(57)【要約】【課題】単位の異なる複数の評価尺度を同時に考慮した上で、最適な網トポロジを得る。【解決手段】網トポロジ設計方法において、ユーザを収容するエッジノードの集合と、中継機能のみを有するコアノードの候補の集合と、それらを結ぶリンクの候補の集合とが与えられたときに、複数の評価尺度の観点から最適なコアノードとリンクの集合を求める。また、初期トポロジに対して任意の本数のリンクを追加したトポロジの全ての組合せの中から、次数が１となるノードに接続するリンクを削除したものを対象にパスを設計し、未使用リンクを削除した結果得られるトポロジの全ての組合せを対象に、総ノード数、総リンク長、各パスの長さとトラヒック量の積の総和、最大負荷リンクのトラヒック量、の各々について小さいものからＨ個を選択した結果得られた４Ｈ個のトポロジを対象に、包絡分析を行うことにより、最適なトポロジの集合を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザを収容するエッジノードの集合と、中継機能のみを有するコアノードの候補の集合と、それらを結ぶリンクの候補の集合とが与えられたときに、複数の評価尺度の観点から最適なコアノードとリンクの集合を求めることを特徴とする網トポロジ設計方法。
【請求項２】
任意の１本のリンクが切断された場合にも全てのエッジノード間の接続性を維持できるよう、初期トポロジとして全エッジノードをループ状に結ぶリンクが使用リンクとして与えられた状態からスタートすることを特徴とする請求項１に記載の網トポロジ設計方法。
【請求項３】
初期トポロジに対して任意の本数のリンクを追加したトポロジの全ての組合せの中から、次数が１となるノードに接続するリンクを削除したものを対象にパスを設計し、未使用リンクを削除した結果得られるトポロジの全ての組合せを対象に、総ノード数、総リンク長、各パスの長さとトラヒック量の積の総和、最大負荷リンクのトラヒック量、の各々について小さいものからＨ個を選択した結果得られた４Ｈ個のトポロジを対象に、包絡分析を行うことにより、最適なトポロジの集合を求めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の網トポロジ設計方法。
【請求項４】
入力として総ノード数と総リンク長の二つを与え、また、出力として、各パスの長さとトラヒック量の積を全パスについて足し合わせたものを全トポロジの中での最大値から引いたものと、最大負荷リンクのトラヒック量を全トポロジの中での最大値から引いたものの二つを与え、包絡分析を行うことを特徴とする請求項３に記載の網トポロジ設計方法。
【請求項５】
入力として各パスの長さとトラヒック量の積を全パスについて足し合わせたものを与え、また、出力として、削減ノード数と、削減リンク数と、最大負荷リンクのトラヒック量の三つを与え、包絡分析を行うことを特徴とする請求項３に記載の網トポロジ設計方法。
【請求項６】
初期トポロジに対して最大でＫ本のリンクをさらに追加した全てのトポロジを対象に、包絡分析を行うことにより、最適なトポロジの集合を求めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の網トポロジ設計方法。
【請求項７】
Ｋ本のリンクを追加したトポロジの全組合せを対象に包絡分析を行った結果、効率が１となったトポロジの集合を対象に、さらに任意の１本のリンクを追加した全てのトポロジを対象に包絡分析を行い、やはり効率が１となったトポロジの集合を対象にさらに１本のリンクを追加するという処理を任意の回数、反復することを特徴とする請求項６に記載の網トポロジ設計方法。
【請求項８】
全ての候補リンク、候補コアノードを追加したトポロジからＫ本のリンクを削除したトポロジの全組合せを対象に包絡分析を行った結果、効率が１となったトポロジの集合を対象に、さらに任意の１本のリンクを削除した全てのトポロジを対象に包絡分析を行い、やはり効率が１となったトポロジの集合を対象にさらに１本のリンクを削除するという処理を任意の回数、反復することを特徴とする請求項６に記載の網トポロジ設計方法。
【請求項９】
エッジノードの位置、コアノードの設置可能位置、およびリンクの設置可能位置を入力するトポロジ情報・デマンド行列入力装置と、
前記トポロジ情報・デマンド行列入力装置に入力された、エッジノードの位置、コアノードの設置可能位置、およびリンクの設置可能位置に基づき、初期トポロジを生成する初期トポロジ生成装置と、
前記初期トポロジ生成装置で生成された初期トポロジに対して、いくつかのリンクとコアノードを追加した複数の候補トポロジを生成するトポロジ候補生成装置と、
