JP7460934B2 - 接続最適化装置、接続最適化方法、及びプログラム - Google Patents

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Description

本発明は、光ファイバケーブル（以降、光ファイバ）の接続を切り替える複数の光ファイバクロスコネクト（以降、ＦＸＣスイッチ）のそれぞれの間の接続を最適化する接続最適化装置、接続最適化方法、及びプログラムに関する。
光ファイバの配線は、面倒な作業であるが、高速で頑健なネットワークサービスを提供するのに不可欠な作業である。多数のＦＸＣスイッチが配置された通信ビル内における光ファイバの配線作業の運用コストは大きい。何故ならば、その作業は、作業手順書の作成、光ファイバの両端部への作業者の派遣、信号疎通と電力レベルの確認、及び管理者の派遣を必要とするからである。
通信ビル内のＦＸＣスイッチは、利用者の光ファイバが直接接続される入出力層のＦＸＣスイッチと、通信ビル内で光ファイバの配線を折り返す中間層のＦＸＣスイッチとに大別される。通信ビル内で光ファイバ回線が経由する中間層のＦＸＣスイッチの数は、少ない方が網コストを抑えられる。
通信ビル内の光ファイバ回線の収容効率を向上させる方法として、例えば特許文献１に開示された方法が知られている。また、非特許文献１に開示された方法も知られている。
特許第６７３７７４７号公報
T. Mano, T. Inoue, K. Mizutani, and O. Akashi, "Increasing capacity of the Clos structure for optical switching networks," in 2019 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), 2019, pp. 1-6.
しかしながら、利用者が増えると中間層のＦＸＣスイッチの数が増加し、網コストがコストアップしていたという課題がある。
本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、中間層のＦＸＣスイッチの数を削減することができ、網コストの抑制が可能な接続最適化装置、接続最適化方法、及びプログラムを提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る接続最適化装置は、光ファイバの接続を切り替える複数のＦＸＣスイッチの該ＦＸＣスイッチの間の接続を最適化する接続最適化装置であって、前記ＦＸＣスイッチの数、送受信ポートの数、及び前記送受信ポートの接続確率行列を入力として、同じＦＸＣスイッチ内で接続される前記送受信ポートの間を接続させる短パスによる接続確率が最も大きくなる期待値を最大化するように前記接続確率行列の行と列を入れ替える最適化部と、前記接続確率行列と、前記最適化部において行と列を入れ替えた最適化行列との差分情報を出力する差替えポート情報出力部とを備えることを要旨とする。
また、本発明の一態様に係る接続最適化方法は、接続最適化装置が実行する複数のＦＸＣスイッチの間の接続を最適化する接続最適化方法であって、前記ＦＸＣスイッチの数、送受信ポートの数、及び前記送受信ポートの接続確率行列を入力として、同じＦＸＣスイッチ内で接続される前記送受信ポートの間を接続させる短パスによる接続確率が最も大きくなる期待値を最大化するように前記接続確率行列の行と列を入れ替える最適化ステップと、前記接続確率行列と、前記最適化ステップにおいて行と列を入れ替えた最適化行列との差分情報を出力する差替えポート情報出力ステップとを行うことを要旨とする。
また、本発明の一態様に係るプログラムは、上記の接続最適化装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであることを要旨とする。
本発明によれば、中間層のＦＸＣスイッチの数を削減することができ、網コストの抑制が可能である。
