JP6307377B2 - 仮想ネットワーク割当方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、物理ネットワークのトポロジーおよび既存の仮想ネットワーク割当が既知の状態での新たな仮想ネットワークの割当要求に対して、スケジューリングコストを考慮しながら所要物理リソース量を削減する仮想ネットワーク割当方法および装置に係り、特に、SDN（Software-Defined Network）の各スライス間で、パケット転送キューの共用およびトランザクションキューの共用によるスケジューリングコストの削減を考慮しながら所要物理リソース量の削減を最大化する仮想ネットワーク割当方法および装置に関する。

ソフトウェアによって仮想的なネットワークを作り上げる技術として、非特許文献１，２にSDNが開示されている。SDNでは、一つの物理ネットワーク上に「スライス」と呼ばれる完全に独立した仮想的なネットワークをいくつも構築できるため、スライスごとにユーザの要求に応じた固有のネットワークを構築できる。

ここで、SDNの各スライスは物理ネットワークの各リンクを共用できるが、その際、スライスごとに独自のリンク帯域を設定するとリンク帯域を有効利用できない。例えば、帯域が２Gの物理リンクについて、スライスA，Bに1Gずつの帯域が固定的に割り当てられていると、例えばスライスAのトラヒック量が多く、スライスBのトラヒック量が少ない場合でも、スライスAにスライスBの余剰帯域を割り当てられない。

これに対して、物理リンク毎にスライスA，Bが一つのパケット転送キューを共用するように帯域を割り当てれば、各スライスA，Bは余剰帯域を他のスライスに分け与えることができるので、各スライスのサービス品質を低下させることなくリンク帯域を有効利用できる。しかしながら、これまでSDNの各スライスが物理リンクごとに一つのパケット転送キューを共用してリンク帯域を共用することが検討されていなかった。

このような技術課題に対して、本発明の発明者等は、ネットワークのトポロジー情報およびトラヒックフロー情報を入力として、全てのリンクのパケット転送に関するスケジューリングコストの総和を最小化するトラヒックフロー割当を整数計画法モデルの解として計算し、その際、ネットワークのリングごとに、当該リンクを通過するトラヒックフローの優先クラスが１種類である複数のスライスのうち、当該優先クラスが同一のスライス同士にリンク帯域を共用させる条件下でトラヒックフロー割当を計算する方法および装置を発明し、特許出願した（特許文献１）。

特願2013-262879号

「Software Defined Networkにおける制御プレーンアプリケーション開発・運用監視を目的とした統合状態収集・解析機構の検討」電子情報通信学会技術研究報告. NS, ネットワークシステム 111(408), 127-132, 2012-01-19 「OpenFlow/SDNとネットワーク仮想化」信学技報, vol. 112, no. 230, IN2012-96, pp. 115-119, 2012年10月，進藤資訓

特許文献１に開示された整数計画法モデルの直接解法は大量の計算リソースを使用するので、大規模なSDNへの適用が難しいという技術課題があった。

また、特許文献１ではスケジューリングコストとしてパケット転送キューの共用のみに着目し、トランザクションキューの共用によるスケジューリングコストの最小化が考慮されていなかった。

さらに、仮想ネットワーク間での物理リソース共用に起因する統計多重効果による所要物理リソース量の削減を最大化するような仮想ネットワーク割当が考慮されていなかった。

本発明の目的は、上記の技術課題を解決し、複数のサービス優先クラスを指定する仮想ネットワーク割当において、各仮想ノードにおけるサービス品質に影響を及ぼさない範囲で、パケット転送キューの共用のみならず、仮想ノード間でのトランザクションキューの共用による物理ノード処理容量の共用をも促進し、さらには物理リソースの共用に起因する統計多重効果による所要物理リソース量の削減を最大化できる仮想ネットワーク割当方法および装置を提供することにある。なお、本明細書では、物理ノード処理容量を、物理リンク帯域に合わせて、物理ノード帯域と表現する場合もある。

上記の目的を達成するために、本発明は、SDNのスライス間で物理帯域を共用する仮想ネットワークを割り当てる仮想ネットワーク割当装置において、以下の構成を具備した点に特徴がある。

(1) 物理ネットワークのトポロジー情報、物理ネットワークへ割当済の既存仮想ネットワークの情報、および物理ネットワークへ新規に割り当てる割当要求仮想ネットワークの情報を取得する手段と、各情報に基づいて、割当要求仮想ネットワークの各仮想ノードを割り当て可能な物理ノード候補を選択する手段と、割当要求仮想ネットワークの新規割当による所要物理帯域の増分としてのコストを、物理帯域の共用による統計多重効果を反映して計算するコスト計算手段と、割当要求仮想ネットワークの仮想リンクごとに物理ノード候補のペア間に最小コスト経路を計算し、最小コスト経路を与える物理ノード及び物理リンクに各仮想リンクおよび仮想ノードを割り当てる仮想ネットワーク割当手段とを具備し、仮想ネットワーク割当手段は、コスト計算手段により各物理帯域のコストを更新しながら最小コスト経路の計算を繰り返すようにした。