前記トポロジ候補生成装置で生成された複数の候補トポロジ間の優劣を評価する包絡分析実施装置と、
前記包絡分析実施装置で得られた最適トポロジの集合を出力する最適トポロジ出力装置とを備えることを特徴とする網トポロジ設計装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、網トポロジ設計方法および網トポロジ設計装置に係り、特に、網トポロジ設計問題において、包絡分析を適用することにより、単位の異なる複数の評価尺度を同時に考慮して、最適な網トポロジの集合を求める方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ユーザを収容するエッジノードの集合と、中継機能のみを有するコアノードの候補の集合と、それらを結ぶリンクの候補の集合とが与えられたときに、使用するコアノードとリンクの組合せを決めることにより、ネットワークのトポロジが決定する。
ネットワークのトポロジには、全てのエッジノード間の接続性を確保することが求められる。また、対象とするネットワークがバックボーンネットワークであるような場合には、さらに、障害発生時にも接続性を確保するために、冗長性が求められる。
冗長性を高めるためには、コアノードやリンクを数多く設置して、同一対地間にパスの経路を数多く確保できるようにすることが望ましい。しかし、設置するコアノードやリンク数が増加すると、ノードとリンクの設備コストが増大する。
また、エンドユーザにとっては、経由するノードで輻輳が発生せず、また、パスの総距離が短いことが、伝送遅延を抑える意味で望ましい。
【０００３】
この意味では、特定のリンクやノードにトラヒック負荷が集中し、利用率が高くなることは望ましくなく、ユーザに提供する品質の観点からは、トラヒックができるだけ全てのリンクに均等に分散することが望ましい。
伝送資源の利用効率の観点からも、トラヒックを分散させ、各リンクの利用率をできるだけフラットにすることが求められる。
このように、網トポロジを設計する際には、トラヒックの分散度合い、パスの平均距離、網設備コスト、ボトルネックリンクの負荷、といった単位の異なる複数の評価基準を同時に考える必要がある。なお、トラヒックの分散度合いの評価値の例としては、リンクに加わるトラヒック量の変動係数や、最大負荷リンクのトラヒック量が考えられる。
従来の網トポロジ設計法では、例えば、網設備コストのみを考慮し、設備コストが最小化する網トポロジを最適なトポロジとして求めることを目的にしている。（下記、非特許文献１参照）
【０００４】
なお、本願発明に関連する先行技術文献としては以下のものがある。
【非特許文献１】Noriaki Kamiyama,“Fiber Path WDM Optical Network with Minimum Cost,”IEICE Trans.on Commun., Vol.E87-B,No.9,pp.2648-2658,Sep.2004.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の網トポロジ設計法では、設備コストといった単一の評価尺度のみを考慮していた。そのため、リンク負荷の分散度合いや、パスの平均距離といった他の重要な評価尺度については考慮されておらず、これら全ての評価尺度を考慮した上での最適な網トポロジを得ることはできなかった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、網トポロジ設計方法および網トポロジ設計装置において、単位の異なる複数の評価尺度を同時に考慮した上で、最適な網トポロジを得ることが可能となる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
（１）網トポロジ設計方法であって、ユーザを収容するエッジノードの集合と、中継機能のみを有するコアノードの候補の集合と、それらを結ぶリンクの候補の集合とが与えられたときに、複数の評価尺度の観点から最適なコアノードとリンクの集合を求めることを特徴とする。
（２）（１）において、任意の１本のリンクが切断された場合にも全てのエッジノード間の接続性を維持できるよう、初期トポロジとして全エッジノードをループ状に結ぶリンクが使用リンクとして与えられた状態からスタートする。
【０００７】
（３）（１）または（２）において、初期トポロジに対して任意の本数のリンクを追加したトポロジの全ての組合せの中から、次数が１となるノードに接続するリンクを削除したものを対象にパスを設計し、未使用リンクを削除した結果得られるトポロジの全ての組合せを対象に、総ノード数、総リンク長、各パスの長さとトラヒック量の積の総和、最大負荷リンクのトラヒック量、の各々について小さいものからＨ個を選択した結果得られた４Ｈ個のトポロジを対象に、包絡分析を行うことにより、最適なトポロジの集合を求める。
