(57)【要約】【課題】ルータのストレージ容量の適正化によるネットワークの消費電力を削減する。【解決手段】ネットワーク内の階層化されて接続されたルータが備えた、コンテンツサーバが有するコンテンツの一部をキャッシュするためのストレージ装置のストレージ容量を、各コンテンツのアクセス頻度と、コンテンツをキャッシュするルータの階層レベルと、コンテンツがルータを流れる際のルータの消費電力と、ルータが備えたストレージ装置のストレージ容量当たりの消費電力とに基づいて、階層レベル毎の消費電力の減少量を各コンテンツについて計算することにより、各コンテンツについて最も消費電力が少なくなる階層レベルを決定し、最も消費電力が少なくなると決定した階層レベルのルータが備えたストレージ装置に当該コンテンツのすべてをキャッシュするために必要なストレージ容量を決定する。【選択図】図１
2015026340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンテンツサーバが有するコンテンツを配信するネットワーク内の階層化されたルータが備えた前記コンテンツの一部をキャッシュするためのストレージ装置のストレージ容量を決定する方法であって、
各コンテンツのアクセス頻度と、コンテンツをキャッシュするルータの階層レベルと、コンテンツがルータを流れる際のルータの消費電力と、ルータが備えたストレージ装置のストレージ容量当たりの消費電力とに基づいて、階層レベル毎の消費電力の減少量を各コンテンツについて計算することにより、各コンテンツについて最も消費電力が少なくなる階層レベルを決定し、最も消費電力が少なくなると決定した階層レベルのルータが備えたストレージ装置に当該コンテンツのすべてをキャッシュするために必要なストレージ容量を決定する方法。
【請求項２】
前記階層レベル毎の消費電力の減少量を各コンテンツについて計算することは、
ｒ番目のアクセス頻度のコンテンツを階層レベルｉのルータのストレージ装置にキャッシュするとした場合に当該ストレージ装置において削減される消費電力量を、すべてのｒおよびｉについて、計算することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記各コンテンツについて最も消費電力が少なくなる階層レベルを決定することは、
すべてのｉについて、ｉ以上の階層レベルのうちから、ｒ番目のアクセス頻度のコンテンツについての前記算出した消費電力量が最大である階層を決定することを含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記アクセス頻度は、Zipf分布である請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記コンテンツがルータを流れる際のルータの消費電力を、コンテンツのサイズとルータの電力効率との積として計算することを含む請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記ストレージ装置はＨＤＤまたはＳＳＤであり、決定されたストレージ容量は、ストレージ装置がＨＤＤかＳＳＤかによって異なる請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
コンテンツサーバに近い上位の階層レベルのルータが備えたストレージ装置のストレージ容量が、クライアントに近い下位位の階層レベルのルータが備えたストレージ装置のストレージ容量よりも大きい請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、ルータが備えたストレージ装置に関し、より詳細には、ルータが備えたストレージ装置のストレージ容量を決定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、クライアントへ提供されるコンテンツを、ネットワーク内のルータに接続されたキャッシュサーバに、キャッシングすることで、ネットワーク内のトラヒックを低減させることが可能な分散キャッシングシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。