JP4589978B2 - 経路設定方法および経路設定装置 - Google Patents
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Description
この手法は、送信元と複数の送信先とを、一旦、ランデブーポイントという中間地点を介して接続したのち、再接続を行い、送信元と送信先とを最短路の経路で接続する最短路木法を用いてマルチキャストを行う木を構成する。
図4は、PIM−SMの再接続時に用いる最短路木法の原理を説明するための模式図である。なお、図4では、送信先は、宛先として図示している。
図4に示すように、最短路木法では送信元(S)から、宛先1−宛先4への経路を設定するとき、送信先ノード(S)から各宛先への経路長を求め、それぞれが最小経路となるものを選択する。
図4では、
送信元(S)→ノード(A)→ノード(B)→宛先1
送信元(S)→ノード(D)→ノード(E)→ノード(F)→ノード(G)→宛先2
送信元(S)→ノード(D)→ノード(E)→ノード(F)→ノード(G)→宛先3
送信元(S)→ノード(H)→宛先4
のときに、送信先(S)から各宛先への経路長が、それぞれが最小経路となる。また、このときのリンクコストの総和は、図の線で結ばれる部分のコストを足し合わせて21となり、後述するシュタイナー木の場合よりも高くなる。
他方、最短路木法で、伝送路長を経路長として計算すると、送信元と送信先との間の伝送路長を最小化した木を構築できる。
しかし、伝送路長とホップ数を同時に考慮して送信元と送信先との間を結ぶ木を構築することはできない。これは、最短路木法はそのままの形では、経済性とQoSを同時に取り扱うことができないことを意味する。
また、送信元と複数の送信先との間を結ぶ木を構築する際、ただ単に送信元と送信先との間の伝送路を最小化するだけでは、木の伝送路長の総和を最小化することはできない。送信元と送信先を結ぶパスができるかぎりリンクを共有することによって伝送路を節約する効果が考慮されないからである。
木の伝送路長の総和は木のコストに相当し、この意味では、最短路木法では、経済的な木を構成するアルゴリズムにはなっていない。
図5は、シュタイナー木アルゴリズムの原理を説明するための図である。なお、図5でも、送信先は、宛先として図示している。
シュタイナー木アルゴリズムでは、各リンクにコスト(重み)を付けておき、コストの総和が最小になるような経路を選択するものである。
各リンクのコストが図5に示すような場合、図5では、
送信元(S)→ノード(D)→ノード(E)→ノード(F)→ノード(C)→宛先1
送信元(S)→ノード(D)→ノード(E)→ノード(F)→ノード(G)→宛先2
送信元(S)→ノード(D)→ノード(E)→ノード(F)→ノード(G)→宛先3
送信元(S)→ノード(H)→宛先4
のときに、リンクコストの総和は、図の線で結ばれる部分のコストを足し合わせて19となり、これが最小のコストとなる。
シュタイナー木アルゴリズムを用いれば、ネットワークを利用してマルチキャスト通信を行う際に、経済的に最適な木を構築することができる。
MPH(Minimum Cost Paths Heuristic)(下記、非特許文献1参照)は、そのようなヒューリスティックアルゴリズムの1つであり、シュタイナー木問題の近似解を、パスを1つずつ追加しながら構成する。
最初は、送信元1点からなる木を考える。その木に最も近い距離にある送信先を最短経路で結ぶ。次に、送信元と、今結んだ最短経路からなる木を既存構成木として、その既存構成木と最も近い距離にある送信先を最短経路で結ぶ。既存構成木に最短経路を追加することによって既存構成木が更新される。
このように最短経路を1つずつ追加していくことによって送信先との接続を実施し、最終的にはすべての送信先と送信元とを結ぶ木を構成するのがMPHアルゴリズムである。
この手法によって近似的にシュタイナー木問題を解くことができる。
P.Winter,Steiner Peoblems in Networks:A Survey,Networks,17:129-167,1987 R.Aggarwal,D.Papadimitriou and S.Yasukawa,RFC 4875, "Extensions to RSVP-TE for point to Multipoint TELSPs",May 2007 伊藤正夫,藤重悟,大山達雄,「グラフ・ネットワーク・マトロイド」,産業図書、1986
