7. 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）伝送技術やデジタルコヒーレント光伝送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。

7.1. ゆらぎ制御に基づく光パスネットワークに関する研究

7.1.1. 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（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および実機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ている。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。提案手法の基本的なアプローチは、論理トポロジー候補をその特性によって群へと分類し、それぞれの論理トポロジー候補群から一つずつ論理トポロジー候補を選出することで、多様なトラヒック変動に適応可能なアトラクターを選定する。しかし、このアプローチは大規模なネットワークを対象とした場合に計算時間が爆発的に増大するという課題がある。そこで、本アプローチを大規模なネットワークに適用するため、ネットワークのトポロジーを階層的に縮約する手法も合わせて提案している。評価の結果、ランダムに光パスを設定することで仮想網候補を構築した場合と比較して、提案手法は最大リンク利用率をより低く抑えられる良好な仮想網候補が設計でき、結果として仮想網制御により解を発見するまでの制御時間が減少することがわかった。

[関連発表論文]

7.1.2. 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）

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]

7.1.3. 生物の進化適応性にもとづく情報ネットワークの構築手法

生物システムは、環境変動に対して安定して機能する頑強性と環境が大きく変動した際に自身の状態を大きく変える可塑性を備えていることが知られている。本研究では、頑強性や可塑性を備えた生物システムの進化適応を参考に、適応性や拡張性の高い情報ネットワークの構築手法を検討している。本研究では、フォトニックインターネットを対象として、トラヒック需要増大に伴う物理設備量の増強を環境変動の1つとして捉え、様々な環境変動に対する進化適応性を備えた物理ネットワークを構築するためのネットワーク設備増強手法を提案している。提案手法では、頑強性と可塑性を備えた生物の進化を説明する数理モデルを導入し、ポート数増強の指針を得る。可塑性を備えた物理トポロジーを構築することで、設定できるVNT の多様性が増し、アトラクター選択にもとづくVNT 制御による将来の環境変動に対する適応性が更に向上すると期待される。提案するポート追加位置決定手法では、ポート追加の候補となる1つのノードに暫定的にポートを追加して得られる物理ネットワーク上で、生物の進化モデルを応用したダイナミクスに従いVNT 制御を行い、システムの適応性を試算する。これをポート追加の候補となるノードそれぞれに対して行うことで、もっとも進化適応性が高まるポート追加位置1 箇所を決定する。その過程を繰り返すADD アルゴリズムによって、ポートを追加する。計算機シミュレーションによる評価では、ヒューリスティックなVNT 設計手法であるI-MLTDA を用いて現在のトラヒック需要に最適な位置にポート追加を行う手法と比較した。12 ノード規模のネットワークを対象に計算機シミュレーションを行った結果、提案手法は比較手法と比べて適応可能な通信量が約8%増加することが明らかとなった。

[関連発表論文]

7.2. 光パケット／パス統合ネットワークに関する研究

7.2.1. 光パケット／パス統合ネットワーク構成手法

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、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]