(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物が未知の環境変化に適応するときの振る舞いをモデル化したアトラクター選択によって仮想網を制御する仮想網制御方法であって、
前記アトラクター選択を表現するゆらぎ方程式を記憶する記憶ステップと、
前記ゆらぎ方程式のパラメータを設計する設計ステップと、
前記パラメータを前記ゆらぎ方程式に適用して前記仮想網を制御する制御ステップと、
を備え、
前記設計ステップでは、前記ゆらぎ方程式に含まれる制御行列Wijを設計する際、ノードペアiに対して波長パスが設定された場合にノードペアjへの波長パスの設定がされにくくなる関係を示す抑制関係を以下の計算手順を用いて計算することを特徴とする仮想網制御方法。
１．物理網トポロジGpから波長パスの経路Rpを設計する。
２．波長パスの経路の集合Rpから少なくとも1つ以上の物理リンクlpiを共有する２本の波長パスのペアを全て抽出し、抽出した波長パスの発着点となるノードの組を抽出して抑制ノードペアリスト｛(p1,q1,), ・・,(pm,qm)｝を作成する。
３．抑制ノードペアリスト｛(p1,q1,), ・・,(pm,qm)｝内の各ノードペアの組(pi,qi)に対応する制御行列の要素Wpi,qiにそれぞれ負の実数βを設定する。
【請求項２】
生物が未知の環境変化に適応するときの振る舞いをモデル化したアトラクター選択によって仮想網を制御する仮想網制御方法であって、
前記アトラクター選択を表現するゆらぎ方程式を記憶する記憶ステップと、
前記ゆらぎ方程式のパラメータを設計する設計ステップと、
前記パラメータを前記ゆらぎ方程式に適用して前記仮想網を制御する制御ステップと、
を備え、
前記設計ステップでは、前記ゆらぎ方程式に含まれる制御行列Wijを設計する際、ノードペアiに対して波長パスが設定された場合にノードペアjへの波長パスの設定がされやすくなる関係を示す活性関係を以下の計算手順を用いて計算することを特徴とする仮想網制御方法。
１．物理網トポロジGpから波長パスの経路Rpを設計する。
２．活性関係とする波長パスのペアを以下の波長パス設定ポリシーに従って選択する。
（ア）仮想網の経路情報Rvから複数ホップで転送されているトラヒックが通過する仮想リンクを構成する波長パスと該当トラヒックの発着ノードを終端点とする波長パス
（イ）仮想網の経路情報Rvから複数ホップで転送されているトラヒックが通過する仮想リンクのうち、任意の２本の仮想リンクを構成する波長パス
（ウ）仮想網において、あるトラヒックの発着点間のカット容量を増加させる波長パス同士
３．抽出された２本の波長パスの発着点となるノードの組を抽出して活性ノードペアリスト｛(p1,q1,), ・・,( pn,qn)｝を作成する。
４．活性ノードペアリスト｛(p1,q1,), ・・,( pn,qn)｝内の各ノードペアの組(pi,q1)に対応する制御行列の要素Wpi,qiにそれぞれ正の実数γを設定する。
【請求項３】
生物が未知の環境変化に適応するときの振る舞いをモデル化したアトラクター選択によって仮想網を制御する仮想網制御方法であって、
前記アトラクター選択を表現するゆらぎ方程式を記憶する記憶ステップと、
前記ゆらぎ方程式のパラメータを設計する設計ステップと、
前記パラメータを前記ゆらぎ方程式に適用して前記仮想網を制御する制御ステップと、
を備え、
前記設計ステップでは、前記ゆらぎ方程式に含まれる制御行列Wijを設計する際、ノードペアiに対して波長パスが設定された場合にノードペアjへの波長パスの設定がされやすくなる関係を示す活性関係を以下の計算手順を用いて計算することを特徴とする仮想網制御方法。
１．物理網トポロジGpから波長パスの経路Rpを設計する。
２．物理ノードの集合Vpから集約ノードVpaを以下の方法により決定し、集約ノード以外のノードを非集約ノードVpnaとする。
（ア）物理ノードのうち、収容するリンク数または収容するリンク容量の合計の多い上位R台を指定する。
（イ）地理的に均一になるように物理ノードをＲ台指定する。
３．以下の条件を満足する発着ノードを活性関係とする活性ノードペアを抽出する。
（ア）非集約ノードVpna内の任意の２ノードを始点または終点とし、集約ノードVpaに属するノードを終点または始点とするノードペア。
（イ）集約ノードVpa内の任意の２ノードを始点とし、別の集約ノードVpaに属するノードを終点とする対地ペア。
４．抽出した活性ノードペアリスト｛(p1,p2,), ・・,( pn,pn)｝を作成する。
５．活性ノードペアリスト｛(p1,p2,), ・・,( pn,pn)｝内の各ノードペアの組(pi,pj)に対応する制御行列の要素Wpi,pjにそれぞれ正の実数γを設定する。
【請求項４】
