(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された光パケットの出力ポートを切り替える（Ｎ＋Ｍ＋Ｌ）×（Ｎ＋Ｍ＋Ｌ）の光スイッチと、
前記光パケットの光ラベル内に存在する宛先アドレスおよび仮想光回線識別子を認識し、前記光スイッチの出力ポートを決定する（Ｎ＋Ｍ＋Ｌ）個の光ラベル処理器と、
前記光ラベル処理器によって決定された出力ポートに対して全ての前記光ラベル処理器から出力される信号を元に前記光スイッチを切り替える制御信号を生成するコントローラと、
送信側の外部装置から出力されたデータを受け取り、当該データをバーストモードの光パケットに変換してＭ個の前記光ラベル処理器のうちのいずれか一つに送信する一方、前記光スイッチのＭ個の出力ポートのうちのいずれか一つから出力された前記光パケットを受信し、当該光パケットをデータに変換して受信側の外部装置に送信する共有バッファと、
前記光スイッチのＬ個の出力ポートとＬ個の前記光ラベル処理器の入力ポートを接続するＬ本のファイバ遅延線と、
から構成された光パケットルータが、ネットワークの各ノードに配置され、
ネットワーク全体を制御するためのネットワークコントローラと各前記光パケットルータ内の前記コントローラとが論理的に接続されており、さらにそれぞれの前記光パケットルータ内の前記光スイッチのＮ個の出力ポートが、異なるＮ個の光パケットルータの光ラベル処理器の入力ポートと互いに光ファイバで接続された光パケット交換ネットワークであって、
複数の前記光パケットルータを経由する指定光パスを設定し、特定の光パケットを当該指定光パス上のみを伝搬させるために、
前記指定光パスの経路に沿った前記光パケットルータ内の前記光スイッチによって前記指定光パスを繋げるための入出力ポートの情報を、前記ネットワークコントローラまたは送信側の前記光パケットルータから、前記指定光パス上にある各前記光パケットルータ内の前記コントローラに送ると、
各前記光パケットルータ内の前記コントローラは、当該指定光パスを繋げるための前記光スイッチの出力ポートを仮予約状態に設定するとともに、前記光スイッチの前記ファイバ遅延線に接続される１つの出力ポートを、光ラベル内に存在する前記仮想光回線識別子のフラグが“１”である前記特定の光パケットのために予約し仮想光回線識別子のフラグが“０”である他の光パケットの伝搬を不可とした予約状態にあらかじめ設定し、
前記送信側の外部装置が接続された前記光パケットルータ内の前記共有バッファは、前記指定光パス上の前記送信側の外部装置から出力されたデータを、光ラベル内の前記仮想光回線識別子のフラグを“１”に設定した前記特定の光パケットに変換した後、前記指定光パス上に送信し、
前記特定の光パケットが前記指定光パス上にある前記光パケットルータの特定の光ラベル処理器に到達したときに、同一の前記光パケットルータの他の光ラベル処理器に入力した前記他の光パケットが前記特定の光パケットより先に前記他の光ラベル処理器に到着しており、両者が時間的な重なりを有し、かつ両者が要求する出力ポートが同一である場合には、
前記他の光パケットを前記指定光パスに接続される所望の出力ポートへ転送する一方、前記特定の光ラベル処理器は、前記コントローラに命令を送り、事前に仮予約していた前記所望の出力ポートを予約するとともに、事前に予約していた前記ファイバ遅延線が接続された出力ポートに前記特定の光パケットを転送し、前記ファイバ遅延線が接続された前記光ラベル処理器は、前記特定の光パケットが到達すると、前記特定の光パケットの前記仮想光回線識別子が“１”であることを認識し、前記指定光パスにつながる予約済みの出力ポートへ前記特定の光パケットを転送すると共に、当該出力ポートの予約状態を再び仮予約状態へ変更し、
前記特定の光パケットが前記特定の光ラベル処理器に到達したときに、前記他の光ラベル処理器に入力した前記他の光パケットが前記特定の光パケットより後に前記他の光ラベル処理器に到着し、両者が時間的な重なりを有し、かつ両者が要求する出力ポートが同一である場合、及び、前記特定の光パケットが前記他の光パケットと衝突しなかった場合には、
前記特定の光パケットが入力した前記特定の光ラベル処理器は、前記特定の光パケットの仮想光回線識別子が“１”であることを認識し、前記指定光パスの出力ポートへ前記特定の光パケットを転送する
ことを特徴とする仮想光回線交換方式。
【請求項２】
前記仮予約状態は、前記指定光パスを繋げるための前記光スイッチの出力ポートを要求に応じてすぐに予約できるようにした状態であり、
前記予約状態は、前記指定光パスが設定されている間、前記他の光パケットによる使用を禁止された状態である
ことを特徴とする請求項１記載の仮想光回線交換方式。
【請求項３】
前記ファイバ遅延線の長さは、前記特定の光ラベル処理器の入力ポートから前記光スイッチおよび前記ファイバ遅延線を経由して前記ファイバ遅延線に接続された前記光ラベル処理器の入力ポートに達するまでの一周の時間が、最大パケット長＋ガードタイムと同一またはその整数倍となるように設定される
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の仮想光回線交換方式。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光パケット交換網において、ネットワーク内を伝搬する光パケットのトラヒックに与える影響を抑制しつつ、任意の２つのノード間で指定した光回線を設定するための仮想光回線交換方式に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネット、高性能携帯サービス、クラウドサービス等の爆発的成長に伴い、通信ネットワークの大容量化、消費電力の低減およびビッグデータの処理（記録、保管、解析等）の要求が高まっている。
【０００３】
