JP5102689B2 - 仮想ネットワークシステム、仮想ネットワーク構築方法 - Google Patents

Description

本発明は仮想ネットワークシステム、仮想ネットワーク構築方法に関し、特にネットワークの仮想化による複数のネットワーク方式の共存を実現する仮想ネットワークシステム、仮想ネットワーク構築方法に関する。

一般に、ネットワークを実現する場合、物理ネットワークを構築し、それを利用することで、目的とするネットワークを実現することになる。異なる複数のネットワークを実現する場合には、全体的にまたは局所的に異なる物理ネットワークを構築し、各ネットワーク方式を収容することになる。
ここで、ネットワーク方式というのは、そのネットワークの制御技術（例：ＳＳ７、ＳＩＰ）、ルーティングプロトコル（例：ＲＩＰ、ＯＳＰＦ）、データ伝達方式（例：回線交換、パケット交換）、通信データの種類（例：音声、映像、ｅ−ｍａｉｌ）、運用方針（例：企業内ネットワーク、企業間ネットワーク、インターネット、携帯ネットワーク）などのようなネットワーク的に区別できるものである。

ネットワーク方式毎に、別々の物理ネットワークを構築することは、コストが高くなり、新ネットワーク方式の導入の際、時間がかかることになる。このため、１つの物理ネットワークに属するネットワーク資源（ノード資源、リンク資源）を、複数のネットワーク方式に、適切に割り当てる、という手法も考えられる。
しかしながら、複数のネットワーク方式へネットワーク資源（ノード資源、リンク資源、以下、適宜「資源」と呼ぶ）の割り当てを適切に行う場合、次のような問題がある。すなわち、現在のネットワーク方式に依存した資源配分手法は、複雑であり、ネットワーク設計者・運営者の負担が大きい。この問題に対しては、ネットワーク方式に依存しない、非依存型資源配分・管理手法の実現ができれば、ネットワーク資源配分・管理の簡略が可能となり、ネットワーク運営の円滑化が可能となる。

また、資源分割の際も、ノードとリンク（通信路と意味する）を別々に扱われるのが現状である。しかし、ネットワークは、複数のノードとそれらのノードを接続するリンクとによって総合的に成り立つものである。このため、個々のノードとリンクの独立した資源分割・管理は、お互いに整合性に欠け、ネットワーク全体でみたときに、最適な資源分割とはならず、効率が低下する。
なお、経路を自動的に選択して、階層化された仮想ネットワークを構築する手法が特許文献１に記載されている。
また、ノードの仮想化技術としては、Ｘｅｎ（例えば、非特許文献１）、ＶＭｗａｒｅ（例えば、非特許文献２）、ＪａｖａＶＭ（例えば、非特許文献３）などが知られている。

特開２００４−１２９１３５号公報 "ＸｅｎTM：Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ Ｇｒａｄｅ Ｏｐｅｎ Ｓｏｕｒｃｅ Ｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ"Ｉｎｓｉｄｅ ＸｅｎTM ３．０ Ａ ＸｅｎＳｏｕｒｃｅTM Ｗｈｉｔｅ Ｐａｐｅｒ、[online]、ＸｅｎＳｏｕｒｃｅTM、[平成２０年４月２０日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://xen.xensource.com/files/xensource_wp2.pdf＞ "Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ Ｆｕｌｌ Ｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，Ｐａｒａｖｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄ Ｈａｒｄｗａｒｅ Ａｓｓｉｓｔ"、[online]、ｖｍｗａｒｅ、[平成２０年４月２０日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.vmware.com/files/pdf/VMware_paravirtualization.pdf＞ "ＪａｖａTM仮想マシン（ＪＶＭ）のテスト"、[online]、ＪａｖａTM、[平成２０年４月２０日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.java.com/ja/download/help/testvm.xml＞

ネットワーク方式ごとに物理ネットワークを構築することは、膨大なコストがかかるとともに、ネットワーク資源の使用効率も低いという問題点がある。ネットワーク方式別に異なる物理ネットワークを構築する場合、ある方式のネットワークは、他の方式のネットワーク資源を共用できない。このため、ある方式のネットワークにおいてノード資源またはリンク資源が足りない場合でも、他のネットワーク方式の資源を借りることができない。このような問題は、上記の特許文献１、非特許文献１〜３に記載の技術によっても解決することはできない。

また、ネットワークを設計する際、通常の負荷（ノードの処理負荷とリンクの占有率等を指す）より高い負荷を処理できるように設計されるのが現実である。その結果、通常はそのネットワークが処理できる最大負荷が発生しないので、ネットワーク資源の使用率が１００％よりはるかに下回り、低い数字となっていることが多い。そこで、同一物理ネットワーク資源を最大限に活かし、その中に複数のネットワーク方式がお互いに干渉することなく、共存できるようにしたシステムの実現が必要であると考えられる。

さらに、現在は、ネットワーク方式別に資源の割り当てが行われている。その結果、資源配分・管理は、ネットワーク方式に依存してしまい、ネットワーク設計者・管理者・運営者の負荷が大きいという問題がある。この問題を解決するために、資源配分の際、ネットワーク方式と無関係に資源配分が可能となれば、その資源配分手法はネットワーク方式と独立に動作ができるようになる。そのためには、新たな資源配分水準を定義し、シンプルかつ現実的な手法を実現すればよいと考えられる。
そして、現在のノード資源およびリンク資源の個別な管理と資源割り当てによりネットワーク運営との不整合の問題を解決し、そのネットワーク方式が果たそうとする目的を実現するには、ノードとリンクとを総合的に扱い、管理・資源配分手法を統一化すればよいと考えられる。

本発明は上述した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、その目的は、通信ネットワークの物理的な資源を分割し、異なる方式のネットワークに適切に割り当てることにより、各ネットワーク方式に設定された要求条件を満足するように、複数の仮想ネットワークを同一物理ネットワーク上に構築することのできる仮想ネットワークシステム、仮想ネットワーク構築方法を提供することである。

