JP5304813B2 - 通信ノード装置 - Google Patents
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《1−1》第1の実施形態の構成
[物理ルータの説明]
図1は、第1の実施形態に係る通信ノード装置としての物理ルータの構成を概略的に示すブロック図である。また、図2は、図1に示される制御ブロック400の構成を概略的に示すブロック図である。
入力ブロック100は、入力物理インタフェース(「物理IFx−IN」とも記す。)110,120,130,140と、第1スイッチ111,121,131,141とを有している。ここで、「x」は、1以上、入力物理インタフェースの個数以下の整数である。図1の例では、入力ブロック100は、4個の入力物理インタフェース、すなわち、物理IF1−IN(110)、物理IF2−IN(120)、物理IF3−IN(130)、及び物理IF4−IN(140)と、4個の第1スイッチ111,121,131,141とを有している。ただし、入力物理インタフェースの個数、及び、第1スイッチの個数は、複数個であればよく、4個に限定されない。
仮想ルータブロック200は、仮想ルータ(1)210と、仮想ルータ(2)220と、仮想ルータ(3)230とを有している。入力ブロック100の第1スイッチ111,121,131,141は、入力物理インタフェース110,120,130,140から入力したパケットを仮想ルータ(1)210、仮想ルータ(2)220、又は仮想ルータ(3)230のいずれに入力すべきか判定して、判定結果に従って、各パケットを仮想ルータ(1)210、仮想ルータ(2)220、又は仮想ルータ(3)230のいずれかに出力する。図1の例では、仮想ルータブロック200は、3個の仮想ルータを有しているが、仮想ルータブロック200に含まれる仮想ルータの個数は、3個に限定されない。
出力ブロック300は、第4スイッチ(読出しスイッチ)311,321,331,341と、出力物理インタフェース(「物理IFx−OUT」とも記す。)310,320,330,340とを有している。ここで、「x」は、1以上、出力物理インタフェースの個数以下の整数である。図14の例では、出力ブロック300は、4個の第4スイッチ311,321,331,341と、4個の出力物理インタフェース、すなわち、物理IF1−OUT(310)、物理IF2−OUT(320)、物理IF3−OUT(330)、及び物理IF4−OUT(340)とを有している。ただし、第4スイッチの個数は、及び、出力物理インタフェースの個数は、複数個であればよく、4個に限定されない。
仮想ルータブロック200の仮想ルータ(1)210は、入力物理インタフェース110,120,130,140の個数に対応する個数の入力バッファ211と、第2スイッチ(読出スイッチ)212と、ルータコア213と、第3スイッチ217と、出力物理インタフェース310,320,330,340の個数に対応する個数の出力バッファ218とを有している。第2スイッチ(読出スイッチ)212は、利用可能帯域又は優先度に応じて複数の入力バッファ211のいずれかからデータを読み出す。
仮想ルータブロック200の仮想ルータ(2)220は、仮想ルータ(1)210と同様の構成を有しており、同様の動作をする。
仮想ルータブロック200の仮想ルータ(3)230は、仮想ルータ(1)210及び仮想ルータ(2)220と同様の構成を有しており、同様の動作をする。
出力ブロック300の第4スイッチ(読出スイッチ)311,321,331,341は、3台の仮想ルータ210,220,230の出力バッファ218,228,238から、利用可能帯域や優先度に応じてパケットを読出し、このパケットを出力物理インタフェース310,320,330,340に送る。出力物理インタフェース310,320,330,340は、第4スイッチ(読出スイッチ)311,321,331,341を通して入力されたパケットを出力すべきかを判断して、出力すべき場合にパケットを出力する。
図2に示されるように、制御ブロック400は、第1の実施形態に係る物理ルータの全体を管理する全体制御機能部(第4機能部)410と、仮想ルータ用資源管理機能部(第2機能部)430と、仮想ルータ構築・解消機能部(第3機能部)440と、仮想ルータ資源追加・削減機能部(第3機能部)450と、状態把握機能部(第1機能部)460と、要求条件管理機能部470とを有している。
図3は、第1の実施形態に係る通信ノード装置である物理ルータを複数台用いて構築されるネットワーク(網)の説明図である。第1の実施形態では、例えば、物理ルータ1,2,3,4は、IPキャリアが保有しており、これらの物理ルータによって、物理網5が構成される。ここで、物理ルータ1,2,3,4の各々は、例えば、図1に示される物理ルータの構成を持つ。図3には、物理ルータ1はユーザ1の端末とキャッシュサーバに接続可能であり、物理ルータ3はユーザ2の端末に接続可能であり、物理ルータ4は、サーバに接続可能である場合が示されている。また、物理ルータは、センサネットワークのセンサ、デジタルサイネージ、ゲーム端末、RFID(Radio Frequency IDentification)機能等の通信機能を持つデバイス等と接続可能である。