本発明の実施形態に係る接続最適化装置を用いる対象の網トポロジの例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る接続最適化装置の機能構成例を示すブロック図である。 ２対の送受信ポートの接続確率行列Ｃの例を示す図である。 図３に示す接続確率を入れ替えた接続確率行列Ｃの例を示す図である。 大きな網構成を図１に示す接続最適化装置を用いてＦＸＣスイッチを削減した効果を示す図である。 許容閉塞率をパラメータにしたＦＸＣスイッチの削減効果を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る接続最適化装置の機能構成例を示すブロック図である。 図２に示す接続最適化装置の動作手順を示すフローチャートである。 図７に示す接続最適化装置の動作手順を示すフローチャートである。 汎用的なコンピュータシステムの構成例を示すブロック図である。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。
実施形態の説明をする前に、本実施形態に係る接続最適化装置を用いる対象の網トポロジについて説明する。
（網トポロジ）
図１は、本発明の実施形態に係る接続最適化装置を用いる対象の網トポロジの例を示す模式図である。図１に示す網トポロジは、説明の都合により構成が簡単な例を示す。
図１に示すＦＸＣスイッチＰ１，Ｐ２，Ｐ３は、通信ビル（図示せず）内に配置される。伝送装置１～４のそれぞれは、通信ビル内に配置されてもよいし、外に配置されてもよい。伝送装置１～４は、利用者の間、又は、利用者と通信事業者の間に光信号を伝送する装置である。
ｔｈ ｇは送信ポートを表す。ｈは送信ポート番号、ｇはＦＸＣスイッチの番号である。ｒｊ ｉは受信ポートを表す。ｊは受信ポート番号、ｉはＦＸＣスイッチの番号である。
伝送装置４の送信ポートｔ２ ２は、入出力層のＦＸＣスイッチＰ２、中間層のＦＸＣスイッチＰ３、入力層スイッチＰ２、及び中間層のＦＸＣスイッチＰ３を介して伝送装置３の受信ポートｒ１ ２に接続されている。また、伝送装置３の送信ポートｔ１ ２は、入出力層のＦＸＣスイッチＰ２、中間層のＦＸＣスイッチＰ３、入力層のスイッチＰ１、中間層のスイッチＰ３、及び入力層のＦＸＣスイッチＰ２を介して伝送装置４の受信ポートｒ２ ２に接続されている。
なお、伝送装置１の送信ポートｔ１ １は、入力層のＦＸＣスイッチＰ１のみを介して伝送装置２の受信ポートｒ２ １に接続されている。また、伝送装置２の送信ポートｔ２ １は、入力層のスイッチＰ１を介して伝送装置２の受信ポートｒ２ １に接続されている。
本実施形態に係る接続最適化装置は、伝送装置１の送信ポートｔ１ １又は伝送装置２の送信ポートｔ２ １のように中間層スイッチ経由しない短い回線のパスを増やすように作用する装置である。この短い回線のパスを、以降、「短パス」と称する。
〔第１実施形態〕
図２は、本発明の第１実施形態に係る接続最適化装置の機能構成例を示すブロック図である。図２に示す接続最適化装置１００は、送受信部１０、最適化部２０、及び差替えポート情報出力部３０を備える。接続最適化装置１００は、「短パス」の接続確率を最大化させるように伝送装置の送受信ポートをＦＸＣスイッチに割り当てる装置である。
送受信部１０は、通信ビル内のＦＸＣスイッチの数ｋ、送受信ポートの数ｎ（ｎは送信と受信の一対の数である）、及び送受信ポートの接続確率行列Ｃを、ネットワーク管理者側から受信する。接続確率行列Ｃは、送信ポートｔｈ ｇを列、受信ポートｒｊ ｉを行とし、各要素を接続確率で表した行列である。
接続確率行列Ｃは、ネットワーク管理者が過去のデータから推定したものである。また、稼働中のネットワークの実際の接続確率を行列で表したものでも構わない。
送信ポートｔｈ ｇと受信ポートｒｊ ｉの接続確率ｃを式（１）で表し、接続確率行列Ｃを式（２）で表す。
Figure 0007460934000001
式（１）において、ｇ＝ｉであれば、送信ポートｔｈ ｇと受信ポートｒｊ ｉは同じＦＸＣスイッチに収容される。つまり短パスが設定される確率となる。
送信ポートｔｈ ｇが同じＦＸＣスイッチの受信ポートｒｊ ｉに接続される確率は次式で表せる。
Figure 0007460934000002
よって、ＦＸＣスイッチｇ内に設定される短パス数の期待値は式（４）で表され、通信ビル内の網構成全体の短パス数の期待値Ｄは次式で表される。
Figure 0007460934000003
図３は、２対の送受信ポートの接続確率行列Ｃの例を示す図である。図３（ａ）は、同じＦＸＣスイッチに接続される確率が低い場合の例を示す。図３（ｂ）は送信ポートｔ２ １とｔ１ ２の行を入れ替えた場合の接続確率行列Ｃを示す。