(2) 物理帯域が物理リンク帯域を含み、前記コスト計算手段は、割当要求仮想ネットワークの新規割当による所要物理リンク帯域の増分を物理リンクコストとして計算し、前記仮想ネットワーク割当手段は、物理リンクコストに基づいて最小コスト経路を算出するようにした。

(3) 物理帯域が物理ノード帯域を含み、前記コスト計算手段は、割当要求仮想ネットワークの新規割当による所要物理ノード帯域の増分を物理ノードコストとして計算し、前記仮想ネットワーク割当手段は、物理ノードコストに基づいて最小コスト経路を算出するようにした。

本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1)SDNの各スライスにおいて、スライス間でのパケット転送キューおよびリンク帯域の共用を促進するトラヒックフロー割当を実現できるので、リソース利用効率の向上を図ることができる。

(2)スライス間のパケット転送スケジューリングコスト期待値の逐次的増加が最小化されるトラヒックフロー経路が算出されるので、スライス間のパケット転送スケジューリングコストを削減するトラヒックフロー割当を実現できる。

(3)各トラヒックフローに対して最小コスト経路計算を２回実行するのみなので、スライス数の多い大規模なSDNにおいても、スライス間のパケット転送スケジューリングコストを削減するトラヒックフロー割当を少ない計算量で実現できる。

SDNスライス間でのパケット転送キューの共用による物理リンク帯域の共用方法を模式的に表現した図である。 SDNスライス間でのトランザクションキューの共用による物理ノード帯域の共用方法を模式的に表現した図である。 本発明の一実施形態に係る仮想ネットワーク割当装置の主要部の構成を示した機能ブロック図である。 物理ネットワークのトポロジー情報、割当要求仮想ネットワークおよび仮想ネットワークの割当結果の一例を示した図である。 本発明の一実施形態の動作を示したフローチャートである。 物理リンクコストの計算に式(2)を適用する物理リンク帯域共用の第１ケース（その１）を示した図である。 物理リンクコストの計算に式(2)を適用する物理リンク帯域共用の第１ケース（その２）を示した図である。 物理リンクコストの計算に式(3)を適用する物理リンク帯域共用の第２ケースを示した図である。 物理リンクコストの計算に式(4)を適用する物理リンク帯域共用の第３ケースを示した図である。 物理ノードコストの計算に式(6)を適用する物理ノード帯域共用の第１ケース（その１）を示した図である。 物理ノードコストの計算に式(6)を適用する物理ノード帯域共用の第１ケース（その２）を示した図である。 物理ノードコストの計算に式(7)を適用する物理ノード帯域共用の第２ケースを示した図である。 物理ノードコストの計算に式(8)を適用する物理ノード帯域共用の第３ケースを示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。ここでは初めに、SDNにおけるスライス間での物理帯域の共用によるスケジューリングコストの削減について、(1)パケット転送キューの共用による物理リンク帯域の共用および(2)トランザクションキューの共用による物理ノード帯域の共用を例に説明する。

図１は、一の物理リンクに着目して、SDNスライス間でのパケット転送キューの共用による物理リンク帯域の共用方法を模式的に表現した図であり、同図(a)は共用前、同図(b)は共用後を表している。

本発明では、いずれのスライスにおいても、フロー単位で優先度設定が可能であり、高優先のフローを収容する仮想リンクは高優先仮想リンクとされ、低優先のフローを収容する仮想リンクは低優先仮想リンクとされる。

図示の例では、着目した物理リンクを、スライス#1，#2では高優先仮想リンクおよび低優先仮想リンクが通過し、スライス#3，#4では高優先の仮想リンクのみが通過し、スライス#5，#6では低優先の仮想リンクのみが通過している。高優先仮想リンクのパケット転送キューには、低優先仮想リンクのパケット転送キューよりも高い優先度でスケジューリング機会が与えられる。

ここで、異なるスライス上の仮想リンク同士であっても、同一の優先クラスに属する仮想リンク同士での物理リンク帯域の共用であれば、一方のスライスにおける仮想リンクのトラヒックフロー量の増加が、他方のスライスにおける仮想リンクのトラヒックフローのパケット転送品質へ与える影響は小さい。しかも、スライス間での物理リンク帯域の共用によって、異なるスライスに対応する仮想リンク間でもトラヒックの統計多重効果が得られ、所要物理リンク帯域を削減できる。

そこで、本発明ではスライス#3，#4の組み合わせ、およびスライス#5，#6の組み合わせのように、各物理リンクにおいて、通過する仮想リンクの優先クラスが１種類のみのスライス同士であって、かつ通過する仮想リンクの優先クラスが互いに同一のスライス間でのみ、同図(b)に示したように、パケット転送キューの共用による物理リンク帯域の共用が図られる。

