JP3820274B2 - 大部分が光学ネットワークであるネットワークを最適化する方法 - Google Patents

Description

発明の技術分野
本発明は、大部分が光学ＡＴＭネットワークであるネットワークの設計時に発生する最適化問題を解決する方法に関係する。
関連技術の説明
非同期転送モード（ＡＴＭ）又は全光学ネットワーク（ＡＯＮ）を基にしてネットワークを設計するための新たな解決方法を探す技術は、電気通信およびコンピュータ業界で急速に成長している分野である。ＡＴＭとＡＯＮの両方がネットワーク管理とスイッチングを簡略化するための独自の方法論を有している。ＡＴＭネットワークがＶＰ（仮想路）の概念、すなわちネットワークの一部に共通路を有する多数の接続が一緒に処理（管理、スイッチ）できる、概念を適用するのに対して、ＡＯＮは、伝送時に電気的処理をすることなく、同じ波長の接続を一緒に処理するよう、波長を接続に割当てる。光学ネットワークは波長分割多重化（ＷＤＭ）を使用し、特別に設計されたアルゴリズムが波長の空間再利用による高度の集合化システム容量を可能としている。
既知のアイデア、（Mukherjee、Ramamurthy、Banerjeeによる１９９４年ＩＥＥＥ１１０−１１９頁の「広域光学ネットワークを設計するための原理」）は、ＡＯＮの技術をＡＴＭ技術に組合せている。大部分が光学ＡＴＭネットワークで光学増幅器とスイッチを使用することにより、光−電気変換の回数を著しく減少させ、これは良好な信号品質と少ない遅延を生じるが、ＡＴＭの観点からは問題がある：セル・ヘッダのＶＰＩ／ＶＣＩ変換が不可能となる点である。波長分割多重化（ＷＤＭ）技術はファイバの良好な使用率を提供するが、伝送容量は、使用する波長により定められる等しい部分（チャネル）に分割される。この分割容量のため、ＡＴＭのその他の利点である統計的多重化（ＳＭ）が制限を受ける。ＳＭとは、バースト性のトラフィックを有するチャネルを互いに動的に１つのチャネルに多重化し、これによりバースト性のためチャネルに発生する空の時間スロットを取り除いて、利得を得るものと簡単には説明できる。容量が大きくなればなるほど、有効帯域が狭くなり、これによりリソースの使用がより効率的になる。
ＡＯＮの技術をＡＴＭ技術と組合せると、ＳＭが失われることにより性能の損失を生じる。しかしながら、全体的な効果は、簡略化したＶＰ管理から来る強化された性能のため利得となる。
この組合せ技術の使用は利点と欠点の両方を含む。欠点とは、スイッチングを３種類（２種類ではなく）のレベル、すなわち：１．ＶＰＬ用の純粋な光学的スイッチング；２．ＶＰＩを基にして（ＶＰＩは変更される）スイッチングが行なわれるＶＰスイッチング（交差接続）；３．ＶＣスイッチング、で実行されなければならない点である。複雑度は、大体において利用可能な波長数に対するネットワーク中のノード数のべき乗であるため、設計過程は計算的には困難である。しかしながら、主な利点は、多数の光−電子変換が避けられ、従ってＣＣの必要性が減少し、性能を強化できる点である。
システムのアーキテクチャをいかにしてこのように最適にするかには問題がある、すなわち、例えば基幹ネットワークを設計する際、ネットワーク中のノード間には完全な論理的接続性を仮定し、限定された数の波長を最も良く使用するための最適化アルゴリズムを発見するようにして、波長の空間的再利用による高集合化システム容量を達成するようにしなければならない。
ＩＥＥＥ論文に使用したアーキテクチャは他の多数のＷＤＭネットワーク／提案に使用された公知の「単一ホップ(singlehop)」と「複数ホップ(multihop)」の組合せである。この論文は理論的解析によりノードのルーティングのコスト、効率及びスループットの最適化を扱っている。ここでの最適化は転送により生じる平均メッセージ遅延を最小にする目的で２段階に分割される：１．与えられた物理条件に合う仮想トポロジを検索しマップする；２．仮想トポロジのリンクへ波長を割当てる。この技術は、ＶＰ設計が既に段階１で実行されていること、すなわち波長の許容数より物理リンク上により多くの端対端ストリームがある場合には、この論文はこれらのストリームの内の１つの再ルーティングを提案しているため、最適性の基準が劣化していて遅延が増大することを意味することをもたらす。従って、波長割当てと仮想トポロジ形成を分割するにつれて平均遅延は増大する。
