JP6222736B2 - ネットワーク構築方法及びネットワーク構築装置 - Google Patents

Description

本発明では、論理ネットワークを用いた管理技術に基づくクラウドストレージにおいて、物理ネットワーク障害に対するサービスの可用性を向上する論理ネットワーク構築方法に関する。

クラウドストレージは、悪意あるなしに関係なく誰もがアクセス可能であった。クラウドストレージにデータの機密性の保証を求める場合、膨大なストレージサーバに分散してデータを保存し、スケーラブルなデータ管理方法が必要である。

データ管理技術としては、例えば、中央サーバ管理方式がある。図１に、中央サーバ管理方式の一例を示す。中央サーバ管理方式は、管理サーバが各ストレージサーバのデータの情報を保持する。しかし、本方式では、管理サーバへ不正侵入した第三者は、各ストレージサーバのデータを容易に取得することが可能になる問題がある。また、中央サーバ管理方式では、ストレージサーバの増加に伴い、管理サーバの能力がボトルネックになる問題がある。

そこで、論理ネットワークを用いたデータ管理技術が必要とされている（例えば、非特許文献１参照。）。例えば、構造型オーバレイネットワークを用いて、ストレージサーバだけでなく、ユーザ端末のストレージ領域を利用するＰ２Ｐ（Ｐｅｅｒ ｔｏ Ｐｅｅｒ）型クラウドストレージサービスが考えられる。

一方で、サーバの故障に強い論理ネットワーク構築技術が提案されている（例えば、非特許文献２〜５参照。）。非特許文献２は、ノード情報に基づいて構築する。非特許文献３は、グラフ理論に基づいて構築する。非特許文献４は、次数分布に基づいて構築する。非特許文献５は、二極次数分布に基づいて構築する。図２は、二極次数分布の一例を示す。Ｎはノード総数を表し、ｋは平均次数を示す。高次数ノードはＳＮ（Ｓｕｐｅｒ Ｎｏｄｅ）を示し、低次数ノードはＮＬＮ（Ｎｏｒｍａｌ Ｌｅａｆ Ｎｏｄｅ）とＥＬＮ（Ｅｘｔｒａ Ｌｅａｆ Ｎｏｄｅ）を示す。図３は、二極次数分布の最適値の導出式の一例を示す。

図４は、二極次数分布に基づく最適な論理ネットワークトポロジの一例を示す。ＳＮ層（ＳＮ間のリンク）は、完全グラフとなっている。ＬＮ層（ＬＮ間のリンク）は基本的にリング構造である。リング構造を構築する以外のＬＮのリンクは、ＳＮと接続するか、或いは、ＥＬＮ同士と接続する。ＬＮのうちのＳＮと接続するノードをＮＬＮと呼び、ＬＮのうちのＳＮと接続しないノードをＥＬＮと呼ぶ。リング構造上で近いノード同士をグループとして分類し、それぞれのグループのＮＬＮ及びＥＬＮの数は等しいものとする。また、同じＳＮに接続するＮＬＮは同じグループに所属する。ＥＬＮ間のリンク先のＥＬＮはどれでもかまわないとする。

非特許文献１のデータ管理技術は、物理ネットワークを考慮せず論理ネットワークを構築していた。図５に、物理ネットワークを考慮せずに構築した論理ネットワークの一例を示す。この場合、隣接ノードをランダムに選択することになる。そのため、論理ネットワーク上で他のサーバとの通信が不可能になる問題や、物理ネットワーク上で他のサーバと通信不可能になり、論理ネットワークから離脱する問題があった。

また、非特許文献１のデータ管理技術は、物理ネットワーク障害が発生すると、サービスの可用性が著しく低下する問題があった。物理ネットワーク障害は、例えば、ルータに対するＤＤｏＳ攻撃、ルータの故障によって発生する。この障害の影響で、ルータと接続している多数のサーバが論理ネットワークから離脱し、論理ネットワークの接続性が損失する問題があった。接続性の損失とは、ノード離脱により、孤立するノードが発生、複数のサブネットワークが発生することをいう。離脱したノードで挟まれた２つのノードによって構築されるネットワークと、離脱していないノードによって構築されるネットワークの２つが存在する。これをネットワークの接続性の損失（もしくはネットワークの崩壊）という。論理ネットワークの崩壊とは、物理ネットワーク障害によってノードが離脱することによって物理ネットワーク障害の影響を受けていないノードのリンクが失われ、論理ネットワークから隔離されることをいう。

また、物理ネットワーク障害によって離脱したサーバ以外のサーバも論理ネットワークから離脱する。この場合、離脱したノードで挟まれた２つのノードは他のノードへのパスを失うことになり、その結果当該２つのノードは他のノードを検索することが出来ない、逆に他のノードは当該２つのノードを検索することが出来ないといった問題が発生する。ノードが検索できない場合、そのノードに保存してあるデータを参照することが出来ないため、クラウドストレージ的にはサービスの可用性が低下する。