条件〈R1〉「空き資源を仮想ルータ(3)230に追加することで通信品質の改善が可能である。」、及び、
条件〈R2〉「契約上、資源の追加が可能である。」の両方を満足するならば、仮想ルータ資源追加・削除機能部450に命じて仮想ルータ(3)230に資源を追加する。
言い換えれば、状態把握機能部460が、仮想通信ノードのレイヤ3プロトコル処理(レイヤ3処理)がボトルネックとなって通信品質の劣化を招いていると判断したときには、全体制御機能部410は、仮想ルータ構築・解消機能部440又は仮想ルータ資源追加・削減機能部450に、
〈M1〉レイヤ3処理を行うためのCPUタイムを増加させる対策、
〈M2〉レイヤ3処理を行うCPUを増加させる対策、
〈M3〉レイヤ3処理に用いるメモリやバス占有時間を増加させる対策、
〈M4〉レイヤ3処理を行うハードウェアロジックを追加することによって、複数のハードウェアロジックで並列処理を行う対策、及び
〈M5〉レイヤ3処理を行うハードウェアロジックを追加し、パイプライン処理可能な構成を構築して対応する対策
のいずれか1つ以上の対策を実行させる。
言い換えれば、状態把握機能部460が、仮想通信ノードのパケットの経路表検索又はパケット転送処理がボトルネックとなって通信品質の劣化を招いていると判断したときには、全体制御機能部410は、仮想ルータ構築・解消機能部440又は仮想ルータ資源追加・削減機能部450に、
〈M11〉経路検索処理又はパケット転送処理を行うためのCPUタイムを増加させる対策、
〈M12〉経路検索処理又はパケット転送処理を行うCPUを増加させる対策、
〈M13〉経路検索処理又はパケット転送処理に用いるメモリやバス占有時間を増加させる対策、
〈M14〉経路検索処理又はパケット転送処理を行うハードウェアロジックを追加することによって、複数のハードウェアロジックで並列処理を行う対策、及び
〈M15〉経路検索処理又はパケット転送処理を行うハードウェアロジックを追加し、パイプライン処理可能な構成として対応する対策
のいずれか1つ以上の対策を実行させる。
以上に説明したように、第1の実施形態に係る通信ノード装置である物理ルータによれば、要求条件に応じて動的に仮想ノードの資源の追加若しくは削除、又は、新たな仮想ノードの構築若しくは削除を行うことができ、適切な網サービス品質を提供することができる。
上記第1の実施形態における説明では、品質低下に対する対応方法(対策)として、M1〜M5あるいは、M11〜M15という複数の方法を示した。しかし、
(1)品質低下に対する対応方法を、これらの対策の内のいずれか1つではなく、複数の対策を組合わせて実現することもできる。
(2)また、品質低下に対する対応方法として、上記複数の対策の内のどの組合せを採用するのが最適であるかは、一意には決まらない。例えば、
(ケース1)仮想網1で、特定プロトコルの通信でのパケット損失が対策の閾値付近にあり、且つ、仮想網3で、遅延時間の最悪値が対策の閾値付近にある場合、
(ケース2)仮想網1で、特定プロトコルの通信でのパケット損失が対策の閾値付近にある場合、又は、仮想網3で、遅延時間の最悪値が対策の閾値付近にある場合、
(ケース3)上記ケース1に加えて、仮想網2でもオリジナルの上位レイヤ処理で品質劣化が発生しつつある場合など、状況に応じて、最適な対応方法は異なる。
また、上記『最適』の定義として、同一の性能を達成するのに、未使用の資源を最大化する対処方法を『最適』とするポリシもあれば、消費電力を最小にする対処方法を『最適』とするポリシもある。消費電力を最小にする手法として、具体的には、例えば、状態把握機能部460が、どの資源の追加・削除、どの様な処理の実行によって、どれだけ消費電力が変動するかといった情報を収集し、資源割当機能部420が、割当をする際に、その収集された情報を用いて、消費電力最小化の計算を行う手法がある。また、実測前に事前に計算や実験で得た値を、仮想ルータ用資源管理機能部430に蓄積しておき、資源割当機能部420が、割当をする際に、計算や実験で得た値を利用する方法もある。
(1)余裕のある範囲で、資源量を変化させ、より良い解を探す方法、
(2)空き資源で、仮想ノードを作り、初期解を計算結果として、資源量を変化させて、より良い解(他の解)を探す方法を、採用することもできる。