（４）（３）において、入力として総ノード数と総リンク長の二つを与え、また、出力として、各パスの長さとトラヒック量の積を全パスについて足し合わせたものを全トポロジの中での最大値から引いたものと、最大負荷リンクのトラヒック量を全トポロジの中での最大値から引いたものの二つを与え、包絡分析を行う。
（５）（３）において、入力として各パスの長さとトラヒック量の積を全パスについて足し合わせたものを与え、また、出力として、削減ノード数と、削減リンク数と、最大負荷リンクのトラヒック量の三つを与え、包絡分析を行う。
【０００８】
（６）（１）または（２）において、初期トポロジに対して最大でＫ本のリンクをさらに追加した全てのトポロジを対象に、包絡分析を行うことにより、最適なトポロジの集合を求める。
（７）（６）において、Ｋ本のリンクを追加したトポロジの全組合せを対象に包絡分析を行った結果、効率が１となったトポロジの集合を対象に、さらに任意の１本のリンクを追加した全てのトポロジを対象に包絡分析を行い、やはり効率が１となったトポロジの集合を対象にさらに１本のリンクを追加するという処理を任意の回数、反復する。
（８）（６）において、全ての候補リンク、候補コアノードを追加したトポロジからＫ本のリンクを削除したトポロジの全組合せを対象に包絡分析を行った結果、効率が１となったトポロジの集合を対象に、さらに任意の１本のリンクを削除した全てのトポロジを対象に包絡分析を行い、やはり効率が１となったトポロジの集合を対象にさらに１本のリンクを削除するという処理を任意の回数、反復する。
【０００９】
（９）網トポロジ設計装置であって、エッジノードの位置、コアノードの設置可能位置、およびリンクの設置可能位置を入力するトポロジ情報・デマンド行列入力装置と、前記トポロジ情報・デマンド行列入力装置に入力された、エッジノードの位置、コアノードの設置可能位置、およびリンクの設置可能位置に基づき、初期トポロジを生成する初期トポロジ生成装置と、前記初期トポロジ生成装置で生成された初期トポロジに対して、いくつかのリンクとコアノードを追加した複数の候補トポロジを生成するトポロジ候補生成装置と、前記トポロジ候補生成装置で生成された複数の候補トポロジ間の優劣を評価する包絡分析実施装置と、前記包絡分析実施装置で得られた最適トポロジの集合を出力する最適トポロジ出力装置とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明の網トポロジ設計方法および網トポロジ設計装置によれば、コアノードやリンクが設置可能な場所と、エッジノード、エッジノード間の交流トラヒック行列が与えられているときに、単位の異なる複数の評価尺度を同時に考慮した上で、最適な網トポロジを得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
本発明は、網トポロジ設計に包絡分析を適用したことを特徴とする。始めに、包絡分析について説明する。
包絡分析とよばれる分析方法は、主として投資先の事業体を評価する手法として知られている。（刀根薫，“経営効率性の測定と改善,”日科技連,1993. pp1-11参照）
包絡分析は、複数の評価尺度に対して、各々の事業体の得意な分野を評価するという姿勢で、その効率性を求める。
効率性を検討する各事業体をＤＭＵ（Decision Making Unit）と呼び、効率はｒ個の入力変数の線形結合とｓ個の出力変数の線形結合の比として表される。
【００１２】
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【００１３】
こうして算出されたパラメータを他の全てのＤＭＵにも適用した結果、効率が最大となったＤＭＵを効率的であると呼び、そのような効率的であるＤＭＵの集合を効率的フロンティアと呼ぶ（効率的フロンティアは効率的なＤＭＵを頂点とする多角形で表される）。そして効率的であるＤＭＵの効率を全て１とみなす。
一方、効率的でないＤＭＵの効率は、原点とそのＤＭＵとの距離をａ，そのＤＭＵと原点を通る直線が効率的フロンティアと交差する点と原点との距離をｂとするとき，ａ／ｂで与えられる。
【００１４】
図１は、本発明の網トポロジ設計方法を実施する網トポロジ設計装置の概略構成を示すブロック図である。
図１において、１０１はトポロジ情報・デマンド行列入力装置、１０２は初期トポロジ生成装置、１０３はトポロジ候補生成装置、１０４は包絡分析実施装置、１０５は最適トポロジ出力装置である。
