JP6234915B2 - ネットワークシステムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＴＤＭ（時分割多重化）方式を用いたネットワークシステムおよびその制御方法に関する。

図６は、ＴＤＭ方式を用いたネットワークシステムのスケジューリング例を示す。
図６において、ノードＡ〜Ｅはリンクを介してリング状に接続され、事前にデータを送受信するタイミング（以下、ＴＳ（タイムスロット）という）を決めて運用される。ここで、ＴＳの割当状態を示すテーブルをスケジュールテーブル、スケジュールテーブルを決定する演算をスケジューリングとする。スケジューリングでは、ノード間のパスが経由するリンクで共通のＴＳを割り当て、同一リンクで同じＴＳは使えないものとする。

図６に示すスケジュールテーブルでは、繰り返し単位のＴＤＭフレーム長ｔを 500μs として 100μs のＴＳ１〜ＴＳ５を設定し、ノードＡ，Ｃ間のパスＡ−Ｃに１ＴＳ（２Ｇbps ）を割り当て、ノードＢ，Ｄ間のパスＢ−Ｄに２ＴＳ（４Ｇbps ）を割り当てる例を示す。この場合、パスＡ−ＣにＴＳ１が割り当てられ、パスＢ−ＤにＴＳ２，ＴＳ３が割り当てられる。

このようなスケジューリングについては、様々なヒューリスティック解法が提案されている。従来は、与えられたトポロジ、トラヒックに対して１パスずつ、順次割り当てるＴＳを探索する方法（非特許文献１）が一般的である。しかし、各パスに対して、パスが経由するすべてのリンクでＴＳの空塞状況をチェックする必要があり、ネットワークシステムの大規模化が困難であった。この問題に対して、階層化スケジューリング（非特許文献２）が提案されている。

階層化スケジューリングでは、複数のパスを論理的に束ねて複数のグループに分割し、図７に示すように、各グループ単位にスケジューリングを行ってスケジュールテーブルを作成し、各スケジュールテーブルをつなぎ合わせて全体のスケジューリングを行う。このとき、各グループに着目したスケジューリングと、各グループのスケジューリング結果の調停処理を行うスケジューリングの階層構造となるので、着目するパス数およびＴＳ数が小規模となって計算時間が短くなるとともに、ネットワークシステムの大規模化にも対応することができる。

X. Zhang and C. Qiao, "Pipelined transmission scheduling in all-optical TDM/WDM rings, "in Proc. Int. Conf. Computer Communication and Networks, pp.144-149, Sept. 1997. 中川, 服部, 片山, 小川，"パスグルーピングを用いた光ＴＤＭリソース割当方式の性能評価，"2014年電子情報通信学会ソサイエティ大会，B-12-15,2014年９月. X. Cao et al.,"Waveband Switching in Optical Networks, "IEEE Commun. Mag., vol.41, no.4, pp.105-112, Apr. 2003.

複数のパスをグループ化する際に、非特許文献２に記載のFirst-Fit やFirst-Fit path pair 方式、非特許文献３に記載の波長群パス網におけるグループ化方式では、割当効率が低下し、同一リソースで収容可能なトラヒック量が低下または同一トラヒック量を収容するための所要リソース量が増加する課題がある。

図８は、First-Fit path pair 方式によるグルーピングの例を示す。
図８において、ネットワーク情報に基づきノードＡ〜Ｅに設定されるパス情報は、パスＩＤ、始点ノード、終点ノードから構成される。トラヒック情報は、パスごとの割当ＴＳ数を示す。トラヒック情報は定期的に更新される。パスペアテーブルは、２つのパスをつなげるとリングを一周するパスの組合せを示す。ホップ数は、パスを構成するリンク数であり、ネットワーク情報から取得し、ノード追加やリンク追加がない限り固定する。First-Fit path pair 方式では、パスペアテーブルのパスペアを昇順に２組ずつ組合せてパスグループが形成される。スケジュールテーブルは、パスグループ１であるパスペア１（パス１，５）とパスペア２（パス２，９）のスケジューリング結果を示す。

ここで、パスペアテーブルは、トラヒック情報の更新により随時更新されるが、First-Fit path pair 方式によるパスペアの組合せが固定であるため計算時間は抑制される。しかし、パスペアを昇順にグループ化したために、図８のスケジュールテーブルに示すように、グループ化しない場合に他のパスが使用できたＴＳも使用できなくなり、割当効率が低下することがある。

