JP6293487B2 - Network design method and system - Google Patents
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本発明は、ネットワーク設計方法及びシステムに係り、特に、トラヒック需要の変動に対するネットワークの耐性を、ネットワークトポロジの多様性を指標として評価するネットワーク設計方法及びシステムに関する。 The present invention relates to a network design method and system, and more particularly to a network design method and system for evaluating the tolerance of a network against fluctuations in traffic demand using the diversity of network topology as an index.
非特許文献１には、相互情報量が相対的に高いネットワーク(AT&T 0.3)と低いネットワーク(AT&T original)とを用意して各ネットワークにトラヒック需要を模擬し、トラヒック量を増やした際の設備の増設量を比較した結果から、トラヒック需要の変動に対するネットワークの耐性は、残存次数のエントロピーを確率変数とする相互情報量で代表できることが研究報告されている。 Non-Patent Document 1 provides a network with relatively high mutual information (AT & T 0.3) and a low network (AT & T original) to simulate traffic demand in each network and increase the amount of traffic. From the result of comparing the amount of expansion, it has been reported that the tolerance of the network against fluctuations in traffic demand can be represented by mutual information with the remaining order entropy as a random variable.
特許文献１には、高効率な障害復旧方式を実現する通信網の設計方法が開示されている。特許文献２には、ノード間の通信路を多重化しながら、経済的な通信網を設計する方法が開示されている。特許文献３には、既存のトポロジから、接続要件を満たす、かつ、リンクコスト最小のトポロジを生成し、逐次的に適切なトポロジ、すなわち通信網を設計する方法が開示されている。 Patent Document 1 discloses a communication network design method that realizes a highly efficient failure recovery method. Patent Document 2 discloses a method for designing an economical communication network while multiplexing communication paths between nodes. Patent Document 3 discloses a method for generating a topology that satisfies connection requirements and has a minimum link cost from an existing topology, and sequentially designs an appropriate topology, that is, a communication network.
特許文献１，２に開示されたネットワーク設計方法は、比較的小規模、例えば数十〜百ノード程度のネットワークを対象とした設計方法である。加えて、単一ノードの障害や予め想定したトラヒックの需要増など、想定した変化に対して適用するネットワーク設計方法である。 The network design method disclosed in Patent Documents 1 and 2 is a design method for a relatively small-scale network, for example, a network of about several tens to one hundred nodes. In addition, the network design method is applied to an assumed change such as a failure of a single node or an increase in traffic demand assumed in advance.
特許文献３では、所望のトポロジを生成するにいたるまでに、複数回の異なるトポロジを計算したり、また設計のために予め複数のパラメータを設定したりする必要がある。これらパラメータの最適設定は事前の計算や主観的な設定が必要となる。さらに、一般的に現状において通信事業者等で従来利用されているネットワーク設計方式は、必ずしも大規模ネットワークに適しているものではない。 In Patent Document 3, it is necessary to calculate a plurality of different topologies and to set a plurality of parameters in advance for design until a desired topology is generated. Optimal setting of these parameters requires prior calculations and subjective settings. In addition, the network design method that is generally used in the present situation by communication carriers in general is not necessarily suitable for a large-scale network.
例えば、ノード間のトラヒック量などの通信状況に関する情報（制御情報）を集約し、最適化問題を解いてルータ配置やルータ間の通信容量を設計する方法では、ノード規模が大きくなると計算時間が爆発する。また、大規模ネットワークでは通信状況に関する情報を集めること自体が困難、高負荷である。 For example, in a method that aggregates information (control information) related to communication status such as traffic volume between nodes and solves optimization problems to design router placement and communication capacity between routers, computation time explodes when the node size increases. To do. Also, in a large-scale network, it is difficult to collect information on communication status itself, and the load is high.