従来、大規模デジタル信号処理回路（Digital Signal Processor：DSP）を用いたデジタルコヒーレント光伝送技術やマルチキャリア伝送技術、マルチコアファイバ伝送技術の進展により、リンク伝送容量は飛躍的に増大している。一方、ノード系装置においては、処理の大部分を電子回路に依存しており、そのスループット、消費電力および遅延時間がネットワークの大きなボトルネックになると懸念されている。これらの問題を解決するため、ノードに光技術を導入した光回線交換(Optical Circuit Switch:OCS)ネットワーク、光バースト交換(Optical Burst Switch:OBS)ネットワーク、光パケット交換(Optical Packet Switch:OPS)ネットワークなどのフォトニックネットワークの研究が行われてきた。
【０００４】
光回線交換では、コネクション確立の際に波長単位で光パスが設定されるため、光パスの高速な再配置が困難である。そのため、光回線交換はトラヒックパターンが安定なROADM（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer）や基幹系ネットワークにおいて適用され実用化が進められている。また、近年では、ネットワークの帯域利用効率を高めるため、従来の固定周波数グリッドから、フレキシブルグリッドによる割当て波長帯域の再配置が可能なエラスティック光パスネットワークの研究が活発に進められている。一方、時間統計多重効果を用いた光パケット交換では、複数のパケットを、同一波長を用いて異なる目的地へ転送することが可能であるため、トラヒックパターン変動の大きなネットワークに対して、帯域利用効率を最大限に高めることが可能であり、アクセス集線網やデータセンタ網に効果が期待されている（例えば、下記非特許文献１参照）。
【０００５】
従来のデータセンタでは、数十〜数百万台のサーバが、多数のL2スイッチ、L3スイッチ及びルータ等によって構成された階層構造のファットツリー型ネットワークにより接続されている。そのため、大規模化に伴い、電気スイッチやルータを経由したデータ転送の大きな遅延および遅延変動、膨大な消費電力や拡張性などが大きな問題となっており、そのため上記光回線交換や光パケット交換などの光技術を導入したフラットなデータセンタ網の研究が活発に行われている。
【０００６】
図４に、トーラス型構造を用いたデータセンタ網（以下、トーラス型ネットワークという）の一例を示す。
図４に示すように、トーラス型ネットワークは、多数のサーバ１と、サーバ１を収納する多数のラック２と、サーバ１に接続される多数のToR(Top of Rack)スイッチ３と、ToRスイッチ３に接続される多数の光パケットルータ４と、光パケットルータ４に接続されるネットワークコントローラ５とを備えて構成されている。より詳しくは、一つのラック２は数十台のサーバ１と、この数十台のサーバ１に接続された一つのToRスイッチ３とを収納している。なお、ToRスイッチ３は例えばラック２内の上部に配置される。また、一つの光パケットルータ４には、複数のToRスイッチ３が接続されているとともに、他の複数の光パケットルータ４が光ファイバ６によって接続されている。そして、全ての光パケットルータ４はネットワークコントローラ５に論理的に接続されて当該ネットワークコントローラ５により制御される。
【０００７】
ここで、図４に示すサーバ１Ａを送信元のサーバ（以下、送信側サーバという）、サーバ１Ｂを宛先のサーバ（以下、受信側サーバという）としたとき、送信側サーバ１Ａに接続されたToRスイッチ（以下、送信側ToRスイッチという）３Ａから出力された10GbEther（登録商標）信号（データ）は、当該送信側ToRスイッチ３Ａを介して送信側サーバ１Ａに接続された光パケットルータ（以下、送信側ルータという）４Ａに送り込まれ、そのIPおよびMAC（Media Access Control）ヘッダーに基づいて光パケット交換専用の固定長光ラベルをパケット先頭に挿入され、バーストモードの100Gbps（２５Ｇ×４λ）光パケットとしてネットワーク内に送り出される。
【０００８】
送信側ルータ４Ａと受信側サーバ１ＢにToRスイッチ３Ｂを介して接続される宛先側の光パケットルータ（以下、受信側ルータという）４Ｂとの間にある光パケットルータ（以下、中継ルータという）４Ｃでは、この光ラベルに含まれた宛先情報を読み取り、内蔵されている高速な空間光スイッチを制御して出力ポートを切り替える。受信側ルータ４Ｂでは、光パケットを受信すると光ラベルを削除して、再び通常の10GbEther信号に変換して受信側ToRスイッチ３Ｂに送り出す。このように、光パケットは中継ルータ４Ｃを光のまま通過するため、極めて小さな遅延時間が実現できる。
【０００９】
しかしながら、中継ルータ４Ｃで光パケット同士が衝突した場合（一つの中継ルータ４Ｃに入力した２つの光パケットの出力ポートが同じ場合）、送信側ルータ４Ａから送り出された光パケットが、所望の出力ポートから出力されずに別のポートから出力されて、当初の予定とは異なる別のルートを迂回し受信側サーバ１Ｂに到達する可能性がある。トーラス型ネットワークの場合、全く同一の遅延時間を有する迂回経路が多数存在するため、少しの衝突ではあまり影響を受けないが、トラヒック量の増加に伴い、衝突が繰り返されると、光パケットが中継ルータ４Ｃを大きく迂回することとなり、遅延時間の増大およびそれに伴うパケット順序の反転やパケット損失が生じるおそれがある。
【００１０】
上述したようなパケット順序反転やパケット損失は、容量の小さなデータ転送（パケット数10個分程度）では発生する頻度（確率）が小さいため、さほど大きな問題にならないが、サーバ移転やバックアップ転送など極めて大容量のデータ転送（パケット数千〜数万個）を行う際には上述したようなパケット順序反転やパケット損失が発生する頻度が多くなり、パケットの並び替えや再送が極めて困難になるという問題があった。
【００１１】