クライアントからコンテンツサーバにコンテンツをリクエストした場合、クライアントからコンテンツサーバまでの経路の途中にあるルータに接続されたキャッシュサーバがリクエストされたコンテンツを保持しておりクライアントに提供出来れば、コンテンツの移動はルータからクライアントまでとなり、コンテンツサーバが直接コンテンツを提供する場合に比べてネットワーク全体のトラヒックは減少する。この場合、キャッシュサーバがキャッシュするコンテンツの数が多いほどトラヒック低減効果が高くなるため、ストレージ容量は可能な限り大きい方が望ましい。また、近年は、キャッシュサーバに代えて、ルータが備えるストレージ装置にコンテンツをキャッシュする形態も開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２５１３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来は、ストレージ容量は必要とされる量より小さいことが前提とされてきた。近年のストレージ技術の発達により、ルータに設置可能なストレージ容量は急激に拡大しつつある。
【０００５】
しかしながら、ネットワーク全体としての消費電力の削減を目的とした場合、ストレージ装置自身が電力を消費するため、各ルータに大容量のストレージ装置を備えることが好ましいとは限らない。すなわち、ストレージ装置自身が消費する電力を考慮してストレージ容量を適切に決定する必要がある。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、本発明のルータに配置するストレージ装置のストレージ容量を適正化することにある。そして、ストレージ容量の適正化によりネットワークの消費電力を削減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、このような目的を達成するために、コンテンツを配信するネットワークを構成するルータにコンテンツをキャッシュするストレージ装置を配置したシステムにおいて、各コンテンツのアクセス頻度と、コンテンツがキャッシュされているルータの階層レベルと、コンテンツをルーティングする際のルータの消費電力と、ストレージ容量当たりのストレージ装置の消費電力とに基づいて、ネットワークの消費電力が最も少なくなるように、階層レベル毎にルータ配置するストレージ装置のストレージ容量を決定する。階層レベル毎に決定したストレージ容量を有するストレージ装置を当該階層の各ルータに配置することで、ネットワークの消費電力を削減する効果を奏する。
【０００８】
一実施形態では、アクセス頻度は、Zipf分布とすることができる。また、階層レベル毎に消費電力の減少量を各コンテンツについて計算することは、ｒ番目のアクセス頻度のコンテンツを階層レベルｉのルータのストレージ装置にキャッシュするとした場合に当該ストレージ装置において削減される消費電力量を、すべてのｒおよびｉについて、計算することを含む。また、各コンテンツについて最も消費電力が少なくなる階層レベルを決定することは、すべてのｉについて、ｉ以上の階層レベルのうちから、ｒ番目のアクセス頻度のコンテンツについての前記算出した消費電力量が最大である階層を決定することを含む。また、コンテンツがルータを流れる際のルータの消費電力は、コンテンツのサイズとルータの電力効率との積とすることができる。また、ストレージ装置はＨＤＤまたはＳＳＤとすることができ、決定されたストレージ容量は、ストレージ装置がＨＤＤかＳＳＤかに応じて変化する。また、コンテンツサーバに近い上位の階層レベルのルータが備えたストレージ装置のストレージ容量が、クライアントに近い下位位の階層レベルのルータが備えたストレージ装置のストレージ容量よりも大きくなる。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明によれば、ネットワークの消費電力量を減らすことができる。ルータがストレージ装置を備え、コンテンツを保持することにより、クライアントがコンテンツにアクセスする際のトラヒックが減少し、ネットワークの消費電力が削減できる。一方、コンテンツのアクセス頻度を考慮してストレージ装置の容量を適切に決定することにより、ストレージ装置の消費電力を抑え、上記トラヒックの減少による消費電力の削減と合わせてネットワーク全体としての消費電力量を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる方法を説明するためのネットワークトポロジを例示する図である。