そもそも最適性は、通信状況が固定ないしは想定される範囲内の変化を前提とした時にのみ確保されるものであり、ネットワーク状況が時々刻々と変化し、将来のトラヒック需要の変動が予期できない中で、最適性を目指した設計方式には限界ある。このため、現在ではヒューリスティック＋over-provisioningといった場当たり的な設備増強手法が採用され、急伸的なサービスによるトラヒック増加や、想定しない故障などへの対処が困難であった。また、性能指標の最適化に基づく設計では、設計時の環境下では良くても、環境が変化すると適正が低下してしまうという問題がある。 In the first place, optimality is ensured only when the communication status is fixed or premised on changes within the assumed range, and the network status changes from moment to moment, and fluctuations in future traffic demand cannot be anticipated. There is a limit to the design method aiming for optimality. For this reason, ad hoc equipment augmentation methods such as heuristic + over-provisioning have been adopted, and it has been difficult to cope with traffic increase due to rapid service and unexpected failures. Further, in the design based on the optimization of the performance index, there is a problem that even if the environment at the time of design is good, the suitability decreases when the environment changes.
本発明の目的は、上記の技術課題を解決し、ノード規模の大きなネットワークへの対応が容易であり、ネットワーク環境の変化にかかわらず最適なネットワーク設計を可能にするネットワーク設計方法及びシステムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a network design method and system that solves the above technical problem, is easy to cope with a network having a large node scale, and enables optimum network design regardless of changes in the network environment. There is.
上記の目的を達成するために、本発明は、ネットワークトポロジをノードおよび／またはリンクの追加により変更するネットワーク設計システムにおいて、以下の構成を具備した点に特徴がある。 In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that a network design system for changing a network topology by adding nodes and / or links has the following configuration.
(1) ネットワークトポロジを取得する手段と、ノードおよび／またはリンクの追加候補箇所ごとにネットワークトポロジの多様性を評価する手段と、追加候補箇所の中からネットワークトポロジの多様性に基づいて追加箇所を決定する手段とを具備した。 (1) A means for obtaining the network topology, a means for evaluating the diversity of the network topology for each additional candidate part of the node and / or link, and an additional part based on the diversity of the network topology from the additional candidate parts. Means for determining.
(2) 追加箇所を決定する手段は、ネットワークトポロジの多様性を相互情報量で代表し、相互情報量が最小となる追加候補箇所を追加箇所に決定するようにした。 (2) As a means for determining the additional location, the diversity of the network topology is represented by the mutual information amount, and the additional candidate location that minimizes the mutual information amount is determined as the additional location.
(3) 追加箇所を決定する手段は、各追加候補箇所にノードおよび／またはリンクを追加した時の接続先ノードの次数の相互情報量に基づいて追加箇所を決定するようにした。 (3) As a means for determining an additional location, the additional location is determined based on the mutual information of the order of the connection destination node when a node and / or a link is added to each additional candidate location.
(4) ネットワークのトラヒック変動を監視する手段と、トラヒック変動の監視結果に基づいて、ノードおよび／またはリンクの追加候補箇所を選択する手段とを具備した。 (4) It has means for monitoring network traffic fluctuations and means for selecting additional candidate locations of nodes and / or links based on the traffic fluctuation monitoring results.
(5) 追加候補箇所を選択する手段は、トラヒック変動を監視する手段により検知された障害箇所を通過するフローが、ノードおよび／またはリンクの追加により当該障害箇所よりも前ホップにおいて他の経路に迂回できる追加候補箇所を選択するようにした。 (5) The means for selecting an additional candidate location is such that the flow passing through the fault location detected by the means for monitoring traffic fluctuation is transferred to another route at a hop before the fault location by adding a node and / or link. Added additional candidate locations that can be bypassed.
発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1) ネットワークへノードやリンクを追加してトポロジを変更する際に、ネットワークトポロジの多様性に基づいて追加箇所が決定されるので、ノード追加やリンク追加の影響を広く波及させてトラヒックを広範囲に分散させることができ、その結果、トラヒック変動に対する耐性が高いネットワークトポロジを獲得できるようになる。
According to the invention, the following effects are achieved.
(1) When a node or link is added to the network and the topology is changed, the addition location is determined based on the diversity of the network topology. As a result, it is possible to acquire a network topology that is highly resistant to traffic fluctuations.
(2) ネットワークトポロジの多様性が相互情報量に基づいて定量的に評価されるので、ネットワークトポロジの多様性が高くなる追加箇所を正確に決定できるようになる。 (2) Since the diversity of the network topology is quantitatively evaluated based on the mutual information amount, it becomes possible to accurately determine an additional portion where the diversity of the network topology is high.
