(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送されたデジタル信号を含むパケットを一時的に保管するキューと、前記のキューに前記の伝送されたデジタル信号を含むパケットを保管する手段と、前記キューに保管されたパケットを順次取り出して処理する信号処理装置とを備え、予め決められたキュー長についての閾値が設けられており、その閾値とキューに保持できるパケット数の最大値との間にパケットを保管する領域が設けられ、また、パケットには、予め決められた廃棄レベルが設けられた構成において、キュー長が上記の閾値よりも小さければ、この閾値に達するまでは、すべてのパケットを順次キューに入れる手続きと、また、前記キュー長が上記の閾値以上になる場合、予め決められたパケットの廃棄レベルによって、格納する位置を順次キューに入れる場合の位置から変える手続きと、前記キューに保管されたパケットを順次取り出して処理する手続きとを備えることを特徴とするパケットスイッチのバッファ管理方法。
【請求項２】
上記の廃棄レベルには、２段階の順位が設けられており、キュー長が閾値以上のとき、廃棄レベル１のパケットを上記のキューに配置する際に、
廃棄レベル１のパケットが閾値以降にある場合は、廃棄レベル２のパケットの有無に関わらず、廃棄レベル１のパケット群の直後に配置し、
廃棄レベル１のパケットが閾値以降にない場合は、閾値の位置にパケットを配置し、このとき、配置される位置に廃棄レベル２のパケットがあれば、廃棄レベル２のパケットを棄却することを特徴とする請求項１に記載のパケットスイッチのバッファ管理方法。
【請求項３】
Ｐを自然数として、上記の廃棄レベルにはＰ段階の順位が設けられており、予め決められたそれぞれのキュー長についての閾値がＰ−１個設けられており、廃棄レベルｋを含むより優先側のレベルを第１の領域とし、廃棄レベルｋを含まないより非優先側のレベルを第２の領域とし、最後方の閾値でないｋ番目の閾値について、キュー長が、後方からｋ番目の閾値以上で、（ｋ−１）番目の閾値を超えない範囲にあるとき、第１の領域に属するパケットを上記のキューに配置する際に、第１の領域に属するパケットが前記の範囲にある場合は、第２の領域に属するパケットの有無に関わらず、第１の領域に属するパケット群の直後に配置し、第１の領域に属するパケットが前記の範囲にない場合は、前記後方からｋ番目の閾値の位置にパケットを配置する、ただし、その配置される位置に第２の領域に属するパケットがあれば、その第２の領域に属するパケットを棄却することを特徴とする請求項１に記載のパケットスイッチのバッファ管理方法。
【請求項４】
第１の複数の光路に繋がれた第１の光路選択手段と、遅延時間の異なる第2の複数の光路と、第2の複数の光路に繋がれた第2の光路選択手段と、第１の光路選択手段と第2の光路選択手段とを制御する制御装置と、前記制御装置には、第１の光路選択手段に光パケットが到達する前に前記制御装置に前記光パケットに関する情報が配信される構成とを有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のパケットスイッチのバッファ管理方法を用いた光パケットスイッチ。
【請求項５】
第１の光路選択手段と第2の光路選択手段とは、光スイッチを用いて構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のパケットスイッチのバッファ管理方法を用いた光パケットスイッチ。
【請求項６】
第２の光路選択手段は、波長変換器と波長フィルタとを用いて構成したことを特徴とする請求項５に記載の光パケットスイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、バッファ容量に限りがあるパケットスイッチにおいて、優先度の高いパケットをより転送しやすくために使用するパケットスイッチのバッファ管理方法とそれを用いた光パケットスイッチに関し、特に、複数の光ファイバを用いて構成する光バッファを用いる光パケットスイッチにおいて有効なもので、優先度の低いパケットの棄却率（入力したパケット数に対する棄却されたパケット数）を高くし、優先度の高いパケットの棄却率を小さくすることができるものに関している。
【０００２】
【従来の技術】
多量の情報を効率的に伝送できる光通信技術の進展に伴ない、さらに高いスループットを実現するために、伝送路だけでなくパケット交換にも光技術が導入されつつある。一般に、パケット交換では、パケット転送処理が行われ、これには、パケットスイッチが用いられる。このためのパケットスイッチの機能は、（１）宛先検索、（２）交換、（３）バッファ管理、（４）バッファリング、（５）経路制御、の５つに大きく分類できる。一般には、上記の（２）あるいは（４）の機能を光化したパケットスイッチが光パケットスイッチと呼ばれる。これは、光スイッチと光バッファで構成されて、データを光信号のまま転送することにより、広帯域特性をもつ。さらに、最近では、多波長ラベル処理や光符号ラベル処理などの光アナログ処理によって、上記の（１）宛先検索を高速で処理できるようになった。これらのラベル処理を光スイッチと組合せると、超高性能の１入力×Ｎ（自然数）出力の光パケットスイッチが構成できる。以下では、上記の（１）、（２）および（４）の機能を光のまま処理するパケットスイッチを光パケットスイッチと呼ぶ。
