September 14, 2001 CQ研究会@CRL 1

信頼性に関する QoS を考慮した WDM ネットワークにおける

論理トポロジー設計手法の提案

信頼性に関する QoS を考慮した WDM ネットワークにおける

論理トポロジー設計手法の提案

加藤　潤一大阪大学　大学院基礎工学研究科　情報数理系　博士前期課程

E-mail : j-katou@nal.ics.es.osaka-u.ac.jp

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 2

研究の背景研究の背景インターネットの普及によるトラヒックの急激な増加大容量伝送を可能とする WDM ネットワークの台頭IP を上位層とする IP over WDM ネットワークへの期待

高いスケーラビリティ大容量の伝送帯域IP の経路制御による障害回復機能

しかし

IP の経路制御による障害回復機能では・・・遅い経路不安定性の誘引によるネットワークの性能低下の可能性

そこで WDM 層での高速な障害回復が必要

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 3

WDM ネットワークアーキテクチャWDM ネットワークアーキテクチャ

B D

E

C

C

A

B E

D物理トポロジー 光パス

論理トポロジー

30Gbps 30Gbps30Gbps

30Gbps

20Gbps

10Gbps

10Gbps

10Gbps

10Gbps10Gbps

10Gbps

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 4

WDM ネットワークにおける障害回復方法 (1)

WDM ネットワークにおける障害回復方法 (1)

Protection : プロテクション

Primary Lightpath

Backup Path

障害発生時、あらかじめ決められた経路にトラヒックを流して障害から回復

100% の確率で障害回復

通常時トラヒックを流すプライマリ光パスと同時に、バックアップ用のパスを予約

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 5

WDM ネットワークにおける障害回復方法 (2)

WDM ネットワークにおける障害回復方法 (2)

B

D

G

EC

A

F

λ1

λ2

プロテクションパスの波長の共有１つの障害で同時に断線しない光パスのプロテクションパスは波長を共有できる

X Y

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 6

障害回復に関する従来の議論と問題点障害回復に関する従来の議論と問題点 プロテクション機能を有する様々な論理トポロジー

設計手法が提案 目的関数例：使用波長数最小化、ブロック率最小化

障害回復の品質に関する議論は少数

文献１： O.Gerstel 著 文献２： Pin-Han. Ho 著キーワー

ド QoP (Quality of Protection) SLSP (Short Leap Shared Protection)

内容

プロテクションにより帯域が何％の確率で回復するかをトラヒックごとに定義可能

トラヒックはプロテクションパスの長さを指定可能。それを満たすプロテクション経路設計手法を提案

問題点 QoP は適切か？プロテクションパスの長さが

指定できてもユーザは嬉しくない

そこで各トラヒックが最大障害回復時間を指定できる QoP を提案

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 7

発表内容発表内容

　障害回復時間をに関した QoP 機構の提案

　上記のプロテクションパス設計手法を組み入れた２つの論理トポロジー設計手法の提案　提案設計手法の比較評価

　提案 QoP を実現するプロテクションパス設定手法の紹介

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 8

障害回復時間を考慮した QoS の提案障害回復時間を考慮した QoS の提案

QoP 最大障害回復時間：障害発生から回復までの最大待ち時間

QoP1 Dmin 　　　　　　　　　　

QoP2 Dmin+ 1×Dscale… …QoPn Dmin+ n×Dscale… …

QoP∞ プロテクション経路なし

Dmin ：保障可能な障害回復時間の最小値Dscale : 各 QoP の刻み幅これらの値はネットワークによって適宜決定

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 9

障害回復時間モデル障害回復時間モデル

m m+1 nn-1 n+1m-1

プロテクションパス Px : ｈホップ

主経路の保護する領域の伝播遅延時間　 Dp

領域 (m, n) の障害回復時間 = Dp

Dnode×h

Dconf

+

+最大障害検知時間

パス設定時間

パス切り替え時間

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 10

プロテクション手法１： SLSPプロテクション手法１： SLSP

隣り合うプロテクションパスが交差し、始点と終点が隣接ノードになる。波長変換を許可しない場合、プライマリパス、プロテクションパスともに同一波長

文献 2:Pin-Han. Ho

QoP ：プロテクションパスの長さを指定

本研究 QoP ：各区間内での障害回復時間の最大を指定

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 11

プロテクション手法２： Path 　 Protection

プロテクション手法２： Path 　 Protection

SLSP で、 QoP が十分に大きく、始点、終点間のプロテクションパスのみで QoP が満たされる場合始点ノードで電気的に出力波長を変換するため波長変換を許可しない場合でも、プライマリパスとプロテクションパスは異なる波長可

