JP6389811B2 - 物理リソース割当装置、物理リソース割当方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、物理リソース割当装置、物理リソース割当方法、及びプログラムに関する。

仮想化技術の進展に伴い、ストレージやサーバのみならず、ネットワークにおいてＵプレーンとＣプレーンとを分離するネットワーク仮想化技術が進展している。当該技術を用いた世界においては、従来の様なネットワークサービスと設備との固定的な関係は解消し、より柔軟なつながりが実現されていく。すなわち、ネットワークを運営するネットワーク事業者が提供する物理的なネットワーク（以下「物理ネットワーク」という）上でサービスを展開する各事業者は、それぞれ独立なタイミング及び順番で当該サービスの提供を開始し、また、一般には、所定時間経過後にサービスを終了する。

物理ネットワークを運用管理するネットワーク事業者は、上記の様に一般には独立な到着時刻順で提供の開始を所望する各サービスに対し、当該物理ネットワークのリソース（ネットワーク帯域等）を割り当て、仮想的なネットワークとして構成することで、ネットワーク上の各サービスを実現していく。従って、可能な限り多くのサービスを物理ネットワーク上に収容し、実現することが、ネットワーク事業者としても、サービス事業者としても望ましい。そのためには、高効率で各サービスへの物理リソースの割り当てを行い、サービスを実現することが肝要である。また、ネットワーク事業者としては、仮想ネットワークの構成に要するオペレーションの量、すなわち、リソースの再配置の実行頻度を抑制することも重要である。

したがって、このようなネットワーク仮想化技術を用いたネットワークサービスの提供形態において、提供の開始を所望する各サービスに対して物理ネットワークのリソースの割り当てを適切に実現することで、高効率で多くのサービスを収容することが求められている。

上記サービスへの物理リソースの割り当ては、Virtual Network Embedding（以下「ＶＮＥ」という。）と呼ばれる問題として定式化され、近年多くの研究が報告されている。これは、所与の物理ネットワーク及び時系列で到着するサービスを重み付き無向グラフとしてモデル化し、各サービスに対して、物理ネットワークのリソースを割り当てていく問題である。一般には、ノード、リンクとも物理的配置箇所は自由であり、多くの場合、受付成功率や要求トラヒック量の総和（受付ネットワークの価値の総和）を目的関数とする数理計画問題として定式化される。

非特許文献１においては、時系列で到着する仮想ネットワークに対して、ネットワークの各指標を勘案することで、ノードへの物理リソース（ＣＰＵ処理能力）及びネットワーク設備量を最適化することが検討されている。また、非特許文献２では、ノードの配置場所に若干の制約を設けた場合の問題が考察されている。

これらにおいてはいずれも、到着した仮想ネットワークに対して割り当て可能な物理ノード及び物理経路を所定のアルゴリズムに基づきオンラインで算出して割り当てを行う際に、物理ノード又は帯域リソースの不足により、仮想ネットワークを物理ネットワークに収容出来ない（すなわち、仮想ネットワークに対して物理リソースを割り当てることが出来ない）場合には、物理ネットワークに対して既に収容済みの仮想ネットワークを一時的に取り出して、再配置を行うことで、到着した仮想ネットワークの収容を試みる「リソース再配置」が実施される。

また、リソース再配置によっても到着した仮想ネットワークを収容できない場合は、当該仮想ネットワークの収容を行わない（受付失敗）アプローチ、又はキューに格納して所定時間経過後に再度収容を試みるアプローチがとられている。

Johannes Infuhr, Gunther R. Raidl, "Introducing the Virtual Network Mapping Problem with Delay, Routing and Location Constraints" Network Optimization Lecture Notes in Computer Science6701( 2011), 105-117. Chowdhury, N.M.M.K. Cheriton, Rahman, M.R. ; Boutaba, R., "Virtual Network Embedding with Coordinated Node and Link Mapping,"Proc. INFOCOM2009.

従来のＶＮＥに関する検討においては、目的関数として、受付成功率の最大化や収容設備量を示すレベニュの最大化が採用されている。

一方、物理設備を提供する通信事業者の観点では、これらに加えて、顧客によるサービスの利用に対する影響を極力低減する意味において、リソース再配置の実行回数を最小化することも重要な指標である。しかしながら、従来技術において、リソース再配置の実行回数の最小化を議論するものは見当たらない。また、リソース再配置の実行タイミングは、到着した仮想ネットワークの収容が出来ない場合のみとされており、その最適な実施タイミングに関する議論も確認できない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、仮想ネットワークの収容数の低下を抑えつつリソース再配置の回数を削減可能とすることを目的とする。