【図２】ルータの階層レベル毎の適切なストレージ容量を示す図である。
【図３】上位ｒ位までのコンテンツをルータのストレージ装置に置くと仮定した場合の、ｒと総消費電力量の関係を示す図である。
【図４】Zipf分布のパラメータαと各レベルのルータの適切なストレージ容量との関係を示す図である。
【図５】Zipf分布のパラメータαが0.5とし、レベルｉの階層のルータに順位ｒのコンテンツを置いた場合の、ｒと削減できる消費電力量Ｅｉ（ｒ）の関係を示す図である。
【図６】Zipf分布のパラメータαが0.9とし、レベルｉの階層のルータに順位ｒのコンテンツを置いた場合の、ｒと削減できる消費電力量Ｅｉ（ｒ）の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
消費電力を削減するために適切なストレージ容量は、コンテンツのアクセス分布、対象とするネットワークトポロジなどの要素に依存する。例えば、クライアントに近い下位の階層のルータにコンテンツのキャッシュがあるほど、一回のアクセスにつき削減できる消費電力量は大きく、サーバに近い上位の階層のルータにコンテンツのキャッシュがあるほど、多数のクライアントからのアクセスが集約されるためにコンテンツへのアクセス頻度が高い。これを考慮すると階層に応じたルータの適切なストレージ容量を決定できる。ストレージ装置は種類に応じて、固定分の消費電力が異なっている。例えば、ＤＲＡＭでは62.5mW/GB、ＨＤＤでは1.3mW/GB、ＳＳＤでは0.078mW/GBである。このため、固定分の小さいストレージ装置を用いることにより、全体の消費電力をより削減できる。
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
（ネットワークモデル）
図１は、本実施形態に係る方法を説明するためのネットワークトポロジを例示する図である。図１は、サーバと、ルータと、クライアント端末（以下、単にクライアントともいう。）とを含む。図１は、簡単のため木構造のネットワークトポロジを示すが、本願発明は木構造のトポロジに限定されない。
【００１４】
サーバ１２０は、コンテンツを保持し、クライアントからの要求に応じてコンテンツをクライアントへ送信する。サーバ１２０は、１つであっても複数であってもよい。
【００１５】
クライアント１００は、それぞれルータ１０２に接続されている。図１において、クライアント１００の数は８であるが、本願発明は、これに限定されない。
【００１６】
各ルータは、階層化されて接続され、サーバとクライアントと間のトラヒックをルーティングする。各ルータは、ストレージ装置を備え、サーバが保持するコンテンツの一部を保持する（キャッシュ）する。各ルータは、クライアントからのリクエストが到着したときに、リクエストされたコンテンツを保持していれば、当該コンテンツをクライアントへ送信する。これにより、ネットワーク内のトラヒックを低減する。
【００１７】
ルータ１０２は、クライアント１００と接続された、最も下位の階層（レベル１）のルータである。各ルータ１０２は、ストレージ容量αのストレージ装置１０４を備える。
【００１８】
ルータ１０６は、最も下位の階層から１つ上位にある階層（レベル２）のルータであり、レベル１の階層のルータ１０２と、１つ上位の階層（レベル３）ルータ１１０と接続されている。各ルータ１０６は、ストレージ容量βのストレージ装置１０８を備える。
【００１９】
ルータ１１０は、最も下位の階層から２つ上位の階層（レベル３）のルータであり、レベル２の階層のルータ１０６と、１つ上位の階層（レベル４）ルータ１１４と接続されている。各ルータ１１０は、ストレージ容量γのストレージ装置１１２を備える。
【００２０】
ルータ１１４は、最も上位の階層（レベルＬ）のルータであり、１つ下位の階層（レベル（Ｌ−１））ルータ（図示しない）と接続されている。ルータ１１４は、サーバ１２０と接続されている。ルータ１１４は、ストレージ装置（図示しない）を備える。
【００２１】
ここで、ルータｘと直接接続されているルータのうち、上位にあるルータをｘの親ルータ、下位にあるルータをｘの子ルータと呼ぶ。またルータｘと親ルータが同じであるルータをｘの兄弟ルータと呼ぶ。上述したように最も下位にあるルータのレベルが１であり、レベルｉのルータの親ルータのレベルをｉ＋１、子ルータのレベルをｉ−１とする。レベルｉのルータの兄弟ルータ(自分自身を含む)の数はすべて同一であると仮定し、これをｓｉで表す（例えば、図１において、レベル１の階層にあるルータ１０２の兄弟ルータの数は２である）。
