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JP6939516B2 - Network design equipment, methods, and programs - Google Patents
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Description

本発明は、ネットワーク設計装置、方法、及びプログラムに係り、特に、通信の信頼度を確保しつつ、コストを最適化したネットワークを設計するネットワーク設計装置、方法、及びプログラムに関する。 The present invention relates to network design devices, methods, and programs, and more particularly to network design devices, methods, and programs that design a cost-optimized network while ensuring communication reliability.

通信ネットワークの信頼性とは、通信ネットワーク(以下、単にネットワークと記載する場合もある)を構成する構成要素の故障に対して、どれだけネットワークが頑健であるかを示す指標である。より具体的には、ネットワークの構成要素がある確率分布に従って故障するとしたときに、ネットワークを用いた通信が行える確率として定義される。信頼性が高いネットワークを設計することは重要である。複数の機器を通信リンクで接続するネットワークにおいて、複数の機器の各々を頂点とし、ネットワークに追加可能な通信リンクの各々を辺としてネットワークをグラフで表現するものとして、グラフを構築し、グラフに対する操作を行って信頼性の高い通信ネットワークを設計する技術がある。 The reliability of a communication network is an index showing how robust the network is against the failure of the components constituting the communication network (hereinafter, may be simply referred to as a network). More specifically, it is defined as the probability that communication using a network can be performed when a component of the network fails according to a certain probability distribution. It is important to design a reliable network. In a network that connects multiple devices with communication links, a graph is constructed with each of the multiple devices as the apex and each of the communication links that can be added to the network as an edge, and the graph is constructed and the operation on the graph is performed. There is a technology to design a highly reliable communication network.

T. Koide, S. Shinmori, and H. Ishii, "Topological optimization with a network reliability constraint", Discrete applied mathematics, Vol.115, No.1,pp. 135-149, 2001T. Koide, S. Shinmori, and H. Ishii, "Topological optimization with a network reliability constraint", Discrete applied mathematics, Vol.115, No.1, pp. 135-149, 2001 G. Hardy, C. Lucet, and N. Limnios "K-terminal network reliability measures with binary decision diagrams", IEEE Trans. reliability, Vol.56, No.3,p.506-515, 2007G. Hardy, C. Lucet, and N. Limnios "K-terminal network reliability measures with binary decision diagrams", IEEE Trans. Reliability, Vol.56, No.3, p.506-515, 2007

各通信リンクに対応する辺を、ネットワークに対応するグラフに追加するために必要なコストが与えられている場合に、構築されるネットワークの信頼性がある基準値を超えるという制約のもとで構築コストが最小となるようなネットワークを設計する問題は、組合せ最適化問題として定式化して解くことができることが知られている(非特許文献1)。しかしながら、解を求めるのが非常に難しい組合せ最適化問題となるため、既存手法では非常に小規模なネットワークの設計においてしか最適解を求めることができなかった。そのため、最適解を求めることができない規模のネットワークの設計においては性能についての保証のない近似解法に頼らざるを得なかった。 Constructed under the constraint that the reliability of the network being constructed exceeds a reliable reference value when the cost required to add the edge corresponding to each communication link to the graph corresponding to the network is given. It is known that the problem of designing a network that minimizes the cost can be formulated and solved as a combinatorial optimization problem (Non-Patent Document 1). However, since it is a combinatorial optimization problem that is very difficult to find, the existing method can only find the optimal solution in the design of a very small network. Therefore, when designing a network on a scale where the optimum solution cannot be obtained, we have to rely on an approximate solution method with no guarantee of performance.

本発明は、上記問題点を解決するために成されたものであり、通信の信頼度を確保しつつ、コストを最適化したネットワークを設計することができるネットワーク設計装置、方法、及びプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides a network design device, a method, and a program capable of designing a cost-optimized network while ensuring communication reliability. The purpose is to do.

上記目的を達成するために、本発明に係るネットワーク設計装置は、複数の機器を通信リンクで接続する通信ネットワークを設計するネットワーク設計装置であって、複数の機器の各々を頂点とし、前記通信ネットワークに追加可能な通信リンクの各々を辺として前記通信ネットワークをグラフで表現するものとして、前記頂点の集合と、前記辺の集合と、頂点集合の部分集合である端点の集合とに基づいて、前記通信ネットワークがとりうる故障パターンの集合を表現した二分決定グラフを構築するBDD構築部と、前記二分決定グラフの終端ノードのうち、一部の辺が故障しても前記端点に対応する機器の各々が通信ネットワークにより通信可能であるようなネットワーク構造に対応する経路の終端ノードを第1終端ノードとして、前記二分決定グラフと、予め定められた前記辺の集合に含まれる各辺のコストと、予め定められた前記辺の集合に含まれる各辺の動作確率とに基づいて、前記二分決定グラフのノードb(i=1,・・・,B、ただしBは前記二分決定グラフのノードの総数)と取りうるコストs(s=0,1,・・・,C、ただしCは所定の定数)の組み合わせの各々に対し、前記二分決定グラフの第一終端ノードからノードbに至る経路のうち、当該経路に対応する通信ネットワークのコストの合計がコストs以下となるように経路を選択したときの当該経路に対応する通信ネットワークの信頼度の上限を表す値を当該bとsの組に対応するインデックスとして計算するインデックス計算部と、前記インデックスと、前記各辺のコストと、前記各辺の動作確率とに基づいて、前記信頼度とコストに関する予め定められた制約を満たすように前記通信ネットワークに追加する通信リンクに対応する辺の組み合わせを探索する最適化計算部と、を含んで構成されている。 In order to achieve the above object, the network design device according to the present invention is a network design device for designing a communication network in which a plurality of devices are connected by a communication link, with each of the plurality of devices as a peak and the communication network. Assuming that each of the communication links that can be added to is represented by a graph of the communication network, the above is based on the set of the vertices, the set of the sides, and the set of endpoints which is a subset of the set of vertices. Each of the BDD construction unit that builds a dichotomy graph that expresses a set of failure patterns that a communication network can take, and the devices that correspond to the end points even if some of the end nodes of the dichotomy graph fail. With the terminal node of the route corresponding to the network structure capable of communicating by the communication network as the first terminal node, the dichotomy graph, the cost of each side included in the predetermined set of sides, and the cost of each side in advance. based on the operation probability of each side included in the set of defined said side, the total number of the node b i (i = 1 BDD, · · ·, B, provided that B is the BDD node ) cost s (s = 0, 1 that can be taken, · · ·, C, but C is for each of combinations of a predetermined constant), the route to node b i from the first terminal node of the BDD among them, a value representing the upper limit of the reliability of a communication network in which the total cost of a communication network corresponding to the path corresponding to the path when selecting a route such that the following cost s of the b i and s set Based on the index calculation unit that calculates as the index corresponding to the index, the index, the cost of each side, and the operation probability of each side, the reliability and the cost are predetermined so as to satisfy the predetermined constraints. It is configured to include an optimization calculation unit that searches for combinations of nodes corresponding to communication links added to the communication network.

本発明に係るネットワーク設計方法は、複数の機器を通信リンクで接続する通信ネットワークを設計するネットワーク設計装置におけるネットワーク設計方法であって、BDD構築部が、複数の機器の各々を頂点とし、前記通信ネットワークに追加可能な通信リンクの各々を辺として前記通信ネットワークをグラフで表現するものとして、前記頂点の集合と、前記辺の集合と、頂点集合の部分集合である端点の集合とに基づいて、前記通信ネットワークがとりうる故障パターンの集合を表現した二分決定グラフを構築するステップと、インデックス計算部が、前記二分決定グラフの終端ノードのうち、一部の辺が故障しても前記端点に対応する機器の各々が通信ネットワークにより通信可能であるようなネットワーク構造に対応する経路の終端ノードを第1終端ノードとして、前記二分決定グラフと、予め定められた前記辺の集合に含まれる各辺のコストと、予め定められた前記辺の集合に含まれる各辺の動作確率とに基づいて、前記二分決定グラフのノードb(i=1,・・・,B、ただしBは前記二分決定グラフのノードの総数)とコストs(s=0,1,・・・,C、ただしCは所定の定数)の組み合わせの各々に対し、前記二分決定グラフの第一終端ノードからノードbに至る経路のうち、当該経路に対応する通信ネットワークのコストの合計がコストs以下となるように経路を選択したときの当該経路に対応する通信ネットワークの信頼度の上限を表す値を当該bとsの組に対応するインデックスとして計算するステップと、最適化計算部が、前記インデックスと、前記各辺のコストと、前記各辺の動作確率とに基づいて、前記信頼度とコストに関する予め定められた制約を満たすように前記通信ネットワークに追加する通信リンクに対応する辺の組み合わせを探索するステップと、を含んで実行することを特徴とする。 The network design method according to the present invention is a network design method in a network design device for designing a communication network in which a plurality of devices are connected by a communication link, and the BDD construction unit has each of the plurality of devices as a peak and the communication. Assuming that the communication network is represented graphically with each of the communication links that can be added to the network as edges, based on the set of vertices, the set of edges, and the set of endpoints that are subsets of the set of vertices. The step of constructing a dichotomy graph expressing a set of failure patterns that the communication network can take, and the index calculation unit correspond to the end point even if a part of the end nodes of the dichotomy graph fails. The dichotomy graph and each side included in the predetermined set of sides are set as the first terminal node of the route corresponding to the network structure in which each of the devices to be used can communicate with the communication network. costs and, based on the operation probability of each side included in the set of predetermined said edges, node b i (i = 1 of the BDD, · · ·, B, provided that B is the BDD the total number of nodes) and cost s (s = 0,1, ···, C, but C is for each of combinations of a predetermined constant), leading to the node b i from the first terminal node of the BDD of path, a value representing the upper limit of the reliability of the communication network corresponding to the route the b i and s when the total cost of the communication network corresponding to the route selects a route to be equal to or less than the cost s A step of calculating as an index corresponding to the set of, and an optimization calculation unit predetermined the reliability and cost based on the index, the cost of each side, and the operation probability of each side. It is characterized in that it includes a step of searching for a combination of sides corresponding to a communication link added to the communication network so as to satisfy the constraint.

