JP6466800B2 - ネットワーク評価システム、サービス故障率算出方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、ネットワーク機能を仮想化する技術であるNFV（Network Function Virtualization）を適用した通信ネットワークにおける信頼性を評価する技術に関連するものである。

従来から、通信ネットワークの信頼性を評価する様々な技術がある。一般的には、通信ネットワークを構成する設備の種類と設備の構成（設備の接続構成や冗長構成）によって、当該通信ネットワークに対する評価モデルを作成し、個々のネットワーク設備が有する故障確率（例えば、故障率や不稼動率）の積や和を用いて、評価モデルについての信頼性を算出する。

そして、対象とする通信ネットワークの信頼性は、当該通信ネットワークに対して求められている故障確率をもとに、個々のネットワーク設備に対して当該故障確率を配分し、配分された故障確率と、評価モデルをもとに算出された信頼性とを比較することよって評価される。ネットワーク信頼性の評価方法に関する従来技術としては、例えば、非特許文献１に開示されている信頼性評価技術がある。非特許文献１に開示されている信頼性評価技術は、ネットワークの計画・設計・構築を実施する上で的確な判断を支援するための技術である。

仮想化技術を適用したネットワークシステムでは、これまでのネットワーク設備の冗長化構成が変化する。具体的には、従来は各ネットワーク設備に対して一つの予備系を用意する二重冗長化が一般的であった。一方、仮想化技術を適用したネットワークシステムでは、ネットワーク機能がソフトウェア化されることで様々なサーバ上で動作するため、従来の二重冗長化の必要性が低くなる。そのため、複数のネットワーク機能で共用できるリソースプールによる冗長化が一般的となる。しかしながら、複数のサーバを収容することによる共通部（例：ラック）の故障も考慮する必要がでてくる。

非特許文献２では、仮想化技術を適用したネットワークシステムにおけるネットワーク設備の冗長化の方法についての記載がされている。

「ＮＴＴ通信網を理解していただくために」（ＮＴＴ通信網研究会，１９９４）"第８章 安定品質"，ｐｐ．３１４−３２９ "Network Function Virtualisation - Draft ETSI GS NFV-REL 001 v0.2.3", ETSI, Sep. 2014 .

仮想化技術を適用したネットワークシステムでは、各ネットワーク設備を二重冗長化するのではなく、ネットワーク機能がソフトウェア化されることで様々なサーバ上で機能するため、ネットワークシステムを構成するリソースプールの予備リソース（以下、予備リソース）で冗長化構成をとることが大きな特徴である。従って、仮想化技術を適用したネットワークシステムの信頼性を評価するには、当該予備リソースの量を適切に考慮することが必要である。なお、ネットワーク機能が動作するためには、ネットワーク機能の要求条件を満たす現用リソース量が必要である。ここで、リソース量とはサーバの数と同義である。

仮想化技術を適用したネットワークシステムにおける信頼性を評価する上で、サーバの故障のみを考慮する場合は、従来のネットワーク評価モデルを用いた方法で評価を行うことが可能である。

しかしながら、従来のネットワーク評価モデルでは、複数のサーバが利用できなくなる共通部の故障を考慮していないため、仮想化技術を適用したネットワークシステムに対する信頼性評価を適切に行うことができない。

例えば非特許文献１においては、サーバの故障のみを考慮しており、共通部の故障は考慮していないため、非特許文献１の技術を仮想化技術を用いたネットワークシステムの信頼性評価に適用することはできない。また、非特許文献２には、リソースプールによる冗長化について記載されているものの、サーバの故障や共通部の故障を考慮した予備リソース量について考慮されていないため、非特許文献２の技術についても、仮想化技術を用いたネットワークシステムの信頼性評価に適用することはできない。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、仮想化技術を用いたネットワークシステムにおいて、信頼性に相当するサービス故障率を適切に算出することを可能とする技術を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態によれば、仮想化技術を適用したネットワークシステムのサービス故障率を算出するネットワーク評価システムであって、
前記ネットワークシステムは、現用リソースと予備リソースとを含み、当該現用リソースと当該予備リソースはそれぞれ１つ又は複数の共通部に収容され、当該現用リソースと当該予備リソースはそれぞれ１つ又は複数のサーバにより構成されており、
前記現用リソースの量、前記サーバの故障率、前記共通部の数、前記共通部の故障率、及び、前記予備リソースの量を入力データとして入力する入力手段と、
前記入力手段により入力された入力データに基づいて、前記現用リソースの量を維持できなくなるサービス故障が発生する確率である前記サービス故障率を算出するサービス故障率算出手段と、
前記サービス故障率算出手段により算出された前記サービス故障率を出力する出力手段と
を備えることを特徴とするネットワーク評価システムが提供される。