Ｓｙｌｖｉａ Ｒａｔｎａｓａｍｙ，Ｐａｕｌ Ｆｒａｎｃｉｓ， Ｍａｒｋ Ｈａｎｄｌｅｙ， Ｒｉｃｈａｒｄ Ｋａｒｐ，ａｎｄ Ｓｃｏｔｔ Ｓｈｅｎｋｅｒ，"Ａ ｓｃａｌａｂｌｅ ｃｏｎｔｅｎｔ−ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ ｎｅｔｗｏｒｋ"，ｉｎ Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ ２００１ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ，ａｎｄ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ ｆｏｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｐｐ．１６１−１７２，２００１． Ｈ．Ｌｉｕ，Ｘ．Ｌｉｕ，Ｗ．Ｓｏｎｇ，ａｎｄ Ｗ．Ｗｅｎ，"Ａｎ ａｇｅ−ｂａｓｅｄ ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ａｇａｉｎｓｔ ｓｔｒｏｎｇ ｃｈｕｒｎ ｉｎ ｕｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｐ２ｐ ｎｅｔｗｏｒｋｓ"，ｉｎ Ｐｒｏｃ．ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，ｖｏｌ．２，ｐｐ．１９５−２００，Ｍａｙ ２０１１． Ｗ．Ｘｉａｏ，Ｍ．Ｈｅ，ａｎｄ Ｈ．Ｌｉａｎｇ，"ＣａｙｌｅｙＣＣＣ： Ａ Ｒｏｂｕｓｔ Ｐ２Ｐ Ｏｖｅｒｌａｙ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｗｉｔｈ Ｓｉｍｐｌｅ Ｒｏｕｔｉｎｇ ａｎｄ Ｓｍａｌｌ−Ｗｏｒｌｄ Ｆｅａｔｕｒｅｓ"，Ａｃａｄｅｍｙ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｖｏｌ．６，ｎｏ．９，ｐｐ．１２４７−１２５３，Ｓｅｐ．２０１１． Ａ．Ｊ．Ｇａｎｅｓｈ，Ａ．Ｋｅｒｍａｒｒｅｃ，ａｎｄ Ｌ．Ｍａｓｓｏｕｌｉｅ，"Ｐｅｅｒ−ｔｏ−ｐｅｅｒ ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｇｏｓｓｉｐ−ｂａｓｅｄ ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ"，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，ｖｏｌ．５２，ｎｏ．２，ｐｐ．１３９−１４９，Ｆｅｂ．２００３． Ｋａｔｓｕｙａ Ｓｕｔｏ，Ｈｉｒｏｋｉ Ｎｉｓｈｉｙａｍａ，Ｎｅｉ Ｋａｔｏ， Ｔａｋａｙｕｋｉ Ｎａｋａｃｈｉ，Ｔａｔｓｕｙａ Ｆｕｊｉｉ ａｎｄ Ａｔｓｕｓｈｉ，Ｔａｋａｈａｒａ，"ＴＨＵＰ：Ａ Ｐ２Ｐ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｒｏｂｕｓｔ ｔｏ Ｃｈｕｒｎ ａｎｄ ＤｏＳ Ａｔｔａｃｋ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｉｍｏｄａｌ Ｄｅｇｒｅｅ，Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ"，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｖｏｌ．３１，ｎｏ．９，ｐｐ．２４７〜２５６，Ｓｅｐ．２０１３． Ｔ．Ｔａｎｉｚａｗａ，Ｇ．Ｐａｕｌ，Ｒ．Ｃｏｈｅｎ，Ｓ．Ｈａｖｌｉｎ，ａｎｄ Ｈ．Ｅ．Ｓｔａｎｌｅｙ， "Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｔｗｏｒｋ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｔｏ ｗａｖｅｓ ｏｆ ｔａｒｇｅｔｅｄ ａｎｄ ｒａｎｄｏｍ ａｔｔａｃｋｓ"，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｅ，Ｖｏｌ．７１，Ｎｏ．４，４ ｐａｇｅｓ，Ａｐｒ．２００５． Ｔ．Ｔａｎｉｚａｗａ，Ｇ．Ｐａｕｌ，Ｒ．Ｃｏｈｅｎ，Ｓ．Ｈａｖｌｉｎ，ａｎｄ Ｈ．Ｅ．Ｓｔａｎｌｅｙ，"Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉｍｏｄａｌ ｎｅｔｗｏｒｋｓ"，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｅ，Ｖｏｌ．７４，８ ｐａｇｅｓ，Ｊｕｌｙ ２００６． Ｂ．Ｍｉｔｒａ，Ｆ．Ｐｅｒｕａｎｉ，Ｓ．Ｇｈｏｓｅ，ａｎｄ Ｎ．Ｇａｎｇｕｌｙ，"Ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｕｐｅｒｐｅｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｇａｉｎｓｔ ａｔｔａｃｋ"，ｉｎ Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ １４ｔｈ ＡＣＭ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｓｅｃｕｒｉｔｙ，Ａｌｅｘａｎｄｒｉａ，Ｖｉｒｇｉｎｉａ，ＵＳＡ，Ｏｃｔ．−Ｎｏｖ．２００７，ｐｐ．２２５〜２３４．

