JP5626697B2 - ノード装置 - Google Patents

Description

本発明は、光パスを計算して構成するノード装置に関する。

近年、ネットワーク全体の資源を有効に利用し、転送品質を維持し、ネットワークコストを低減することは、ネットワーク事業者にとっての重要な課題である。将来のサービスの多様化に伴うネットワークの突発的かつ不規則な変化に柔軟に対応し、ネットワーク資源の有効利用を実現する技術として、ネットワーク仮想化技術が注目されている。

ネットワーク仮想化技術は、例えば、波長分割多重（WDM : Wavelength Division Multiplexing）を用いた物理ネットワーク上に、光パス（波長パス）を設定することで、上位レイヤのノードを接続する論理的なリンクを提供し、よって、仮想網の仮想的なトポロジを構築するものである。

ネットワーク仮想化技術に於いて物理網の光パス（波長パス）は、ボトルネック資源であり、有効に使う必要がある。現在まで、トラヒックに応じて適切に仮想網を構築し、当該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の仮想網制御の研究が数多くなされてきた。

非特許文献１，２には、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最適な仮想網を設計する仮想網制御技術、および、ヒューリスティックな仮想網制御技術が記載されている。非特許文献１，２に記載の仮想網制御技術では、トラヒック需要が周期的かつ緩やかに変動することが仮定されている。しかし、多数のアプリケーションやサービスが収容されている通信ネットワークに於いて、仮想網上のトラヒック需要は、予測困難な大きな変動をする。そのため、非特許文献１，２に記載の仮想網制御技術を適用することは困難である。したがって、トラヒック需要の大きな変動に適応できる仮想網制御方法が望まれている。

非特許文献３に記載の技術は、仮想網の制御に対して、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選択を適用している。

アトラクタ選択による仮想網制御方法は、未知の環境変化に対しても解を発見することが可能であるという特徴を有している。以下、アトラクタ選択による仮想網制御方法を、「ゆらぎ方式」と記載している場合がある。

特許文献１〜４には、当該ゆらぎ方式による仮想網制御方法の発明が記載されている。特許文献１〜４に記載のゆらぎ方式による仮想網制御方法の発明では、管理サーバがネットワーク品質情報を収集して活性度を計算し、微分方程式によりシステムの状態を更新し、光パスにより仮想網を設定するサイクルを繰り返している。管理サーバが当該サイクルを繰り返して仮想網を制御することにより、仮想網システムは、現在の環境に適した安定点（アトラクタ）へと収束する。

特開２０１１―１５５５０７号公報 特開２０１１―１５５５０８号公報 特開２０１１―１５５５０９号公報 国際公開第２０１１／０９３３９６号

B. Mukherjee, D. Banerjee, S. Ramamurthy, and A. Mukherjee、"Some principles for designing a wide-area WDM optical network"、IEEE/ACM Transactions on Networking、1996、vol.4、no.5、pp.684-696 R. Ramaswami and K. N. Sivarajan、"Design of logical topologies for wavelength-routed optical networks"、IEEE Journal on Selected Areas in Communications、June 1996、vol.14、p.840-851 Y.Koizumi,et al.、"Adaptive Virtual Network Topology Control Based on Attractor Selection"、Journal of Lightwave Technology、June 1, 2010.、Vol.28、No. 11

ゆらぎ方式による仮想網制御方法の計算量は、ノード数Ｎの４乗オーダである。よって、ゆらぎ方式による仮想網制御方法を用いて、現実的な計算時間で解を求めることができるのは、１００ノード規模のネットワークに限られる。このため、ゆらぎ方式による仮想網制御方法は、日本全国規模を想定した千ノード〜１万ノードのネットワークに適用することが不可能である。
そこで、本発明は、ゆらぎ方式による仮想網制御を大規模ネットワークに適用できるノード装置を提供することを課題とする。

前記した課題を解決するため、請求項１に記載の発明では、自ノードを起点とする光パスの網負荷量を算出する網負荷量算出部と、前記網負荷量の逆数を算出して自身の活性度（α）とする活性度算出部と、前記各活性度（α）をゆらぎ方程式（式５）に代入し、自ノードを起点とする当該光パスの状態を計算する発現レベル算出部と、を備えたことを特徴とするノード装置とした。

このようにすることで、各ノード装置が自律分散的に光パスの構成を計算するので、大規模ネットワークであっても、ゆらぎ方式による仮想網制御を行うことができる。更にゆらぎ方程式の計算時間のオーダをＯ（Ｎ^２）することができる。

請求項２に記載の発明では、前記ゆらぎ方程式（式５）の制御行列（Ｗ）のうち、自ノードに関連する要素のみを格納し、当該要素に基づいて、前記自身の活性度（α）を算出する、ことを特徴とする請求項１に記載のノード装置とした。

このようにすることで、ノード装置は、使用メモリ量を削減することができる。

請求項３に記載の発明では、近傍のネットワーク品質を観察し、自身の活性度を決定する、ことを特徴とする請求項１に記載のノード装置とした。

このようにすることで、ネットワーク環境の変化に対する適応性を維持することが可能になる。

請求項４に記載の発明では、他のノード装置と相互に通信する通信部を更に備え、前記通信部により、前記他のノード装置との間で前記各活性度の情報を共有する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のノード装置とした。

このようにすることで、例えば千ノードや一万ノードで構成されている大規模ネットワーク上に、仮想網を構築することができる。

本発明によれば、ゆらぎ方式による仮想網制御を大規模ネットワークに適用できるノード装置を提供することが可能となる。

第１の実施形態に於ける光パス網システムを示す概略の構成図である。 第１の実施形態に於ける光パス網システムの詳細を示す図である。 第１の実施形態に於ける活性パターンと抑制パターンを示す図である。 第１の実施形態に於けるグループ初期設計処理を示すフローチャートである。 第１の実施形態に於ける非核光パスのグループ化処理を示すフローチャートである。 第１の実施形態に於ける仮想網トポロジ算出処理を示すフローチャートである。 第１の実施形態に於けるグループ数増加処理を示すフローチャートである。 第１の実施形態に於けるグループ数減少処理を示すフローチャートである。 第２の実施形態に於けるグループ数増加／減少処理を示すフローチャートである。 第３の実施形態に於ける光パス網システムの詳細を示す図である。 第３の実施形態に於ける仮想網トポロジ算出処理を示すフローチャートである。