(3) トラヒックの監視結果に基づいて、トラヒック変動後の需要トラヒックを収容できる追加候補箇所が選択されるようにしたので、トラヒック変動に対する耐性の獲得のみならず、トラヒック変動後の需要トラヒックも収容できるようになる。 (3) Based on the traffic monitoring results, additional candidate locations that can accommodate demand traffic after traffic fluctuations are selected, so that not only is resistance to traffic fluctuations acquired, but demand traffic after traffic fluctuations is also accommodated. become able to.
(4) ネットワークのトポロジさえ取得できれば追加箇所を決定できるので、大規模ネットワークへも容易に適用できる。また、ネットワークトポロジは短時間で変動するものではないので、追加箇所をオンラインかつリアルタイムで決定できるようになる。 (4) Additional locations can be determined as long as the network topology can be acquired, and can be easily applied to large-scale networks. In addition, since the network topology does not change in a short time, it becomes possible to determine an additional place online and in real time.
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。図１は、本発明の一実施形態に係るネットワーク設計システムの主要部の構成を示したブロック図であり、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）を実装して構成しても良いし、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構成しても良い。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a main part of a network design system according to an embodiment of the present invention, in which an application (program) for realizing each function is mounted on a general-purpose computer or server. Alternatively, it may be configured as a dedicated machine or a single-function machine in which a part of the application is hardware or ROMized.
ネットワーク管理部１０は、監視対象のネットワークのトポロジを管理する。ネットワーク監視部２０は、監視対象ネットワークについてリンク毎のトラヒック流量、ノード毎のトラヒック流量およびノード毎の回線負荷等を測定し、輻輳や障害の有無、箇所をノード単位、リンク単位で検知する。 The network management unit 10 manages the topology of the network to be monitored. The network monitoring unit 20 measures the traffic flow for each link, the traffic flow for each node, the line load for each node, and the like for the monitored network, and detects the presence / absence and location of congestion and failure in units of nodes and links.
なお、前記ネットワークのトポロジ、リンク毎およびノード毎のトラヒック流量などは、通常のネットワーク運用に必要不可欠な情報であり、別途に監視されている場合には、その監視データを取得して利用するようにしても良い。 Note that the network topology, the traffic flow rate for each link and each node, etc. are indispensable information for normal network operation, and when separately monitored, the monitoring data should be acquired and used. Anyway.
追加候補箇所選択部３０は、ノードやリンクの輻輳、切断といった障害またはその可能性、あるいは将来のトラヒック需要予測などが前記ネットワーク監視部２から報告されると、当該障害箇所に対する迂回経路を新規構築または増強できるノード追加および／またはリンク追加の候補箇所を複数選択する。 The additional candidate location selection unit 30 newly constructs a detour route for the failure location when the network monitoring unit 2 reports a failure or its possibility such as congestion or disconnection of a node or link, or a future traffic demand prediction. Alternatively, a plurality of candidate locations for node addition and / or link addition that can be increased are selected.
このとき、ノードやリンクに障害が発生してフローが途切れた場合には、フロー確保を条件にノード追加やリンク追加の候補箇所が選択される。また、輻輳やトラヒック需要増への対応であれば、追加されるノードやリンクの能力に基づいて、需要トラヒックが満たされることを条件に複数の追加候補箇所が選択される。 At this time, if a failure occurs in a node or link and the flow is interrupted, candidate locations for node addition or link addition are selected on condition that the flow is secured. Further, if it is a response to congestion and traffic demand increase, a plurality of additional candidate locations are selected on the condition that the demand traffic is satisfied based on the capability of the added node or link.
図２は、前記追加候補箇所選択部３０によるノード追加の候補箇所の選択例を示した図であり、同図(a)のネットワークトポロジにおいて、ノードN2，N3間のリンクL23に輻輳や障害が発生し、これが前記ネットワーク監視部２０により検知されると、当該リンクを迂回する経路、補強する経路を確保するために、ノードN2，N3を中継するノードN6[同図(b)]が候補箇所として選択される。 FIG. 2 is a diagram showing an example of selection of candidate locations for node addition by the additional candidate location selector 30. In the network topology of FIG. 2A, there is congestion or failure in the link L23 between the nodes N2 and N3. When this occurs and is detected by the network monitoring unit 20, a node N6 [FIG. (B)] that relays the nodes N2 and N3 is a candidate location in order to secure a route that bypasses the link and a route that reinforces the link. Selected as.
