[論文レビュー] Bounds for Energy-Efficient Survivable IP Over WDM Networks With Network Coding

Mohamed O. I. Musa, Taisir E. H. El-Gorashi+1 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Apr 9, 2018

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 22被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ネットワーク符号化を用いた1+1耐障害性IP over WDMネットワークにおけるエネルギー効率性の解析的境界および閉形式式を導出しており、XORベースの保護経路符号化により波長使用量を最小化することで、ループトポロジにおいて最大37.5%の電力節約を達成できることを示している。これらの境界は、従来のMILPおよびヒューリスティック手法の結果を検証し、計算コストの高いMILPモデルを走らせずに大規模ネットワークの効率的な性能評価を可能にする。

ABSTRACT

In this work, we establish analytic bounds for the energy efficiency of 1 + 1 survivable IP over WDM networks using network coding. The analytic bounds are shown to be in close agreement with our previously reported results. They provide verification of the MILP and heuristics proposed previously, in addition to an efficient, compact means to evaluate network results and allow the performance of large networks to be determined easily.

研究の動機と目的

• ネットワーク符号化を用いた1+1耐障害性IP over WDMネットワークにおけるエネルギー効率性の解析的境界を導出すること。
• 閉形式式を用いて、従来のMILPおよびヒューリスティック手法の結果を検証・補足すること。
• 計算コストの高いMILPモデルを走らせずに、大規模ネットワークの効率的な性能評価を可能にすること。
• 特にフルメッシュおよびループトポロジを含む規則的なトポロジにおいて、ネットワーク符号化によるエネルギー効率性を分析すること。
• 大規模ネットワークにおけるネットワーク符号化による漸近的電力節約量を定量すること。

提案手法

• 従来の1+1およびネットワーク符号化保護方式における総ホップ数および波長使用量の解析的式を導出する。
• エネルギー消費をモデル化する上で重要な要因として「特徴的ホップ数」の概念を導入する。
• ネットワークサイズおよび需要分布に基づき、フルメッシュおよびループトポロジにおける総ホップ数の閉形式式を構築する。
• 双方向保護経路をXOR演算で符号化することで、波長およびリソース使用量を削減する。
• 境界式を用いて、ループおよびメッシュトポロジにおける電力消費を評価し、MILPおよびヒューリスティック結果と比較する。
• MILPおよびヒューリスティックシミュレーションと照合することで、解析的結果の妥当性を検証し、5ノードループトポロジにおいて正確に一致することを示した。

Figure 5: Encoding pairs for two rings with different odd number of nodes

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットワーク符号化を用いた1+1耐障害性IP over WDMネットワークにおけるエネルギー効率性の解析的境界は何か？
• RQ2 導出された総ホップ数および波長使用量の閉形式式は、MILPおよびヒューリスティック結果とどのように比較されるか？
• RQ3 ループやフルメッシュなどの規則的トポロジにおいて、ネットワーク符号化によって得られる漸近的電力節約量は何か？
• RQ4 特徴的ホップ数は、ネットワーク符号化保護方式のエネルギー効率性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 MILPモデルを走らせずに、解析的境界は大規模ネットワークの性能を正確に予測できるか？

主な発見

• ネットワーク符号化による1+1保護の解析的境界は、MILPおよびヒューリスティック結果と完全に一致しており、従来の計算モデルの妥当性が裏付けられた。
• 偶数ノードを有するループトポロジでは、ネットワークサイズが増加するに従い、電力節約率が漸近的に37.5%に収束する。
• フルメッシュトポロジでは、ネットワーク符号化の下で漸近的電力節約率は約16.7%に達する。
• OSHヒューリスティックは、他のヒューリスティック（例：w-w, w-p, p-w, p-p）が約15%の節約にとどまるのに対し、最大37.5%の高い節約を達成する。
• 奇数-1と奇数-2のループケース間の節約差は、偶数-1と偶数-2のケース間の差よりも大きいが、これは符号化されていないノード数（1 vs. 3）に起因する。
• ループトポロジにおける総ホップ数の解析的式は、$ h_{t}(even2) = \frac{N(N-2)(3N-2)}{8} $ として導出され、$ N \to \infty $ の極限で37.5%の節約に収束する。

Figure 6: Encoding pairs for two rings with different even number of nodes