以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態の構成）

図１は、第１の実施形態に於ける光パス網システムを示す概略の構成図である。
光パス網システム１は、物理網である光パス網１０と、光パス網構成装置５０とを備えている。光パス網システム１は、光パス網１０（物理網）上に光パス１３を設定することで、上位レイヤの仮想網３０に於ける仮想ノード４０−１〜４０−４を接続するＩＰリンク３１−１〜３１−５を提供し、後記する仮想網３０の仮想的なトポロジを構築するものである。光パス網システム１は、例えば図示しない端末群や図示しない他のネットワークシステムと接続されている。

光パス網１０は、物理ノード２０−１〜２０−４と、物理リンク１１−１〜１１−４とを備えている。以下、物理ノード２０−１〜２０−４を特に区別しないときは、単に物理ノード２０と記載する。物理リンク１１−１〜１１−４を特に区別しないときは、単に物理リンク１１と記載する。

光パス網１０は、物理ノード２０が光信号に対して波長分割多重を行い、各物理リンク１１に流すネットワークである。光パス網１０は、仮想網３０を収容している。光パス網１０は、仮想網３０に対して光パス１３で構成される仮想網トポロジを提供する。光パス網１０の各物理ノード２０は、光パス網構成装置５０に接続されている。

各物理ノード２０（ノード装置）は、例えば、ＯＸＣ（Optical Cross-Connect）である。各物理ノード２０は、光信号に対して波長分割多重を行うものである。各物理ノード２０は、それぞれ物理リンク１１によって相互に物理的に接続されていると共に、波長ルーティングによる光パス１３で論理的に接続されている。各物理ノード２０は、図示しない端末群を収容し、図示しない他のネットワークシステムと接続されている。

各物理リンク１１は、例えば、光ファイバである。各物理リンク１１は、光を収容するものであり、さらに、ＷＤＭ技術によって複数の波長の光を収容することができるものである。各物理リンク１１は、各物理ノード２０間を接続している。

光パス網構成装置５０は、例えばサーバコンピュータであり、仮想網トポロジの設計機能と制御機能とを備えている。光パス網構成装置５０は、光パス網１０のトポロジなどの状態情報、各仮想網３０のトポロジなどの状態情報、仮想網３０上のリンク利用率、スループットに代表される性能情報を取得して、仮想網３０を制御するものである。光パス網構成装置５０は、光パス網１０の各物理ノード２０に接続されている。

仮想網３０は、仮想ノード４０−１〜４０−４と、ＩＰリンク３１−１〜３１−５とを備えている。仮想網３０は、例えば、ＩＰ／ＭＰＬＳ（Internet Protocol/Multi Protocol Label Switching）のネットワークであるが、これに限られない。仮想網３０は、波長ルーティングに代表される光パス網１０が提供するパスによって構築されているネットワークである。以下、仮想ノード４０−１〜４０−４を特に区別しないときには、単に仮想ノード４０と記載する。ＩＰリンク３１−１〜３１−５を特に区別しないときには、単にＩＰリンク３１と記載する。

仮想ノード４０−１〜４０−４は、それぞれ物理ノード２０−１〜２０−４に対応する仮想的なノードである。仮想ノード４０は、仮想網３０に於ける通信のノードである。仮想ノード４０は、各ＩＰリンク３１を介して他の仮想ノード４０に論理的に接続されている。

仮想ノード４０−１は、破線矢印で示す光パス１３−１によって、仮想ノード４０−３に接続されている。仮想網３０に於いて、仮想ノード４０−１は、ＩＰリンク３１−４を介して仮想ノード４０−３と論理的に接続されている。
光パス１３−１は、物理ノード２０−１から物理リンク１１−４を介して物理ノード２０−３に張られている。光パス１３−１上には、この光パス１３−１の網負荷量である最大リンク利用率に相当する遺伝子１２−１が示されている。ここで最大リンク利用率とは、当該光パス１３−１の帯域に対して、当該光パス１３−１を利用するトラヒックが占める割合の最大値のことをいい、網負荷量のうちの１つである。
基質３２−１は、仮想網３０に於けるＩＰリンク３１−４を象徴している。基質３２−１は、対応する遺伝子１２−１の発現レベルによって制御される。これら基質３２と遺伝子１２との関係については、後記する「細胞の振る舞いのモデル化」に於いて説明する。

仮想ノード４０−３は、破線矢印で示す光パス１３−２によって、仮想ノード４０−４に接続されている。仮想網３０に於いて、仮想ノード４０−３は、ＩＰリンク３１−３を介して仮想ノード４０−４と論理的に接続されている。
光パス１３−２は、物理ノード２０−３から物理リンク１１−３を介して物理ノード２０−４に張られている。光パス１３−２上には、この光パス１３−２の最大リンク利用率（網負荷量）に相当する遺伝子１２−２が示されている。
基質３２−２は、仮想網３０に於けるＩＰリンク３１−３を象徴している。基質３２−２は、対応する遺伝子１２−２の発現レベルによって制御される。

仮想ノード４０−１は、破線矢印で示す光パス１３−３によって、仮想ノード４０−４に接続されている。仮想網３０に於いて、仮想ノード４０−１は、ＩＰリンク３１−５を介して仮想ノード４０−４と論理的に接続されている。
光パス１３−３は、物理ノード２０−１から物理リンク１１−３，１１−４を介して物理ノード２０−４に張られている。光パス１３−３上には、この光パス１３−３の最大リンク利用率（網負荷量）に相当する遺伝子１２−３が示されている。
基質３２−３は、仮想網３０に於けるＩＰリンク３１−５を象徴している。基質３２−１は、対応する遺伝子１２−３の発現レベルによって制御される。
以下、遺伝子１２−１〜１２−３を特に区別しないときには、単に遺伝子１２と記載する。基質３２−１〜３２−３を特に区別しないときには、単に基質３２と記載する。

