JP6025766B2

JP6025766B2 - ネットワーク設計装置及び方法及びプログラム

Info

Publication number: JP6025766B2
Application number: JP2014032659A
Authority: JP
Inventors: 斎藤　洋; 洋斎藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-02-24
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2034-02-24
Also published as: JP2015159400A

Description

本発明は、ネットワーク設計装置及び方法及びプログラムに係り、特に、面的被災時に、所定の評価尺度に対して好適なネットワークの物理経路の設計、あるいは、ネットワーク装置の配備を行うためのネットワーク設計装置及び方法及びプログラムに関する。

これまでは、ネットワークの信頼性は、主に、独立に生じる故障を前提として、あるノード間の接続確率が一定値以上となるよう、方策を講じることによって確保されてきた。しかしながら、面的被災によるネットワーク機能の喪失は、独立な故障という前提と大きく乖離するため、このような信頼性対策では不十分となる。信頼性工学においては、相関ある故障という概念によって、既存理論を高度化する試みもあるが、面的被災のような地理的概念によって故障が生じ得るということまでは考慮されていない。

一方、積分幾何によって、直線上に被災エリアが生じた場合に、２ノード間の接続確率を求めるアルゴリズムがある（例えば、非特許文献１参照）。

さらに、リング網への収容設計や機能配備位置決定を、被災時の接続可能確率等の尺度を用いて決定する技術や、物理網の経路設計として、物理媒体経路を決めるネットワーク設計において、面的な被災に対応したモデルに基づいて、候補の経路の中から、ルートノードOとその他の各ノードk間の接続確率が最悪となるO−k間の接続確率を最良化する技術がある。これらの２つの技術は、いずれも被災エリアを半平面で近似できる場合（つまり、被災エリアが対象となるネットワークに比し、非常に大きい場合）に、好適なものである。

S. Neumayer and E. Modiano, Network Reliability With Geographically Correlated Failures, INFOCOM 2010.

しかしながら、上記の従来技術では、直線上や半平面で近似可能な被災だけで、地震や津波に整合する実際の面的被災では必ずしも有効性がないという課題がある。

本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、実際の面的被災に対応したモデルをもとに、所定の評価尺度に対して好適なネットワーク設計を行うことが可能なネットワーク設計装置及び方法及びプログラムを提供することを目的とする。

一態様によれば、面的被災時に、所定の評価尺度に対して好適なネットワークの物理経路の設計、あるいは、ネットワーク装置の配備を行うためのネットワーク設計装置であって、
設計及び配置対象の網装置の位置情報を含む網トポロジ及び被災時の各装置の故障確率を格納した網情報記憶手段と、
現状の網または、網の一部の代替となる物理網の経路やサーバの設定位置情報を含む複数の対案情報を格納した対案情報記憶手段と、
有限の面積の被災エリアモデル情報を格納した被災エリア情報記憶手段と、
実行手段と、を有し、
前記実行手段は、
与えられた考慮すべき地理的範囲に基づいて、乱数と前記被災エリア情報記憶手段の前記被災エリアモデル情報を用いて被災エリアを求める手段と、
前記被災エリアに対して、前記対案情報記憶手段の各対案毎に、前記網情報記憶手段を参照して、該被災エリアにある網装置を特定し、特定された各網装置に対して、当該網装置に関して前記網情報記憶手段に格納されている故障確率が示す確率で故障状態を示す値が発生する乱数を生成し、前記乱数に基づいて特定される当該各網装置の故障状態に基づいて、ネットワークの評価尺度値を求める処理を、全ての被災エリアに対して行い、各対案毎に該評価尺度値の統計値を出力する手段と、を有するネットワーク設計装置が提供される。