ここで、上記(1)に関して、例えば、全体制御機能部410が、状態把握機能部460からの情報を元に、サービス品質が要求条件を満たすことを確認しつつ、仮想ルータ資源追加・削除機能部450に対して、資源量の変化を指示し、その結果であるサービス品質や消費電力、バッファ使用量などの情報を状態把握機能部460で観測して、より良い解を探すことができる。上記(2)に関しては、例えば、全体制御機能部410が、仮想ルータ構築・解消機能部440に命じて、仮想ノードを作り、仮想ネットワークを構築し、ユーザトラヒックを第1スイッチ131で、この新たな仮想ネットワークにも放送的に流し、運用中の仮想ネットワークとあたかも同じ様な仮想ネットワークを作り、全体制御機能部410が仮想ルータ資源追加・削除機能部450に対して、資源量の変化を指示し、その結果であるサービス品質や消費電力、バッファ使用量等の情報を状態把握機能部460で観測して、より良い解を探すことができる。
《2−1》第2の実施形態の構成
図4は、第2の実施形態に係る通信ノード装置としての物理ルータにおける制御部(資源割当機能部)の構成を概略的に示すブロック図である。図5は、図4に示される資源割当機能部420が保有する資源割当テーブルの一例を示す図である。図4において、図2の構成と同一又は対応する構成には、同じ符号を付す。
図5に第2の実施形態の動作を示す。各機能部と入出力信号は、構成の説明に示したので、ここでは、資源割当の具体的な手法について説明する。図5に示すように、各仮想ルータは、利用可能な資源に関して、〈R11〉最低保障資源量、〈R12〉優先利用資源量、〈R13〉最大利用可能資源量が契約などで定められている。これらの量は、仮想ルータ毎に異なる。仮想ルータの番号をVとしたときに、番号Vの仮想ルータにおける〈R11〉最低保障資源量、〈R12〉優先利用資源量、〈R13〉最大利用可能資源量をそれぞれ、最低保障資源量Rmin(V)、優先利用資源量Rpre(V)、最大利用可能資源量Rmax(V)で表現する。
R(V)=Rmin(V)
R(V)≦Rpre(V)
R(V)≦Rmax(V)
ただし、この資源は、他の仮想ルータが必要な場合、直ちに返却しなければならない。
以上に説明したように、第2の実施形態に係る通信ノード装置によれば、要求条件に応じて動的に仮想ノードの資源の追加若しくは削除、又は、新たな仮想ノードの構築若しくは削除を行うことができ、適切な網サービス品質を提供することができる。
Claims (16)
- それぞれが通信機能を持つ複数の仮想通信ノードを有する通信ノード装置であって、
前記複数の仮想通信ノードによる通信品質を監視する第1機能部と、
前記複数の仮想通信ノードの資源を登録し管理する第2機能部と、
前記複数の仮想通信ノードの各々の資源であるハードウェアロジックを追加若しくは削除する処理、新たな仮想通信ノードを構築する処理、及び、前記複数の仮想通信ノードのいずれかを解消する処理を実行する第3機能部と、
前記第1機能部によって観測された通信品質の情報に基づき、前記第2機能部に登録された空き資源を用いて、前記第3機能部に、前記複数の仮想通信ノードのいずれかのハードウェアロジックを追加若しくは削除する処理、新たな仮想通信ノードを構築する処理、及び、前記複数の仮想通信ノードのいずれかを解消する処理のいずれか一つ以上を実行させる第4機能部と
を有することを特徴とする通信ノード装置。 - 前記通信ノード装置は、1又は複数台の物理ルータであり、
前記複数の仮想通信ノードは、複数の仮想ルータである
ことを特徴とする請求項1に記載の通信ノード装置。 - 前記第1機能部が、仮想通信ノードのレイヤ3処理がボトルネックとなって通信品質の劣化を招いていると判断したときには、
前記第4機能部は、前記第3機能部に、
前記レイヤ3処理を行うためのCPUタイムを増加させる対策、
前記レイヤ3処理を行うCPUを増加させる対策、
前記レイヤ3処理に用いるメモリやバス占有時間を増加させる対策、
前記レイヤ3処理を行うハードウェアロジックを追加することによって、複数のハードウェアロジックで並列処理を行う対策、及び
前記レイヤ3処理を行うハードウェアロジックを追加し、パイプライン処理可能な構成を構築して対応する対策
のいずれか1つ以上の対策を実行させる
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の通信ノード装置。 - 前記第1機能部が、仮想通信ノードのパケットの経路表検索又はパケット転送処理がボトルネックとなって通信品質の劣化を招いていると判断したときには、
前記第4機能部は、前記第3機能部に、
前記経路検索処理又は前記パケット転送処理を行うためのCPUタイムを増加させる対策、
前記経路検索処理又は前記パケット転送処理を行うCPUを増加させる対策、
前記経路検索処理又は前記パケット転送処理に用いるメモリやバス占有時間を増加させる対策、
前記経路検索処理又は前記パケット転送処理を行うハードウェアロジックを追加することによって、複数のハードウェアロジックで並列処理を行う対策、及び
前記経路検索処理又は前記パケット転送処理を行うハードウェアロジックを追加し、パイプライン処理可能な構成として対応する対策