また、本発明の実施の形態によれば、仮想化技術を適用したネットワークシステムのサービス故障率を算出するネットワーク評価システムが実行するサービス故障率算出方法であって、
前記ネットワークシステムは、現用リソースと予備リソースとを含み、当該現用リソースと当該予備リソースはそれぞれ１つ又は複数の共通部に収容され、当該現用リソースと当該予備リソースはそれぞれ１つ又は複数のサーバにより構成されており、
前記現用リソースの量、前記サーバの故障率、前記共通部の数、前記共通部の故障率、及び、前記予備リソースの量を入力データとして入力する入力ステップと、
前記入力ステップにより入力された入力データに基づいて、前記現用リソースの量を維持できなくなるサービス故障が発生する確率である前記サービス故障率を算出するサービス故障率算出ステップと、
前記サービス故障率算出ステップにより算出された前記サービス故障率を出力する出力ステップと
を備えることを特徴とするサービス故障率算出方法が提供される。

本発明の実施の形態によれば、仮想化技術を用いたネットワークシステムにおいて、信頼性に相当するサービス故障率を適切に算出することが可能となる。

本発明の実施の形態におけるネットワーク評価システム１００の構成図である。 想定されるサーバの構成を示す図である。 サーバの故障を示す図である。 共通部の故障を示す図である。 サービス故障となるケースを説明するための図である。 予備リソース量とサービス故障率を示す図である。 ネットワーク評価システム１００が実行する処理手順を示すフローチャートである。 評価に用いる数値例を示す図である。 予備リソース量に対するサービス故障率の計算結果例を示す図である。 予備リソース量に対するサービス故障率のグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、以下で説明する実施の形態は一例に過ぎず、本発明が適用される実施の形態は、以下の実施の形態に限られるわけではない。

（システム構成）
図１に、本発明の実施の形態に係るネットワーク評価システム１００の構成図を示す。ネットワーク評価システム１００は、仮想化技術を用いたネットワークシステムにおけるサービス故障率を算出することで、信頼性を評価することを可能とするシステムであり、図１に示すように、入力部１０１、サービス故障率算出部１０２、判定部１０３、及び出力部１０４を有する。各機能部の概要は以下のとおりである。詳細な処理内容については後述する。

入力部１０１は、評価対象のネットワークシステムにおける現用リソース量、サーバの故障率、共通部の数、共通部の故障率、及び予備リソース量を入力する。入力された情報は、例えば、ネットワーク評価システム１００におけるメモリ等の記憶部に格納される。

サービス故障率算出部１０２は、入力部１０１から入力された情報に基づいて、評価対象のネットワークシステムにおける信頼性に相当するサービス故障率を算出する。判定部１０３は、サービス故障率算出部１０２による処理を継続するか、それとも算出結果を出力するかを判定する。出力部１０４は、サービス故障率算出部１０２による算出結果を出力する。

本実施の形態に係るネットワーク評価システム１００は、例えば、コンピュータに、本実施の形態で説明する処理内容を記述したプログラムを実行させることにより実現可能である。すなわち、ネットワーク評価システム１００が有する機能は、当該コンピュータに内蔵されるＣＰＵやメモリなどのハードウェア資源を用いて、ネットワーク評価システム１００で実施される処理に対応するプログラムを実行することによって実現することが可能である。上記プログラムは、コンピュータが読み取り可能な記録媒体（可搬メモリ等）に記録して、保存したり、配布したりすることが可能である。また、上記プログラムをインターネットや電子メールなど、ネットワークを通して提供することも可能である。