一態様によれば、地理的形状を含めた面的被災時でも実際の面的被災に対応した被災エリアモデルに基づいて所定の評価尺度を設けてネットワークの評価判定を行うことにより、災害時に強いネットワークを設計及び構築することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態におけるネットワーク設計装置の構成例。被災エリアモデルの例。本発明の第２の実施の形態に適用される網の例。実行例１の対案の経路パターン例。本発明の第１・第２の実施の形態の評価結果。実行例２、実行例３での経路パターン。実行例２の評価結果。実行例３の評価結果。

以下、図面と共に本発明の実施の形態を説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるネットワーク設計装置の構成例を示す。

同図に示すネットワーク設計装置は、シミュレーション評価により評価尺度を評価する実行部１０、入出力インターフェース２０、網情報記憶部３０、被災エリア情報記憶部４０、対案情報記憶部５０を有する。

網情報記憶部３０には、物理経路位置情報やノード・サーバ等のネットワーク装置の位置情報等のトポロジ情報と、被災時の各装置の故障確率を有する。

被災エリア情報記憶部４０は、過去の災害データから得た被災エリアモデルと、そのモデルの基準点位置とその位置に応じた確率、被災エリアの基準方向との角度の確率密度分布などの情報を有する。被災エリアモデルは、近年、気象庁等から出される情報をもとに作成することが可能となっている。図２に、気象庁から出された2011年3月12日の中越地方の地震に対する推定震度分布における高震度エリアの図を示す。これと同様の被災エリアをもつ地震が今後起こり得るとすると、この震度分布を被災エリアモデルとして用いることができる。

対案情報記憶部５０は、現状の網に対する対案、あるいは、網の新規部分に対しての複数の対案を記憶する。格納される対案は、例えば、日本全国の各地方などを網羅した、物理網の経路、サーバの設置位置等に関わる。ここで「対案情報」とは、現状の網（または網の一部）の代替となる物理網の経路やサーバの設置位置等の情報を指す。

ネットワーク設計者は、入出力インターフェース部２０を通じて、
１）考慮すべき地理的範囲
２）評価尺度種別（平均切断確率、最悪切断確率、特定対地被災確率、等）
３）対案（例えば、ある地域に限定した現状の網に対する対案、網の新規部分の複数対案、等）
を指定する。

実行部１０は、以下の処理を行う。

１）入出力インターフェース部２０から入力された考慮すべき地理的範囲に基づいて、被災エリア基準点を、被災エリア情報記憶部４０を参照することにより得られた基準点の位置とその位置に応じた確率に従い、乱数で発生させる。そして、被災エリア情報記憶部４０を参照して、被災エリア基準方向との角度の確率密度分布から、乱数で、被災エリアの角度を決定することにより、被災エリアを定める。考慮すべき地理的範囲に被災エリアがかかり得る場合、この被災エリアを考慮すべき被災エリアと定める。

２）１つの考慮すべき被災エリアに対して、各対案ごとに、網情報記憶部３０から得た網情報により、被災エリアにある網装置を特定し、網情報記憶部３０から被災エリアにある網装置の被災時故障率を得る。そして、網装置ごとに乱数を振って、当該故障率にあたる確率で当該網装置が故障状態にあるようにする。これにより、各対策の評価尺度値を求める。独立に発生する故障があるネットワークの切断有無の判定等の評価は、従来技術により可能である。
３）２）の処理を、予め定められた一定数の考慮すべき被災エリアに対して実行し、各対案ごとの評価尺度値の平均や中央値等の統計値を求める。
４）３）の結果を入出力インターフェース部２０を通じて、出力する。

ネットワーク設計者は、この出力結果をもとに、対案の比較を行う。

［第２の実施の形態］
本実施の形態における装置構成は、第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。

本実施の形態では、実行部１０において、理論式により評価尺度を評価するものである。網情報記憶部３０、対案情報記憶部５０は、第１の実施の形態と同じである。

第１の実施の形態では、被災エリア情報記憶部４０には、被災エリアモデル情報が格納されているものとしたが、本実施の形態では、想定される被災エリアの面積と外周長が格納される。