これに対して、スライス#1，#2の組み合わせのように、通過する仮想リンクの優先クラスが複数であるようなスライス間では、パケット転送キューおよび物理リンク帯域の共用は行わない。これは、もしパケット転送キューおよびリンク帯域の共用を行うと、一方のスライスにおいて高優先仮想リンクのトラヒックフロー量が増加した場合、他方のスライスにおいて低優先仮想リンクのトラヒックフローのパケット転送品質が不当に劣化する恐れがあるためである。但し、同一スライスに含まれる仮想リンク間では、トラヒックの統計多重効果が得られる。

図２は、一の物理ノードに着目して、SDNスライス間でのトランザクションキューの共用による物理ノード帯域の共用方法を模式的に表現した図であり、同図(a)は共用前、同図(b)は共用後を表している。本発明では、仮想ノードで実行されるサービス処理について、高優先のフローに対応するサービス処理は高優先サービス処理とされ、低優先のフローに対応するサービス処理は低優先サービス処理とされる。

図示の例では、着目した物理ノードにおいて、スライス#1，#2の仮想ノードは高優先サービス処理および低優先サービス処理を実行し、スライス#3，#4の仮想ノードは高優先のサービス処理のみを実行し、スライス#5，#6の仮想ノードは低優先のサービス処理のみを実行する。高優先サービス処理をスケジューリングするトランザクションキューには、低優先サービス処理のトランザクションキューよりも高い優先度でスケジューリング機会が与えられる。

ここで、異なるスライス上の仮想ノード同士であっても、同一優先クラスに属するサービス処理同士でのトランザクションキューの共用による物理ノード帯域の共用であれば、一方のスライスにおけるサービス処理量の増加が、他方のスライスにおけるサービス処理の実行品質に与える影響は小さい。しかも、スライス間での物理ノード帯域の共用によって、異なるスライスに対応する仮想ノード間でもサービス処理量の統計多重効果が得られ、所要物理ノード帯域を削減できる。

そこで、本発明ではスライス#3，#4の組み合わせ、およびスライス#5，#6の組み合わせのように、各物理ノードにおいて、実行されるサービス処理の優先クラスが１種類のみのスライス同士であって、かつ実行されるサービス処理の優先クラスが互いに同一のスライス間でのみ、同図(b)に示したように、トランザクションキューの共用による物理ノード帯域の共用が図られる。

これに対して、スライス#1，#2の組み合わせのように、実行されるサービス処理の優先クラスが複数であるようなスライス間では、トランザクションキューおよび物理ノード帯域の共用は行わない。これは、もしトランザクションキューおよび物理ノード帯域の共用を行うと、一方のスライスで実行される高優先サービス処理量が増加した場合、他方のスライスで実行される低優先サービス処理の実行品質が不当に劣化する恐れがあるためである。但し、同一スライスに含まれるサービス処理間では、トラヒックの統計多重効果が得られる。

次いで、物理リンク帯域および物理ノード帯域の共用を促進して、統計多重効果による所要物理リソース量の削減を最大化できる仮想ネットワーク割当の方法について説明する。

図３は、本発明の一実施形態に係る仮想ネットワーク割当装置１の主要部の構成を示した機能ブロック図であり、汎用のコンピュータやサーバに各機能を実現するアプリケーション（プログラム）を実装することで構成できる。あるいはアプリケーションの一部がハードウェア化またはROM化された専用機や単能機としても構成できる。

ネットワーク情報入力部１０には、物理ネットワークのトポロジー情報、物理ネットワークへ割当済の既存仮想ネットワークの情報、および物理ネットワークへの仮想ネットワークの新規割り当てを要求する仮想ネットワーク割当要求が入力される。

前記物理ネットワークのトポロジー情報は、物理ネットワークを構成する物理ノード集合および物理リンク集合で表される。既存仮想ネットワーク情報は、各既存仮想ネットワークを構成する各仮想リンクの優先クラスおよび各仮想ノードで実行されるサービス処理の優先クラスと、各仮想リンクおよび仮想ノードが割り当てられている物理パス情報および物理ノード情報によって表される。

前記仮想ネットワーク割当要求では、新たに割り当てられる仮想ネットワーク（割当要求仮想ネットワーク）の仮想ノードおよび仮想リンクで構成される仮想ネットワークトポロジーと、各仮想リンクが属する優先クラスとが指定される。各仮想リンク上では、指定された優先クラスに基づくパケット転送が行われ、各仮想リンクが接続する仮想ノードペア上では、指定された優先クラスに基づくサービス処理が実行される。