（第１の実施形態の仮想網３０の制御の概要）
第１の実施形態の光パス網１０を構成する物理ノード２０の数をＮとする。光パス１３が、物理ノード２０の全ての対に設定可能である場合、仮想網３０のシステムの状態ｘは、Ｎ×（Ｎ−１）個の変数を用いて、以下の（式１）のように表される。

第１の実施形態の光パス網構成装置５０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選択によって、仮想網３０を制御する。すなわち、第１の実施形態の光パス網構成装置５０は、以下の（式２）に示すゆらぎ方程式によってアトラクタ選択を行う。

（式２）に示すゆらぎ方程式の制御行列Ｗは、（式３）に示すように、２つの遺伝子１２間（ノード間）の関係によって算出される。２つの遺伝子１２間の関係が活性パターンのとき、制御行列Ｗは、正の定数となる。２つの遺伝子１２間の関係が抑制パターンのとき、制御行列Ｗは、負の定数となる。２つの遺伝子１２間の関係が前記以外のパターンのとき、制御行列Ｗは、０となる。活性パターンおよび抑制パターンは、後記する図３で説明する。

光パス網構成装置５０は、ホワイトガウシアンノイズであるゆらぎηと、アトラクタを持つ制御構造ｆ（ｘ）と、活性度αとによって仮想網３０のシステムの状態ｘを制御している。以下、ゆらぎηによる制御のことを、「ゆらぎ制御」と記載している場合がある。アトラクタを持つ制御構造ｆ（ｘ）による制御のことを、「アトラクタ制御」と記載している場合がある。

仮想網３０のシステムの状態ｘが劣化したならば、光パス網構成装置５０が算出する最大リンク利用率（網負荷量）は上昇し、活性度αは低下する。活性度αの低下により、ゆらぎηの影響が相対的に大きくなり、光パス網構成装置５０が指示するシステムの状態ｘは、ランダムに変化する。

このランダムな変化によって、システムの状態ｘが改善したときには、活性度αが増加する。その結果、システムの状態ｘは、制御構造ｆ（ｘ）の影響が相対的に大きくなり、光パス網構成装置５０が指示するシステムの状態ｘ（仮想網システム）は、現在の環境に適した安定点（アトラクタ）へと収束する。このように、光パス網構成装置５０は、活性度αに応じて、制御構造ｆ（ｘ）とゆらぎηのいずれを支配的にするかを切り替えて制御する。

一般的に、ヒューリスティックなアプローチによる仮想網制御は、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により、環境の変化に適応する。そのため、想定した環境変化には高い適応性を実現できるが、想定外の環境変化には適応することが困難な場合がある。
それに対して、第１の実施形態に於けるアトラクタ制御は、ゆらぎηによって駆動するため、最適な性能ではない虞があるが、想定外の環境変化にも適応することが可能であるという特徴を有している。

（細胞の振る舞いのモデル化）
アトラクタ選択は、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。

このモデルに於いて、光パス網１０に相当する遺伝子ネットワークは、（式２）に示すゆらぎηとアトラクタを持つ制御構造ｆ（ｘ）とによって動作している。
遺伝子ネットワークに於いて、光パス１３の最大リンク利用率（網負荷量）に相当する遺伝子１２−１〜１２−３間の活性と抑制によって、アトラクタを持つ制御構造ｆ（ｘ）が定義され、システムの状態ｘに相当するタンパク質の発現レベルを制御している。遺伝子１２は、物理リンク１１の網負荷量に相当する。

このモデルに於いて、仮想網３０に相当する代謝ネットワークは、代謝反応によって細胞の成長に必要な基質３２を生成している。基質３２は、ＩＰリンク３１に相当する。

基質３２の代謝反応は、対応する遺伝子１２の発現レベルによって制御される。この必須とされる遺伝子１２の濃度（量）が、細胞の成長速度を決める。そのため、遺伝子ネットワークは、当該遺伝子１２の濃度によって活性度αを決定し、遺伝子ネットワークにフィードバックする。

環境変化によって代謝ネットワークの状態が劣化すると、活性度αが低下する。活性度αが低い場合は、遺伝子ネットワークの制御は、ゆらぎηが支配的となり、その環境に適した状態を自動で探索するようになる。ゆらぎηによって、環境に適したアトラクタが発見されると代謝ネットワークの状態が回復し、活性度αが増加する。活性度αが高い場合は、遺伝子ネットワークの制御は、制御構造ｆ（ｘ）が支配的となり、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活性度αによって判定し、活性度αに基づいてゆらぎηと制御構造ｆ（ｘ）とを制御することにより、環境変化に対して自動で適応している。

図２は、第１の実施形態に於ける光パス網システムの詳細を示す図である。
光パス網システム１は、光パス網構成装置５０と、物理ノード２０と、図示しない光ファイバなどを備えている。
光パス網構成装置５０は、通信部５１と、処理部５２と、記憶部５３とを備えている。
通信部５１は、例えばネットワークインタフェースである。通信部５１は、各物理ノード２０を制御するものである。通信部５１は、光パス網１０の各物理ノード２０と接続されている。

処理部５２は、情報収集部５４と、グループ初期設計部５５と、グループ動的設計部５６と、網負荷量算出部５７と、活性度算出部５８と、発現レベル算出部５９とを備えている。処理部５２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）がＲＡＭ（Random Access Memory）にソフトウェアプログラムを読み込んで実行することにより、具現化されるものである。処理部５２は、図示しないバスによって記憶部５３および通信部５１に接続されている。
情報収集部５４は、通信部５１を介して光パス網１０のトラヒック情報などを収集し、仮想網情報ＤＢ６０や物理網情報ＤＢ６１に格納するものである。

