2013年度 研究成果報告書

Advanced Network Architecture Research Group

8. 次世代フォトニックネットワークアーキテクチャに関する研究

光伝送技術の発展には目覚しいものがあり,WDM(波長分割多重)技術によってネットワークの回線容量は爆発的に増大してきた.しかし,光伝送技術とネットワーキング技術はおのおの別個の歴史を持ち,インターネットに適した光通信技術の適用形態については明らかになっていないのが現状である.短期的には,高性能・高信頼光パスネットワークがその中心技術になると考えられ,長期的な解としてはフォトニックネットワーク独自の通信技術を用いた大規模かつ分散制御型の光パスネットワークや光パケットスイッチネットワーク,光パスネットワークと光パケットスイッチネットワークを統合した適用形態も十分に考えられる.本研究テーマでは,これらの点に着目した研究を進めている.


8.1 ゆらぎ制御に基づく光パスネットワークに関する研究

8.1.1 フォトニックインターネットにおける論理トポロジー制御手法に関する研究(NTTネットワークサービスシステム研究所との共同研究)

P2Pネットワーク,VoIP,動画配信サービスなどの新たなサービスが登場し,ネットワーク上でのトラヒックの変化は大きくなっている.これまで,トラヒック量を既知として効率良く収容するための論理トポロジー制御手法に関する研究が数多くなされているが,トラヒックの変化に対して適応的に論理トポロジーを制御することが重要である.本研究では,ネットワーク性能の最適化のみではなく,環境の変化に対する適応性を備えたネットワーク制御手法として,局所的な情報交換によって予測困難な環境変化に適応する振る舞いにもとづいた論理トポロジー制御の確立に取り組んでいる.これまでに,生物が予測困難な環境変化に適応する振る舞いをモデル化したアトラクター選択に注目し,トラヒック変動に対する適応性を備えた論理トポロジー制御手法を提案し,シミュレーション評価によりトラヒックの変動に対して早く反応し,その変化に適応することを示した.本研究では,アトラクター選択を用いた論理トポロジー制御の論理トポロジー算出の計算量を削減し,より短い制御間隔で論理トポロジーを算出する計算量削減手法およびそれを用いた論理トポロジー制御手法の評価を行った.提案する制御手法では,波長分割多重ネットワークを構成するノードそれぞれがアトラクター選択を用いて論理トポロジーの一部を決定する.これにより,従来のアトラクター選択を用いた論理トポロジー制御手法が有するトラヒック変動への高い適応性を維持しつつ,計算時間の削減を可能とする.計算機シミュレーションによる評価の結果,1000 ノード規模のネットワークにおいて,従来のアトラクター選択を用いた論理トポロジー制御手法のCPU総計算時間が1000 秒程度必要とするのに対し,提案制御手法ではCPU総計算時間が32秒となることが明らかとなった.また,7ルータ規模の実験ネットワークにおいて実機実験を行った結果,環境変動による通信品質の悪化に対して,提案手法を用いることで通信品質が回復することがわかった.

アトラクター選択にもとづく論理トポロジー制御手法では,アトラクターとなる論理トポロジー候補の決定が重要である.しかし,上記の研究においては,ランダムに構成された論理トポロジーを候補としてアトラクターとしていた.そこで,アトラクター選択にもとづく論理トポロジー制御において,どのようなアトラクターを構築するべきかの検討を行い,その指針を提案した.提案手法では,発見的手法を用いて論理トポロジー候補を算出し,平均ホップ長等のトポロジー性能の観点から論理トポロジー候補を絞り込む.さらに,アトラクター選択により探索される解に多様性を持たせるため,ランダムに構成された論理トポロジー候補を算出し,それらを組み合わせてアトラクターを決定する.計算機シミュレーションによる評価では,決定した論理トポロジー候補を初期アトラクターとして与え,論理トポロジー候補を行う.評価の結果,平均ホップ長の観点から選択した論理トポロジー候補にランダムに算出した論理トポロジー候補を50% 加えたものを初期アトラクターとすることで,全てランダムに算出したVNTを初期アトラクターとする場合よりも,制御成功率が最大約20% 改善されることがわかった.