本発明の第一の態様による仮想ネットワークシステムは、要求される複数のネットワーク方式を満足する仮想ネットワークを実現するための仮想ネットワークシステムであって、前記複数のネットワーク方式に対応して設けられ、構築すべき仮想ネットワークの設計および運営を行う複数の仮想ネットワーク運営手段と、前記複数の仮想ネットワーク運営手段それぞれの要求条件を調整する調整手段と、前記調整手段からの依頼に基づいて物理ネットワーク上に仮想ネットワークを形成する１つの物理ネットワーク上に仮想ネットワークを形成する物理ネットワーク管理手段とを含み、前記仮想ネットワーク運営手段は、自仮想ネットワークの運営を他の仮想ネットワーク運営手段から独立に行い、前記調整手段に対して前記自仮想ネットワークが必要とするネットワーク資源を増減させる依頼機能を有し、前記調整手段は、前記それぞれの要求条件に対して必要とされるネットワーク資源量を各々算出するとともに、これら算出された各々のネットワーク資源量の総和が、前記１つの物理ネットワークが提供できる資源量を超えないように調整し、前記物理ネットワーク管理手段が、前記構築すべき仮想ネットワークのトポロジを前記１つの物理ネットワークのトポロジにマッピングした上で、前記１つの物理ネットワーク上に、前記複数のネットワーク方式が各々所望するネットワークトポロジとデータ伝送パフォーマンスとの少なくとも一方が実現できるようにネットワーク全体にわたった資源配分を行い、複数の仮想ネットワークを形成することを特徴とする。ネットワーク方式に依存しない資源配分・管理方式を採用し、ノードとリンク資源との統一的な管理・資源配分を行うことにより、ネットワークの構築コストの削減とともに、要求された条件を満足するための資源配分手法の簡略化を実現し、ネットワーク全体の資源使用率を向上させることができる。

本発明の第二の態様による仮想ネットワークシステムは、第一の態様において、前記物理ネットワーク管理手段は、前記１つの物理ネットワークに、異なる複数のネットワーク方式を形成することとしてもよい。１つの物理ネットワークに、異なる複数のネットワーク方式を形成することにより、ネットワークの構築コストの削減とともに、資源配分手法の簡略化を実現し、ネットワーク全体の資源使用率を向上させることができる。

本発明の第三の態様による仮想ネットワークシステムは、第一の態様又は第二の態様において、前記物理ネットワーク管理手段は、ある仮想ノードのアプリケーションプログラムによるデータの送信から他の仮想ノードのアプリケーションプログラムによるデータの受信までの時間が、要求された遅延時間を満足するように、前記２つの仮想ノード間の総伝播遅延時間及び全ての中継ノードにおけるデータ転送処理の遅延時間の和が、前記要求された遅延時間を満足するようにネットワーク資源を配分し、前記仮想ネットワークを形成することとしてもよい。これにより、要求された条件を満足するための資源配分手法の簡略化を実現し、ネットワーク全体の資源使用率を向上させることができる。

本発明の第四の態様による仮想ネットワーク構築方法は、要求される複数のネットワーク方式を満足する仮想ネットワークを実現するための仮想ネットワークシステムであって、前記複数のネットワーク方式に対応して設けられ、構築すべき仮想ネットワークの設計および運営を行う複数の仮想ネットワーク運営手段と、前記複数の仮想ネットワーク運営手段それぞれの要求条件を調整する調整手段と、前記調整手段からの依頼に基づいて１つの物理ネットワーク上に仮想ネットワークを形成する物理ネットワーク管理手段とを備える仮想ネットワークシステムを用いる仮想ネットワーク構築方法であって、前記仮想ネットワーク運営手段が、前記複数のネットワーク方式それぞれについて、構築すべき自仮想ネットワークの設計および運営を他の仮想ネットワークの設計および運営から独立に行うステップと、前記調整手段が、前記構築すべき仮想ネットワークそれぞれの要求条件に対して必要とされるネットワーク資源量を各々算出するとともに、これら算出された各々のネットワーク資源量の総和が、１つの物理ネットワークが提供できる資源量を超えないように調整するステップと、このステップによる調整内容に基づいて前記１つの物理ネットワーク上に、前記物理ネットワーク管理手段が、前記複数のネットワーク方式が各々所望する、ネットワークトポロジとデータ伝送パフォーマンスとの少なくとも一方が実現できるようにネットワーク全体にわたった資源配分を行い、複数の仮想ネットワークを形成するステップとを含むことを特徴とする。ネットワーク方式に依存しない資源配分・管理方式を採用し、ノードとリンク資源との統一的な管理・資源配分を行うことにより、ネットワークの構築コストの削減とともに、要求された条件を満足するための資源配分手法の簡略化を実現し、ネットワーク全体の資源使用率を向上させることができる。
要するに本発明は、通信ネットワークの物理的な資源、例えば、ノード処理資源、記憶媒体、伝送路資源を分割し、異なる方式のネットワークに適切に割り当てることにより、同一物理ネットワーク上に、複数のネットワーク方式を実現するものである。

本発明によれば、複数ネットワーク方式を同一物理ネットワーク内に共存させた仮想ネットワークシステムを実現するため、ネットワーク方式に依存しない資源配分・管理方式を採用し、ノードとリンク資源との統一的な管理・資源配分を行うことにより、ネットワークの構築コストの削減とともに、資源配分手法の簡略化を実現し、ネットワーク全体の資源使用率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。
（本システムの概要）
図１は、本実施形態にかかる仮想ネットワークシステムの構成例を示すブロック図である。同図において、本例にかかる仮想ネットワークシステムでは、一つの物理ネットワーク上に、複数のネットワーク方式を収容できるようにするため、ノード（端末、サーバ、ルータ、交換機等を指す）およびリンク（通信路を指す）の総合的な仮想化が行われる。