本発明は、物理ネットワーク障害が発生する環境において、論理ネットワークを用いたクラウドストレージのサービス可用性を向上することを目的とする。

本発明は、物理ネットワークを考慮して論理ネットワークを構築する。具体的には、本発明は、物理ネットワークで隣接するサーバは論理ネットワークで隣接ノードとする。

具体的には、本発明に係るネットワーク構築方法は、
複数の低次数ノードが共通の高次数ノードに接続されたグループを複数有しかつ各グループの前記高次数ノードが互いに接続されかつ前記複数の低次数ノードを含むリング構造が形成されている論理ネットワークを、物理ネットワークを用いて構築するネットワーク構築方法であって、
論理ネットワークに参加する新規ノードに関して、複数存在する前記高次数ノードのうち、前記新規ノードと前記物理ネットワーク上でホップ数が最も少ない高次数ノードを有するグループを前記新規ノードの所属グループに決定し、当該所属グループに含まれる前記低次数ノードを前記新規ノードの隣接ノードに選択する隣接ノード選択手順と、
前記新規ノードの所属グループが有する前記高次数ノードの次数が設定された次数の条件を満足する場合に、前記新規ノードの当該高次数ノードへの接続を決定する高次数ノード接続手順と、
前記新規ノードの所属グループが有する前記高次数ノードの次数が設定された次数の条件を満足しない場合に、前記新規ノードの当該所属グループ以外の他グループに含まれる前記低次数ノードへの接続を決定する低次数ノード接続手順と、
前記隣接ノード選択手順で選択した隣接ノードを前記新規ノードに隣接させて前記リング構造を形成し、かつ前記新規ノードを前記高次数ノード接続手順で決定した前記所属グループの前記高次数ノードもしくは前記低次数ノード接続手順で決定した前記他グループの前記低次数ノードに接続する論理ネットワーク構築手順と、
を順に実行する。

本発明に係るネットワーク構築方法では、前記新規ノードを含む全ノード数に適した前記高次数ノードの数が前記物理ネットワークの有する前記高次数ノードの数よりも多い場合、ノード数のもっとも多いグループの前記低次数ノードを分離し、分離した前記低次数ノードのうちの１つを新たな高次数ノードに決定することで新たなグループを作成するグループ作成手順を、前記低次数ノード接続手順と前記論理ネットワーク構築手順の間に、さらに実行してもよい。

本発明に係るネットワーク構築方法では、各グループに含まれるノード数の平均値を算出し、ノード数が前記平均値よりも多いグループに含まれる低次数ノードをノード数が前記平均値よりも少ないグループに移動させるグループ再構築手順を、前記グループ作成手順の後にさらに実行し、前記グループ再構築手順の後に、移動させたノードを前記新規ノードとして前記隣接ノード選択手順をさらに実行してもよい。

具体的には、本発明に係るネットワーク構築装置は、
複数の低次数ノードが共通の高次数ノードに接続されたグループを複数有しかつ各グループの前記高次数ノードが互いに接続されかつ前記複数の低次数ノードを含むリング構造が形成されている論理ネットワークを構築するネットワーク構築装置であって、
論理ネットワークに参加する新規ノードに関して、複数存在する前記高次数ノードのうち、前記新規ノードと物理ネットワーク上でホップ数が最も少ない高次数ノードを有するグループを前記新規ノードの所属グループに決定し、当該所属グループに含まれる前記低次数ノードを前記新規ノードの隣接ノードに選択する隣接ノード選択部と、
前記新規ノードの所属グループが有する前記高次数ノードの次数が設定された次数の条件を満足する場合に、前記新規ノードの当該高次数ノードへの接続を決定する高次数ノード接続部と、
前記新規ノードの所属グループが有する前記高次数ノードの次数が設定された次数の条件を満足しない場合に、前記新規ノードの当該所属グループ以外の他グループに含まれる前記低次数ノードへの接続を決定する低次数ノード接続部と、
前記隣接ノード選択部の選択した隣接ノードを前記新規ノードに隣接させて前記リング構造を形成し、かつ前記新規ノードを前記高次数ノード接続部の決定した前記所属グループの前記高次数ノードもしくは前記低次数ノード接続部の決定した前記他グループの前記低次数ノードに接続する論理ネットワーク構築部と、
を備える。

本発明に係るネットワーク構築装置では、前記新規ノードを含む全ノード数に適した前記高次数ノードの数が前記物理ネットワークの有する前記高次数ノードの数よりも多い場合、ノード数のもっとも多いグループの前記低次数ノードを分離し、分離した前記低次数ノードのうちの１つを新たな高次数ノードに決定することで新たなグループを作成するグループ作成部をさらに備えていてもよい。