前記設計ステップでは、事前に環境変動への耐性の高い候補トポロジを複数作成し、前記ゆらぎ方程式の解として選択されるように前記ゆらぎ方程式に含まれる制御行列Wijを設計し、設計した制御行列Wijをパラメータとして前記ゆらぎ方程式に組み込むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の仮想網制御方法。
【請求項５】
前記設計ステップでは、以下の計算手順を用いて事前に前記制御行列Wijをパラメータとして前記ゆらぎ方程式に組み込むことを特徴とする請求項４記載の仮想網制御方法。
１．ある時点で観測された仮想網の経路情報Rvと仮想リンクの負荷情報Uをもとに、仮想網の交流トラヒックTについての方程式U=Rv・T を満たす候補交流トラヒックT(k)をn個生成する。
２．候補交流トラヒックT(k)に対して候補トポロジ GV(k)をn個生成する。
３．候補トポロジ GV(k)に対して制御行列Wijを算出する。 
４．算出した制御行列Wijをパラメータとしてゆらぎ方程式に組み込む。
【請求項６】
請求項１から５記載のステップを実行する処理部を備えたことを特徴とする仮想網制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、IP (Internet Protocol)、Ethernet（登録商標）、P2P (Peer-to-Peer)などの仮想網を制御する仮想網制御方法および仮想網制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長分割多重(WDM)をベースにした物理ネットワークは、波長パスとOXC(optical cross_connect)から構成されており、波長ルーティングを用いることで、上位レイヤのノードを接続する波長パスを提供して仮想的なトポロジ（仮想網）を構築し、種々のサービスを実現可能な柔軟な通信ネットワークインフラを提供することができる。ここで、物理網の波長はボトルネック資源であり、波長を有効に使う必要がある。そこで、トラヒックを波長ネットワーク上に効率的に収容するために、トラヒックに応じて適切に仮想網を構築する仮想網制御に関する研究が数多くなされてきた（非特許文献１，２参照）。
【０００３】
仮想網とは波長ネットワークに収容される上位レイヤの論理的なネットワークのことで、上位レイヤがIPの場合、仮想網トポロジとはIP網の論理接続構成に相当する。通信インフラ設備自体は物理網が所有し、物理網の資源を論理的に分割し、その一部を仮想網に配分することで仮想網は構築される。一般に、物理網は１つまたは複数の仮想網を収容する能力を持つ。
【０００４】
非特許文献１，２では、与えられた単一のトラヒック需要行列に対して、そのトラヒックを収容するために最適な仮想網を設計するための最適化に基づく方法およびヒューリスティックな方法が提案されている。トラヒック需要行列とは網内の任意の２ノード間のトラヒック需要を行列形式で表示したもので、ネットワーク全体のトラヒック交流を表現する。
【０００５】
近年、インターネットの発展に伴い、P2Pネットワーク、VoIP、ビデオオンデマンドなどに代表される新たなサービスが出現しており、ネットワーク上で生じる環境の変化は大きくなっている。一つの例として、オーバーレイネットワークとトラヒックエンジニアリングの相互作用により、トラヒック需要などのネットワークの状態が大きくかつ不規則に変化することが明らかにされている。そのため、予期しないトラヒック需要の変化に対して適応性を備えた仮想網制御を実現することが重要である。
【０００６】
トラヒック需要の変化に適応し、トラヒックを効率的に仮想網上に収容するために、定期的なネットワークの計測および仮想網上の性能劣化の検出に基づいて仮想網を動的に再構成するアプローチ（オンライン型制御）が考えられている（非特許文献３参照）。このようなオンライン型制御では、オフライン型制御とは異なり、変動したトラヒックに応じて仮想網を再構成するためトラヒック需要の変動に適応することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】B. Mukherjee, D. Banerjee, S. Ramamurthy, and A. Mukherjee, “Some principles for designing a wide-area WDM optical network,” IEEE/ACM Transactions on Networking, vol. 4, no. 5, pp. 684-696, 1996.
【非特許文献２】R. Ramaswami and K. N. Sivarajan, “Design of logical topologies for wavelength-routed optical networks,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 14, pp. 840-851, June 1996.