リンク長を伝送路長と定義して、シュタイナー木問題を解くと経済的に最適な木を求めることはできるが、ホップ数に関する情報が欠落してしまい、アルゴリズムによってホップ数を減らす効果が見えなくなってしまう。
他方、リンク長を1ホップと定義して、シュタイナー木問題を解くと、ホップ数の総和を小さくする木を求めることはできるが、伝送路の長さが見えなくなってしまう。この点では、最短路木アルゴリズムと同じ問題をかかえている。
伝送路の長さとホップ数の両方を考慮するには、ホップ数制約を考慮しながら、伝送路長の総和を最小化するシュタイナー木を求める必要があるが、送信元からのホップ数を、木の上の全てのノードできちんと管理しておく必要があり、MPHを単純に適用するだけでは解くことはできなかった。
現在、IPネットワークがMPLS(Multiprotocol Label Switching)によって構成されることが多くなってきている。MPLSには、キャリアが経済性やQoSを考慮しながら、柔軟に、ルーティングを行うことができる環境がある。
この環境は、送信元と送信先が1対1であるときにはすでに確立されているが、送信元に対して複数の送信先の経路設定を行うマルチキャスト通信の場合にもプロトコルが提案されている。(下記、非特許文献2参照)
MPLSでは、通信キャリアがネットワーク全体を見渡すことができるので、マルチキャスト通信を行う木を構築する際も、その木の上に送信元ノードからのホップ数をラベル付けすることが可能である。
このMPLSの利点を生かしながら、経済性とQoSの両方を同時に実現するアルゴリズムは、伝送路長とホップ数を同時に考慮するため複雑になり、その手順はまだ明確になっていなかった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、MPLSのように柔軟な経路設定が可能なネットワークにおいて、従来の最短路木法よりも経済的な木を構成するシュタイナー木法で、しかも送信元ノードと送信先ノードとの間のホップ数を一定値以下に抑えるQoSを考慮した経路設定を実現することが可能となる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
(1)ネットワークを利用して送信元ノードから複数の送信先ノードへマルチキャスト通信を行う際の経路設定方法であって、ホップ数が所定数以下となる条件を満たした上で、前記送信元ノードからのリンクコストが最小となる第1の送信先ノードを探索し、前記送信元ノードから前記探索した前記第1の送信先ノードまでの経路を第1の経路として設定し、前記第1の経路上にある各ノードまでの前記送信元ノードからのホップ数を記憶するステップ1と、前記ホップ数が所定数以下となる条件を満たした上で、前記第1の経路との間でリンクコストが最小となる第2の送信先ノードを探索し、前記送信先ノードから前記探索した前記第2の送信先ノードまでの経路を第2の経路として設定し、前記第2の経路上にある各ノードまでの前記送信元ノードからのホップ数を記憶するステップ2と、nを3以上の整数とするとき、前記ホップ数が所定数以下となる条件を満たした上で、前記第1の経路から第(n−1)の中のいずれかの経路との間でリンクコストが最小となる第nの送信先ノードを探索し、前記送信先ノードから前記探索した前記第nの送信先ノードまでの経路を第nの経路として設定し、前記第nの経路上にある各ノードまでの前記送信元ノードからのホップ数を記憶するステップ3と、全ての送信先ノードに対して、前記ステップ3を実行するステップ4とを有し、前記送信元ノードから前記各送信先ノードに対する経路として、前記送信元ノードから前記各送信先ノードまでのホップ数が所定数以下となる条件で、リンクコストが最小となる経路を設定する。
(3)(1)または(2)において、前記ネットワークは、MPLSネットワークである。
(4)(1)ないし(3)の何れかにおいて、前記リンクコストは、伝送路長、全体のホップ数、リンクの論理的な長さ、あるいは、リンク容量に基づくリンクコストのいずれかである。
(5)また、本発明は、前述の経路設定方法を実施する経路設定装置である。
本発明によれば、MPLSのように柔軟な経路設定が可能なネットワークにおいて、従来の最短路木法よりも経済的な木を構成するシュタイナー木法で、しかも送信元ノードと送信先ノードとの間のホップ数を一定値以下に抑えるQoSを考慮した経路設定を実現することが可能となる。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