本発明に係るプログラムは、コンピュータを、上記ネットワーク設計装置の各部として機能させるためのプログラムである。 The program according to the present invention is a program for causing a computer to function as each part of the network design device.

本発明のネットワーク設計装置、方法、及びプログラムによれば、通信の信頼度を確保しつつ、コストを最適化したネットワークを設計することができる、という効果が得られる。 According to the network design device, method, and program of the present invention, it is possible to design a network with optimized cost while ensuring the reliability of communication.

BDDの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of BDD. 本発明の第1及び第2の実施の形態に係るネットワーク設計装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the network design apparatus which concerns on 1st and 2nd Embodiment of this invention. インデックス構築処理の詳細を示す図である。It is a figure which shows the detail of the index construction process. 本発明の第1の実施の形態の最適化処理の詳細を示す図である。It is a figure which shows the detail of the optimization process of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の関数評価処理フローを示す図である。It is a figure which shows the function evaluation processing flow of 1st Embodiment of this invention. 前向き計算フローを示す図である。It is a figure which shows the prospective calculation flow. 本発明の第1の実施の形態の実施の形態に係るネットワーク設計装置におけるネットワーク設計処理ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the network design processing routine in the network design apparatus which concerns on embodiment of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態の最適化処理の詳細を示す図である。It is a figure which shows the detail of the optimization process of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態の関数評価処理フローを示す図である。It is a figure which shows the function evaluation processing flow of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態の実施の形態に係るネットワーク設計装置におけるネットワーク設計処理ルーチンを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the network design processing routine in the network design apparatus which concerns on embodiment of the 2nd Embodiment of this invention.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

<本発明の実施の形態に係る概要> <Overview of Embodiments of the Present Invention>

二分決定グラフ(Binary Decision Diagram,BDD)とよばれるデータ構造を用いて、ネットワークが動作可能な全ての故障パターンの集合を表現する。さらに、そのBDD上でA探索アルゴリズムを実行することで、規模の大きなネットワークの設計においても効率的に最適解を発見することを可能とする。 A data structure called a Binary Decision Diagram (BDD) is used to represent a set of all failure patterns in which a network can operate. Furthermore, by executing the A * search algorithm on the BDD, it is possible to efficiently find the optimum solution even in the design of a large-scale network.

<本発明の第1の実施の形態に係る原理> <Principle of the First Embodiment of the Invention>

ここで、本発明の第1の実施の形態における原理を説明する。 Here, the principle in the first embodiment of the present invention will be described.

まず以下で用いる記号を導入する。通信ネットワークはグラフG=(V;E)で与えられるとする。ここでVは頂点の集合、Eは辺の集合である。辺の総数をMとする。Eの部分集合Fが与えられたとき、Eによって導出される誘導部分グラフをG[F]とあらわす。Vの部分集合T⊆Vを端点とよぶ。各辺をe,...,eとする。辺eは確率pで動作し、確率1−pで故障するとする(以下、pを辺eの動作確率という)。二値変数y∈{0,1}を用いて、辺eが動作しているかどうかを表す。すなわち、y=1ならばeは動作しているとし、y=0ならば故障しているとする。ネットワークの信頼度は以下(1)式として計算できる。 First, the symbols used below are introduced. It is assumed that the communication network is given by the graph G = (V; E). Here, V is a set of vertices and E is a set of edges. Let M be the total number of sides. Given a subset F of E, the induced subgraph derived by E is represented as G [F]. The subset T⊆V of V is called the end point. Let each side be e 1 , ..., e M. Edge e i operates with probability p i, and to the possibility of defects 1-p i (hereinafter, the p i that the operating probability edges e i). The binary variable y i ∈ {0,1} is used to indicate whether the edge e i is operating. That is, if y i = 1, it is assumed that e i is operating, and if y i = 0, it is assumed that it is out of order. The reliability of the network can be calculated by the following equation (1).

Figure 0006939516

・・・(1)
Figure 0006939516

... (1)

ここで、yは各要素が0または1の何れかの値をとるM次元ベクトルであり、{0,1}は、各要素が0または1の何れかの値をとるM次元ベクトルの集合である。ここでI(y)は、yによって表現される故障していない辺の集合(yi=1であるyiに対応する辺eiの集合)によって、端点Tに含まれるすべての頂点が接続されているならば1、そうでないならば0を返す関数である。 Here, y is an M-dimensional vector in which each element has a value of either 0 or 1, and {0,1} M is a set of M-dimensional vectors in which each element has a value of either 0 or 1. Is. Here, I (y) is connected to all the vertices included in the endpoint T by a set of non-failed edges represented by y (a set of edges e i corresponding to y i where y i = 1). A function that returns 1 if it is, and 0 otherwise.

ネットワークの設計問題は以下のように定義される。 Network design problems are defined as follows.

Figure 0006939516

・・・(2)
Figure 0006939516

・・・(3)
Figure 0006939516

... (2)
Figure 0006939516

... (3)

ここでcは辺eを通信ネットワークに追加するためにかかるコスト、θは信頼度のしきい値である。すなわち、コスト最小のネットワークを構築する問題とは、ネットワークに追加できる辺の候補の集合Eから、G[E′]がしきい値以上になるという制約のもとで、コストの合計値が最小となるような追加する辺の集合E′を選択する問題である。ここで、e∈E′ならばx=1、 Here c i is cost to add an edge e i in the communication network, theta is the confidence threshold. That is, the problem of constructing a network with the minimum cost is that the total value of the costs is the minimum under the constraint that G [E'] is equal to or more than the threshold value from the set E of edge candidates that can be added to the network. It is a problem of selecting a set of edges E'to be added so as to be. Here, if e i ∈ E', x i = 1,

Figure 0006939516

ならばx=0であるような二値変数x,...,xを導入すると、上記の最適化問題は以下(4)式のように書くことができる。
Figure 0006939516

Then, if we introduce binary variables x 1 , ..., X M such that x i = 0, the above optimization problem can be written as the following equation (4).

Figure 0006939516

・・・(4)
Figure 0006939516

... (4)

ここでx=(x,...,x)である。つまり、xiは辺eを通信ネットワークに追加するか否かを示す変数である。R(x)は信頼度をxの関数として定義したものであり、以下(5)式のように定義される。 Here, x = (x 1 , ..., x M ). That is, x i is a variable indicating whether or not the side e i is added to the communication network. R (x) defines the reliability as a function of x, and is defined as the following equation (5).

Figure 0006939516

・・・(5)
Figure 0006939516

... (5)

BDDは論理関数を有向非巡回グラフとして表現するデータ構造である。論理関数(x∧x)∨(x∧x)∨(x∧x)を表現するBDDの例を図1に示す。BDDは終端ノードと分岐ノードの2種類のノードをもつ。BDDにおいて、ノードとノードとを繋ぐ線を「アーク」または「枝」と呼ぶ。終端ノードはそのノードを始点とするアークを持たないノードであり、図1中では四角で表現される。 BDD is a data structure that expresses a logical function as a directed acyclic graph. FIG. 1 shows an example of BDD expressing a logical function (x 1x 2 ) ∨ (x 1x 3 ) ∨ (x 2x 3). BDD has two types of nodes, a terminal node and a branch node. In BDD, the line connecting nodes is called an "arc" or "branch". The terminal node is a node that does not have an arc starting from that node, and is represented by a square in FIG.

Figure 0006939516

終端ノード(以下「第2終端ノード」という)と
Figure 0006939516

終端ノード(以下「第1終端ノード」という)の2種類の終端ノードがあり、一つのBDDには各終端ノードは高々一つずつ存在する。分岐ノードは終端ノードではないノードのことである。各分岐ノードには、そのノードを始点とするアークが必ず2つ存在し、それぞれlo枝、hi枝とよばれる。また、各分岐ノードには論理関数の引数が1つラベルとして対応付けられる。図1中では各分岐ノードは円として表現され、hi枝は実線、lo枝は点線によって表現される。図1中のノードb1は分岐ノードであり、要素x1がラベルとして付与され、lo枝はb2を、hi枝はb3を指している。BDD中では親をもたないノードが必ず1つのみ存在し、根ノードとよばれる。
Figure 0006939516

With a terminal node (hereinafter referred to as "second terminal node")
Figure 0006939516

There are two types of terminal nodes (hereinafter referred to as "first terminal nodes"), and one BDD has at most one terminal node. A branch node is a node that is not a terminal node. Each branch node always has two arcs starting from that node, and are called lo branch and hi branch, respectively. Further, each branch node is associated with one argument of the logical function as a label. In FIG. 1, each branch node is represented by a circle, the hi branch is represented by a solid line, and the lo branch is represented by a dotted line. The node b1 in FIG. 1 is a branch node, the element x1 is given as a label, the lo branch points to b2, and the hi branch points to b3. In BDD, there is always only one node that has no parent, and it is called a root node.