【０００３】
また、上記の（３）バッファ管理を改善することにより、光パケットスイッチの転送能力をさらに改善することができる。従来、この（３）バッファ管理には、電子回路による論理回路を用いてきた。これは、実用レベルにある光論理回路がないためである。
【０００４】
バッファ管理の目的のひとつは、パケットの衝突を防止することである。パケット交換ネットワークでは、同時にパケットがパケットスイッチに到着した場合には、バッファにパケットを格納して衝突を回避する。図１は、一般的に用いられるバッファの状態を表すキューを示す図である。例えば、現在のインターネットでは、図１のように、優先制御を行なわないパケット転送が行なわれている。パケットスイッチに到着したパケットは、優先度に関係なく、バッファに空きがあればそれに格納される。
【０００５】
また、上記のバッファには、半導体メモリが使われることが多い。しかし、半導体メモリを用いない光パケットスイッチでありながら、バッファをもった光バッファ制御実装方式が、文献１（葉原敬士、三条 広明、西沢 秀樹、小川 育夫、須崎 泰正、“波長ルーチング型大容量光パケットスイッチの開発”、 電子情報通信学会技術研究報告(SSE99-148), 2000年2月.）、あるいは、文献２（David K. Hunter and Meow C. Chia and IvanAndonovic, “Buffering in Optical Packet Switches”, IEEE/OSA Journal ofLightwave Technology, Vol. 16, No. 12, pp. 2081-2094, December 1998.）に報告されている。
【０００６】
既に知られている光バッファには、長さの異なる複数の光ファイバが用いられている。これは、遅延時間の異なる光遅延線であり、その遅延時間の間、蓄えられる。この光遅延線に割当てるパケットを制御することで、パケット同士の衝突を回避できることは知られている。この際、任意時刻でのパケット取り出しができないため、出力時のパケットの衝突を防ぐ必要があり、このため、光バッファに入れるに当たり、何らかのバッファ管理手法を用いて遅延時間を管理する必要があった。
【０００７】
また、図４に、従来の光パケットスイッチアーキテクチャの例として、Ｎ入力×Ｎ出力光パケットスイッチのＮ個の１入力×Ｎ出力バッファレスパケットスイッチとＮ個のＮ入力×１出力バッファからなる構成を示す。それぞれの１入力×Ｎ出力スイッチとＮ入力×１出力バッファは実質的に格子状に接続される。上記の１入力×Ｎ出力パケットスイッチの性能を十分に発揮するＮ入力×Ｎ出力パケットスイッチを構成するためには、同時に到着する複数のパケットも充分に短い時間で処理することが必要であり、それゆえ、計算量の少ないバッファ管理方式の適用が重要である。
【０００８】
上記の、１入力×Ｎ出力バッファレスパケットスイッチでは、光宛先検索機能により高速宛先検索が可能である。その結果、Ｎ入力×Ｎ出力光パケットスイッチは高ノードスループットを示す。しかし、パケットの衝突を避け、棄却率を改善するためにはバッファが必要であり、Ｎ入力×Ｎ出力パケットスイッチの各出力ポートにＮ入力×１出力バッファが接続されている。
【０００９】
また、最近、多様なアプリケーションの出現によってネットワークによる優先制御の提供が望まれている。これは、パケットに優先度を設けて伝送するものであり、優先度の低い場合は、棄却される場合もある。このような優先パケット転送を実現するバッファ管理方式には、部分バッファ共有方式（ＰＢＳ；Partial Buffer Sharing）、プッシュアウト方式（ＰＯ； Push Out）等があり、これらについては文献３（Y. Lin and J.A. Silverster, “Priority Queuing Strategies and Buffer Allocation Protocols forTraffic Control at an ATM Integrated Broadband Switching System”, IEEE Journalon Selected Areas in Communications, Vol. 9, No. 9, pp. 1524-1536, December1991）に記載されている。
【００１０】
