンクのリンクメトリックを算出するリンクメトリック算出手順と、
前記トラヒック構成算出手順で算出された前記トラヒック構成上の転送経路を選択する確率である経路選択確率を算出する経路選択確率算出手順と、
前記リンクメトリック算出手順で算出された前記リンクメトリックをそれぞれの前記リンクに割り当て、前記経路選択確率算出手順で算出された前記経路選択確率を前記トラヒック構成で使用されるそれぞれの転送経路に割り当て、前記トラヒック構成をＳＰＢネットワークに構築する経路構築手順と、
を実行させることを特徴とするプログラムである。

通信装置ＳＷは、フレームを受信するとフレームのフローを識別する。具体的には、通信装置ＳＷは、フレームの送信元ＭＡＣアドレス、宛先ＭＡＣアドレス、ＶＩＤ、およびその組み合わせのいずれかを用いてフローを識別する。

［情報取得手段、情報取得手順］
計算部１１は、ＥＦ網のトポロジ、ＥＦ網内の全ての２ノード間の帯域要求、及び各リンクの伝送容量からリンクメトリックと転送経路選択確率を算出する。通信装置ＳＷはＥＦ網のトポロジ、ＥＦ網内の全ての２ノード間の帯域要求、及び各リンクの伝送容量を、ＥＦ情報を集中的に管理するサーバに問い合わせることで取得してもよいし、オペレータに直接入力させることで取得してもよい。

経路情報交換部１２は、計算部１１で計算されたリンクメトリックをＩＳ−ＩＳの経路情報に格納し、他ＳＷに広告する。

転送経路判断部１４は、転送テーブル１３を参照し、フレームの送信元ＭＡＣアドレスと宛先ＭＡＣアドレスとに基づいて、宛先ＳＷ、Ｉ−ＳＩＤ及びＢ−ＶＩＤを定めてＰＢＢ（Ｐｒｏｖｉｄｅｒ Ｂａｃｋｂｏｎｅ Ｂｒｉｄｇｉｎｇ）ヘッダ、すなわちアウターＭＡＣヘッダを付与する。このとき、転送経路判断部１４は、等コストの転送経路（Ｅｑｕａｌ Ｃｏｓｔ Ｔｒｅｅ）が存在する場合には、計算部１１で算出された転送経路選択確率を参照して経路選択を行い、与えるＢ−ＶＩＤを定める。

［トラヒック構成算出手段、トラヒック構成算出手順］
まず、計算部１１は、ＥＦ網のトポロジ、ＥＦ網内全ての２ノード間の帯域要求、及び各リンクの伝送容量から、特定のリンクに負荷が集中しないようなトラヒック構成を算出する。計算部１１が、トラヒック構成を計算する手法は複数存在する。当該手法の一例として、最適化問題１（数１）を解くことで算出することができる。

最適化問題１は、網内のリンク使用率の最大値αを最小化するようなトラヒック構成Ｘ_ｉ，ｊ ^ｌを計算する問題である。網内のリンク使用率の最大値αを最小化することで、特定のリンクにトラヒックが集中することを防ぎ、負荷分散性能を最大化する。

以下で各変数の定義を述べる。Ｅはリンクの集合を、Ｘ_ｉ，ｊ ^ｌはノードｉからノードｊに流れる帯域要求ｌに属するトラヒック量を、ｃ_ｉ，ｊはノードｉからノードｊの向きのリンクの伝送容量を、Ｌは帯域要求の集合を、ｄ_ｌは帯域要求ｌの要求帯域量を、ｓ_ｌは帯域要求ｌの送信元ノードを、ｔ_ｌは帯域要求ｌの送信先ノードを、αはＥＦ網中の全リンクのうち最大となるリンク使用率を、表す。制約条件１、２及び３はトラヒック量保存の法則を表している。

次に、各制約条件について述べる。制約条件１は、帯域要求ｌの送信元ノードｓ_ｌから流出するトラヒックの総量は、帯域要求ｌの要求帯域量ｄ_ｌと等しくなることを表している。制約条件２は、帯域要求ｌの送信先ノードｔ_ｌへ流入するトラヒックの総量は、帯域要求２の要求帯域量ｄ_ｌと等しくなることを表している。制約条件３は、ｓ_ｌ、ｔ_ｌ以外のノードに流入するトラヒックと、流出トラヒックの総量は等しくなることを表している。制約条件５は、各リンクに流れるトラヒックの総量は、リンクの伝送容量と、ＥＦ網中の全リンクのうち最大となるリンク使用率の積より小さくなることを表している。制約条件５はＸ_ｉ，ｊ ^ｌの定義域を表している。

