JP2006014162A - 通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】 光ファイバの帯域を有効に利用してフレームロスやフレーム遅延を抑制する。
【解決手段】 第１のネットワークから入力されたフレームを光信号に変換して通信回線を介して第２のネットワークに出力する通信システムにおいて、
前記第１のネットワークからフレームが入力され、このフレームのアプリケーションごとに優先順位と送信波長を決定する制御部と、
前記制御部から出力されるフレームを同一の優先順位ごとに蓄える複数のバッファからなるバッファ部と、
前記バッファ部から出力された信号を多重化し、前記通信回線に出力する信号処理部
を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばＷＡＮ等（Wide Area Network）の通信網とユーザ側のイーサネット（登録商標）を接続する通信システムに関し、光ファイバの帯域を有効に利用してフレームロスやフレーム遅延を抑制する通信システムに関する。

光ファイバを使った通信方式の一つにＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）方式がある。この方式は波長の違う複数の光信号を同時に利用することで、光ファイバを多重利用する方式であり、波長の異なる光ビームは互いに干渉しないという性質を利用している。この技術により、光ファイバ上の情報伝送量を飛躍的に増大させることができるので、近年ＷＤＭを用いた通信技術の開発が積極的に行なわれている。このような通信システムは、ＷＡＮ等の通信網とサービスを受けるユーザ間のイーサネットの接続個所、例えばスイッチやルータ等に用いられる。

図５は、ＷＤＭ方式を用いた通信システムの構成図である。図５において、通信装置１は図示しない物理的なポートの番号と波長の対応表を備え、ユーザ側のイーサネットに接続される。

光ファイバ２は光信号の伝送路である。通信装置３は通信網側のイーサネットに接続される。

次に、図５の動作について説明する。通信装置１は、ポート番号と波長の対応表に従ってポート番号ごとに波長を設定する。ここでは、ポート１に波長λ１を設定し、ポート２に波長λ２を設定し、以下同様にポート４までの波長を設定している。

通信装置３は、通信装置１で設定したポート番号と波長の対応表と同様の設定でポート番号ごとに波長を設定する。

そして、通信装置１は、ユーザ側のイーサネットから入力された信号を対応表に基づく設定に従って光信号に変換し、光ファイバ２に出力する。例えば、ポート１にフレームが入力されるとポート１には波長λ１が設定されているので、通信装置１は波長λ１の信号を出力する。

光ファイバ２を介して通信装置３に入力された光信号は、対応表に基づく設定に従って電気信号に変換され、通信網側のイーサネットに出力される。

一方、光ファイバを用いた他の通信方式として優先順位方式がある。この方式はフレームの優先順位を検出し、その優先順位に基づいてフレームを伝送するものである。以下、このような図６の優先順位方式を用いた通信システムについて説明する。通信装置４は、ユーザ側のイーサネットに接続される。光ファイバ５、６は、光信号の伝送路である。通信装置７は通信網側のイーサネットに接続される。

ユーザ側のイーサネットから通信装置４に入力されるフレームは、例えばＶｏＩＰ（Voice Over Internet Protocol）等リアルタイム性が要求され、優先的に転送したい優先データａと、ＷＥＢデータ等の多少の遅延が容認される非優先データｂからなり、これらのアプリケーションの種類ごとに優先度が定められている。

図７は、通信装置４に入力されるフレームの構成例である。図７（イ）で、フレームには、ＭＡＣヘッダ５００、ＶＬＡＮタグ５０１、ＩＰヘッダ５０２、ＴＣＰ／ＵＤＰヘッダ５０３、ＦＣＳ５０４を含む複数のフィールドが形成されている。

ＭＡＣヘッダ５００には、ＭＡＣアドレスが格納されている。ＶＬＡＮタグ５０１には、優先度フィールド５０１ａが形成されている。ＩＰヘッダ５０２には、ＴｏＳ（Type of Service）フィールド５０２ａ、及びＩＰアドレス５０２ｂが形成されている。ＩＰアドレス５０２ｂには、宛先のＩＰアドレスと送信元のＩＰアドレスが格納されている。ＴＣＰ／ＵＤＰヘッダ５０３には、宛先ポート番号５０３ａの情報が含まれる。ＦＣＳ５０４は、フレームチェックシーケンスである。