ノードの仮想化は、ノードの処理資源（ＣＰＵ時間、記憶装置等）を、仮想的に分割することを意味する。そして、仮想的に分割された後は、各部分間の干渉がなく、それぞれ独立して動作し、お互いに影響を及ぼさない。
リンクの仮想化は、リンクのデータ運送能力（例えば、帯域、光波長、タイムスロット、周波数）を、仮想的に分割することを意味する。そして、仮想的に分割された後は、それぞれの部分間に干渉がなく、お互いに影響を及ぼさない。例えば、ある部分での輻輳が発生する、その影響はその部分だけにとどまり、同一物理リンクの他の仮想部分へ被害は与えない。通常は、リンクは２つの物理ノード間の接続を意味するが、２つの物理ノード間に複数の中間ノードがあっても、上記の２つの物理ノード間の経路（複数のリンクのつながりでできる）を、ひとつのリンクとして扱うのも、リンクの仮想化の一環である。

また、分割された仮想ノード、リンク部分は、結合、再分割、拡張は可能であり、遠隔からも制御可能である。
物理ノード内の複数の仮想ノードの存在と、仮想ノード用のリンクの仮想化によるリンク資源の分割と、物理接続形態（以下、トポロジと呼ぶ）の仮想的な変更とによって、複数のネットワーク方式をそれぞれの仮想ノードと仮想リンクとから構成される仮想ネットワークに収容する。

仮想ネットワーク間の相互作用がほぼないため、それぞれの仮想ネットワーク内に異なるネットワーク方式を実装し、複数のネットワーク方式を同一物理ネットワーク内で運営していくことが可能である。
また、それぞれの仮想ネットワークへ資源割り当ての際、ノードとリンクとを個別に扱うのではなく、その仮想ネットワーク全体の所望のパフォーマンス（遅延、バンド幅、揺らぎなどのようなパラメータ）が実現できるようにネットワーク全体にわたった資源配分を行う。

（システムの構成例）
本例の仮想ネットワークシステムについて、図１を参照して説明する。同図において仮想ネットワークシステム３００は、物理ネットワーク上に実装したいネットワーク方式に対応するソフトウェアモジュールＮＳ−１〜ＮＳ−Ｎ（Ｎは、自然数、以下同様）によって要求される複数のネットワーク方式を満足する仮想ネットワークを実現するための仮想ネットワークシステムであり、複数のネットワーク方式に対応して設けられ、構築すべき仮想ネットワークの管理・監視・運営を行う仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎと、仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎからの要求を受け取って調整を行う調整部１００と、物理ネットワークの管理・監視・運営を行う物理ネットワーク管理部２００とを備えている。仮想ネットワーク１１−１〜１１−Ｎは、本システムによって実現されるネットワークである。

ソフトウェアモジュールＮＳ−１〜ＮＳ−Ｎ（Ｎは、自然数、以下同様）は、本システムにおいて、物理ネットワーク上に実装したいネットワーク方式に対応するソフトウェアモジュールである。ここで、ソフトウェアモジュールは、ネットワーク方式毎に用意される。ルーティングプロトコルの違い（ＯＳＰＦか、ＲＩＰか）、所有者または運用者の違い（Ａ企業のネットワークか、Ｂ企業のネットワークか）、アプリケーションの違い（音声か、データか）、世代間の違い（２Ｇ携帯ネットワークか、３Ｇ携帯ネットワークか）など、各ネットワーク方式それぞれについてソフトウェアモジュールが用意される。したがって、ソフトウェアモジュールＮＳ−１〜ＮＳ−Ｎは、アプリケーションのモジュールである場合、ネットワークプロトコルを実現するためのソフトウェアモジュールである場合、ネットワークを制御するためのソフトウェアモジュールである場合、などがある。

仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎは、仮想ネットワーク１１−１〜１１−Ｎそれぞれに対応して設けられ、対応する仮想ネットワーク１１−１〜１１−Ｎの管理・監視・運営を行う。
仮想ネットワーク１１−１〜１１−Ｎは、ソフトウェアモジュールＮＳ−１〜ＮＳ−Ｎごとに同一物理ネットワーク上に構築される仮想ネットワークである。
物理ネットワーク管理部２００は、本システムによって実現する仮想ネットワークの前提となる物理ネットワークの管理・監視・運営を行う。この物理ネットワーク管理部２００は、各々のネットワークノードとリンクの状態、資源、接続形態（ネットワークトポロジ）を把握し、物理ノードとリンクの制御を行う。

調整部１００は、仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎからの要求をまとめ、要求間の調整を行い、物理ネットワーク管理部２００へ調整結果の実行を依頼する。また、調整部１００は、調整結果の実行の依頼に対して物理ネットワーク管理部２００のフィードバックを受け取り、仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎからの要求の再調整、仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎへ要求条件の再検討の依頼も行う。
なお、本例では、調整部１００と物理ネットワーク管理部２００とを別々の構成としているが、それらを一体に構成してもよい。

（システムの動作例）
以上のように構成されたシステムにおける、仮想ネットワーク構築のための動作について説明する。
ソフトウェアモジュールＮＳ−１〜ＮＳ−Ｎのそれぞれにおいて、ネットワークの特徴（処理負荷、トラフィック量、カバーエリア、運営ポリシ、通信プロトコル、所望のネットワークアーキテクチャー）が定義されており（以下、ネットワーク定義と呼ぶ）、この定義が仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎへ伝えられる。

仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎは、それぞれが担当するソフトウェアモジュールＮＳ−１〜ＮＳ−Ｎからネットワーク定義を受け取り、詳細化を行う。そのソフトウェアモジュールＮＳ−１〜ＮＳ−Ｎの処理負荷、トラフィック量から必要とされるノード資源およびリンク資源、を算出する。次に、仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎは、所望のネットワークアーキテクチャーおよび通信プロトコルから、ソフトウェアモジュールとノード資源とをリンク資源で接続し、仮想ネットワークアーキテクチャー（例えば、プロトコルスタック、ネットワークトポロジ）を作成する。仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎは、各々作成した仮想ネットワークアーキテクチャーを調整部１００に送る。

調整部１００は、各々の仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎから送られて集まってきた仮想ネットワークアーキテクチャーからノード資源、リンク資源、ネットワークトポロジを読み取り、それぞれの仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎからの要求条件間で調整処理を行う。この調整処理の際、仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎからの全要求について、物理ネットワークが提供できる資源を、全体的にも、局所的にも、超えないように調整される。

（物理ネットワーク内への異なるネットワーク方式の収容）
ここで、１つの物理ネットワーク内へ異なるネットワーク方式を収容する場合について考える。例えば、図２中のネットワークＡとネットワークＢとを、同じ物理ネットワーク上に収容したい場合、について考える。
同図中のネットワークＡは、ノードＡ−１〜Ａ−９によって構成されている。各ノードＡ−１〜Ａ−９は、同図のように有線リンクによって接続されている。ネットワークＡにおいて無線機能を有するノードＡ−４は無線リンクによって図示せぬ他のノードと接続することができる。

また、同図中のネットワークＢは、ノードＢ−１〜Ｂ−１１によって構成されている。各ノードＢ−１〜Ｂ−１１は、同図のように有線リンクによって接続されている。ネットワークＢにおいて無線機能を有するノードＢ−５、Ｂ−７は無線リンクによって図示せぬ他のノードと接続することができる。
ここで、同じ物理ネットワーク上に複数のネットワークを収容する場合、図３のように、ノード資源とリンク資源との分割によって、ノードおよびリンクを仮想化する形が考えられる。しかしながら、図３のネットワークは、ネットワークＡと異なる物理構成をもっている。そこで、ネットワークＡのトポロジが実現されるように、ノードの仮想化およびリンクの仮想化が行われる。

例えば、図２中のネットワークＡのノードＡ−１は、図３中のネットワークのノードＮＷ−１の仮想ノードに収容される。また、図２中のネットワークＡのノードＡ−３は、図３中のノードＮＷ−４に収容される。このように収容された場合、ノードＡ−１→ノードＡ−７→ノードＡ−８→ノードＡ−３という経路が、ノードＮＷ−１→ノードＮＷ１０→ノードＮＷ１２→ノードＮＷ１１→ノードＮＷ−４という経路によって実現される。この例の場合、経路の長さが物理的に長くなっている。しかし、この場合、図３中のノードＮＷ−１からノードＮＷ−４までの上記経路の特性（遅延、帯域幅等）が、図２中のノードＡ−１からノードＡ−３までの経路の特性と同じになるように、中間ノードの処理資源も含めて、各物理リンク資源も分割し、図３のネットワーク内のネットワークＡ用の仮想ネットワークへ割り当てられる。
なお、ノードの仮想化技術として仮想マシン技術（例えば、上記の非特許文献１〜非特許文献３）、リンク資源分割技術としてバンド幅割当制御技術（例えば、ＡＴＭ（Asynchronous Transfer Mode）、ＭＰＬＳ（Multi-Protocol Label Switching）、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing））がある。

ノード間の伝送遅延については、リンクの伝送遅延だけではなく、ノードの処理遅延も含めて算出されることによって、要求を満たすように実現される。その仮想化の概要について、図４を参照して説明する。
図４において、物理ノード１と、物理ノード２と、それらノード間の物理リンクＬ１２と、からなるネットワークを考える。このネットワーク内にアプリケーションプログラム（以下、アプリケーションと略称する）ＡＰ１２−１、ＡＰ１２−２が動作している場合、送信元の物理ノード１上のアプリケーションＡＰ１２−１においてデータが発生し、物理ノード１内に送信処理が行われる。すると、そのデータは、物理ノード２宛に、物理リンクＬ１２内に送出される。このデータは、物理リンクＬ１２内に伝播され、物理ノード２の図示せぬネットワークインタフェースカード（ＮＩＣ）にて受信される。そして、物理ノード２内の処理後、その上のアプリケーションＡＰ１２−２に渡される。このような一連の送受信処理が、図４のネットワークにおいて行われる。ここで、物理ノード１上のアプリケーションＡＰ１２−１からデータが発生し、物理ノード２のアプリケーションＡＰ１２−２に到着するまでの遅延は１０ミリ秒、必要なバンド幅は１Ｍｂｐｓだとする。

図４のネットワークを、同じトポロジを持つ図５の物理ネットワーク内に仮想的に収容する場合、図４のネットワークパフォーマンス（データ伝播遅延、容量、エラー率など）と同じネットワークパフォーマンスを実現すればよい。その場合、図５において、物理ノード１内に仮想マシン技術（例えば、非特許文献１〜非特許文献３参照）により、仮想ノードＶ１１を形成する。同様に、物理ノード２内に、仮想ノードＶ２１を形成する。

さらに、仮想ノードＶ１１と仮想ノードＶ２１との間の接続を実現するため、物理リンクＬ１２内に、光波長分割（例：ＷＤＭ）または時間分割（例：ＴＤＭ）またはセル分割（例：ＡＴＭ）またはパケット分割（例：ＩＰ）またはラベル分割（例：ＭＰＬＳ）技術のいずれか、またはその組み合わせ（例：ＧＭＰＬＳ）によって、仮想リンクＶＬ１２を形成する。図５のネットワーク内に、図４の物理ノード１を実現するために形成した仮想ノード１への資源（ＣＰＵ時間、メモリ、記憶領域、ネットワークインタフェースの能力等）の割り当ての際、図４の物理ノード１を個別に考慮せず、図４のネットワークパフォーマンスを考慮する。