本発明に係るネットワーク構築装置では、前記新規ノードが前記隣接ノード選択部の選択した前記所属グループに含まれるように、各グループに含まれるノード数の平均値を算出し、ノード数が前記平均値よりも多いグループに含まれる低次数ノードをノード数が前記平均値よりも少ないグループに移動させるグループ再構築部をさらに備えていてもよい。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明によれば、物理ネットワークで隣接するサーバは論理ネットワークで隣接ノードとなるように論理ネットワークを構築するため、物理ネットワーク障害が発生する環境において、論理ネットワークを用いたクラウドストレージのサービス可用性を向上することができる。

中央サーバ管理方式の一例を示す。 二極次数分布の一例を示す。 二極次数分布の最適値の導出式の一例を示す。 二極次数分布に基づく最適な論理ネットワークトポロジの一例を示す。 物理ネットワークを考慮せずに構築した論理ネットワークの一例を示す。 実施形態１に係るネットワーク構成の一例を示す。 実施形態１に係るネットワーク構築装置の構成例を示す。 本実施形態に係るネットワーク構築方法の一例を示す。 隣接ノード選択手順の説明図を示す。 実施形態２に係るネットワーク構築方法の一例を示す。 グループ作成プロセス（Ｓ１２２）の説明図を示す。 グループ再構築プロセス（Ｓ１２４）の説明図を示す。 第１の障害モデルにおける離脱可能なノード数の本発明と比較対象の比較結果を示す。 第２の障害モデルにおける離脱可能なノード数の本発明と比較対象の比較結果を示す。 第３の障害モデルにおける離脱可能なノード数の本発明と比較対象の比較結果を示す。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。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。

（実施形態１）
図６に、本発明の実施形態に係るネットワーク構成の一例を示す。本実施形態では、物理ネットワーク上で隣接するサーバを、論理上でも隣接させる。このため、エッジサーバに障害が発生した場合、エッジサーバに接続されている物理ノードは使用できないようになり、これに伴い使用できない物理ノード上に割り当てられた論理ノードが論理ネットワークから離脱する。論理ネットワークから離脱するノードで作られるネットワークは全体のサブグラフである。このときに、論理ネットワークの連結性は失われないため、利用可能なサーバ数を維持することができる。また、ノードが離脱したとしても、その影響によって他のノードへのパスを失うノードはいない。つまり物理ネットワーク障害によって離脱するノード以外は通常通り稼働することができる。このため、サービスの可用性を最低限維持することが可能である。

図７に、本発明の実施形態に係るネットワーク構築装置の構成例を示す。本実施形態に係るネットワーク構築装置は、記憶部１１、ネットワーク構築部１２、データ格納処理部１３及び経路制御部１４を備える。

記憶部１１は、情報共有リスト１１１及び経路表１１２を記憶する。情報共有リスト１１１には、平均次数、各ＳＮのアドレス、各ＬＮのアドレス及び各グループのノード数を含む。経路表１１２は、インターグループリスト及びイントラグループリストを含む経路情報の一覧である。インターグループリストは、ネットワークの平均次数、各グループに含まれるＳＮのアドレス及び各グループのノード数を含む。イントラグループリストは、各グループに含まれる各ＬＮのアドレス、すなわち隣接ノードのアドレスを含む。

経路制御部１４は、経路表作成部１４１と、経路作成部１４２を備える。経路表作成部１４１は、隣接ノード選択部として機能し、経路表１１２を作成する。経路表１１２は、インターグループリスト及びイントラグループリストを含む。経路作成部１４２は、論理ネットワーク構築部として機能し、記憶部１１に保持している経路表１１２を用いて経路作成を行い、得られた経路を基にデータ転送を行う。

データ格納処理部１３は、ネットワーク構築部１２から受信したグループリストを経路表１１２に格納する。

ネットワーク構築部１２は、ネットワーク構築部１２は、記憶部１１のデータを基に、ネットワーク構築に必要となるリスト更新（転送）・次数計算・ノード数計算を行う。具体的には、ネットワーク構築部１２は、リスト更新部１２１と、次数計算部１２２と、ノード数計算部１２３と、を備える。

図８に、本実施形態に係るネットワーク構築方法の一例を示す。本実施形態に係るネットワーク構築方法は、隣接ノード選択手順（Ｓ１０１〜Ｓ１０３）と、ＳＮ接続手順（Ｓ１０４〜Ｓ１０５）と、ＥＬＮ接続手順（Ｓ１０６〜Ｓ１０７）と、リスト更新手順（Ｓ１０８）と、論理ネットワーク構築手順（不図示）と、を順に有する。

新規に参加するノードがある場合（Ｓ１０１）、隣接ノード選択手順（Ｓ１０２〜Ｓ１０３）を実行する。隣接ノード選択手順では、経路表作成部１４１が、隣接ノードを選択する。図９に、隣接ノード選択手順の説明図を示す。経路表作成部１４１は、インターグループリストを経路表１１２から取得し（Ｓ１０２）、隣接ノード選択プロセス（Ｓ１０３）を実行し、隣接ノードを選択する。