トポロジ情報・デマンド行列入力装置１０１により、エッジノードの位置、コアノードの設置可能位置、リンクの設置可能位置が入力される。そして、初期トポロジ生成装置１０２により初期トポロジが生成される。
トポロジ候補生成装置１０３により、初期トポロジ生成装置１０２により生成された初期トポロジに対して、いくつかのリンクとコアノードを追加した複数の候補トポロジが生成され、包絡分析実施装置１０４により候補トポロジ間の優劣が評価される。
そして、得られた最適トポロジの集合が、最適トポロジ出力装置１０５によって出力される。
【００１５】
次に、本実施例に係わる包絡分析を用いた網トポロジ設計方法について、詳細に説明する。
ここでは、網トポロジ設計を行うネットワークとして、バックボーンネットワークを考える。また、簡単のため、ネットワークの構成要素として、エッジノード、コアノード、リンクの３種類を考える。エッジノードはユーザを収容するノードであり、下位にアクセスネットワークを接続している。一方、コアノードは中継機能のみを有するノードであり、ユーザを収容していない。
トラヒックは、任意のエッジノード間に発生し得るが、全エッジノード間の交流トラヒック行列は与えられるものとする。また、リンクは、エッジノードやコアノード間を繋ぐ役割を果たす。エッジノード、コアノード、リンクの設置位置（潜在的な網トポロジ）は与えられるものとする。
全てのエッジノードはアクティブ（使用する）である必要があるが、コアノードとリンクは、必ずしもアクティブである必要がなく、与えられた候補から、実際に使用する（アクティブにする）ものを選択することができる。
どのコアノードとリンクをアクティブにするか選択する行為そのものが、網トポロジ設計となる。
【００１６】
網トポロジを設計する際には、全てのエッジノード間の接続性を最低限、確保する必要がある。また、バックボーンネットワークを対象とする場合、特に信頼性についても配慮する必要があり、例えば、１リンク障害に対して迂回経路を確保できる必要がある。
与えられたリンク設置可能候補と、コアノード設置可能候補に対して、全く自由にアクティブ化するものを選択した場合、トポロジ候補にはエッジノードの接続性を確保できていないものや、１リンク障害に対して迂回経路を確保できないものも含まれる。
そのため包絡分析を用いて効率が１となる最適な網トポロジの集合を得た段階で、接続性を満たさないものや、迂回路を確保できないものを除く必要がある。
また、この方法以外のアプローチとして、最初に接続性と１リンク障害に対する迂回路の確保を満たすようなトポロジを初期解として選択し、初期解に対して任意のコアノードやリンクを追加（アクティブ化）する方法が考えられる。
この場合、初期解を作成した段階で、既に接続性と信頼性に対する条件を満足しているので、包絡分析のＤＭＵとなる任意のトポロジが接続性と信頼性を満足し、効率が１となったトポロジを全て最適解として採用することが可能となる。本発明では、後者の方法を用いる。
【００１７】
１リンク障害に対して迂回路を確保でき、全エッジノード間の接続性を確保できるシンプルな網トポロジとしては、全エッジノードを一筆書きで経由するループ型トポロジが代表的である。
バックボーンネットワークにおいても、ループ型トポロジがしばしば採用される。ここでも、初期トポロジとして、ループ型トポロジを考える。
ループ型トポロジである場合、ループが経由するコアノードの次数は全て２となるため、交換機能が不要である。そのため、ループ型トポロジを初期解とした場合、コアノードをアクティブ化させる必要はない。
初期トポロジで、アクティブ化されたリンクを除いた残るリンク設置可能候補の数をｍとする。ｍ本のリンクから任意のものをアクティブ化した結果、得られるトポロジの総数は２ｍ個となる。ただし、追加の必要が生じるコアノードは自動的に決定される。
このとき、次数が２となるコアノードには交換機能が不要であるためノードを設置しないものと考え、２本のリンクはダイレクトに接続されるとする（パススルー）。
また、次数が１となるコアノードについては、そのようなコアノードとリンクの設置は意味を成さないため、トポロジの候補からは除く。
【００１８】
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【００１９】
パスを設置した結果、１本もパスが通らないリンクが存在する場合には、そのようなトポロジを候補から除外する。
そうして残った全てのトポロジ候補に対して包絡分析を行うと候補数が多数あるため現実的な時間で解が得られない。
そこで、（１）設置総ノード数、（２）設置総リンク距離、（３）パスの距離をトラヒック量で重み付けした総和、（４）トラヒック量が最大となるリンクのトラヒック量の４つの項目について、各々、値が小さいトポロジ候補から順にＨ個のトポロジを選択する。