根ノードから第1終端ノードまでの各経路が、BDDが表現する論理関数を真とするような変数の割り当てに対応している。 Each path from the root node to the first terminal node corresponds to the assignment of variables such that the logical function represented by BDD is true.

図1のBDDでは根ノードb1から第1終端ノードに至る3種類の経路が存在する。図1のBDDが3引数の論理関数を表しているため3つの変数で経路が表現できるものとしている。もしBDDが表す関数の引数がN個であれば、N個の変数の0,1で経路が表現される。 In the BDD of FIG. 1, there are three types of routes from the root node b1 to the first terminal node. Since the BDD in FIG. 1 represents a logical function with three arguments, it is assumed that the route can be represented by three variables. If the function represented by BDD has N arguments, the route is represented by 0,1 of N variables.

経路を3つの変数(x,x,x)で表すものとし、xをノードラベルiのノードにおいて枝lo枝とhi枝のどちらを辿るかを示す変数とすると、根ノードb1から第1終端ノードに至る3種類の経路は(1,1,*),(1,0,1),(0,1,1)と表現できる。なお*はx3に対応するノードが経路中に出現しないことを示す。各経路がそれぞれ真となる変数の割当に対応する。なお、経路中に対応するノードが出現しなかった変数については、その変数に0もしくは1のどちらを割り当てても真となる。図1のBDDの例では、経路(1,1,*)は、(1,1,0),(1,1,1)の二種類の変数に対する値の割当を示している。したがって、(1,1,0),(1,1,1),(1,0,1),(0,1,1)が、BDDが表現する論理関数を真とするような変数の割り当てである。 And represent the route in three variables (x 1, x 2, x 3), if a variable that indicates follow either branch lo branches and hi branches x i at the node of the node label i, from the root node b1 The three types of routes leading to the first terminal node can be expressed as (1,1, *), (1,0,1), (0,1,1). Note that * indicates that the node corresponding to x3 does not appear in the route. Each route corresponds to the assignment of a variable that is true. For a variable in which the corresponding node does not appear in the route, it is true regardless of whether 0 or 1 is assigned to the variable. In the BDD example of FIG. 1, the path (1,1, *) shows the assignment of values to the two variables (1,1,0) and (1,1,1). Therefore, (1,1,0), (1,1,1), (1,0,1), (0,1,1) are assigned variables so that the logical function represented by BDD is true. Is.

なお、以下ではBDDのノードはB個存在するとし、各ノードをb,...,bとあらわす。なお、bは根ノードに対応し、b,bについてj<kならばbはbの子になりえないとする。なお、bは第1終端ノード、bB-1は第2終端ノードであるとする。また、Dを高さiでのカットノードの添字の集合とし、BDDノードのうち、ラベルが1,...,i−1のいずれかではなく、かつ1,...,i−1のいずれかをラベルとするような親ノードをもつものの添字の集合とする。 In the following, it is assumed that there are B BDD nodes, and each node is represented as b 1 , ..., b B. Note that b 1 corresponds to the root node, and if j <k for b j and b k , then b j cannot be a child of b k. It is assumed that b B is the first terminal node and b B-1 is the second terminal node. Further, a set of indices of the cut-node at the level i a D i, of the BDD node, label 1, ..., rather than any of the i-1, and 1, ..., i-1 It is a set of subscripts of those having a parent node whose label is any of.

BDDは、各ノードについて、(ノードのID、ラベル、hi枝の指すノード、lo枝の指すノード)の4つ組を用意することで表現できる。例のBDDは6つのノードをもつため、[(b1,1,b3,b2),(b2,2,b4,b5),(b3,2,b6,b4),(b4,3,b6,b5),(b5,

Figure 0006939516

,−,−),(b6,
Figure 0006939516

,−,−)]というテーブルを用意することで表現することができる。 BDD can be expressed by preparing a quadruple (node ID, label, node pointed to by hi branch, node pointed to by lo branch) for each node. Since the example BDD has 6 nodes, [(b1,1, b3, b2), (b2,2, b4, b5), (b3,2, b6, b4), (b4,3, b6, b5). ), (B5,
Figure 0006939516

,-,-), (B6,
Figure 0006939516

,-,-)] Can be expressed by preparing a table.

本発明では、通信ネットワークに対応するグラフ(以下「入力グラフ」と呼ぶ)からBDDを構築する。 In the present invention, a BDD is constructed from a graph corresponding to a communication network (hereinafter referred to as an "input graph").

入力グラフでは、通信ネットワークを構成する通信機器が各頂点に対応し、各通信機器間の通信リンクが辺に対応する。 In the input graph, the communication devices constituting the communication network correspond to each vertex, and the communication link between each communication device corresponds to an edge.

構築されるBDDは、各ノードが入力グラフの各辺に対応するラベルを持つ。そして、入力グラフのある部分構造(部分グラフ)が辺ei(i=1,・・・,M)を含む場合には当該iをラベルとするノードからhi枝を辿り、辺eiを含まない場合には当該iをラベルとするノードからlo枝を辿る。よって、根ノードから終端ノードまでの各経路は、それぞれ入力グラフの部分構造に対応する。 In the BDD constructed, each node has a label corresponding to each side of the input graph. Then, when a certain partial structure (subgraph) of the input graph includes an edge e i (i = 1, ..., M), the hi branch is traced from the node whose label is i, and the edge e i is included. If not, follow the lo branch from the node labeled i. Therefore, each path from the root node to the terminal node corresponds to the partial structure of the input graph.

「BDDが表現する論理関数を真とするような変数の割り当て」の各々は、入力グラフの部分構造に対応する。この部分構造は、通信ネットワークにおいて故障したリンクを取り除いて得られるネットワークに対応したグラフを表現している。故障しているリンクを取り除いて得られた通信ネットワークにおいて全ての端点間において通信が可能となったときに、論理関数が真となる。 Each of the "assignments of variables that make the logical function represented by BDD true" corresponds to the partial structure of the input graph. This partial structure represents a graph corresponding to a network obtained by removing a broken link in a communication network. The logical function becomes true when communication is possible between all endpoints in the communication network obtained by removing the broken link.

<本発明の第1の実施の形態に係るネットワーク設計装置の構成> <Structure of the network design device according to the first embodiment of the present invention>

次に、本発明の第1の実施の形態に係るネットワーク設計装置の構成について説明する。図2に示すように、本発明の第1の実施の形態に係るネットワーク設計装置100は、CPUと、RAMと、後述するネットワーク設計処理ルーチンを実行するためのプログラムや各種データを記憶したROMと、を含むコンピュータで構成することが出来る。このネットワーク設計装置100は、機能的には図2に示すように入力部10と、演算部20と、出力部50とを備えている。 Next, the configuration of the network design device according to the first embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 2, the network design device 100 according to the first embodiment of the present invention includes a CPU, a RAM, a ROM that stores a program for executing a network design processing routine described later, and various data. It can be configured with a computer that includes. The network design device 100 functionally includes an input unit 10, a calculation unit 20, and an output unit 50 as shown in FIG.

入力部10は、入力として、通信ネットワークに対応するグラフの頂点集合V={v,v,・・・,v}(Nは頂点の総数)、端点の集合T⊆V、通信ネットワークに追加できる辺の集合E={e,e,・・・,e}(Mは辺の総数)、各辺のコストc,...,c(cは辺eiのコスト)、各辺の動作確率p,...,p(piは辺eiの動作確率)、信頼度のしきい値θを入力として受け取る。ここで、辺eiのコストとは、通信ネットワークに辺eiに対応する通信リンクを追加するのに要するコストを表す。 As an input, the input unit 10 has a set of vertices V = {v 1 , v 2 , ..., v N } (N is the total number of vertices) of the graph corresponding to the communication network, a set of end points T⊆V, and a communication network. set of edges E = that can be added to {e 1, e 2, ··· , e M} ( the total number of M are side), the cost c 1 of the sides, ..., c M (c i is the side e i Cost), the operation probability of each side p 1 , ..., p M (p i is the operation probability of the side e i ), and the reliability threshold θ are received as inputs. Here, the cost of edge e i, represents the cost to add a communications link corresponding to the communication network to the side e i.

演算部20は、BDD構築部30と、インデックス計算部32と、最適化計算部34と、記憶部40とを含んで構成されている。 The calculation unit 20 includes a BDD construction unit 30, an index calculation unit 32, an optimization calculation unit 34, and a storage unit 40.