【００２２】
（消費電力モデル）
ネットワークは、ルータおよびそれらを結ぶ通信リンク等によって構成されているが、ネットワークの消費電力は，ルータによるものが大半を占めていると考えられる。本実施形態では、通信リンクの消費電力は考えないものとし、ネットワークの消費電力を、すべてのルータの消費電力とルータが備えているストレージ装置の消費電力の和であるとする。本明細書中、単にルータの消費電力と言った場合、ルータのストレージ装置の消費電力は含まないものとする。また、本実施形態では評価基準として、ネットワークの１日の総消費電力量を考える。ネットワークの１日の総消費電力量は、１日の全アクセスによりコンテンツがルータを流れることで消費される電力量の合計と、全ルータのストレージが１日に消費する電力量の合計との和と定義する。
【００２３】
（ルータの消費電力）
コンテンツがルータを流れることにより消費される電力量を定義する。負荷ｌにおけるルータの消費電力を以下のように定義する。
【００２４】
【数１】
2015026340.tif 000003
【００２５】
ここで、Ｅｍａｘはそのルータの最大消費電力、Ｅｉｄｌｅはアイドル時の消費電力、Ｒｍａｘは最大通信容量である。係数γは外部電源や冷却装置などの負荷的なオーバーヘッドを表し、すべてのルータで同一であるとする。あるルータの平均負荷がｌａｖｅであるとき、そのルータの電力効率をＥＲ（ｌａｖｅ）／ｌａｖｅで与える。電力効率の単位はＷ／Ｇｂｐｓとなる。あるコンテンツがルータを流れることにより消費される電力量を、そのコンテンツのサイズとルータの電力効率の積で表す。
【００２６】
（ルータのストレージ装置の消費電力）
ストレージ装置はアイドル時とアクセス時で消費電力が異なるが、ここでは簡単のためアクセス時の消費電力の増加については無視する。また、ルータがコンテンツを保持することによる消費電力量の削減について考えるが、ストレージからのデータの読み出しは、ルータに置かれたコンテンツにアクセスする場合もサーバのコンテンツにアクセスする場合も同様に発生する。このためストレージ装置におけるアクセス時の消費電力の増加は結果に影響を与えない。サイズｓのコンテンツを時間ｔの間保持するために必要なストレージ装置の消費電力量を以下のように定義する。
【００２７】
【数２】
2015026340.tif 000004
【００２８】
ここで、Ｅはそのストレージ装置のアイドル時の消費電力、Ｃはストレージ容量である。係数γは外部電源や冷却装置などの負荷的なオーバーヘッドを表し、ルータと同じ値であるとする。
【００２９】
（コンテンツのアクセス分布）
クライアントがコンテンツにアクセスする頻度はコンテンツによって異なっていると仮定する。あるルータにおけるコンテンツ毎のリクエストの到着頻度の分布を、そのルータにおけるアクセス分布と呼ぶ。クライアントからのリクエストは、ルータがそのリクエストに対応するコンテンツを保持している場合は、リクエストはそのルータで処理され、そうでない場合はリクエストは上位のルータに転送される。
【００３０】
各ルータにおけるアクセス分布について、以下の仮定を設ける。レベル１の階層のルータにはクライアントからのアクセスのリクエストが最初に到着する。アクセス分布はレベル１の階層のすべてのルータで同一であり、かつ時間とともに変化しないと仮定する。また、レベル１の階層のルータにおけるアクセス分布はZipf分布にしたがうとする。以降では、コンテンツの順位はアクセス頻度の順位（最も頻度の高いものが１位）を指す。
【００３１】
なお、同じ階層レベルのルータのストレージ容量は均一であり、すべてのコンテンツのサイズは均一であり、ルータは常にコンテンツの全体を保持する（断片に分割しない）ものとする。以降ではルータにおけるストレージの容量を保持できるコンテンツの数で表す。
【００３２】
（コンテンツの置き換え）
一般に、キャッシュの効果の大きさはキャッシュの容量と置き換え手法に依存するが、ここでは、キャッシュにおけるコンテンツの置き換え手法については考えないものとする。さらに、レベル１の階層のルータにおけるアクセス分布が既知であると仮定し、各ルータはそのルータにおけるアクセス頻度の高いコンテンツから順にストレージ容量が許す限り保持するものとする。