そこで上記課題を解決するため、物理リソース割当装置は、複数の仮想ノードの集合と、各仮想ノードの物理リソースの使用量と、各仮想ノード間のトラヒック量とが指定された仮想ネットワークに関して、物理ネットワークが有する物理リソースの割当要求を入力する入力部と、前記仮想ノードごとに、前記物理ネットワークを構成する物理ノードの中から、当該仮想ノードに関する物理リソースの使用量を許容可能な１以上の物理ノードの集合を選択する第１の選択部と、前記仮想ノード間ごとに、一端の仮想ノードに関して選択されたいずれかの物理ノードと、他端の仮想ノードに関して選択されたいずれかの物理ノードとの間において、当該仮想ノード間のトラヒック量を許容可能な１以上の物理経路の集合を前記物理ネットワークから抽出する抽出部と、前記仮想ノード間ごとに抽出された各物理経路の集合から１つずつの物理経路を選択することで得られる物理経路の各組み合わせの中から所定の目的に関して最適な組み合わせを選択する第２の選択部と、前記物理ネットワークに収容中である他の仮想ネットワークに割り当てられた物理経路の再配置を行わずに前記最適な組み合わせに係る物理経路を前記物理ネットワークに配置した場合と、前記再配置を行って前記最適な組み合わせに係る物理経路を前記物理ネットワークに配置した場合とのそれぞれについて、前記物理ネットワークの一部の物理リソースに割り当てが集中している度合いを示す指標値を算出し、前記再配置を行わない場合の前記指標値からの前記再配置を行う場合の前記指標値の差が閾値以上である場合に前記再配置を行うと判定し、そうでない場合に前記再配置を行わないと判定する判定部と、を有する。

仮想ネットワークの収容数の低下を抑えつつリソース再配置の回数を削減可能とすることができる。

仮想ネットワークの一例を概念的に示す図である。 第１の実施の形態における物理リソース割当装置のハードウェア構成例を示す図である。 第１の実施の形態における物理リソース割当装置の機能構成例を示す図である。 第１の実施の形態における物理リソース割当装置が実行する処理手順の一例を説明するためのフローチャートである。 仮想パスに対する物理経路の集合を抽出するために利用されるグラフの一例を示す図である。 シミュレーションに利用された物理ネットワークを示す無向グラフの構成例を示す図である。 定常状態における各方式の受付成功率の比較結果を示す図である。 各方式のリソース再配置実行回数の比較結果を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態では、ネットワーク事業者が管理する物理ネットワーク上での仮想ネットワークの展開を求める要求（サービス要求）が、それぞれ独立に到着することを想定する。ネットワーク事業者は、各サービス要求に係る仮想ネットワークに対して、物理リソース（物理ノード及び物理経路）を割り当て、物理ネットワーク上における仮想ネットワークを用いたサービス（仮想ネットワークサービス）の実現を可能とする。各仮想ネットワークサービスは所定時間経過後に終了し、当該仮想ネットワークに割り当てられた物理ノード及び物理経路を開放して退去する。

仮想ネットワークは、以下の数１に示されるように、複数の仮想ノードと各仮想ノードが使用する各種の物理リソースの容量（使用量）、各仮想ノード間に流れるトラヒック量、当該仮想ネットワーク全体のＲＴＴ（Round Trip Time）の許容値（許容遅延）、並びに当該仮想ネットワークの到着時刻及び退去時刻の対として定式化（モデル化）される。

図１は、仮想ネットワークの一例を概念的に示す図である。図１では、仮想ノードｖ_１、仮想ノードｖ_２、仮想ノードｖ_３を含み、仮想ノードｖ_１と仮想ノードｖ_２の間のトラヒック量がｄ_１であり、仮想ノードｖ_２と仮想ノードｖ_３との間のトラヒック量がｄ２である仮想ネットワークが示されている。各仮想ノードに付されている吹き出しは、当該仮想ノードによるＮ種の物理リソースの使用量である。図１では、Ｎ種の物理リソースの一部又は全部の一例として、ＣＰＵやメモリの使用率、ストレージ容量が示されている。

なお、通信事業者は、各仮想ネットワークサービスの提供時間を、当該サービスが終了し退去するまで知り得ないものとする。数１における仮想ネットワークのモデルにおける到着時刻及び退去時刻は、仮想ネットワークの存続期間が有限であることを意味し、サービス要求において到着時刻及び退去時刻が指定されることを意味するものではない。つまり、通信事業者は、サービス要求の受け付けによって初めて仮想ネットワークの到着時刻を知ることができ、仮想ネットワークの退去によって初めて仮想ネットワークの退去時刻を知ることができる。このことは、仮想ネットワークＶＮ_ｊに対する物理リソースの割り当てに際し、仮想ネットワークＶＮ_ｊの退去時刻は考慮できないことを意味する。

仮想ノードとは、仮想ネットワークにおいて利用される仮想的なサーバ（例えば、仮想的なファイアーウォール（ｖＦＷ）、仮想的なＣＰＥ（Customer Premises Equipment）（ｖＣＰＥ）等）をいう。

物理ネットワーク上の物理ノードは、「サーバノード」と「転送ノード」とに区別される。サーバノードは、仮想的なサービスを提供する物理ノードであり、サービス要求における仮想ノードに対する割り当て対象となる。転送ノードは、ルータ等、トラヒックの転送に利用される物理ノードであり、サーバノード間を接続するための物理経路を構成する。以下において、特に断りの無い限り、「物理ノード」とは、サーバノードを意味する。