このような問題の発生を防ぐためには、送信側ルータ４Ａと受信側ルータ４Ｂとを繋ぐ排他的な光パス（回線）を設定する方法が考えられる。すなわち、送信側ルータ４Ａと受信側ルータ４Ｂとを繋ぐひとつの光パスを指定し、指定した光パス上に存在する全ての中継ルータ４Ｃ内の光スイッチに対して前記光パスの実現に必要な入力および出力ポートを全て予約（光スイッチを固定）することで、他のポートから入力した光パケットが、前記光パス内に侵入することを防ぐのである。これにより、送信側ルータ４Ａから送られた光パケットは、他のポートから入力された光パケットと衝突することがなく、そのため光パケットの順序反転を起こすことなく、前記指定された光パス上を通って、受信側ルータ４Ｂに到達することが可能となる。
【００１２】
指定された光パスに沿って光スイッチを予約する方法としては、図４に示すような、ネットワーク全体を制御するネットワークコントローラ５から光スイッチの制御信号を送って行う方法の他に、送信側ルータ４Ａから経路上の中継ルータ４Ｃに制御信号を送る方法もある。このように、光パケット交換ネットワークの上に、光回線交換ネットワークを張ることで、パケット損失や順序反転を起こすことなく、極めて信頼性の高い超大容量データ転送が可能となる。
【００１３】
以下、光パケット交換によって転送される光パケットをOPSパケット、光回線交換によって転送される光パケットをOCSパケットという。両者は基本的に同じフォーマットを有しているが、OPSパケットが光ラベル内のアドレス情報を認識することでパケット毎に出力ポートが決定され転送が実行（自律分散制御）されるのに対し、OCSパケットはアドレス情報を認識することなく、ネットワークコントローラ５により制御（集中制御）された排他的な光パスが張られている間は、その光パス上を自動的に伝搬し、目的地に到達するものとする。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Yue-Cai Huang他、"Modeling and Performance Analysis of OPS Data Center Network with Flow Management Using Express Path"、ONDM2014 (International Conference on Optical Network Design and Modeling)、Stockholm, Sweden、2014年5月、p.19-22
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述したような、送信側ルータ４Ａと受信側ルータ４Ｂとの間で排他的な光パスを設定する上記の方法は、その光パス上を伝搬するOCSパケットから見れば、極めて有益である。しかし、図５（ａ）に示すように、送信側ルータ４Ａと受信側ルータ４Ｂとの間でOCSパケットＰOCSのみを伝搬させる排他的な光パスを設定した場合、他の光パケットルータ４Ｄから送出され光パケットルータ４Ｅを目的地とするOPSパケットＰOPSは排他的な光パス上を伝搬できないため、排他的な光パス上にある中継ルータ４Ｃ1，４Ｃ2以外の光パケットルータ４Ｃ4〜４Ｃ8で迂回せざるを得ないこととなる。このように、従来の排他的な光パスは、光パケット交換ネットワークを一部遮断することとなるため、このような排他的な光パスが光パケット交換ネットワーク上で多数張られると、OPSパケットＰOPSの遅延時間は大幅に増大することとなり、場合によっては目的地に到達することができなくなり、大幅なパケット損失につながるおそれもある。
【００１６】
それでも、設定した排他的な光パスの帯域を有効に利用する場合、すなわち、OCSパケットＰOCSが時間軸上で密に連続して送られる場合は、このような排他的な光パスを利用する効果を十分に得ることができる。しかし、アプリケーションによっては、OCSパケットＰOCSが間欠的に送られ、排他的な光パス上を伝搬するOCSパケットＰOCS間に長い時間的空白が生じる場合がある。例えば、送信側ToRスイッチ３Ａから送信側ルータ４Ａに送られるデータレートが10Gbps１本のみである場合、送信側ルータで100GbpsのOCSパケットＰOCSに変換されて送られるので、90%の時間が信号の無い空白時間となる。このように、データ容量は膨大であるため、排他的な光パスを利用したい場合でも、帯域利用効率が低い場合（データレートが低い場合）は、ネットワーク全体で見るとOPSパケットＰOPSへの悪影響が顕著に表れる。
【００１７】
これらの問題は、図５（ｂ）に示すように、送信側ルータ４Ａと受信側ルータ４Ｂとの間に、排他的な光パスではなく、OCSパケットＰOCSを伝搬させる光パスを確保しつつOPSパケットＰOPSを伝搬させることも可能な仮想的な光パスを設定することができれば解決可能となる。
【００１８】
すなわち、本発明が解決しようとする課題は、上記の問題を解決するために、以下の二つの条件を満たすような、新たな仮想的光パスの実現方法を見出すことである（以下、仮想的光パスを伝搬する光パケットをV-OCSパケットという）。
【００１９】
〔条件１〕
V-OCSパケットＰV-OCSから見れば、そこには指定された光パスが存在し、OPSパケットＰOPSと如何に衝突した場合でも常にその指定された光パス上を伝搬し、また光ラベルのアドレス情報を見ることなく自動的に目的地に到達することができる。
【００２０】
〔条件２〕
OPSパケットＰOPSから見れば、そこには指定された光パスが存在することが見えず、V-OCSパケットＰV-OCSよりも少しでも先に中継ルータ４Ｃ１に到達すれば、光パス上を自由に伝搬することができる（V-OCSパケットＰV-OCSよりも遅れて中継ルータ４Ｃ1に到達した場合は、V-OCSパケットＰV-OCSに優先権があるため、OPSパケットＰOPSは別のルートに迂回することとなるが、これはOPSパケットＰOPS同士が衝突した場合と共通のルールであるため、衝突相手がV-OCSパケットＰV-OCSであろうとなかろうと同じである）。
【００２１】
ここで、光パケットルータ４に代えて電気のスイッチやルータを用いれば、毎回この電気のスイッチやルータのバッファに格納しながらデータを転送するため、上記〔条件１〕，〔条件２〕を容易に実現することが可能である。しかし、消費電力や遅延時間が大幅に増加するため、本来の目的から逸脱することとなる。