図９は、波長群パス網におけるグルーピングの例を示す。
ここでは、経路が同一または通過するリンクが同一である４つのパスをグルーピングする。例えば、グループ１では、ノードＢ−Ｃ間を通過するパスをグルーピングしたものである。この場合、複数のパスで同一のＴＳを共用することはないので、不使用ＴＳが発生し、割当効率が低下することがある。

本発明は、パスペアのトラヒック分布を考慮した単純な比較演算でパスグループを作成し、短い計算時間でネットワーク全体のリソースを有効活用したスケジューリングを可能とするネットワークシステムおよびその制御方法を提供することを目的とする。

第１の発明は、複数のノードがリンクを介してリング状に接続され、各ノード間に設定されるパスとタイムスロットの割当状態を示すスケジュールテーブルを決定するスケジューリングを行うネットワークシステムにおいて、各ノード間に設定されるパスのうち、２つのパスをつなげるとリングを一周するパスの組合せをパスペアとしてリストアップし、さらにパスペアごとに、２つのパスに割り当てるタイムスロット数が大きい方のパスを形成するリンク（以下、凸リンクという）をリストアップし、凸リンクが重複しない所定数のパスペアを組合せてパスグループとするパスグループ作成手段を備え、スケジューリングは、パスグループを形成するパスの組合せによりスケジュールテーブルを決定する。

第１の発明のネットワークシステムにおいて、パスグループ作成手段は、パスグループとするパスペアの組合せがなくなった場合に、残りのパスペアについて所定数のパスペアを任意に組合せる処理を行う。

第１の発明のネットワークシステムにおいて、パスグループ作成手段は、凸リンクが重複しないパスペアの組合せを探索する際に、凸リンクをもたないパスペアおよびすでにパスグループになったパスペアを除外して探索を行う。

第１の発明のネットワークシステムにおいて、パスグループ作成手段は、パスペアとなる２つのパスについてホップ数の長短に応じて長パスおよび短パスとしたときに、短パスに割り当てるタイムスロット数が大きいパスペアを基準に、パスグループとして組合せるパスペアを探索する処理を行う。

第２の発明は、複数のノードがリンクを介してリング状に接続され、各ノード間に設定されるパスとタイムスロットの割当状態を示すスケジュールテーブルを決定するスケジューリングを行うネットワークシステムの制御方法において、各ノード間に設定されるパスのうち、２つのパスをつなげるとリングを一周するパスの組合せをパスペアとしてリストアップする処理を行うステップ１と、さらにパスペアごとに、２つのパスに割り当てるタイムスロット数が大きい方のパスを形成するリンク（以下、凸リンクという）をリストアップする処理を行うステップ２と、凸リンクが重複しない所定数のパスペアを組合せてパスグループとする処理を行うステップ３とを有し、スケジューリングは、パスグループを形成するパスの組合せによりスケジュールテーブルを決定する。

第２の発明のネットワークシステムの制御方法において、ステップ３は、パスグループとするパスペアの組合せがなくなった場合に、残りのパスペアについて所定数のパスペアを任意に組合せる処理を行う。

第２の発明のネットワークシステムの制御方法において、ステップ３は、凸リンクが重複しないパスペアの組合せを探索する際に、凸リンクをもたないパスペアおよびすでにパスグループになったパスペアを除外して探索を行う。

第２の発明のネットワークシステムの制御方法において、ステップ３は、パスペアとなる２つのパスについてホップ数の長短に応じて長パスおよび短パスとしたときに、短パスに割り当てるタイムスロット数が大きいパスペアを基準に、パスグループとして組合せるパスペアを探索する処理を行う。

本発明は、パスペアをリストアップし、さらにパスペアごとに凸リンクをリストアップし、凸リンクが重複しない所定数のパスペアを組合せてパスグループとし、このパスグループを形成するパスの組合せによりスケジューリングを行うことにより、スケジュールテーブル上でＴＳの凹凸が抑制され、ＴＳリソースを有効活用することができる。

また、凸リンクが重複しないパスペアの組合せを探索する際に、凸リンクをもたないパスペアおよびすでにパスグループになったパスペアを除外するか、短パスに割り当てるタイムスロット数が大きいパスペアを基準にパスグループとして組合せるパスペアを探索する処理を行うことにより、短時間でパスグループを作成することができる。