グループ初期設計部５５は、光パス網１０からグループの核となる光パスを「核光パス」として選定し、当該核光パスごとにグループを構成して設計するものである。グループ初期設計部５５は、設計したグループをグループＤＢ６２に格納する。
グループ動的設計部５６は、各グループそれぞれの網にかかる負荷である網負荷量が所定範囲でなければ、光パス網１０のグループを動的に設計するものであり、第１の実施形態では網負荷量として、ノード間のリンク利用率の中で最大の利用率である最大リンク利用率を用いる。グループ動的設計部５６は、グループＤＢ６２に格納されている現在のグループを参照するとともに、動的に設計したグループをグループＤＢ６２に格納する。

網負荷量算出部５７は、光パス網１０の各物理リンク１１の利用率を算出するものである。本実施形態の網負荷量算出部５７は、網負荷量である最大リンク利用率を算出する。
活性度算出部５８は、最大リンク利用率（網負荷量）に基づき、光パス網１０の活性度αを算出するものである。第１の実施形態の活性度算出部５８は、最大リンク利用率（網負荷量）の逆数を算出し、これを活性度αとしている。
発現レベル算出部５９は、活性度α、アトラクタ制御、ゆらぎ制御に基づき、光パス網１０の次周期の光パス１３の発現レベルを決定するものである。すなわち、発現レベル算出部５９は、各活性度αとゆらぎ方程式とに基づき、光パス網１０の構成を計算する。

記憶部５３は、仮想網情報ＤＢ６０と、物理網情報ＤＢ６１と、グループＤＢ６２とを備えている。
仮想網情報ＤＢ６０は、例えば、仮想網３０のトポロジ情報などを格納するものである。
物理網情報ＤＢ６１は、例えば、物理網である光パス網１０の各リンクに於けるトラヒック情報などを収集して格納するものである。
グループＤＢ６２は、前記したグループ初期設計部５５やグループ動的設計部５６が設計した光パス１３のグループ情報を格納するものである。

物理ノード２０は、通信部２１と、処理部２２と、光通信部２３とを備えている。
通信部２１は、例えばネットワークインタフェースである。通信部２１は、光パス網構成装置５０や他の物理ノード２０と通信するものである。通信部２１は、光パス網構成装置５０、および、光パス網１０の各物理ノード２０に接続されている。

処理部２２は、情報取得部２４を備えている。処理部２２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）がＲＡＭ（Random Access Memory）にソフトウェアプログラムを読み込んで実行することにより、具現化されるものである。処理部２２は、図示しないバスによって光通信部２３および通信部２１に接続されている。
情報取得部２４は、当該物理ノード２０の光パス１３に関する接続情報や、光パス１３に流れるトラヒック情報などを取得するものである。

光通信部２３は、他の物理ノード２０との間に光パス１３を設定する機能と、光パス１３に流れるトラヒック情報を検知する機能とを有している。光通信部２３が取得したトラヒック情報は、情報取得部２４に送られ、通信部２１を介して光パス網構成装置５０に送信される。

（第１の実施形態の動作）
光パス１３と、当該光パス１３と地理的に離れている他の光パス１３とは、相互に影響を及ぼすことはない。各光パス１３相互の活性と抑制の影響を計算する場合に、光パス１３を複数のグループに分割し、グループ内の光パス１３相互の影響を計算することで、ゆらぎ方程式の計算量を削減することが可能となる。

これは、制御行列Ｗを行方向・列方向に複数に分割し、地理的に近い光パス１３をグループ化してｎ個の制御行列Ｗ（ｎは分割数）を生成し、計算を行うことに相当する。

本実施形態の光パス網構成装置５０は、グループ初期設計部５５が、グループ初期設計処理を行って、光パス１３をグループ分けする。その後、光パス網構成装置５０は、ゆらぎ方程式に基づくネットワーク制御を複数周期に亘って行い、最大リンク利用率（網負荷量）が予め定められた範囲内に収束しない場合、グループ動的設計部５６が、グループ動的設計処理を行って光パス１３をグループ分けする。その後、グループ動的設計部５６は、定期的に最大リンク利用率の収束を判定し、収束しないときにはグループ動的設計法を実施する。

図３（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に於ける活性パターンと抑制パターンを示す図である。

図３（ａ）は、第１の活性パターンを示している。
物理ノード２０ａは、物理リンク１１ａを介して物理ノード２０ｂに接続されている。物理ノード２０ｂは、物理リンク１１ｂを介して物理ノード２０ｃに接続されている。

仮想ノード４０ａは、物理ノード２０ａに対応している。仮想ノード４０ｂは、物理ノード２０ｂに対応している。仮想ノード４０ｃは、物理ノード２０ｃに対応している。

光パス１３ａは、仮想ノード４０ａから物理ノード２０ａ、物理リンク１１ａ、物理ノード２０ｂを介して仮想ノード４０ｂに接続されている。光パス１３ｂは、仮想ノード４０ｂから物理ノード２０ｂ、物理リンク１１ｂ、物理ノード２０ｃを介して仮想ノード４０ｃに接続されている。光パス１３ｃは、仮想ノード４０ａから物理ノード２０ａ、物理リンク１１ａ、物理ノード２０ｂ、物理リンク１１ｂ、物理ノード２０ｃを介して、仮想ノード４０ｃに接続されている。

遺伝子Ｐｓｄは、光パス１３ａの最大リンク利用率に対応している。遺伝子Ｐｉｊは、光パス１３ｃの最大リンク利用率に対応している。遺伝子Ｐｓｄに対応するトラヒックは、遺伝子Ｐｉｊに対応するトラヒックと共用することができる。すなわち、遺伝子Ｐｉｊと遺伝子Ｐｓｄとは活性パターンの関係を有している。
前記した（式３）に於いて、制御行列Ｗは、遺伝子Ｐｉｊと遺伝子Ｐｓｄとが、当該第１の活性パターンに含まれるならば、所定の正の値となる。

図３（ｂ）は、第２の活性パターンを示している。
物理ノード２０ｄは、物理リンク１１ｄを介して物理ノード２０ｅに接続されている。物理ノード２０ｅは、物理リンク１１ｅを介して物理ノード２０ｆに接続されている。物理ノード２０ｅは、物理リンク１１ｆを介して物理ノード２０ｇに接続されている。