物理ノード候補選択部２０は、入力された各情報に基づいて、割当要求仮想ネットワークの各仮想ノードを割り当て可能な物理ネットワークの物理ノード候補を選択する。コスト計算部３０は、割当要求仮想ネットワークの新規割当による所要物理帯域の増分として、物理リンク帯域の増加量を計算する物理リンクコスト計算部３０１および物理ノード帯域の増加量を計算する物理ノードコスト計算部３０２を含み、所要物理帯域の増分としてのコストを、物理帯域の共用による統計多重効果を反映して計算する。

仮想ネットワーク割当部４０は、割当要求仮想ネットワークを構成する仮想リンクが接続する仮想ノードを割り当て可能な物理ノード候補のペア間に最小コスト経路を計算し、最小コスト経路を与える物理ノード及び物理リンクに各仮想リンクおよび仮想ノードを割り当てる。前記仮想ネットワーク割当部４０による仮想ネットワーク割当は、前記コスト計算部３０１，３０２により各物理帯域（物理リンク帯域および物理ノード帯域）の増分に基づいて各物理リンクコストおよび各物理ノードコストを更新しながら物理ノード候補の全ペアおよび全仮想リンクについて繰り返される。

図４は、前記ネットワーク情報入力部１０に入力される物理ネットワークのトポロジー情報[同図(a)]、割当要求仮想ネットワーク[同図(b)]および仮想ネットワークの割当結果[同図(c)]の一例を示した図である。

各仮想ノードNは１個の物理ノードqへ割り当てられる。また、複数個の仮想ノードNが１個の物理ノードqに割り当てられることはない。一方、各仮想リンクlは、当該仮想リンクlが接続する２個の仮想ノードNが割り当てられた２個の物理ノードqを発着ノードとする１本の物理パスへ割り当てられる。

図示の例では、物理ノードq2，q6，q11，q14に仮想ノードN1，N4，N2，N3がそれぞれ割り当てられている。また、物理リンクl14-15，l1-15，l1-2から構成される物理パスに仮想リンクL1-3が割り当てられ、物理リンクl11-12，l12-13，l13-14から構成される物理パスに仮想リンクL2-3が割り当てられ、物理リンクl6-14から構成される物理パスに仮想リンクL3-4が割り当てられ、物理リンクl2-11から構成される物理パスに仮想リンクL1-2が割り当てられている。

次いで、本実施形態の動作について説明する。本実施形態では、ネットワーク全体で、スライス間の物理リンク帯域および物理ノード帯域の共用を促進し、統計多重効果によって所要物理リソース量を最小化する仮想ネットワーク割当を実現する。ここで、最小化される所要物理リソース量は、各物理リンクにおける所要物理リンク帯域および各物理ノードにおける所要物理ノード帯域の重み付き総和である。

そのために、本実施形態では全ての仮想リンクに関して、逐次的に所用物理リソース量の増加を最小化するような物理パス経路を算出して割り当てる。逐次的な仮想リンク割当において、一旦、仮想ノードが物理ノードに割り当てられた場合は、以後、当該仮想ノードの割当てを固定する。本実施形態では、仮想ノードへのアクセス遅延の観点から、各仮想ノードは、予め当該仮想ノードに対応付けられている物理ノードまたは当該物理ノードに隣接する物理ノードの中の１個に割り当てられる。最後に、逐次的に算出した物理パス経路が、仮想ネットワーク割当の結果として出力される。

図５は、本実施形態の動作を示したフローチャートであり、ステップＳ１では、入力された仮想ネットワークの割当要求に基づいて、割当要求仮想ネットワークを構成する仮想リンクの一覧がリスト形式で作成される。ステップＳ２では、仮想リンクの一つが今回の注目仮想リンクとして選択される。ステップＳ３では、前記物理ネットワークのトポロジー情報および既存仮想ネットワーク情報に基づいて、各物理リンクのコストが計算される。

以下、ステップＳ３における物理リンクコストの設定方法について説明する。物理リンクコストは、今回の注目仮想リンクが当該物理リンクを通過したと仮定したときの所要物理リンク帯域の増分に設定される。例えば、統計多重されていない１本の仮想リンクiの所要物理リンク帯域Biを次式(1)の様に定義する。

k1：物理リンクにおける許容輻輳確率に応じて予め指定された定数
Ti_ave：仮想リンクiによる使用物理リンク帯域の平均
σ：仮想リンクiによる使用物理リンク帯域の標準偏差

また、各物理リンクのコストClinkは、既存仮想リンク間でのリンク帯域の共用状況および割当要求仮想リンクが割り当てられた後のリンク帯域の共用状況が、以下の３つのケースのいずれに該当するのかに応じて、統計多重効果を考慮しながら計算される。

第１ケースは、図６に示したように、割当要求仮想リンク[●]（ここでは、高優先クラス）と同一の優先クラスの仮想リンクのみが当該物理リンクを通過する既存スライス（ここでは、スライス#3，#4）が存在しており[同図(a)]、割当要求仮想リンク[●]が既存仮想リンク[〇]とリンク帯域を共用できる場合[同図(b)]である。