本発明のネットワークシステムにおけるパスグループ作成手段の構成例を示す図である。 パスペア作成演算部１１の処理例を示す図である。 パスペア分類演算部１３の処理例を示す図である。 パスペア組合せ演算部１５の処理例を示す図である。 パスグループテーブル１６とスケジュールテーブルの例を示す図である。 ＴＤＭ方式を用いたネットワークシステムのスケジューリング例を示す図である。 階層化スケジューリングの例を示す図である。 First-Fit path pair 方式によるグルーピングの例を示す図である。 波長群パス網におけるグルーピングの例を示す図である。

図１は、本発明のネットワークシステムにおけるパスグループ作成手段の構成例を示す。
図１において、パスグループ作成手段は、パスペア作成演算部１１、パスペアテーブル１２、パスペア分類演算部１３、マーカ表示部１４、パスペア組合せ演算部１５により構成される。なお、パスグループ作成手段は、ノード間のスケジュールテーブルを管理するネットワークコントローラ（スケジューラ）に設けられる。各ノードは、ネットワークコントローラにトラヒック情報（要求ＴＳ数）を提供し、ネットワークコントローラから通知されるスケジュールテーブルに応じたＴＳでＴＤＭ信号を転送する。

図２は、パスペア作成演算部１１の処理例を示す。
図２において、パスペア作成演算部１１は、ネットワーク情報に基づきノードＡ〜Ｅに設定されるパス情報（パスＩＤ、始点ノード、終点ノード、パスを構成するリンク）と、パスごとのトラヒック情報（割当ＴＳ数）を入力し、論理的につなげると２パスでリングを１周するパス(1) とパス(2) をパスペアとしてリストアップし、各パスのホップ数およびトラヒック情報（割当ＴＳ数）を含むパスペアテーブル１２を作成する。ここでは、20個のパス１〜20に対して、パス(1) となるパスＩＤの昇順に10個のパスペア１〜10が作成される。トラヒック情報は随時更新される。

このパスペアテーブル１２には、パスペアごとにトラヒック（割当ＴＳ数）が大きい方のパスとそのリンク（凸リンク）が付記される。例えば、パスペア１はパス１（リンクａ）とパス５（リンクｂｃｄｅ）の組合せであるが、パス１のトラヒックは４、パス５のトラヒックは２であるので、トラヒックが大きい方はパス１となり、凸リンクはａとなる。すなわち、パス１（リンクａ）のトラヒックがパス５（リンクｂｃｄｅ）のトラヒックに対して凸になっていることを示す。同様に、パスペア２については、パス２（リンクａｂ）のトラヒックがパス９（リンクｃｄｅ）のトラヒックに対して凸になっていることを示す。

図３は、パスペア分類演算部１３の処理例を示す。
図３において、パスペア分類演算部１３は、図２に示すパスペアテーブル１２における各パスペアのホップ数とトラヒック情報（割当ＴＳ数）から、次の３ケースのいずれかであるかを判定したマーカをマーカ表示部１４に設定する。
マーカ１：長パスのＴＳ数＝短パスのＴＳ数
マーカ２：長パスのＴＳ数＜短パスのＴＳ数
マーカ３：長パスのＴＳ数＞短パスのＴＳ数

なお、パスペアを形成するパス(1) とパス(2) のホップ数の長短から、長パスおよび短パスとする。また、ノードが偶数のときは、パス(1) とパス(2) のホップ数が同数となる場合があるが、便宜的に一方を長パス、他方を短パスとして処理する。

本発明の特徴とするところは、２つのパスペアを組合せてパスグループを形成する場合、従来のFirst-Fit path pair 方式のように単純かつ固定的にパスＩＤの昇順に組合せるのではなく、随時更新されるトラヒック情報に基づき、スケジュールテーブル上でＴＳの凹凸を抑制する組合せを実現するところにある。例えば、短パスのＴＳ長が大きいマーカ２のパスペアまたは長パスのＴＳ長が大きいマーカ３のパスペアを基準に、他のマーカ２のパスペアまたはマーカ３のパスペアと組合せることにより、スケジュールテーブル上でＴＳの凹凸を抑制することが可能となる。また、マーカ１のパスペアは、ＴＳに凹凸がないので、マーカ１〜３のパスペアのいずれとも組合せが可能である。