図４のネットワーク内に動作するアプリケーションＡＰ１２−１、ＡＰ１２−２のｅｎｄ−ｔｏ−ｅｎｄ遅延は１０ミリ秒でその伝達に必要な物理リンクＬ１２のバンド幅が１Ｍｂｐｓの場合は、送信ノードの仮想ノードＡ、受信ノードの仮想ノードＢと仮想リンクＶＬ１２へ資源の割り当ては次のように行われる。すなわち、図４のアプリケーションＡＰ１２−１、ＡＰ１２−２と同じアプリケーションであるアプリケーションＡＰ１２−１、ＡＰ１２−２を図５の仮想ネットワーク（仮想ノードＶ１１と仮想ノードＶ２１と仮想リンクＶＬ１２とからなるネットワーク）内で動かした場合、以下のように資源の割当てが行われる。この場合、仮想ノードＶ１１のアプリケーションＡＰ１２−１により発生するデータについて仮想ノードＶ１１内の送信処理を終え、仮想リンクＶＬ１２内に伝播され、仮想ノードＶ２１での受信処理後、仮想ノードＶ２１上のアプリケーションＡＰ１２−２に到着するまで、の遅延が１０ミリ秒になるように資源の割当てが行われる。

この１０ミリ秒のｅｎｄ−ｔｏ−ｅｎｄ遅延を図５のネットワーク上で実現できるように、仮想ノードＶ１１および仮想ノードＶ２１へ適切な処理資源と仮想リンクＶＬ１２へ適切な伝達資源（本例の場合は、１Ｍｂｐｓのバンド幅）が割り当てられる。例えば、仮想リンクＶＬ１２の伝播遅延が物理リンクＬ１２より大きい場合、仮想ノードＶ１１およびＶ２１へ処理資源量を増やし、データの送受信処理を高速化することによって、遅延値を保証することが考えられる。物理ノード１から仮想ノードＶ１１へ割り当てる処理資源が不足する場合、仮想ノードＶ２１の処理資源を増やし、受信処理を高速化することによって、遅延値を保証することも考えられる。

仮想ノードＶ１２および仮想ノードＶ２２ならびに仮想リンクＶＬ３４から構成される仮想ネットワークについても、仮想ノードＶ１２のアプリケーションＡＰ３４−１によるデータ送信から、仮想ノードＶ２２のアプリケーションＡＰ３４−２によるデータ受信まで、の遅延が要求される時間内になるように資源の割当てが行われる。
なお、以上は、遅延値とバンド幅とを例にして説明したが、それら以外についても、データロス率、データ到着時間の揺らぎなどのようなネットワークパフォーマンスパラメータに基づいて、ノードとリンク資源との割り当てを行ってもよい。

（トポロジが異なる場合）
ここで、図６のように、図４の場合と異なるトポロジ上に図４のネットワークを収容する場合について考える。このような場合、任意の数の中継ノードＮ−１〜Ｎ−ｎと各ノードとの間のリンクは、図４のネットワークパフォーマンス（伝播遅延、バンド幅、セキュリティ等）と同等なネットワークパフォーマンスを発揮できるように仮想化を行う。図６の物理ノード１’内に図４の物理ノード１用に仮想ノードＶ１１を形成し、物理ノード２’内に物理ノード２用に仮想ノードＶ２１を形成した場合、上記の例の１０ミリ秒のｅｎｄ−ｔｏ−ｅｎｄ遅延の実現のために、中継ノードＮ−１〜Ｎ−ｎ内に仮想化を行い、仮想ノードＶ１１とＶ２１とそれらの間の中継ノードＮ−１〜Ｎ−ｎから実現される仮想ネットワーク用に、処理資源および各ノードの間のリンク資源について、分割・割り当てが行われる。

仮想ノードＶ１１と中継ノードＮ−１のアプリケーションＡＰ１２用の処理資源を結ぶリンク、中継ノード１のアプリケーションＡＰ１２用の処理資源と中継ノードＮ−ｎのアプリケーションＡＰ１２用の処理資源を結ぶリンクと、中継ノードＮ−ｎのアプリケーションＡＰ１２用の処理資源と仮想ノードＶ２１を結ぶリンクから、仮想リンクＸＬ１２が形成される。上記の全リンクの総伝播遅延に中継ノードＮ−１〜Ｎ−ｎ内のデータ転送処理遅延が加算され、仮想リンクＸＬ１２の伝播遅延がきまる。本例の場合において、仮想ネットワークのリンク内の総伝播遅延が、例えば５ミリ秒の場合は、目標のｅｎｄ−ｔｏ−ｅｎｄ遅延の１０ミリ秒の実現のために、仮想ネットワーク内のすべてのノード内の送信、転送、受信処理が、残りの５秒以内に終えるように、ノードの処理資源が割り当てられる。
なお、上記の場合と同様に、図５と図６の仮想ノードＶ１２と仮想ノードＶ２２とその中間ノードからなる仮想ネットワークの要求条件が満たされるように、物理ノード１’、物理ノード１’と中継ノードＮ−１〜Ｎ−ｎとそれらの間の物理リンクが、仮想化される。

（要求が満たせない場合）
調整部１００において、仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎからの要求が満たせない場合は、該当する仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎへ、実施不可能な要求条件を明示し、再検討が依頼される。その場合、該当する仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎが、要求条件を再検討し、要求条件の緩和化等が行われる。そして、再検討結果が該当する仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎから調整部１００へ送られる。

上記要求条件が絶対条件である場合も、調整部１００へその結果が伝えられる。この場合、調整部１００は、ある仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎの絶対条件を満たすため、他の単数または複数の仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎへ、それぞれの要求条件の緩和を依頼する。
上記の動作が繰り返され、調整部１００へ、すべての仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎからの要求条件を満たすために、最大の努力が行われる。物理ネットワークの状況や他の仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎからの要求により、どれかの要求条件が実施不可能な場合は、その依頼は最終的に拒否される。