なお、第１ケースでは、図７に示したように、割当要求スライスにおける先行する仮想リンク割当によって、割当要求仮想リンク[●]と同一の優先クラスの既存仮想リンクのみが当該物理リンクを通過していても良い。

第２ケースは、図８に示したように、割当要求スライスに割当要求仮想リンクを追加することにより、それまで他のスライス（ここでは、既存スライス#3，#4）との間で物理リンク帯域を共用できていた割当要求スライス[同図(a)]が、当該物理リンクを優先クラスの異なる複数の仮想リンクが通過することになって物理リンク帯域を共用できなくなる場合[同図(b)]である。

第３ケースは、図９に示したように、割当要求スライスにおいて優先クラスの異なる複数の既存仮想リンクが当該物理リンクを既に通過しており[同図(a)]、割当要求仮想リンクも異なるスライスの既存仮想リンクとリンク帯域を共用できない場合[同図(b)]である。

以下、各ケースにおける所要物理リンク帯域の増加量の具体的な計算方法について説明する。本実施形態では、各仮想リンクが消費する物理リンク帯域の変動分を消費物理リンク帯域の標準偏差σで表現する。そして、物理リンク帯域の共用による統計多重効果を計算結果に反映させるために、前記コスト計算部３０は、物理リンク帯域を共用する複数の仮想リンクが消費する総物理リンク帯域の分散を、各仮想リンクが単独で消費する物理リンク帯域の標準偏差σの二乗の積算値として計算し、総物理リンク帯域の変動分を当該積算値から求めた標準偏差で表現した。

前記コスト計算部３０はさらに、物理リンク帯域を共用しない複数の仮想リンクが消費する総物理リンク帯域の標準偏差を、各仮想リンクが消費する物理リンク帯域の標準偏差の積算値として計算し、総物理リンク帯域の変動分を当該積算値で表現した。そして、割当要求仮想ネットワークの新規割当前後における消費物理リンク帯域の差分を所要物理リンク帯域の増分とするようにした。

前記第１ケースでは、割当要求仮想リンクを新たに割り当てることによる所要物理リンク帯域の増分である物理リンクコストClinkが次式(2)で求められる。但し、各シンボルは以下の様に定義される。

T_ave：割当要求仮想リンクによる使用物理リンク帯域の平均
σ(T) ：割当要求仮想リンクによる使用物理リンク帯域の標準偏差
n0：割当要求仮想リンクと同一優先クラスに属する仮想リンクのみが当該物理リンクを通過している物理リンク帯域共用の対象となる既存仮想ネットワークにおける通過仮想リンク本数
n1：割当要求仮想リンクと同一優先クラスに属する当該物理リンクを通過している割当要求仮想ネットワークにおける仮想リンク本数

すなわち、定数k1で括られたカッコ内の第１項は、割当要求仮想リンク追加後の使用物理リンク帯域の変動分、同第２項は、割当要求仮想リンクの割当前の使用物理リンク帯域の変動分であり、第１項のσ²(T)は、割当要求仮想リンクが新たに消費することになる物理リンク帯域の分散、Σσ²(Ti)は、統計多重効果が反映されたn0+n1本分の既存仮想リンクが現に消費している物理リンク帯域の分散であり、第１項では分散の和が求まるので統計多重効果が反映された値となる。

前記第２ケースでは、割当要求仮想リンクを割り当てることによる所要物理リンク帯域の増分である物理リンクコストClinkが次式(3)で与えられる。

n0：割当要求仮想リンクと異なる１つの優先クラスに属する仮想リンクのみが当該物理リンクを通過している物理リンク帯域共用の対象となっていた既存仮想ネットワークにおける通過仮想リンク本数
n1：割当要求仮想リンクと異なる１つの優先クラスに属する当該物理リンクを通過している割当要求仮想ネットワークにおける仮想リンク本数

前記第３ケースでは、割当要求仮想リンクを割り当てることによる所要物理リンク帯域の増分である物理リンクコストClinkが次式(4)で与えられる。

n2：割当要求仮想ネットワークを構成する当該物理リンクを通過している仮想リンク本数

図５へ戻り、ステップＳ４では、注目する発着物理ノードの絞り込みが行われる。例えば図４(a)の例において、仮想ノードN1と物理ノードq2とが予め対応付けされていれば、仮想ノードN1にとっては、物理ノードn2およびその隣接ノードn1，n3が発着物理ノードの候補とされる。