要旨
ＡＴＭネットワークに全光学ネットワーク（ＡＯＮ）を組合せることは欠点と利点を有する比較的新しい技術である。本明細書ではＡＯＮの上に最適ＡＴＭネットワークの仮想トポロジを設計してみる。ここでの最適性の基準は、ＡＴＭネットワークを出来る限り「最適に」することで、波長を変えることなくネットワーク中で出来る限り長い光路を必要とする、すなわちネットワーク中で必要な波長変更の数を出来る限り少なくし、光路を交差接続（Crossconnects、ＣＣｓ）させる必要性を最小にすることを意味する。この考えは、ＶＰＣの最適ルーティングを探索して、ＶＰスイッチングの回数を最大限に減少させることにより問題を解決し、その方法を開示する。ＡＴＭでは、ネットワークはＶＣＣ（仮想チャネル接続）と関係する端対端接続である。１つ以上のＶＣＣが、ＶＣＣの路に沿った１つ以上のＶＰリンク（ＶＰＬ）から構成されたＶＰ接続（ＶＰＣ）上に設定される。ＶＰＬは１つ以上の連鎖結合されたＶＰから構成される。従って、ＶＰはある物理リンクに沿ったＶＣＣの「束」である。
ＶＰＬに沿ってＶＰＩ／ＶＣＩは変更されない。それ故、ＶＰＬに沿っては電気的処理は必要なく、これも本発明の目的である。ＶＰＬに沿って電気的処理が必要ないため、同じ波長がその成分の全て、すなわちＶＰに割当て可能である。この場合、これらのＶＰＬを使用するＶＰＣは交差接続（ＣＣ）に入るべきではない。これらは受動光学スイッチにより切替えられる。ＣＣの処理容量の限界は内部バス速度に依存するため、ＡＯＮ上にＡＴＭネットワークを適用してより大きなネットワークの使用を実現できる。この目的は、仮想トポロジにより光学ドメインで出来る限りセルを運ぶことである。光路から光路へのパケット転送は必要に応じて電子スイッチングにより実行される。
基幹ネットワークを設計する時には、完全な論理的接続性を仮定せねばならず、このことは、全てのノードがネットワーク中のその他の全てのノードと接続可能でなければならないことを意味する。一般に、設計は最適に解決しなければならない３つの問題から構成される：１．ＶＰＣのルート設定；２．これをＶＰＬに切断する；３．ＶＰＬを計測する。これらの問題は互いに依存している。われわれのモデルを適用すると、第３の問題は緩めることができ、代わりに以下の制約条件が現れる：どのＶＰＬ容量も分割（チャネル）容量を越えてはならない。本発明は、出来る限りたくさん最適性を達成するため、２段階方法を提案し、第１相では、各ノード対に１つ（又は信頼性の目的から２つ）のノード・頂点解体路を探索し、そのトラフィックに応じて容量を割当てる段階を含む。ＶＰＣをルート設定する時最小にすべき目的関数は全体ネットワークコストである。これは、ノードの位置、ノード間の見積もりトラフィック需要とネットワークを設計する時にその間の物理リンクを構成するコスト；又はノード間の見積もりトラフィック需要とＶＰＣを再ルーティングする時に与えられた容量の物理トポロジ、のような入力パラメータを要求する。本方法の第２部分は、ノード対間の路のシーケンスへの切断、これらのシーケンスのＶＰＬへの併合、そしてこれへの波長の割当てを含む。この第２部分が強調されている。ここで最小にすべき目的関数は、ＶＰＣの切断の全数であり、すなわち言換えると、ＶＰＣに沿ったＶＰＬの数を最小にすることである。これは制約付き離散最適化問題(constrained discrete optimisation problem)として数学的に表現可能で、この問題は確率最適化(stochastic optimisation)（例えば、擬似アニーリング（Simulated Annealing）又は生成（Genetic）アルゴリズム）により解きうる。本発明の新規性は全体としての２段階モデルに、特に最適化と制約を目的とした第２段階、すなわち問題の定式化とこの問題に確率最適化を如何に適用するか、すなわち最小の電気的処理の使用で最適のネットワークを得るために如何にモデルを最適化アルゴリズムに整合させるか、にある。
本方法は波長割り当てと同時に最適仮想トポロジを与える。さらに、物理リンク上のストリーム数が利用可能な波長数より多い時には従来技術で必要であった、ストリームの一つの再ルーティングの代わりに、十分な容量が利用可能である場合にはストリームのいくつかを結合するため、ネットワークの転送遅延を増加させない。
【図面の簡単な説明】