【非特許文献３】B. Ramamurthy and A. Ramakrishnan, “Virtual topology reconfigurationof wavelength-routed optical WDM networks,” in Proceedings of GLOBECOM, vol. 2, pp. 1269-1275, Nov. 2000.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここで、上述の既存のオンライン型制御の多くは、ある2つの時刻におけるトラヒック需要行列が取得可能であること、および、トラヒック需要が周期的かつ緩やかに変動し、最適化前後のトラヒック需要行列に大きな変化がないことを仮定している。しかしながら、大規模な通信ネットワークにおいて正確なトラヒック需要行列を取得することは困難である（N. Benameur and  J. W. Roberts, “Traffic Matrix Inference in IP Networks ,“ NETWORKS AND SPATIAL ECONOMICS , VOL 4; NUMBER 1, pages 103-114, 2004.参照）。また、多数のアプリケーション、サービスが収容されている通信ネットワークでは、仮想網上のトラヒック需要の変動はより大きくかつ予測困難な変化をするため、様々なトラヒックの変動に適応できる仮想網制御が必要である。さらに、ネットワーク上に生じる環境変化はトラヒックの変動によるもののみではなくリンク障害などの変化も生じる。そのため、トラヒック変動に対してだけではなくリンク障害なども含めた様々な環境の変化に対する適応性を備えた仮想網制御を実現することが重要である。
【０００９】
本発明は、上述した従来の技術に鑑み、オンライン型制御方式を用いた場合でも交流トラヒック情報などのネットワーク状態情報を必要とせず、予期しないトラヒック需要変動やネットワーク構成要素の故障などの環境変動に追従可能な仮想網制御方法および仮想網制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、第１の態様に係る発明は、生物が未知の環境変化に適応するときの振る舞いをモデル化したアトラクター選択によって仮想網を制御する仮想網制御方法であって、前記アトラクター選択を表現するゆらぎ方程式を記憶する記憶ステップと、前記ゆらぎ方程式のパラメータを設計する設計ステップと、前記パラメータを前記ゆらぎ方程式に適用して前記仮想網を制御する制御ステップとを備え、前記設計ステップでは、前記ゆらぎ方程式に含まれる制御行列Wijを設計する際、ノードペアiに対して波長パスが設定された場合にノードペアjへの波長パスの設定がされにくくなる関係を示す抑制関係を以下の計算手順を用いて計算することを要旨とする。
１．物理網トポロジGpから波長パスの経路Rpを設計する。
２．波長パスの経路の集合Rpから少なくとも1つ以上の物理リンクlpiを共有する２本の波長パスのペアを全て抽出し、抽出した波長パスの発着点となるノードの組を抽出して抑制ノードペアリスト｛(p1,q1,), ・・,(pm,qm)｝を作成する。
３．抑制ノードペアリスト｛(p1,q1,), ・・,(pm,qm)｝内の各ノードペアの組(pi,qi)に対応する制御行列の要素Wpi,qiにそれぞれ負の実数βを設定する。
また、上記目的を達成するため、第２の態様に係る発明は、生物が未知の環境変化に適応するときの振る舞いをモデル化したアトラクター選択によって仮想網を制御する仮想網制御方法であって、前記アトラクター選択を表現するゆらぎ方程式を記憶する記憶ステップと、前記ゆらぎ方程式のパラメータを設計する設計ステップと、前記パラメータを前記ゆらぎ方程式に適用して前記仮想網を制御する制御ステップとを備え、前記設計ステップでは、前記ゆらぎ方程式に含まれる制御行列Wijを設計する際、ノードペアiに対して波長パスが設定された場合にノードペアjへの波長パスの設定がされやすくなる関係を示す活性関係を以下の計算手順を用いて計算することを要旨とする。
１．物理網トポロジGpから波長パスの経路Rpを設計する。
２．活性関係とする波長パスのペアを以下の波長パス設定ポリシーに従って選択する。
（ア）仮想網の経路情報Rvから複数ホップで転送されているトラヒックが通過する仮想リンクを構成する波長パスと該当トラヒックの発着ノードを終端点とする波長パス
（イ）仮想網の経路情報Rvから複数ホップで転送されているトラヒックが通過する仮想リンクのうち、任意の２本の仮想リンクを構成する波長パス
（ウ）仮想網において、あるトラヒックの発着点間のカット容量を増加させる波長パス同士
３．抽出された２本の波長パスの発着点となるノードの組を抽出して活性ノードペアリスト｛(p1,q1,), ・・,( pn,qn)｝を作成する。
４．活性ノードペアリスト｛(p1,q1,), ・・,( pn,qn)｝内の各ノードペアの組(pi,q1)に対応する制御行列の要素Wpi,qiにそれぞれ正の実数γを設定する。
また、上記目的を達成するため、第３の態様に係る発明は、生物が未知の環境変化に適応するときの振る舞いをモデル化したアトラクター選択によって仮想網を制御する仮想網制御方法であって、前記アトラクター選択を表現するゆらぎ方程式を記憶する記憶ステップと、前記ゆらぎ方程式のパラメータを設計する設計ステップと、前記パラメータを前記ゆらぎ方程式に適用して前記仮想網を制御する制御ステップとを備え、前記設計ステップでは、前記ゆらぎ方程式に含まれる制御行列Wijを設計する際、ノードペアiに対して波長パスが設定された場合にノードペアjへの波長パスの設定がされやすくなる関係を示す活性関係を以下の計算手順を用いて計算することを要旨とする。