【００２２】
また、上記〔条件１〕を満たすためには、OCSパケットＰOCSに対する優先制御を行う方法がいくつか考えられている。図６（ａ）〜（ｃ）に優先制御の方法の一例を示す。図６（ａ）はグローバル同期を用いる方法、図６（ｂ）は入力同期を用いる方法、図６（ｃ）は遅延を用いる方法である。なお、図６（ａ）〜（ｃ）は光パケットルータの内部構造を示しており、図中、４６は光ラベル処理器、４７はコントローラ、４８は光スイッチである。
光ラベル処理器４６は、入力された光パケットの宛先アドレスを認識するとともに衝突の有無を判断し、それらの情報を元に出力ポートの決定をおこなう。コントローラ４７は光ラベル処理器４６の決定をもとに制御信号を生成する。光スイッチ４８は、コントローラ４７から入力される制御信号に基づき、光パケットの経路の切り替えを行う。
すなわち、光パケットが光パケットルータ４に入力されると、パケットの先頭に挿入された光ラベルが光ラベル処理器４６により読み取られ、光ラベルに含まれる宛先情報がコントローラ４７へ送られて、コントローラ４７により光スイッチ４８を制御して出力ポートを切り替えるようになっている。
【００２３】
例えば、図６（ａ）に示すグローバル同期を用いる方法では、全ての光パケットルータ４のパケット送信を一定の周期で同期をとり、光パケットルータ４間の遅延時間をその周期の整数倍に正確に合わせることが必要である。この時、OPSパケットＰOPSとOCSパケットＰOCSは、光パケットルータ４に同時に到着するため、光ラベル処理器４６でOCSパケットＰOCSを識別すれば、優先的に所望のポートへ出力することが可能である。しかし、膨大な数の光パケットルータ４から構成されるデータセンタにおいて、このようなグローバル同期を実現することは非現実的である。
【００２４】
図６（ｂ）に示す入力同期を用いる方法では、入力同期装置７を設け、この入力同期装置７に入力する光パケットのタイミングと入力同期装置７内の一定周期のクロック信号との時間差をもとに、遅延時間を与え、入力する全ての光パケットのタイミングを揃える必要がある。しかし、このような入力同期装置７は極めて困難な技術（研究中）で未だ実現されておらず、また実現されたとしても消費電力と遅延時間の増加につながり、良い方法とは言えない。
【００２５】
さらに、図６（ｃ）に示す遅延を用いる方法では、光ラベル処理器４６と光スイッチ４８の間に、パケットの最大長に相当するファイバ遅延線（100Gbps光パケットの場合、約120ns）４９を挿入する。OCSパケットＰOCSがOPSパケットＰOPSより遅れて到着した場合、その時点では、OPSパケットＰOPSはまだファイバ遅延線４９上を伝搬しており、光スイッチ４８には到着していない。そのため、OCSパケットＰOCSが光ラベル処理器４６に到達した時点で、光スイッチ４８を制御すれば、OCSパケットＰOCSに優先権を与えることが可能となる。しかし、この場合、パケット衝突の有無に係わらず、全ての光パケットがファイバ遅延線４９の遅延時間を被ることとなり、良い方法とは言えない。また、これら図６（ｂ），（ｃ）に示す方法では、先に到着したOPSパケットＰOPSが他の出力ポートに転送されてしまうため、〔条件２〕を満たさないこととなる。
【００２６】
このようなことから本発明は、光パケットを電気信号に変換することなく光パケットの状態のまま光パケットルータ間を伝搬させることが可能であり、さらに上記〔条件１〕および〔条件２〕を満たす仮想的光パスを実現可能な仮想光回線交換方式を見出すことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記の課題を解決するための第１の発明に係る仮想光回線交換方式は、
入力された光パケットの出力ポートを切り替える（Ｎ＋Ｍ＋Ｌ）×（Ｎ＋Ｍ＋Ｌ）の光スイッチと、
前記光パケットの光ラベル内に存在する宛先アドレスおよび仮想光回線識別子を認識し、前記光スイッチの出力ポートを決定する（Ｎ＋Ｍ＋Ｌ）個の光ラベル処理器と、
前記光ラベル処理器によって決定された出力ポートに対して全ての前記光ラベル処理器から出力される信号を元に前記光スイッチを切り替える制御信号を生成するコントローラと、
送信側の外部装置から出力されたデータを受け取り、当該データをバーストモードの光パケットに変換してＭ個の前記光ラベル処理器のうちのいずれか一つに送信する一方、前記光スイッチのＭ個の出力ポートのうちのいずれか一つから出力された前記光パケットを受信し、当該光パケットをデータに変換して受信側の外部装置に送信する共有バッファと、
前記光スイッチのＬ個の出力ポートとＬ個の前記光ラベル処理器の入力ポートを接続するＬ本のファイバ遅延線と、
から構成された光パケットルータが、ネットワークの各ノードに配置され、
ネットワーク全体を制御するためのネットワークコントローラと各前記光パケットルータ内の前記コントローラとが論理的に接続されており、さらにそれぞれの前記光パケットルータ内の前記光スイッチのＮ個の出力ポートが、異なるＮ個の光パケットルータの光ラベル処理器の入力ポートと互いに光ファイバで接続された光パケット交換ネットワークであって、
複数の前記光パケットルータを経由する指定光パスを設定し、特定の光パケットを当該指定光パス上のみを伝搬させるために、
前記指定光パスの経路に沿った前記光パケットルータ内の前記光スイッチによって前記指定光パスを繋げるための入出力ポートの情報を、前記ネットワークコントローラまたは送信側の前記光パケットルータから、前記指定光パス上にある各前記光パケットルータ内の前記コントローラに送ると、
各前記光パケットルータ内の前記コントローラは、当該指定光パスを繋げるための前記光スイッチの出力ポートを仮予約状態に設定するとともに、前記光スイッチの前記ファイバ遅延線に接続される１つの出力ポートを、光ラベル内に存在する前記仮想光回線識別子のフラグが“１”である前記特定の光パケットのために予約し仮想光回線識別子のフラグが“０”である他の光パケットの伝搬を不可とした予約状態にあらかじめ設定し、