BDD構築部30は、入力部10で受け付けた、ネットワークの頂点集合Vと、ネットワークに追加できる辺の集合Eと、頂点集合Vのうちの端点の集合Tとに基づいて、グラフG=(V,E)において、全ての端点が接続される辺の組み合わせである故障パターンの集合を表現した二分決定グラフ(BDD)を構築する。 The BDD construction unit 30 has a graph G = (V) based on the vertex set V of the network received by the input unit 10, the edge set E that can be added to the network, and the end point set T of the vertex set V. In (E), a binary determination graph (BDD) representing a set of failure patterns, which is a combination of edges to which all the vertices are connected, is constructed.

結果としてBDDの各経路は、集合Vに含まれる頂点からなるグラフであって、当該経路により特定される辺で頂点を接続したグラフである。つまり、BDDの各経路は、G=(V;E)に対応するグラフのうち、一部または全部の辺が欠けているグラフに対応する。欠けている辺は、通信ネットワークにおいて故障している通信リンクを表すので、例えば、辺eが欠けているグラフは、辺eに対応する通信リンクが故障しているような故障パターンに対応する。すなわち、BDDの経路の集合は、グラフGに対応する通信ネットワークにおいて取りうるすべての故障パターンの集合を表すものとなる。 As a result, each path of BDD is a graph consisting of vertices included in the set V, and is a graph in which the vertices are connected by the sides specified by the path. That is, each path of BDD corresponds to a graph in which some or all sides of the graph corresponding to G = (V; E) are missing. Missing edges, since they represent a communication link is faulty in a communication network, for example, the graph to the lack of edges e i, corresponding to the failure patterns such as communication links corresponding to the side e i is faulty do. That is, the set of BDD routes represents a set of all possible failure patterns in the communication network corresponding to the graph G.

そして、根ノードから第1終端ノードに至る各経路が、一部の辺が欠けた(通信リンクが故障した)としても、全ての端点がネットワークによる通信が可能である故障パターンに対応する。根ノードから第1終端ノードに至る経路の集合は、全ての端点がネットワークによる通信が可能であるようなすべての故障パターンの集合をあらわす。 Then, each path from the root node to the first terminal node corresponds to a failure pattern in which all the end points can communicate by the network even if some sides are missing (communication link fails). The set of routes from the root node to the first terminal node represents a set of all failure patterns in which all endpoints can be communicated by a network.

なお、BDDの構築は、上記非特許文献2に記載されている方法を用いることにより行う。 The BDD is constructed by using the method described in Non-Patent Document 2 above.

インデックス計算部32は、BDD構築部30にて構築されたBDDと、追加に必要な各辺の各々のコストc,...,cと、各辺の各々の動作確率p,...,pとに基づいて、BDDのノードbと終端ノードからノードbまでの部分構造に対応する通信ネットワークにおけるコスト(s=0,1,2,・・・,C)の組み合わせの各々に対し、インデックスを計算する。ここで、bとsの組に対応するインデックスは、終端ノードからノードbに至る経路の各々に対応するグラフのうち、コストがs以下となるような辺の組み合わせを選択したときの、当該辺の組み合わせに対応する通信ネットワークの信頼度の上限値である。インデックス計算部32の処理の詳細については後述する。 The index calculation unit 32 includes the BDD constructed by the BDD construction unit 30, the costs c 1 , ..., c M of each side required for addition, and the operation probability p 1 , of each side. .., based on the p M, the combination of the cost (s = 0,1,2, ···, C ) in a communication network corresponding to the partial structure from node b i and the terminal node of the BDD to node b i Calculate the index for each of. Here, the index corresponding to the set of b i and s, of the graph corresponding to each path from the terminal node to node b i, when the cost selects a combination of the following become such sides s, This is the upper limit of the reliability of the communication network corresponding to the combination of the relevant sides. The details of the processing of the index calculation unit 32 will be described later.

最適化計算部34は、インデックス計算部32で計算されたインデックスと、各辺のコストc,...,cと、各辺の各々の動作確率p,...,pと、信頼度のしきい値θとに基づいて、上記(5)式で表される信頼度に関する所定の制約を満たすような辺の組み合わせを選択することにより、ネットワークを設計する。具体的には、最適化計算部34は、信頼度が閾値θ以上となる制約を満たし、かつ、コストが最小となるように、辺の組み合わせを選択し、その組み合わせをコストを最小化するようなネットワークの構成を特定する情報として出力部50により出力する。 The optimization calculation unit 34 includes the index calculated by the index calculation unit 32, the costs c 1 , ..., c M of each side, and the operation probabilities p 1 , ..., p M of each side. , The network is designed by selecting a combination of sides that satisfies a predetermined constraint on reliability expressed by the above equation (5) based on the reliability threshold value θ. Specifically, the optimization calculation unit 34 selects a combination of edges so as to satisfy the constraint that the reliability is equal to or higher than the threshold value θ and minimize the cost, and minimizes the cost of the combination. It is output by the output unit 50 as information for specifying the configuration of a network.

記憶部40には、最適化計算部34において辺の組み合わせの候補毎に計算される、当該組み合わせに対応する通信ネットワークの最小コストの推定値が対応付けられて記憶される。 In the storage unit 40, an estimated value of the minimum cost of the communication network corresponding to the combination, which is calculated for each candidate of the side combination in the optimization calculation unit 34, is stored in association with the storage unit 40.

次に、インデックス計算部32のインデックス構築処理の詳細について、図3を用いて説明する。インデックス計算部32では、入力として、BDD構築部30で構築されたBDD、コストの最大値C、辺の動作確率p,...,p、辺のコストc,...,cを受け取り、インデックスAを計算する。インデックスAはB×(C+1)個の要素からなるテーブルであり、テーブルのj行s列目の要素をA[i][s]とする。A[i][s]は、BDDの終端ノードからノードbまでの経路の各々に対応するグラフのうち、コストがs以下となるように辺を選択したときの、信頼度の推定値(上限値)を保持している。なお、BDDのi番目のノードにラベルとして対応づけられているネットワークの辺をeとする。また、Cはコストの最大値であり、任意の整数値である。例えば、 Next, the details of the index construction process of the index calculation unit 32 will be described with reference to FIG. In the index calculation unit 32, as inputs, the BDD constructed by the BDD construction unit 30, the maximum value C of the cost, the operation probability of the edge p 1 , ..., p M , and the cost c 1 , ..., c of the edge. Receive M and calculate index A. The index A is a table composed of B × (C + 1) elements, and the elements in the j-th row and s-th column of the table are A [i] [s]. A [i] [s], of the graph corresponding to each of the path from the BDD of the termination node to node b i, when the cost selects an edge to be equal to or less than s, the estimated value of the reliability ( The upper limit) is held. Note that the edges of the network which is associated with a label to the i-th node of the BDD and e k. Further, C is the maximum value of the cost and is an arbitrary integer value. for example,

Figure 0006939516

として設定してもよい。
Figure 0006939516

May be set as.

図3の処理では、まず各i=1,...,B、s=0,1,...,Cに対して、A[i][s]に値0を設定してインデックスを初期化する。次にすべてのs=0,1,...,CについてA[B][s]←1.0に設定する。以降では、全てのi,sの組合せについてA[i][s]の値を再帰的に計算する。 In the process of FIG. 3, first, for each i = 1, ..., B, s = 0,1, ..., C, the value 0 is set in A [i] [s] to initialize the index. To become. Next, set A [B] [s] ← 1.0 for all s = 0,1, ..., C. In the following, the values of A [i] and [s] are recursively calculated for all combinations of i and s.

次に最適化計算部34の最適化処理の詳細について、図4を用いて説明する。なお、以下ではxのi番目以下(つまり、x,x,・・・,xi)の要素にのみ値を割り当てた部分ベクトルをx≦iとして表現する。また、x≦iにおける各要素の取りうる値の組み合わせの各々を「状態」と呼ぶ。例えば、x≦2であれば、(0,0),(0,1),(1,0),(1,1)の各々が「状態」である。 Next, the details of the optimization process of the optimization calculation unit 34 will be described with reference to FIG. In the following, a partial vector in which values are assigned only to the i-th or lower elements of x (that is, x 1 , x 2 , ..., X i ) is expressed as x ≤ i. Further, each combination of possible values of each element in x ≤ i is called a "state". For example, if x ≦ 2 , each of (0,0), (0,1), (1,0), and (1,1) is a “state”.