【００３３】
上の仮定より，レベル１の階層のすべてのルータは全く同じコンテンツの集合を保持することになる。また、レベル２の階層のルータｘのある子ルータがコンテンツｃを保持している場合，ルータｘのすべての子ルータがｃを保持しているため、コンテンツｃへのアクセスのリクエストはすべて子ルータで処理され、ｘには到着しない。すなわち、ルータｘにおけるアクセス分布は、ルータｘのすべての子ルータにおけるアクセス分布の合計から、子ルータの保持するすべてのコンテンツを除いたものとなる。また、上記ネットワークトモデルにおいて仮定したように、レベル２の階層のルータは、子ルータの数が同じであるため、レベル２の階層のすべてのルータにおけるアクセス分布も同一である。したがって、レベル２の階層のすべてのルータは全く同じコンテンツの集合を保持することになる。同様にレベル３の階層のルータにおけるアクセス分布はレベル２の階層以下のルータの保持するコンテンツを含まない。同様にして、すべてのルータは同じレベルの階層であれば全く同じコンテンツの集合を保持し、かつ自分の階層よりも下位の階層のルータが保持するコンテンツは保持しない。
【００３４】
（ストレージ容量の決定）
消費電力を削減するために、各ルータの適切なストレージ容量を決定することを考える。上記（コンテンツのアクセス分布）における仮定より、これは階層のレベル毎に適切なストレージ容量を決定することと等価である。また、上記（コンテンツの置き換え）の議論より、レベルｉの階層のルータにコンテンツｃが置かれる場合、ｃはレベルｉの階層のすべてのルータに置かれ、かつレベルｉの階層以外のレベルの階層のルータにｃが置かれることはない。すなわち、各レベルの階層のルータが備えるストレージ装置のストレージ容量を決定することは、それぞれのコンテンツをどのレベルの階層のルータに置くかを決めることと等しい。
【００３５】
したがって，各レベルの階層のルータのストレージ容量は、以下のような手順で決定できる。順位ｒのコンテンツをレベルｉの階層のすべてのルータに置いたときに１日に削減できる消費電力量をＥｉ（ｒ）とする。ｒ＝１から順に、順位ｒのコンテンツをＥｉ（ｒ）が最大になるようなレベルｉの階層のルータに割り当てる。すべてのコンテンツについて割り当てが終了した後，各レベルに割り当てられたコンテンツ数の合計が、そのレベルの階層のルータが備えるストレージ装置のストレージ容量となる。
【００３６】
レベルｉの階層のルータの適切なストレージ容量Ｃ［ｉ］を決定するアルゴリズムをリスト１に示す。また、以下で使用するパラメータの意味を表１に示す。
【００３７】
【表１】
2015026340.tif 000005
【００３８】
【表２】
2015026340.tif 000006
【００３９】
リスト１に示したアルゴリズムをコンピュータに実装して、レベルｉの階層のルータの適切なストレージ容量Ｃ［ｉ］を計算して決定することができる。リスト１に示したアルゴリズムでは、はじめに１からＬまでの階層レベルｉについてストレージ容量Ｃ［ｉ］を初期値０に設定し、その後に、Ｎ個のコンテンツの各々について１〜Ｎまでのアクセス頻度の順位ｒの順序で、レベルがｉ以上の階層のルータに順位ｒのコンテンツを置いた場合に削減できる消費電力量が最大となるレベルｔを決定し、決定したレベルの階層のストレージ容量Ｃ［ｉ］（ここで、ｉ＝ｔ））を増加することで、各階層レベルのルータが備えたストレージ装置のストレージ容量を決定している。
【００４０】
順位ｒのコンテンツとレベルｉの階層について、Ｅｉ（ｒ）は以下のようにして求められる。レベル１の階層のルータにおけるアクセス分布がZipf分布にしたがうことから、レベルｉのルータ１台に到着する順位ｒのコンテンツへの１日のアクセス数ｖｉ（ｒ）は以下の式であらわされる。
【００４１】
【数３】
2015026340.tif 000007
【００４２】
レベルｉのルータ１台に順位ｒのコンテンツを置くことで１日に削減される消費電力量はｅｉｖｉ（ｒ）であるから、ストレージによる増加分を差し引いた１日の消費電力の削減量は以下となる。
【００４３】
【数４】
2015026340.tif 000008
【００４４】