本実施例は、通信キャリアが、MPLS(Multiprotocol Label Switching)ネットワーク上で、放送サービスを提供する際に、既存ネットワークのリソース制約のもとで、経済的に送信元ノード(以下、単に、送信元という)から複数の送信先ノード(以下、単に、送信先という)までの経路を設定する経路設定装置である。
図1は、本発明の実施例の経路設定装置の概略システム構成を示すブロック図である。
端末1は、サーバ2に対して経路設定情報(送信元と複数の送信先の情報)を送信し、結果としてサーバ2から候捕となる経路を受信する。
サーバ2は、リンク情報更新部11と、経路設定情報入力部12と、経路探索部13と、経路候補出力部14とから構成される。
リンク情報格納DB3は、サーバ2を経由して、ネットワーク4のリンク情報を格納し、サーバ2の経路探索実施の際にリンク情報を提供する。リンク情報としては、リンクのトポロジー、長さ、容量、疎通トラヒック等である。
ネットワーク4は、ここではMPLSネットワークを表し、サーバ2に対してリンク情報を提供し、サーバ2からMPLSネットワークに設定する木の経路更新情報を受信する。
リンク情報更新部11は、ネットワーク4から必要に応じてリンク情報を受信し、リンク情報格納DB3に格納する。
経路設定情報入力部12は、端末1から経路設定情報を受信し、経路設定情報を経路探索部13に送信する。
経路探索部13は、経路設定情報入力部12から経路設定情報を受信し、リンク情報格納DB3から受信したリンク情報を用いて最適な経路を算出し、結果を経路候補出力部14に送信する。
経路候補出力部14は、経路探索部13から経路候補を受信し、結果を端末1に送信する。最終的には経路候補を経路更新情報としてネットワーク4に送信する。
(1)送信元と送信先との間にホップ数制約を設け、その制約を満たすような木を構築するために、木の各ノードについて、送信元からのホップ数をカウントして、各ノードについてそのカウント値をラベル付けする手段。
例えば、木を送信元から1本ずつ送信先への最短経路を追加して構築する場合、最短経路追加に合わせて、その最短経路上のノードの送信元からのホップ数を、最短経路の根元のノードにラベル付けされたホップ数からカウントしていくことにより、常に、木のうえの全てのノードの送信元からのホップ数をラベル付けすることが可能になる。木の成長に合わせて、米の上の全てのノードに送信元からのホップ数をラベル付けすることになる。
(2)既存構成木に経路を追加するときに、追加経路によって、その追加経路上のノードについて、送信元からのホップ数が増加しても、いずれのノードも送信元からのホップ数を予め与えた制約内に抑えられるようにして、しかも木全体の伝送路長を短くするようにホップ数制約付の経路探索を実施する手段。
例えば、送信元から出発して、経路を1本ずつ送信先に向かって追加していき、木を構築していく過程を考える。既に、前述した方法により、木を構築していく過程で、途中経過の木のうえのすべてのノードには送信元からのホップ数がラベル付けされているとする。その途中、経過の木の上に、さらに送信先に向かって経路を追加するとその分のホップ数が、その経路上のノードに対して追加されることになる。
最初に設定したホップ数制約を考慮して、途中経過の木の上のノードにラベル付けしたホップ数を見渡すと、そのホップ数と最初に設定したホップ数制約との差分が、途中経過の木の上のノードが、他の送信先につながる際に許されたホップ数となる。
このように一定のホップ数制約のもとでできるだけ短い距離の軽路を選択するアルゴリズムはべき乗法(前記、非特許文献3参照)と呼ばれるものがあり、このべき乗法をホップ数制約付きの木の構築に利用することができる。
べき乗法というホップ数制約付きの最短経路算出アルゴリズムを利用することにより、途中経過の木に、最初に設定したホップ数制約のもとでできるだけ短い距離の経路を送信先に向かって追加していくことができる。
送信元(S)、宛先1、宛先2、宛先3、宛先4はMPLSネットワーク上のノードであるが、端末1からの経路設定要求によって定められる。
途中経路のノードA、ノードB、ノードC、ノードG、ノードHは経路探索によって、選択されたノードである。ノードD、ノードE、ノードFは経路探索の途中で現れるがホップ数制約を満たさないため削除される経路上のノードである。
以下、図2に示す経路探索例について説明する。
本実施例では、予め、送信元と送信先はホップ数制約3以内で接続しなければならないという制約が与えられているものとする。