最適化計算部34は、図4のステップ1で状態の集合を格納するリストOpenを初期化する。ステップ2で初期状態をOpenに追加する。次に、Openが空でない限り、スコアを最小とする状態x≦jを一つ選択する(ステップ3,4)。ここで、各状態におけるスコアとは、部分ベクトルx≦jの各要素の値が当該状態であるとしたときの通信ネットワークのコストの推定値である。詳しくは後述する。もしその状態x≦jに対応する部分ベクトルの大きさがMであったならば、それを解として出力して処理を終了する(ステップ6)。ここで、部分ベクトルの大きさとは、部分ベクトルの要素数であり、x≦jの大きさはjである。そうでないならば、x≦jのj+1番目の要素を1に設定した新しいベクトルx≦j+1 (1)と、j+1番目の要素を0に設定した新しいベクトルx≦j+1 (0)を作成する。それぞれについてスコアを計算して、スコアの値が∞より小さい値であればOpenに追加する(ステップ8〜13)。 The optimization calculation unit 34 initializes the list Open that stores the set of states in step 1 of FIG. In step 2, the initial state is added to Open. Next, unless Open is empty, one state x ≤ j that minimizes the score is selected (steps 3 and 4). Here, the score in each state is an estimated value of the cost of the communication network when the value of each element of the partial vector x ≤ j is in the state. Details will be described later. If the magnitude of the partial vector corresponding to the state x ≤ j is M, it is output as a solution and the process ends (step 6). Here, the magnitude of the partial vector is the number of elements of the partial vector, and the magnitude of x ≦ j is j. If not, create a x ≦ j of j + 1-th new element was set to 1 vector x ≦ j + 1 (1), a new vector was set j + 1 th element to 0 x ≦ j + 1 a (0). Scores are calculated for each, and if the score value is less than ∞, it is added to Open (steps 8 to 13).

上記の手順を繰り返し、ステップ3,4でOpenから取り出したスコア最小の部分ベクトルx≦jの大きさがMであったときに処理を終了する。各xは0または1の何れかの値をとり、x=1であれば通信ネットワークに辺eを追加することを意味する。よって、x≦Mのうちx=1となる辺eが、通信ネットワークに追加する辺となる。 The above procedure is repeated, and the process ends when the magnitude of the minimum score partial vector x ≤ j extracted from Open in steps 3 and 4 is M. Each x j takes a value of either 0 or 1, means adding the edge e j to the communication network if x j = 1. Thus, x j = 1 to become edge e j of the x ≦ M becomes the side to be added to the communication network.

すなわち、最適化計算部34は、辺の組み合わせ方の候補(x≦jのうちxi=1となる辺eiの組み合わせ)を、その組合せ方に対する最小コストの推定値とともにOpenに格納し、コストの推定値が小さいものから順番に展開・伸張させていく最良優先探索を実行することにより、通信ネットワークに追加する辺の組み合わせを選択する。このように、最良優先探索を実行し、通信ネットワークに追加する辺の組み合わせを選択する処理が、探索手段による処理(辺の集合に含まれる先頭の辺から順に、各辺を追加するか否かを決定することにより辺の組み合わせを求める処理)の一例である。また、Openへの格納が、記憶部40に、辺の組み合わせの候補毎に、当該組み合わせに対応する通信ネットワークのコストが対応付けて記憶されることの一例である。 That is, the optimization calculation unit 34 stores the candidate of the side combination method ( the combination of the sides e i in which x i = 1 in x ≤ j ) together with the estimated value of the minimum cost for the combination method in Open. By executing the best-first search that expands and expands in order from the one with the smallest estimated cost value, the combination of edges to be added to the communication network is selected. In this way, the process of executing the best-first search and selecting the combination of edges to be added to the communication network is the process by the search means (whether or not to add each edge in order from the first edge included in the set of edges). This is an example of the process of finding the combination of edges by determining. Further, the storage in Open is an example in which the storage unit 40 stores the cost of the communication network corresponding to the combination for each candidate of the side combination in association with each other.

図4ステップ10、13のスコアの計算について、図5の関数評価処理フローを用いて説明する。 The calculation of the scores in steps 10 and 13 of FIG. 4 will be described with reference to the function evaluation processing flow of FIG.

まず図5のステップ1で辺動作確率p′を設定する。次に、ステップ2で、図6の前向き計算フローの処理を用いて、カットノード集合Dに含まれる各添字i∈D相当する配列F[i]の値を求める。その後、ステップ3で、インデックスAの値とF[i]の値を用いて、 First, the edge motion probability p ′ j is set in step 1 of FIG. Next, in Step 2, using the process of forward calculation flow in Fig. 6 to determine the value of each subscript I∈D j corresponding sequence F j [i] included in the cut-node set D j. Then, in step 3, using the value of index A and the value of Fj [i],

Figure 0006939516

を満たすような最小のsを求め、部分ベクトルx≦jに対するコストの推定値h(x≦j)とする。これをスコアとして用いる。そのようなsを求めるためには、0≦s≦Cの全ての値を試してもよいし、あるいは
Figure 0006939516

The minimum s that satisfies the condition is obtained, and the estimated value h (x ≤ j ) of the cost with respect to the partial vector x ≤ j is used. This is used as a score. In order to obtain such s, all the values of 0 ≦ s ≦ C may be tried, or

Figure 0006939516

がsの値に対して単調に変動することを利用して、二分探索を利用して求めてもよい。
Figure 0006939516

It may be obtained by using a binary search by utilizing the fact that is monotonously fluctuating with respect to the value of s.

<本発明の第1の実施の形態に係るネットワーク設計装置の作用> <Operation of the network design device according to the first embodiment of the present invention>

次に、本発明の第1の実施の形態に係るネットワーク設計装置100の作用について説明する。入力部10において通信ネットワークの頂点集合V、端点の集合T⊆V、ネットワークに追加できる辺の集合E、各辺を追加するのに必要なコストc,...,c、各辺の動作確率p,...,p、信頼度のしきい値θを受け付けると、ネットワーク設計装置100は、図7に示すネットワーク設計処理ルーチンを実行する。 Next, the operation of the network design device 100 according to the first embodiment of the present invention will be described. In the input unit 10, the vertex set V of the communication network, the end point set T⊆V, the side set E that can be added to the network, the cost required to add each side c 1 , ..., c M , and each side Upon receiving the operation probabilities p 1 , ..., p M , and the reliability threshold θ, the network design device 100 executes the network design processing routine shown in FIG. 7.

まず、ステップS100では、入力部10で受け付けた、ネットワークの頂点集合Vと、ネットワークに追加できる辺の集合Eと、頂点集合Vのうちの端点の集合Tとに基づいて、グラフG=(V,E)において、全ての端点が接続される辺の組み合わせである故障パターンの集合を表現したBDDを構築する。 First, in step S100, the graph G = (V) based on the vertex set V of the network received by the input unit 10, the set E of the edges that can be added to the network, and the set T of the end points of the vertex set V. In (E), a BDD expressing a set of failure patterns, which is a combination of edges to which all the vertices are connected, is constructed.

次に、ステップS102では、ステップS100で構築されたBDDと、グラフGに各辺を追加する際に必要なコストc,...,cと、各辺の各々の動作確率p,...,pとに基づいて、上記図3に示すアルゴリズムに従って、BDDのノードbとコストsの組み合わせの各々に対し、ノードbに対応し、かつ、コストの合計がコストs以下となるように追加する辺の組み合わせを選択したときの信頼度の上限を表す値を格納したインデックスを計算する。 Next, in step S102, the BDD constructed in step S100, the cost c 1 needed to add each edge in the graph G, ..., and c M, the operation probability p 1 of each of the sides, ..., based on the p M, according to the algorithm shown in FIG. 3, for each of combinations of node b i and cost s of BDD, corresponds to a node b i, and the total cost is less cost s Calculate the index that stores the value that represents the upper limit of the reliability when the combination of edges to be added is selected.

ステップS104では、ステップS102で計算されたインデックスと、各辺の追加に必要なコストc,...,cと、各辺の各々の動作確率p,...,pと、信頼度のしきい値θとに基づいて、信頼度が閾値θ以上となる制約を満たし、かつ、コストが最小となるように、ネットワークに追加する辺の組み合わせを選択する。ここでは、上記図4に示すアルゴリズムに従って最良優先探索を行い、ネットワークに追加する辺の組み合わせを選択することにより、ネットワークを設計する。 In step S104, the index calculated in step S102, the costs c 1 , ..., c M required to add each side, and the operation probabilities p 1 , ..., p M of each side are displayed. Based on the reliability threshold θ, the combination of edges to be added to the network is selected so as to satisfy the constraint that the reliability is equal to or higher than the threshold θ and to minimize the cost. Here, the network is designed by performing a best-first search according to the algorithm shown in FIG. 4 and selecting a combination of sides to be added to the network.

ステップS106では、ステップS104で設計されたコストを最小化するようなネットワークの構成を出力部50により出力し、処理を終了する。 In step S106, the output unit 50 outputs the network configuration designed in step S104 that minimizes the cost, and ends the process.