物理ノード２０ｄは、仮想ノード４０ｄに対応している。物理ノード２０ｅは、仮想ノード４０ｅに対応している。物理ノード２０ｆは、仮想ノード４０ｆに対応している。物理ノード２０ｇは、仮想ノード４０ｇに対応している。

光パス１３ｄは、仮想ノード４０ｄから物理ノード２０ｄ、物理リンク１１ｄ、物理ノード２０ｅを介して仮想ノード４０ｅに接続されている。
光パス１３ｆは、仮想ノード４０ｅから物理ノード２０ｅ、物理リンク１１ｅ、物理ノード２０ｆを介して仮想ノード４０ｆに接続されている。
光パス１３ｇは、仮想ノード４０ｅから物理ノード２０ｅ、物理リンク１１ｆ、物理ノード２０ｇを介して仮想ノード４０ｇに接続されている。

仮想パス３３ｄは、仮想ノード４０ｄから仮想ノード４０ｅに接続されている。ここで仮想パス３３ｄは、ＩＰリンク３１上を流れる論理的なパスのことをいう。仮想パス３３ｅは、仮想ノード４０ｄから仮想ノード４０ｅを介して仮想ノード４０ｆに接続されている。仮想パス３３ｆは、仮想ノード４０ｅから仮想ノード４０ｆに接続されている。仮想パス３３ｇは、仮想ノード４０ｅから仮想ノード４０ｇに接続されている。

遺伝子Ｐｓｄは、光パス１３ｄの最大リンク利用率に対応している。遺伝子Ｐｉｊは、光パス１３ｆの最大リンク利用率に対応している。遺伝子Ｐｓｄに対応するトラヒックは、遺伝子Ｐｉｊに対応するトラヒックと共用することができる。すなわち、遺伝子Ｐｉｊと遺伝子Ｐｓｄとは活性パターンの関係を有している。
前記した（式３）に於いて、制御行列Ｗは、遺伝子Ｐｉｊと遺伝子Ｐｓｄとが、当該第２の活性パターンに含まれるならば、所定の正の値となる。

図３（ｃ）は、抑制パターンを示している。
物理ノード２０ｈは、物理リンク１１ｈを介して物理ノード２０ｉに接続されている。物理ノード２０ｉは、物理リンク１１ｉを介して物理ノード２０ｊに接続されている。物理ノード２０ｊは、物理リンク１１ｊを介して物理ノード２０ｋに接続され、物理リンク１１ｎを介して物理ノード２０ｎに接続されている。物理ノード２０ｉは、物理リンク１１ｍを介して物理ノード２０ｍに接続されている。

光パス１３ｈは、物理ノード２０ｈから、物理リンク１１ｈ、物理ノード２０ｉ、物理リンク１１ｉ、物理ノード２０ｊ、物理リンク１１ｊを介して、物理ノード２０ｋに接続されている。

光パス１３ｍは、物理ノード２０ｍから、物理リンク１１ｍ、物理ノード２０ｉ、物理リンク１１ｉ、物理ノード２０ｊ、物理リンク１１ｎを介して、物理ノード２０ｎに接続されている。

遺伝子Ｐｓｄは、光パス１３ｍの最大リンク利用率に対応している。遺伝子Ｐｉｊは、光パス１３ｈの最大リンク利用率に対応している。遺伝子Ｐｓｄに対応するトラヒックは、遺伝子Ｐｉｊに対応するトラヒックと共用することができない。そのため、遺伝子Ｐｓｄが増大すると、遺伝子Ｐｉｊは、減少する。逆に、遺伝子Ｐｉｊが増大すると、遺伝子Ｐｓｄは減少する。すなわち、遺伝子Ｐｉｊと遺伝子Ｐｓｄとは抑制パターンの関係を有している。
前記した（式３）に於いて、制御行列Ｗは、遺伝子Ｐｉｊと遺伝子Ｐｓｄとが、当該抑制パターンに含まれるならば、所定の負の値となる。

図４は、第１の実施形態に於けるグループ初期設計処理を示すフローチャートである。
光パス１３の相互作用は光パス１３の地理的構成に依存する。そのため、地理的に近い光パス１３をグループ化し、地理的に遠くて相互作用のない光パス１３の組合せは、計算しないようにしている。
グループ初期設計処理を開始すると、ステップＳ１０に於いて、光パス網構成装置５０のグループ初期設計部５５は、ランダムにひとつの光パス１３を、核光パス１３Ａとして選択する。ここで核光パス１３Ａとは、光パス１３をグループ分けするときに、核（中心）となるものである。グループ数は、あらかじめ決められた初期値である。

ステップＳ１１に於いて、グループ初期設計部５５は、選択済の核光パス１３Ａから最も遠い光パス１３を新たに選択するため、選択済み核光パス１３Ａと既存の光パス１３とのホップ数の２乗の総和を計算する。ここで、ホップ数とは、選択済み核光パス１３Ａが発する物理ノード２０と、既存の光パス１３が発する物理ノード２０との間に最短の光パス１３を張った際に、当該最短の光パス１３が通過する物理リンク１１の数のことである。ホップ数は、選択済み核光パス１３Ａと既存の光パス１３との論理的な距離を示している。

ステップＳ１２に於いて、グループ初期設計部５５は、ホップ数の２乗の総和が最も大きな光パス１３を、新たに核光パス１３Ａとして選択する。すなわち、新たな光パス１３は、選択済みの核光パス１３Ａのいずれからも、もっとも遠い光パス１３である。

ステップＳ１３に於いて、グループ初期設計部５５は、核光パス１３Ａの数がグループ数以上になったか否かを判断する。グループ初期設計部５５は、当該条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１４の処理を行い、当該条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、ステップＳ１１の処理に戻る。
ステップＳ１４に於いて、グループ初期設計部５５は、非核光パスのグループ化処理（図５）を行う。グループ初期設計部５５は、ステップＳ１４の処理が終了すると、図４の処理を終了する。