１．物理網トポロジGpから波長パスの経路Rpを設計する。
２．物理ノードの集合Vpから集約ノードVpaを以下の方法により決定し、集約ノード以外のノードを非集約ノードVpnaとする。
（ア）物理ノードのうち、収容するリンク数または収容するリンク容量の合計の多い上位R台を指定する。
（イ）地理的に均一になるように物理ノードをＲ台指定する。
３．以下の条件を満足する発着ノードを活性関係とする活性ノードペアを抽出する。
（ア）非集約ノードVpna内の任意の２ノードを始点または終点とし、集約ノードVpaに属するノードを終点または始点とするノードペア。
（イ）集約ノードVpa内の任意の２ノードを始点とし、別の集約ノードVpaに属するノードを終点とする対地ペア。
４．抽出した活性ノードペアリスト｛(p1,p2,), ・・,( pn,pn)｝を作成する。
５．活性ノードペアリスト｛(p1,p2,), ・・,( pn,pn)｝内の各ノードペアの組(pi,pj)に対応する制御行列の要素Wpi,pjにそれぞれ正の実数γを設定する。
第４の態様に係る発明は、第１から３のいずれかの態様に係る発明において、前記設計ステップでは、事前に環境変動への耐性の高い候補トポロジを複数作成し、前記ゆらぎ方程式の解として選択されるように前記ゆらぎ方程式に含まれる制御行列Wijを設計し、設計した制御行列Wijをパラメータとして前記ゆらぎ方程式に組み込むことを要旨とする。
第５の態様に係る発明は、第４の態様に係る発明において、前記設計ステップでは、以下の計算手順を用いて事前に前記制御行列Wijをパラメータとして前記ゆらぎ方程式に組み込むことを要旨とする。
１．ある時点で観測された仮想網の経路情報Rvと仮想リンクの負荷情報Uをもとに、仮想網の交流トラヒックTについての方程式U=Rv・T を満たす候補交流トラヒックT(k)をn個生成する。
２．候補交流トラヒックT(k)に対して候補トポロジ GV(k)をn個生成する。
３．候補トポロジ GV(k)に対して制御行列Wijを算出する。 
４．算出した制御行列Wijをパラメータとしてゆらぎ方程式に組み込む。
また、上記目的を達成するため、第６の態様に係る発明は、仮想網制御装置において、第１から５の態様に係るステップを実行する処理部を備えたことを要旨とする。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、オンライン型制御方式を用いた場合でも交流トラヒック情報などのネットワーク状態情報を必要とせず、予期しないトラヒック需要変動やネットワーク構成要素の故障などの環境変動に追従可能な仮想網制御方法および仮想網制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のネットワーク構成図である。
【図２】本発明における仮想網制御装置の構成図である。
【図３】本発明における仮想網制御装置の主要な動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明における抑制関係の計算手順を説明するための図である。
【図５】本発明における活性関係の計算手順１を説明するための図である。
【図６】本発明における活性関係の計算手順２を説明するための図である。
【図７】本発明における制御行列Wijの組み込み手順を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４１】
（概要）
本発明では、以下に説明するゆらぎ方程式に基づき仮想網制御を実現する。
【００４２】
すなわち、生物の様々な振る舞いが環境変化に対してロバストであることが、多くの研究によって明らかにされている。例えば、生物が未知の環境変化に適応するときの振る舞いをモデル化したアトラクター選択が知られている（C. Furusawa and K. Kaneko, “A generic mechanism for adaptive growth rate regulation,” PLoS Computational Biology, vol. 4, p. e3, Jan. 2008.参照）。アトラクター選択は以下のゆらぎ方程式によって表現される。
【数１】
0005429989.tif 000002
【００４３】
アトラクター選択によって駆動するシステムは、ゆらぎηとアトラクターを持つ制御構造f (x)の2つの挙動を持ち、それらの挙動がシステムの状態を示す値である活性度αによって制御されている。システムのコンディションが劣化した場合は活性度αが低下する。そのため、ゆらぎηの影響が相対的に大きくなり、システムの状態x = (x1,・・・, xn) はランダムに変化する。xが変化してシステムの状態が改善すると、活性度αが増加する。その結果、xはf(x)によって支配的に制御される。このように、アトラクター選択では活性度αに応じてf(x)とゆらぎηが制御される。
【００４４】
一般的に、ヒューリスティックなアプローチでは、ある環境の変化に対する対応策をアルゴリズムとして用意することで環境の変化に対して適応する。そのため、想定した環境変化に対しては高い適応性を実現できるものの、想定外の環境変化に適応できない。それに対して、アトラクター選択はゆらぎによって駆動するため、達成可能な性能は準最適であるものの、未知の環境変化に対して適応しうる。
【００４５】