ステップＳ５では、前記物理ネットワークのトポロジー情報および既存仮想ネットワーク情報に基づいて、各物理ノードのコストが計算される。各物理ノードのコストは、当該物理ノードに仮想ノードが割り当てられ、当該仮想ノードで実行すべきサービス処理（割当対象サービス処理）を当該物理ノードで実行すると仮定したときの所要物理ノード帯域の増分で与えられる。例えば、統計多重されていない１つのサービス処理iを実行する際の所要物理ノード帯域Biを次式(5)の様に定義する。

k2：物理ノードにおける許容輻輳確率に応じて予め指定された定数
Ti_ave：サービス処理i による使用物理ノード帯域の平均
σ(Ti)：サービス処理i による使用物理ノード帯域の標準偏差

また、各物理ノードのコストは、前記各物理リンクの場合と同様に、既存サービス処理間でのノード帯域の共用状況および割当対象サービス処理が追加された後のノード帯域の共用状況が、以下の３つのケースのいずれに該当するのかに応じて、統計多重効果を考慮しながら計算される。

第１ケースは、図１０に示したように、割当対象サービス処理[●]（ここでは、高優先クラス）と同一の優先クラスのサービス処理のみを当該物理ノードに割り当てる既存スライス#3，#4が存在しており、割当対象サービス処理[●]が既存サービス処理[〇]と物理ノード帯域を共用できる場合である。

なお、第１ケースでは、図１１に示したように、割当要求スライスにおける先行する仮想リンク割当によって、割当対象サービス処理[●]と優先クラスが同一のサービス処理が当該物理ノードで実行されていても良い。

第２ケースは、図１２に示したように、割当要求スライスに割当対象サービス処理を割り当てることにより、それまで他の既存スライス#3，#4との間で物理ノード帯域を共用できていた割当要求スライスが、当該物理ノードで優先クラスの異なる複数のサービス処理が実行されることになって物理リンク帯域を共用できなくなる場合である。

第３ケースは、図１３に示したように、割当要求スライスにおいて優先クラスの異なる複数のサービス処理が当該物理ノードに既に割り当てられており、割当対象サービス処理が異なるスライスの既存サービス処理とノード帯域を共用できない場合である。

以下、各ケースにおける所要物理ノード帯域の増加量の具体的な計算方法について説明する。本実施形態では、各サービス処理が消費する物理ノード帯域の変動分を消費物理ノード帯域の標準偏差σで表現する。そして、物理ノード帯域の共用による統計多重効果を計算結果に反映させるために、前記コスト計算部３０は、物理ノード帯域を共用する複数のサービス処理が消費する総物理ノード帯域の分散を、各サービス処理が単独で消費する物理ノード帯域の標準偏差σの二乗の積算値として計算し、総物理ノード帯域の変動分を当該積算値から求めた標準偏差で表現した。

前記コスト計算部３０はさらに、物理ノード帯域を共用しない複数のサービス処理が消費する総物理ノード帯域の標準偏差を、各サービス処理が消費する物理ノード帯域の標準偏差の積算値として計算し、総物理ノード帯域の変動分を当該積算値で表現した。そして、割当要求仮想ネットワークの新規割当前後における消費物理ノード帯域の差分を所要物理ノード帯域の増分とするようにした。

前記第１ケースでは、割当対象サービス処理を新たに割り当てることによる所要物理ノード帯域の増分である物理ノードコストCnodeが次式(6)で求められる。但し、各シンボルは以下の様に定義される。

T_ave：割当対象サービス処理による使用物理ノード帯域の平均
σ(T)：割当対象サービス処理による使用物理ノード帯域の標準偏差
n0：割当対象サービス処理と同一優先クラスに属するサービス処理のみを実行する仮想ノードが当該物理ノードに割当てられている物理ノード帯域共用の対象となる既存仮想ネットワークにおける当該物理ノードで実行されるサービス処理数
n1：割当対象サービス処理と同一優先クラスに属する割当要求仮想ネットワークにおける当該物理ノードで実行されるサービス処理数

前記第２ケースでは、割当対象サービス処理を新たに割り当てることによる所要物理ノード帯域の増分である物理ノードコストCnodeが次式(7)で与えられる。

n0：割当対象サービス処理と異なる１つの優先クラスに属するサービス処理のみを実行する仮想ノードが当該物理ノードに割当てられている物理ノード帯域共用の対象となっていた既存仮想ネットワークにおける当該物理ノードで実行されるサービス処理数
n1：割当対象サービス処理と異なる１つの優先クラスに属する割当要求仮想ネットワークにおける当該物理ノードで実行されるサービス処理数

前記第３ケースでは、割当対象サービス処理を新たに割り当てることによる所要物理ノード帯域の増分である物理ノードコストCnodeが次式(8)で与えられる。

n2：割当要求仮想ネットワークにおいて、当該物理ノードに割り当てられた仮想ノードで実行されているサービス処理数

図５へ戻り、ステップＳ６では、割当要求仮想リンクが接続する２つの仮想ノードに関して、割当候補となる全ての物理ノードを発着ノードとする最小コスト経路が順次に算出される。但し、仮想ノードが既に物理ノードに割り当てられている場合は、当該物理ノードに発着ノードが限定される。また、既に他の仮想ノードが割り当てられている物理ノードは発着ノード候補から除外される。

