JP2006050635A

JP2006050635A - アドホックネットワークトポロジーの発見方法

Info

Publication number: JP2006050635A
Application number: JP2005226578A
Authority: JP
Inventors: Deepak Ayyagari; アヤギャリディーパク
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2006-02-16
Also published as: EP1624627A3; US7443833B2; EP1624627A2; US20060029007A1

Abstract

【課題】アドホックネットワークの自己組織化。
【解決手段】複数の参加ノードの集合に関して進行中のアドホックネットワークトポロジーを発見する方法を開示する。方法は、かかるノードに関連し得る適当なトポロジー−発見条件を定めるステップと、その条件が生じたときに、各ノードが、他のノードに関連したアイデンティティ、作動特性、能力および関連するリンクの質を含む属性を、他のノードの全てに一斉送信する専用の無競合での発見−通信時間を設定し、起動するステップと、かかる設定及び起動ステップの結果を利用し、ノードに関連するネットワークトポロジーマップ全体を作成するステップと、ノード間の適当な通信リンクを作成する方法を含む、ネットワークにその後組織化することに関連する活動で使用できる、そのマップを使用できるようにし、ネットワークを適当なサブネット及びプロキシネットワークに組織化できるようにするステップとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノードの集合をアドホックネットワークへ自己組織化することにつながる全プロセスにおいて１回のステップで実現可能な、ユニークな通信ネットワークトポロジーの発見方法に関する。本発明は、分散型通信ネットワークと集中型通信ネットワークの双方を組織化するのに有効である。アドホックネットワーク組織化の全体を実施するには、その他の多数のステップおよびステージを実施しなければならないが、本発明は、その実施方法全体におけるトポロジーの発見のうちのサブ実施方法だけに焦点を合わせたものである。

本明細書に参考例として援用する有効かつ関連するバックグラウンド情報は、「中央コントローラによるアドホックネットワークにおける集中型ネットワーク組織化およびトポロジー発見」を発明の名称とする米国特許出願第１０／７７５，７１５号明細書および「アドホックネットワークにおける分散型ネットワークの組織化およびトポロジーの発見」を発明の名称とする米国特許出願第１０／７７５，９６７号明細書を含む、２００４年２月９日に本願出願人によって出願された先願の継続中の米国特許出願に記載されている。
米国特許出願第１０／７７５，７１５号明細書米国特許出願第１０／７７５，９６７号明細書

一般的に言って、トポロジーを発見するには、１つのネットワークに組み立てられ、既に存在する他のネットワークにリンクされようとしているすべてのノードが、他の各ノードの存在について知り、かつ他の各ノードの作動およびリンク特性および能力について知るという実施方法を基本的に実行しなければならない。特にトポロジーを発見するには次第に明らかとなるように、（ａ）ネットワーク内のすべてのノードのアイデンティティ、（ｂ）これらノード間の現在存在するか、可能な接続性の状態、（ｃ）次第に選択されるＣＣｏ（中央コーディネータノード）の最終的なアイデンティティ、（ｄ）（下記に示す）いわゆる隠れたノードのアイデンティティ、および（ｅ）本明細書で（後に説明するように）プロキシノードと称されるノードのアイデンティティに関する知識を必要とする。

アドホック通信ネットワークを自己組織化する際に、ノードはネットワーク内の他のノードの存在について、および任意の２つのノード間の許容可能な双方向リンクの利用可能性について知っていなければならない。これらノードは適当な選択されたＣＣｏによって最終的に制御されるネットワークとなるように、自らを組織化することもできなければならない。最終的に、本発明の実施方法によれば、結果として生じる完全に組織化されたネットワークでは、どのノードもネットワーク内のすべてのノード間に存在するリンクの状態を知ることになる。換言すれば、すべてのノードは各ノードの関連する個々の特性に関する固有の情報を含む、ネットワーク内の接続性の全体の状態に関する知識を有し、保持することになる。

発見ビーコンを介して実施される本発明のトポロジー発見方法は、異なる定義の、または定義可能な条件下で使用される。例えば（ａ）初期ネットワークの組織化中、（ｂ）ノードがネットワークに接続するか、またはネットワークから離れるような状況下、（ｃ）ネットワークまたはノードの障害から回復する間、（ｄ）ネットワークのトポロジーを変えるような事象が生じたとき、例えばＣＣｏがシャットダウンする状況またはネットワーク内でより良好に適したＣＣｏが利用できる状態となる場合、および（ｅ）その他の条件下で使用される。発見ビーコンは、聴取ノードがネットワークに接続／関連するのに必要なメッセージを送信できるフレーム内の時間を発見ビーコンが聴取ノードに示し、よってメッセージを発見できるようにする。更に発見ビーコンはネットワークコントローラが存在する場合には、ネットワークコントローラが送信するマスタービーコン内に含まれるフレーム−スケジュール情報をエコー動作し、かかるコントローラが存在しない場合には他のノードが一斉送信するスケジュールに一致する時間−フレームスケジュールに関与する。