以下、本実施の形態に係るネットワーク評価システム１００の動作において前提としている評価モデルに係る事項として、「想定されるサーバの構成」、「サーバの故障及び共通部の故障」、「サービス故障率」、「サービス故障率を求める式」について説明し、その後にネットワーク評価システム１００の動作を説明する。

（想定されるサーバの構成）
図２に、評価対象とするネットワークシステムにおいて想定されるサーバの構成例を示す。図２（図３〜図５も同様）において、サーバ−Ａは現用サーバを示し、サーバ−Ｒは予備サーバを示す。現用サーバと予備サーバにはそれぞれ共通部が備えられている。また、共通部毎の現用サーバの数（現用リソース量）と予備サーバの数（予備リソース量）は同じである。

（サーバの故障及び共通部の故障）
図３に、サーバの故障の例を示す。図３に示す例は、現用サーバにおける単一故障（１つのサーバの故障）を示している。サーバの故障は共通部には影響を与えないものとする。また、本実施の形態において、サーバの故障は単一故障、及び二重故障を考慮し、三重故障以上は発生確率が極めて低いため考慮しない。

図４に、共通部の故障について示す。図４に示すとおり、共通部が故障した場合、共通部に収容される全てのサーバに影響を与える。すなわち、共通部が故障した場合、共通部に収容される全てのサーバも故障したと見なす。共通部の故障は、単一故障のみを考慮し、二重故障以上は発生確率が極めて低いため考慮しない。

また、サーバの故障と共通部の故障は、現用、及び予備サーバの両方に発生し得るものとする。

（サービス故障率）
サービス故障率とは、サーバもしくは共通部に故障が発生した際に、サービス故障となる確率、すなわち、サービス提供に必要な現用サーバの数を維持できない確率と定義する。また、サービス故障率は、ネットワークシステムの信頼性に相当する値である。

図５を参照してサービス故障の例について説明する。図５（ａ）では、現用サーバを収容する共通部の故障が発生した場合について示している。図５（ａ）に示すとおり、故障が発生した共通部に収容される全ての現用サーバが故障したと見なされるが、予備サーバがあるため、予備サーバが現用サーバに切り替わり、現用サーバの数（図５の例では６台）を維持できるため、サービス故障とならない。

図５（ｂ）の例では、図５（ａ）に示す故障・切り替えが発生した後に、更に共通部の故障が発生した場合を示している。ここでは、もともとあった予備サーバが現用サーバになっているため、予備サーバがない。従って、現用サーバの個数を維持できずにサービス故障となる。

（サービス故障率を求める式）
本実施の形態では、評価対象のネットワークシステムにおいて、サーバの単一故障、及び二重故障と共通部の単一故障を想定する。そして、故障パターンを、Ａ．サーバの単一故障、Ｂ．サーバの二重故障、Ｃ．共通部の単一故障、Ｄ．サーバの故障発生後に共通部の故障発生、Ｅ．共通部の故障発生後にサーバの故障発生、の５パターンに分類する。なお、ここで示すパターン分けは一例であり、他のパターン分けをしてもよい。

また、本実施の形態では、現用系N個（N個の現用サーバ）、予備系m個（m個の予備サーバ）のN+m冗長構成を想定し、k個の共通部にサーバが収容され、各共通部にはl(注：アルファベットのエル)個のサーバが収容されているものとする。また、サーバの故障率をλh、共通部の故障率をλcとする。これらの想定の下で、各パターンの発生確率は次式で表現される。

図６に、予備リソース量とサービス故障率を示す。なお、図６に示すサービス故障率の式において、mをm_hと表し、λcをλと表している。また、図６は、故障パターンに応じて分類された予備リソース量の区分毎に、サービス故障率の算出式を示している。