ステップＳ１０２では、経路表作成部１４１が、経路表１１２に格納されたインターグループリストを取得する。このとき、経路表作成部１４１は、経路表１１２に格納されたＳＮのなかから任意のＳＮをランダムで選択し、当該ＳＮを含むグループのインターグループリストを取得してもよい。

ステップＳ１０３では、インターグループリストに列挙されたグループのいずれかを所属グループに決定する。所属グループの決定は、新規ノードからもっとも近いＳＮのいるグループを所属グループに決定する。もっとも近いとは、ホップ数が最小であることをいう。ＳＮへのホップ数は、物理ネットワーク上でのホップ数である。図９では、グループＡのＳＮへのホップ数は１であり、グループＢのＳＮへのホップ数は２であるため、グループＡを所属グループに決定する。

物理ネットワーク上でのホップ数は、例えば、インターグループリスト内のＳＮにＰＩＮＧすることで判定する。ＰＩＮＧは、目的ノードにパケットを転送し、その確認応答を受信することにより、目的ノードの存在を確認する。ＴＴＬ（Ｔｉｍｅ Ｔｏ Ｌｉｖｅ：ルータを経由できる回数）を自由に設定することができ、目的ノードに対するこの値の最小値を取得することにより目的ノードまでの最短ホップ数を取得可能である。

ここで、隣接ノードの候補はリング構造を構築しているリンクで隣接するＬＮのことであり、そのＬＮは２つ存在する。さらに、その２つ存在するＬＮのうち、新規ノードとのホップ数が小さいＬＮのことを「その隣接ＬＮ」と定義する。隣接ノードは常時２つなくてもよい。ホップ数が最小のノードが１つしかない場合、ホップ数が最小のノードとホップ数が２番目に小さなノードを合わせて隣接ノードとして定義する。

本実施形態は、隣接ノード選択プロセスにて、新規ノード（ＬＮ）は物理的に隣接するノードとの論理リンクは２に限定し、その他のリンクは物理的に隣接するノード以外とも許可する。例えば、ＥＬＮ間でリンクを構築する場合、ＳＮとＮＬＮ間でリンクを構築する場合に物理ネットワーク上で隣接していなくてもリンクを構築する。ＥＬＮ間のリンクとＳＮとＮＬＮ間のリンクは物理ネットワークを考慮せずに構築することによって、ＳＮとＮＬＮ間のリンクの間に他のＮＬＮ（ＥＬＮ）が存在する場合や、ＥＬＮ間のリンクの間に他のＮＬＮ（ＥＬＮ）が存在する場合などを防ぐことができる。

ＳＮ接続手順（Ｓ１０４〜Ｓ１０５）では、次数計算部１２２が、情報共有リスト１１１を参照し、新規ノードの所属するグループのＳＮの次数を計算し、所属グループのＳＮの次数が設定された次数の条件を満足する場合、そのＳＮと接続する。例えば、グループＡの次数が８までの場合、新規ノードのＬＮをＳＮに接続する。このとき、物理的なノードの近さについては考慮しなくてもよい。一方、グループＡの次数が７までの場合、新規ノードのＬＮをＳＮに接続せず、ステップＳ１０６へ移行する。

新規ノードの所属するグループのＳＮの次数の計算は、例えば、図３に示す導出式を用いてＳＮの次数の理想値（Ｎ_{ｓｕｐｅｒ}）を導出する。ＳＮの次数の理想値は図２及び図３におけるＮ_{ｓｕｐｅｒ}の値である。インターグループリストから取得可能なネットワークの平均次数、ネットワークのノード総数（各グループのノード数の総和）と図３におけるＮ_{ｓｕｐｅｒ}の導出式を基に理想値の導出を行う。ＳＮの次数は図３に示すｋ_{ｓｕｐｅｒ}の値に該当し、ＮＬＮとＥＬＮの次数は図３に示すｋ_ｌｅａｆの値に該当する。ノードの総数と次数の関係については図２で示したとおりである。

ＮＬＮとＥＬＮの次数の理想値（Ｎ_ｌｅａｆ）はインターグループリストのネットワークの平均次数と等しい。そこで、次数計算部１２２は、所属グループの平均次数及びグループのノード数を用いて、インターグループリストのネットワークの平均次数を算出する。物理ネットワークにおける現実のＳＮの次数を用いてもよい。この場合、インターグループリストに含まれているＳＮのアドレスの数を計算することにより導出可能である。

ＥＬＮ接続手順（Ｓ１０６〜Ｓ１０７）では、ノード数計算部１２３が、新規ノードの次数が満足されるまで、他のＥＬＮと接続する。ＳＮの次数の制約上、ＳＮと接続できる低次数ノードは限られている。ＳＮと接続できるノードはＮＬＮ、ＳＮと接続できないノードはＥＬＮと定義している。ＥＬＮはＳＮと接続しない代わりに他のグループのＥＬＮと接続する。この際、物理的なノードの近さについては考慮しなくてもよい。