計算部１１は、最適化問題１の代わりに下記の最適化問題２（数２）を解くことで、トラヒック構成を算出しても良い。

最適化問題１と最適化問題２は、目的関数が異なる。最適化問題２では、ＥＦ網内の最大リンク使用率αに、経路の迂回に対するペナルティ項ｒΣΣＸ_ｉ，ｊ ^ｌを加えたものを目的関数とする。ｒは調整可能なパラメータである。ΣΣＸ_ｉ，ｊ ^ｌはＥＦ網内を流れるトラヒック量の総量を表し、より多くのトラヒックがより多くのリンクを経由する程大きな値を取る。つまりΣΣＸ_ｉ，ｊ ^ｌを小さくすることで、フローが経由するホップ数が少なくなり、迂回経路利用による通信遅延を抑制することができる。つまり、最適化問題２ではＥＦ網内のリンク使用率の平均化と、迂回経路の回避を同時に考慮する。パラメータｒによりリンク使用率の平均化と、迂回経路の回避の間の、優先度を調整することができる。

［リンクメトリック算出手段、リンクメトリック算出手順］
計算部１１は、前記のトラヒック構成で使用される転送経路が最小リンクメトリック和経路となるような、リンクメトリックを逆算する。計算部１１がリンクメトリックを算出する手法は複数存在する。当該手法の一例として、下記の最適化問題３（数３）を解くことで算出することができる。

最適化問題３は、最適化問題１の双対問題として導出されるものであり、目的関数ΣｄＵを最小化する変数Ｕｉ^ｌとｍ_ｉ，ｊを求める。最適化問題３の解であるｍ_ｉ，ｊを、ノードｉとノードｊ間のリンクメトリックとして設定した時の最短経路が、最適化問題１の解となるトラヒックが通る経路を全て含む。この事実は、非特許文献２によって証明されている。ただし、非特許文献２は、往復非対称なリンクメトリックに対して証明されているため、最適化問題１と最適化問題３に証明を適用する際は、往復対称なリンクメトリックに条件を変更する必要がある。

以下では最適化問題３で用いられる変数の定義を行う。ただし、最適化問題３は最適化問題１から機械的に導出される数式であるため、一部の変数について物理的な意味付けを与えるのが困難であることに注意されたい。Ｅはリンクの集合を、ｍ_ｉ，ｊはノードｉからノードｊの向きのリンクメトリックを、ｃ_ｉ，ｊはノードｉからノードｊの向きのリンクの伝送容量を、Ｌは帯域要求の集合を、ｄ_ｌは帯域要求ｌの要求帯域量を、ｓ_ｌは帯域要求ｌの送信元ノードを、ｔ_ｌは帯域要求ｌの送信先ノードを、表す。

以下では最適化問題３で用いられる制約条件について述べる。ただし、最適化問題３は最適化問題１から機械的に導出される数式であるため、一部の制約条件について物理的な解釈を与えるのが困難であることに注意されたい。制約条件２はｍ_ｉ，ｊの大きさを制限する式である。制約条件４はリンクメトリックｍ_ｉ，ｊの定義域を定める。制約条件５はリンクメトリックの対称性を定める。

計算部１１は、最適化問題３の代わりに下記の最適化問題４（数４）を解くことで、リンクメトリックを算出しても良い。

最適化問題４と最適化問題２の関係は、最適化問題３と最適化問題１の関係と同様である。つまり、最適化問題４の解ｍ_ｉ，ｊとパラメータｒの和ｍ_ｉ，ｊ＋ｒを、ノードｉとノードｊ間のリンクメトリックとして設定した時の最短経路が、最適化問題２の解となるトラヒックが通る経路を全て含む。

また計算部１１は、考えうる全てのリンクメトリックを網羅的に試行することで、前記のトラヒック構成で使用される転送経路が最小リンクメトリック和経路となるような、リンクメトリックを逆算しても良い。しかし、リンク数が増えるに伴って爆発的に計算量が増加するため、計算アルゴリズムに工夫が必要となる。

［経路選択確率算出手段、経路選択確率算出手順］
次に、計算部１１は、前記のトラヒック構成を実現するような経路選択確率を逆算する。具体的には、実現したいトラヒック構成Ｘ_ｉ，ｊと各帯域要求ｄ_ｌより連立方程式５（数５）を立式し、経路選択確率ｐ_ｎ ^ｌを逆算することができる。