なお、サービス要求は、サービスファンクションチェイニングの技術を用いて、複数の物理ノードによって提供される仮想的なサービスを連結したものとして表される。各物理ノードによって提供される各仮想的なサービスは、物理的なコンピュータリソース上で動作する複数の仮想サーバ（ＶＭ（Virtual Machine））を連結させて実現されるが、仮想的なサービス毎に転送時間に関する制約は異なるため、サービス要求に係る仮想ノードに対する物理ノードの割り当てに際しては、ノード容量、ネットワーク帯域の制約に加えて、必要に応じて遅延時間の制約を勘案することが現実的である。したがって、本実施の形態では、サービス要求において、ｒ_ｊが指定される。但し、ｒ_ｊが指定されない場合について、本実施の形態が適用されてもよい。

以下、仮想ネットワークに対する物理ネットワークの物理リソースの割り当てを実行する物理リソース割当装置１０について具体的に説明する。

図２は、第１の実施の形態における物理リソース割当装置のハードウェア構成例を示す図である。図２の物理リソース割当装置１０は、それぞれバスＢで相互に接続されているドライブ装置１００、補助記憶装置１０２、メモリ装置１０３、ＣＰＵ１０４、及びインタフェース装置１０５等を有する。

物理リソース割当装置１０での処理を実現するプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体１０１によって提供される。プログラムを記憶した記録媒体１０１がドライブ装置１００にセットされると、プログラムが記録媒体１０１からドライブ装置１００を介して補助記憶装置１０２にインストールされる。但し、プログラムのインストールは必ずしも記録媒体１０１より行う必要はなく、ネットワークを介して他のコンピュータよりダウンロードするようにしてもよい。補助記憶装置１０２は、インストールされたプログラムを格納すると共に、必要なファイルやデータ等を格納する。

メモリ装置１０３は、プログラムの起動指示があった場合に、補助記憶装置１０２からプログラムを読み出して格納する。ＣＰＵ１０４は、メモリ装置１０３に格納されたプログラムに従って物理リソース割当装置１０に係る機能を実行する。インタフェース装置１０５は、ネットワークに接続するためのインタフェースとして用いられる。

なお、物理リソース割当装置１０は、それぞれが図３に示されるハードウェアを有する複数のコンピュータによって構成されてもよい。また、物理リソース割当装置１０は、仮想ネットワークが収容される物理ネットワークに接続されていてもよいし、接続されていなくてもよい。

図３は、第１の実施の形態における物理リソース割当装置の機能構成例を示す図である。図３において、物理リソース割当装置１０は、物理ネットワーク情報入力部１１、サービス要求入力部１２、物理ノード選択部１３、物理経路抽出部１４、コスト算出部１５、再配置要否判定部１６、及びリソース割当部１７等を有する。これら各部は、物理リソース割当装置１０にインストールされた１以上のプログラムが、ＣＰＵ１０４に実行させる処理により実現される。物理リソース割当装置１０は、また、選出割当記憶部１１１を利用する。選出割当記憶部１１１は、例えば、補助記憶装置１０２、又は物理リソース割当装置１０にネットワークを介して接続可能な記憶装置等を用いて実現可能である。

物理ネットワーク情報入力部１１は、物理ネットワーク情報を入力する。物理ネットワーク情報は、物理ネットワークのトポロジや、物理ネットワークを構成する各リンクの帯域等を示す情報である。物理ネットワーク情報には、また、遅延行列が含まれる。遅延行列は、物理ネットワークを構成する各物理リンクの遅延時間（ＲＴＴ）の行列である。物理リンクとは、転送ノード又はサーバノードの間を接続するネットワークケーブルである。

なお、本実施の形態において、物理ネットワーク情報は、物理ネットワークのトポロジを表現する、以下のようなグラフＧを含む。

なお、リンクの重みとは、リンクの残余帯域をいう。

サービス要求入力部１２は、ｊ番目の仮想ネットワークＶＮ_ｊに関するサービス要求を入力する。サービス要求には、仮想ノードの集合Ｖ_ｊ、各仮想ノード間のトラヒック量Ｄ_ｊ、各仮想ノードに関するＮ種の物理リソースの使用量を示す行列Ｍ_ｊ、及び仮想ネットワークの許容遅延ｒ_ｊ等が含まれる。なお、仮想ノードの集合Ｖ_ｊにおいて、仮想ノードの順番は、物理経路の探索に影響する。したがって、Ｖ_ｊは、仮想ノードの配列であるともいえる。

物理ノード選択部１３は、物理ネットワーク情報に基づいて特定される物理ネットワーク（グラフＧ）を構成する物理ノードの集合（ノード集合Ｖ）の中から、サービス要求に指定された各仮想ノードに割り当て可能な物理ノードを選択する。各仮想ノードに選択される物理ノードは、相互に異なっていてもよい。仮想ノードごとに、１以上の物理ノードの集合が割り当て候補として選択される。また、仮想ノードに割り当て可能な物理ノードとは、当該仮想ノードが使用を要求する仮想的なサービスを提供可能な物理ノードであって、かつ、当該仮想ノードが要求する物理リソースの容量を許容可能な物理ノードをいう。

物理経路抽出部１４は、仮想ノード間ごとに、一端の仮想ノードに関して選択されたいずれかの物理ノードと、他端の仮想ノードに関して選択されたいずれかの物理ノードとの間を接続可能であって、当該仮想ノード間のトラヒック量を許容可能な１以上の物理経路の集合を物理ネットワークから抽出する。