本発明の実施例は以下の図面と関連して説明される：
−図１は本発明に従って最適化した、６ノード・ネットワークの例をその物理及び仮想トポロジと共に示している。
実施例の詳細な説明
考え方と望ましい実施例の提示を簡単にするため、ネットワークの例を図１に図示する。この図面は、波長分割多重化、ＷＤＭまたは空間分割多重化、空間ＤＭを使用した光学ネットワーク１上の最適６ノード１１−１６ＡＴＭネットワークを示す。ノード数とその物理距離はもちろん任意であり、図示の方法は図面の物理トポロジのネットワークには限定されない。図１のノードは図面に見られるように７本の物理リンク２−８により相互接続される。この例では、完全な論理接続性と３つの異なる波長ａ、ｂ、ｃを仮定している。与えられた物理トポロジでは、１５のＶＰＣ：すなわち長さ１の７本（２２；２６；２９；３１；３５；３９；４３；）、長さ２の６本（２１と２５；２４と４４；２７と２８；３２と３６；３０と３４；３７と４０；）、そして長さ３の２本（２３と４５と４１；３３と３８と４２）が得られる。全体で１０個の「ホップ(hop)」、すなわち発生ノードから到着ノードへの経路上のノードの通過があり、以下で示すような本発明による最適化方法がホップの数を減少させない場合は、ここで電気的処理（波長再割当と再多重化）を必要とする。提案した最適化方法は、この例の交差接続（ＣＣ）により処理されるホップ数を１０から４に減少させた。ストリームを混合させ、電気的処理とバッファリングを必要とするこれらの点５０、６０、７０、８０は図１に図示されている。
ノードの位置、トラフィック・マトリックス、物理リンクおよびその容量を与えて、物理層の光学的性質に関連した制約なしに任意の最適な基準、例えば最短路、最小負荷路又は複数商品流れルーティング(multi-commodity flow routing)・アルゴリズムを基にして物理ネットワーク上に発生元−到着地ノード対又はＶＰＣのルーティングを含む本方法の第１段階を開始する。物理リンクとその容量が最初に与えられていない場合、これらのパラメータにも既知の最適基準を採用可能であることを記述しておく以外は、この段階は何ら新規のものを含んでいないため、これ以上説明しない。しかしながら、段階１が単独では重要でないとしても、段階２を適用しても最適性が劣化していないことを保証しているため、第２段階と組合せて重要である。段階２の完全な説明の前に、ＡＴＭ技術が誕生させた多くの略語を明らかにし、定義しておくことが重要である。
ルートは基本構成単位（basic building unit）に分割され、これを本願ではｂｂｕｓと略称し、それぞれが１物理リンクの長さ、すなわち、物理リンクがｂｂｕｓの集合である。従って、図１では、２１から４５に番号付けした全部で２５本のｂｂｕｓがある。全ての物理リンク２−８とノード１１−１６の和集合がネットワーク１である。１物理リンクの副集合がＶＰ（同じ波長のｂｂｕ）、例えば３４、３５、３７である。それ故、１つの物理リンクはＶＰの和集合である。ＶＰは分離集合である。ＶＰは物理リンクの全てのｂｂｕｓをカバーする。（同じ波長の）（１つ以上の）ＶＰの直列グループ化（和集合）はＶＰＬである。（１つ以上の）ＶＰＬの直列グループ化はＶＰＣである。例示がこの関係を簡単にすることが出来る：図１の底部の右リンク８は５本のｂｂｕｓ３４−３８を含むが、３本のＶＰのみを含む。リンク８を通過するノード１４と１３との間の波長ｂのＶＰＣは、３本のＶＰ３３、３８、４２から構成される単一のＶＰＬから構成され、リンク８上の他のＶＰは波長ｃのＶＰで、３本のｂｂｕ３４、３５、３７の並列バウンディング（parallel bounding）から構成される。Ｂｂｕ３４はノード１２と１６との間のＶＰＣの一部であり、１本のＶＰのみから構成されたＶＰＬである。このＶＰＣは波長を変更するため、ノード１５で電気的処理（交差接続）の必要がある。交差接続は参照番号７０により図示されている。単一のｂｂｕ３５により接続されているノード対１５と１６に対しては、波長ｃのＶＰは同時にＶＰＬでありＶＰＣである。ＶＰＬは最も重要な構成ブロックである、何故ならこれらは何らの処理も必要としないｂｂｓの並列及び直列グループ化であるからである。ＶＰＣはポイント対ポイント・ストリームにより使用されるＶＰＬの順序のみを記述する。