本発明が提案し、本明細書で使用するような「トポロジーの発見」なる用語は、ダイナミックな実施方法であると理解することが重要である。この用語は特にネットワーク伝送から誘導され、ＣＣｏは常に、関連するネットワークを適当なグループ、例えばサブネットおよびプロキシネットワークに組織化（および再組織化）できるレベルで得られ、使用可能とされる、モード間リンク能力の情報の、進行するバックグラウンドの収集および評価、および適当なリスト更新を含むように定義される。かかる組織化行動は当然ながら現在の可能な接続性の理解を含む問題に基づき、更に最も確実には識別されたノード作動能力に基づき、ノード間の適当なリンクの積極的な形成を含む。換言すれば、「トポロジーの発見」なる用語はノード間の通信ルーティングの問題だけに制約されない。

このトポロジーの発見は、種々のネットワークへアクセスする機会に関する進行中のガイドを得るために、トポロジーの発見メッセージを聴取する個々の重要なノードの行動にも更に関連する。

本発明が提案するトポロジーの発見については、本明細書では、一方は集中型ネットワークと称され、他方は分散型ネットワークと称される、２つの異なる一般的なネットワーク構成に分けて説明する。すぐに判るように、集中型ネットワークでは、後に説明する態様でかかる役割を得るＣＣｏは、トポロジー発見方法の実施の後で、関連するネットワークのトポロジーマップまたはテーブルと本明細書で称するものを自ら作成する。分散型ネットワークでは、トポロジー発見プロセスの終了後に集合的に作動する個々の参加ノードが、ネットワークトポロジーマップを作成し、各々がこのマップを保持する。このように作成されたマップから完全なネットワークの組織化が行われるが、かかる作業は本発明の範囲を越えるものである。

本発明のトポロジー発見実施方法を説明する前に、本明細書で使用される２つの用語について説明しなければならない。これら用語とは“隠れたノード”すなわちＨＮと、“プロキシノード”すなわちＰＮ（またはＰＣｏ）である。隠れたノードとは、ネットワークＣＣｏと直接通信できないノードのことであり、“プロキシノード”とは、ネットワークＣＣｏと隠れたノードとの間の通信パスを提供するために、ＣＣｏの代理として働くノードのことである。

更に一般的な用語では、本発明のトポロジー発見方法を（ａ）複数のノードに関連し得る適当なトポロジー−発見条件を定めるステップと、（ｂ）かかる条件が生じたときに、複数のノードの各々が、他のノードに関連したそのアイデンティティ、その作動特性、その能力および関連するそのリンクの質を含むその属性を、他のノードのすべてが受信できるように一斉送信することを可能にし、よって最終的に前記複数のノードのどれもが他のすべてのノードのこれら属性を知るために設けられた発見−通信時間を設定し、起動するステップと、（ｃ）設定および起動ステップの結果を利用し、ノードに関連するトポロジーマップを作成するステップと、（ｄ）次にノードをネットワークにその後組織化することに関連するプロセスで、作成されたトポロジーマップを使用できるようにするステップとを含むと述べることができる。

後に判るように、作成されたトポロジーマップは特にネットワーク接続性マップを含み、更に情報パケットルーティングを可能にするように使用できる。

以下、添付図面を参照し、次の説明を読めば、本発明の種々の特徴および利点がより明らかとなろう。

まず、図１を参照する。ここにはそれぞれアルファベットＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅを付けられた５つのノード２０、２２、２４、２６、２８が示されており、これらノードは説明のために２つの可能なネットワーク、すなわちネットワークトポロジー３０、３２に組織化されている。これらトポロジー３０、３２は本明細書ではそれぞれＮｅｔ１およびＮｅｔ２とも称す。これら２つの説明のための組織化に関連する有効な相互接続部は（ＡとＢとの間の）３４、（ＡとＣとの間の）３６、（ＢとＣとの間の）３８、（ＣとＤとの間の）４０、（ＣとＥとの間の）４２、（ＤとＥとの間の）４４として示されている。