コスト算出部１５は、仮想ノード間ごとに抽出された各物理経路の集合から１つずつの物理経路を選択することで得られる物理経路の各組み合わせの中で、許容遅延ｒ_ｊを満たすことが可能な組み合わせ（以下、「可能解」という。）について、所定の目的の充足度を相対的に評価するためのコストＣを算出する。コスト算出部１５は、組み合わせごとに算出されたコストＣに基づいて、所定の目的に関して最適な組み合わせ（以下、「最適可能解」という。）を選択する。

再配置要否判定部１６は、最適可能解を採用して物理リソースの割り当てを行った場合と、仮想ネットワークＶＮｊ及び現時点において物理ネットワークに収容されている他の全ての仮想ネットワークとについて全体最適化を行った場合とについて、物理リソースの割り当て状況（例えば、一部の物理リソース（物理ノード、物理リンク）に対する割り当て（使用）の集中の度合い）を比較し、該比較結果に基づいて、リソース再配置の要否を判定する。全体最適化とは、物理ネットワークに収容中の他の全ての仮想ネットワークに関して物理リソースの割り当てのし直しを行うことをいう。物理ネットワークに収容中の仮想ネットワークに関する物理リソースの割り当てのし直し（すなわち、既存の仮想ネットワークの配置変更）を、以下、「リソース再配置」という。なお、そもそも可能解が無い場合には、再配置要否判定部１６は、リソース再配置が必要であると判定する。再配置要否判定部１６は、判定結果に従った物理リソースの割り当て内容を、選出割当記憶部１１１に記憶する。すなわち、選出割当記憶部１１１には、仮想ネットワークに対する物理リソースの割り当て内容を示す情報が記憶される。

リソース割当部１７は、再配置要否判定部１６の判定結果に従った方法で、仮想ネットワークＶＮ_ｊに対して物理リソースの割り当てを行う。すなわち、リソース再配置が不要であると判定された場合、リソース割当部１７は、最適可能解に従って、リソース再配置を実行せずに、仮想ネットワークＶＮ_ｊに対して物理リソースの割り当てを行う。一方、リソース再配置が必要であると判定された場合、全体最適化に基づく方法で、仮想ネットワークＶＮ_ｊ及び収容中の仮想ネットワークに関して、物理リソースの割り当てを行う。

以下、物理リソース割当装置１０が実行する処理手順について説明する。図４は、第１の実施の形態における物理リソース割当装置が実行する処理手順の一例を説明するためのフローチャートである。

サービス要求が到着すると、サービス要求入力部１２は、当該サービス要求を入力する（ステップＳ１０１）。各サービス要求は時系列で到着する。ここでは、ｊ番目のサービス要求が到着したこととする。

続いて、物理ノード選択部１３は、ｊ番目のサービス要求において物理リソースの割り当てが要求されている仮想ネットワークＶＮ_ｊを、仮想ノードの間ごとのＬ本の仮想パスに分解する（ステップＳ１０２）。例えば、仮想ネットワークＶＮ_ｊが、図１に示されるように構成されていれば、ノードｖ_１、ｖ_２間の仮想パスと、ノードｖ_２、ｖ_３間の仮想パスとの２本の仮想パスに分解される。すなわち、Ｌ＝仮想ノードの数−１である。

続いて、物理ノード選択部１３は、仮想パスごとに、当該仮想パスの両端のそれぞれの仮想ノードについて、当該仮想ノードに割り当て可能（当該仮想ノードを収容可能）な１以上の物理ノードの集合を選択する（ステップＳ１０３）。すなわち、仮想ネットワークＶＮ_ｊの各仮想ノードに関して、１以上の物理ノードの集合が選択される。仮想ノードに割り当て可能な物理ノードとは、当該仮想ノードが使用を要求する仮想的なサービスを提供可能な物理ノードであって、かつ、当該仮想ノードによるＮ種の物理リソースの使用量を許容可能な物理ノードである。なお、仮想ノードによるＮ種の物理リソースの使用量を許容可能な物理ノードとは、例えば、Ｎ種の物理リソースのそれぞれの残余容量が、当該仮想ノードによる使用量以上である物理ノードをいう。各物理ノードのＮ種の物理リソースの残容量は、例えば、選出割当記憶部１１１を参照して特定可能である。

続いて、物理経路抽出部１４は、仮想パスごとに、ｋ本の物理経路の集合を物理ネットワーク（グラフＧ）から抽出する（ステップＳ１０４）。ここで抽出される集合は、各仮想パスに対応する物理経路の候補である。１つの仮想パスに関する物理経路の集合の抽出は、例えば、次のように行われてもよい。

まず、仮想パスの両端の仮想ノードに関してステップＳ１０３において選択された各物理ノードに単一経路で接続するスーパーノードが追加されたグラフを考える。当該スーパーノードの対をＳ１、Ｓ２とする。