以上説明したように、本発明の第1の実施の形態に係るネットワーク設計装置によれば、構築されたBDDと、各辺の追加に必要なコストと、各辺の各々の動作確率とに基づいて、BDDのノードbとコストsの組み合わせの各々に対し、ノードbに対応し、かつ、コストの合計がコストs以下となるように追加する辺の組み合わせを選択したときの信頼度の上限を表す値を格納したインデックスを計算するインデックス計算部と、計算されたインデックスと、追加に必要な各辺の各々のコストと、各辺の各々の動作確率と、信頼度のしきい値θとに基づいて、信頼度に関する予め定められた制約を満たすようにネットワークに追加する辺の組み合わせを選択することにより、通信の信頼度を確保しつつ、コストを最適化したネットワークを設計することができる。これにより、より耐障害性能の高いネットワークの設計に寄与することができる。
<本発明の第2の実施の形態の概要、及び原理>
As described above, according to the network design device according to the first embodiment of the present invention, it is based on the constructed BDD, the cost required for adding each side, and the operation probability of each side. Te, for each of combinations of node b i and cost s of BDD, corresponds to a node b i, and the reliability when the total cost of the selected combinations of edges to be added to be equal to or less than the cost s An index calculation unit that calculates an index that stores a value representing the upper limit, the calculated index, the cost of each side required for addition, the operation probability of each side, and the reliability threshold θ Based on the above, it is possible to design a network that optimizes the cost while ensuring the reliability of communication by selecting the combination of edges to be added to the network so as to satisfy the predetermined constraint on reliability. can. This can contribute to the design of a network with higher fault tolerance.
<Outline and Principle of the Second Embodiment of the Present Invention>

次に、本発明の第2の実施の形態に係るネットワーク設計装置について説明する。なお、第1の実施の形態と同様となる部分については、説明を省略する。 Next, the network design device according to the second embodiment of the present invention will be described. The description of the part similar to that of the first embodiment will be omitted.

本発明の第2の実施の形態に係るネットワーク設計装置では、各通信リンクに対応する辺を、ネットワークに対応するグラフに追加するために必要なコストが与えられている場合に、構築コストがある基準値を下回るという制約のもとで、構築されるネットワークの信頼性が最大となるようなネットワークを設計する問題も、組合せ最適化問題として定式化して解くことができる。 In the network design apparatus according to the second embodiment of the present invention, there is a construction cost when the cost required for adding the side corresponding to each communication link to the graph corresponding to the network is given. The problem of designing a network that maximizes the reliability of the network to be constructed under the constraint that it falls below the reference value can also be formulated and solved as a combinatorial optimization problem.

本発明の第2の実施の形態は、上記問題点を解決するためのものであり、コスト制約を満たしつつ、通信の信頼度を最大化するネットワークを設計することができる。 The second embodiment of the present invention is for solving the above-mentioned problems, and it is possible to design a network that maximizes the reliability of communication while satisfying the cost constraint.

本発明の第2の実施の形態において、ネットワークの設計問題は以下のように定義される。 In the second embodiment of the present invention, the network design problem is defined as follows.

Figure 0006939516

・・・(6)
Figure 0006939516

・・・(7)
Figure 0006939516

... (6)
Figure 0006939516

... (7)

ここでcは辺eを通信ネットワークに追加するためにかかるコスト、Cはコストの上限である。すなわち、信頼性を最大化する問題とは、ネットワークに追加できる辺の候補の集合Eから、コストの総和が上限値Cを超えない範囲で辺を選択して追加することで、得られたネットワークG[E′]の信頼性を最大化する問題である。ここで、e∈E′ならばx=1、 Here c i is cost to add an edge e i in the communication network, C is an upper limit of cost. That is, the problem of maximizing reliability is the network obtained by selecting and adding edges from a set of edge candidates E that can be added to the network within a range in which the total cost does not exceed the upper limit C. This is a problem of maximizing the reliability of G [E']. Here, if e i ∈ E', x i = 1,

Figure 0006939516

ならばx=0であるような二値変数x,...,xを導入すると、上記の最適化問題は以下(8)式のように書くことができる。
Figure 0006939516

Then, if we introduce binary variables x 1 , ..., X M such that x i = 0, the above optimization problem can be written as the following equation (8).

Figure 0006939516

・・・(8)
Figure 0006939516

... (8)

ここでx=(x,...,x)である。つまり、xiは辺eを通信ネットワークに追加するか否かを示す変数である。R(x)は信頼度をxの関数として定義したものであり、以下(9)式のように定義される。 Here, x = (x 1 , ..., x M ). That is, x i is a variable indicating whether or not the side e i is added to the communication network. R (x) defines the reliability as a function of x, and is defined as the following equation (9).

Figure 0006939516

・・・(9)
Figure 0006939516

... (9)

BDDについては上記第1の実施の形態と同様のものであるため説明を省略する。 Since the BDD is the same as that of the first embodiment, the description thereof will be omitted.

<本発明の第2の実施の形態に係るネットワーク設計装置の構成> <Structure of the network design device according to the second embodiment of the present invention>

次に、本発明の第2の実施の形態に係るネットワーク設計装置の構成について説明する。上記図2に示すように、本発明の第2の実施の形態に係るネットワーク設計装置100は、CPUと、RAMと、後述するネットワーク設計処理ルーチンを実行するためのプログラムや各種データを記憶したROMと、を含むコンピュータで構成することが出来る。このネットワーク設計装置100は、機能的には図2に示すように入力部10と、演算部20と、出力部50とを備えている。 Next, the configuration of the network design device according to the second embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 2, the network design device 100 according to the second embodiment of the present invention is a ROM that stores a CPU, a RAM, a program for executing a network design processing routine described later, and various data. And can be configured with a computer that includes. The network design device 100 functionally includes an input unit 10, a calculation unit 20, and an output unit 50 as shown in FIG.

入力部10は、入力として、通信ネットワークに対応するグラフの頂点集合V={v,v,・・・,v}(Nは頂点の総数)、端点の集合T⊆V、通信ネットワークに追加できる辺の集合E={e,e,・・・,e}(Mは辺の総数)、各辺のコストc,...,c(cは辺eiのコスト)、各辺の動作確率p,...,p(piは辺eiの動作確率)、コスト上限Cを入力として受け取る。ここで、辺eiのコストとは、通信ネットワークに辺eiに対応する通信リンクを追加するのに要するコストを表す。 As an input, the input unit 10 has a set of vertices V = {v 1 , v 2 , ..., v N } (N is the total number of vertices) of the graph corresponding to the communication network, a set of end points T⊆V, and a communication network. set of edges E = that can be added to {e 1, e 2, ··· , e M} ( the total number of M are side), the cost c 1 of the sides, ..., c M (c i is the side e i Cost), operation probability of each side p 1 , ..., p M (p i is the operation probability of side e i ), and the upper limit C of cost is received as input. Here, the cost of edge e i, represents the cost to add a communications link corresponding to the communication network to the side e i.

演算部20は、BDD構築部30と、インデックス計算部32と、最適化計算部34と、記憶部40とを含んで構成されている。なお、BDD構築部30と、インデックス計算部32とは第1の実施の形態と同様の処理であるため説明を省略する。 The calculation unit 20 includes a BDD construction unit 30, an index calculation unit 32, an optimization calculation unit 34, and a storage unit 40. Since the BDD construction unit 30 and the index calculation unit 32 are the same processes as those in the first embodiment, the description thereof will be omitted.

最適化計算部34は、インデックス計算部32で計算されたインデックスと、各辺のコストc,...,cと、各辺の各々の動作確率p,...,pと、コストの上限Cとに基づいて、上記(4)式で表されるコストに関する所定の制約を満たすような辺の組み合わせを選択することにより、ネットワークを設計する。具体的には、最適化計算部34は、選択する辺の組み合わせのコストがコスト上限C以下となる制約を満たし、かつ、信頼度が最大となるように、辺の組み合わせを選択し、その組み合わせの信頼度を最大化するようなネットワークの構成を特定する情報として出力部50により出力する。 The optimization calculation unit 34 includes the index calculated by the index calculation unit 32, the costs c 1 , ..., c M of each side, and the operation probabilities p 1 , ..., p M of each side. The network is designed by selecting a combination of sides that satisfies a predetermined constraint on the cost represented by the above equation (4) based on the upper limit C of the cost. Specifically, the optimization calculation unit 34 selects an edge combination so that the cost of the selected edge combination satisfies the constraint that the cost upper limit C or less is equal to or less than the cost upper limit C, and the reliability is maximized, and the combination thereof. The output unit 50 outputs as information for specifying the network configuration that maximizes the reliability of the above.

記憶部40には、最適化計算部34において辺の組み合わせの候補毎に計算される、当該組み合わせに対応する通信ネットワークの最大の信頼度(信頼度の上限)の推定値が対応付けられて記憶される。 The storage unit 40 stores an estimated value of the maximum reliability (upper limit of reliability) of the communication network corresponding to the combination, which is calculated by the optimization calculation unit 34 for each candidate for the combination of sides. Will be done.

なお、インデックス計算部32のインデックス構築処理の詳細については第1の実施の形態と同様の処理であるため説明を省略する。ただし、コストの最大値Cは、任意の整数値を用いるのではなく、入力部10により受け付けたコスト合計の上限値であるコスト上限Cを用いる。 The details of the index construction process of the index calculation unit 32 will be omitted because the process is the same as that of the first embodiment. However, as the maximum cost value C, an arbitrary integer value is not used, but the cost upper limit C, which is the upper limit value of the total cost received by the input unit 10, is used.

次に最適化計算部34の最適化処理の詳細について、図8を用いて説明する。なお、以下ではxのi番目以下(つまり、x,x,・・・,xi)の要素にのみ値を割り当てた部分ベクトルをx≦iとして表現する。また、x≦iにおける各要素の取りうる値の組み合わせの各々を「状態」と呼ぶ。例えば、x≦2であれば、(0,0),(0,1),(1,0),(1,1)の各々が「状態」である。 Next, the details of the optimization process of the optimization calculation unit 34 will be described with reference to FIG. In the following, a partial vector in which values are assigned only to the i-th or lower elements of x (that is, x 1 , x 2 , ..., X i ) is expressed as x ≤ i. Further, each combination of possible values of each element in x ≤ i is called a "state". For example, if x ≦ 2 , each of (0,0), (0,1), (1,0), and (1,1) is a “state”.