これら２つのトポロジー、すなわち２つの構成を検討すると、まずノードのいずれもがＣＣｏとなり得ることを考えれば、Ｎｅｔ１（３０）はＣＣｏとしてノードＡを有し、ネットワーク内のホストとしてノードＢおよびＣを有し、隠れたノードＤおよびＥに対するＰＣｏとしてノードＣを有することが理解できよう。Ｎｅｔ２（３２）はＣＣｏとしてノードＣを有し、ネットワーク内のホストとしてノードＤおよびＥを有し、隠れたノードＡおよびＢに対するＰＣｏとしてノードＣを有する。ホストノードとしてノードＡ、ＢおよびＣしか有せず、ＣＣｏとしてノードＡを有するネットワークでは、ノードＤおよびＥは接続されないままである。ＣＣｏと別のノードとの間のリンクの質（容量）が変化する場合に、いくつかの別のファクターのうちでもＣＣｏとして選択されたノードにより取り扱われるトラヒック負荷に基づき、（ＣＣｏとは別個の）ＰＣｏとしてノード機能を有するオーバーヘッドによりネットワークの性能は、２つの構成で大幅に異なる。Ｎｅｔ２ではノードＣはＣＣｏかつＰＣｏの双方として作動することができ、他の４つのすべてのノードと通信できる。Ｎｅｔ１ではＣＣｏとしてのノードＡは、他の２つのノード（ＢおよびＣ）と直接通信できるだけであり、ノードＤおよびＥを取り扱うためのプロキシを必要とする。後に明らかとなるように、本発明のトポロジー発見プロセス中に生じる発見情報から、最後に選択されるＣＣｏおよびＰＣｏノード、ならびに隠れたノードのアイデンティティが決定される。

次に、本発明のトポロジー発見実施方法が説明されている図１に記載されたノード配置を参照する。

図３には、本発明を実施する好ましい態様に従って実行されるトポロジー発見の基本作動フローチャートが示されている。この図では、適当な単語で表示されたブロック４６、４８、５０、５２、５４、５６が示されている。分散型ネットワークの組織化における発明の実施は、ブロック４６、４８、５０、５４、５６の順序で行われる作業のシーケンスフローに従って行われる。集中型ネットワークの組織化では、ブロック４６、４８、５２、５４、５６の順序でフローが行われる。

分散型ネットワーク組織化では、本発明に係わるトポロジー発見の実施を参照し、まず当初はＣＣｏがないと仮定する。従って、ネットワークトポロジーマップの作成まで含む後述するトポロジー発見作業は、個々の参加ノードのすべてにより集合的に実行される。これらノードは最後に集合としてネットワークのグローバルトポロジーマップの全知識を所有する状態となる。トポロジーマップの情報に基づき、その後、１つのＣＣｏが選択される。

集中型ネットワーク組織化では、別の仮定をする。すなわち作動可能なＣＣｏが最初からあると仮定する。かかる組織化がネットワークの最初の初期化時、すなわちアセンブリ時に行われた場合、そのネットワークに最初に参加するノードは、ＣＣｏをスタートさせる役割を果たし、個々のノードの各々からの発見中に伝送されるトポロジー発見情報を収集し、その結果生じるグローバルトポロジーマップを単独で構築する。その後、別のモードがＣＣｏとして使用するのに良好な特性を提供するようであれば、異なるＣＣｏノードを選択できる。

これまで記載したような、存在するどんな事象または所定の条件に関しても、本発明のトポロジー発見方法は、図３に示されるように、１つのネットワークまたは提案されたネットワークに対して実行される。分散型ネットワーク状況内のすべてのノードにより、かつ集中型ネットワーク状況内の“現在のＣＣｏ”により、スタート（ブロック４６）が適当に開始される。トポロジー発見プロセスの開始時の、図２における時間を求める場合、かかる発見の時間インターバルを適当に設定する。このことは、すべてのノードにより集合的に（分散型状況）または“現在のＣＣｏ”（集中型状況）のいずれかによって実行される。この発見時間インターバルの長さを設定する際に、従来の適当な方法を使用してもよい。本発明の実施方法に重要なことは、発見のために設定された時間インターバル、すなわち図２のＴ_Ｄが、現在の、または意図する設定されたネットワークビーコンインターバル、すなわち図２のＴ_Ｂよりも長くなっていることである。このことは、収集すべき関連するすべてのトポロジー発見情報のための、阻害されない充分な時間を保証するために行われる。