前記送信側の外部装置が接続された前記光パケットルータ内の前記共有バッファは、前記指定光パス上の前記送信側の外部装置から出力されたデータを、光ラベル内の前記仮想光回線識別子のフラグを“１”に設定した前記特定の光パケットに変換した後、前記指定光パス上に送信し、
前記特定の光パケットが前記指定光パス上にある前記光パケットルータの特定の光ラベル処理器に到達したときに、同一の前記光パケットルータの他の光ラベル処理器に入力した前記他の光パケットが前記特定の光パケットより先に前記他の光ラベル処理器に到着しており、両者が時間的な重なりを有し、かつ両者が要求する出力ポートが同一である場合には、
前記他の光パケットを前記指定光パスに接続される所望の出力ポートへ転送する一方、前記特定の光ラベル処理器は、前記コントローラに命令を送り、事前に仮予約していた前記所望の出力ポートを予約するとともに、事前に予約していた前記ファイバ遅延線が接続された出力ポートに前記特定の光パケットを転送し、前記ファイバ遅延線が接続された前記光ラベル処理器は、前記特定の光パケットが到達すると、前記特定の光パケットの前記仮想光回線識別子が“１”であることを認識し、前記指定光パスにつながる予約済みの出力ポートへ前記特定の光パケットを転送すると共に、当該出力ポートの予約状態を再び仮予約状態へ変更し、
前記特定の光パケットが前記特定の光ラベル処理器に到達したときに、前記他の光ラベル処理器に入力した前記他の光パケットが前記特定の光パケットより後に前記他の光ラベル処理器に到着し、両者が時間的な重なりを有し、かつ両者が要求する出力ポートが同一である場合、及び、前記特定の光パケットが前記他の光パケットと衝突しなかった場合には、
前記特定の光パケットが入力した前記特定の光ラベル処理器は、前記特定の光パケットの仮想光回線識別子が“１”であることを認識し、前記指定光パスの出力ポートへ前記特定の光パケットを転送する
ことを特徴とする。
【００２８】
また、第２の発明に係る仮想光回線交換方式は、
前記仮予約状態は、前記指定光パスを繋げるための前記光スイッチの出力ポートを要求に応じてすぐに予約できるようにした状態であり、
前記予約状態は、前記指定光パスが設定されている間、前記他の光パケットによる使用を禁止された状態である
ことを特徴とする。
【００２９】
また、第３の発明に係る仮想光回線交換方式は、
前記ファイバ遅延線の長さは、前記特定の光ラベル処理器の入力ポートから前記光スイッチおよび前記ファイバ遅延線を経由して前記ファイバ遅延線に接続された前記光ラベル処理器の入力ポートに達するまでの一周の時間が、最大パケット長＋ガードタイムと同一またはその整数倍となるように設定される
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、光パケットを電気信号に変換することなく光パケットの状態のまま光パケットルータ間を伝搬させることが可能であり、且つ、特定の光パケットは他の光パケットに衝突した場合でも常に指定光パス上を伝搬することができるとともに、他の光パケットは特定の光パケットと指定光パスを共有することができ、指定光パスを設定することによる影響を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係る仮想光回線交換方式の動作原理を説明する説明図である。
【図２】本発明の実施例に係る仮想光回線交換方式に用いる光パケットルータ示す構成図である。
【図３】本発明の実施例に係る仮想光回線交換方式における仮想的光パスを示す説明図である。
【図４】光パケットルータを用いたトーラス型データセンタネットワークの例を示す説明図である。
【図５】図５（ａ）は従来の排他的光パスの概念を示す説明図、図５（ｂ）は仮想的光パスの概念を示す説明図である。
【図６】光パケットの優先制御の方法を示す説明図であり、図６（ａ）はグローバル同期を用いる方法、図６（ｂ）は入力同期を用いる方法、図６（ｃ）は遅延を用いる方法を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図１を用いて本発明に係る仮想光回線交換方式の一実施形態を説明する。本実施形態は、複数波長を用いることなく一つの波長で、柔軟性はある代わりにパケットの衝突や順序反転が起こる光パケット交換と、パケットの衝突や順序反転は起こらないが柔軟性がない光回線交換を、同一のネットワーク上で実現するために、仮想的光パスを用いるものである。
【００３３】
図１に示すように、本実施形態に係る仮想光回線交換方式では、光パケットルータ４が光ラベル処理器４１、コントローラ４２、空間光スイッチ（以下、単に光スイッチという）４３に加え、一つの光ラベル処理器４１の入力ポートと光スイッチ４３の出力ポートを繋ぐファイバ遅延線４４を備えている。
【００３４】
本実施例において光ラベル処理器４１は、入力光パケットの光ラベル内に存在する宛先アドレスおよび仮想光回線識別子（V-OCSパケット（特定の光パケット）→フラグが“１”、OPSパケット（他の光パケット）→フラグが“０”）を認識し、光スイッチ４３の出力ポートを決定する。また、コントローラ４２は、全ての光ラベル処理器４１から出力される信号を元に光スイッチ４３の出力ポートを切り替える制御信号を生成する。光スイッチ４３は、コントローラ４２から入力される制御信号に基づき、光パケットの経路の切り替えを行う。
【００３５】
ファイバ遅延線４４は、二つの光パケットが衝突した際に、一方の光パケットを一時的に退避させるために用いられる。このファイバ遅延線４４の長さは、光ラベル処理器４１の入力ポートから光スイッチ４３およびファイバ遅延線４４を経由して再び光ラベル処理器４１の入力ポートに達するまでの一周の時間が、最大パケット長＋ガードタイム（光スイッチの切り替えのためにパケット間に与えられる無信号の時間）と同じ（またはその整数倍）となるように設定される。
【００３６】
上述した通り、従来のように排他的に光パスを設定する場合、例えばネットワークコントローラ５（図４参照）を用いて、光パス上にある全ての光パケットルータ４内のコントローラ４２に制御信号を送り、光スイッチ４３の入出力ポートを排他的に予約（光スイッチを固定）する。