最適化計算部34は、図8のステップ1で状態の集合を格納するリストOpenを初期化する。ステップ2で初期状態をOpenに追加する。次に、Openが空でない限り、スコアを最大とする状態x≦jを一つ選択する(ステップ3,4)。ここで、各状態におけるスコアとは、部分ベクトルx≦jの各要素の値が当該状態であるとしたときの通信ネットワークの信頼度の推定値である。詳しくは後述する。もしその状態x≦jに対応する部分ベクトルの大きさがMであったならば、それを解として出力して処理を終了する(ステップ6)。ここで、部分ベクトルの大きさとは、部分ベクトルの要素数であり、x≦jの大きさはjである。そうでないならば、x≦jのj+1番目の要素を1に設定した新しいベクトルx≦j+1 (1)と、j+1番目の要素を0に設定した新しいベクトルx≦j+1 (0)を作成する。それぞれについてスコアを計算してOpenに追加する(ステップ8〜13)。 The optimization calculation unit 34 initializes the list Open that stores the set of states in step 1 of FIG. In step 2, the initial state is added to Open. Next, unless Open is empty, one state x ≤ j that maximizes the score is selected (steps 3 and 4). Here, the score in each state is an estimated value of the reliability of the communication network when the value of each element of the partial vector x ≤ j is in the state. Details will be described later. If the magnitude of the partial vector corresponding to the state x ≤ j is M, it is output as a solution and the process ends (step 6). Here, the magnitude of the partial vector is the number of elements of the partial vector, and the magnitude of x ≦ j is j. If not, create a x ≦ j of j + 1-th new element was set to 1 vector x ≦ j + 1 (1), a new vector was set j + 1 th element to 0 x ≦ j + 1 a (0). Scores are calculated for each and added to the Open (steps 8-13).

上記の手順を繰り返し、ステップ3,4でOpenから取り出したスコア最大の部分ベクトルx≦jの大きさがMであったときに処理を終了する。各xは0または1の何れかの値をとり、x=1であれば通信ネットワークに辺eを追加することを意味する。よって、x≦Mのうちx=1となる辺eが、通信ネットワークに追加する辺となる。 The above procedure is repeated, and the process ends when the magnitude of the maximum score partial vector x ≤ j extracted from Open in steps 3 and 4 is M. Each x j takes a value of either 0 or 1, means adding the edge e j to the communication network if x j = 1. Thus, x j = 1 to become edge e j of the x ≦ M becomes the side to be added to the communication network.

すなわち、最適化計算部34は、辺の組み合わせ方の候補(x≦jのうちxi=1となる辺eiの組み合わせ)を、その組合せ方に対する最大信頼度の推定値とともにOpenに格納し、信頼度の推定値が大きいものから順番に展開・伸張させていく最良優先探索を実行することにより、通信ネットワークに追加する辺の組み合わせを選択する。このように、最良優先探索を実行し、通信ネットワークに追加する辺の組み合わせを選択する処理が、探索手段による処理(辺の集合に含まれる先頭の辺から順に、各辺を追加するか否かを決定することにより辺の組み合わせを求める処理)の一例である。また、Openへの格納が、記憶部40に、辺の組み合わせの候補毎に、当該組み合わせに対応する通信ネットワークの信頼度が対応付けて記憶されることの一例である。 That is, the optimization calculation unit 34 stores the candidate of the side combination method (the combination of the sides e i in which x i = 1 out of x ≤ j ) in Open together with the estimated value of the maximum reliability for the combination method. , Select the combination of edges to be added to the communication network by executing the best-first search that expands and expands in order from the one with the highest estimated reliability. In this way, the process of executing the best-first search and selecting the combination of edges to be added to the communication network is the process by the search means (whether or not to add each edge in order from the first edge included in the set of edges). This is an example of the process of finding the combination of edges by determining. Further, the storage in Open is an example in which the storage unit 40 stores the reliability of the communication network corresponding to the combination for each candidate of the side combination in association with each other.

図8ステップ10、13のスコアの計算について、図9の関数評価処理フローを用いて説明する。 The calculation of the scores in steps 10 and 13 of FIG. 8 will be described with reference to the function evaluation processing flow of FIG.

まず図9のステップ1、2で部分ベクトルx≦jに対応するコストの和sを計算し、辺動作確率p′jを設定する。次に、ステップ3で、上記図6の前向き計算フローの処理を用いて、カットノード集合Dに相当する配列F[i]の値を求める。その後、ステップ4で、インデックスAの値とF[i]の値を用いて信頼度のスコアを算出する。 First, in steps 1 and 2 of FIG. 9, the sum s of the costs corresponding to the partial vectors x ≦ j is calculated, and the edge motion probability p ′ j is set. Next, in step 3, the value of the array F j [i] corresponding to the cut node set D j is obtained by using the process of the forward calculation flow shown in FIG. Then, in step 4, the reliability score is calculated using the value of the index A and the value of Fj [i].

<本発明の第2の実施の形態に係るネットワーク設計装置の作用> <Operation of the network design device according to the second embodiment of the present invention>

次に、本発明の第2の実施の形態に係るネットワーク設計装置100の作用について説明する。入力部10において通信ネットワークの頂点集合V、端点の集合T⊆V、ネットワークに追加できる辺の集合E、各辺を追加するのに必要なコストc,...,c、各辺の動作確率p,...,p、コスト合計の上限値Cを受け付けると、ネットワーク設計装置100は、図10に示すネットワーク設計処理ルーチンを実行する。 Next, the operation of the network design device 100 according to the second embodiment of the present invention will be described. In the input unit 10, the vertex set V of the communication network, the end point set T⊆V, the side set E that can be added to the network, the cost required to add each side c 1 , ..., c M , and each side Upon receiving the operation probabilities p 1 , ..., p M , and the upper limit C of the total cost, the network design device 100 executes the network design processing routine shown in FIG.

まず、ステップS200では、入力部10で受け付けた、ネットワークの頂点集合Vと、ネットワークに追加できる辺の集合Eと、頂点集合Vのうちの端点の集合Tとに基づいて、グラフG=(V,E)において、全ての端点が接続される辺の組み合わせである故障パターンの集合を表現したBDDを構築する。 First, in step S200, the graph G = (V) based on the vertex set V of the network received by the input unit 10, the set E of the edges that can be added to the network, and the set T of the end points of the vertex set V. In (E), a BDD expressing a set of failure patterns, which is a combination of edges to which all the vertices are connected, is constructed.

次に、ステップS202では、ステップS200で構築されたBDDと、グラフGに各辺を追加する際に必要なコストc,...,cと、各辺の各々の動作確率p,...,pとに基づいて、上記図3に示すアルゴリズムに従って、BDDのノードbとコストsの組み合わせの各々に対し、ノードbに対応し、かつ、コストの合計がコストs以下となるように追加する辺の組み合わせを選択したときの信頼度の上限を表す値を格納したインデックスを計算する。 Next, in step S202, the BDD built at step S200, the cost c 1 needed to add each edge in the graph G, ..., and c M, the operation probability p 1 of each of the sides, ..., based on the p M, according to the algorithm shown in FIG. 3, for each of combinations of node b i and cost s of BDD, corresponds to a node b i, and the total cost is less cost s Calculate the index that stores the value that represents the upper limit of the reliability when the combination of edges to be added is selected.

ステップS204では、ステップS202で計算されたインデックスと、各辺の追加に必要なコストc,...,cと、各辺の各々の動作確率p,...,pと、コストの上限Cとに基づいて、選択する辺の組み合わせのコストがコスト上限C以下となる制約を満たし、かつ、信頼度が最大となるように、ネットワークに追加する辺の組み合わせを選択する。ここでは、上記図8に示すアルゴリズムに従って最良優先探索を行い、ネットワークに追加する辺の組み合わせを選択することにより、ネットワークを設計する。 In step S204, the index calculated in step S202, the costs c 1 , ..., c M required to add each side, and the operation probabilities p 1 , ..., p M of each side, respectively. Based on the upper limit C of the cost, the combination of the edges to be added to the network is selected so that the cost of the combination of the selected edges satisfies the constraint that the cost is equal to or less than the upper limit C of the cost and the reliability is maximized. Here, the network is designed by performing a best-first search according to the algorithm shown in FIG. 8 and selecting a combination of sides to be added to the network.

ステップS206では、ステップS204で設計された信頼度を最大化するようなネットワークの構成を出力部50により出力し、処理を終了する。 In step S206, the output unit 50 outputs the network configuration designed in step S204 that maximizes the reliability, and ends the process.