予備リソース量がm=0のとき、Ａ〜Ｅのいずれの事象が発生した場合もサービス故障となるため、Ａ〜Ｅの発生確率の和を、予備リソース量m=0のときのサービス故障率としている。

予備リソース量がm=1のとき、Ａの事象が発生した場合のみサービス故障とならないため、Ｂ〜Ｅの発生確率の和を、予備リソース量m=1のときのサービス故障率としている。

また、予備リソース量mが2以上で(l-1)以下である場合、ＡもしくはＢの事象が発生した場合のみサービス故障とならないため、Ｃ〜Ｅの発生確率の和を当該予備リソース量のときのサービス故障率としている。

また、予備リソース量mがl（アルファベットのエル）である場合、ＤもしくはＥの事象（いずれも故障サーバ数がl+1）が発生した場合にサービス故障となるため、Ｄ〜Ｅの発生確率の和を、当該予備リソース量のときのサービス故障率としている。

本実施の形態における想定では、故障するサーバの個数は(l+1)個以上にならないため、予備リソース量mが(l+1)以上である場合には、サービス故障率を0としている。

なお、サービス故障とは、現用リソース量がハードウェアの故障により、元々の現用リソース量以下となった状態である。また、サービス故障となる確率が、サービス故障率である。本実施の形態では、予備リソース量毎のサービス故障率を算出し、サービス故障率の大小を目標とするサービス故障率と比較することで評価を行うことが可能である。

また、図６に示す予備リソース量毎のサービス故障率の算出式は、ネットワーク評価システム１００におけるサービス故障率算出部１０２の記憶手段に予め格納されており、サービス故障率算出部１０２は、当該算出式を用いて所望の予備リソース量に対応するサービス故障率を算出することができる。

（ネットワーク評価システム１００の動作）
次に、これまでに説明した前提（モデル）に基づいて、本実施の形態に係るネットワーク評価システム１００の動作について図７のフローチャートの手順に従って説明する。ネットワーク評価システム１００の構成については図１に示したとおりである。

まず、入力部１０１から、評価対象とするネットワークシステムについての現用リソース量、サーバの故障率、共通部の数、共通部の故障率、予備リソース量を入力する（ステップＳ１０１）。サーバ／共通部の故障率については、事前に定めた値を用いてもよいし、運用中のネットワークシステムにおいてリアルタイムでモニタリングされる故障率を利用することとしてもよい。

次に、サービス故障率算出部１０２が、入力部１０１から入力されたデータに基づいて、入力された予備リソース量mに対応する式（図６に示した式のうちのいずれか）を用いることにより、入力されたデータに対するサービス故障率を算出する（ステップＳ１０２）。

続いて、判定部１０３が、再度評価を行うことが必要かどうかを判定する（ステップＳ１０３）。ここでの判定は、例えば、予め定めた複数の予備リソース量や共通部の数に対する算出を全て終えたかどうかで実施することができる。

ステップＳ１０３での判定がＹｅｓ（再度評価を行うことが必要）である場合、ステップＳ１０１に戻り、例えば、予め定めていた次の予備リソース量を含むデータを入力して、ステップＳ１０２での計算を行う。なお、最初のステップＳ１０１において、予め定めた複数の予備リソース量を含むデータを入力しておき、当該データを記憶部に保持し、ステップＳ１０３での判定がＹｅｓの場合には、記憶部から必要なデータを読み出すことで順次ステップＳ１０２での計算を行うこととしてもよい。

ステップＳ１０３での判定がＮｏ（評価が終了）の場合、出力部１０４は、ここで使用された予備リソース量mと、算出されたサービス故障率を出力する(ステップＳ１０４)。

この後、例えば、出力された予備リソース量毎のサービス故障率と、予め定めた目標とするサービス故障率（目標値）とを比較することにより、サービス故障率が目標値以下となる最小の予備リソース量を、実際の予備リソース量として決定する、等の判断を行うことが可能となる。このような判断についてもサービス故障率算出部１０２が実行して、判断結果を出力することとしてもよい。