アトラクター選択は遺伝子ネットワークと代謝ネットワークの2つの層から構成される細胞の振る舞いをモデル化している。遺伝子ネットワークは、ゆらぎとアトラクターを持つ制御構造を持ち、式(1)に従って動作している。遺伝子ネットワークでは、遺伝子間の活性と抑制によってアトラクターを持つ制御構造f(x)が定義され、タンパク質の発現レベルxを制御している。代謝ネットワークでは、代謝反応によって細胞の成長に必要な基質を生成している。これらの代謝反応は、対応する遺伝子の発現レベルxiによって制御される。この必須基質量が細胞の成長速度を決めるため、その濃度をもとに活性度αを決める。αは遺伝子ネットワークにフィードバックされる。環境変化によって代謝ネットワークの状態が劣化した場合は、αの低下として反映される。αが低い場合は、ゆらぎηが支配的に遺伝子ネットワークを制御し、その環境に適した状態を探索する。ηによって環境に適したアトラクターが発見され、代謝ネットワークの状態が回復すると、それに伴いαが増加する。αが増加すると、遺伝子ネットワークはf(x)によって安定状態になる。このように、遺伝子ネットワークは代謝ネットワークの状態をαによって判定し、αをもとにηとf(x)を適切に制御することで環境変化に対する適応性を実現している。
【００４６】
（ネットワーク構成）
本発明では、IP/MPLSなどの上位のネットワークが波長ルーティングに代表される物理網が提供するパスによって構築された仮想網をインフラストラクチャーとして利用するネットワークを想定している。以下、具体的な説明として物理網としてWDMネットワークを採用した例を説明するが、ファイバネットワーク、TDM（Time Division Multiplexing）ネットワーク、Ethernet（登録商標）などのレイヤ２ネットワークが物理網の場合も同様に本発明を適用可能である。
【００４７】
まず、本発明のネットワーク構成を図１に示す。物理網ＧＰは物理ノードＶＰと物理リンクＬＰで構成されており、物理リンクＬＰはWDM技術により複数の波長を収容している。物理ノードＶＰ間は波長ルーティングにより波長パスで接続されている。物理網ＧＰは複数の仮想網ＧＶ（ここでは＃１〜＃３）を収容している。物理網ＧＰは仮想網ＧＶに対して波長パスで構成される仮想網トポロジを提供する。ここで、仮想網トポロジの設計・制御を行なう機能は仮想網制御装置１０が担う。仮想網制御装置１０は物理網ＧＰと仮想網ＧＶを接続し、物理網トポロジなどの状態情報、各仮想網ＧＶのトポロジ情報および仮想網ＧＶ上のリンク利用率・スループットなどの性能情報等を取得する手段を有する。
【００４８】
また、仮想網制御装置１０は、仮想網ＧＶの環境変化が生じた際に後述のゆらぎ方程式に基づき環境変化に適応可能なトポロジを設計し、現状の仮想網トポロジを再構成する機能を保持している。ここで、仮想網制御装置１０は論理的には仮想網＃１〜＃３毎に配備され、自仮想網トポロジの制御と他の仮想網に属する仮想網制御装置間との各種制御情報の交換を行なう。仮想網制御装置１０は論理的には仮想網＃１〜＃３と同じ数だけ存在するものの、物理的には単一のハードウエア上に実現する集中制御方式で実現することも可能である。
【００４９】
（仮想網制御装置１０の構成）
図２は、本発明における仮想網制御装置１０の構成図であり、図３は、その主要な動作を示すフローチャートである。本発明における仮想網制御装置１０は、図２に示すように、情報収集部１１と、仮想網情報ＤＢ１２と、物理網情報ＤＢ１３と、ゆらぎ方程式記憶部１４と、設計部１５と、最適トポロジ制御部１６とを備えている。
【００５０】
情報収集部１１は、仮想網のトポロジ、トラヒックの経路情報、リンク利用率などのトラヒック情報、スループットや最大リンク利用率などの性能情報（以下「仮想網情報」という。）を測定するとともに、物理網のトポロジ、波長パスの経路情報、伝送能力などの性能情報（以下「物理網情報」という。）を測定する。仮想網情報ＤＢ１２は、情報収集部１１によって測定された仮想網情報を格納し、物理網情報ＤＢ１３は、情報収集部１１によって測定された物理網情報を格納する（図３、ステップＳ１）。物理網の状態が変化しない場合は物理網情報ＤＢ１３に予め物理網情報を格納しておけばよいので、情報収集部１１が物理網情報を収集することは必ずしも必要でない。ゆらぎ方程式記憶部１４は、アトラクター選択を表現するゆらぎ方程式を記憶する（図３、ステップＳ２）。設計部１５は、ゆらぎ方程式のパラメータを設計する（図３、ステップＳ３）。最適トポロジ制御部１６は、設計部１５によって設計されたパラメータをゆらぎ方程式に適用し、このゆらぎ方程式に基づき仮想網トポロジを算出して仮想網を制御する（図３、ステップＳ４）。図２では、ゆらぎ方程式記憶部１４と最適トポロジ制御部１６とを別々に描いているが、最適トポロジ制御部１６の内部にゆらぎ方程式記憶部１４を備えた構成を採用することも可能である。
【００５１】
（仮想網制御）
次に、ゆらぎ方程式による仮想網制御の機構について説明する。細胞におけるアトラクター選択では、遺伝子ネットワークが代謝ネットワークを制御する。仮想網制御では、上位のネットワークの性能が劣化した場合に仮想網を適切に再構築することで性能を回復させる。そこで、遺伝子ネットワークを仮想網制御に対応づけるとともに、代謝ネットワークを上位のネットワークに対応づける。これにより、仮想網制御では、上位ネットワークからのフィードバックを用い、上位ネットワークの状態が改善するように制御する。
【００５２】
アトラクター選択に基づく仮想網制御手法を述べる。仮想網制御では、ゆらぎ方程式は以下の式(2)で表現される。ここでは、遺伝子ネットワークの遺伝子をWDMネットワークの各ノードペアiに設置する。式(2)においてtは時刻である。αは活性度であり、ネットワークを測定することで決定される。活性度αとしては例えば最大リンク利用率等を用いる。つまり、アトラクター選択とは活性度情報（α）を入力として、各時刻でのパス本数（xi）を決定するメカニズムである。各遺伝子は変数xiを持ち、xiによってそのノードペアに設置する波長パス数を制御する。式(2)を定期的もしくは環境変動が発生した場合に実行することで各ノード間に設定すべきパス本数を計算する。実際にネットワーク上に設定しているパス本数との差分を設定・削除することでトポロジを最適な状態に変更することができる。