先ず、送信元(S)から最も近い送信先をホップ数制約のもとで、宛先1、宛先2、宛先3、宛先4の中から探索する。この探索によって、ホップ数制約3以内でつながり、しかもその制約内で伝送長最短の経路で接続される送信先が宛先1である。このとき、送信元(S)→ノードA→ノードB→宛先1とからなる木が構築される。
なお、本実施例では、リンクコストとして、伝送路長を用いているが、リンクコストはこれに限定されるものではなく、リンクコストとして、全体のホップ数、リンクの論理的な長さ、リンク容量に基づくリングコストを用いてもよい。
送信元(S)から経路を伸ばすときには、ホップ数3までの経路が許容され、ノードAから経路を伸ばすときには、ホップ数2までの経路が許容され、ノードBから経路を伸ばすときには、ホップ数1までの経路が許容される。
その許容範囲内で、今構築されている木の各ノードについて、べき乗法で各送信先への経路探索を行う。
結果として、ノードAから宛先2への枝が、ホップ数制約のもとで、伝送路長最小の経路として追加され、送信元(S)→ノードA→ノードC→宛先2とからなる木が構築される。この場合、宛先2とノードAとを結ぶホップ数1の経路が、他のどんな経路よりも、予め与えられたホップ数制約のもとで、送信先に向かって追加する経路として伝送路長が短かったことを意味する。
以下、同様にして、宛先3、宛先4への枝が順次追加されて、経路候補が完成する。
宛先3は、送信元(S)、ノードA、ノードB、ノードC、宛先1、宛先2からなる木に付け加えるべき宛先として、ノードH→ノードG→宛先3となる経路が、ホップ数制約(3)を満たし、しかも伝送路長(リンクSHの長さ+リンクHGの長さ+リンクG3の長さ)がそのホップ数制約のもとでは最小であることを示す。
宛先4への経路の追加もまったく同じ手順で、ホップ数制約のもとでの伝送路最小の経路を選ぶ、乗法アルゴリズムを用いて計算される。なお、本実施例では、リンクコスト最小の経路を計算するのに、べき乗法という公知の手法を用いたが、べき乗法以外の手法を用いてもよい。
ホップ数制約数を3とすると、例えば、宛先3への枝が、ノードD、ノードE、ノードF、ノードGを経由した方が、ノードHを経由するよりも距離が短いとしても、そのホップ数が6になってしまい、ホップ数制約数3をオーバーしてしまう。
そこで、べき乗法を用いて経路探索を行うと、この経路は計算過程において排除され、距離は最短ではなくとも、次に短い距離のノードHを通る経路を選択される。すると、ホップ数制約3のもとでは、ノードHを通過する経路が最小になる。
べき乗法を用いると、このように一定のホップ数制約のもとで距離最小となる経路を探索することができるようになる。
経路探索は既存ネットワーク上のリソースを利用する。そのため、経路探索時には、既存綱のリンク容量を考慮し、リンク容量が不足している場合には、そのリンクを通らないようにして経路を選ぶ必要がある。
図3では、
送信元(S)→ノード(A)→ノード(B)→宛先1(1)
送信元(S)→ノード(A)→ノード(C)→宛先2(2)
送信元(S)→ノード(H)→ノード(G)→宛先3(3)
送信元(S)→ノード(H)→宛先4(4)
のときに、「全ての送信元−宛先(送信先)との間のホップ数が3以下」という制限を満足した上で、リンクコストの総和は、図の線で結ばれる部分のコストを足し合わせて30となり、これが最小となる。
図3では、リンクコストの総和が30となり、図5の場合と比較して、リンクコストの総和が11増加している。
以上説明したように、本実施例によれば、ホップ数制約のもとで、シュタイナー木の探索を行うことで、送信元から送信先への経路のホップ数が少なく、そのもとで伝送路長の総和の小さな木を構築することができるようになる。
その結果、従来の最短路木法あるいは単純なシュタイナー木ヒューリスティック法によって構築された木と比べて、経済性とQoSの両方を同時に満たすという点で、よりバランスのとれたネットワーク形態を実現できる。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
2 サーバ
3 リンク情報格納DB
4 ネットワーク
11 リンク情報更新部
12 経路設定情報入力部
13 経路探索部
14 経路候補出力部
Claims (8)
- ネットワークを利用して送信元ノードから複数の送信先ノードへマルチキャスト通信を行う際の経路設定方法であって、
ホップ数が所定数以下となる条件を満たした上で、前記送信元ノードからのリンクコストが最小となる第1の送信先ノードを探索し、前記送信元ノードから前記探索した前記第1の送信先ノードまでの経路を第1の経路として設定し、前記第1の経路上にある各ノードまでの前記送信元ノードからのホップ数を記憶するステップ1と、