（実施例）
以下では、実施例として、具体的な数値例を使用した計算について説明する。図８に、本実施例において使用する数値例を示す。

まず、入力部１０１から、評価対象とするネットワークについての現用リソース量、サーバの故障率、共通部の数、共通部の故障率、予備リソース量を入力する。ここでは、現用リソース量、サーバの故障率、共通部の数、共通部の故障率について図８に記載されている数値を入力する。また、予備リソース量mについては0、1、2、3、4、12、13、100、101を入力する。また、共通部の数kに対応するサーバの収容数lについては、k=2のときl=100、k=10のときl=12、k=50のときl=3である。サーバの収容数lについては、入力部１０１から入力することとしてもよいし、サービス故障率算出部１０２が、現用リソース量とkに基づいて算出してもよい。

サービス故障率算出部１０２は、k=2、10、50のうち、最初にk=2として、予備リソース量m=0、1、2、3、4、12、13、100、101のそれぞれについてのサービス故障率を算出する。同様に、サービス故障率算出部１０２は、k=10、50のそれぞれについて、予備リソース量m=0、1、2、3、4、12、13、100、101のそれぞれについてのサービス故障率を算出する。

上記の算出処理が終了すると、出力部１０４は、共通部の数kと予備リソース量mの各組毎に、共通部の数k、予備リソース量m、及び算出されたサービス故障率を出力する。

図９に、上記の処理の結果として得られたサービス故障率の例を示す。前述したように、本実施の形態で想定する故障パターンでは、予備リソース量が(l＋1)以上であれば、サービス故障率は0となる。例えば、k=10のときl=12であるから、k=10のときに予備リソース量m=13の場合、図９に示すとおりサービス故障率は0となる。

図９に示すように、予備リソース量が0のとき、共通部の数が増加するにつれて、サービス故障率が高くなっていることがわかる。これは、故障する箇所が多いためである。一方で、共通部の数が少ないほど、サービス故障率が0となるために必要な予備リソース量は多くなる。

（評価例）
図１０に、予備リソース量に対するサービス故障率のグラフを示す。図１０において、縦軸と横軸は対数表示である。また、k=2、10、50のそれぞれのグラフが示されている。サービス故障率が0となる予備リソース量は、k=2のとき101、k=10のとき13、k=50のとき4である。つまり、共通部の数が多いほど、少ない予備リソース量でサービス故障率が小さくなる。これは、共通部の数が多いほど共通部の故障によって利用できなくなる現用、及び予備リソース量が少なくなるためである。

（実施の形態のまとめ、効果）
以上、説明したように、本実施の形態により、仮想化技術を適用したネットワークシステムのサービス故障率を算出するネットワーク評価システムが提供される。前記ネットワークシステムは、現用リソースと予備リソースとを含み、当該現用リソースと当該予備リソースはそれぞれ１つ又は複数の共通部に収容され、当該現用リソースと当該予備リソースはそれぞれ１つ又は複数のサーバにより構成されるようにモデル化され、前記ネットワーク評価システムは、前記現用リソースの量、前記サーバの故障率、前記共通部の数、前記共通部の故障率、及び、前記予備リソースの量を入力データとして入力する入力手段と、前記入力手段により入力された入力データに基づいて、前記現用リソースの量を維持できなくなるサービス故障が発生する確率である前記サービス故障率を算出するサービス故障率算出手段と、前記サービス故障率算出手段により算出された前記サービス故障率を出力する出力手段とを備えて構成される。

対象となるネットワークシステムにおいて、前記共通部が故障した場合には、当該共通部に収容される全てのサーバが故障したと見なすことで前記サービス故障率を算出している。

また、前記ネットワークシステムにおける複数の故障パターンが予め定められ、前記サービス故障率算出手段は、前記サービス故障を発生させる故障パターンの発生確率に基づいて、前記サービス故障率を算出することとしてもよい。前記サービス故障率算出手段は、前記故障パターンに応じて分類された予備リソース量の区分毎に、前記サービス故障率の算出式を保持し、前記入力手段により入力された予備リソースの量に対応する算出式を用いて前記サービス故障率を算出することとしてもよい。