のいずれか1つ以上の対策を実行させる
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の通信ノード装置。 - 前記第1機能部が、仮想通信ノードにおける処理がボトルネックとなって通信品質の劣化を招いていると判断したときには、
前記第4機能部は、前記第3機能部に、
処理を行うためのCPUタイムを増加させる処理を行う対策、
処理を行うCPUを増加させる対策、
処理に用いるメモリやバス占有時間を増加させる対策、
処理を行うハードウェアロジックを追加することによって、複数のハードウェアロジックで並列処理を行う対策、及び
処理を行うハードウェアロジックを追加し、パイプライン処理可能な構成として対応する対策
のいずれか1つ以上の対策を実行させる
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の通信ノード装置。 - 前記第1機能部が、仮想通信ノードにおける処理が、パケットの到着間隔の狭まりに基づくものである場合、又は、特異な到着率特性に基づくものである場合には、
前記第4機能部は、前記第3機能部に、
キューイングメモリ量を増加させるように、仮想通信ノードに資源の割り当てを行うことで対応する対策を実行させる
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の通信ノード装置。 - 前記第3機能部は、
仮想ノードヘの資源割当を行う際、仮想ノード毎に、最低保障資源量、優先利用資源量、及び最大利用可能資源量を設定し、
第1機能部が監視する通信量がゼロのとき、各仮想通信ノードの割当資源量R(V)を、R(V)=Rmin(V)とし、
R(V)=Rmin(V)では、通信品質が担保できなくなる可能性があるときには、R(V)≦Rpre(V)の範囲で資源を増加させ、
R(V)≦Rpre(V)の範囲で資源が足りない場合には、他の仮想通信ノードがもし優先利用資源を使いきっていなければ、R(V)≦Rmax(V)の範囲で利用資源を増加させる
ことを特徴とする請求項1から6までのいずれか1項に記載の通信ノード装置。 - 仮想ノード毎に設定される前記最低保障資源量、前記優先利用資源量、及び前記最大利用可能資源量を、資源の種類毎に設定し、資源の利用量を通信品質のボトルネックの要因に応じて変化させることを特徴とする請求項7に記載の通信ノード装置。
- 前記資源の種類は、CPUタイム、CPU個数、メモリ量、バス占有時間、及びハードウェアロジックのうちの1つ以上を含むことを特徴とする請求項8に記載の通信ノード装置。
- 前記複数の対応の内で、同一の性能を得られる複数の対応の候補がある場合、前記第4機能部は、前記第3機能部に、前記複数の対応の候補の中で、対応後の残り資源量を最大とする対応、又は、消費電力が最小となる対応を実行させることを特徴とする請求項3から6までのいずれか1項に記載の通信ノード装置。
- 前記第4機能部は、前記第3機能部が実行する対応の選択に際し、上記対応に加え、通信経路の最適化、各ノードで行う処理内容の分担量の変更、外部記憶装置、外部処理装置、外部の通信機能を持つ、センサ及びデジタルサイネージの少なくとも一方を含むデバイスで行う処理を含めた対応を実行させることを特徴とする請求項3から6までのいずれか1項に記載の通信ノード装置。
- 前記第4機能部は、前記第3機能部が実行する対応の選択に際し、上記対応に加え、通信経路の最適化、各ノードで行う処理内容の分担量の変更、外部記憶装置又は外部処理装置で行う処理を含めた対応を実行させることを特徴とする請求項3から6までのいずれか1項に記載の通信ノード装置。
- 前記第4機能部は、前記第3機能部が実行する対応の選択に際し、局所探索法、焼きなまし法、遺伝的アルゴリズム法、及びタブーサーチ法の内の1つ以上を用いて最適な対応を選択することを特徴とする請求項3から6までのいずれか1項に記載の通信ノード装置。
- 前記第4機能部は、前記第3機能部が実行する対応の選択に際し、一度得た状況とその際の対応を記憶し、次回、似た状況ではその対応を前記第3機能部に実行させる、又は、その対応を初期解として計算してより良い解を探して使用することを特徴とする請求項3から6までのいずれか1項に記載の通信ノード装置。
- 前記第4機能部は、前記第3機能部が実行する対応の選択に際し、資源量を変化させて、解を探す処理を実行することを特徴とする請求項3から6までのいずれか1項に記載の通信ノード装置。
- 前記第4機能部は、前記第3機能部が実行する対応の選択に際し、空き資源で仮想ノードを作らせ、初期解を計算結果として、資源量を変化させて、解を探す処理を実行することを特徴とする請求項3から6までのいずれか1項に記載の通信ノード装置。
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