前記ホップ数が所定数以下となる条件を満たした上で、前記第1の経路との間でリンクコストが最小となる第2の送信先ノードを探索し、前記送信先ノードから前記探索した前記第2の送信先ノードまでの経路を第2の経路として設定し、前記第2の経路上にある各ノードまでの前記送信元ノードからのホップ数を記憶するステップ2と、
nを3以上の整数とするとき、前記ホップ数が所定数以下となる条件を満たした上で、前記第1の経路から第(n−1)の中のいずれかの経路との間でリンクコストが最小となる第nの送信先ノードを探索し、前記送信先ノードから前記探索した前記第nの送信先ノードまでの経路を第nの経路として設定し、前記第nの経路上にある各ノードまでの前記送信元ノードからのホップ数を記憶するステップ3と、
全ての送信先ノードに対して、前記ステップ3を実行するステップ4とを有し、
前記送信元ノードから前記各送信先ノードに対する経路として、前記送信元ノードから前記各送信先ノードまでのホップ数が所定数以下となる条件で、リンクコストが最小となる経路を設定することを特徴とする経路設定方法。 - 前記第1の経路から第(n−1)の中のいずれかの経路に新たな経路を追加する際に、各経路がリンク帯域以内の容量となることを確認しながら実施することを特徴とする請求項1に記載の経路設定方法。
- 前記ネットワークは、MPLSネットワークであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の経路設定方法。
- 前記リンクコストは、伝送路長、全体のホップ数、リンクの論理的な長さ、あるいは、リンク容量に基づくリンクコストのいずれかであることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の経路設定方法。
- ネットワークを利用して送信元ノードから複数の送信先ノードへマルチキャスト通信を行う際の経路を設定する経路設定装置であって、
前記ネットワークのリンク情報を格納するリンク情報格納DBと、
前記送信元ノードと前記複数の送信先ノードの中の各送信先ノードの情報を取得する経路設定情報入力部と、
前記経路設定情報入力部から経路設定情報を受信し、前記リンク情報格納DBから受信したリンク情報を用いて、前記送信元ノードから前記各送信先ノードまでの経路を算出する経路探索部と、
前記経路探索部で算出した経路情報を出力する候補経路出力部とを有し、
前記経路探索部は、前記送信元ノードから前記各送信先ノードに対する経路として、前記送信元ノードから前記各送信先ノードまでのホップ数が所定数以下となる条件で、リンクコストが最小となる経路を設定することを特徴とする経路設定装置。 - 前記経路探索部は、ホップ数が所定数以下となる条件を満たした上で、前記送信元ノードからのリンクコストが最小となる第1の送信先ノードを探索し、前記送信元ノードから前記探索した前記第1の送信先ノードまでの経路を第1の経路として設定し、前記第1の経路上にある各ノードまでの前記送信元ノードからのホップ数を記憶する手段1と、
前記ホップ数が所定数以下となる条件を満たした上で、前記第1の経路との間でリンクコストが最小となる第2の送信先ノードを探索し、前記送信先ノードから前記探索した前記第2の送信先ノードまでの経路を第2の経路として設定し、前記第2の経路上にある各ノードまでの前記送信元ノードからのホップ数を記憶する手段2と、
nを3以上の整数とするとき、前記ホップ数が所定数以下となる条件を満たした上で、前記第1の経路から第(n−1)の中のいずれかの経路との間でリンクコストが最小となる第nの送信先ノードを探索し、前記送信先ノードから前記探索した前記第nの送信先ノードまでの経路を第nの経路として設定し、前記第nの経路上にある各ノードまでの前記送信元ノードからのホップ数を記憶する手段3と、
全ての送信先ノードに対して、前記手段3を実行する手段4とを有することを特徴とする請求項5に記載の経路設定装置。 - 前記ネットワークは、MPLSネットワークであることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の経路設定装置。
- 前記リンクコストは、伝送路長、全体のホップ数、リンクの論理的な長さ、あるいは、リンク容量に基づくリンクコストのいずれかであることを特徴とする請求項5ないし請求項7のいずれか1項に記載の経路設定装置。
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