図５は、第１の実施形態に於ける非核光パスのグループ化処理を示すフローチャートである。
非核光パスのグループ化処理を開始すると、ステップＳ２０〜Ｓ２４に於いて、光パス網構成装置５０のグループ初期設計部５５は、全ての核光パス１３Ａについて処理を繰り返す。

ステップＳ２１に於いて、グループ初期設計部５５は、当該核光パス１３Ａのグループに属するいずれかの光パス１３に、活性または抑制（図３）の影響を与え、かつ、いずれのグループにも属さない光パス１３を探索する。

ステップＳ２２に於いて、グループ初期設計部５５は、当該条件に合う光パス１３が存在するか否かを判断する。グループ初期設計部５５は、当該条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、ステップＳ２３の処理を行い、当該条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、ステップＳ２４の処理を行う。
ステップＳ２３に於いて、グループ初期設計部５５は、当該条件に合う光パス１３を当該核光パス１３Ａのグループに属させる。

ステップＳ２４に於いて、グループ初期設計部５５は、全ての核光パス１３Ａについて処理を繰り返したか否かを判断する。グループ初期設計部５５は、当該条件が成立したならば、ステップＳ２５の処理を行い、当該条件が成立しなかったならば、ステップＳ２０の処理に戻る。

ステップＳ２５に於いて、グループ初期設計部５５は、グループに属さない光パス１３が存在するか否かを判断する。グループ初期設計部５５は、当該条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０の処理に戻り、当該条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、図５の処理を終了する。

図６は、第１の実施形態に於ける仮想網トポロジ算出処理を示すフローチャートである。
光パス網構成装置５０の処理部５２は、仮想網トポロジ算出処理に於いて、グループ毎に、（式２）に示すゆらぎ方程式に基づいて光パス１３を再構成しても、最大リンク利用率が収束しないときに、グループ数を減少させている。

仮想網トポロジ算出処理を開始すると、ステップＳ３０に於いて、光パス網構成装置５０の処理部５２は、当該周期が終了するまで待つ。ここで周期とは、光パス網構成装置５０が、仮想網３０を制御する一連の処理を実行する予め定められた期間のことをいう。
ステップＳ３１に於いて、網負荷量算出部５７は、当該周期に於ける光パス網１０のリンク負荷を測定し、各グループの各最大リンク利用率を算出する。
ステップＳ３２に於いて、活性度算出部５８は、最大リンク利用率に基づき、当該周期に於ける活性度αを算出する。

ステップＳ３３に於いて、グループ動的設計部５６は、複数周期に亘って最大リンク利用率の全てが下限閾値以下であるか否かを判断する。グループ動的設計部５６は、当該条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、ステップＳ３５の処理を行い、当該条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、ステップＳ３４の処理を行う。

ステップＳ３４に於いて、グループ動的設計部５６は、複数周期に亘って最大リンク利用率のいずれかが上限閾値以上であるか否かを判断する。グループ動的設計部５６は、当該条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、ステップＳ３６の処理を行い、当該条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、ステップＳ３７の処理を行う。

ステップＳ３５に於いて、グループ動的設計部５６は、制御行列Ｗの成分が少ないと判断し、グループ数増加処理（図７）を行ったのち、ステップＳ３７の処理を行う。

ステップＳ３６に於いて、グループ動的設計部５６は、より少ない光パス１３の制御のみで解を求めることができると判断して、グループ数減少処理（図８）を行ったのち、ステップＳ３７の処理を行う。

ステップＳ３７に於いて、光パス網構成装置５０の処理部５２は、活性度α、アトラクタ制御、ゆらぎ制御に基づき、次周期の光パス１３の発現レベルを決定する。

ステップＳ３８に於いて、光パス網構成装置５０の処理部５２は、通信部５１を介して、発現レベルにより次周期の光パス１３を決定し、光パス網１０の各物理ノード２０に指示する。

図７は、第１の実施形態に於けるグループ数増加処理を示すフローチャートである。
第１の実施形態に於けるグループ数増加処理では、既存の核光パス１３Ａに、新たな核光パス１３Ａを追加することにより、少ない演算処理でグループ数を増加させている。
グループ数増加処理を開始すると、ステップＳ４０〜Ｓ４３に於いて、グループ動的設計部５６は、全ての光パス１３について処理を繰り返す。

ステップＳ４１に於いて、グループ動的設計部５６は、当該光パス１３は、核光パス１３Ａであるか否かを判断する。グループ動的設計部５６は、当該条件が成立したならば（Ｙｅｓ）、ステップＳ４３の処理を行い、当該条件が成立しなかったならば（Ｎｏ）、ステップＳ４２の処理を行う。
ステップＳ４２に於いて、グループ動的設計部５６は、当該光パス１３から全ての核光パス１３Ａまでのホップ数の２乗の総和を算出する。

ステップＳ４３に於いて、グループ動的設計部５６は、全ての光パス１３について処理を繰り返したか否かを判断する。グループ動的設計部５６は、当該条件が成立しなかったならば、ステップＳ４０の処理に戻る。

ステップＳ４４に於いて、グループ動的設計部５６は、ホップ数の２乗の総和が最小となる光パス１３を、新たな核光パス１３Ａに選定する。これにより、核光パス１３Ａは１本増加する。
ステップＳ４５に於いて、グループ動的設計部５６は、非核光パス１３のグループ化を全て解除する。

ステップＳ４６に於いて、グループ動的設計部５６は、非核光パスのグループ化処理（図５）を行う。グループ動的設計部５６は、ステップＳ４６の処理が終了すると、図７の処理を終了する。

図８は、第１の実施形態に於けるグループ数減少処理を示すフローチャートである。
第１の実施形態のグループ数減少処理では、既存の核光パス１３Ａのいずれかを非核光パス１３に設定することにより、少ない演算処理でグループ数を減少させている。
グループ数減少処理を開始すると、ステップＳ５０〜Ｓ５２に於いて、グループ動的設計部５６は、全ての光パス１３について処理を繰り返す。
ステップＳ５１に於いて、グループ動的設計部５６は、当該光パス１３の制御行列Ｗの行方向の成分の絶対値の総和を算出する。