【数２】
0005429989.tif 000003
【００５３】
関数sig()はシグモイド関数である。第一項のsig(ΣjWij・xj-θi)-xiはアトラクターを持つ制御構造であり、式(1)におけるf(x)に相当する。αは活性度であり、上位ネットワークのコンディションを表す指標である。第二項のηはゆらぎであり、正規分布に従う乱数である。
【００５４】
制御行列Wijは、遺伝子xi間（遺伝子間とは２本の波長パス間のこと）の活性・抑制の関係を支配するパラメータとなる。ここで、各遺伝子は特定の波長パスに対応しているので、制御行列Wijにより異なる対地間の波長パスの設定されやすさが決定される。また、遺伝子間に関係が存在しない場合、すなわち、ある波長パスを設定しても他の波長パスの設定を促進も抑制もする必要がない場合は制御行列Wijに0を設定する。つまり、制御行列Wijによりノードペア間の波長パスの接続構成が制御されることになる。そのため、与えられた物理網条件に応じて制御行列Wijを適切に設計すれば、環境変動に対して適応性のある仮想網制御機構を提供することができる。しかしながら、物理網トポロジなど各種網条件が与えられたときの制御行列Wijの設計手法は明らかでない。そこで、本発明では適切な制御行列の設計手法を提供する。
【００５５】
また、活性度αは仮想網トポロジの状態を表す指標で、例えば網内の最大リンク利用率やスループットなどを用いることができる。ここで、式(2)ではαが増加すると状態が改善されたと判定されるため、最大リンク利用率などのように、低下させることで状態が改善される指標については逆数をとるなどして状態が改善されるとαが増加するように修正する必要がある。
【００５６】
以下、制御構造f(x)、特に制御行列Wijの設計手法として２つの実施の形態を説明する。
【００５７】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１における制御行列Wijの設計手法について説明する。アトラクター（均衡点）となる仮想網のトポロジは制御行列Wijにより規定されるため、制御行列Wijを適切に設計することが制御の環境変動への追従性、信頼性を担保する上で重要である。制御行列Wijのi、jはそれぞれノードペアを表現しており、ノードペアの組毎にWijが定義される。制御行列Wijの設計に用いる情報は、物理網トポロジGp、物理リンクLp=(lp1,...,lpN)、物理ノードVp=(vp1,...,vpM)、仮想網GV、仮想網上のリンクLp=(lp1,...,lpS)、仮想網のリンク負荷 U=(u1,...,uS)、波長パスの経路情報Rp、仮想網上の経路情報Rvである（図１参照）。
【００５８】
ここで、抑制関係とするノードペアの組(i,j)の抽出方法と制御行列Wijの計算手順について説明する（図４参照）。ノードペアの組(i, j)が抑制関係であるとは、ノードペアiに対して波長パスが設定された場合にノードペアjへの波長パスの設定がされにくくなることである。
【００５９】
＜抑制関係の計算手順＞
１．物理網トポロジGpから波長パスの経路Rpを設計する。経路計算にはダイクストラアルゴリズムや線形計画法などのアルゴリズムを用いることができる。
【００６０】
２．波長パスの経路の集合Rpから少なくとも1つ以上の物理リンクlpiを共有する２本の波長パスのペアを全て抽出し、抽出した波長パスの発着点となるノードの組を抽出して抑制ノードペアリスト｛(p1,q1,), ・・,(pm,qm)｝を作成する。ここで、pi, qi,・・・は波長パスの発着点となるノードを表し、(pi,qi)は物理リンクを共有する２本の波長パスの発着点を表す。
【００６１】
３．抑制ノードペアリスト｛(p1,q1,), ・・,(pm,qm)｝内の各ノードペアの組(pi,qi)に対応する制御行列の要素Wpi,qiにそれぞれβを設定する。βは負の実数である(例. -1)。
【００６２】
以上の計算手順の適用例を図４を用いて説明する。図４では、７ノードで構成されている物理網に波長パスの経路Rpとして複数の波長パスが設計されている。各波長パスにおける物理網上での設定可否をゆらぎ方程式(2)で制御する。経路Rpのうち、図示されているノード(a,c)間とノード(b,d)間の波長パスは経路上で物理リンクを共有している。ノード(a,c)をノードペアp1、ノード(b,d)をノードペアq1とすると、対応する制御行列の要素Wp1,q1は抑制関係としてβが設定される。なお、制御行列Wijは、対地ペア（＝波長パス）×対地ペア（＝波長パス）の行列となる。
【００６３】
次に、活性関係とするノードペアの組(i,j)の抽出方法とWijの計算手順について説明する（図５、図６参照）。ノードペアの組(i, j)が活性関係であるとは、ノードペアiに対して波長パスが設定された場合にノードペアjへの波長パスの設定がされやすくなることである。活性関係の計算手順には２つの計算手順がある。すなわち、制御行列Wijの活性関係の設定には、以下に説明する計算手順１または２を用いることができる。
【００６４】
＜活性関係の計算手順１＞
１．物理網トポロジGpから波長パスの経路Rpを設計する。経路計算にはダイクストラアルゴリズムや線形計画法などのアルゴリズムを用いることができる。
【００６５】
２．活性関係とする波長パスのペアを波長パス設定ポリシーに従って選択する。波長パス設定ポリシーとしては以下のものがある。
【００６６】
（ア）仮想網の経路情報Rvから複数ホップで転送されているトラヒックが通過する仮想リンクを構成する波長パスと該当トラヒックの発着ノードを終端点とする波長パス