図４は、パスペア組合せ演算部１５の処理例を示す。
図４において、パスペア組合せ演算部１５は、図２に示すパスペアテーブル１２におけるパスペア１〜10を形成するパス(1) とパス(2) の組合せと、凸リンクの情報と、図３に示すマーカ表示部１４のマーカ情報を入力し、パスグループを形成するパスペアを次のような手順で組合せる。

（パスグループ１の組合せ手順）
(1) パスペアＩＤの昇順に基準となるマーカ２のパスペアを選択する。ここでは、パスペア１（パス１とパス５）がマーカ２なので選択し、基準パスペア（★）とする。

(2) 基準パスペアと組合せるパスペアの探索では、パスペアＩＤの昇順に凸リンクが基準パスペアと重複しないパスペアを選択する。このとき、マーカ２またはマーカ３のパスペアのみを探索対象としてもよい。ここでは、基準パスペア１における凸リンクａと、マーカ２のパスペア２の凸リンクａ，ｂが重複するので不可とし、次のマーカ２のパスペア３の凸リンクｄ，ｅは重複しないので選択し、組合せるパスペア（●）とする。これにより、パスグループ１は、パスペア１，３（パス１，５，３，13）の組合せとなる。 初期条件として、パスグループ当たりのパスペア数の上限を２（パス数の上限を４）とした場合には、これにてパスグループ１の組合せを終了する。次のパスグループについても同様に上記の(1),(2) の手順を繰り返す。ただし、マーカ２のパスペアがすべて組合せ済となった場合には、マーカ３のパスペアを基準として同様の手順を繰り返す。

（パスグループ２の組合せ手順）
(1) パスペアＩＤの昇順に、すでにパスグループとなったパスペアを除き、基準となるマーカ２のパスペアを選択する。ここでは、パスペア２（パス２とパス９）がマーカ２なので選択し、基準パスペア（★）とする。

(2) 基準パスペアと組合せるパスペアの探索では、パスペアＩＤの昇順に、すでにパスグループとなったパスペアを除き、凸リンクが基準パスペアと重複しないパスペアを選択する。このとき、マーカ２またはマーカ３のパスペアのみを探索対象としてもよい。ここでは、基準パスペア２における凸リンクａ，ｂと、マーカ３のパスペア４の凸リンクａ，ｂ，ｃ，ｄが重複するので不可とする。同様に、パスペア５，６，８を不可とし、次のマーカ２のパスペア10は凸リンクｄが重複しないので選択し、組合せるパスペア（●）とする。これにより、パスグループ２は、パスペア２，10（パス２，９，16，20）の組合せとなる。

（パスグループ３の組合せ手順）
(1) パスペアＩＤの昇順に、すでにパスグループとなったパスペアを除き、基準となるマーカ２のパスペアを選択する。ここでは、パスペア５（パス６とパス10）がマーカ２なので選択し、基準パスペア（★）とする。

(2) 基準パスペアと組合せるパスペアの探索では、パスペアＩＤの昇順に、すでにパスグループとなったパスペアを除き、凸リンクが基準パスペアと重複しないパスペアを選択する。このとき、マーカ２またはマーカ３のパスペアのみを探索対象としてもよい。ここでは、基準パスペア５における凸リンクｂと、マーカ３のパスペア６の凸リンクａ，ｄ，ｅが重複しないので選択し、組合せるパスペア（●）とする。これにより、パスグループ３は、パスペア５，６（パス６，10，７，14）の組合せとなる。

以上により、マーカ２のパスペアがすべてグルーピングされたので、次にマーカ３のパスペアを基準として同様の組合せ手順を繰り返す。しかし、マーカ３のパスペアどうしでは、凸リンクが必ず重複するので、マーカ２のパスペアがすべてグルーピングされた時点で上記の組合せ手順を打ち切ってもよい。

（パスグループ４，５の組合せ手順）
以上によりグルーピングされずに残ったパスペアは、マーカ３のパスペア４、マーカ１のパスペア７、マーカ３のパスペア８，マーカ１のパスペア９となる。これらのパスペアは、他のパスペアと組合せてもスケジュールテーブル上でＴＳの凹凸を抑制する効果が期待できないので、単純にパスペアＩＤの昇順に組合せる。ここでは、パスグループ４は、パスペア４，７（パス４，17，８，18）とし、パスグループ５は、パスペア８，９（パス11，15，12，19）として、パス組合せ演算部１５の処理を終了する。