図７（ア）は、通信装置１にフレームが連続して入力される状態を示している。開始ＦＲはフレームの開始を示すフレーム情報であり、終了ＦＲはフレームの終了を示すフレーム情報である。

図６でユーザ側のイーサネットから通信装置４に入力されたフレームは、図７（イ）の優先度フィールド５０１ａ、Ｔｏｓフィールド５０２ａ、宛先ポート番号５０３ａの情報が参照され、優先データａ、非優先データｂの種類が判別される。そして、優先データａであれば、図示しない優先バッファに蓄積され、光信号に変換されて光ファイバ５に出力される。また、非優先データｂの場合には、図示しない非優先バッファに蓄積され、光信号に変換されて光ファイバ５に出力される。

なお、通信装置４は、非優先データｂの送信中に優先データａを受信すると非優先データｂの送信を中断し、優先データの送信完了後に非優先データの送信を再開する。また、第２のイーサネットから第１のイーサネットにフレームを転送する場合の動作も通信回線に光ファイバ６が使用される点以外は同様である。

ＷＤＭを用いた通信システムの先行技術文献としては特許文献１のようなものがある。優先順位方式を用いた通信システムの先行技術文献としては特許文献２のようなものがある。

特開２００１−２３０７５９号公報

特許第３４５７６３６号公報

ＷＤＭ方式及び優先順位方式は、それぞれ次のような利点が存在する。すなわち、ＷＤＭ方式では、波長の異なる光ビームは互いに干渉しない性質を用いているので、一本の光ファイバ２で異速度の複数の信号を伝送できる。このため、例えば波長λ１が１００Ｍｂｐｓ、波長λ２が１Ｇｂｐｓの速度からなる信号であっても、これらの信号は互いに干渉しない。一方、優先順位方式では、ＷＤＭ方式と異なり物理的なポートに依存せずに重要なフレームを優先的に転送することができる。

しかし、ＷＤＭ方式では、物理的なポートごとに波長を設定するので、フレームとポートの対応関係をネットワークの構築時に一義的に定める必要がある。したがって、ネットワークの追加や再構築を行なうと、フレームとポートの対応関係をあらためて決めなおさなければならないという問題点がある。

一方、優先順位方式では、各フレームをバッファに蓄えて逐次処理するので、順番待ちによる遅延や、揺らぎ等が発生する問題点がある。さらに、光ファイバ５、６で伝送できる帯域の上限は定められているため、複数のポートから入力される帯域が光ファイバ５、６の帯域を越えたときに、フレームロスやフレームの遅延が発生する。

本発明は、光ファイバの帯域を有効に利用してフレームロスやフレーム遅延を抑制する通信システムを提供することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
第１のネットワークから入力されたフレームを光信号に変換して通信回線を介して第２のネットワークに出力する通信システムにおいて、
前記第１のネットワークからフレームが入力され、このフレームのアプリケーションごとに優先順位と送信波長を決定する制御部と、
前記制御部から出力されるフレームを同一の優先順位ごとに蓄積する複数のバッファからなるバッファ部と、
前記バッファ部から出力された信号を多重化し、前記通信回線に出力する信号処理部と
を備える。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の通信システムにおいて、
前記バッファ部は、前記フレームが所望の個数蓄積されると、前記信号処理部に転送する。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、
前記制御部は、
前記フレームが有する複数のフィールドのうち、フレームの優先順位の決定に使用するフィールドを選択する設定部と、
前記設定部によって選択されたフィールドを参照し、前記フレームの優先順位を検出する検出部と、
前記フレームの優先順位を内容とする情報が前記設定部を介して入力され、この優先順位ごとに送信波長を割り当てるスケジューラと、
前記検出部を介して入力された前記フレームを、前記スケジューラの指示に基づいて分類して前記バッファ部に出力する分類部と
を備える。