以下で、対象となる網は、図３に示すように、リング網、ツリー型網、あるいはその組み合わせであるとする。

まず、使用する理論式の技術的背景を述べる。

「２点s,t間の被災確率」を、s,t間がリング網あるいはツリー型網であるとき、s,t間の全経路（２つまたは１つ）の一部または全部が被災エリアにある確率と定義する。

「２点s,t間の切断確率」を、s,t間の全経路が故障で使えない確率と定義する。

従って、被災すると必ず故障する網では、被災確率=切断確率である。

以下では、有限の大きさの被災エリアに関する、積分幾何により導かれた理論結果を示す。

＜１．リング網上の被災確率に関する理論＞
被災エリアが凸で、リング網に囲まれる地域が凸であるとき、このリング網内の新設ルートは被災確率を向上させない。このリング網の代わりに、このリング網の内側領域に含まれるリング網を用いる場合、被災確率は悪化する。

＜２．リング網上の被災確率の上下限及び近似に関する理論＞
リング網上の２点s,t間の被災確率の上限は、式(1)

で与えられる。ここで、

は領域Xの面積、

は領域Xの外周長、Dは被災エリア、d(x,y)は、x,y間の直線距離を表す。式(1)の分母は、以下の式(2)で与えられる。

A₀は、災害を考慮する対象の地理的範囲を表す。リング網上の２点s,t間の被災確率の下限は、被災エリアが凸のとき、式(3)で与えられる。

l(u,v)はu,v間の線分を表す。

の評価式としては、式(4)-(7)を用いて求める。上下限式から、その算術平均や幾何平均で被災確率の近似式も得られる。

＜３．２点s,t間が単一経路rである場合の切断確率に関する理論＞
被災により単一経路rに対して生じるコストの期待値は、コストが十分小さいとき、式(8)で与えられる。

式(8)の分母は、前述の式(2)
で与えられる。ここで、W₁は、経路r上のコストの総和、を表す。また、コストは被災時の故障の復旧コストでも、また、経路上の微小部分の故障確率でもよい。

＜４．２点s,t間が同一リング網上にある場合の切断確率に関する理論＞
被災エリアが凸で、リング網に囲まれる地域が凸であり、リング網上のノードの故障確率が無視でき、経路上の微小部分の故障確率の総和が１より十分小さいとき、２点s,t間の切断確率は、式(9)、式(4)で近似評価できる。

ここで、r₁、r₂は、s,t間の右・左まわり経路、R(i)は、経路のノードiと(i+1)間の部分、L(x)は、曲線xの長さ、β_iはノードiとi+1間の被災時リンク故障率、 (i)はノードiの被災時故障率である。

上記理論は、s,t間の被災確率、切断確率であるが、最悪被災・切断確率は、被災確率・切断確率が最悪となるs,t間に対するそれであり、平均被災・切断確率は、各s,t間の被災確率・切断確率の算術平均である。よって、これらをs,t間の被災確率、切断確率から求めることは容易に実行できる。

以下に、上記理論に基づく処理を説明する。なお、上記の理論による各計算式は、メモリ（図示せず）等の記憶手段に格納されているものとする。

ネットワーク設計者は、入出力インターフェース部２０を通じて、
１）考慮すべき地理的範囲A₀（例えば、都道府県や、基準点から100km等）、想定被災エリア面積と外周長
２）評価尺度種別（平均被災確率、特定対地被災確率、特定対地被災確率、等）
３）対案（現状の網に対する対案、網の新規部分の複数対案、等）
を指定する。

実行部１０は、以下の処理を行う。

１）入出力インターフェース部２０から入力された考慮すべき地理的範囲A₀に基づいて、考慮すべき地理的範囲の面積、及びその外周長を計算する。

２）上記の１）で求められた考慮すべき地位理的範囲の面積、外周長、網情報記憶部２０、被災エリア情報記憶部４０の情報及び、入出力インターフェース部２０から得られたパラメータ、及び、メモリ（図示せず）に格納されている、上記の各理論に基づいて、以下の処理を行う。