第２段階は前述したように任意の第１段階を基にしており、ノード対間の路をシーケンスに切断し、波長を割当てるＶＰＬにシーケンスを併合する。この問題はノード数と利用可能な波長数に従って急速に増大する。６ノード、３個の利用可能な波長、２５のｂｂｕｓの図１に与えた例では、既に状態空間は３＾２５の異なる状態から構成されている。従って、この問題はこのように小さい例でも極度に複雑である。本考案によると、隣接するノード間で長さ１の全ての論理リンクに１つのかつ同じ波長を割当てることから開始することにより、状態空間を狭められれば問題は非常に減少される。図１で、これは全てが波長ｃを割当てられているｂｂｕ２２；２６；２９；３１；３５；３９；４３により図示される。この割当てはモデルの一般性を簡略化してはいるが、劣化はさせていない。全体の複雑度は３＾７倍低下して、３＾１８となる。問題はここで形を取り始める。モデルの段階２を続行するため、本方法により解決すべき問題の数学的定式化が必要である。この点に関して以下に最初に記述するのは、例えば「冷却スケジュール（cooling schedule）」による擬似アニーリング又は生成アルゴリズム又はタブー検索のような非決定論的全体最適化を使用して、ＶＰＬの全体数を最小化する（各ＶＰＣに対するホップの数を最小化する）ための目的関数を得ることである。以下には、本発明により問題を如何に定式化して模擬焼きなましにより解決するかを示す。
入力は：物理トポロジ；１つ以上の最適な選択路；各ファイバによりサポートされる波長数；各ノード対の最繁忙時見積もりトラフィック需要；各波長に対するファイバの伝送容量である。このアルゴリズムは以下の出力を与える：ＶＰ、すなわちｂｂｕｓの並列バウンディング；ＶＰＬ、すなわちＶＰＣに沿ったＶＰの直列バウンディング、及び各単一のＶＰＬに割当てた波長である。犯してはならない多数の制約条件がある：波長数／リンクは与えられた値を超えてはならない；各波長の伝送容量は制限を越えてはならない；ＶＰＣに沿った最大ホップ数は制限される。このアルゴリズムは、「基本移動」、この場合はネットワーク中の任意のｂｂｕの波長を変更することを実行することにより、全体最適へ至る道筋を検索する。複数の全体最適が存在してもよい。基本移動はここでは、任意のｂｂｕの波長を変更し、隣接するリンクのＶＰがＶＰＬへ連鎖できるかどうかを検査する。同じ波長で、かつその波長の全てのｂｂｕｓが両方のリンクと交差している場合、これらのＶＰをＶＰＬへ連鎖する。目的関数を評価した後：ＶＰＬの全体数をカウントし、制約条件が犯されている場合、ペナルティ項を追加する。目的関数を最小化しようとしている時に、ペナルティが追加された状態はより低い確率で受入れられる。これは、擬似アニーリングの「冷却」によるものである。擬似アニーリングでは、基本移動をランダムに実行する。目的関数が前の段階より良い値を有している場合、これは高い確率で受入れられ、悪い場合には低い確率で受入れられる。状態を受入れる、とはアルゴリズムの次の段階でその状態の近傍（多次元状態空間での隣接状態）へ移動することを意味する。冷却を実行する間、最初に全ての状態は殆ど同じ確率を受入れる；終わりには、受入れの確率は殆ど決定論的となる：すなわち良い移動が受け入れられ、悪いものは拒否される。
擬似アニーリング（冷却スケジュールと共に）を適用すると、約１０＾４段階で結果が得られることが分かった。この結果は、確率が約０．８の全体最適である。この全体処理を１０回繰返した場合、全体最適を見出す確率は１−（１０＾−７）となる。
本発明の別実施例の段階１と２では、変わりに複数波長を有する代わりに、複数ファイバを有している場合でも（すなわちＷＤＭの代わりに空間分割多重化）、最適化処理が同様にうまく作用する。これは、より多くのファイバを含むケーブルの使用と全ネットワークでの同一の波長の使用を意味する。図１に図示した例では、これは、各物理リンクが３本のファイバを含むことを意味する。全体の例は上述したものと全く等価であり、３個の波長ａ、ｂｃの代わりに各々が同じ波長を使用する３本の異なるファイバを表していることが異なっている。ＶＰはこの時物理リンクの１本のファイバとして定義される。異なる物理リンクのファイバ間で、光学スイッチングは容易に実行可能である。１つの自然な原因は、複数ＶＰ（ファイバ）からＶＰＬを形成する場合、トラフィック・ストリームがこれらのＶＰ間のノードで入ってこない又は出て行かない点である。