[関連発表論文]
  • Koji Mizumoto, “Proposal, evaluation and experiment of large-scaled virtual network topology control method based on attractor selection,” Master’s thesis, Graduate School of Information Science and Technology, Osaka University, February 2014.
  • 小泉 佑揮, 荒川 伸一, 鎌村 星平, 島崎 大作, 笹山 浩二, 村田 正幸, “アトラクター選択にもとづく仮想網制御の実装と実証実験によるトラヒック変動に対する適応性の評価,” 電子情報通信学会技術研究報告 (PN2013-30), November 2013.
  • 水元 宏治, 荒川 伸一, 小泉 佑揮, 鎌村 星平, 島崎 大作, 森弘樹, 笹山 浩二, 村田 正幸, “アトラクター選択を用いた仮想網制御手法の実機検証,” 電子情報通信学会技術研究報告 (PN2013-90), vol. 113, pp. 1-6, March 2014.
  • 大場 斗士彦, 荒川 伸一, 小泉 佑揮, 村田 正幸, “WDM ネットワークにおける自己組織型仮想網制御のアトラクターの多様性の評価,” 電子情報通信学会技術研究報告 (PN2013-15), vol. 113, pp. 41-46, August 2013.
  • Yuki Koizumi, Shin’ichi Arakawa, Shohei Kamamura, Daisaku Shimazaki, Takashi Miyamura, Atsushi Hiramatsu and Masayuki Murata, “Adaptability of virtual network topology control based on attractor selection against multiple node failures,” in Proceedings of International Conference on Photonics in Switching (OECC/PS 2013), June 2013.
  • Shohei Kamamura, Daisaku Shimazaki, Hiroki Mori, Koji Sasayama, Yuki Koizumi, Shin’ichi Arakawa, and Masayuki Murata, “Optimization of Light-path Configuration Order in IP over WDM Networks using Fast Traffic Matrix Estimation,” to be presented at The Optical Fiber Communication Conference and Exposition (OFC), March 2014.
  • 鎌村 星平, 島崎 大作, 宮村 崇, 笹山 浩二, 小泉 佑揮, 荒川 伸一, 村田 正幸, “交流トラヒック演算の高速化による光パス復旧効率化方式の検討,” 電子情報通信学会ソサエティ大会講演論文集 (B-6-44), September 2013.
  • 鎌村 星平, 森 弘樹, 島崎 大作, 笹山 浩二, 小泉 佑揮, 荒川 伸一, 村田 正幸, “階層型網制御アーキテクチャによる大規模障害からの高速障害復旧に関する検討,” 電子情報通信学会技術研究報告 (NS2013-177), vol. 113, pp. 1-6, March 2014.
  • 鎌村 星平, 森 弘樹, 島崎 大作, 笹山 浩二, 小泉 佑揮, 荒川 伸一, 村田 正幸, “大規模マルチレイヤパケットトランスポート網のシミュレータ実装,” 電子情報通信学会総合大会, March 2014.
  • 森 弘樹, 鎌村 星平, 島崎 大作, 笹山 浩二, 小泉 佑揮, 荒川 伸一, 村田 正幸, “複数パスの一括設定による大規模NW高速制御方式の実装評価,” 電子情報通信学会総合大会, March 2014.

8.1.2 生命システムに学ぶ論理トポロジー制御手法に関する研究(脳情報通信融合研究センター(CiNet)との共同研究)

環境の変化に対する適応性を備えたネットワーク制御手法として,アトラクター選択を用いた論理トポロジー制御手法を提案している.本研究では,アトラクター選択を用いた論理トポロジー制御手法の性能向上を目的として,アトラクターの学習規則や制御変数の多値化に取り組んでいる.本研究では,アトラクターの学習規則としてojaを適用することによって,Hebbを用いる場合と比較して,計算時間が21%削減されることを示した.また,制御変数の多値化によって,良好な論理トポロジーを発見するまでの時間が60%削減されることを示した.