【００３７】
これに対し、本実施形態では仮想的光パス（指定光パス）を設定する。つまり、光スイッチ４３は排他的ではなく仮想的に予約することを考える。すなわち、光パケットルータ４内のコントローラ４２は、仮想的光パスを繋げるための入出力ポートを認識した状態ではあるが、そこを排他的に繋げることをしないで、仮想的光パスをつなげるための光スイッチ４３の出力ポートを要求に応じてすぐに予約できるように仮予約した状態（仮予約状態）で待機する。さらに仮想的光パスの場合は、光スイッチ４３を排他的に予約しない代わりに、ファイバ遅延線４４を排他的に予約する（予約状態）。すなわち、仮想的光パスが設定されている間は、いかなるOPSパケットＰOPSも衝突回避のためにその予約されたファイバ遅延線４４を使用することは禁止され、V-OCSパケットＰV-OCSのみにその使用が許される。
【００３８】
以下、図１を用いて仮想光回線交換の動作原理について説明する。図１に示す例では、光スイッチ４３が五つの入力ポートａ１〜ａ５と五つの出力ポートｂ１〜ｂ５を有し、入力ポートａ２から出力ポートｂ４が、仮想的光パスの経路であるとする。従来の光パスでは、入力ポートａ２から出力ポートｂ４が排他的に予約（光スイッチを固定）されているため、他の入力ポートａ１，ａ３，ａ４から入ってきたOPSパケットＰOPSは、出力ポートｂ４を使用することが不可能であった。しかし本実施形態において設定する仮想的光パスでは、出力ポートｂ４が仮予約（光スイッチが固定されていない）の状態であるため、V-OCSパケットＰV-OCSが存在しない場合は、OPSパケットＰOPSは自由にその出力ポートｂ４を使用することができる。
【００３９】
すなわち、OPSパケットＰOPSが単独で光ラベル処理器４１に入力した場合は、光ラベル処理器４１において光ラベル内に存在する仮想光回線識別子“０”が認識され、光ラベルが有する宛先アドレス情報の認識および出力ポート（例えば、出力ポートｂ１）の決定が行われて、コントローラ４２により光スイッチ４３が切り替えられることによって所望の出力ポートへ転送される。
一方、V-OCSパケットＰV-OCSが単独で光ラベル処理器４１に入力した場合は、光ラベル処理器４１において、光ラベル内に存在する仮想光回線識別子“１”が認識され、コントローラ４２により光スイッチ４３が切り替えられて仮予約していた出力ポートｂ４へ転送される（仮想的光パス上に転送される）。
【００４０】
次に、V-OCSパケットＰV-OCSがOPSパケットＰOPSと衝突した場合（両者が時間軸上で重なりを有し、かつ要求する出力ポートが共に同じ（図１（ａ），（ｂ）に示す例では両者が要求する出力ポートが出力ポートｂ４）である場合を考える。
【００４１】
図１（ａ）に示すように、V-OCSパケットＰV-OCSが第一のOPSパケットＰOPS−１より先に光ラベル処理器４１に到達した場合、前述したように、V-OCSパケットＰV-OCSは光ラベル処理器４１で仮想光回線識別子“１”が認識されると、仮予約していた出力ポートｂ４から問題なく出力される。少し遅れて光ラベル処理器４１に到達したOPSパケットＰOPS−１は、出力ポートｂ４が占有されており、かつファイバ遅延線４４が排他的に予約されているため、別の出力ポート（図１（ａ）に示す例では出力ポートｂ１）へ転送される（トーラス型ネットワークの場合、上述したように遅延時間が同じ別ルートが多数存在するため、特に問題とならない）。
また、V-OCSパケットＰV-OCSと時間軸上での重なりを持たない第二のOPSパケットＰOPS−２は、V-OCSパケットＰV-OCSと衝突しないため、問題なく所望の出力ポートｂ４への転送が可能となる。
【００４２】
次に図１（ｂ）に示すように、OPSパケットＰOPSがV-OCSパケットＰV-OCSより先に光ラベル処理器４１に到達した場合、OPSパケットＰOPSは、通常と全く同様に、光ラベル処理器４１で出力ポートが決定され、所望の通り出力ポートｂ４から出力される。すなわち、OPSパケットＰOPSから見れば、そこに仮想的光パスが張られていることを全く感じることなく、通常通りに転送される。少し遅れて到達したV-OCSパケットＰV-OCSは、仮想光回線識別子“１”が認識されると出力ポートｂ４が瞬時に判断されるが、出力ポートｂ４はOPSパケットＰOPSによって占有されており、出力ポートｂ４への転送が不可能であるため、光ラベル処理器４１は、V-OCSパケットＰV-OCSを事前に予約していたファイバ遅延線４４へ転送するようにコントローラ４２に制御信号を送ると同時に、出力ポートｂ４の予約をコントローラ４２に命じる。コントローラ４２は、転送中のOPSパケットＰOPSが出力ポートｂ４を通過すると同時に、光スイッチ４３を切り替え、ファイバ遅延線４４に接続された入力ポートａ５と出力ポートｂ４を接続する。これによって、ファイバ遅延線４４中を伝搬しているV-OCSパケットＰV-OCSは、次には他のどの光パケットとも衝突することなく出力ポートｂ４から出力される。そして、ファイバ遅延線４４上の光ラベル処理器４１が、ファイバ遅延線４４中を伝搬したV-OCSパケットＰV-OCSの仮想光回線識別子“１”を認識すると、コントローラ４２を介して光スイッチ４３の予約が解除され、後続のOPSパケットＰOPSは再び出力ポートｂ４を使用することが可能となる。
【００４３】
ここで、光パケット交換ネットワークは、コネクションレス型通信を用いることができ、光パス確立の時間が不要であるため、極めて低遅延でのデータ転送が可能である。しかし、光パケット間での衝突が発生する可能性があり、その場合には、ファイバ遅延線または共有バッファを用いたバッファリングや別の経路を伝搬する迂回転送(deflection routing)などが必要となるため、トラヒック量の増大に伴い、光パケットの遅延時間、損失率および順序反転をもたらす可能性が生じる。
【００４４】