図３（ａ）に示すように、同じスイッチ番号の送信ポートｔ１ １と受信ポートｒ１ １の接続確率が低い場合は、中間層のＦＸＣスイッチを介して送信ポートｔ１ １と受信ポートｒ１ １が接続されることを表している。図３（ａ）に示す例の場合、短パス数の期待値はＤ＝0.08である。
送信ポートｔｈ ｇに接続されている光ファイバを差替えると、接続確率行列Ｃにおいて行の入れ替えが行われる。また、受信ポートｒｊ ｉに接続されている光ファイバを入れ替えると接続確率行列Ｃにおいて列の入れ替えが行われる。
したがって、送受信ポートの入れ替えを行うことで短パス数の期待値Ｄを増加させることができる。図３（ｂ）は、送信ポートｔ２ １の光ファイバと送信ポートｔ１ ２の光ファーバを差替え、同様に、受信ポートを差替えた場合の接続確率行列Ｃを示す。
図３（ｂ）に示すように送受信ポートを差替えることで、短パス数の期待値ＤはＤ＝2.0に増加する。
このように、短パス数の期待値Ｄを最大化することは次式で表せる。
Figure 0007460934000004
接続確率行列Ｃに対して許される操作は、行と列の入れ替えのみである。式（５）を解いて得られる最適な接続確率行列を最適化行列Ｃ＊とする。
なお、式（５）は、送受信ポートをＦＸＣスイッチに割り当てる問題であり、minimum bisection problemにおいて割当先を３つ以上にした問題と似ている。minimum bisection problemはＮＰ困難である。よって、式（５）は、規模が大きくなると実用的な時間内に解くことが難しくなる場合がある。
そこで、貧欲法を用いて解いてもよい。また、整数計画問題として定式化した後にＬＰ緩和によって解いてもよい。何れの方法を用いても構わない。
最適化部２０は、ＦＸＣスイッチの数ｋ、送受信ポートの数ｎ、及び送受信ポートの接続確率行列Ｃを入力として、同じＦＸＣスイッチ内で接続される送受信ポートの間を接続させる短パスによる接続確率が最も大きくなる期待値Ｄを最大化するように接続確率行列Ｃの行と列を入れ替える。
差替えポート情報出力部３０は、接続確率行列Ｃと、最適化部２０において行と列を入れ替えた最適化行列Ｃ＊との差分情報を出力する。差分情報は、差替える送受信ポートを表す情報である。
以上説明したように、本実施形態に係る接続最適化装置１００は、光ファイバの接続を切り替える複数のＦＸＣスイッチＰ１～Ｐｋの該ＦＸＣスイッチＰｋの間の接続を最適化する接続最適化装置であって、ＦＸＣスイッチの数ｋ、送受信ポートの数ｎ、及び送受信ポートの接続確率行列Ｃを入力として、同じＦＸＣスイッチＰｋ内で接続される送受信ポートの間を接続させる短パスによる接続確率が最も大きくなる期待値Ｄを最大化するように接続確率行列Ｃの行と列を入れ替える最適化部２０と、接続確率行列Ｃと、最適化部２０において行と列を入れ替えた最適化行列Ｃ＊との差分情報を出力する差替えポート情報出力部３０とを備える。これにより、中間層のＦＸＣスイッチＰｋの数を削減することができ、網コストを抑制することができる。
（評価実験）
本実施形態で得られる効果を確認する目的で評価実験を行った。
評価の指標は、「接続要求パターンの易しさ」とし、次式に示すように定量的に定義した。
Figure 0007460934000005
ある接続確率行列Ｃの接続のし易さｒ（Ｃ）は、期待値Ｄが大きいほど易しく、期待値Ｄが小さいほど難しいことを表す。なお、全ての接続確率ｃｈ ｇが等しい場合に１になるように正規化した。ｒ（Ｃ）が１より大きい場合を易しい。小さい場合を難しいとする。
図３（ａ）に示した接続確率行列Ｃの接続のし易さを計算すると、ｒ（Ｃ）＝0.02である。これは、短パスが設定され難いことを表す。
そこで、図３（ａ）の接続確率の0.01と0.49を入れ替えた図４に示す接続確率行列Ｃを考える。この接続確率行列Ｃの期待値ＤはＤ＝3.92、ｒ（Ｃ）＝4.9となり、易しくなることが分かる。
図５は、より大きな網構成の場合のＦＸＣスイッチの数の削減効果を示す図である。図５の横軸は、接続要求パターンの易しさｒ（Ｃ）、縦軸はＦＸＣスイッチの数である。
大きな網構成は、ＦＸＣスイッチの数ｋをｋ＝256対、送受信ポートの対を1000対とした。
図５は、回線（パス）が確立できない許容可能な確率である許容閉塞率ｂｐが10-6の場合の特性を示す。均等な接続要求パターンｒ（Ｃ）＝1では、12台のＦＸＣスイッチを必要であるが、ｒ（Ｃ）が10以上になると7台で済む（42％の削減効果）ことが分かる。