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 12

論理トポロジー設計アルゴリズム論理トポロジー設計アルゴリズム

与条件 ：トラヒック量は既知目的関数：使用波長数の最小化

トラヒックの割当順序

QoP 、トラヒック量の順で降順

経路設定手法

プライマリパス：最短経路プロテクションパス：プライマリパスと始点、終点以外にノードを共有しない最小ホップ経路

波長割当方法 ２つの方法を提案

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 13

提案アルゴリズム１提案アルゴリズム１波長割当手法： First Fit 方式

波長に 0 から番号をつけ、パスに対して番号の小さい波長から順に割当可能かどうか調べ、可能な波長のうち最も番号の小さい波長を割り当てるPath Protection の場合、プライマリ光パス、バックアップパスそれぞれ別々に FF 方式を用いて割り当てる

λ0

λ1

λ2

割当可能波長割当不能波長

割当不能

割当不能

割当可能割当

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 14

提案アルゴリズム２提案アルゴリズム２

λ0

λ1

λ2

コスト

２

０

１

割当

新規使用波長共有使用波長 プロテクションパスに新

たに使用するチャンネル数を各波長のコストとする

チャンネル：１リンクの１波長

最小コストとなる波長を割り当てるPath Protection 方式の場合、プライマリ光パスは FF方式で割り当てる

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 15

評価モデル評価モデル

8.4ms

2.8ms

11.2ms

7.0ms

3.5ms

2.8ms

4.7ms

5.6ms

3.5ms3.5ms

9.1ms

3.5ms

8.4ms

4.9ms

3.5ms

0.7ms

3.5ms

1.4ms

1.4ms

1.4ms

2.8ms

対象ネットワーク ： NSFNETトラヒックマトリクス ： 実測値（単位： Gbps）波長帯域 ： 1 波長 10Gbps QoP ： ノード間に与えられる各トラヒックは QoPとして１から∞までの値をとる評価指標 ： 使用波長数

Dmin10m

s

Dscale 2ms

Dnode 1ms

Dconf 0ms

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 16

評価結果： QoP と波長数の関係 (1/2)評価結果： QoP と波長数の関係 (1/2)

0

10

20

30

40

50

60

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

# o

f W

avel

eng

th

QoP: Quality of Protection

各トラヒックが一葉に同一の QoP を要求した場合提案アルゴリズム１を適用

低 QoPほど使用波長数小ある QoP からは使用波長数一定高 QoP では使用波長数が単純減少を示していない

高い QoP 低い QoP

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 17

評価結果： QoP と波長数の関係 (2/2)評価結果： QoP と波長数の関係 (2/2)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

# o

f b

lock

ing

QoP: Quality of Protection

ブロッキング ： 要求する QoP を満たすプロテクション経路の確保が不可能な場合を意味つす。この場合主経路のみ設定

一部のノード間では高いQoP を要求してもそれを満たす経路の確保が不可能

各トラヒックが一葉に同一の QoP を要求した場合提案アルゴリズム１を適用

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 18

評価結果：提案アルゴリズムの比較評価評価結果：提案アルゴリズムの比較評価

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

10 20 30 40 50 60 70 80

# o

f W

avel

eng

th

Traffic scale α

Algorithm1

Algorithm2

各トラヒックの QoP をランダムに与えた場合与トラヒック ： トラヒックマトリクスの α倍

提案アルゴリズム２のほうが波長数小

提案アルゴリズム２ではより多くのプロテクションパスで波長を共有しようとしたため

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 19

まとめと今後の課題まとめと今後の課題まとめ

障害回復時間に関する QoP の提案 QoP を考慮した２つの論理トポロジー設計手法の提案 QoP と使用波長数の関係を明らかにした アルゴリズム１と比較しアルゴリズム２の使用波長数が

小さくなることを明らかにした今後の課題

ブロッキングを排した評価 論理トポロジー設計アルゴリズムの提案

• より波長数を小さく抑えるアルゴリズム• 上位層を IP とし IP の経路制御機能も考慮したアルゴリズム

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 20

研究の背景研究の背景

WDM によるネットワークの伝送容量の増大

IP over WDM ネットワークの台頭

WDM 層による障害回復の重要性IP 層での経路制御による障害回復では、経路の不安定性を誘引する可能性があり、結果として経路制御のためのトラヒックを増大させ、ネットワーク全体の性能を低下させる要因になる。

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 21

WDM ネットワークにおける障害回復方法 (1)

WDM ネットワークにおける障害回復方法 (1)

Restoration : リストレーション

Primary Lightpath

障害発生時に経路を再計算して障害から回復

局所的に障害回復をすることで高速な障害回復が可能

資源不足の場合WDM 層での障害回復が不可能、この場合 IP の経路制御による障害回復に依存

September 14, 2001 CQ研究会@CRL 22

提案アルゴリズム２提案アルゴリズム２

対象となるパスに対して、割当可能な波長を全て求め、各波長に対して新たに使用する波長数をコストとし、そのコストの最も小さい波長に割り当てる

プロテクションパスは、プライマリパスが Disjoint な他のプロテクションパスと波長を共有可能プライマリパスの場合、どの波長でもコストは同じなので、 Path Protection の場合は First Fit 方式を使用