部分バッファ共有方式（ＰＢＳ）では、図２に示す様に、バッファ内パケット数が閾値を超える場合には新たに到着する非優先パケットのバッファへの格納を許さない。バッファ内パケット数の管理は一つの変数（キュー長）で行なっており、パケットの到着と時間の経過に応じてその値を変化させる。ＰＢＳでは、キュー長、すなわち、キューに入るパケット長の和（あるいはパケット数）について閾値が予め定められる。キュー長が閾値よりも小さければ、すべてのパケットはキューに入る。一方、キュー長が閾値以上であれば、優先パケット（以降、廃棄レベル１のパケット）のみがキューに格納され、非優先パケット（廃棄レベル２）は棄却される。その変数の変更に要する計算量は少なく、比較的短い時間でパケット処理が可能である。この方式では、優先転送制御を行なわない方法による転送と比べると、全体のパケット棄却率がかなり大きくなる。しかし、優先度の高いパケットの棄却率を優先度の低いパケットの棄却率よりも低くすることが可能である。
【００１１】
また、プッシュアウト方式（ＰＯ）方式では、バッファが一杯の時に、優先度の高いパケットが到着すると、すでにバッファにある優先度の低いパケットを追いだして格納する。それによって、ＰＢＳと同様に優先度の高いパケットの棄却率を優先度の低いパケットの棄却率よりも低くすることが可能である。また、ＰＢＳよりも全体のパケット棄却率が小さく、優先制御をしない場合と同じ性能を達成できる。しかし、ＰＯ方式では、パケット数を管理するだけでなく、どこに非優先のパケットがあるかを管理する必要があり、バッファ内パケットの管理が複雑である。この管理では、非優先のパケットの所在情報は、どのパケットを棄却するの判断に使われるだけでなく、棄却されたパケットがあった位置をつめる処理も行なう。それより後方に位置する優先パケットを前方につめ、最後方に到着した優先パケットを格納する処理にも使われる。
【００１２】
従来の電子バッファを持つルータやＡＴＭスイッチでは、バッファを複数に分割し、それぞれを一つのキューとして管理するバッファ管理方法が知られている。このバッファ管理方法を用いた複数キュー方式は、キューを個々に管理し、バッファ管理装置が同時に取り出すパケットは、一つのキューからのものに制限するため、優先制御に有効な方式である。
【００１３】
一方、この複数キュー方式を、光ファイバ遅延線バッファによる複数キューによって実現するのは難しい。これは、それぞれの光ファイバ遅延線バッファでは固有の遅延時間のみが許されるためである。
【００１４】
また、単一キューによる方法としては、上記に説明した部分バッファ共有方式（ＰＢＳ）が既に知られている。また、単一キューによる他の優先制御方式としては、ＨＯＬ（Head-of-the-Line）優先キュー制御が文献４（L.Kleinrock, Queueing systems Volume II: Computer applications. AWiley-Interscience Publication, 1976.）に、また、プッシュアウト方式（ＰＯ： Push Out）が文献３に記載されている。前記のＨＯＬ優先キュー制御方式あるいはプッシュアウト方式（ＰＯ）では、パケットの優先度に関わらずバッファのすべてを共有するので、それらの方式では光バッファの使用効率は高くなる。ただし、ＨＯＬ方式では、廃棄レベル１のパケットが到着すると、キュー内にある非優先パケットは一つずつ後にずらされる。また、ＰＯ方式では、バッファが一杯の時に優先パケットが到着すると、キュー内で一番後にある非優先パケットが棄却され、それより後方の優先パケットが一つずつ前に移動する。このため、最大キュー長をＢとすると、上記のＨＯＬ優先キュー制御方式あるいはプッシュアウト方式（ＰＯ）では、いずれの場合も、アルゴリズムに従った計算量は、Ｂに依存した値になる。このように計算量が比較的多いことはバッファ管理の速度低下を招き、光パケットスイッチを伝送速度の高い領域で使用する場合は、簡単なＰＢＳ方式の方がＨＯＬあるいはＰＯ方式と比べてより有効である場合が多い。
【００１５】
また、ＰＢＳのような優先制御は、上記の文献２あるいは文献５（S. L. Danielsen and B. Mikkelsen and C.Joergensen and T. Durhuus and K. E. Stubkjaer, “WDM Packet Switch Architecturesand Analysis of the Influence of Tunable Wavelength Converters on thePerformance”, IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No. 2,pp.219-227, February 1997.）に示された空間型スイッチを用いたバッファ方式を用いれば実現可能であるが、特に、本願発明が後に説明する様に、ＰＢＳ方式を拡張した部分上書きバッファ共有方式である点において先の発明とは相異している。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来のパケットスイッチのバッファ管理方法とそれを用いた光パケットスイッチについて、ＰＢＳ方式ではキューに入るパケット長が予め決められた閾値よりも小さければ、すべてのパケットはキューに入るが、パケット長が閾値以上であれば、優先パケットのみがキューに格納されて、非優先パケットは棄却されてしまい、一部のバッファは優先パケットのみにしか使用されず、使用効率がわるくなり、全体の性能がわるくなる。また、ＨＯＬ優先キュー制御方式あるいはプッシュアウト方式（ＰＯ）では、いずれの場合も、アルゴリズムに従った計算は、その量が比較的多く、バッファ管理の速度低下が起きてしまう。