さらに、今回の発着ノードペアに対して算出された最小コスト経路に対応する物理パス経路のコストを算出し、最小のコストを与える物理パス経路を選択して仮想リンクを割り当てる。物理パス経路のコストは、当該物理パス経路を構成する各物理リンクのコストClinkと発着物理ノードのコストCnodeとの重み付き総和である。

ステップＳ７では、全ての発着ノードペアに関して物理パス経路のコスト算出が完了したか否かが判断される。完了していなければステップＳ５へ戻り、注目する発着ノードペアを変更して物理ノードコストの計算および物理パス経路のコスト算出が繰り返される。

ステップＳ８では、最小コストの物理パス経路に仮想リンクが割り当てられる。ステップＳ９では、全ての仮想リンクの割り当てが完了したか否かが判断される。完了していなければステップＳ２へ戻り、注目する仮想リンクを変更して物理パス経路のコスト算出および仮想リンクの割り当てが繰り返される。

本実施形態によれば、SDNにおいて、指定された優先クラスに基づくサービス品質へ影響が及ばない範囲で、各スライス間での物理リンク帯域および物理ノード帯域の共用を促進して、統計多重効果による所要物理リソース量の削減を最大化する仮想ネットワーク割当を実現できる。

また、最小コスト経路計算を繰り返し実行することによって、所用物理リソース量の増加を最小化する物理パス経路に逐次的に各仮想リンクを割り当てるため、少ない計算量で仮想ネットワーク割当を実現できる。

更に、各仮想ノードは、予め当該仮想ノードに対応付けられた物理ノードまたは当該物理ノードに隣接する物理ノードの中の１個に割り当てられるため、仮想ノードへのアクセス遅延を抑えることができる。

１…仮想ネットワーク割当装置，１０…ネットワーク情報入力部，２０…物理ノード候補選択部，３０…コスト計算部，３０１…物理リンクコスト計算部，３０２…物理ノードコスト計算部，４０…仮想ネットワーク割当部

Claims (12)