入出力インターフェース部２０から入力された評価尺度種別が被災確率に関するものであり、網情報記憶部３０を参照した結果、網がリング網である場合は、上記の「１．リング網上の被災確率に関する理論」により、ネットワーク設計者から指定された対案に順序付けが可能か判定する。ここで、順序付けが可能となるのは、被災エリア、リング網に囲まれる地域が凸であり、対策ＡとＢの網が包含関係にある場合である。同理論により、順序がつかなかった場合、上記の「２．リング網上の被災確率の上下限・近似に関する理論」により、上下限式、近似式のいずれかに基づいて対案の評価尺度の評価値を算出し、対案を順序付けする。

評価尺度種別が切断確率に関するものであり、網が単一経路である場合は、上記の「３．２点s,t間が単一経路rである場合の切断確率に関する理論」による評価式に基づいて対案の評価尺度の評価値を算出し、対案を順序付けする。

評価尺度種別が切断確率に関するものであり、網がリング網である場合は、上記の「４．２点s,t間が同一リング網上にある場合の切断確率に関する理論」による評価式に基づいて対案の評価尺度の評価値を算出し、対案を順序付けする。

評価尺度種別が切断確率に関するものであり、網が単一経路部分とリング網部分の組み合わせである場合は、「３．２点s,t間が単一経路rである場合の切断確率に関する理論」による評価式に基づいて各単一経路部分の切断確率P1，P2…を計算し、「４．２点s,t間が同一リング網上にある場合の切断確率に関する理論」による評価式に基づいて各リング網部分の切断確率Q1，Q2…を計算し、
１−（１−P1）（１−P2）・・・（１−Q1）（１−Q2）・・・
によって、当該網の２点間の切断確率と近似的にみなす。これに基づき、対案の評価尺度の評価値を算出し、対案を順序付けする。

なお、上記の「１．リング網上の被災確率に関する理論」、「２．リング網上の被災確率の上下限・近似に関する理論」、「３．２点s,t間が単一経路rである場合の切断確率に関する理論」、「４．２点s,t間が同一リング網上にある場合の切断確率に関する理論」に用いるパラメータは、網情報記憶部２０、被災エリア情報記憶部４０から取得する。

３）２）で得られた順序付けされた対案を結果として入出力インターフェース部２０を通じて、出力する。
ネットワーク設計者は、この出力結果をもとに、対案の比較を行う。

［第３の実施の形態］
上記の第１、または、第２の実施の形態をもとに、ネットワーク機器配備の最適化方法を実施する方法を述べる。

第１、または、第２の実施の形態において、２）評価尺度種別、として、平均被災確率、特定対地被災確率、等の対象ネットワーク全体に関わる評価尺度を指定し、３）対案、として、配備すべきネットワーク機器の配備場所候補を並べる。

実行部１０の実行結果として、各対案、すなわち、配備場所候補について、評価尺度に応じた順序付けがなされる。もっとも好適とされた配備場所候補が、面的被災に対する指定の評価尺度の点で最適な配備場所である。

ネットワーク機器配備の最適化の代わりに、ネットワークの物理経路の対案を並べて、同様に実施することでネットワークの最適物理経路設計が実施できる。

［実行例１］
対案として図４の３経路を指定し、被災エリアとして図２の地震エリアを指定し、基準点位置、角度を一様乱数で発生させ、端点間の切断確率を評価尺度と指定し、第１の実施の形態により評価した場合と、図２の地震エリアの面積と外周長を指定し、第２の実施の形態により評価した場合の結果を図５に示す。図５のx軸βは、1kmあたりの被災時故障率である。Theoryが第２の実施の形態の結果（３経路とも同じ）、それ以外は第１の実施の形態の結果である。いずれの方法でも同様の結果を得る。