[関連発表論文]
  • Y. Sinan Hanay, Shin'ichi Arakawa, and Masayuki Murata, “Virtual Topology Control with Multistate Neural Associative Memories,” in Proceedings of IEEE Conference on Local Computer Networks, Oc-tober 2013.
  • Y. Sinan Hanay, Shin'ichi Arakawa and Masayuki Murata, “Network Topology Selection with Multistate Neural Memories,” submitted for publication, March 2014.
  • Y. Sinan Hanay, Shin'ichi Arakawa, and Masayuki Murata, “A Highly Reconfigurable Virtual Topology Controller,” submitted for publication, January 2014.
  • Y. Sinan Hanay, Shin'ichi Arakawa, and Masayuki Murata, “Topology Selection Criteria for a Virtual Topology Controller based on Neural Memories,” submitted for publication, February 2014.

8.1.3 フォトニックネットワークを用いたネットワーク仮想化に関する研究 (NTTネットワークサービスシステム研究所との共同研究)

近年,Peer-to-Peer やVideo-on-Demand 等のアプリケーションの普及により,トラヒックの時間変化が大きくなっている.また,単一のネットワーク資源上で複数のサービスが提供されるようになり,サービス間で資源の競合が発生することも問題視されるようになってきている.これら問題に対して,我々の研究グループでは,ネットワークを仮想化し,サービスごとに仮想ネットワークを割り当て,各仮想ネットワークを環境変動に適応して柔軟に組み替える機構を検討している.

本研究では,単一の物理ネットワーク上に複数の仮想網を柔軟に収容するための仮想網制御手法を提案している.わずかな情報交換のみで複数の仮想網を柔軟に収容するために,複数の生物システムが同一の環境内で共生する様子をモデル化したアトラクター選択およびアトラクター重畳に注目している.アトラクター重畳は同一の環境内にアトラクター選択で駆動する複数の生物システムが共存する場合に,それらの生物システムが非常に少ない情報,すなわち活性度のみを用いた相互作用により,協調的な振る舞いをモデル化したものである.複数仮想網の制御にアトラクター重畳を応用することで,それぞれの論理ネットワークはアトラクター選択にもとづく仮想網制御により分散的に仮想網を構築しつつ,共通活性度を利用して論理ネットワークの協調的な振る舞いを促し,ネットワーク全体でも柔軟な制御を実現している.シミュレーション評価により,1000ノード規模の光ネットワーク基盤において,100 仮想網が共生しつつトラヒック変動に対応する計算機シミュレーションを行った結果,活性度の情報交換に加えて,個々の仮想網を構成する光パス数の情報を交換することによって,良好な仮想網を発見するまでの制御回数が50%削減されることがわかった.


[関連発表論文]
  • Shin'ichi Arakawa, Takashi Miyamura, Yuki Koizumi, Daisaku Shimazaki, Shohei Kamamura, Koji Sasayama, Kohei Shiomoto and Masayuki Murata, "A managed self-organization method for control-ling multiple virtual network topologies," in Proceedings of International Conference on Photonics in Switching (OECC/PS 2013), June 2013.
  • Takashi Miyamura, Daisaku Shimazaki, Shin'ichi Arakawa, Yuki Koizumi, Shohei Kamamura, Koji Sasayama, Kohei Shiomoto, and Masayuki Murata, "Experimental Demonstration of Adaptive Virtual Network Topology Control Mechanism based on SDTN Architecture," in Proceedings of 39th Euro-pean Conference on Optical Communication (ECOC 2013), September 2013.