ステップＳ５２に於いて、グループ動的設計部５６は、全ての光パス１３について処理を繰り返したか否かを判断する。グループ動的設計部５６は、当該条件が成立しなかったならば、ステップＳ５０の処理に戻る。

ステップＳ５３に於いて、グループ動的設計部５６は、ステップＳ５１で算出した絶対値の総和が最小となる核光パス１３Ａを、非核光パス１３に設定する。これにより、核光パス１３Ａは１本減少する。
ステップＳ５４に於いて、グループ動的設計部５６は、非核光パス１３のグループ化を全て解除する。
ステップＳ５５に於いて、グループ動的設計部５６は、非核光パス１３のグループ化処理（図５）を行う。グループ動的設計部５６は、ステップＳ５５の処理が終了すると、図８の処理を終了する。

（第１の実施形態の効果）
以上説明した第１の実施形態では、次の（Ａ）〜（Ｃ）のような効果がある。

（Ａ） トラヒック変動や故障などのネットワークの環境変動に応じて光パス１３の構成を計算することは非常に時間が掛かる。しかし、光パス網構成装置５０は、大規模なネットワークをグループに分割することにより、光パス１３の構成を現実的な時間で計算することができる。

（Ｂ） グループ動的設計部５６は、グループ数増加処理に於いて、既存の核光パス１３Ａに、新たな核光パス１３Ａを追加している。これにより、グループ動的設計部５６は、少ない演算処理でグループ数を増加させることができる。

（Ｃ） グループ動的設計部５６は、グループ数減少処理に於いて、既存の核光パス１３Ａのいずれかを非核光パス１３に設定している。これにより、グループ動的設計部５６は、少ない演算処理でグループ数を減少させることができる。

（第２の実施形態の構成）
第２の実施形態の光パス網システム１の構成は、第１の実施形態の光パス網システム１の構成と同様である。
第２の実施形態の特徴は、第１の実施形態のグループ数増加処理とグループ数減少処理とは異なり、核光パス１３Ａの選定から始めることである。

（第２の実施形態の動作）

図９（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態に於けるグループ数増加／減少処理を示すフローチャートである。

図９（ａ）は、第２の実施形態に於けるグループ数増加処理を示すフローチャートである。
グループ数増加処理を開始すると、ステップＳ４０Ａに於いて、グループ動的設計部５６は、グループ数を１増加させる。
ステップＳ４１Ａに於いて、グループ動的設計部５６は、核光パス１３Ａと非核光パス１３のグループ化を全て解除する。
ステップＳ４２Ａに於いて、グループ動的設計部５６は、グループ初期設計処理（図４）を行う。ステップＳ４２Ａの処理が終了すると、グループ動的設計部５６は、図９（ａ）に示す処理を終了する。

図９（ｂ）は、第２の実施形態に於けるグループ数減少処理を示すフローチャートである。
グループ数減少処理を開始すると、ステップＳ５０Ａに於いて、グループ動的設計部５６は、グループ数を１減少させる。

ステップＳ５１Ａに於いて、グループ動的設計部５６は、核光パス１３Ａと非核光パス１３のグループ化を全て解除する。
ステップＳ５２Ａに於いて、グループ動的設計部５６は、グループ初期設計処理（図４）を行う。ステップＳ５２Ａの処理が終了すると、グループ動的設計部５６は、図９（ｂ）に示す処理を終了する。

（第２の実施形態の効果）
以上説明した第２の実施形態では、次の（Ｄ）のような効果がある。

（Ｄ） グループ動的設計部５６は、グループ数増加処理とグループ数減少処理に於いて、全ての核光パス１３Ａを新たに選定している。これにより、グループ動的設計部５６は、常に最適なグループ分けを行うことができる。

（第３の実施形態の構成）
本実施形態の特徴は、光パス網構成装置５０で仮想網３０の光パス１３の構成を計算するのではなく、ＷＤＭネットワークを構成する物理ノード２０それぞれが、自身を起点とする光パス１３の集合を決定することである。物理ノード２０は、アトラクタ選択によって、光パス１３の集合を決定するので、ネットワーク環境の変化に対する適応性を維持しつつ、計算時間を削減することができる。計算時間の削減により、光パス網システム１は、更に短い周期（制御間隔）で仮想網３０を再構築することができる。光パス網システム１は、更に規模の大きいネットワーク上に最適な仮想網３０を構築することができる。

図１０は、第３の実施形態に於ける光パス網システムの詳細を示す図である。
第３の実施形態の物理ノード２０Ｂは、第１の実施形態の物理ノード２０（図２）に加えて、網負荷量算出部２７と、活性度算出部２８と、発現レベル算出部２９とを備えている。それ以外の構成は、第１の実施形態の物理ノード２０（図２）と同様である。
網負荷量算出部２７は、光パス網１０の各物理リンク１１の利用率から網にかかる負荷である網負荷量を算出するものである。本実施形態では、網負荷量として、最大リンク利用率を算出している。
活性度算出部２８は、光パス網１０の活性度αを算出するものである。
発現レベル算出部２９は、活性度α、アトラクタ制御、ゆらぎ制御に基づき、光パス網１０の次周期の光パス１３の発現レベルを決定するものである。

（第３の実施形態の動作）
従来の制御方式では、１台の管理サーバを前提として、（式２）に示すゆらぎ方程式を適用し、システムの状態ｘを制御していた。ゆらぎ方程式に用いる制御行列Ｗは、ノード数Ｎの４乗の要素を有している。これにより、光パス１３の構成に必要な計算時間はＯ（Ｎ^４）となる。

第３の実施形態の光パス網システム１では、光パス網１０を構成する各物理ノード２０Ｂが、仮想網３０のシステムの状態ｘを計算するように構成されている。各物理ノード２０Ｂが自律的に計算することにより、光パス網１０の全体として仮想網３０のシステムの状態ｘが制御される。すなわち、各物理ノード２０Ｂは、自身を起点とする光パス１３の候補に対する状態ｘｉを制御する。