請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、
前記信号処理部は、
前記バッファ部から出力された電気信号を光信号に変換するＥ／Ｏ変換部と、
前記Ｅ／Ｏ変換部から出力された前記光信号を多重化し、前記電気通信回線に出力する光ＷＤＭカプラと
を備える。

請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明のいて、
前記設定部は、前記バッファ部の使用状況を内容とする信号が入力され、この信号に基づいて前記スケジューラに対し使用するバッファについての指示を与える。

請求項６記載の発明は、
第１のネットワークから入力されたフレームを光信号に変換して通信回線を介して第２のネットワークに出力する通信システムにおいて、
前記フレームの転送順序の優先順位を決定し、
この転送順序の優先順位ごとに送信波長を割り当て、
同一の転送順位の前記フレームが所望の個数蓄積すると、
これらのフレームを前記通信回線に出力する。

請求項７記載の発明は、請求項３又は６記載の発明において、
前記転送順序の優先順位は、フレームの遅延許容時間が短い順番に決定される。

本発明によれば、次のような効果がある。
フレームのアプリケーションごとに優先順位と送信波長を決定するので、光ファイバの帯域を有効に利用し、抑制フレームロスやフレーム遅延を抑制することができる。

また、フレームを所望の個数蓄積して前記信号処理部に転送するので、フレーム遅延を抑制することができる。

さらに、遅延許容時間が短い順番に優先順位が決定されるので、フレーム遅延を抑制することができる。

そして、設定部がバッファ部の使用状況を内容とする信号に基づいてスケジューラに対し使用するバッファについての指示を与えるので、フレーム遅延を抑制することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の通信システムの一実施例を示した構成図である。図１において、通信装置１００はユーザ側のイーサネットに接続される。光ファイバ２００は光信号の伝送路である。通信装置３００は通信網側のイーサネットに接続される。

次に、通信装置１００の具体的構成について図２を参照して説明する。図２で通信装置１００は、スイッチ部１０、制御部２０、バッファ部３０、信号処理部４０を備える。制御部２０は、図３に示す様に、検出部２１、設定部２２、スケジューラ２３、分類部２４を備える。バッファ部３０は複数のバッファからなる。信号処理部４０はＥ／Ｏ変換部４１、光ＷＤＭカプラ４２を備える。

次に、図２の動作について説明する。まず、ユーザ側のイーサネットから入力されたフレームを通信網側のイーサネットに出力する場合について説明する。スイッチ部１０には、第１のイーサネットからポートＡ１〜Ａ３を介してフレームが入力される。そして、スイッチ部１０は、これらのフレームのＭＡＣアドレスを識別し、必要なフレームのみを信号ａとして制御部２０に出力する。

制御部２０は、スイッチ部１０から入力されたフレームを、アプリケーションごとに分類してそれぞれに送信波長を割り当てるが、この動作を図３及び図７を参照して説明する。

まず、設定部２２は、あらかじめユーザインタフェースからの設定により、検出部２１で検出すべき信号ａのフィールドを指定する。例えば、設定部２２は、検出部２１に対し、信号ａに含まれる複数のフィールドのうち図７（イ）の優先度フィールド５０１ａ、ＴｏＳフィールド５０２ａに関する情報のみ検出する旨の信号を信号ｃとして検出部２１に出力する。

検出部２１は、信号ｃによる設定に基づいて、信号ａのフィールド情報、すなわち、この場合優先度フィールド５０１ａ、ＴｏＳフィールド５０２ａに格納された情報が検出される。そして、検出部２１は、新しいアプリケーションが検出された場合には、これらの情報を信号ｅとして設定部２２に出力する。また、フレーム自体は検出部２１から信号ｄとして分類部２４に転送される。

また、検出部２１には、図７（ア）の様に信号ａが連続して入力される場合がある。検出部２１では、信号ａに含まれるＩＰアドレス５０２ｂ、宛先ポート５０３ａを参照し、これらの内容が同じであれば同一アプリケーションのフレームであると判断し、違っていれば新しいアプリケーションであると判断し、信号ｅを設定部に出力する。