更にインターバルＴ_Ｄの間に１つの条件を作成するのに、任意の適当な従来の非競合通信プロトコルを使用してもよい。このプロトコルでは、他のすべての参加ノードが効果的に聴く発見メッセージを送信することを、すべての参加ノードに各々非競合状態で求めるか／許可するようなものである。

参加ノードの一部またはすべてが、前に決定されたネットワークトポロジーの“知識”を所有することができる範囲でトポロジー発見方法を開始したとすると、これらノードは新しいトポロジー情報の作成準備をした上で、前の知識をすぐに効果的にクリアする。

発見時間インターバル中に“組織化中のネットワーク”内のすべてのノードは、無競合状態でのそれぞれの“能力、特性および通信リンク状況”を送信し、これらは他のすべてのノードによって聴かれ、捕捉される。図４には各ノードが送信する代表的な発見メッセージのアーキテクチャが図示されている。従って、この特別な時間インターバル中、およびその後生じる情報送信から、すべてのノードは、その他の各存在、能力、特性、接続性の状態などを１回のステップで効果的に知る。この実施方法では、後に判るように、所望するネットワークトポロジーがマッピング全体に対して明らかとなり、ネットワークノード（すべてのノード）は組織化中のネットワークのトポロジーの性質について知ることになる。この実施方法では、隠れたノードおよびプロキシノードも発見される。

発見プロセス自身の終了時に各ノードは発見送信中に作成された発見されたノードリストと称されるものを所有する。このリスト（図３におけるブロック４８）は、取得したトポロジー発見情報のすべてを含むようなデータ構造形態となっている。各ノードに対し、発見されたノードのリストは、そのノードが所有できるようにネットワークトポロジーテーブルに組織化される。

図５には（ノードＡおよびＤに対する）発見されたノードリストおよび関連するノード固有のトポロジーテーブルが示されている。例えばノードＡに関し、この図に示されているものを説明すると、このノードのためのトポロジーテーブルは第１列内の自己の発見されたノードリスト（Ａ、Ｂ、Ｃ）から成る。次に示されている図内のノードＡは、“現在の”ＣＣｏでもあるので、このノードは隠れたノード（Ｄ、Ｅ）の発見されたノードリストも同じように維持する。図５における行は、参加ノードの各々が受け取った、発見されたノードリストに対応する。例えばノードＡの発見されたノードリストは、（Ａ、Ｂ、Ｃ）であり、ノードＣの発見されたノードリストは、（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）であり、ノードＥの発見されたノードリストは、（Ｃ、Ｄ、Ｅ）であり、等々である。

ノードＢはノードＣを聴くことができるが、ノードＣはノードＢを聴くことができない可能性があることを示すために、図５のテーブルが作成されている。このことは、ノードＢとＣとの間のリンクは両方向に作動しない（すなわち双方向性でない）ことを意味し、よって有効なリンクでないことを意味している。この状態はノードＡのトポロジーテーブルにおけるノードＢからの発見されたノードリスト内の（Ｘ）によって示されている。ノードＢはノードＣのリストに示されている。

これまで説明した発見方法から参加ノードのすべてに対するトポロジーテーブルが生じると、適当なネットワークトポロジーマップ全体（図３におけるブロック５４）が作成される。このことは、分散型ネットワークの設定時において参加ノード（図３内のブロック５０）のすべてによって実行される作動、または集中型ネットワークの設定時の選択されたＣＣｏ（図３内のブロック５２）の作動のいずれかによって実行される。

ネットワークトポロジーマップを作成（ブロック５４）した後で、このマップは別のネットワーク組織化のために適当に利用できるようになる（ブロック５６）。分散型ネットワーク状況では、すべてのノードは各ノードが所有する全トポロジー情報により、トポロジーマップ全体を作成するタスクを実行できる。集中型ネットワーク状況では、作動中のＣＣｏがマップ全体を作成するためにすべてのノード‐取得トポロジー情報を収集する。

こうして革新的に作成されたトポロジーマップ全体から、隠されたノードおよびプロキシノードの候補が完全に明らかにされる。このマップを作成するのに必要な情報は、作成されたトポロジー発見時間インターバル中の作動の１回の発見プロトコルステップまたはステージで効果的に一意的に収集される。この時間インターバルは、多数の所定の条件または事象のうちの１つが適当なネットワークの組織化または再組織化のために、ネットワークトポロジーの正確なピクチャを発生する必要性を表示したときにいつも使用するための専用インターバルとなっている。理解できるように、本発明が提案するトポロジー発見方法およびその結果得られるトポロジーマップ全体はアドホックネットワークの自動組織化を大幅に容易にするものである。