【００１７】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、高い周波数帯域での動作が可能で、優先度の低いパケットの棄却率を高くし、優先度の高いパケットの棄却率を小さくすることができるパケットスイッチのバッファ管理方法とそれを用いた光パケットスイッチを提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明における第１の発明は、パケットスイッチのバッファ管理方法に関し、伝送されたデジタル信号を含むパケットを一時的に保管するキューと、前記のキューに前記の伝送されたデジタル信号を含むパケットを保管する手段と、前記キューに保管されたパケットを順次取り出して処理する信号処理装置とを備え、予め決められたキュー長についての閾値が設けられており、その閾値とキューに保持できるパケット数の最大値との間にパケットを保管する領域が設けられ、また、パケットには、予め決められた廃棄レベルが設けられた構成において、キュー長が上記の閾値よりも小さければ、この閾値に達するまでは、すべてのパケットを順次キューに入れる手続きと、また、前記 キュー長が上記の閾値以上になる場合、予め決められたパケットの廃棄レベルによって、格納する位置を順次キューに入れる場合の位置から変える手続きと、前記キューに保管されたパケットを順次取り出して処理する手続きとを備えることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明における第２の発明は、パケットスイッチのバッファ管理方法に関し、高い周波数帯域での動作を可能にするために、第１の発明に加えて、上記の廃棄レベルには、２段階の順位が設けられており、キュー長が閾値以上のとき、廃棄レベル１のパケットを上記のキューに配置する際に、廃棄レベル１のパケットが閾値以降にある場合は、廃棄レベル２のパケットの有無に関わらず、廃棄レベル１のパケット群の直後に配置し、廃棄レベル１のパケットが閾値以降にない場合は、閾値の位置にパケットを配置し、このとき、配置される位置に廃棄レベル２のパケットがあれば、廃棄レベル２のパケットを棄却することを特徴としている。
【００２０】
また、本発明における第３の発明は、パケットスイッチのバッファ管理方法に関し、複数の閾値を用いることにより適切な廃棄率を実現するために、第１の発明に加えて、Ｐを自然数として、上記の廃棄レベルにはＰ段階の順位が設けられており、予め決められたそれぞれのキュー長についての閾値がＰ−１個設けられており、廃棄レベルｋを含むより優先側のレベルを第１の領域とし、廃棄レベルｋを含まないより非優先側のレベルを第２の領域とし、最後方の閾値でないｋ番目の閾値について、キュー長が、後方からｋ番目の閾値以上で、（ｋ−１）番目の閾値を超えない範囲にあるとき、第１の領域に属するパケットを上記のキューに配置する際に、第１の領域に属するパケットが前記の範囲にある場合は、第２の領域に属するパケットの有無に関わらず、第１の領域に属するパケット群の直後に配置し、第１の領域に属するパケットが前記の範囲にない場合は、前記後方からｋ番目の閾値の位置にパケットを配置する、ただし、その配置される位置に第２の領域に属するパケットがあれば、その第２の領域に属するパケットを棄却することを特徴としている。
【００２１】
また、本発明における第４の発明は、上記のバッファ管理方法を用いた光パケットスイッチに関し、第１の複数の光路に繋がれた第１の光路選択手段と、遅延時間の異なる第2の複数の光路と、第2の複数の光路に繋がれた第2の光路選択手段と、第１の光路選択手段と第2の光路選択手段とを制御する制御装置と、前記制御装置には、第１の光路選択手段に光パケットが到達する前に前記制御装置に前記光パケットに関する情報が配信される構成とを有することを特徴としている。
【００２２】
また、本発明における第５の発明は、上記のバッファ管理方法を用いた光パケットスイッチに関し、制御の容易な構成とするために、第１ないし第３のいずれかの発明に加えて、第１の光路選択手段と第2の光路選択手段とは、光スイッチを用いて構成されていることを特徴としている。
【００２３】