そして、設定部２２は、信号ｅが入力されると、信号ｅの宛先ＩＰアドレス、送信元ＩＰアドレス、宛先ポート番号に関する情報を信号ｇとしてスケジューラ２３に出力する。また、設定部２２は、バッファ部３０から使用状況を通知する信号ｈを取得してこの信号も信号ｇに含ませてスケジューラ２３に通知する。

スケジューラ２３は、設定部２２からの信号ｇに基づいて、遅延許容時間が短い順番に優先順位を決定し、フレームロスを考慮して帯域幅を割り当て、アプリケーションと送信波長の対応テーブルを作成する。

具体的には、ＶｏＩＰのようにリアルタイム性が要求されるフレームは優先順位が高くなる。また、この様なフレームは、迅速に転送しなければならないのでバッファ３０の容量は小さく設定する必要がある。さらに、このようなフレームの帯域幅は小さくても差し支えないので、帯域幅は例えば１００Ｍｂｐｓの様に小さく設定される。

一方、メール情報やＷＥＢデータからなるフレームは、遅延許容時間に余裕があるのでバッファ３０の容量は大きく取られる。ただし、優先順位はＶｏＩＰの様にリアルタイム性が要求されるフレームより低くなる。

また、基幹データの様にフレームロスが許されないデータを転送する場合には、連続するフレームロスを防止するため、帯域を広くとる。従って、バッファの容量も大きくとる。帯域幅は、例えば１０Ｇｂｐｓの程度に設定される。

スケジューラ２３は、この様にして作成されたテーブルに基づいて、分類部２４に入力されたデータ（信号ｄ）を、バッファ部３０のどのバッファに出力するか、信号ｉを出力して決定する。この際、設定部２２に与えられる信号ｈによって提供されるバッファ部３０の使用状況が考慮され、空いているバッファに優先的にデータが転送される。

分類部２４は信号ｉに基づいて信号ｊをバッファ部３０に出力する。ここで、バッファ部３０で必要とされる情報には、データ（信号ｄ）の宛先ＩＰアドレス、送信元ＩＰアドレス、宛先ポート番号が含まれる。

図２でバッファ部３０は、設定部２２から出力される信号ｆにより、蓄えるフレームの数が設定される。そして、蓄えられたフレームの数が設定値に達した場合には、それらのフレームを信号処理部４０のＥ／Ｏ変換部４１に出力する。

Ｅ／Ｏ変換部４１は、バッファ部３０から入力された電気信号を光信号に変換して光ＷＤＭカプラ４２に出力する。光ＷＤＭカプラ４２は、Ｅ／Ｏ変換部４１から入力された光信号を多重化して図１に示す光ファイバ２００を介して通信装置３００に出力する。通信装置３００は、アプリケーションごとに通信網側のイーサネットに出力する物理的なポートを選択する。

次に、図１に示す通信網側のイーサネットから入力されたフレームをユーザ側のイーサネットに出力する場合について説明する。通信装置３００は第２のイーサネットから入力されたフレームを、光ファイバ２００を介して通信装置１００に出力する。

通信装置１００の光ＷＤＭカプラ４２に入力された光信号の動作について図２を参照して更に詳細に説明する。光ＷＤＭカプラ４２は、通信装置３００から入力されたフレームを波長ごとに分離して、Ｅ／Ｏ変換部４１に出力する。ここで、分離の方法は、光ＷＤＭカプラ４２の特性を利用する。例えば、複数の波長成分が多重化された光信号は、光ＷＤＭカプラ４２に入力されると、波長λ１、波長λ２・・・と分離され、それぞれ殆どレベルを落とすことなく、それぞれの波長成分の光路を通過する。

Ｅ／Ｏ変換部４１は、光ＷＤＭカプラにより分離された各波長ごとに光信号を電気信号に変換して戻り信号をスイッチ部１０に出力する。スイッチ部１０は、ＭＡＣアドレスを参照してどのポートに出力するかを決定し、ユーザ側のイーサネットに出力する。