[実行例２]
対案として図６の３経路を指定し、被災エリアとして図２の地震エリアを指定し、基準点位置、角度を一様乱数で発生させ、１ホップ２点間、２ホップ２点間、３ホップ２点間の切断確率を評価尺度と指定し、第１の実施の形態により評価した場合の結果を図７に示す。これにより、円形・六角形経路が凹型経路に比し、若干、被災性能がよいことが分かる。

[実行例３]
対案として図６の３経路を指定し、被災エリアとして図２の地震エリアを指定し、基準点位置、角度を一様乱数で発生させ、１ホップ２点間の切断確率を評価尺度と指定し、第１の実施の形態により評価した場合と、図２の地震エリアの面積と外周長を指定し、第２の実施の形態により評価した場合の結果を図８に示す。第１の実施の形態でも第２の実施の形態でも同様の結果を得る。円形・六角形経路が凹型経路に比し、若干、被災性能がよいことが分かる。

なお、上記の図１に示すネットワーク設計装置の実行部１０の動作をプログラムとして構築し、ネットワーク設計装置として利用されるコンピュータにインストールして実行させる、または、ネットワークを介して流通させることが可能である。

本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲内において、種々変更・応用が可能である。

１０実行部
２０入出力インターフェース部
３０網情報記憶部
４０被災エリア情報記憶部
５０対案情報記憶部

Claims

面的被災時に、所定の評価尺度に対して好適なネットワークの物理経路の設計、あるいは、ネットワーク装置の配備を行うためのネットワーク設計装置であって、
設計及び配置対象の網装置の位置情報を含む網トポロジ及び被災時の各装置の故障確率を格納した網情報記憶手段と、
現状の網または、網の一部の代替となる物理網の経路やサーバの設定位置情報を含む複数の対案情報を格納した対案情報記憶手段と、
有限の面積の被災エリアモデル情報を格納した被災エリア情報記憶手段と、
実行手段と、を有し、
前記実行手段は、
与えられた考慮すべき地理的範囲に基づいて、乱数と前記被災エリア情報記憶手段の前記被災エリアモデル情報を用いて被災エリアを求める手段と、
前記被災エリアに対して、前記対案情報記憶手段の各対案毎に、前記網情報記憶手段を参照して、該被災エリアにある網装置を特定し、特定された各網装置に対して、当該網装置に関して前記網情報記憶手段に格納されている故障確率が示す確率で故障状態を示す値が発生する乱数を生成し、前記乱数に基づいて特定される当該各網装置の故障状態に基づいて、ネットワークの評価尺度値を求める処理を、全ての被災エリアに対して行い、各対案毎に該評価尺度値の統計値を出力する手段と、
を有することを特徴とするネットワーク設計装置。
面的被災時に、所定の評価尺度に対して好適なネットワークの物理経路の設計、あるいは、ネットワーク装置の配備を行うためのネットワーク設計装置であって、
設計及び配置対象の網装置の位置情報を含む網トポロジ及び被災時の各装置の故障確率を格納した網情報記憶手段と、
現状の網または、網の一部の代替となる物理網の経路やサーバの設定位置情報を含む複数の対案情報を格納した対案情報記憶手段と、
被災エリアモデルのパラメータを格納した被災エリア情報記憶手段と、
実行手段と、を有し、
前記実行手段は、
与えられた考慮すべき地理的範囲に関わるパラメータと、前記網情報記憶手段の前記網トポロジと、及び前記被災エリア情報記憶手段の前記被災エリアモデルのパラメータから、与えられた評価尺度に応じて、前記対案情報記憶手段から得られた各対案の評価尺度値を所定の理論に基づいて算出し、出力する評価尺度値算出手段、
または、
与えられた考慮すべき地理的範囲に関わるパラメータと、前記網情報記憶手段の前記網トポロジと、及び前記被災エリア情報記憶手段の前記被災エリアモデルのパラメータから、与えられた評価尺度に応じて、前記対案情報記憶手段から得られた各対案の順序付けを所定の理論に基づいて行い、出力する順序付け手段
のいずれかを有する
ことを特徴とするネットワーク設計装置。