リスト更新手順（Ｓ１０８）では、リスト更新部１２１が、新規ノードのＬＮが追加されているグループＡのイントラグループリストをデータ格納処理部１３へ出力する。データ格納処理部１３は、経路表１１２のグループＡのイントラグループリストを、新規ノードのＬＮが追加されているグループＡのイントラグループリストに更新する。このとき、データ格納処理部１３は、情報共有リスト１１におけるデータを更新する。例えば、ＬＮのアドレスに新規ノードのアドレスを追加し、グループＡのノード数を７から８に更新し、グループＡのノード数が８になったことによる各グループのノード数を算出して平均次数を更新する。

論理ネットワーク構築手順（不図示）では、経路作成部１４２が、更新された経路表１１２を用いて論理ネットワーク上の経路作成を行う。これにより、論理ネットワークを構築することができる。構築された論理ネットワークは、得られた経路を基にデータ転送を行う。

以上説明したように、本実施形態では、物理ネットワーク上でホップ数が最小のＳＮを有するグループを所属グループに決定するため、物理ネットワーク上で隣接するノードを論理上でも隣接させることができる。このように構成された論理ネットワークは、物理ネットワーク障害によってネットワーク全体から部分ネットワークが離脱するため、物理ネットワーク障害に対するネットワークの連結性を維持することができる。

部分ネットワークは物理ネットワーク障害によって論理ネットワークから離脱したノードによって構成される。つまり、その部分についてはどうすることもできない。本実施形態では、物理ネットワーク障害によってノードが離脱することにより、それ以外のノードが論理ネットワークから隔離（リンクが失われること）を防ぐ。部分ネットワークが取り除かれる場合は、部分ネットワーク以外のノード群は論理ネットワークから隔離されることはない。したがって、ネットワークの連結性は維持される。

また、物理ネットワークで隣接するサーバを論理ネットワークで隣接ノードとするというルールを寛大化することにより、ＤｏＳ攻撃と故障に対する連結性を最適化するトポロジの特性を継承しつつ、物理ネットワーク障害に対する連結性も保証することを可能とする。

本実施形態に係る発明は、論理ネットワークから離脱するノードを部分的に限定することによって、ネットワークの連結性の損失を防ぐことが可能である。また、利用可能なサーバ数が増加することによって、サービスの可用性を向上することが可能である。

（実施形態２）
図１０に、本実施形態に係るネットワーク構築方法の一例を示す。本実施形態に係るネットワーク構築方法は、図８に示すリスト更新手順（Ｓ１０８）と経路作成プロセス（Ｓ１０９）の間に、トポロジ構築手順（Ｓ１２１〜Ｓ１２４）をさらに有する。

トポロジ構築手順では、経路表１１２によって構築されるトポロジが現実的なものであるか否かを判定する（Ｓ１２１）。例えば、経路表作成部１４１が、ＳＮ数の理想値が現実値よりも大きいか否かを判定する。ＳＮ数の理想値は、現在のネットワーク状態（ノード数）に適したＳＮ数を示す。ＳＮ数の理想値は、実施形態１にて説明したとおりである。ＳＮ数の現実値は、現在の物理ネットワークにおけるＳＮの数である。ＳＮ数の理想値がＳＮ数の現実値よりも大きい場合、経路表作成部１４１が、グループ作成部及びグループ再構築部として機能し、グループ作成プロセス（Ｓ１２２）及びグループ再構築プロセス（Ｓ１２４）を順に実行する。

図１１に、グループ作成プロセス（Ｓ１２２）の説明図を示す。経路表作成部１４１は、ノード数が最も多いグループの中からランダムに新規ＳＮを選択する。例えば、グループＢよりもグループＡの方がＬＮ数が多いため、グループＡを２つのグループＣ及びＤに分割する。このとき、グループＣ及びＤのノード数は均一にする。また、グループＡを分割する際、経路表作成部１４１は、論理リンクを張り替える。例えば、経路表作成部１４１は、グループＡのＬＮの１つをグループＣのＳＮにし、当該ＳＮをグループＢのＳＮとリンクを構築する。経路表作成部１４１は、グループＣの新規ＳＮとグループＣに所属するＬＮとリンクを構築する。

図１２に、グループ再構築プロセス（Ｓ１２４）の説明図を示す。経路表作成部１４１は、各グループに所属するノード数の平均値を計算する。例えば、図１２では、グループＢのノード数が６、グループＣ及びＤのノード数が３であり、これらの平均値は４である。図１２のように各グループのノード数が不均一の場合（Ｓ１２３においてＹｅｓ）はステップＳ１２４へ移行する。一方、図１２の所属グループの変更後のように、各グループのノード数が均一の場合（Ｓ１２４においてＮｏ）、本実施形態に係るネットワーク構築方法を終了する。