Claims (8)

1. ＡＴＭ層は光学波長分割多重化（ＷＤＭ）ネットワーク（１）上の物理層として担持され、最初に少なくとも、ノード（１１−１６）の位置と、トラフィック・マトリクスと、各物理リンク（２−８）によりサポートされる波長数（ａ、ｂ、ｃ）と、が与えられる、ＡＴＭ層の仮想トポロジを形成する方法であって、第１に、既知の方法で最適に、例えば最短路、最小負荷路又は複数商品流れモデルにより端対端トラフィック・ストリームを物理ネットワークの上にルートさせ、第２に、非決定論的アルゴリズム、例えば模擬焼きなましを適用してＶＰＬの全体数を最小化する目的関数により、性能を制限する制約条件を入力として与えて、基本構成単位（ｂｂｕｓ）（２１−４５）を直列に及び並列にグループ化することを特徴とする、ＡＴＭ層の仮想トポロジを形成する方法。
2. 請求の範囲第１項記載の方法において、基本構成単位（ｂｂｕｓ）（２１−４５）のグループ化は、任意のｂｂｕの波長（ａ、ｂ又はｃ）を変更し、隣接するリンクのＶＰがＶＰＬに連鎖可能であるかどうかを検査し、前記ＶＰが前記波長（ａ、ｂ又はｃ）と同じであり、かつ前記波長の全てのｂｂｕｓが前記ＶＰＬのこれら全てのＶＰと交差するトラフィック・ストリームに属する場合に、前期ＶＰをＶＰＬに連鎖し；ＶＰＬの数をカウントすることにより目的関数を評価し、少なくとも１つの拘束条件が犯されている場合にその状態の目的関数にペナルティ項を追加し、次いで確率を減少させてこの状態を受入れることにより、行なわれることを特徴とする方法。
3. 請求の範囲第２項記載の方法において、請求の範囲第２項の方法が所定回数又は目的関数により改良が達成されなくなるまで繰返され、得られた状態空間をネットワークの仮想トポロジとして選択することを特徴とする方法。
4. 請求の範囲第１項及至第３項の任意の項に記載の方法において、非決定論的アルゴリズムを適用する前に、隣接するノード対のトラフィックを担時する、全ての基本構成単位（ｂｂｕｓ）（２２；２６；２９；３１；３５；３９；４３）に同じ波長を割当てることにより、状態空間を狭めることを特徴とする方法。
5. ＡＴＭ層は光学空間分割多重化ネットワーク（１）上の物理層として担持され、最初に少なくとも、ノード（１１−１６）の位置と、トラフィック・マトリクスと、各物理リンクの異なるファイバ数（ａ、ｂ、ｃ）と、が与えられ、各ファイバは同じ波長を使用する、ＡＴＭ層の仮想トポロジを形成する方法であって、第１に、既知の方法で最適に、例えば最短路、最小負荷路又は複数商品流れモデルにより端対端トラフィック・ストリームを物理ネットワークの上にルートさせ、第２に、非決定論的アルゴリズム、例えば模擬焼きなましを適用してファイバの必要な全体変更数を最小化する目的関数により、性能を制限する制約条件を入力として与えて、基本構成単位（ｂｂｕｓ）（２１−４５）を直列に及び並列にグループ化することを特徴とする、ＡＴＭ層の仮想トポロジを形成する方法。
6. 請求の範囲第５項記載の方法において、基本構成単位（ｂｂｕｓ）（２１−４５）のグループ化は、任意のｂｂｕに予約されたファイバ（ａ、ｂ又はｃ）を変更し；隣接するリンクのＶＰがＶＰＬに連鎖可能であるかどうかを検査し、前記ＶＰが前記波長（ａ、ｂ又はｃ）と同じであり、かつ前記ファイバ（ＶＰ）の全てのｂｂｕｓが前記ＶＰＬの全てのファイバ（ＶＰ）と交差するトラフィック・ストリームに属する場合に、前期ＶＰをＶＰＬに連鎖し、ＶＰＬの数をカウントすることにより目的関数を評価し、少なくとも１つの拘束条件が犯されている場合にその状態の目的関数にペナルティ項を追加し、確率を減少させて前記状態を受入れることにより、行なわれることを特徴とする方法。
7. 請求の範囲第６項記載の方法において、請求の範囲第６項の方法が所定回数又は目的関数により改良が達成されなくなるまで繰返され、得られた状態空間をネットワークの仮想トポロジとして選択することを特徴とする方法。
8. 請求の範囲第５項及至第７項の任意の項に記載の方法において、非決定論的アルゴリズムを適用する前に、隣接するノードのトラフィックを担時する全ての基本構成単位（ｂｂｕｓ）に予約ファイバ（２２；２６；２９；３１；３５；３９；４３）を割当てることにより、状態空間を狭めることを特徴とする方法。

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