これは、多くのパスが短パスになり、中間層のＦＸＣスイッチを減らせるためである。逆にｒ（Ｃ）が1未満になると多くのパス（回線）を収容するために中間層のＦＸＣスイッチが増え、14台のＦＸＣスイッチが必要になる。
図６は、許容閉塞率ｂｐをパラメータにしたＦＸＣスイッチ数の削減効果を示す図である。許容閉塞率ｂｐが0.1以下であればｒ（Ｃ）の増加にしたがって、ＦＸＣスイッチが減る様子が分かる。
〔第２実施形態〕
第１実施形態は、ＦＸＣスイッチの数ｋと送受信ポートの数ｎを固定値とし、送受信ポートの接続を最適化する方法を説明した。ｋ，ｎは、上記の先行技術文献に記載された網構成法を用いると、いくつかの網構成（ｋ１，ｎ１），（ｋ２，ｎ２），…が可能である。
それぞれの網構成に対してシミュレーション等で閉塞率を計算し、許容閉塞率を満たしながらＦＸＣスイッチ数を最小にする網構成（ｋ，ｎ）を選択する。選択した網構成に対して第１実施形態を適用して送受信ポートの接続を最適化するのが本実施形態である。
ただし、選択した網構成が最適とは限られない。送受信ポートの初期割当でＦＸＣスイッチ数が最小化できたとしても、最適化の過程で逆転してしまう場合もある。
つまり、他の網構成を用いて送受信ポートを最適化する方が、より多くＦＸＣスイッチ数を減らせる場合がある。そこで、本実施形態では、第１実施形態と従来の網構成法とを同時に用いて最適化を行う方法である。
図７は、本発明の第２実施形態に係る接続最適化装置の機能構成例を示すブロック図である。図７に示す接続最適化装置２００は、網構成列挙部２１と最適網構成生成部２２を備える点で接続最適化装置１００（図２）と異なる。
また、送受信部１０は、ＦＸＣスイッチの数ｋ、送受信ポートの数ｎ、及び接続確率行列Ｃに加えて光ファイバの回線が繋げない確率の許容値を表す許容閉塞率を受信する。また、最適網構成生成部２２は、差替えポート情報出力部３０に代えて備えられる。
網構成列挙部２１は、ＦＸＣスイッチの数ｋと受信ポートの数ｎを入力とし、送信ポートと受信ポートの間を接続させるＦＸＣスイッチの接続を表す複数の網構成を列挙する。
最適化部２０は、複数の網構成のそれぞれについて、短パスによる接続確率が最も大きくなる期待値Ｄを最大化するように接続確率行列Ｃの行と列を入れ替える。
最適網構成生成部２２は、最適化行列Ｃ＊を入力とし、利用者間を接続させる光ファイバの回線が繋げない確率の許容値を表す許容閉塞率を満たす最小の網構成を生成する。
以上説明したように本実施形態に係る接続最適化装置２００は、ＦＸＣスイッチの数ｋと送受信ポートの数ｎを入力とし、送信ポートと受信ポートの間を接続させるＦＸＣスイッチの接続を表す複数の網構成を列挙する網構成列挙部２１と、最適化行列Ｃ＊を入力とし、利用者間を接続させる光ファイバの回線が繋げない確率の許容値を表す許容閉塞率を満たす最小の網構成を生成する最適網構成生成部２２を差替えポート情報出力部３０に代えて備え、最適化部２０は、複数の網構成のそれぞれについて、短パスによる接続確率が最も大きくなる期待値Ｄを最大化するように接続確率行列Ｃの行と列を入れ替える。これにより、複数の網構成の中から最適な網構成を生成することができる。
（接続最適化方法）
図８は、本実施形態に係る接続最適化装置１００が行う接続最適化方法の処理手順を示すフローチャートである。
送受信部１０は、ＦＸＣスイッチの数ｋ、送受信ポートの数ｎ、及び接続確率行列Ｃを受信する（ステップＳ１）。これらｋ，ｎ，Ｃは、ネットワークを管理する管理者から取得する。
最適化部２０は、ＦＸＣスイッチの数ｋ、送受信ポートの数ｎ、及び送受信ポートの接続確率行列Ｃを入力として、同じＦＸＣスイッチ内で接続される送受信ポートの間を接続させる短パスによる接続確率が最も大きくなる期待値Ｄを最大化するように接続確率行列Ｃの行と列を入れ替える（ステップＳ２）。接続確率行列Ｃの行と列を入れ替えた最適化行列Ｃ＊を生成する。
差替えポート情報出力部３０は、接続確率行列Ｃと、最適化部２０において行と列を入れ替えた最適化行列Ｃ＊との差分情報を出力する（ステップＳ３）。
以上説明したように、本実施形態に係る接続最適化方法は、接続最適化装置１００が実行する複数のＦＸＣスイッチの間の接続を最適化する接続最適化方法であって、ＦＸＣスイッチの数ｋ、送受信ポートの数ｎ、及び送受信ポートの接続確率行列Ｃを入力として、同じＦＸＣスイッチ内で接続される送受信ポートの間を接続させる短パスによる接続確率が最も大きくなる期待値Ｄを最大化するように接続確率行列Ｃの行と列を入れ替える最適化ステップＳ２と、接続確率行列Ｃと、最適化ステップＳ２において行と列を入れ替えた最適化行列Ｃ＊との差分情報を出力する差替えポート情報出力ステップＳ３とを行う。これにより、中間層のＦＸＣスイッチＰｋの数を削減することができ、網コストを抑制することができる。