以上で、本発明を実施する特定の態様について図示し、説明したが、本発明の要旨から逸脱することなく、種々の変形および変更が可能であることが理解できよう。

本発明の実施方法に適したネットワーク環境を示すブロック略図である。２つの異なる関連する時間インターバルＴ_ＤおよびＴ_Ｂを参照して、本発明のトポロジー発見実施方法を図示した時間ベースの図であり、この図では、Ｔ_Ｄは本発明に係わるトポロジー発見方法を実施するために認められた時間インターバルであり、Ｔ_Ｂはそれよりも短い時間インターバルであり、所定のネットワークビーコンインターバルを示す図である。分散型タイプのネットワーク（図の中心および左側部分）、および集中型タイプのネットワーク（図の中心の右側部分）の双方に関連する本発明の実施方法を説明するフローチャートである。本発明の実施方法に使用できる発見メッセージの非限定的で代表的なフォーマットを示す表である。本発明の実施方法から得られる組織化されたネットワークトポロジーテーブル（マップ）の代表部分を示し、このテーブル部分は特に図１に示されたネットワーク配置に関連したものであることを示す表である。

符号の説明

２０，２２，２４，２６，２８…ノード、３０，３２…ネットワークトポロジー、３４，３６，３８，４０，４２，４４…相互接続部。

Claims

複数のノードの集合に関して進行中の実施方法としてアドホックネットワークトポロジー発見を実行するための方法であって、
かかる複数のノードに関連し得る適当なトポロジー−発見条件を定めるステップと、
かかる条件が生じたときに、複数のノードの各々が、他のノードに関連したそのアイデンティティ、その作動特性、その能力および関連するそのリンクの質を含むその属性を、他のノードのすべてが受信できるように一斉送信するためのバンド幅割り当て、すなわち特定の送信をする機会を与え、よって最終的に前記複数のノードのどれもが他のすべてのノードのこれら属性を知るように専用となっている発見−通信プロトコルを設定し、起動するステップと、
前記設定および起動ステップの結果を利用し、前記ノードに関連する全ネットワークトポロジーマップを作成するステップと、
次にノード間の適当な通信リンクを作成する実施を含む、ノードをネットワークにその後組織化することに関連する作業で、作成されたネットワークトポロジーマップを使用できるようにし、ネットワークを適当なサブネットおよびプロキシネットワークに組織化できるようにするステップとを備えた、アドホックネットワークトポロジー発見を実行するための方法。
前記ネットワークトポロジーマップを使用できるようにするステップが、ネットワークの組織化に対する分散型ネットワーク構造アプローチおよび集中型ネットワーク構造アプローチの双方に対して、前記作成されたトポロジーマップを選択的に利用できるように行う、請求項１記載の方法。
ノードのネットワークへのその後の組織化に関し、所定の長さの時間を有するコントローラビーコン時間インターバルが複数のノードの集合に関連し、上記設定され、起動された発見−通信時間が所定の時間長さよりも長く設定される、請求項１記載の方法。
前記トポロジーマップを作成する前に既に現在の中央コーディネータノードが存在し、そのノードによって前記作成ステップを実行する、請求項１記載の方法。
前記トポロジーマップを作成する前に現在の中央コーディネータノードが存在せず、ノードの集合によって集合的に前記作成ステップを実行する、請求項１記載の方法。
上記発見プロトコルが、少なくとも１つのノードによる“発見ビーコン”の一斉送信を行い、ネットワークコントローラが存在する場合にはネットワークコントローラが送信するマスタービーコン内に含まれるフレーム−スケジュール情報をビーコンがエコー動作し、かかるコントローラが存在しない場合には、他のノードが一斉送信するスケジュールに一致する時間−フレームスケジュールにビーコンが関与する、請求項１記載の方法。
聴取ノードがネットワークに接続／関連するのに必要なメッセージを送信できるフレーム内の時間を発見ビーコンが聴取ノードに示し、よってメッセージを発見できるようにする、請求項６記載の方法。
前記利用するステップがノードの集合に対する接続性のグラフおよびネットワークの組織化を実行するのに必要な他のすべての情報だけでなく、パケットルーティングを可能にする情報も含む全ネットワークトポロジーマップを作成することに関与する、請求項７記載の方法。