更に、全ての物理ノード２０Ｂによって、各状態ｘｉの制御を重ね合わせると、システムの状態ｘを制御することができる。
各物理ノード２０Ｂは、自身であるノードｉを起点とし、ノードｋを終端とする光パス１３の候補の状態を、下記の（式５）に示すゆらぎ方程式によって計算することができる。

上記のゆらぎ方程式の計算時間はＯ（Ｎ）、ノードｉに於ける計算時間はＯ（Ｎ^２）である。
制御行列Ｗは、Ｎの４乗の要素を有している。しかし、各物理ノード２０Ｂは、使用メモリ量を削減するために、自身のノードｉに関連する要素にのみを格納してもよい。

図１１は、第３の実施形態に於ける仮想網トポロジ算出処理を示すフローチャートである。
仮想網トポロジ算出処理を開始すると、ステップＳ６０に於いて、物理ノード２０Ｂの処理部２２は、当該周期が終了するまで待つ。

ステップＳ６１に於いて、物理ノード２０Ｂの網負荷量算出部２７は、当該周期に於ける光パス網１０のリンク負荷を測定し、各グループの各最大リンク利用率を算出する。
ステップＳ６２に於いて、物理ノード２０Ｂの活性度算出部２８は、最大リンク利用率に基づき、当該周期に於ける活性度αを算出する。
ステップＳ６３に於いて、物理ノード２０Ｂの処理部２２は、通信部２１を介して他の物理ノード２０Ｂと相互に通信することにより、活性度αの情報を共有する。

ステップＳ６４に於いて、物理ノード２０Ｂの発現レベル算出部２９は、活性度α、アトラクタ制御、ゆらぎ制御に基づき、次周期の光パス１３の発現レベルを決定する。
ステップＳ６５に於いて、物理ノード２０Ｂの処理部２２は、発現レベルによって次周期の光パス１３を決定し、光パス網１０の他の物理ノード２０Ｂに指示する。処理部２２は、ステップＳ６５の処理が終了すると、ステップＳ６０の処理に戻る。

（第３の実施形態の効果）
以上説明した第３の実施形態では、次の（Ｅ）のような効果がある。

（Ｅ） 各物理ノード２０は、自律分散的に自身を起点とする光パス１３の候補の状態を計算している。これにより、ゆらぎ方程式の計算時間のオーダをＯ（Ｎ^２）することができるので、例えば千ノードや一万ノードで構成されている大規模ネットワーク上に、仮想網３０を構築することができる。

（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の（ａ）〜（ｄ）のようなものがある。

（ａ） 第１の実施形態、および、第２の実施形態では、すべての物理ノード２０の組合せを光パス１３候補としているが、制御対象とする光パス１３のみに限定することも可能である。例えば、地理的な要因や光信号特性の要因などにより、光パス１３の候補から除外する場合には、制御行列Ｗの要素ｘを０とする。

（ｂ） 第３の実施形態に於いて、各物理ノード２０Ｂは、相互に通信することにより、活性度αの情報を共有している。しかし、これに限られず、各物理ノード２０Ｂは、近傍のネットワーク品質を観察し、自身の活性度αを決定してもよい。

（ｃ） 第１の実施形態〜第３の実施形態では、光パス網１０としてWDMネットワークを採用している。しかし、これに限られず、光パス網１０は、ファイバネットワーク、TDM（Time Division Multiplexing）ネットワークなど、他のレイヤ２ネットワークであってもよい。

（ｄ） 第１の実施形態〜第２の実施形態では、光パス網構成装置５０は、各リンクが光ファイバで構成された光パス網１０上に仮想網３０を構成している。しかし、これに限られず、各リンクが導線で構成された物理網上に仮想網３０を構成してもよい。

（ｅ） 第１の実施形態〜第２の実施形態の光パス網構成装置５０は、網負荷量として最大リンク利用率を使用している。しかし、これに限られず、光パス網構成装置が使用する網負荷量は、このネットワーク全体にかかる負荷を定量的に特定できる量であればよく、例えば、ノード間の個々のリンク利用率の平均（平均リンク利用率）であってもよい。

η ゆらぎ
α 活性度
ｘ システムの状態
１ 光パス網システム
１０ 光パス網（物理網）
１１ 物理リンク
１２，Ｐｓｄ，Ｐｉｊ 遺伝子
１３ 光パス
１３Ａ 核光パス
２０ 物理ノード（ノード装置）
２１ 通信部
２２ 処理部
２３ 光通信部
２４ 情報取得部
２７ 網負荷量算出部
２８ 活性度算出部
２９ 発現レベル算出部
３０ 仮想網
３１ ＩＰリンク
３２ 基質
３３ 仮想パス
４０ 仮想ノード
５０ 光パス網構成装置
５１ 通信部
５２ 処理部
５３ 記憶部
５４ 情報収集部
５５ グループ初期設計部
５６ グループ動的設計部
５７ 網負荷量算出部
５８ 活性度算出部
５９ 発現レベル算出部
６０ 仮想網情報ＤＢ
６１ 物理網情報ＤＢ
６２ グループＤＢ

Claims (4)

1. 自ノードを起点とする光パスの網負荷量を算出する網負荷量算出部と、
   前記網負荷量の逆数を算出して自身の活性度（α）とする活性度算出部と、
   前記各活性度（α）をゆらぎ方程式（式５）に代入し、自ノードを起点とする当該光パスの状態を計算する発現レベル算出部と、
   を備えたことを特徴とするノード装置。
   

   
2. 前記ゆらぎ方程式（式５）の制御行列（Ｗ）のうち、自ノードに関連する要素のみを格納し、
   当該要素に基づいて、前記自身の活性度（α）を算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のノード装置。
3. 近傍のネットワーク品質を観察し、自身の活性度を決定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のノード装置。
4. 他のノード装置と相互に通信する通信部を更に備え、
   前記通信部により、前記他のノード装置との間で前記各活性度の情報を共有する、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のノード装置。

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