図５は、仮想パスに対する物理経路の集合を抽出するために利用されるグラフの一例を示す図である。図５では、仮想ノードｖ_１に対して、物理ノードＶａ、Ｖｂ、及びＶｃが選択され、仮想ノードｖ_２に対して、物理ノードＶｄ及びＶｅが選択された状態において、物理ノードＶａ、Ｖｂ、及びＶｃに対してスーパーノードＳ１が追加され、物理ノードＶｄ及びＶｅに対してスーパーノードＳ２が追加されたグラフが示されている。

物理経路抽出部１４は、スーパーノードＳ１に対応するいずれかの物理ノードと、スーパーノードＳ２に対応するいずれかの物理ノードとの間を接続可能であって、対応する仮想パス（仮想ノード間）に関して要求されているトラヒック量を許容可能な物理経路の中から、ｋ本の物理経路を抽出する。例えば、スーパーノードＳ１、Ｓ２間にｋ−ｓｈｏｒｔｅｓｔ ｐａｔｈ ｆｉｒｓｔアルゴリズムが適用されて、ｋ本の物理経路が抽出されてもよい。なお、要求されているトラヒック量を許容可能な物理経路とは、例えば、当該物理経路を構成する全ての物理リンクの残余帯域が、当該トラヒック量以上である物理経路をいう。

続いて、物理経路抽出部１４は、変数ｉに０を代入する（ステップＳ１０５）。変数ｉは、ステップＳ１０６の実行回数を記憶するための変数である。続いて、コスト算出部１５は、仮想パスごとに、当該仮想パスに関して抽出されたｋ本の物理経路の中から１本の物理経路をランダムに選択する（ステップＳ１０６）。なお、選択された物理経路の組み合わせは、仮想ネットワークＶＮ_ｊの全体に対応する物理経路の候補に該当する。

続いて、コスト算出部１５は、選択された各物理経路のそれぞれについて、物理ネットワーク情報に含まれている遅延行列に基づいて、遅延時間を算出する（ステップＳ１０７）。続いて、コスト算出部１５は、選択された各物理経路のそれぞれに対して算出された遅延時間の総和を算出する（ステップＳ１０８）。続いて、コスト算出部１５は、当該総和が許容遅延ｒ_ｊ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０９）。当該総和が許容遅延ｒ_ｊ以下でなければ（ステップＳ１０９でＮｏ）、ステップＳ１１２に進む。

当該総和が許容遅延ｒ_ｊ以下であれば（ステップＳ１０９でＹｅｓ）、コスト算出部１５は、選択された物理経路の組み合わせを、可能解として、例えば、メモリ装置１０３に記憶する（ステップＳ１１０）。なお、サービス要求において、許容遅延ｒ_ｊが指定されない場合には、遅延時間ｒｊによる制限が考慮されないで、可能解が特定されてもよい。

続いて、コスト算出部１５は、当該可能解に関してコストＣを算出する（ステップＳ１１１）。コストＣは、例えば、以下の式により算出される。
コストＣ＝αｈ＋βＨＷ。
ここでα、βはそれぞれ任意に設定可能な定数である。すなわち、αは、ｈに対する重み係数であり、βは、ＨＷに対する重み係数である。ｈは、可能解のホップ数の総和である。Ｈは、可能解に対して割り当てられた物理ノードのＮ種類の物理リソースの容量の残余率を要素とするＮ次元のベクトルについて、各要素の逆数をとったものである。Ｗは、Ｈの各要素の荷重和をとるための非負対角行列である。なお、物理リソースの容量の残余率とは、当該物理リソースの使用量を当該物理リソースの上限値で除した値である。当該物理リソースの使用量は、当該物理リソースが割り当てられた仮想ノードに関する物理リソースの使用量によって更新された値である。

続いて、コスト算出部１５は、変数ｉに１を加算する（ステップＳ１１２）。続いて、コスト算出部１５は、変数ｉの値が、上限値Ｍ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１３）。変数ｉの値が、上限値Ｍ未満であれば（ステップＳ１１３でＮｏ）、ステップＳ１０６以降が繰り返される。変数ｉの値が、上限値Ｍ以上であれば（ステップＳ１１３でＹｅｓ）、ステップ１１４に進む。すなわち、可能解がＭ回探索される。

続いて、コスト算出部１５は、全体最適化を実行した場合の、物理ネットワークに対する各仮想ネットワークの収容形態を算出する（Ｓ１１４）。当該各仮想ネットワークは、仮想ネットワークＶＮ_ｊと、現時点において物理ネットワークに収容中である他の仮想ネットワークとである。また、収容形態とは、各仮想ネットワークに対して割り当てられる物理ノード及び物理経路等を示す情報であり、当該物理ノードのＮ種の物理リソースの残容量や、当該物理経路を構成する各リンクの残余帯域の更新結果を示す情報である。

続いて、コスト算出部１５は、１以上の可能解が有るか否かを判定する（ステップＳ１１４）。可能解が１つも無い場合（ステップＳ１１５でＮｏ）、コスト算出部１５は、リソース再配置が必要であると判定する（ステップＳ１２０）。

一方、１以上の可能解が有る場合（ステップＳ１１５でＹｅｓ）、コスト算出部１５は、可能解のうち、コストＣの値が最小である可能解を、最適可能解として選択する（ステップＳ１１６）。すなわち、上記における所定の目的とは、コストＣを最小化することである。なお、コストＣは、他の算出式によって算出されてもよい。