前記実行手段は、
リング網上の被災確率に関する理論、
リング網上の被災確率の上下限及び近似に関する理論、
２点(s,t)間が単一経路である場合の切断確率に関する理論、
２点(s,t）間が同一リング網上にある場合の切断確率に関する理論、
のいずれかの理論による計算式により、前記各対案の評価尺度値を算出する、または、前記各対案の順序付けを行う
請求項２記載のネットワーク設計装置。
前記対案として、
ネットワークの物理経路、ネットワーク装置の配備位置の少なくとも一方を含む
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のネットワーク設計装置。
面的被災時に、所定の評価尺度に対して好適なネットワークの物理経路の設計、あるいは、ネットワーク装置の配備を行うためのネットワーク設計方法であって、
設計及び配置対象の網装置の位置情報を含む網トポロジ及び被災時の各装置の故障確率を格納した網情報記憶手段と、
現状の網または、網の一部の代替となる物理網の経路やサーバの設定位置情報を含む複数の対案情報を格納した対案情報記憶手段と、
有限の面積の被災エリアモデル情報を格納した被災エリア情報記憶手段と、
実行手段と、を有する装置において、
前記実行手段が、
与えられた考慮すべき地理的範囲に基づいて、乱数と前記被災エリア情報記憶手段の前記被災エリアモデル情報を用いて被災エリアを求め、
前記被災エリアに対して、前記対案情報記憶手段の各対案毎に、前記網情報記憶手段を参照して、該被災エリアにある網装置を特定し、特定された各網装置に対して、当該網装置に関して前記網情報記憶手段に格納されている故障確率が示す確率で故障状態を示す値が発生する乱数を生成し、前記乱数に基づいて特定される当該各網装置の故障状態に基づいて、ネットワークの評価尺度値を求める処理を、全ての被災エリアに対して行い、各対案毎に該評価尺度値の統計値を出力する、
ことを特徴とするネットワーク設計方法。
面的被災時に、所定の評価尺度に対して好適なネットワークの物理経路の設計、あるいは、ネットワーク装置の配備を行うためのネットワーク設計方法であって、
網トポロジ、設計及び配置対象の網装置の位置情報を含む網トポロジ及び被災時の各装置の故障確率を格納した網情報記憶手段と、
現状の網または、網の一部の代替となる物理網の経路やサーバの設定位置情報を含む複数の対案情報を格納した対案情報記憶手段と、
被災エリアモデルのパラメータを格納した被災エリア情報記憶手段と、
実行手段と、を有する装置において、
前記実行手段が、
与えられた考慮すべき地理的範囲に関わるパラメータと、前記網情報記憶手段の前記網トポロジと、及び前記被災エリア情報記憶手段の前記被災エリアモデルのパラメータから、与えられた評価尺度に応じて、前記対案情報記憶手段から得られた各対案の評価尺度値を所定の理論に基づいて算出し、出力する評価尺度値算出ステップ、
または、
与えられた考慮すべき地理的範囲に関わるパラメータと、前記網情報記憶手段の前記網トポロジと、及び前記被災エリア情報記憶手段の前記被災エリアモデルのパラメータから、与えられた評価尺度に応じて、前記対案情報記憶手段から得られた各対案の順序付けを所定の理論に基づいて行い、出力する順序付けステップ
のいずれかを行う
ことを特徴とするネットワーク設計方法。
前記評価尺度値算出ステップ、または、前記順序付けステップにおいて、
リング網上の被災確率に関する理論、
リング網上の被災確率の上下限及び近似に関する理論、
２点(s,t)間が単一経路である場合の切断確率に関する理論、
２点(s,t）間が同一リング網上にある場合の切断確率に関する理論、
のいずれかの理論による計算式により、前記各対案の評価尺度値を算出する、または、前記各対案の順序付けを行う
請求項６記載のネットワーク設計方法。
コンピュータを、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のネットワーク設計装置の各手段として機能させるためのネットワーク設計プログラム。