1. SDNのスライス間で物理帯域を共用する仮想ネットワークを割り当てる仮想ネットワーク割当装置において、
   物理ネットワークのトポロジー情報、物理ネットワークへ割当済の既存仮想ネットワークの情報、および物理ネットワークへ新規に割り当てる割当要求仮想ネットワークの情報を取得する手段と、
   前記各情報に基づいて、割当要求仮想ネットワークの各仮想ノードを割り当て可能な物理ノード候補を選択する手段と、
   割当要求仮想ネットワークの新規割当による所要物理帯域の増分としてのコストを、物理帯域の共用による統計多重効果を反映して計算するコスト計算手段と、
   割当要求仮想ネットワークの仮想リンクごとに物理ノード候補のペア間に最小コスト経路を計算し、最小コスト経路を与える物理ノード及び物理リンクに各仮想リンクおよび仮想ノードを割り当てる仮想ネットワーク割当手段とを具備し、
   前記仮想ネットワーク割当手段は、前記コスト計算手段によりコストを更新しながら最小コスト経路の計算を繰り返すことを特徴とする仮想ネットワーク割当装置。
2. 前記物理帯域が物理リンク帯域を含み、
   前記コスト計算手段は、割当要求仮想ネットワークの新規割当による所要物理リンク帯域の増分を物理リンクコストとして計算し、
   前記仮想ネットワーク割当手段は、物理リンクコストに基づいて最小コスト経路を算出することを特徴とする請求項１に記載の仮想ネットワーク割当装置。
3. 前記物理帯域が物理ノード帯域を含み、
   前記コスト計算手段は、割当要求仮想ネットワークの新規割当による所要物理ノード帯域の増分を物理ノードコストとして計算し、
   前記仮想ネットワーク割当手段は、物理ノードコストに基づいて最小コスト経路を算出することを特徴とする請求項１に記載の仮想ネットワーク割当装置。
4. 前記物理帯域が物理リンク帯域および物理ノード帯域を含み、
   前記コスト計算手段は、割当要求仮想ネットワークの新規割当による所要物理リンクコストおよび所要物理ノードコストの各増分を物理リンクコストおよび物理ノードコストとして計算し、
   前記仮想ネットワーク割当手段は、物理リンクコストおよび物理ノードコストの重み付き総和に基づいて最小コスト経路を算出することを特徴とする請求項１に記載の仮想ネットワーク割当装置。
5. 前記コスト計算手段は、
   物理リンク帯域を共用する複数の仮想リンクが消費する総物理リンク帯域の分散を、各仮想リンクが単独で消費する物理リンク帯域の標準偏差の二乗の積算値として計算し、総物理リンク帯域を当該積算値から求めた標準偏差を使って表し、
   物理リンク帯域を共用しない複数の仮想リンクが消費する総物理リンク帯域の標準偏差を、各仮想リンクが消費する物理リンク帯域の標準偏差の積算値として計算し、総物理リンク帯域を計算した標準偏差を使って表し、
   割当要求仮想ネットワークの新規割当前後における消費物理リンク帯域の差分を前記所要物理リンク帯域の増分とすることを特徴とする請求項２に記載の仮想ネットワーク割当装置。
6. 前記コスト計算手段は、
   物理ノード帯域を共用する複数のサービス処理が消費する総物理ノード帯域の分散を、各サービス処理が単独で消費する物理ノード帯域の標準偏差の二乗の積算値として計算し、総物理ノード帯域を当該積算値から求めた標準偏差を使って表し、
   物理ノード帯域を共用しない複数のサービス処理が消費する総物理ノード帯域の標準偏差を、各サービス処理が消費する物理ノード帯域の標準偏差の積算値として計算し、総物理ノード帯域を計算した標準偏差を使って表し、
   割当要求仮想ネットワークの新規割当前後における消費物理ノード帯域の差分を前記所要物理ノード帯域の増分とすることを特徴とする請求項３に記載の仮想ネットワーク割当装置。
7. SDNのスライス間で物理帯域を共用する仮想ネットワーク割当を算出する仮想ネットワーク割当方法において、
   物理ネットワークのトポロジー情報、物理ネットワークへ割当済の既存仮想ネットワークの情報、および物理ネットワークへ新規に割り当てられる割当要求仮想ネットワークの情報を取得する手順と、
   前記各情報に基づいて、割当要求仮想ネットワークの各仮想ノードを割り当て可能な物理ネットワークの物理ノード候補を選択する手順と、
   割当要求仮想ネットワークの新規割当による所要物理帯域の増分としてのコストを、物理帯域の共用による統計多重効果を反映して計算する手順と、
   割当要求仮想ネットワークの一の仮想リンクに接続する物理ノード候補のペア間に最小コスト経路を計算する手順とを含み、
   仮想リンクおよび物理ノード候補のペアごとに、各物理帯域のコストを更新しながら最小コスト経路の計算を繰り返し、最小コスト経路を与える物理ノード及び物理リンクに各仮想リンクおよび仮想ノードを割り当てることを特徴とする仮想ネットワーク割当方法。
8. 前記物理帯域が物理リンク帯域を含み、
   割当要求仮想ネットワークの新規割当による所要物理リンク帯域の増分を物理リンクコストとして最小コスト経路を算出することを特徴とする請求項７に記載の仮想ネットワーク割当方法。
9. 前記物理帯域が物理ノード帯域を含み、
   割当要求仮想ネットワークの新規割当による所要物理ノード帯域の増分を物理ノードコストとして最小コスト経路を算出することを特徴とする請求項７に記載の仮想ネットワーク割当方法。
10. 前記物理帯域が物理リンク帯域および物理ノード帯域を含み、
    割当要求仮想ネットワークの新規割当による所要物理リンクコストおよび所要物理ノードコストの各増分を物理リンクコストおよび物理ノードコストとして計算し、当該物理リンクコストおよび物理ノードコストの重み付き総和に基づいて最小コスト経路を算出することを特徴とする請求項７に記載の仮想ネットワーク割当方法。
11. 前記コストを計算する手順は、
    物理リンク帯域を共用する複数の仮想リンクが消費する総物理リンク帯域の分散を、各仮想リンクが単独で消費する物理リンク帯域の標準偏差の二乗の積算値として計算し、総物理リンク帯域を当該積算値から求めた標準偏差を使って表し、
    物理リンク帯域を共用しない複数の仮想リンクが消費する総物理リンク帯域の標準偏差を、各仮想リンクが消費する物理リンク帯域の標準偏差の積算値として計算し、総物理リンク帯域を計算した標準偏差を使って表し、
    割当要求仮想ネットワークの新規割当前後における消費物理リンク帯域の差分を前記所要物理リンク帯域の増分とすることを特徴とする請求項８に記載の仮想ネットワーク割当方法。
12. 前記コストを計算する手順は、
    物理ノード帯域を共用する複数のサービス処理が消費する総物理ノード帯域の分散を、各サービス処理が単独で消費する物理ノード帯域の標準偏差の二乗の積算値として計算し、総物理ノード帯域を当該積算値から求めた標準偏差を使って表し、
    物理ノード帯域を共用しない複数のサービス処理が消費する総物理ノード帯域の標準偏差を、各サービス処理が消費する物理ノード帯域の標準偏差の積算値として計算し、総物理ノード帯域を計算した標準偏差を使って表し、
    割当要求仮想ネットワークの新規割当前後における消費物理ノード帯域の差分を前記所要物理ノード帯域の増分とすることを特徴とする請求項９に記載の仮想ネットワーク割当方法。