連立方程式５は、ノードｉとノードｊ間のリンクを流れる帯域要求ｌに属するトラヒック量Ｘ_ｉ，ｊ ^ｌを実現するような、経路ｎの選択確率ｐ_ｎを算出する。

以下では、連立方程式５で用いられる変数を定義する。Ｌは帯域要求の集合を、ｄ_ｌは帯域要求ｌの要求帯域量を、Ｎ_ｌは帯域要求ｌが利用する転送経路の候補集合を、ｎは転送経路を、Ｘ_ｉ，ｊ ^ｌはノードｉからノードｊに流れる帯域要求ｌに属するトラヒック量を、ｚ_ｉ，ｊ ^ｎはノードｉ―ノードｊ間のリンクが転送経路ｎに含まれるか否かを、表す。転送経路ｎがノードｉ―ノードｊ間のリンクを含むときｚ_ｉ，ｊ ^ｎ＝１であり、含まないときｚ_ｉ，ｊ ^ｎ＝０である。

連立方程式５を構成する式１、２について述べる。式１は、各転送経路のトラヒックのうちノードｉ−ノードｊ間を流れるものの総和が、Ｘ_ｉ，ｊ ^ｌと等しくならなければならないことを表している。式２は、ｐ_ｎが確率値であることから、帯域要求ｌが利用する転送経路集合Ｎ_ｌについてｐ_ｎを足し合わせた結果が１にならなければならないことを表している。

［経路構築手段、経路構築手順］
転送経路判断部１４は、算出されたリンクメトリックをそれぞれの前記リンクに割り当て、算出された経路選択確率をトラヒック構成で使用されるそれぞれの転送経路に割り当て、トラヒック構成をＳＰＢネットワークに構築する。そして、転送経路判断部１４は、等コストの転送経路（Ｅｑｕａｌ Ｃｏｓｔ Ｔｒｅｅ）が存在する場合には、計算部１１で算出された転送経路選択確率を参照して経路選択を行い、フレームに与えるＢ−ＶＩＤを定める。

（先行技術と本実施形態との違い）
図３及び図４は、非特許文献１の技術と非特許文献２の技術を併用した場合を表す。図３及び図４は、ＥＦ網２００の具体例の一つを表している。ＳＷ０からＳＷ４の５つの通信装置と、ＥＲが接続されている。各ＳＷは、ここには図示されていない他の通信装置と接続されていても良い。いずれのリンクもブロックされておらず、トラヒックが疎通可能な状態となっている。説明の単純化のため、ＳＷ０に複数のユーザが収容され、各ユーザ端末とＥＲ間で合計２Ｇｂｐｓの帯域要求があるものとする。非特許文献２の技術は、図３のように非対称メトリックを算出する場合がある。このとき、リンクメトリックの対称化処理により図４のようにリンクメトリックが変更される。図４中の点線はＳＷ０とＳＷ４間の最短経路を表し、これを経路０とする。

非特許文献１の技術は、フローを最短経路に割り振る確率を設計することができるが、図４に示すＥＦ網２００の具体例の場合は、最短経路は経路０のみのため、全てのフローを経路０に割り振る。よって、トラヒックはＳＷ０−ＳＷ１間のリンクと、ＳＷ１−ＳＷ３間のリンクと、ＳＷ３−ＳＷ４間のリンクとに集中してしまう。

図５、図６及び図７は、同様のＥＦ網２００に本実施形態のＳＷを適用した場合を表す。本実施形態のＳＷは、「トラヒック構成算出手段」で、まず図５に示されるような、最終的に実現したいトラヒック構成を算出する。次に、本実施形態のＳＷは、「リンクメトリック算出手段」で、図６に示すように、トラヒック構成を実現するリンクメトリックを逆算する。ここで算出されるリンクメトリックは、非特許文献２の技術と異なり、必ず往復対称なものとなり、ＳＰＢのリンクメトリック対称化処理によって最短経路形状が変更されることはない。最後に、本実施形態のＳＷは、「経路選択確率算出手段」で、図７に示すように、トラヒック構成を実現する経路選択確率を逆算する。

以上に示すように、本発明は、特定のリンクにトラヒックが集中しないようなトラヒック構成をあらかじめ計算し、そのトラヒック構成に対応する往復対称なリンクメトリックと、経路選択を逆算することで、特定のリンクにトラヒックが偏ることを防ぎ、帯域利用効率を向上させることができる。