ステップＳ１２４では、経路表作成部１４１は、各グループのノード数の平均値よりも小さいグループのノードが各グループのノード数の平均値に近づくように、隣接グループのノードを各グループのノード数の小さいグループに移動させる。この場合、移動したノードは新規ノードとして扱われ、ステップＳ１０１へ移行し、ステップＳ１０１〜Ｓ１２３を実行する。これにより、全てのグループが平均値に近づくまで行う。これにより、最適な論理トポロジを構築することができる。

また、本実施形態は、グループ作成プロセスにて、新規ＳＮは他のＳＮとリンクを構築する際、ＬＮとリンクを構築する際に物理的情報を考慮しない。

本発明によれば、物理ネットワークで隣接するサーバは論理ネットワークで隣接ノードとなるように論理ネットワークを構築するため、サーバへの攻撃や故障が発生したサーバの影響を最小に抑えることができる。このため、本発明は、物理ネットワーク障害が発生する環境において、論理ネットワークを用いたクラウドストレージのサービス可用性を向上することができる。

さらに、本発明では、攻撃者は複数のサーバに不正侵入しなければデータを取得できないため、中央サーバ管理方式に比べて安全性を高めることができる。また本発明では、サーバの増加に関係なくデータの管理が可能であるため、ストレージサーバの増加に対応することができる。

本実施形態に係るネットワーク構築方法を用いた場合の論理ネットワークの接続性の比較を行った。評価指標は、３種の障害モデルが発生する各環境において、本発明と比較対象の離脱可能なノード数の差を評価した。比較対象は、非特許文献５に記載されている二極次数分布に基づく構築方法である。比較に際しては、ＣＡＲ（Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ａｇａｉｎｓｔ Ａｔｔａｃｋ ｏｎ Ｒｏｕｔｅｒ）、ＣＤＯ（Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ａｇａｉｎｓｔ Ｄｅｐａｒｔｕｒｅ ｏｆ Ｏｖｅｒｌａｙ ｎｏｄｅｓ ａｆｔｅｒ ａｔｔａｃｋ ｏｎ ｒｏｕｔｅｒ）及びＣＡＯ（Ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ａｇａｉｎｓｔ ｄｏｓ Ａｔｔａｃｋｓ ｏｎ Ｏｖｅｒｌａｙ ｎｏｄｅｓ ａｆｔｅｒ ａｔｔａｃｋ ｏｎ ｒｏｕｔｅｒ）を用いた（例えば、非特許文献６〜８参照。）ＣＡＲは、各ノード数のネットワークにおける物理ネットワーク障害により離脱可能なノード数の差分である。ＣＤＯは、各ノード離脱数における物理ネットワーク障害が発生した後、故障によって離脱可能なノード数の差分である。ＣＡＯは、各ノード離脱数における物理ネットワーク障害が発生した後、ＤｏＳ攻撃によって離脱可能なノード数の差分である。

第１の障害モデルは、物理ネットワーク障害のみ発生する。図１３に、第１の障害モデルにおける離脱可能なノード数の本発明と比較対象の比較結果を示す。横軸はノード数を示し、縦軸はＣＡＲの差分を示す。

図１３では、ノード数が１０^３から１０^５に増加し、平均次数が３である場合を示す。離脱可能なノード数の差は、ノード数が増加するほど大きくなる。このことから、本発明はより多くのノードが物理ネットワーク障害によって離脱しても論理ネットワークの連結性を保証可能であることが分かる。

第２の障害モデルは、物理ネットワーク障害によってｒ［％］のノードが離脱した後にサーバへのＤｏＳ攻撃が発生する。図１４に、第２の障害モデルにおける離脱可能なノード数の本発明と比較対象の比較結果を示す。横軸は全ノード数に対する離脱したノード数の比ｒを示し、縦軸はＣＤＯの本発明と比較対象の差分を示す。

図１４では、ノード数が1０^５であり、平均次数が３である場合を示す。ノードの離脱比が大きくなるほど、ＣＤＯが大きくなっている。このため、離脱可能なノード数の差は、物理ネットワーク障害の規模が大きくなってもＤｏＳ攻撃と故障に対する連結性を向上可能であることが分かる。

第３の障害モデルは、物理ネットワーク障害によってｒ［％］のノードが離脱した後にサーバの故障が発生する。図１５に、第３の障害モデルにおける離脱可能なノード数の本発明と比較対象の比較結果を示す。横軸は全ノード数に対する離脱したノード数の比ｒを示し、縦軸はＣＡＯの本発明と比較対象の差分を示す。

図１５では、ノード数が1０^５であり、平均次数が３である場合を示す。ノードの離脱比が大きくなるほど、ＣＤＯが大きくなっている。このため、離脱可能なノード数の差は、物理ネットワーク障害の規模が大きくなってもＤｏＳ攻撃と故障に対する連結性を向上可能であることが分かる。