また、本発明における第６の発明は、上記のバッファ管理方法を用いた光パケットスイッチに関し、高い周波数帯域での動作を可能にするために、第５の発明に加えて、第２の光路選択手段は、波長変換器と波長フィルタとを用いて構成したことを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。上記のＰＢＳ方式は計算量が小さいので、光バッファの管理手法として有用であるが、バッファの使用効率の低下をまねく。そこで、本発明では、バッファ使用効率を改善する手法として、ＰＢＳ方式を拡張した部分上書きバッファ共有方式（ＰＢＳＯ；PBSwith Overwriting）を提案する。この、ＰＢＳＯ方式の計算量は、廃棄レベルの数に依存している。想定される通常の場合、廃棄レベルの数は２または３であり、最大キュー長に比べて非常に小さく、ＨＯＬあるいはＰＯ方式の計算量と比べて無視できる。
【００２５】
ＰＢＳＯ方式は、キュー長が閾値に達するまでは、ＰＢＳ方式のバッファ管理と同様に処理する。つまり、パケット長が閾値よりも小さければ、すべてのパケットをキューに入れる。また、キュー長が閾値以上になると、パケットの廃棄レベルによって、格納する位置を変える。具体的には、廃棄レベル２のパケットはキューの最後方に格納される。廃棄レベル１のパケットは、廃棄レベル１のパケットが閾値以降にあれば、廃棄レベル２のパケットの有無に関わらず、廃棄レベル１のパケット群の直後に格納される。廃棄レベル１のパケットが閾値以降になければ、閾値の位置にパケットを格納する。このとき、格納される位置に廃棄レベル２のパケットがあれば、そのパケットを棄却（上書き）する。上書きされた廃棄レベル２のパケットはパケット損失と見なされる。
【００２６】
説明を簡単にするために、以下では、パケットは固定長で、同期してＮ入力×Ｎ出力の光パケットスイッチに到着すると仮定する。キュー長をキュー内のパケット数で表わす。最大Ｎパケットが光バッファに同時に到着するがこれらの全てのパケットについて、バッファ管理装置は、１パケット長に相当する時間Ｔ以内に、それぞれのパケットを振り分けるそれぞれのファイバ遅延線を求めねばならない。
【００２７】
ＰＢＳＯ方式におけるパケット処理の手順を図５に示すフローチャートに沿って以下に述べる。まず、バッファ管理装置は、同時に到着するパケットをスイッチのポート番号順のラウンドロビンによって巡回的に処理するものとし、また、廃棄レベル１あるいは２のパケットを格納するバッファのそれぞれの位置を示す変数として、Ｘ1、Ｘ2をそれぞれ導入する。
【００２８】
１）  バッファ管理装置は、パケットがポートに到着していれば、Ｘ1とＸ2の情報を基にパケットをキューに格納する。ただし、最大キュー長（Ｂ）について、Ｘ1＝Ｂであれば、廃棄レベル１のパケットを棄却し、Ｘ2＝Ｂでは廃棄レベル２のパケットを棄却する。以上の処理を行なった後、以下のようにＸ1とＸ2を変更する。
【００２９】
２）  キュー長が閾値（Ｂ2）より小さければ、パケットの廃棄レベルに関わらず次のパケットの格納位置を一つ後方に設定する、
Ｘ1←（Ｘ1＋１）、Ｘ2←（Ｘ2＋１）。
【００３０】
３）  キュー長が閾値以上の状態で、廃棄レベル２のパケットが到着した時には、廃棄レベル２の格納位置のみを一つ後方に設定する、
Ｘ2←（Ｘ2＋１）。
【００３１】
４）  キュー長が閾値以上の状態で、廃棄レベル１のパケットが到着した時には、廃棄レベル１  のパケットの格納位置を一つ後方にする。この際、廃棄レベル２の格納位置が廃棄レベル１の格納位置より前方に来ないように処理を行なう、
Ｘ2←ｍａｘ（Ｘ1＋１；Ｘ2）、Ｘ1←（Ｘ1＋１）、
ここでｍａｘは括弧内の数値の最大値を表わす。
５）  Ｘ1＝ＢではＸ1を変更しない。また、Ｘ2＝Ｂでも同様にＸ2を変更しない。
【００３２】
６）  すべてのポートのパケット処理が終わると、キュー長は１だけ短かくなる。この時、キュー長が閾値以下であれば、
Ｘ1←（Ｘ1−１）、Ｘ2←（Ｘ2−１）。
キュー長が閾値より上であれば、
Ｘ1←ｍａｘ（Ｘ1−１；Ｂ2）、Ｘ2←（Ｘ2−１）。
【００３３】
次に、ＰＢＳＯ方式におけるパケット処理の概要を図６を用いて例示する。図６（ａ）は最大キュー長（Ｂ）とその閾値（Ｂ2）との関係を表わす。例えば、図６（ｂ）の様に、キュー長が４、すなわち、１パケットがキューの先頭にあり、３パケットが待機する状況を想定する（図６（ｂ））。ここでさらに、５パケット（廃棄レベル１、１、２、２、１の順）が同時にパケットスイッチに到着するものとする。これらのパケットが格納される１パケット時間経過後には既に格納されるパケットは一つ先に進むので、廃棄レベル１あるいは２のパケットを格納するバッファのそれぞれの位置Ｘ1とＸ2は、図に示した位置である。到着した５パケットの最初の２つのパケット（廃棄レベル１）は、処理時点におけるキュー長が閾値より小さいので、図６（ｃ）のようにキューに格納される。次の２つの廃棄レベル２のパケットはキューの一番後方に格納される。この時のＸ1、Ｘ2の状態は図６（ｃ）に示される。最後のパケットは図６（ｄ）のようにＸ1の位置に格納される。結果として、１個の廃棄レベル２のパケットが廃棄レベル１のパケットに上書きされる。