したがって、レベルｉの階層のすべてのルータに順位ｒのコンテンツを置いたときに削減できる消費電力量Ｅｉ（ｒ）は以下の式で与えられる。
【００４５】
【数５】
2015026340.tif 000009
【００４６】
またＤｉとＳｉは、ｓｉから以下の式で求められる。
【００４７】
【数６】
2015026340.tif 000010
【００４８】
（数値例）
以上説明した手法により、レベルｉの階層のルータの適切なストレージ容量Ｃ［ｉ］を決定する実施例を説明する。以下では、実際のネットワークを元にしたネットワークトポロジおよびパラメータ設定に基づいて、適切なストレージ容量および削減できる消費電力量を求めることにより、ルータがコンテンツを保持することが消費電力の削減につながるための条件を説明する。
【００４９】
ルータおよびストレージの消費電力は、現在市場で入手可能なものの中で比較的新しく電力効率の良いものを基準として以下のように設定した。
【００５０】
ルータの通信容量および最大消費電力は、レベル１の階層のルータをレベル２以上の階層のルータと異なるものとし、それぞれデータシートを元に設定した。アイドル時の消費電力を最大消費電力の95%、平均負荷を50%、オーバーヘッドの係数γを２としてそれぞれの電力効率を求めた。表２に設定値を示す。
【００５１】
【表３】
2015026340.tif 000011
【００５２】
ルータが備えるストレージ装置として、ＤＲＡＭ、ＨＤＤ、およびＳＳＤを考える。それぞれの容量とアイドル時の消費電力は、ＤＲＡＭについてはホワイトペーパーの実験値を、ＨＤＤとＳＳＤについてはベンチマーク結果を元に設定した。表３に設定値を示す。また、オーバーヘッドの係数γは２とした。
【００５３】
【表４】
2015026340.tif 000012
【００５４】
その他のパラメータを表４に示す。
【００５５】
【表５】
2015026340.tif 000013
【００５６】
ｅｉおよびｅｓｔｏは上記で述べた設定値とコンテンツサイズから求められる。コンテンツサイズは３０ＭＢとした。
【００５７】
ここで、ルータがストレージを持つ場合のネットワークの１日の総消費電力量（以下、総消費電力量）を、ルータがストレージを持たない（すべてのコンテンツをサーバが送信する）場合と比較する。以下では、ルータがストレージを持たない場合に対して総消費電力量が削減された割合を削減率と呼ぶ。
【００５８】
まず、ストレージ装置の違いによる影響を評価した。それぞれのストレージ装置を用いた場合の総消費電力量および削減率を表５に示す。ＤＲＡＭの削減率が約2%である一方で、ＳＳＤでは40%を超える削減率となっている。
【００５９】
【表６】
2015026340.tif 000014
【００６０】
ルータの階層レベル毎の適切なストレージ容量を図２に示す。下位の階層のルータほど小さい容量となっているのは、下位の階層のルータのストレージ容量を大きくしても総消費電力量はかえって増加してしまうことを表している。ＤＲＡＭのストレージ容量が極めて小さいが、これは、ＤＲＡＭ自体の消費電力が大きいため、ほとんどのコンテンツにおいて、ルータが保持することによる消費電力量の削減よりストレージの消費電力量の増大の影響の方が大きく、ルータが保持するメリットがないことを示している。一方で、ＳＳＤのストレージ容量が極めて大きくなっている。このことは，非常にアクセス頻度の低いコンテンツであっても、ルータが保持することによって総消費電力量が減少することを意味している。この結果は、近年のＳＳＤの大容量化とアイドル時消費電力の大幅な減少によるものであり、ネットワークの消費電力の削減のためにルータがコンテンツを保持することの有効性が高まりつつあることを示している。
【００６１】
図３に、上位ｒ位までのコンテンツをルータに置くと仮定した場合の、ｒと総消費電力量の関係を示す。グラフが途中で切れているのは、下位のコンテンツはどのルータに置いても総消費電力量は減少しないことを表しており、実際に下位のコンテンツをルータに置いた場合は総消費電力量は逆に増加する。ＤＲＡＭではほとんど総消費電力量は減少しておらず、消費電力の面からはＤＲＡＭはルータのストレージ装置として適切でないと言える。また、ＨＤＤとＳＳＤの結果を比較すると、ｒの小さい時には両者の差はそれほど大きくないが、ｒが大きくなるにつれて、ＨＤＤでは総消費電力量が減少しなくなり、ＳＳＤとの差が大きくなる。ＨＤＤの特徴は、比較的安価に大容量のストレージを構築できることであるが、この結果から、ルータに大容量のＨＤＤを備えることには、消費電力の面からはメリットがないと言える。また、ＳＳＤではグラフは途中で切れておらず、全コンテンツをルータに保持した場合に最も総消費電力量が少なくなる。これはストレージの設置コストを考えると現実的ではないが、全コンテンツの1/10をルータに保持した場合でも約31%、1/100でも約18%の削減率が得られることから、現実的なストレージ容量でも十分な効果があると言える。