続いて、再配置要否判定部１６は、最適可能解を採用した場合について、一部の物理リソース（物理ノード、物理リンク）に対して割り当てが集中している度合いを示す指標値を算出する（ステップＳ１１７）。第１の実施の形態では、斯かる指標値として、Ｎ種の物理リソースのうちのいずれかが比率ｐ１以上を消費している物理ノードの数について、物理ネットワークの全物理ノード数に対する割合ｐｎ_１と帯域使用率がｐ２以上の物理リンクの数について、物理ネットワークの全物理リンク数に対する割合ｐｌ_１とが算出される。なお、ｐ１及びｐ２は、任意に設定可能なパラメータである。

続いて、再配置要否判定部１６は、全体最適化を採用した場合について、一部の物理リソースに対して割り当てが集中している度合いを示す指標値を算出する（ステップＳ１１８）。具体的には、Ｎ種の物理リソースのうちのいずれかが比率ｐ１以上を消費している物理ノードの数について、物理ネットワークの全物理ノード数に対する割合ｐｎ_０と、帯域使用率がｐ２以上の物理リンクの数について、物理ネットワークの全物理リンク数に対する割合ｐｌ_０とが算出される。

続いて、再配置要否判定部１６は、以下の式（１）が成立するか否かを判定する（ステップＳ１１９）。
（ｐｌ_１−ｐｌ_０≧δ_０）∧（ｐｎ_１−ｐｎ_０≧δ_１） ・・・（１）
ここで、δ_０及びδ_１は、それぞれ閾値である。

式（１）が成立する場合（ステップＳ１１９でＹｅｓ）、再配置要否判定部１６は、リソース再配置が必要であると判定する（ステップＳ１２０）。この場合、再配置要否判定部１６は、ステップＳ１１４において算出された収容形態を示す情報を、選出割当記憶部１１１に記憶する。

一方、式（１）が成立しない場合、（ステップＳ１１９でＮｏ）、再配置要否判定部１６は、リソース再配置が不要であると判定する（ステップＳ１２１）。この場合、再配置要否判定部１６は、最適可能解を示す情報を、選出割当記憶部１１１に記憶する。

その後、リソース割当部１７は、選出割当記憶部１１１に記憶された情報が示す態様で、仮想ネットワークＶＮ_ｊ等に対して物理リソースの割り当てを行う。

なお、ステップＳ１１９において、物理ノードのＮ種の物理リソースのそれぞれの使用率の最小値や、物理リンクの使用帯域の最小値等が、最適可能解を採用した場合と、全体最適化を実行した場合とについて比較されてもよい。これらの最小値の差（最適可能解を採用した場合−全体最適化を実行した場合）が、閾値以上であれば、リソース再配置が必要であると判定されてもよい。

次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では第１の実施の形態と異なる点について説明する。第２の実施の形態において特に言及されない点については、第１の実施の形態と同様でもよい。第２の実施の形態では、図４のステップＳ１１７〜Ｓ１１９が、第１の実施の形態と異なる。すなわち、第２の実施の形態では、一部の物理リソースに対して割り当てが集中している度合いを示す指標値が、第１の実施の形態と異なる。

ステップＳ１１７において、再配置要否判定部１６は、物理ネットワークを示すグラフＧの各物理ノードのＮ種の物理リソースの残余容量のベクトルから、定数ベクトル（ｍ１，ｍ２，・・・，ｍｎ）を差し引き、かつ、各物理リンクの残余帯域から定数Ｍ０を差し引くことで得られるグラフＧ'について、最適可能解を採用した場合の、各物理ノード対の局所辺連結度のα確率点χ_０及び局所点連結度のα確率点λ_０を算出する。ここで、定数ベクトル（ｍ１，ｍ２，・・・，ｍｎ）の各値は、各物理ノードの媒介中心性について単調増加な値な値とする。また、定数Ｍ０は、各物理リンクの媒介中心性について、単調増加な値とする。更に、各物理ノード対の局所辺連結度又は局所点連結度のα確率点とは、αが３０％であれば、各物理ノード対の局所辺連結度又は局所点連結度のうち、下位から３０％に位置する局所辺連結度又は局所点連結度をいう。例えば、各物理ノード対の数が１０個であれば、これらの局所辺連結度又は局所点連結度のうち、下から３番目の値をいう。

ステップＳ１１８において、再配置要否判定部１６は、同様に、グラフＧ'について、全体最適化を実行した場合の各物理ノード対の局所辺連結度のα確率点χ_１及び局所点連結度のα確率点λ_１を算出する。

ステップＳ１１９において、再配置要否判定部１６は、以下の式（２）が成立するか否かを判定する（Ｓ１２０）。
（χ_１−χ_０≧δ_０）∧（λ_１−λ_０≧δ_１） ・・・（２）
式（２）が成立する場合（ステップＳ１１９でＹｅｓ）、再配置要否判定部１６は、リソース再配置が必要であると判定する（ステップＳ１２０）。この場合、再配置要否判定部１６は、ステップＳ１１４において算出された収容形態を示す情報を、選出割当記憶部１１１に記憶する。