以上説明したように、本発明の第2の実施の形態に係るネットワーク設計装置によれば、構築されたBDDと、各辺の追加に必要なコストと、各辺の各々の動作確率とに基づいて、BDDのノードbとコストsの組み合わせの各々に対し、ノードbに対応し、かつ、コストの合計がコストs以下となるように追加する辺の組み合わせを選択したときの信頼度の上限を表す値を格納したインデックスを計算するインデックス計算部と、計算されたインデックスと、追加に必要な各辺の各々のコストと、各辺の各々の動作確率と、コストの上限Cとに基づいて、選択する辺の組み合わせのコストがコスト上限C以下となる制約を満たすようにネットワークに追加する辺の組み合わせを選択することにより、コスト制約を満たしつつ、通信の信頼度を最大化するネットワークを設計することができる。これにより、より耐障害性能の高いネットワークの設計に寄与することができる。 As described above, according to the network design device according to the second embodiment of the present invention, it is based on the constructed BDD, the cost required for adding each side, and the operation probability of each side. Te, for each of combinations of node b i and cost s of BDD, corresponds to a node b i, and the reliability when the total cost of the selected combinations of edges to be added to be equal to or less than the cost s Based on the index calculation unit that calculates the index that stores the value representing the upper limit, the calculated index, the cost of each side required for addition, the operation probability of each side, and the upper limit C of the cost. By selecting the combination of edges to be added to the network so that the cost of the combination of selected edges is less than or equal to the cost upper limit C, a network that maximizes the reliability of communication while satisfying the cost constraint can be created. Can be designed. This can contribute to the design of a network with higher fault tolerance.

なお、本発明は、上述した各実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and applications can be made without departing from the gist of the present invention.

20 演算部
30 BDD構築部
32 インデックス計算部
34 最適化計算部
50 出力部
100 ネットワーク設計装置
20 Calculation unit 30 BDD construction unit 32 Index calculation unit 34 Optimization calculation unit 50 Output unit 100 Network design device

Claims (5)

複数の機器を通信リンクで接続する通信ネットワークを設計するネットワーク設計装置であって、
複数の機器の各々を頂点とし、前記通信ネットワークに追加可能な通信リンクの各々を辺として前記通信ネットワークをグラフで表現するものとして、
前記頂点の集合と、前記辺の集合と、頂点集合の部分集合である端点の集合とに基づいて、前記通信ネットワークがとりうる故障パターンの集合を表現した二分決定グラフを構築するBDD構築部と、
前記二分決定グラフの終端ノードのうち、一部の辺が故障しても前記端点に対応する機器の各々が通信ネットワークにより通信可能であるようなネットワーク構造に対応する経路の終端ノードを第1終端ノードとして、
前記二分決定グラフと、予め定められた前記辺の集合に含まれる各辺のコストと、予め定められた前記辺の集合に含まれる各辺の動作確率とに基づいて、前記二分決定グラフのノードb(i=1,・・・,B、ただしBは前記二分決定グラフのノードの総数)と取りうるコストs(s=0,1,・・・,C、ただしCは所定の定数)の組み合わせの各々に対し、前記二分決定グラフの第一終端ノードからノードbに至る経路のうち、当該経路に対応する通信ネットワークのコストの合計がコストs以下となるように経路を選択したときの当該経路に対応する通信ネットワークの信頼度の上限を表す値を当該bとsの組に対応するインデックスとして計算するインデックス計算部と、
前記インデックスと、前記各辺のコストと、前記各辺の動作確率とに基づいて、前記信頼度とコストに関する予め定められた制約を満たすように前記通信ネットワークに追加する通信リンクに対応する辺の組み合わせを探索する最適化計算部と、
を含むネットワーク設計装置。
A network design device that designs a communication network that connects multiple devices with a communication link.
The communication network is represented graphically with each of the plurality of devices as the apex and each of the communication links that can be added to the communication network as an edge.
A BDD construction unit that builds a binary decision graph that expresses a set of failure patterns that the communication network can take based on the set of vertices, the set of edges, and the set of endpoints that is a subset of the set of vertices. ,
Among the terminal nodes of the dichotomy graph, the terminal node of the route corresponding to the network structure is the first terminal so that each of the devices corresponding to the end points can communicate with each other even if a part of the side fails. As a node
Nodes of the binary decision graph based on the binary decision graph, the cost of each side included in the predetermined set of sides, and the operation probability of each side included in the predetermined set of sides. b i (i = 1, ··· , B, provided that B is the total number of nodes of the BDD) cost s (s = 0,1, ···, C, but C is a predetermined constant) to a can take for each combination of, among the route to node b i from the first terminal node of the binary decision diagram, when the total cost of a communication network corresponding to the route selects a route to be equal to or less than the cost s and an index calculator for calculating a value representing the upper limit of the reliability of the communication network corresponding to the relevant route as an index corresponding to the set of the b i and s,
Based on the index, the cost of each side, and the operating probability of each side, the side corresponding to the communication link added to the communication network so as to satisfy predetermined constraints on the reliability and cost. An optimization calculation unit that searches for combinations, and
Network design equipment including.
前記最適化計算部は、
前記信頼度が予め定められた閾値θ以上となる制約を満たす辺の組み合わせのうち、前記コストが最小となる辺の組み合わせを探索することを特徴とする請求項1に記載のネットワーク設計装置。
The optimization calculation unit
The network design device according to claim 1, wherein among the combinations of sides that satisfy the constraint that the reliability is equal to or higher than a predetermined threshold value θ, the combination of sides that minimizes the cost is searched for.
前記最適化計算部は、前記辺の集合に含まれる先頭の辺から順に、各辺を追加するか否かを決定することにより前記辺の組み合わせを求める探索手段を含み、
前記辺の組み合わせの候補毎に、当該組み合わせに対応する通信ネットワークのコストを対応付けて記憶した記憶部をさらに備える
ことを特徴とする請求項2に記載のネットワーク設計装置。
The optimization calculation unit includes a search means for obtaining a combination of the edges by determining whether or not to add each edge in order from the first edge included in the set of edges.
The network design device according to claim 2, further comprising a storage unit that stores the costs of the communication network corresponding to the combination for each candidate for the combination of the sides.
複数の機器を通信リンクで接続する通信ネットワークを設計するネットワーク設計装置におけるネットワーク設計方法であって、
BDD構築部が、複数の機器の各々を頂点とし、前記通信ネットワークに追加可能な通信リンクの各々を辺として前記通信ネットワークをグラフで表現するものとして、前記頂点の集合と、前記辺の集合と、頂点集合の部分集合である端点の集合とに基づいて、前記通信ネットワークがとりうる故障パターンの集合を表現した二分決定グラフを構築するステップと、
インデックス計算部が、前記二分決定グラフの終端ノードのうち、一部の辺が故障しても前記端点に対応する機器の各々が通信ネットワークにより通信可能であるようなネットワーク構造に対応する経路の終端ノードを第1終端ノードとして、前記二分決定グラフと、予め定められた前記辺の集合に含まれる各辺のコストと、予め定められた前記辺の集合に含まれる各辺の動作確率とに基づいて、前記二分決定グラフのノードb(i=1,・・・,B、ただしBは前記二分決定グラフのノードの総数)とコストs(s=0,1,・・・,C、ただしCは所定の定数)の組み合わせの各々に対し、前記二分決定グラフの第一終端ノードからノードbに至る経路のうち、当該経路に対応する通信ネットワークのコストの合計がコストs以下となるように経路を選択したときの当該経路に対応する通信ネットワークの信頼度の上限を表す値を当該bとsの組に対応するインデックスとして計算するステップと、
最適化計算部が、前記インデックスと、前記各辺のコストと、前記各辺の動作確率とに基づいて、前記信頼度とコストに関する予め定められた制約を満たすように前記通信ネットワークに追加する通信リンクに対応する辺の組み合わせを探索するステップと、
を含むネットワーク設計方法。
It is a network design method in a network design device that designs a communication network that connects multiple devices with a communication link.
Assuming that the BDD construction unit graphically represents the communication network with each of the plurality of devices as vertices and each of the communication links that can be added to the communication network as sides, the set of vertices and the set of sides , A step of constructing a dichotomy graph representing a set of failure patterns that the communication network can take, based on a set of endpoints that is a subset of the set of vertices.
The index calculation unit terminates the route corresponding to the network structure such that each of the devices corresponding to the end points can communicate with the communication network even if some of the end nodes of the dichotomy graph fails. Based on the dichotomy graph, the cost of each side included in the predetermined set of sides, and the operation probability of each side included in the predetermined set of sides, with the node as the first terminal node. Te, the node b i BDD (i = 1, · · ·, B, provided that B is the total number of nodes of the BDD) cost s (s = 0,1, ···, C, except C is for each of combinations of a predetermined constant), among the route to node b i from the first terminal node of the binary decision diagram, so that the total cost of a communication network corresponding to the route becomes less cost s calculating a value representing the upper limit of the reliability of the communication network corresponding to the route when selecting a route as an index corresponding to the set of the b i and s in,
Communication added to the communication network by the optimization calculation unit so as to satisfy predetermined constraints on reliability and cost based on the index, the cost of each side, and the operation probability of each side. Steps to search for the combination of edges corresponding to the link,
Network design methods including.
コンピュータを、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のネットワーク設計装置の各部として機能させるためのプログラム。 A program for causing a computer to function as each part of the network design apparatus according to any one of claims 1 to 3.
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