【００６２】
次に、コンテンツのアクセス分布として用いているZipf分布のパラメータαが、各レベルのルータの適切なストレージ容量に与える影響を評価した。αを変化させた時の総消費電力量と削減率を表６に示す。αが大きいほど、削減率が大きくなっている。各レベルのルータの適切なストレージ容量を図４に示す。αが大きくなるにつれて、レベル１の階層のルータとレベル３の階層のルータのストレージ容量が増加し、レベル２の階層のルータのストレージ容量が減少している。ただし、レベル３の階層のルータについては、α＝0.9 の場合のみストレージ容量が減少している。このように、コンテンツ数や総アクセス数が同じであっても、アクセス分布によって各ルータの適切なストレージ容量は異なることがわかる。
【００６３】
【表７】
2015026340.tif 000015
【００６４】
この結果についてさらに詳しく調べるため、レベルｉの階層のルータに順位ｒのコンテンツを置くことで削減できる消費電力量Ｅｉ（ｒ）をα＝0.5，0.9のそれぞれの場合で求めた。
【００６５】
図５に、α＝0.5の場合のＥｉ（ｒ）を示す。ｒが大きくなるにつれてＥｉ（ｒ）が急激に減少している。これは、コンテンツのアクセス分布がZipf分布であり、順位が高いコンテンツと低いコンテンツのアクセス数に著しい差があるためである。グラフの横軸が対数スケールであることを考慮すると、ルータのストレージ容量が総消費電力量の削減に及ぼす効果は、容量が増えるにつれて急激に低下するといえる。また、ｒが小さいときはｉ＝１でＥｉ（ｒ）が最大となっている。これは、順位が高いコンテンツについては、最もクライアントに近いレベル１の階層のルータに置くことで、最も総消費電力量を削減できることを意味する。しかし、ｒが増加するにつれてｉ＝１の場合は削減できる総消費電力量は急激に減少し、ｉ＝２の場合の方が高くなる。この結果は次のように解釈できる。ストレージの消費電力を無視すれば、レベル１の階層のルータがコンテンツを保持する場合は１回のアクセスにつき削減される電力量は最も大きいが、順位が低いコンテンツはアクセス頻度が低いため、ストレージの消費電力量の増大の影響の方が大きくなる。一方、上位の階層のルータにはより多数のクライアントのアクセスが集約されるため、順位が低いコンテンツであってもある程度のアクセス頻度が確保できる。このため、順位が低いコンテンツについてはより上位のルータに置く方が総消費電力量の削減が大きくなる。
【００６６】
図６に、α＝0.9のときのＥｉ（ｒ）を示す。図５と比べると、ｉ＝１でＥｉ（ｒ）が最も高くなる範囲が広い。これは、αが大きくアクセス分布の偏りが大きいときは、順位が高いコンテンツのアクセス頻度が高く、レベル１の階層のルータにおいて十分なアクセス頻度が得られるコンテンツの数が増えることを表している。一方で、順位の低いコンテンツはアクセス頻度が低くなるため、レベル２の階層のルータよりも多数のアクセスが集約されるレベル３の階層のルータに置く方が総消費電力量の削減が大きくなる。図４においてαが大きくなるにつれてレベル２の階層のルータのストレージ容量が減少し、レベル３の階層のルータのストレージ容量が増加するのはこのためである。また、全体の約20%にあたる順位の低いコンテンツについては、アクセス頻度が低すぎるため、どのルータに置いても総消費電力量が逆に増加する。今回の評価では、このようなコンテンツはα＝0.9のときにのみ見られた。図４においてα＝0.9のときのみレベル３のストレージ容量が減少したのはこのためである。
【００６７】
このように、コンテンツのアクセス分布がルータの適切なストレージ容量におよぼす影響は、特に上位のレベルのルータにおいて複雑であることがわかる。ルータのストレージ容量は、アクセス分布を考慮して慎重に決定することが消費電力の削減のためには望ましいと言える。