（イ）仮想網の経路情報Rvから複数ホップで転送されているトラヒックが通過する仮想リンクのうち、任意の２本の仮想リンクを構成する波長パス
（ウ）仮想網において、あるトラヒックの発着点間のカット容量を増加させる波長パス同士
３．抽出された２本の波長パスの発着点となるノードの組を抽出して活性ノードペアリスト｛(p1,q1,), ・・,( pn,qn)｝を作成する。
【００６７】
４．活性ノードペアリスト｛(p1,q1,), ・・,( pn,qn)｝内の各ノードペアの組(pi,q1)に対応する制御行列の要素Wpi,qiにそれぞれγを設定する。γは正の実数である(例. 1)。
【００６８】
以上の計算手順１の適用例を図５を用いて説明する。図５では、６ノードで構成されている物理網に仮想網が収容されている。仮想網上の仮想ノード間は３本の仮想リンクで接続されており、仮想ノードaとd間のトラヒックは３ホップで転送される。この場合は波長パス設定ポリシー（ア）に当てはまるため、ノードaとノードdを直結する波長パスと、既存のノードペアp1＝（ノードa、ノードb）、ノードペアp2＝（ノードb、ノードc）、ノードペアp3＝（ノードc、ノードd）の3本の波長パスが活性関係となり、対応する制御行列の要素Wijにγが設定される。
【００６９】
＜活性関係の計算手順２＞
１．物理網トポロジGpから波長パスの経路Rpを設計する。経路計算にはダイクストラアルゴリズムや線形計画法などのアルゴリズムを用いることができる。
【００７０】
２．物理ノードの集合Vpから集約ノードVpaを以下の方法により決定し、集約ノード以外のノードを非集約ノードVpnaとする。集約ノードとは物理ノードVpaの部分集合であり、トラヒックの転送効率を向上させるためにトラヒックの集約点となるノードである。
【００７１】
（ア）物理ノードのうち、収容するリンク数または収容するリンク容量の合計の多い上位R台を指定する。
【００７２】
（イ）地理的に均一になるように物理ノードをＲ台指定する（例えば、各地域辺りの設置台数を同じにする）。パラメータRは1以上の整数であり、全ノード数の10%から30%を目安に設定する。
【００７３】
３．以下の条件を満足する発着ノードを活性関係とする活性ノードペアを抽出する。
【００７４】
（ア）非集約ノードVpna内の任意の２ノードを始点または終点とし、集約ノードVpaに属するノードを終点または始点とするノードペア。ここでは、非集約ノードを始点（終点）とする波長パスは集約ノードを終点（始点）となるよう波長パスを活性させる。
【００７５】
（イ）集約ノードVpa内の任意の２ノードを始点とし、別の集約ノードVpaに属するノードを終点とする対地ペア。つまり、集約ノード同士を接続する波長パスを活性させる。
【００７６】
４．抽出した活性ノードペアリスト｛(p1,p2,), ・・,( pn,pn)｝を作成する。
【００７７】
５．活性ノードペアリスト｛(p1,p2,), ・・,( pn,pn)｝内の各ノードペアの組(pi,pj)に対応する制御行列の要素Wpi,pjにそれぞれγを設定する。γは正の実数である(例. 1)。
【００７８】
以上の計算手順２の適用例を図６を用いて説明する。図６には、７ノードで構成されている物理網が示されている。ここでは、ノードaが集約ノードとして設定されており、ノードb,c,dおよびその他のノードは非集約ノードである。このとき、ノードペアp1＝（ノードa、ノードb）、ノードペアp2＝（ノードa、ノードc）、ノードペアp3＝（ノードa、ノードd）を接続する波長パス同士が互いに活性関係となるように制御行列の要素Wijにγを設定する。
【００７９】
上記の手順により、抑制関係となるノードペアに対応する制御行列Wijの要素にはβ、活性関係となるノードペアに対応する制御行列Wijの要素にはγが設定される。また、活性関係でも抑制関係でもないノードペアに対応する制御行列Wijの要素には0が設定される。
【００８０】
ここで、上記の活性関係および抑制関係の計算手順は同じ制御行列Wijに対して実行される。しかし、活性関係の計算手順については１または２のどちらか一方を適用して制御行列Wijを算出することもできる。大規模網について設計する場合は活性関係の計算手順２を適用することで網が構造化され、ネットワークの資源利用効率を向上させることができる。小規模網について設計する場合は活性関係の計算手順１を適用することで十分にトラヒック転送効率の高いトポロジを構成することができる。
【００８１】
（実施の形態２）
次に、実施の形態２における制御行列Wijの設計手法について説明する。アトラクター（均衡点）となる仮想網のトポロジは制御行列Wijにより規定されるため、制御行列Wijを適切に設計することが制御の環境変動への追従性、信頼性を担保する上で重要である。ここで、ゆらぎ方程式(2)には、複数の均衡点となるトポロジを表現するような制御Wijを事前に組み込むことができる。そこで、以下に説明するように、環境変動に耐性のあるトポロジを複数事前に設計して式(2)に組み込むことで、環境変動に対して適切に追従可能な制御が可能となる。
【００８２】
まず、設計対象となるのは制御行列Wijである。この制御行列Wijのi、jはそれぞれノードペアを表現しており、ノードペアの組毎にWijが定義される。制御行列Wijの設計に用いる情報は、実施の形態１と同様、物理網トポロジGp、物理リンクLp=(lp1,...,lpN)、物理ノードVp=(vp1,...,vpM)、仮想網GV、仮想網上のリンクLp=(lp1,...,lpS)、仮想網のリンク負荷 U=(u1,...,uS)、波長パスの経路情報Rp、仮想網上の経路情報Rvである（図１参照）。
【００８３】
