JP2003179633A

JP2003179633A - 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

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Publication number: JP2003179633A
Application number: JP2001376429A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Harai; 洋明原井; Masayuki Murata; 村田　　正幸
Original assignee: Communications Research Laboratory
Current assignee: Communications Research Laboratory
Priority date: 2001-12-10
Filing date: 2001-12-10
Publication date: 2003-06-27
Anticipated expiration: 2021-12-10
Also published as: JP3660983B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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を高速に
行なえ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。【解決手段】伝送されたパケットを一時的に保管する
キューと、その保管手段と、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と、パケッ
トには、予め決められたの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い間はすべ
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
続きとを備えるようにする。

Description

【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（DavidK. Hunter and Meow C. Chia
and IvanAndonovic, “Buffering in Optical Packet S
witches”, IEEE/OSA Journal ofLightwave Technolog
y, Vol. 16, No. 12, pp. 2081-2094, December 199
8.）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；PartialB
uffer Sharing）、プッシュアウト方式（ＰＯ； Push O
ut）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”, I
EEE Journalon Selected Areas in Communications, Vo
l. 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、ＰＢ
Ｓ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 Public
ation, 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（Ｐ
Ｏ）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. Mikke
lsen and C.Joergensen and T. Durhuus and K. E. Stu
bkjaer, “WDM Packet Switch Architecturesand Analy
sis of the Influence of Tunable Wavelength Convert
ers on thePerformance”, IEEE/OSA Journal of Light
wave Technology, Vol. 15, No. 2,pp.219-227, Februa
ry 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ており、また、パケ
ットには、予め決められたの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、Ｐ
ＢＳ方式を拡張した部分上書きバッファ共有方式（ＰＢ
ＳＯ；PBSwith Overwriting）を提案する。この、ＰＢ
ＳＯ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.Andon
ovic,“Approaches to optical Internet packet switc
hing”, IEEECommunicationsMagazine, vol. 38, pp. 1
16-122, 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 usingwa
velength routing techniques,” IEICE Transactions
on Communications, vol. E83-B,pp. 2304-2311, Oct 2
000.）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１０
⁹（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１
４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１
１）。

【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、ＰＢＳ
Ｏ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ＰＢ
ＳＯ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（ＰＢＳ
Ｏ）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

Claims

【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てお
り、また、パケットには、予め決められたの廃棄レベル
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。