（調整結果のマッピング）
調整部１００は、上記の調整結果を、物理ネットワーク管理部２００へ送り、実行を依頼する。物理ネットワーク管理部２００は、物理ネットワークの制御の権限をもち、調整部１００の調整結果を、物理ネットワーク上にマッピングする。このマッピングとは、メッセージを各ノードに送信し、物理ネットワーク上に仮想ネットワークを実現する処理をいう。マッピングの詳細については、後述する。
物理ネットワーク管理部２００は、物理ノードへノード資源分割の依頼を送り、ノード間のリンクの資源分割の依頼も該当するノードに送信する。ここで、図２のネットワークＢのノードＢ−１に対する、物理ネットワーク管理部２００から２つの仮想ネットワーク用への資源分割の依頼内容の概要が、図７に示されている。

同図を参照すると、ノードＢ−１への依頼内容は、仮想ネットワーク１１−１用の資源が、ＣＰＵ時間：○○％、メモリ：△△ＭＢ…で、ノードＢ−１０との間のリンク資源が、バンド幅：××Ｍｂｐｓ、遅延時間：□□ｍｓ…である。
また、仮想ネットワーク１１−２用の資源が、ＣＰＵ時間：●●％、メモリ：▽▽ＭＢ…で、ノードＢ−１０との間のリンク資源が、バンド幅：××Ｍｂｐｓ、遅延時間：■■ｍｓ…である。

このような依頼を受けたノードは、ノード資源および接続リンク資源を分割する。本例の場合、ノードＢ−１にてできる仮想ネットワーク１１−１用の部分と仮想ネットワーク１１−２用の部分との独立性は、ノードＢ−１によって保証される。
なお、ノード資源およびリンク資源の分割後の依頼に対して、ノード資源およびリンク資源の結合、再分割、調整等を行うことも可能である。本マッピング作業にて調整部１００からの依頼の実現が不可能な場合は、物理ネットワーク管理部２００が調整部１００に対して、再調整を依頼する。

物理ネットワーク管理部２００の上記のマッピング作業が完了した後、仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎの各々の所望の仮想ネットワーク１１−１〜１１−Ｎが、同一物理ネットワーク上で形成される。その後、それぞれの仮想ネットワーク１１−１〜１１−Ｎに、それぞれの仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎから、プロトコルスタック、ソフトウェア、アプリケーション、制御機能が実装される。なお、この制御機能は、該当する仮想ネットワーク１１−１〜１１−Ｎ内だけに影響するものであり、他の仮想ネットワーク１１−１〜１１−Ｎまたは、本発明の実施形態にかかる物理ネットワークに影響はない。物理ネットワーク管理部２００による仮想ネットワーク１１−１〜１１−Ｎの形成後、それら各々が対応する仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎによって制御され、その運営ポリシに従う。このように、各々の仮想ネットワークの制御は、対応するそれぞれの制御プレーン（control plane）によって行われる。このため、既存の同一制御プレーンによる複数のネットワーク方式の負荷の高い複雑な制御処理を簡略化することができる。仮想ネットワーク間の独立性が向上することにより、各々の仮想ネットワークの生存性も向上する。

（マッピング処理）
ここで、マッピング処理の例について、説明する。ここで、マッピング処理とは、物理ネットワーク管理部２００から、物理ネットワークの該当するノード宛に、図７を参照して説明した依頼メッセージを発信し、そのメッセージの内容を各ノードにおいて実現するまでの処理である。物理ネットワーク管理部２００から発信した依頼メッセージには、ノードとそのノードに接続されているリンクの資源分割の命令が記されている。この依頼メッセージを受信したノードでは、そのメッセージの指示通りに、自ノードの資源（ＣＰＵ、メモリ、リンクのバンド幅など）およびリンクの資源の分割が行われる。

以上の処理の結果については、各ノードに設けられているノード資源管理部において管理される。例えば、図８に示されているように、物理ノードＮＷ−１〜ＮＷ−５にそれぞれ設けられているノード資源管理部によって、管理される。このノード資源管理部は、物理ノードにおいて、ハードウェアとＯＳ（Operating System）との間に設けられた、ハイパーバイザ（Hypervisor）というものもある。ハイパーバイザは、ハードウェアとその上にあるＯＳとの間に置かれるソフト抽象化レイヤである。なお、上記の依頼メッセージを解読するためのモジュールも必要となる。

（資源の変更が生じた場合）
仮想ネットワーク１１−１〜１１−Ｎの形成後、その運営過程で資源の増大または縮小の必要性が発生した場合は、該当の仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎがその必要性を把握し、ノード資源・リンク資源へ詳細化を行い、調整部１００へ資源の増大または縮小の依頼を行う。調整部１００は、この依頼を受取ると、その時点での物理ネットワークの状況、他の仮想ネットワーク１１−１〜１１−Ｎの資源保有状況、接続形態（トポロジ）などを考慮し、上記の依頼についての実現可能性を判断する。実現可能である場合は、物理ネットワーク管理部２００へその依頼を送る。物理ネットワーク管理部２００は、上記の新たな依頼に対して、そのマッピングが行われる。

（仮想ネットワーク運営部からの要求の例）
仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎは、調整部１００に対して、上記のように、それぞれの要求を送出する。この要求の例について、図９を参照して説明する。同図は、仮想ネットワーク運営部１０−１から送出される要求の例を示す図である。
本例では、仮想ネットワークが４つのノード１〜ノード４によって構成され、各ノード相互間のリンクについての所望の遅延時間が図中の値であることが要求内容として送出される。