本発明は情報通信産業に適用することができる。

１１：記憶部
１１１：情報共有リスト
１１２：経路表
１２：ネットワーク構築部
１２１：リスト更新部
１２２：次数計算部
１２３：ノード数計算部
１３：データ格納処理部
１４：経路制御部
１４１：経路表作成部
１４２：経路作成部

Claims (6)

1. 複数の低次数ノードが共通の高次数ノードに接続されたグループを複数有しかつ各グループの前記高次数ノードが互いに接続されかつ前記複数の低次数ノードを含むリング構造が形成されている論理ネットワークを、物理ネットワークを用いて構築するネットワーク構築方法であって、
   論理ネットワークに参加する新規ノードに関して、複数存在する前記高次数ノードのうち、前記新規ノードと前記物理ネットワーク上でホップ数が最も少ない高次数ノードを有するグループを前記新規ノードの所属グループに決定し、当該所属グループに含まれる前記低次数ノードを前記新規ノードの隣接ノードに選択する隣接ノード選択手順と、
   前記新規ノードの所属グループが有する前記高次数ノードの次数が設定された次数の条件を満足する場合に、前記新規ノードの当該高次数ノードへの接続を決定する高次数ノード接続手順と、
   前記新規ノードの所属グループが有する前記高次数ノードの次数が設定された次数の条件を満足しない場合に、前記新規ノードの当該所属グループ以外の他グループに含まれる前記低次数ノードへの接続を決定する低次数ノード接続手順と、
   前記隣接ノード選択手順で選択した隣接ノードを前記新規ノードに隣接させて前記リング構造を形成し、かつ前記新規ノードを前記高次数ノード接続手順で決定した前記所属グループの前記高次数ノードもしくは前記低次数ノード接続手順で決定した前記他グループの前記低次数ノードに接続する論理ネットワーク構築手順と、
   を順に実行するネットワーク構築方法。
2. 前記新規ノードを含む全ノード数に適した前記高次数ノードの数が前記物理ネットワークの有する前記高次数ノードの数よりも多い場合、ノード数のもっとも多いグループの前記低次数ノードを分離し、分離した前記低次数ノードのうちの１つを新たな高次数ノードに決定することで新たなグループを作成するグループ作成手順を、前記低次数ノード接続手順と前記論理ネットワーク構築手順の間に、さらに実行する請求項１に記載のネットワーク構築方法。
3. 各グループに含まれるノード数の平均値を算出し、ノード数が前記平均値よりも多いグループに含まれる低次数ノードをノード数が前記平均値よりも少ないグループに移動させるグループ再構築手順を、前記グループ作成手順の後にさらに実行し、
   前記グループ再構築手順の後に、移動させたノードを前記新規ノードとして前記隣接ノード選択手順をさらに実行する請求項２に記載のネットワーク構築方法。
4. 複数の低次数ノードが共通の高次数ノードに接続されたグループを複数有しかつ各グループの前記高次数ノードが互いに接続されかつ前記複数の低次数ノードを含むリング構造が形成されている論理ネットワークを構築するネットワーク構築装置であって、
   論理ネットワークに参加する新規ノードに関して、複数存在する前記高次数ノードのうち、前記新規ノードと物理ネットワーク上でホップ数が最も少ない高次数ノードを有するグループを前記新規ノードの所属グループに決定し、当該所属グループに含まれる前記低次数ノードを前記新規ノードの隣接ノードに選択する隣接ノード選択部と、
   前記新規ノードの所属グループが有する前記高次数ノードの次数が設定された次数の条件を満足する場合に、前記新規ノードの当該高次数ノードへの接続を決定する高次数ノード接続部と、
   前記新規ノードの所属グループが有する前記高次数ノードの次数が設定された次数の条件を満足しない場合に、前記新規ノードの当該所属グループ以外の他グループに含まれる前記低次数ノードへの接続を決定する低次数ノード接続部と、
   前記隣接ノード選択部の選択した隣接ノードを前記新規ノードに隣接させて前記リング構造を形成し、かつ前記新規ノードを前記高次数ノード接続部の決定した前記所属グループの前記高次数ノードもしくは前記低次数ノード接続部の決定した前記他グループの前記低次数ノードに接続する論理ネットワーク構築部と、
   を備えるネットワーク構築装置。
5. 前記新規ノードを含む全ノード数に適した前記高次数ノードの数が前記物理ネットワークの有する前記高次数ノードの数よりも多い場合、ノード数のもっとも多いグループの前記低次数ノードを分離し、分離した前記低次数ノードのうちの１つを新たな高次数ノードに決定することで新たなグループを作成するグループ作成部をさらに備える請求項４に記載のネットワーク構築装置。
6. 前記新規ノードが前記隣接ノード選択部の選択した前記所属グループに含まれるように、各グループに含まれるノード数の平均値を算出し、ノード数が前記平均値よりも多いグループに含まれる低次数ノードをノード数が前記平均値よりも少ないグループに移動させるグループ再構築部をさらに備える請求項５に記載のネットワーク構築装置。

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