また、監視対象がフロー管理の可能なネットワークであって、エンド／エンドのトラヒックフローを管理できるならば、ノードN1，N3を中継するノードN7[同図(c)]のように、障害箇所を含む複数のノードや経路を迂回する箇所が候補箇所として選択されるようにしても良い。 Also, if the monitoring target is a network capable of flow management and can manage end / end traffic flows, the fault location can be identified as shown in node N7 [FIG. (C)] that relays nodes N1 and N3. A location that bypasses a plurality of nodes and routes that are included may be selected as a candidate location.
さらに、フロー管理の可能なネットワークであれば、障害箇所を通過するフローがその数ホップ前に通過するリンクやノードを判別できる。したがって、このような環境下では上記のように障害箇所やその周辺にノードを追加してトポロジを変更するのではなく、図３(a)に示した追加ノードN8のように、障害箇所の数ホップ前のトポロジを変更することでフローを障害箇所から予め遠ざけられる箇所が選択されるようにしても良い。 Further, in the case of a network capable of flow management, it is possible to determine a link or a node through which a flow passing through a fault location passes several hops before. Therefore, in such an environment, the topology is not changed by adding a node at or around the fault location as described above, but the number of fault locations as in the additional node N8 shown in FIG. You may make it select the location which can keep a flow away from a failure location previously by changing the topology before a hop.
図３(b)，(c)は、前記図２(b)，(c)に示したノード追加に代えてリンク追加する場合の候補箇所の選択例を示している。また、図示は省略するが、ノードおよびリンクの双方が追加されるようにしても良い。 FIGS. 3B and 3C show an example of selection of candidate locations when a link is added instead of the node addition shown in FIGS. 2B and 2C. Although illustration is omitted, both nodes and links may be added.
追加箇所決定部４０は、前記選択された各候補箇所にノードやリンクを追加した際のネットワークの多様性を相互情報量に基づいて判断し、相互情報量が最小となる１ないし複数の候補箇所をノードやリンクの追加箇所に決定する。 The additional location determination unit 40 determines the diversity of the network when adding nodes and links to the selected candidate locations based on the mutual information amount, and one or more candidate locations where the mutual information amount is minimized. To be added to the node or link.
図４は、前記追加箇所決定部４０の機能ブロック図であり、本実施形態では、トラヒック需要の変動に対するネットワークの耐性がネットワークトポロジの多様性で代表される。ネットワークの耐性とは、トラヒック需要が増えた時に、これが一部のノードやリンクに集中せず、より広範なノードやリンクに分散できる性質を意味する。 FIG. 4 is a functional block diagram of the additional location determination unit 40. In this embodiment, the tolerance of the network against fluctuations in traffic demand is represented by the diversity of the network topology. Network tolerance means that when traffic demand increases, it does not concentrate on some nodes and links but can be distributed to a wider range of nodes and links.
そして、ネットワークトポロジの多様性を、ノード追加やリンク追加によるエントロピーを変数とする相互情報量を指標として評価することにより、トラヒック需要の変動に対する耐性の高いネットワークを獲得できる追加箇所を前記候補箇所の中から決定する。 Then, by evaluating the diversity of the network topology using as an index the mutual information with the entropy due to node addition or link addition as a variable, an additional point that can acquire a network highly resistant to fluctuations in traffic demand is determined as the candidate point. Decide from the inside.
ここでは初めに、ネットワークトポロジの多様性と相互情報量との関係について説明し、その後、追加箇所決定部４０の機能について説明する。 Here, first, the relationship between the diversity of the network topology and the mutual information amount will be described, and then the function of the additional location determination unit 40 will be described.