【００３４】
次に、上記のＰＢＳＯ方式のための光バッファ構成について説明する。光バッファ構成には文献２、文献５あるいは文献６（D. K. Hunter and I.Andonovic, “Approaches to optical Internet packet switching”, IEEECommunications Magazine, vol. 38, pp. 116-122, Sep 2000）に記載されている一段構成や、文献２、文献６あるいは文献７（K.Habara et al., “Large-capacity photonic packet switch prototype usingwavelength routing techniques,” IEICE Transactions on Communications, vol. E83-B,pp. 2304-2311, Oct 2000.）に記載された多段構成、あるいは文献２あるいは文献６に記載された周回構成があるが、バッファ管理を簡単に行なうためには、内部棄却のない一段構成が効果的である。
【００３５】
図７にＰＢＳＯ方式を実現する空間スイッチ型の一段バッファ構成の光パケットスイッチのブロック図を示す。この光パケットスイッチに用いられる光バッファは、バッファ管理装置１、空間スイッチである光スイッチ２、光ファイバ遅延線３、波長変換装置４、光カプラ５、波長フィルタ６から構成される。光ファイバ遅延線数は最大キュー長Ｂと等しい。文献２あるいは文献５に記載された従来の空間スイッチ型一段バッファでは、遅延線より前方で光信号処理を行なっており、図７の構成と異なる。図７に示す構成では、パケットが光バッファに到着する時間Ｔ前に、パケットが光バッファへ到着したことを示す信号が、バッファ管理装置１に到着する。バッファ管理装置１は、ＰＢＳＯ方式に従って時間Ｔ以内に最大Ｎ個のパケットについて、光ファイバ遅延線３に振向けるための処理を行う。バッファ管理装置１は、その結果を基に、光スイッチ２と波長変換装置４を制御する。前段の光スイッチ２は、パケットを入れる光ファイバ遅延線３を選択するか、パケットを棄却するために用いられる。一方、後段の波長変換装置４では、上書きされて棄却されるパケットの波長を変換する。光の波長を変換する方法は、既にいくつか知られており、例えば４光波混合による方法や、光変調による方法、等によって行うことができる。その後、波長フィルタを用いて、波長変換装置で変換されなかった波長のみを取りだすことにより、ＰＢＳＯ方式が実現する。
【００３６】
なお、波長変換装置４以降を光スイッチに置きかえてもＰＢＳＯ方式の光パケットスイッチを実現することができる。この場合を図８に示す。この光パケットスイッチに用いられる光バッファは、バッファ管理装置１、空間スイッチである光スイッチ２、光ファイバ遅延線３、空間スイッチである光スイッチ７から構成される。波長変換を行なうかわりに、出力方路と違う方向にパケットを向けると、上書されるパケットは棄却される。この処理によってＰＢＳＯ方式が実現する。
【００３７】
また、ＰＢＳＯ方式の光パケットスイッチは分配選択型の一段バッファを用いても実現でき、図９にその構成例を示す。この構成では、到着パケットは分岐され、すべてファイバ遅延線３に入る。したがって、ＰＢＳＯ方式を実現するためには、バッファ管理装置１でＰＢＳＯ方式にしたがって遅延時間を求め、この情報をもとに光ゲート９を制御する。たとえば、バッファ管理装置１が、遅延ｋ×Ｔを到着パケットに与える場合には、ｋを適当な自然数として図９中“＋ｋＴ”で示した（ｋ＋１）番目の光ゲートを、パケットが到着してｋ×時間Ｔ経過後に導通させればよい。その結果、出力ポートには、所望のパケットのみが向かうことになる。パケットの上書きは、上書きされる廃棄レベル２のパケットがゲートに到着した時にゲートを導通しないことで実現できる。なお、ファイバ遅延線群は１入力しか持たないため、Ｎ×１バッファを構成するためには、Ｎ個のバッファ遅延線群が必要になる。
【００３８】
次にＰＢＳ方式とＰＢＳＯ方式のパケット損失性能を示し、ＰＢＳＯ方式の特性を説明する。まず、両方式が異なる廃棄レベルを提供することを示す。次に、ＰＢＳＯ方式によりバッファの使用効率が改善されること、および、廃棄レベル１と２のパケット棄却率性能がともに改善されることを示す。
【００３９】
上記の特性を評価するために、１６×１の図８に示した光パケットスイッチのシミュレーションを行なった。その際、各入力ポートに、パケットは同期して到着し、その過程は、レートρ/16のベルヌーイ過程に従うものとした。到着する廃棄レベル１のパケットと廃棄レベル２のパケットの比を変えて、１：３、１：１、３：１に設定した。光パケットスイッチの遅延線数を、Ｂ＝１５に固定した。シミュレーション時間は１０9（10の９乗）パケット分の時間行なった。