前述のように、ゆらぎ方程式(2)より算出される網トポロジの候補は制御行列Wijにより規定される。そこで、事前に環境変動への耐性の高い候補トポロジを複数作成し、ゆらぎ方程式の解として選択されるように制御行列Wijを設計し、設計した制御行列Wijをパラメータとしてゆらぎ方程式に組み込む。ここで、環境変動への耐性が高いトポロジとは、環境変動によりネットワークの性能（活性度α）が低下した際に適切なトポロジをすみやかに選択し、性能を回復させることが可能なトポロジのことである。
【００８４】
以下、図７を用いて具体的な組み込み手順を説明する。
【００８５】
１．ある時点で観測された仮想網の経路情報Rvと仮想リンクの負荷情報Uをもとに、仮想網の交流トラヒックTについての方程式(3)を満たす候補交流トラヒックT(k)をn個生成する。
【数３】
0005429989.tif 000004
【００８６】
ここで、式(3)において、交流トラヒックTは実網で観測困難な情報であるため、経路上の交流トラヒックの推定値の合計が仮想リンクの負荷に等しくなる推定値を候補交流トラヒックとする。候補交流トラヒックは、将来的な環境変動において生じる可能性のある交流トラヒック群に相当する。
【００８７】
２．候補交流トラヒックT(k)に対して候補トポロジ GV(k)をn個生成する。交流トラヒックから仮想網トポロジを計算する方法としては、非特許文献１，２，３に開示されるアルゴリズムを用いることができる。ここで、候補トポロジGV(k)とは、仮想網のトポロジGVが制御の結果、選択する可能性のあるトポロジの候補のことである。仮想網のトポロジは以下の手順で算出することができる。
【００８８】
（ア）対応する交流トラヒックT(k)を１つ選択する。
【００８９】
（イ）交流トラヒック量が高い対地から降順でノードペアを選択し、光パスを設定する。
【００９０】
（ウ）接続性を確認し、接続性のないノードについては他のノードと接続する光パスを追加する。
【００９１】
（エ）交流トラヒックT(k)を収容し、利用率の高い光パスについては同一のノード間に光を増設する。
【００９２】
３．候補トポロジ GV(k)に対して制御行列Wijを算出する。この制御行列Wijを算出する手順についてはニューラルＮＷの理論を適用することができる（J. J. Hopfield, “Neural networks and physical systems with emergent collective computational abilities,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 79, pp. 2554-2558, Apr. 1982.参照）。 
４．算出した制御行列Wijをパラメータとしてゆらぎ方程式に組み込む。
【００９３】
以上の方法により、交流トラヒック情報をネットワークから観測することなく、環境変動に耐性のあるトポロジを選択することが可能となる。
【００９４】
以上説明したように、本発明によれば、ゆらぎ方程式に基づき仮想網制御を実現することができるので、オンライン型制御方式を用いた場合でも交流トラヒック情報などのネットワーク状態情報を必要とせず、予期しないトラヒック需要変動やネットワーク構成要素の故障などの環境変動に追従可能である。特に、ゆらぎ方程式に基づき波長パスの設定や非効率なパスを削除する仮想網制御装置のパラメータ設計法を提供することができるので、資源利用効率および網性能の向上を実現することが可能である。以下、本発明の効果を更に詳しく説明する。
【００９５】
まず、ゆらぎ方程式では、大規模ネットワークにおいて観測することが困難な交流トラヒック情報を使用することなく仮想網のトポロジを算出することができるため、大規模網にも適用可能なスケール性を実現することが可能である。
【００９６】
また、ゆらぎ方程式(2)は厳密な最適化問題と比較すると計算量が低く、大規模なネットワークに対しても短時間で解を算出することができる。従って、制御の時間を短縮することができるため、環境変動への適応性を向上させることが可能である。
【００９７】
さらに、従来の制御手法では適切に制御可能な条件が限定されており、予期しない環境変動に対しては適応させることができない。それに対して、本発明では、ゆらぎ方程式に基づき制御を行う。ゆらぎ方程式では、仮に事前の想定を越えた環境変動が発生してネットワークの性能が低下しても、ゆらぎ（ノイズ成分η）の効果によりランダム探索で新たなトポロジを探索し、性能を向上させるトポロジを選択することができる。つまり、予測困難な環境変動においても適応可能な信頼性・安定性を実現することが可能である。
【００９８】
さらに、本発明が提供するゆらぎ方程式のパラメータ設計手法によれば、ネットワークのトポロジと実網からの観測が容易な情報のみを用いて適切にゆらぎ方程式のパラメータを設計可能なため、任意のネットワークにおいて常に最適な制御を実現することができる。特に、従来は運用者の経験に従って試行錯誤を繰り返してパラメータを設計していたため、パラメータ設計を自動化することで運用者の負担が軽減する。
【符号の説明】
【００９９】
１０…仮想網制御装置
１１…情報収集部
１２…仮想網情報ＤＢ
１３…物理網情報ＤＢ
１４…ゆらぎ方程式記憶部
１５…設計部
１６…最適トポロジ制御部
【図１】
0005429989.tif 000005
【図２】
0005429989.tif 000006
【図３】
0005429989.tif 000007
【図４】
0005429989.tif 000008
【図５】
0005429989.tif 000009
【図６】
0005429989.tif 000010
【図７】
0005429989.tif 000011