この結果、トポロジ候補が４Ｈ個に絞られる。なお、Ｈの値は現実的な時間で解が得られる上限の値を選択し、計算機の処理能力によって決定される。
こうして、パスの経路と各リンクを流れるトラヒック量まで決まった網トポロジの候補が複数作成されるが、次に、各網トポロジの候補をＤＭＵと考え、包絡分析により最適な網トポロジを選定する。
包絡分析では、例えば、企業の分析を行う場合、投入資本や投入労働力といった消費したものを入力とし、その結果生み出された売上高や利益といった成果を出力とし、入力が小さく出力が大きなＤＭＵが、効率が高いと考える。
【００２０】
網トポロジの分析に包絡分析を用いることを考えた場合、使用したノードやリンクといった設備を入力と考え、それら設備によって実現された、パスの平均距離や最大負荷リンクのトラヒック量といった評価尺度が出力であると考えることができる。
そこで、包絡分析の入力として、（１）設置総ノード数、（２）設置総リンク距離の２つを考え、出力として、（１）パスの距離をトラヒック量で重み付けした総和、（２）トラヒック量が最大となるリンクのトラヒック量の２つを考える。
ただし、出力は大きなほど効率がよくなるので、ここでは、全ＤＭＵの中で最大の値を示したものから、各値を引いたものを出力変数に用いる。
【００２１】
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【００２２】
これらを用いて包絡分析により網トポロジを評価すれば、小さな設備コストで、パスの総距離、もしくは、最大負荷リンクの負荷を抑える網トポロジの効率が高くなるため、効率が１となった（効率的フロンティアとなった）網トポロジの集合を求めることにより、これら単位の異なる複数の評価尺度を同時に考慮した上での最適な網トポロジを得ることができる。
また、前述したもの以外にも、様々なものを入力や出力として包絡分析を行うことが可能である。
【００２３】
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【００２４】
また、前述したＤＭＵとする網トポロジ候補の絞り込み方法以外にも、初期トポロジに対して、残るリンク設置可能候補（ｍ個）から任意のＫ本以下のリンクをアクティブ化したものを候補とする方法も考えられる。
追加リンク数ｋが、Ｋ本以下となる全ての組み合わせについて包絡分析を行うことを考えた場合、ＤＭＵの数の最大値は、〔ｍ＋ｍ×（ｍ−１）＋…＋ｍ×（ｍ−１）…×（ｍ−Ｋ＋１）〕となるため、Ｋの増加に伴いＤＭＵ数が急激に増加する。
そこで計算に用いる計算機の処理能力から、現実的な時間で評価可能なＫが自ずと決まり、ｋ＝１，２，…，Ｋの全てのｋの範囲について可能なＤＭＵに対して効率が１となる網トポロジの集合を求める。
さらに、Ｋのリンクを追加したトポロジの中で効率が１となった全てのトポロジを対象に、まだ追加していないリンク設置可能候補の中から、任意の１本のリンクを追加して構成される全てのトポロジを対象として、同様に包絡分析を行う。
そして効率が１となったトポロジの集合を、（Ｋ＋１）本のリンクを追加したときの最適なトポロジ集合とする。同様の処理を繰り返すことにより、Ｋ＋２，…，Ｌ本のリンクを追加した場合の最適なトポロジ集合を得ることが可能である。
【００２５】
また、候補リンクを１本ずつ追加していく方法とは逆に、候補リンクを１本ずつ削除していく方法も可能である。
すなわち、全候補リンクと候補コアノード追加したトポロジからＫのリンクを削除したトポロジの中で効率が１となった全てのトポロジを対象に、任意の１本のリンクを削除して構成される全てのトポロジを対象として同様に包絡分析を行い、効率が１となったトポロジに対してさらに任意の１本のリンクを削除して得られるトポロジを対象に包絡分析を行う、という処理を繰り返すことにより、任意の本数のリンクを削除した場合の最適なトポロジ集合を得ることも可能である。
ただし、削除するリンクを選ぶ際、初期トポロジに含まれたリンクは削除しないものとする。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の網トポロジ設計方法を実施する網トポロジ設計装置の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０１  トポロジ情報・デマンド行列入力装置
１０２  初期トポロジ生成装置
１０３  トポロジ候補生成装置
１０４  包絡分析実施装置
１０５  最適トポロジ出力装置
【図１】
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