図９は、本実施形態に係る接続最適化装置２００が行う接続最適化方法の処理手順を示すフローチャートである。接続最適化装置２００が行う接続最適化方法は、網構成列挙部２１が列挙した複数の網構成の中から最適な網構成を生成する方法である。
接続最適化装置２００が行う接続最適化方法は、第２実施形態で説明済みである。よって、処理手順を図９に示してこの以上の説明は省略する。
接続最適化装置１００，２００は、図１０に示す汎用的なコンピュータシステムで実現することができる。例えば、ＣＰＵ９０、メモリ９１、ストレージ９２、通信部９３、入力部９４、及び出力部９５を備える汎用的なコンピュータシテムにおいて、ＣＰＵ９０がメモリ９１上にロードされた所定のプログラムを実行することにより、接続最適化装置１００，２００の各機能が実現される。所定のプログラムは、HDD、SSD、USBメモリ、CD-ROM、DVD-ROM、MOなどのコンピュータ読取り可能な記録媒体に記録することも、ネットワークを介して配信することもできる。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形が可能である。例えば、接続確率行列Ｃと最適化行列Ｃ＊との差分情報は、接続最適化装置が備える表示部（図示せず）に表示させてもよいし、自動的に接続を変更する装置に出力させるようにしてもよい。
このように本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
１～４：伝送装置
１０：送受信部
２０：最適化部
２１：網構成列挙部
２２：最適網構成生成部
３０：差替えポート情報出力部
１００、２００：接続最適化装置
ｋ：ＦＸＣスイッチの数
ｎ：送受信ポートの数
Ｃ：接続確率行列
Ｃ＊：最適化行列

Claims (4)

  1. 光ファイバの接続を切り替える複数のＦＸＣスイッチの該ＦＸＣスイッチの間の接続を最適化する接続最適化装置であって、
    前記ＦＸＣスイッチの数、送受信ポートの数、及び前記送受信ポートの接続確率行列を入力として、同じＦＸＣスイッチ内で接続される前記送受信ポートの間を接続させる短パスによる接続確率が最も大きくなる期待値を最大化するように前記接続確率行列の行と列を入れ替える最適化部と、
    前記接続確率行列と、前記最適化部において行と列を入れ替えた最適化行列との差分情報を出力する差替えポート情報出力部と
    を備える接続最適化装置。
  2. 前記ＦＸＣスイッチの数と前記送受信ポートの数を入力とし、送信ポートと受信ポートの間を接続させる前記ＦＸＣスイッチの接続を表す複数の網構成を列挙する網構成列挙部と、
    前記最適化行列を入力とし、利用者間を接続させる前記光ファイバの回線が繋げない確率の許容値を表す許容閉塞率を満たす最小の前記網構成を生成する最適網構成生成部を前記差替えポート情報出力部に代えて
    備え、
    前記最適化部は、
    複数の前記網構成のそれぞれについて、前記短パスによる接続確率が最も大きくなる期待値を最大化するように前記接続確率行列の行と列を入れ替える
    請求項１に記載の接続最適化装置。
  3. 接続最適化装置が実行する複数のＦＸＣスイッチの間の接続を最適化する接続最適化方法であって、
    前記ＦＸＣスイッチの数、送受信ポートの数、及び前記送受信ポートの接続確率行列を入力として、同じＦＸＣスイッチ内で接続される前記送受信ポートの間を接続させる短パスによる接続確率が最も大きくなる期待値を最大化するように前記接続確率行列の行と列を入れ替える最適化ステップと、
    前記接続確率行列と、前記最適化ステップにおいて行と列を入れ替えた最適化行列との差分情報を出力する差替えポート情報出力ステップと
    を行う接続最適化方法。
  4. 請求項１又は２に記載の接続最適化装置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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