一方、光回線ネットワークは、コネクション型通信であるため、パスの設定に一定の時間が掛かるが、一旦光パスが設定されると、そこを伝搬する光パケットは、一切衝突することなく、光回線識別子のみを識別しながら、自動的に目的地に到達する。そのため、一定の遅延時間が保障され、さらにパケットの順序反転や損失が発生することが無い。しかし従来の排他的な光パスは、通常のOPSパケットを通過させることができないため、多くの光パスを設定すると、光パケットネットワークが細かく分断され、OPSパケットに対し、遅延時間や損失の増加など、多大な悪影響をもたらす。
【００４５】
これらに対し、本実施形態において設定する仮想的光パスは、V-OCSパケットＰV-OCSが排他的に光パスを占有するのではなく、OPSパケットＰOPSとの共有が可能であるため、光パケット網に対し大きな影響をもたらすことがない。さらにV-OCSパケットＰV-OCSは、OCSパケットと同様に、パケットの順序反転やパケット損失をもたらすことなく、指定された光パス（指定光パス）上のみを伝搬し、自動的に目的地に到達することが可能である。従来の光パスとの違いは、仮想的光パスでは、経路上にある光パケットルータ４内のファイバ遅延線４４を排他的に予約するため、OPSパケットＰOPSがそのファイバ遅延線４４を使用できなくなることである。さらに、V-OCSパケットＰV-OCSはOPSパケットＰOPSと衝突した場合に、ファイバ遅延線４４で光パケットルータ４内を余分に１周するため、エンド−エンド間（ここでは、送信側ルータ４Ａ−受信側ルータ４Ｂ間）で一定の遅延時間を保証することはできなくなるが、衝突時のファイバ遅延線４４の使用は各ルータ４で１回限りであるため、最大遅延を保証することは可能である。
【００４６】
［実施例］
図２に示すように、本発明に係る仮想光回線交換方式を実現するための光パケットルータ４は、（Ｎ＋Ｍ＋Ｌ）個の光ラベル処理器４１と、一つのコントローラ４２と、一つの（Ｎ＋Ｍ＋Ｌ）×（Ｎ＋Ｍ＋Ｌ）の光スイッチ４３と、Ｌ本のファイバ遅延線４４と、一つの共有バッファ４５とを備えている。
【００４７】
共有バッファ４５は、一つのCMOS-LSI(Complementary Metal Oxide Semiconductor - Large Scale Integration)回路４５１と、Ｍ個のバーストモード光パケット送信器４５２と、Ｍ個のバーストモード光パケット受信器４５３とから構成されている。各バーストモード光パケット送信器４５２は各光ラベル処理器４１にそれぞれ接続され、各バーストモード光パケット受信器４５３は光スイッチのＭ個の出力ポートにそれぞれ接続されており、100Gbpsバースト光パケットを送受信してToRスイッチ３とのデータの受け渡しを行う。具体的には、サーバ（外部装置）１から出力されたデータ（10GbEther信号）を受け取ると、この10GbEther信号をバーストモードの光パケット（100Gbpsバースト光パケット）に変換してＭ個の光ラベル処理器４１のうちのいずれか一つに送信する。また、光スイッチ４３のＭ個の出力ポートのうちのいずれか一つから100Gbpsバースト光パケットを受信すると、この100Gbpsバースト光パケットを10GbEther信号に変換してサーバ１に送信する。さらに、パケット衝突時にファイバ遅延線４４が使用不可の場合に第二の退避場所として用いることもできる。
なお、光パケットルータ４は他のＮ個の光パケットルータに接続されている（光スイッチ４３のＮ個の出力ポートが、異なるＮ個の光パケットルータの光ラベル処理器の入力ポートと互いに光ファイバで接続されている）ものとする。また、光ラベル処理器４１、コントローラ４２、光スイッチ４３、ファイバ遅延線４４については図１に示し上述した構成と同様であるので、ここでの詳しい説明は省略する。
【００４８】
送信側のサーバ１から出力されたデータは、ToRスイッチ３を介して10GbEther信号として、共有バッファ４５のCMOS-LSI回路４５１に送られた後、ラベルを付与され、さらにバーストモード光パケット送信器４５２によって100Gbps光パケットに変換され送信される。送信された光パケットＰは、光ラベル処理器４１に送られ、OPSパケットの場合は光ラベル内の宛先アドレスによって、光スイッチ４３の出力ポートが決定される。V-OCSパケットの場合は、仮想光回線識別子によって識別され、仮予約された出力ポートへ転送される。
宛先のサーバ１と接続された光パケットルータ４に到達した光パケットは、バーストモード光パケット受信器４５３により受信され、CMOS-LSI回路４５１によりラベルを削除された後、10GbEther信号に変換され宛先のサーバ１に接続されたToRスイッチ３に送られる。
【００４９】
以下、図３を用いて仮想光パスを設定した場合のV-OCSパケットの経路について説明する。なお、図３では光ラベル処理器４１と光スイッチ４３とをまとめて示している。また、説明に不要な部材については一部図示を省略している。
図３に示すように、データセンタにおいて、送信側ToRスイッチ３Ａが受信側ToRスイッチ３Ｂに大容量のデータを転送したい場合、ネットワークコントローラ５に送信側ルータ４Ａから受信側ルータ４Ｂまでの仮想的光パスの設定要求を送ると、ネットワークコントローラ５は、その経路上の全て光パケットルータ４（図３に示す例では、送信側ルータ４Ａ、中継ルータ４Ｃ1，４Ｃ2、及び受信側ルータ４Ｂ）内のコントローラ４２に光パスの経路情報（光スイッチの入出力ポート情報）を送る。光パスの経路情報を受けとったそれぞれのコントローラ４２は、光スイッチ４３の仮予約およびファイバ遅延線４４の予約を行う。これらの事前予約が完了すると、各光パケットルータ４はネットワークコントローラ５に予約完了通知を送り、それを受け取ったネットワークコントローラ５は、送信側ToRスイッチ３Ａにデータ送信の許可を送る。送信側ToRスイッチ３Ａは、データ送信許可を受け取ると、データを送信側ルータ４Ａの共有バッファ４５に送る。送信側ルータ４Ａに送られたデータは、共有バッファ４５で光ラベルを付与されて100Gbps光パケット（V-OCSパケット）に変換された後、中継ルータ４Ｃ1，４Ｃ2を介して受信側ルータ４Ｂへと転送される。受信側ルータ４Ｂに到達したV-OCSパケットは、当該受信側ルータ４Ｂの共有バッファ４５に送られ、光ラベルが削除された後、再び10GbEther信号として受信側ToRスイッチ３Ｂに送られる。