【００４０】
ＰＢＳ方式、ＰＢＳＯ方式、および優先制御を行なわない方式のパケット棄却率を図１０から図１４に示す。縦軸はパケット損失率を表わし、横軸は各ポートへのパケットの到着率を示す。なお、ＰＢＳの閾値Ｂ２は１１と１２とした場合を示し、ＰＢＳＯの閾値は１０と１１と１２とした場合を示す。
【００４１】
図１０と図１１は、廃棄レベル１と２のパケット比が等しい場合の、各廃棄レベル１あるいは２、および平均のパケット損失率を示す。図１０よりわかるように、ＰＢＳ方式により、廃棄レベル１のパケット棄却率を優先制御のない場合よりも減少させることができる。これは、文献３で報告された結果と同様である。この性能は、廃棄レベル２のパケット棄却率を増やすことで改善される。また、ＰＢＳＯ方式は、上記のＰＢＳ方式と同様の性能傾向を示す。
【００４２】
また、図には示していないが、廃棄レベルの違いによる性能の違いは、遅延線数Ｂを１５から２０あるいは２５に変更しても現れることを確認した。したがって、ＰＢＳ方式もＰＢＳＯ方式も、異なるパケットの廃棄レベルを提供することが可能である。
【００４３】
次に、ＰＢＳＯ方式の性能特性を調べるために、ＰＢＳ方式とＰＢＳＯ方式において閾値Ｂ２が同じ値をもつ場合を比較すると以下の特徴がある事がわかる。まず、図１０より、ＰＢＳＯ方式の廃棄レベル２のパケット棄却率は、ＰＢＳ方式のそれと比較して良好である。一方、ＰＢＳＯ方式の廃棄レベル１のパケット棄却率（入力した廃棄レベル１のパケット数に対する廃棄された廃棄レベル１のパケット数）は、ＰＢＳ方式よりも劣る。これは次のように説明できる。ＰＢＳ方式と異なり、ＰＢＳＯは閾値を超えても廃棄レベル２のパケットをバッファに格納する。そのパケットが時間の経過により閾値より前方に移動すると、その後に廃棄レベル１のパケットが到着しても、上書きされることはない。したがって、ＰＢＳよりも棄却される廃棄レベル２のパケットは少ない。一方、廃棄レベル１のパケットは、キュー長が閾値を超えても、閾値より後方の廃棄レベル２のパケットは上書きできるため、その部分での性能劣化はない。しかし、時間の経過によってキュー長が閾値以下になると、上書きされなかった廃棄レベル２のパケットを上書きできない。この時、大量にパケットが到着すると廃棄レベル１のパケットがＰＢＳ方式より棄却されやすくなる。ＰＢＳＯは廃棄レベル１のパケット棄却率性能を劣化するが、図１１に示すように平均パケット損失率は良好である。すなわち、ＰＢＳＯのバッファ使用効率はＰＢＳより良好である。
【００４４】
さらに、ＰＢＳＯ方式とＰＢＳ方式の性能を比較する。図１０を見ると、適切にＰＢＳＯ方式の閾値を設定すれば、わずかではあるが廃棄レベル１、廃棄レベル２のパケット棄却率が共にＰＢＳ方式よりも減少することがわかる。例えば、Ｂ２＝１２のＰＢＳ方式とＢ２＝１１のＰＢＳＯ方式、Ｂ２＝１１のＰＢＳ方式とＢ２＝１０のＰＢＳＯ方式を比較するとその傾向にあてはまる。いずれの廃棄レベルの性能も改善される結果、ＰＢＳＯは平均パケット棄却率も改善される（図１１）。
【００４５】
最後に、到着するパケットの廃棄レベルの比が異なる場合の、ＰＢＳ方式とＰＢＳＯ方式の性能の差を調べる。図１２と図１３は廃棄レベル１と２の比が１対３で到着する場合の、各廃棄レベルおよび平均のパケット棄却率を示す。この場合は、図１０よりも廃棄レベルの違いによる性能差が大きくなることがわかる。さらに、適切な閾値の設定により、どちらの廃棄レベルにおいても、ＰＢＳＯの性能がＰＢＳの性能を上回る。例えば、ＰＢＳにおいてＢ２＝１２の性能よりも、ＰＢＳＯにおけるＢ２＝１１の性能は良好で、ＰＢＳＯにおける廃棄レベル１のパケット棄却率は、ＰＢＳの棄却率のおよそ半分になる。図１３からわかるように、到着率が０．７程度までの領域では、平均パケット棄却率もＰＢＳＯがＰＢＳのおよそ半分になる。一方、図１４に廃棄レベル１と２の比が３：１で到着する場合の、各廃棄レベルのパケット棄却率を示す。図１０、図１２と比較すると、廃棄レベル１と２との性能差がさらに近づくことがわかる。その結果、ＰＢＳとＰＢＳＯの性能差も近づいている。以上の結果より、廃棄レベル１のパケットの占める比率が小さいほど、ＰＢＳＯ方式が優位になることがわかる。
【００４６】
本発明の閾値の変更による傾向は、閾値をふやすほど、優先パケットのパケット棄却率が増加する。非優先パケットの棄却率は減少する。全体のパケット棄却率は減少する。優先制御のない場合とくらべると、優先パケットの棄却率は小さく、非優先パケットの棄却率が多いことがわかる。この閾値は目的により設定することができる。たとえば、廃棄レベル１の性能を上げるためには，閾値を小さくし，全体の性能を上げるためには，閾値を大きくする。いずれの場合もＰＢＳ方式で実現できる性能よりも良好な性能を提供する閾値設定が可能である。