１１：計算部
１２：経路情報交換部
１３：転送テーブル
１４：転送経路判断部
１００：コアネットワーク
２００：ＥＦネットワーク

Claims (3)

1. ＳＰＢ（Ｓｈｏｒｔｅｓｔ Ｐａｔｈ Ｂｒｉｄｇｉｎｇ）ネットワークを形成する通信装置であって、
   ＳＰＢネットワークのトポロジ、ＳＰＢネットワーク内の全ての２ノード間の帯域要求、及びＳＰＢネットワークに形成される全てのリンクの伝送容量のネットワーク情報を取得する情報取得手段、
   前記情報取得手段が取得した前記ネットワーク情報に基づいて、前記リンク全ての帯域使用率の最大値αを最小化するトラヒック構成を算出するトラヒック構成算出手段、
   前記トラヒック構成算出手段が算出した前記トラヒック構成で使用される転送経路のリンクメトリックの和が最小となるように、前記トラヒック構成で使用される転送経路のそれぞれの前記リンクのリンクメトリックを算出するリンクメトリック算出手段、及び
   前記トラヒック構成算出手段が算出した前記トラヒック構成上の転送経路を選択する確率である経路選択確率を算出する経路選択確率算出手段、
   を有する計算部と、
   前記リンクメトリック算出手段が算出した前記リンクメトリックをそれぞれの前記リンクに割り当て、前記経路選択確率算出手段が算出した前記経路選択確率を前記トラヒック構成上の転送経路に割り当て、前記トラヒック構成をＳＰＢネットワークに構築する経路構築手段を有する転送経路判断部と、
   を備える通信装置。
2. ＳＰＢ（Ｓｈｏｒｔｅｓｔ Ｐａｔｈ Ｂｒｉｄｇｉｎｇ）ネットワークのトポロジ、ＳＰＢネットワーク内の全ての２ノード間の帯域要求、及びＳＰＢネットワークに形成される全てのリンクの伝送容量のネットワーク情報を取得する情報取得手順と、
   前記情報取得手順で取得した前記ネットワーク情報に基づいて、前記リンク全ての帯域使用率の最大値αを最小化するトラヒック構成を算出するトラヒック構成算出手順と、
   前記トラヒック構成算出手順で算出された前記トラヒック構成で使用される転送経路のリンクメトリックの和が最小となるように、前記トラヒック構成で使用される転送経路のそれぞれの前記リンクのリンクメトリックを算出するリンクメトリック算出手順と、
   前記トラヒック構成算出手順で算出された前記トラヒック構成上の転送経路を選択する確率である経路選択確率を算出する経路選択確率算出手順と、
   前記リンクメトリック算出手順で算出された前記リンクメトリックをそれぞれの前記リンクに割り当て、前記経路選択確率算出手順で算出された前記経路選択確率を前記トラヒック構成で使用されるそれぞれの転送経路に割り当て、前記トラヒック構成をＳＰＢネットワークに構築する経路構築手順と、
   を備える通信方法。
3. コンピュータをＳＰＢ（Ｓｈｏｒｔｅｓｔ Ｐａｔｈ Ｂｒｉｄｇｉｎｇ）ネットワークを形成する通信装置として機能させるためのプログラムであって、
   前記コンピュータに、
   ＳＰＢネットワークのトポロジ、ＳＰＢネットワーク内の全ての２ノード間の帯域要求、及びＳＰＢネットワークに形成される全てのリンクの伝送容量のネットワーク情報を取得する情報取得手順と、
   前記情報取得手順で取得した前記ネットワーク情報に基づいて、前記リンク全ての帯域使用率の最大値αを最小化するトラヒック構成を算出するトラヒック構成算出手順と、
   前記トラヒック構成算出手順で算出された前記トラヒック構成で使用される転送経路のリンクメトリックの和が最小となるように、前記トラヒック構成で使用される転送経路のそれぞれの前記リンクのリンクメトリックを算出するリンクメトリック算出手順と、
   前記トラヒック構成算出手順で算出された前記トラヒック構成上の転送経路を選択する確率である経路選択確率を算出する経路選択確率算出手順と、
   前記リンクメトリック算出手順で算出された前記リンクメトリックをそれぞれの前記リンクに割り当て、前記経路選択確率算出手順で算出された前記経路選択確率を前記トラヒック構成で使用されるそれぞれの転送経路に割り当て、前記トラヒック構成をＳＰＢネットワークに構築する経路構築手順と、
   を実行させることを特徴とするプログラム。

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