（仮想ネットワークの写像）
図１０は、図１中の調整部１００が構築する、仮想ネットワークの写像を示す図である。同図（ａ）は仮想ネットワーク１１−１用のノード資源の例、同図（ｂ）は仮想ネットワーク１１−１用のリンク資源の例、をそれぞれ示している。
同図（ａ）は、ノード資源である、ＣＰＵ資源、メモリ資源…について、ノードＮＷ−１、ＮＷ−２…に割当てる割合を示している。一方、同図（ｂ）は、各ノードＮＷ−１、ＮＷ−２…の相互間について、割当られるリンク資源の割合いを示している。
なお、同図においては、資源が割合で示されているが、多様なノードでできているネットワークの場合は、処理単位で資源が指定されてもよい。例えば、ＣＰＵ資源をクロック数で、メモリはバイト単位で、リンクはバンド幅単位で指定されてもよい。

仮想ネットワーク１１−１以外の他の仮想ネットワーク用にも、同様なデータベースが構築され、保存・更新される。この情報が、物理ネットワーク管理部２００に伝えられる。そして、この情報に基づき、物理ネットワーク管理部２００が、図７を参照して説明した資源分割要求メッセージを、該当するノード宛に送信する。

（ソフトウェアのインストール）
上記で説明したように、物理ネットワーク管理部２００の機能により、物理ネットワーク上に出来上がった仮想ネットワーク１１−１〜１１−Ｎ内に、該当するネットワーク方式特有の機能を実現するソフトウェア等が該当する仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎによってインストールされる。前記のソフトウェアとは、プロトコルスタック、制御機能、監視機能、アプリケーション等を指す。

（変形例）
続いて、本システムの変形例について説明する。
上記は、物理ネットワークがそもそも存在し、その上にネットワーク方式によって生じる要求条件を満たすように仮想ネットワークを形成するという順番で処理が行われる場合について説明したが、仮想ネットワークの要求条件を満たすように、新たに物理ネットワークを設計・構築する、という順番で処理が行われてもよい。その場合は、調整部１００の調整結果に基づいて、それらを収容でき、満足されるように、物理ノードおよびリンクの構築が行われる。

また、上記は、物理ネットワーク管理部２００が、各ノード宛に、資源分割・予約用に図７を参照して説明したネットワークメッセージを発生させ、該当するノードがそのメッセージを受信し、その指示内容に基づき自主的に自ノード内の処理資源と自ノードの管理配下にあるリンク資源との分割・要約による仮想化が行われる場合について説明したが、これらの処理はネットワークの管理者や保有者によって、該当するノードにて、手動で行われてもよい。
さらに、上記は、物理ネットワーク管理部２００において、ノードやリンクが設置された後に、集中的にノード・リンクの仮想化が行われる場合について説明したが、ノードやリンクが設置される時または設置される以前に、所望のソフトウェアモジュールＮＳ−１〜ＮＳ−Ｎ用にノード・リンクの資源分割が行われてもよい。

また、上記は、物理ネットワーク管理部２００において、物理ネットワーク内に形成された仮想ノードおよびリンクから構成される仮想ネットワーク１１−１〜１１−Ｎに、該当するソフトウェアモジュールＮＳ−１〜ＮＳ−Ｎの実現のためのソフト機能（プロトコルスタック、ネットワーク方式特有のソフトウェア、アプリケーション等）が、対応する仮想ネットワーク運営部１０−１〜１０−Ｎによってインストールされる場合について説明したが、ノードやリンクが設置される時または設置される以前に、ノード資源およびリンク資源の分割が行われた際、同時に、上記ソフト機能のインストールが実行されてもよい。

上記システムによる仮想ネットワークが構築されて運用されている状態において、更に仮想ネットワークを追加する場合、その仮想ネットワークの運用を中断する必要が生じることがある。これを防止するには、ノード資源やリンク資源を冗長構成にしておく、それら資源を二重化しておく、などの対策が考えられる。また運用中の仮想ネットワークについて優先度を定めておき、優先度の低い仮想ネットワークについて運用を停止させる、という手法も考えられる。

（仮想ネットワーク構築方法）
上述した仮想ネットワークシステムにおいては、以下のような仮想ネットワーク構築方法が採用されている。すなわち、要求される複数のネットワーク方式を満足する仮想ネットワークを実現するための仮想ネットワーク構築方法であって、上記複数のネットワーク方式それぞれについて、構築すべき仮想ネットワークの設計および運営を行うステップ（図１中の仮想ネットワーク運営部による処理に対応）と、上記構築すべき仮想ネットワークそれぞれの要求条件を調整するステップ（図１中の調整部による処理に対応）と、このステップによる調整内容に基づいて同一物理ネットワーク上に複数の仮想ネットワークを形成するステップ（図１中の物理ネットワーク管理部による処理に対応）とを含む仮想ネットワーク構築方法が採用されている。

この方法を採用することにより、ネットワーク方式に依存せず、その方式が扱うネットワーク負荷に応じた資源配分・管理方式を採用し、ノードとリンク資源との統一的な管理・資源配分を行うことにより、ネットワークの構築コストの削減とともに、資源配分手法の簡略化を実現し、ネットワーク全体の資源使用率を向上させることができる。また、今まで不可能だった、同一物理ネットワーク内に排他的ネットワーク方式の共存がはじめて可能となる。

（まとめ）
本システムでは，ネットワーク方式ごとに異なる物理ネットワークの構築によって発生する膨大なコストを削減し、各々の物理ネットワークの未使用資源量を低減し、ネットワーク資源の使用効率を向上する。また、既存の物理ネットワーク内に新しいネットワーク方式の導入が可能となり、新ネットワーク方式用に新たに物理ネットワークの開発・構築・導入の過程が大幅に短縮でき、ノードとリンク資源の統一的な分割・割り当て・管理により、ネットワーク資源使用率の向上の効果も発揮する。