【００４７】
さらに、優先パケットと非優先パケットの比が１：３のように優先パケットの比率が多いほど、本発明がＰＢＳ方式よりもよい性能を示すことがわかる。例えば優先パケットと非優先パケットの比が１：３の場合には、適切な閾値設定により、ＰＢＳＯ方式の優先パケットの棄却率は、ＰＢＳ方式の優先パケットの棄却率の半分まで下がる。すなわち、性能が改善されたことを示す。一方で、比が逆の場合にはほとんど優位性がみられない。
【００４８】
上記の説明では、２変数と一つの閾値を設けることにより、優先度が２つの優先制御が可能であったが、一般には、Ｐ個の変数と（Ｐ−１）の閾値を設けると優先度がＰ個の優先制御が可能である。これは、次の様に行う。まず廃棄レベルにはＰ段階の順位が設けられて入る場合、この順位に対応して予め決められたそれぞれのキュー長についての閾値がＰ−１個設けらている場合を考える。また、廃棄レベルｋを含むより優先側のレベルを第１の領域とし、廃棄レベルｋを含まないより非優先側のレベルを第２の領域とする。ここで、最後方の閾値でないｋ番目の閾値について、キュー長が、後方からｋ番目の閾値以上で、（ｋ−１）番目の閾値を超えない範囲にあるとき、第１の領域に属するパケットを上記のキューに配置する際に、第１の領域に属するパケットが前記の範囲にある場合は、第２の領域に属するパケットの有無に関わらず、第１の領域に属するパケット群の直後に配置し、第１の領域に属するパケットが前記の範囲にない場合は、最後尾からｋ番目の閾値の位置にパケットを配置する、ただし、その配置される位置に第２の領域に属するパケットがあれば、その第２の領域に属するパケットを棄却する。
【００４９】
【発明の効果】
本発明のパケットスイッチのバッファ管理方法では、閾値以降にも非優先パケットの格納を許す機能を導入したので、バッファの使用効率が改善され、全体のパケット棄却率もＰＢＳ方式と比較して減少する。また、本発明では、バッファ内パケット数が閾値を超えていて、閾値を超えてから非優先パケットが格納されている場合に限り、非優先パケットを棄却して、優先パケットを格納する機能を導入することにより、ＰＢＳ方式とほぼ同量、ＰＯ方式よりも小さい計算量でバッファ管理が可能である。ＰＢＳ方式と比べると、優先パケット、非優先パケット、それぞれのパケット棄却率を減少させることが可能である。また、計算量が小さいため、短時間で処理できるパケットが多くなるので、高速ネットワークでのバッファ管理に有用である。
【００５０】
また、光遅延線より後方に光処理する装置を接続したことによって、一旦、光ファイバ遅延線にパケットが入っても取りだすことができ、また、パケットを適切な光ファイバ遅延線に送り、その後、上書きされたパケットを後方のスイッチで棄却できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的に用いられるＦＩＦＯバッファの状態を表すキューを示す図である。
【図２】部分バッファ共有方式（ＰＢＳ）に用いられるバッファの状態を表すキューを示す図である。
【図３】本発明の部分上書きバッファ共有方式（ＰＢＳＯ）に用いられるバッファの状態を表すキューを示す図である。
【図４】従来の光パケットスイッチアーキテクチャの例を示す模式図である。
【図５】本発明のＰＢＳＯ方式におけるパケット処理の手順を示すフローチャートである。
【図６】ＰＢＳＯ方式におけるパケット処理を行う際のバッファの状態を表すキューを示す図である。
【図７】ＰＢＳＯ方式を実現する空間スイッチ型の一段バッファ構成の光パケットスイッチを示すブロック図である。
【図８】ＰＢＳＯ方式を実現する光スイッチ型の一段バッファ構成の光パケットスイッチを示すブロック図である。
【図９】ＰＢＳＯ方式を実現する分配選択型の一段バッファ構成の光パケットスイッチを示すブロック図である。
【図１０】廃棄レベル１と２のパケット比が等しい場合の、各廃棄レベル１あるいは２のパケット損失率を示す図である。
【図１１】廃棄レベル１と２のパケット比が等しい場合の、パケット損失率を示す図である。
【図１２】廃棄レベル１と２の比が１対３で到着する場合の、各廃棄レベルのパケット棄却率を示す図である。
【図１３】廃棄レベル１と２の比が１対３で到着する場合の、平均のパケット棄却率を示す図である。
【図１４】廃棄レベル１と２の比が３対１で到着する場合の，各廃棄レベル1あるいは2のパケット棄却率を示す図である。
【符号の説明】
１  バッファ管理装置
２  光スイッチ
３  光ファイバ遅延線
４  波長変換装置
５  光カプラ
６  波長フィルタ
７  光スイッチ
８  光カプラ
９  光ゲート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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