【００６８】
今後コンテンツサービスの発展に伴い、コンテンツ数、総アクセス数ともに増大することは明らかである。コンテンツ数が変わらず総アクセス数のみが増えると、個々のコンテンツへのアクセス頻度が上昇するため、削減率は大きくなるが、一方で総アクセス数が変わらずコンテンツ数のみが増えると個々のコンテンツへのアクセス頻度が低下し、削減率は小さくなる。このようにコンテンツ数と総アクセス数の増大は削減率に対して逆の影響を及ぼす。
【００６９】
コンテンツ数Ｎと総アクセス数Ｖが削減率に与える影響の大きさを比較するため、Ｎと Ｖの比を一定（１：５に保ったまま変化させて、削減率を求めた。総消費電力量および削減率を表７に示す。ＮとＶが大きいほど、削減率は大きくなっているが、その差はわずかである。この結果から、仮にＮとＶが同じペースで増大するのであれば、両者の影響はほぼ同程度であり、将来的にもルータがコンテンツを保持することは消費電力の削減に有効であると言える。
【００７０】
【表８】
2015026340.tif 000016
【００７１】
一方、将来コンテンツサービスが十分に普及すると、総アクセス数の増加が緩やかになり、やがて頭打ちになる可能性もある。この場合は、アクセス分布が変化しない限り、コンテンツ数の増大に伴って、ルータがコンテンツを保持することによる消費電力の削減の効果は減少すると考えられる。
【００７２】
ネットワークの機器の電力比例性の度合いを示す指標として、電力比例性指数 (Energy Proportionality Index:ＥＰＩ)が知られている。ある機器のＥＰＩは以下の式で定義さ
れる。Ｅｍａｘはその機器の最大消費電力、Ｅｉｄｌｅはその機器のアイドル時における消費電力である。
【００７３】
【数７】
2015026340.tif 000017
【００７４】
ここまでの評価は、ルータのアイドル時の消費電力が最大消費電力の95%という設定で行ったが、これはＥＰＩでは0.05に相当する。将来的にはルータの省電力化が進むにつれて、電力比例性が向上する可能性がある。そこで、ルータの最大消費電力を固定したままＥＰＩを変化させ、総消費電力量および削減率を求めた。結果を表８に示す。
【００７５】
【表９】
2015026340.tif 000018
【００７６】
ＥＰＩが高いほど、削減率は小さくなっている。これは、ＥＰＩの高いルータは最大消費電力に対して平均消費電力は小さくなるため、消費電力量の削減の余地が小さく、相対的にストレージの消費電力の影響が大きくなるためである。しかし、ＥＰＩが高い場合でも、約36%という高い削減率が得られており、ルータがコンテンツを保持することは消費電力の削減に有効であると言える。
【００７７】
なお，ストレージ装置についても同様にＥＰＩを定義できるが、ここでは、ストレージ装置についてはアイドル時の消費電力のみを考えているため、ストレージ装置のＥＰＩは結果に影響を与えない。
【００７８】
以上、階層構造のネットワークを対象として、ルータがコンテンツを保持することにより、ネットワークの消費電力を削減する手法について考え、各ルータにおける適切なストレージ容量を決定する手法を説明した。また、実際のネットワークを元にしたネットワークトポロジおよびパラメータ設定に基づき、実際にルータのストレージ容量および消費電力量を求めた。その結果、ストレージ装置としてＨＤＤを用いる場合には最大で約13%、ＳＳＤを用いる場合は最大で約44%の消費電力量の削減の効果を奏することを示した。また、コンテンツのアクセス分布の偏りが、ストレージ容量や消費電力量の削減に与える影響を明らかにした。さらにコンテンツ数と総アクセス数、ルータのＥＰＩが総消費電力量に与える影響について調べ、将来的にもルータがコンテンツを保持する手法がネットワークの消費電力の削減に有効であることを示した。
【符号の説明】
【００７９】
１００  クライアント
１０２，１０６，１１０，１１４  ルータ
１０４，１０８，１１２  ストレージ
１２０  サーバ
【図１】
2015026340.tif 000019
【図２】
2015026340.tif 000020
【図３】
2015026340.tif 000021
【図４】
2015026340.tif 000022
【図５】
2015026340.tif 000023
【図６】
2015026340.tif 000024