一方、式（２）が成立しない場合、（ステップＳ１１９でＮｏ）、再配置要否判定部１６は、リソース再配置が不要であると判定する（ステップＳ１２１）。この場合、再配置要否判定部１６は、最適可能解を示す情報を、選出割当記憶部１１１に記憶する。

次に、従来方式と第１の実施の形態とを比較した数値実験（シミュレーション）について述べる。ここでは、時間は無次元の実数で表すこととする。数値実験における性能評価は、以下の（１）及び（２）の２つの指標に基づいて行われる。
（１）時間無限大におけるサービス要求の受付成功率
（２）時間無限大における、サービス要求あたりのリソース再配置実行回数
図６は、シミュレーションに利用された物理ネットワークを示す無向グラフの構成例を示す図である。図６には、３０個の転送ノードが示されている。サーバノードは、各転送ノードに１つずつ接続されている。

シミュレーションにおいて、サービス要求到着パターンは平均λ＝１のＰｏｉｓｓｏｎ到着、平均滞在時間μ＝１００の指数分布に従うとする。すなわち、各サービス要求に係る仮想ネットワークは到着後、所定時間経過後に退去する。また、各仮想ネットワークの仮想ノード数は２つであり（すなわち、各仮想ネットワークは単一経路であり）、各仮想ノードに割り当てられる物理ノードは、集合Ｖからランダムに非復元抽出され、４００サービス要求到着までシミュレーションが実行される。

第１の実施の形態における方式（以下、「提案方式」という。）と比較される従来方式は、従来方式（１）及び（２）である。従来方式（１）は、到着した仮想ネットワークの収容が不可能である場合に限り、リソース再配置を実行する方式である。従来方式（２）は、毎回リソース再配置を行う方式である。

なお、シミュレーションにおいて、提案方式に関する各パラメータの設定値は、以下の通りである。

図７は、定常状態における各方式の受付成功率の比較結果を示す図である。定常状態とは、シミュレーションが開始されてから、サービス要求の到着と、仮想ネットワークの退去とが安定している状態をいう。

図７によれば、収容可能な仮想ネットワーク数について、提案方式は、従来方式（２）とほぼ同等であるが、既存方式（１）に対して有利であることが分かる。換言すれば、収容可能な仮想ネットワーク数について、提案方式による低下は認められないことが分かる。

また、図８は、各方式のリソース再配置実行回数の比較結果を示す図である。図８によれば、リソース再配置実行回数について、提案方式は、既存手法（１）よりは多くなるものの、既存手法（２）に対しては、約１４％の低減が実現されていることが分かる。

上述したように、本実施の形態によれば、仮想ネットワークの収容数の低下を抑えつつリソース再配置の回数を削減可能とすることができる。例えば、本実施の形態を、仮想ネットワーク上で複数のサービス要素を結合して提供するサービスファンクションチェイニング技術に適用して、物理ノードおよびリンク帯域の割り当てを適切に行うことで、従来方式と比して同等の収容率を保持しつつ、リソース再配置の実行回数を低減することができる。その結果、仮想ネットワークによって提供されるサービスの利用者に対する影響を低減させることができる。

なお、本実施の形態において、サービス要求入力部１２は、入力部の一例である。物理ノード選択部１３は、第１の選択部の一例である。物理経路抽出部１４は、抽出部の一例である。コスト算出部１５は、第２の選択部の一例である。再配置要否判定部１６は、判定部の一例である。サービス要求は、物理ネットワークが有する物理リソースの割当要求の一例である。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 物理リソース割当装置
１１ 物理ネットワーク情報入力部
１２ サービス要求入力部
１３ 物理ノード選択部
１４ 物理経路抽出部
１５ コスト算出部
１６ 再配置要否判定部
１７ リソース割当部
１００ ドライブ装置
１０１ 記録媒体
１０２ 補助記憶装置
１０３ メモリ装置
１０４ ＣＰＵ
１０５ インタフェース装置
１１１ 選出割当記憶部
Ｂ バス

Claims (7)