8.2 光パケット/パス統合ネットワークに関する研究

8.2.1 光パケット/パス統合ネットワークにおける波長制御に関する研究

WDM 技術のインターネットへの適用形態として, 論理トポロジーを構築してパケットを転送するパケット交換型のIP over WDMネットワークや,データ発生時に光パスを構築してデータ転送を行うパス交換型の通信形態が広く検討されてきた.現状のインターネットは,パケット交換原理にもとづく通信形態が主流であるが,トラヒックの増大や関連技術の進展にともない様々な課題が顕在化している.例えば,1) パケット交換により高い回線利用率を達成するためには,ルータのバッファの大容量化と高速化が重要となるが,回線容量の増大とともに必要量の確保が難しい, 2) パケット交換はバッファリングを前提としており,その結果,通信品質の保証が困難となっている,3) また,通信品質をある程度保証するためには,回線容量やルータ処理能力のオーバープロビジョニングが必須となる,4) パケット毎に宛先探索等の処理が必須となるため,パケット数の増加とともに消費電力も増大する,5) 回線容量の増大にともない,パケットのヘッダ処理速度も向上させる必要があり,それにともないインタフェースコストが増大する,などが挙げられる.従って,単にパケット交換型もしくはパス交換型のネットワークを構築するのみでは,近年の多様なアプリケーションやサービスが必要とする通信品質への要求・要望を満たすことは困難であり,パケット交換型ネットワークとパス交換型ネットワークを融合し,それぞれの長所を生かすことが可能なパス/パケット統合ネットワークを構築することが重要であると考えられる.本課題では,このような考えのもと,光パケット/パス統合ネットワークに関する研究に取り組んでいる.本研究では,パケット交換ネットワークとパス交換ネットワークに対してそれぞれ波長を割当てることで実現する光パケット/パス統合ネットワークの性能解析手法を提案した.まず,パス交換ネットワークの性能解析手法について,M/G/c/c 待ち行列モデルとReduced Load Approximationを組み合わせたパス棄却率の導出手法を提案し,従来のパス棄却率解析手法と比較して棄却率,並びに,パス設定に要する時間が高い精度で算出されることを示した.また,独立行政法人情報通信研究機構が開発している光統合ノード2台を用いて,光パケット/光パスの切り替え実験を実施した.実験では,TCP トラヒックとバックグラウンドトラヒックの競合を発生させた.光パスが設定されていない場合,バックグラウンドトラヒックとの競合によってパケットロス率が高まる.開発したソフトウェアシステムがパケットロス率の上昇を検知すると,光パスを設定し,その結果パケット競合が解消されることを確認した.


[関連発表論文]
  • Onur Alparslan, Shin’ichi Arakawa and Masayuki Murata, “Computing path blocking probability and delay in optical networks with retrial,” Journal of Optical Communications and Networking, vol. 5, pp. 498-511, May 2013.
  • Onur Alparslan, Shin’ichi Arakawa and Masayuki Murata, “Computing flow completion time in optical path/packet integrated networks,” in Proceedings of International Conference on Photonics in Switching (OECC/PS 2013), (Kyoto), June 2013.
  • 荒川 伸一, 村田 正幸, “光統合ネットワークを用いた光パス・光パケット切替実験,” 電子情報通信学会技術研究報告 (PN2013-21), vol. 113, pp. 73-78, August 2013.
  • Onur Alparslan, Shin’ichi Arakawa and Masayuki Murata, “Wavelength resource allocation for optical path/packet integrated networks,” 電子情報通信学会技術研究報告 (PN2013-26), vol. 113, pp. 11-14, November 2013.
  • Hideaki Furukawa, Takaya Miyazawa, Hiroaki Harai, Yasuto Kuroda, Shoji Koyama, Shin’ichi Ara-kawa, and Masayuki Murata, “Development of Onboard LPM-Based Header Processing and Reactive Link Selection for Optical Packet and Circuit Integrated Networks,” to be presented at IEEE Interna-tional Conference on Communications (ICC), June 2014.