本実施の形態では、従来技術では考慮されていなかった共通部の数、共通部の故障率、予備リソース量を加えたネットワーク信頼性評価モデルを使用することで、所望する信頼性（サービス故障率）を満たすために必要な予備リソース量を求めることが可能となる。

よって、様々なネットワークシステムの構成において、予備リソース量が設定されているときに、予備リソース量に対するサービス故障率を算出したり、所望されるサービス故障率を達成するための最小限の予備リソース量を算出するといったことを実現できる。

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。

１００ ネットワーク評価システム
１０１ 入力部
１０２ サービス故障率算出部
１０３ 判定部
１０４ 出力部

Claims (8)

1. 仮想化技術を適用したネットワークシステムのサービス故障率を算出するネットワーク評価システムであって、
   前記ネットワークシステムは、現用リソースと予備リソースとを含み、当該現用リソースと当該予備リソースはそれぞれ１つ又は複数の共通部に収容され、当該現用リソースと当該予備リソースはそれぞれ１つ又は複数のサーバにより構成されており、
   前記現用リソースの量、前記サーバの故障率、前記共通部の数、前記共通部の故障率、及び、前記予備リソースの量を入力データとして入力する入力手段と、
   前記入力手段により入力された入力データに基づいて、前記現用リソースの量を維持できなくなるサービス故障が発生する確率である前記サービス故障率を算出するサービス故障率算出手段と、
   前記サービス故障率算出手段により算出された前記サービス故障率を出力する出力手段と
   を備えることを特徴とするネットワーク評価システム。
2. 前記共通部が故障した場合に、当該共通部に収容される全てのサーバが故障したと見なす
   ことを特徴とする請求項１に記載のネットワーク評価システム。
3. 前記ネットワークシステムにおける複数の故障パターンが予め定められ、
   前記サービス故障率算出手段は、前記サービス故障を発生させる故障パターンの発生確率に基づいて、前記サービス故障率を算出する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のネットワーク評価システム。
4. 前記サービス故障率算出手段は、前記故障パターンに応じて分類された予備リソース量の区分毎に、前記サービス故障率の算出式を保持し、前記入力手段により入力された予備リソースの量に対応する算出式を用いて前記サービス故障率を算出する
   ことを特徴とする請求項３に記載のネットワーク評価システム。
5. 仮想化技術を適用したネットワークシステムのサービス故障率を算出するネットワーク評価システムが実行するサービス故障率算出方法であって、
   前記ネットワークシステムは、現用リソースと予備リソースとを含み、当該現用リソースと当該予備リソースはそれぞれ１つ又は複数の共通部に収容され、当該現用リソースと当該予備リソースはそれぞれ１つ又は複数のサーバにより構成されており、
   前記現用リソースの量、前記サーバの故障率、前記共通部の数、前記共通部の故障率、及び、前記予備リソースの量を入力データとして入力する入力ステップと、
   前記入力ステップにより入力された入力データに基づいて、前記現用リソースの量を維持できなくなるサービス故障が発生する確率である前記サービス故障率を算出するサービス故障率算出ステップと、
   前記サービス故障率算出ステップにより算出された前記サービス故障率を出力する出力ステップと
   を備えることを特徴とするサービス故障率算出方法。
6. 前記共通部が故障した場合に、当該共通部に収容される全てのサーバが故障したと見なす
   ことを特徴とする請求項５に記載のサービス故障率算出方法。
7. 前記ネットワークシステムにおける複数の故障パターンが予め定められ、
   前記サービス故障率算出ステップにおいて、前記ネットワーク評価システムは、前記サービス故障を発生させる故障パターンの発生確率に基づいて、前記サービス故障率を算出する
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載のサービス故障率算出方法。
8. コンピュータを、請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載のネットワーク評価システムにおける各手段として機能させるためのプログラム。

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