相互情報量とは、２つの確率変数ｘ，ｙがあったときに、yの値を知った時のｘの「不確かさの減少分」、すなわち「情報量の増加分」と定義される。したがって、これをネットワークトポロジの変更に当てはめれば、「相互情報量Iが大きい」とは、yの値を知ることでxの不確かさが大きく減少すること、換言すればトポロジの構造に多様性がないことを意味する。また、「相互情報量Iが小さい」とは、yの値を知ることでxの不確かさが少しだけ減少すること、換言すればトポロジの構造に多様性があることを意味する。 The mutual information amount is defined as the “decrease in uncertainty” of x when the value of y is known when there are two random variables x and y, that is, “increase in information amount”. Therefore, if this is applied to a change in the network topology, “the mutual information amount I is large” means that knowing the value of y greatly reduces the uncertainty of x, in other words, diversity in the topology structure. Means no. Further, “the mutual information amount I is small” means that knowing the value of y slightly reduces the uncertainty of x, in other words, there is diversity in the topology structure.
そこで、本発明では相互情報量を、トポロジの構造の一部（yに相当）を知ることで得られる残りのトポロジの構造(xに相当)の情報量と見立てることで、トポロジが有する構造の多様性を定量的に測るようにした。 Therefore, in the present invention, the mutual information amount is regarded as the information amount of the remaining topology structure (corresponding to x) obtained by knowing a part of the topology structure (corresponding to y). Diversity was measured quantitatively.
追加次数分布計算部４１は、ノードやリンクの追加候補箇所ごとに、当該箇所にノードやリンクを接続したときの次数分布、すなわち追加次数分布q(k)を算出する。本実施形態では、各ノードに接続されたリンク数が「次数」であり、図５に示したように、ネットワーク上の各候補箇所にノード（あるいはリンク）を追加したときに当該追加ノード（あるいはリンク）と接続される隣接ノードの次数が「追加次数」となる。 The additional degree distribution calculation unit 41 calculates, for each node or link addition candidate location, an order distribution when the node or link is connected to the location, that is, an additional order distribution q (k). In this embodiment, the number of links connected to each node is “degree”, and as shown in FIG. 5, when a node (or link) is added to each candidate location on the network, the additional node (or The degree of the adjacent node connected to the (link) becomes the “additional order”.
追加次数分布q(k)は、次数分布P（P1，P2…，PK）を用いて次式(1)で表される。ただし、符号P1はリンク数が「１」のノード総数、符号P２はリンク数が「２」のノード総数…、符号Kは最大次数であり、いずれもネットワークトポロジから求められる。 The additional order distribution q (k) is expressed by the following equation (1) using the order distribution P (P1, P2,..., PK). However, the code P1 is the total number of nodes with the number of links “1”, the code P2 is the total number of nodes with the number of links “2”,..., And the code K is the maximum order.
相互情報量算出部４２は、追加次数の相互情報量I(q)を算出する。相互情報量I(q)は、追加数分布q=(q(1),…，q(i)，…q(K))を用いて次式(2)で表される。 The mutual information amount calculation unit 42 calculates the mutual information amount I (q) of the additional order. The mutual information I (q) is expressed by the following equation (2) using an additional number distribution q = (q (1),..., Q (i),.
上式(2)における右辺第１項のH(q)は追加次数のエントロピーを表しており、追加次数分布q(k)を用いて次式(3)で表される。このエントロピーH(q)は、リンクの接続先のノード次数の多様性を計っており、ノード次数が多様になればなるほどH(q)は大きくなる。 H (q) of the first term on the right side in the above equation (2) represents the entropy of the additional order, and is represented by the following equation (3) using the additional order distribution q (k). This entropy H (q) measures the diversity of the node order of the connection destination of the link, and H (q) increases as the node order becomes diverse.
上式(2)における右辺第２項のHcは、追加次数の条件付きエントロピーであり、次式(4)で表される。ただし、π(k｜k')は、追加次数k'を持つノードと接続されている追加次数がkである条件付き確率である。 Hc in the second term on the right side in the above equation (2) is a conditional entropy of an additional order, and is represented by the following equation (4). However, π (k | k ′) is a conditional probability that the additional order k connected to the node having the additional order k ′ is k.