なお、以上のグルーピング処理において、マーカ３のパスペアのうち、凸リンクのホップ数が４のパスペアのように、他のマーカ２およびマーカ３のパスペアと組合せることが不可能なパスペアは、上記の(1),(2) の処理から予め除外してもよい。

以上の処理により完成したパスグループ１〜５からなるパスグループテーブル１６は、図５に示すものとなる。スケジュールテーブルは、このようなパスグループテーブル１６に基づいて作成されるが、例えば図５に示すパスグループ１の場合のように、スケジュールテーブル上でＴＳの凹凸が抑制され、ＴＳリソースを有効活用したスケジューリングができることがわかる。

１１ パスペア作成演算部
１２ パスペアテーブル
１３ パスペア分類演算部
１４ マーカ表示部
１５ パスペア組合せ演算部
１６ パスグループテーブル

Claims (8)

1. 複数のノードがリンクを介してリング状に接続され、各ノード間に設定されるパスとタイムスロットの割当状態を示すスケジュールテーブルを決定するスケジューリングを行うネットワークシステムにおいて、
   前記各ノード間に設定されるパスのうち、２つのパスをつなげるとリングを一周するパスの組合せをパスペアとしてリストアップし、さらにパスペアごとに、２つのパスに割り当てるタイムスロット数が大きい方のパスを形成するリンク（以下、凸リンクという）をリストアップし、凸リンクが重複しない所定数のパスペアを組合せてパスグループとするパスグループ作成手段を備え、
   前記スケジューリングは、前記パスグループを形成するパスの組合せにより前記スケジュールテーブルを決定する
   ことを特徴とするネットワークシステム。
2. 請求項１に記載のネットワークシステムにおいて、
   前記パスグループ作成手段は、前記パスグループとする前記パスペアの組合せがなくなった場合に、残りのパスペアについて前記所定数のパスペアを任意に組合せる処理を行う ことを特徴とするネットワークシステム。
3. 請求項１に記載のネットワークシステムにおいて、
   前記パスグループ作成手段は、前記凸リンクが重複しないパスペアの組合せを探索する際に、前記凸リンクをもたないパスペアおよびすでに前記パスグループになったパスペアを除外して探索を行う
   ことを特徴とするネットワークシステム。
4. 請求項１に記載のネットワークシステムにおいて、
   前記パスグループ作成手段は、前記パスペアとなる２つのパスについてホップ数の長短に応じて長パスおよび短パスとしたときに、短パスに割り当てるタイムスロット数が大きいパスペアを基準に、前記パスグループとして組合せるパスペアを探索する処理を行う
   ことを特徴とするネットワークシステム。
5. 複数のノードがリンクを介してリング状に接続され、各ノード間に設定されるパスとタイムスロットの割当状態を示すスケジュールテーブルを決定するスケジューリングを行うネットワークシステムの制御方法において、
   前記各ノード間に設定されるパスのうち、２つのパスをつなげるとリングを一周するパスの組合せをパスペアとしてリストアップする処理を行うステップ１と、
   さらに前記パスペアごとに、前記２つのパスに割り当てるタイムスロット数が大きい方のパスを形成するリンク（以下、凸リンクという）をリストアップする処理を行うステップ２と、
   前記凸リンクが重複しない所定数のパスペアを組合せてパスグループとする処理を行うステップ３とを有し、
   前記スケジューリングは、前記パスグループを形成するパスの組合せにより前記スケジュールテーブルを決定する
   ことを特徴とするネットワークシステムの制御方法。
6. 請求項５に記載のネットワークシステムの制御方法において、
   前記ステップ３は、前記パスグループとする前記パスペアの組合せがなくなった場合に、残りのパスペアについて前記所定数のパスペアを任意に組合せる処理を行う
   ことを特徴とするネットワークシステムの制御方法。
7. 請求項５に記載のネットワークシステムの制御方法において、
   前記ステップ３は、前記凸リンクが重複しないパスペアの組合せを探索する際に、前記凸リンクをもたないパスペアおよびすでに前記パスグループになったパスペアを除外して探索を行う
   ことを特徴とするネットワークシステムの制御方法。
8. 請求項５に記載のネットワークシステムの制御方法において、
   前記ステップ３は、前記パスペアとなる２つのパスについてホップ数の長短に応じて長パスおよび短パスとしたときに、短パスに割り当てるタイムスロット数が大きいパスペアを基準に、前記パスグループとして組合せるパスペアを探索する処理を行う
   ことを特徴とするネットワークシステムの制御方法。

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