【００５０】
ここで、図３では、中継ルータ４Ｃ1において、送信側ルータ４Ａから入力されたV-OCSパケットと他の入力ポートから入力されたOPSパケットとが衝突した場合（より具体的には、OPSパケットがV-OCSパケットより先に光ラベル処理器４１に到達した場合）のV-OCSパケットの経路を示している。
【００５１】
すなわち、V-OCSパケットが、他の入力ポートから入力されたOPSパケットより少し遅れて中継ルータ４Ｃ1に到達し、両者が共に同一の出力ポートからの出力を要求している場合、OPSパケットが所望の出力ポートを使用することとなり、V-OCSパケットは予約しておいたファイバ遅延線４４に送られることとなる。その際、前述したように、中継ルータ４Ｃ1のコントローラ４２はV-OCSパケットの所望の出力ポートを予約するため、OPSパケットが中継ルータ４Ｃ1の光スイッチ４３を通過した後は、いかなるポートから入力したOPSパケットもV-OCSパケットの所望の出力ポートを使用することが不可となる。そのため、ファイバ遅延線４４を経由して再度中継ルータ４Ｃ1の入力ポートに到達したV-OCSパケットは、優先的に所望の出力ポートから出力することが可能となる。
【００５２】
なお、図３に示す例において、送信側ルータ４Ａ、中継ルータ４Ｃ2、受信側ルータ４ＢではV-OCSパケットがOPSパケットより先に到達しているため、V-OCSパケットは通常の先着優先のルールに従い、ファイバ遅延線４４を経由することなく所望のポートへ直接転送されている。
【００５３】
従来は、図４に示したような光パケット交換をベースとしたデータセンタネットワークにおいて、光回線網（光パス）を設定すると、通常のOPSパケットに多大な悪影響をもたらす危険があるため、多くの光パスを設定することが困難であった。
これに対し、上述したように２つの光パケットルータ間に仮想的光パスを設定すれば、V-OCSパケットとOPSパケットはその光パス上を共有することができるため、OPSパケットに対する影響（パケット損失、遅延時間増加、順序反転）を大幅に抑えることが可能となる。すなわち、V-OCSパケットはその指定した光パス上のみを通過し、パケットの順序反転や損失を生じることなく、自動的に目的地に到達することが可能となり、一方、OPSパケットはそこに光パスが張られていることをほとんど感じることがなく、その上を通過することが可能である。
【００５４】
そして、上述した仮想光回線交換を用いることにより、光ラベル処理器によりパケット毎に出力ポートを決定する自律分散制御型の光パケット交換、ネットワークコントローラにより排他的光パスを設定する集中制御型の光回線交換、そしてこの二つの自律分散制御と集中制御を組み合わせることにより上述した〔条件１〕及び〔条件２〕を満足する仮想光回線交換の３つのデータ転送方式を用いることができるため、様々なデータサイズ、さらに遅延保障や信頼性の要求など、データセンタ内の様々なサービス要求に対して、より柔軟なデータ転送を実現することが可能となる。
【００５５】
すなわち、比較的小さい容量のデータや極めて低遅延を要求するデータに対しては、コネクションレス型の光パケット交換が最適である。
また、光パケットルータに接続された多数の仮想サーバが一斉に移住（データセンタの仕事効率を高めるため、サーバ内のアプリケーションは最適な別のサーバへ移住を行う）するような場合は、極めて大容量のデータに対し、パケット損失の無い高信頼性の転送が要求され、かつリンクの帯域を最大限に利用する必要がある。この場合、100Gbpsのリンク容量に対し、100GbpsのOCSパケットをほぼ連続で転送するため、通常のOPSパケットが入れるようなパケット間の隙間がそもそも存在しないため、ファイバ遅延線を予約する必要が無い、従来の排他的な光回線交換を用いるのが最適である。
【００５６】
これらに対し、光パケットルータに接続された一部の仮想サーバの移住や、映像/ファイル転送、データバックアップなどを行う場合も、大容量のデータを高信頼で転送することが要求されるが、この場合は、ToRスイッチから送られるデータレートは高々数10Gbps程度であり、100Gbps光パケットに圧縮され送られると、パケット間に大きな隙間が発生するため、OPSパケットとの共有が可能な本実施例において説明した仮想光回線交換を用いるのが最適である。
【００５７】
なお、上記仮想的光パスの実施例は、図４に示し上述したデータセンタを例に説明したが、共有バッファに接続されるToRスイッチ３の代わりに、光パケット交換ネットワークに接続される外部のクライアントネットワークを考えると、一般的な光交換ネットワーク上での仮想的光パス設定に説明を置き換えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、仮想光回線交換方式に適用して好適なものである。
【符号の説明】
【００５９】
１  サーバ
１Ａ  送信側サーバ
１Ｂ  受信側サーバ
２  ラック
３  ＴｏＲスイッチ
３Ａ  送信側ＴｏＲスイッチ
３Ｂ  受信側ＴｏＲスイッチ
４  光パケットルータ
４Ａ  送信側ルータ
４Ｂ  受信側ルータ
４Ｃ，４Ｃ1〜４Ｃ8  中継ルータ
５  ネットワークコントローラ
６  光ファイバ
４１  光ラベル処理器
４２  コントローラ
４３  光スイッチ
４４  ファイバ遅延線
４５  共有バッファ
４５１  ＣＭＯＳ−ＬＳＩ回路
４５２  バーストモード光パケット送信器
４５３  バーストモード光パケット受信器
【図１】
0005992555.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005992555.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0005992555.tif 000007