追加箇所選択部４３は、ノードやリンクの追加候補箇所ごとに求められた相互情報量Iを比較し、最小の相互情報量Iを与える追加候補箇所を追加箇所として選択する。 The additional location selection unit 43 compares the mutual information amount I obtained for each additional candidate location of the node or link, and selects the additional candidate location that gives the minimum mutual information amount I as the additional location.
なお、上記の実施形態では、ネットワーク監視部２０により検知された障害箇所近傍または関連箇所に複数の追加候補箇所を予め設定し、当該追加候補箇所の中から追加箇所が決定されるものとして説明した。 In the above-described embodiment, it has been described that a plurality of additional candidate locations are set in advance in the vicinity of the failure location detected by the network monitoring unit 20 or related locations, and the additional locations are determined from the additional candidate locations. .
しかしながら、本発明はこれのみに限定されるものではなく、ネットワークのトラヒック状況とは無関係に、既存のネットワークトポロジを将来のトラヒック需要予測に合わせて拡張する際のノードやリンクの追加箇所の決定にも利用できる。この場合、全ての追加可能箇所を追加候補箇所として評価し、相互情報量の小さくなる上位N箇所が追加箇所として決定されるようにしても良い。 However, the present invention is not limited to this, and regardless of the traffic situation of the network, it is possible to determine an additional part of a node or a link when an existing network topology is extended in accordance with a future traffic demand forecast. Can also be used. In this case, all the places that can be added may be evaluated as addition candidate places, and the top N places where the mutual information amount is small may be determined as the addition places.
１０…ネットワーク管理部，２０…ネットワーク監視部，３０…追加候補箇所選択部，４０…追加箇所決定部，４１…追加次数分布計算部，４２…相互情報量算出部，４３…追加箇所選択部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Network management part, 20 ... Network monitoring part, 30 ... Additional candidate part selection part, 40 ... Additional part determination part, 41 ... Additional order distribution calculation part, 42 ... Mutual information amount calculation part, 43 ... Additional part selection part
Claims (6)
ネットワークトポロジを取得する手段と、
ネットワークのトラヒック変動を監視する手段と、
前記監視する手段により検知された障害箇所を通過するフローが、ノードおよび／またはリンクの追加により当該障害箇所よりも前ホップにおいて他の経路に迂回できる追加候補箇所を選択する手段と、
前記ノードおよび／またはリンクの追加候補箇所ごとにネットワークトポロジの多様性を評価する手段と、
複数の追加候補箇所の中からネットワークトポロジの多様性に基づいて追加箇所を決定する手段とを具備したことを特徴とするネットワーク設計システム。 In a network design system that changes a network topology by adding nodes and / or links,
Means for obtaining a network topology;
A means of monitoring network traffic fluctuations;
Means for selecting an additional candidate location that allows a flow passing through the fault location detected by the monitoring means to be detoured to another route at a hop before the fault location by adding a node and / or link;
It means for evaluating the diversity of network topology for each additional candidate locations of the nodes and / or links,
A network design system comprising: means for determining an additional location from a plurality of additional candidate locations based on a variety of network topologies.
ネットワークトポロジを取得する手順と、
ネットワークのトラヒック変動を監視する手順と、
前記トラヒック変動を監視して検知された障害箇所を通過するフローが、ノードおよび／またはリンクの追加により当該障害箇所よりも前ホップにおいて他の経路に迂回できる追加候補箇所を選択する手順と、
前記ノードおよび／またはリンクの追加候補箇所ごとにネットワークトポロジの多様性を評価する手順と、
複数の追加候補箇所の中からネットワークトポロジの多様性に基づいてノード追加箇所を決定する手順とを含むことを特徴とするネットワーク設計方法。 In a network design method for changing a network topology by adding nodes and / or links,
To get the network topology;
A procedure for monitoring network traffic fluctuations;
A procedure for selecting an additional candidate location that can be bypassed to another route at a hop before the failure location by adding a node and / or a link, so that the flow passing through the detected failure location by monitoring the traffic variation;
And procedures for evaluating the diversity of network topology for each additional candidate locations of the nodes and / or links,
And a procedure for determining a node addition location based on the diversity of the network topology from among a plurality of additional candidate locations.
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