1. 複数の仮想ノードの集合と、各仮想ノードの物理リソースの使用量と、各仮想ノード間のトラヒック量とが指定された仮想ネットワークに関して、物理ネットワークが有する物理リソースの割当要求を入力する入力部と、
   前記仮想ノードごとに、前記物理ネットワークを構成する物理ノードの中から、当該仮想ノードに関する物理リソースの使用量を許容可能な１以上の物理ノードの集合を選択する第１の選択部と、
   前記仮想ノード間ごとに、一端の仮想ノードに関して選択されたいずれかの物理ノードと、他端の仮想ノードに関して選択されたいずれかの物理ノードとの間において、当該仮想ノード間のトラヒック量を許容可能な１以上の物理経路の集合を前記物理ネットワークから抽出する抽出部と、
   前記仮想ノード間ごとに抽出された各物理経路の集合から１つずつの物理経路を選択することで得られる物理経路の各組み合わせの中から所定の目的に関して最適な組み合わせを選択する第２の選択部と、
   前記物理ネットワークに収容中である他の仮想ネットワークに割り当てられた物理経路の再配置を行わずに前記最適な組み合わせに係る物理経路を前記物理ネットワークに配置した場合と、前記再配置を行って前記最適な組み合わせに係る物理経路を前記物理ネットワークに配置した場合とのそれぞれについて、前記物理ネットワークの一部の物理リソースに割り当てが集中している度合いを示す指標値を算出し、前記再配置を行わない場合の前記指標値からの前記再配置を行う場合の前記指標値の差が閾値以上である場合に前記再配置を行うと判定し、そうでない場合に前記再配置を行わないと判定する判定部と、
   を有することを特徴とする物理リソース割当装置。
2. 前記入力部は、更に、許容遅延が指定された仮想ネットワークに関して前記割当要求を入力し、
   前記第２の選択部は、前記仮想ノード間ごとに抽出された各物理経路の集合から１つずつの物理経路を選択することで得られる物理経路の各組み合わせの中で、前記許容遅延を満たすことが可能な組み合わせを抽出し、抽出された各組み合わせ中から前記所定の目的に関して最適な組み合わせを選択する、
   ことを特徴とする請求項１記載の物理リソース割当装置。
3. 前記指標値は、前記物理ネットワークの全物理ノードのうち物理リソースを消費している比率が第１のパラメータ以上である物理ノードの第１の割合と、前記物理ネットワークの全物理リンクのうち帯域使用率が第２のパラメータ以上である物理リンクの第２の割合とを含み、
   前記判定部は、前記再配置を行わない場合の前記第１の割合からの前記再配置を行う場合の前記第１の割合の差、及び前記再配置を行わない場合の前記第２の割合からの前記再配置を行う場合の前記第２の割合の差のそれぞれが閾値以上である場合に前記再配置を行うと判定し、そうでない場合に前記再配置を行わないと判定する、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の物理リソース割当装置。
4. 前記指標値は、前記物理ネットワークの各物理ノードの物理リソースの使用率のうちの第１の最小値、及び前記物理ネットワークの各物理リンクの使用帯域のうちの第２の最小値を含み、
   前記判定部は、前記再配置を行わない場合の前記第１の最小値からの前記再配置を行う場合の前記第１の最小値の差、及び前記再配置を行わない場合の前記第２の最小値からの前記再配置を行う場合の前記第２の最小値の差のそれぞれが閾値以上である場合に前記再配置を行うと判定し、そうでない場合に前記再配置を行わないと判定する、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の物理リソース割当装置。
5. 前記指標値は、各物理ノード対の局所辺連結度のα確率点と、各物理ノード対の局所点連結度のα確率点とを含み、
   前記判定部は、前記物理ネットワークの各物理ノードの物理リソースのそれぞれの残量からそれぞれごとの定数を差し引き、かつ、前記物理ネットワークの各物理リンクのそれぞれの残余帯域から定数を差し引いた状態において、前記再配置を行わない場合の前記局所辺連結度のα確率点からの前記再配置を行う場合の前記局所辺連結度のα確率点の差、及び前記再配置を行わない場合の前記局所点連結度のα確率点からの前記再配置を行う場合の前記局所点連結度のα確率点の差のそれぞれが閾値以上である場合に前記再配置を行うと判定し、そうでない場合に前記再配置を行わないと判定する、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の物理リソース割当装置。
6. コンピュータが、
   複数の仮想ノードの集合と、各仮想ノードの物理リソースの使用量と、各仮想ノード間のトラヒック量とが指定された仮想ネットワークに関して、物理ネットワークが有する物理リソースの割当要求を入力する入力手順と、
   前記仮想ノードごとに、前記物理ネットワークを構成する物理ノードの中から、当該仮想ノードに関する物理リソースの使用量を許容可能な１以上の物理ノードの集合を選択する第１の選択手順と、
   前記仮想ノード間ごとに、一端の仮想ノードに関して選択されたいずれかの物理ノードと、他端の仮想ノードに関して選択されたいずれかの物理ノードとの間において、当該仮想ノード間のトラヒック量を許容可能な１以上の物理経路の集合を前記物理ネットワークから抽出する抽出手順と、
   前記仮想ノード間ごとに抽出された各物理経路の集合から１つずつの物理経路を選択することで得られる物理経路の各組み合わせの中から所定の目的に関して最適な組み合わせを選択する第２の選択手順と、
   前記物理ネットワークに収容中である他の仮想ネットワークに割り当てられた物理経路の再配置を行わずに前記最適な組み合わせに係る物理経路を前記物理ネットワークに配置した場合と、前記再配置を行って前記最適な組み合わせに係る物理経路を前記物理ネットワークに配置した場合とのそれぞれについて、前記物理ネットワークの一部の物理リソースに割り当てが集中している度合いを示す指標値を算出し、前記再配置を行わない場合の前記指標値からの前記再配置を行う場合の前記指標値の差が閾値以上である場合に前記再配置を行うと判定し、そうでない場合に前記再配置を行わないと判定する判定手順と、
   を実行することを特徴とする物理リソース割当方法。
7. 請求項１乃至５いずれか一項記載の各部としてコンピュータを機能させるためのプログラム。

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