また、ノードとリンクの統合的な資源配分・管理によって、ネットワーク全体のパフォーマンスの保証をできることが可能となる。単なる物理資源の分割ではなく、ネットワークパフォーマンスに基づいた資源配分法は、どのような方式やアプリケーションに対しても、その要求条件を簡潔に満たすようになることが期待できる。
仮想ネットワークごとに制御を行うことにより、いままでの同一制御プレーン(control plane)から複数のネットワーク方式やアプリケーションの負荷の高い複雑な制御処理から脱出でき、制御の簡略化も実現される。

本発明は同一の物理ネットワーク上に、複数の仮想ネットワークを実現する場合に適用することができる。

本発明の実施形態にかかる仮想ネットワークシステムの構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態にかかる仮想ネットワークシステムにより、複数の異なるネットワークを、同一物理ネットワーク内に収容した場合の例を示す図である。 本発明の実施形態にかかる仮想ネットワークシステムを説明するための図である。 本発明の実施形態にかかる仮想ネットワークシステムにおいて、ノードとリンクとの統一的な仮想化の概要を説明するための図である。 本発明の実施形態にかかる仮想ネットワークシステムにおいて、ノードとリンクとの統一的な仮想化の概要を説明するための図である。 本発明の実施形態にかかる仮想ネットワークシステムにおいて、ノードとリンクとの統一的な仮想化の概要を説明するための図である。 仮想ネットワーク実現のために、物理ネットワーク管理部から物理ノードへ送信される、資源分割の依頼内容の例を示す図である。 マッピング処理の例を説明するための図である。 仮想ネットワーク運営部から調整部１００に対して送出される、要求の例を示す図である。 図１中の調整部が構築する、仮想ネットワークの写像を示す図であり、（ａ）は仮想ネットワーク用のノード資源の例、同図（ｂ）は仮想ネットワーク用のリンク資源の例である。

符号の説明

１０−１〜１０−Ｎ 仮想ネットワーク運営部
１１−１〜１１−Ｎ 仮想ネットワーク
１００ 調整部
２００ 物理ネットワーク管理部
３００ 仮想ネットワークシステム
ＮＳ−１〜ＮＳ−Ｎ ソフトウェアモジュール

Claims (4)

1. 要求される複数のネットワーク方式を満足する仮想ネットワークを実現するための仮想ネットワークシステムであって、前記複数のネットワーク方式に対応して設けられ、構築すべき仮想ネットワークの設計および運営を行う複数の仮想ネットワーク運営手段と、前記複数の仮想ネットワーク運営手段それぞれの要求条件を調整する調整手段と、前記調整手段からの依頼に基づいて１つの物理ネットワーク上に仮想ネットワークを形成する物理ネットワーク管理手段とを含み、
   前記仮想ネットワーク運営手段は、自仮想ネットワークの運営を他の仮想ネットワーク運営手段から独立に行い、前記調整手段に対して前記自仮想ネットワークが必要とするネットワーク資源を増減させる依頼機能を有し、
   前記調整手段は、前記それぞれの要求条件に対して必要とされるネットワーク資源量を各々算出するとともに、これら算出された各々のネットワーク資源量の総和が、前記１つの物理ネットワークが提供できる資源量を超えないように調整し、
   前記物理ネットワーク管理手段が、前記構築すべき仮想ネットワークのトポロジを前記１つの物理ネットワークのトポロジにマッピングした上で、前記１つの物理ネットワーク上に、前記複数のネットワーク方式が各々所望するネットワークトポロジとデータ伝送パフォーマンスとの少なくとも一方が実現できるようにネットワーク全体にわたった資源配分を行い、複数の仮想ネットワークを形成することを特徴とする仮想ネットワークシステム。
2. 前記物理ネットワーク管理手段は、前記１つの物理ネットワークに、異なる複数のネットワーク方式を形成することを特徴とする請求項１に記載の仮想ネットワークシステム。
3. 前記物理ネットワーク管理手段は、ある仮想ノードのアプリケーションプログラムによるデータの送信から他の仮想ノードのアプリケーションプログラムによるデータの受信までの時間が、要求された遅延時間を満足するように、前記２つの仮想ノード間の総伝播遅延時間及び全ての中継ノードにおけるデータ転送処理の遅延時間の和が、前記要求された遅延時間を満足するようにネットワーク資源を配分し、前記仮想ネットワークを形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の仮想ネットワークシステム。
4. 要求される複数のネットワーク方式を満足する仮想ネットワークを実現するための仮想ネットワークシステムであって、前記複数のネットワーク方式に対応して設けられ、構築すべき仮想ネットワークの設計および運営を行う複数の仮想ネットワーク運営手段と、前記複数の仮想ネットワーク運営手段それぞれの要求条件を調整する調整手段と、前記調整手段からの依頼に基づいて１つの物理ネットワーク上に仮想ネットワークを形成する物理ネットワーク管理手段とを備える仮想ネットワークシステムを用いる仮想ネットワーク構築方法であって、
   前記仮想ネットワーク運営手段が、前記複数のネットワーク方式それぞれについて、構築すべき自仮想ネットワークの設計および運営を他の仮想ネットワークの設計および運営から独立に行うステップと、前記調整手段が、前記構築すべき仮想ネットワークそれぞれの要求条件に対して必要とされるネットワーク資源量を各々算出するとともに、これら算出された各々のネットワーク資源量の総和が、１つの物理ネットワークが提供できる資源量を超えないように調整するステップと、このステップによる調整内容に基づいて前記１つの物理ネットワーク上に、前記物理ネットワーク管理手段が、前記複数のネットワーク方式が各々所望する、ネットワークトポロジとデータ伝送パフォーマンスとの少なくとも一方が実現できるようにネットワーク全体にわたった資源配分を行い、複数の仮想ネットワークを形成するステップとを含むことを特徴とする仮想ネットワーク構築方法。

Images