このように、フレームのアプリケーションごとに優先順位と送信波長を決定するので、フレームロスやフレーム遅延を抑制することができる。

また、フレームを所望の個数蓄積するバッファ部３０を設けたので、フレーム遅延を抑制することができる。

さらに、遅延許容時間が短い順番に優先順位を決定するので、フレーム遅延を抑制することができる。

そして、設定部２２がバッファ部３０の使用状況を内容とする信号に基づいてスケジューラ２３に対し使用するバッファについての指示を与えるので、フレーム遅延を抑制することができる。

図４は、本発明の他の実施例を示す構成図である。図４でフレームａは音声データ、フレームｂはＷＥＢデータ、フレームｃは基幹データである。通信装置６００は、これらのフレームを同一のアプリケーションごとに分類し、それぞれのアプリケーションごとに送信波長を割り当て、光ファイバ７００に出力する。ここでは、音声データａに波長λ１を割り当て、ＷＥＢデータｂに波長λ２を割り当て、基幹データｃに波長λ３を割り当てる。

データセンタ８００は、通信装置８０１、ＶｏＩＰネットワーク８０２、ＷＥＢサーバ８０３、ストレージ８０４を備える。通信装置８０１は、アプリケーションごとにポートを決定する。例えば、音声データからなるフレームａは、ポート１に対応させ、ＶｏＩＰネットワーク８０２に出力する。

このように、アプリケーションとポートを対応させることにより、光ファイバの帯域を有効に利用して、抑制フレームロスやフレーム遅延を抑制することができる他、保守が容易となる。

なお、本実施例では、ネットワークの例としてイーサネットを用いて説明したが、これに限定されるものではない。

本発明の通信システムの一実施例を示した構成図である。 本発明の通信装置１００の構成図である。 本発明の制御部２０の構成図である。 本発明の他の実施例を示す構成図である。 ＷＤＭ方式を用いた通信システムの説明図である。 優先順位方式を用いた通信システムの説明図である。 フレームの構成例及び通信装置にフレームが連続して入力される状態を示す図である。

符号の説明

２０ 制御部
２１ 検出部
２２ 設定部
２３ スケジューラ
２４ 分類部
３０ バッファ部
４０ 信号処理部
４１ Ｅ／Ｏ変換部
４２ 光ＷＤＭカプラ
１００、３００ 通信装置
２００ 光ファイバ
５０１ａ 優先度フィールド
５０２ａ Ｔｏｓフィールド
５０３ａ 宛先ポート番号

Claims (7)

1. 第１のネットワークから入力されたフレームを光信号に変換して通信回線を介して第２のネットワークに出力する通信システムにおいて、
   前記第１のネットワークからフレームが入力され、このフレームのアプリケーションごとに優先順位と送信波長を決定する制御部と、
   前記制御部から出力されるフレームを同一の優先順位ごとに蓄積する複数のバッファからなるバッファ部と、
   前記バッファ部から出力された信号を多重化し、前記通信回線に出力する信号処理部と
   を備えることを特徴とする通信システム。
2. 前記バッファ部は、前記フレームが所望の個数蓄積されると、前記信号処理部に転送することを特徴とする請求項１記載の通信システム。
3. 前記制御部は、
   前記フレームが有する複数のフィールドのうち、フレームの優先順位の決定に使用するフィールドを選択する設定部と、
   前記設定部によって選択されたフィールドを参照し、前記フレームの優先順位を検出する検出部と、
   前記フレームの優先順位を内容とする情報が前記設定部を介して入力され、この優先順位ごとに送信波長を割り当てるスケジューラと、
   前記検出部を介して入力された前記フレームを、前記スケジューラの指示に基づいて分類して前記バッファ部に出力する分類部と
   を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の通信システム。
4. 前記信号処理部は、
   前記バッファ部から出力された電気信号を光信号に変換するＥ／Ｏ変換部と、
   前記Ｅ／Ｏ変換部から出力された前記光信号を多重化し、前記電気通信回線に出力する光ＷＤＭカプラと
   を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の通信システム。
5. 前記設定部は、前記バッファ部の使用状況を内容とする信号が入力され、この信号に基づいて前記スケジューラに対し使用するバッファについての指示を与えることを特徴とする請求項３記載の通信システム。
6. 第１のネットワークから入力されたフレームを光信号に変換して通信回線を介して第２のネットワークに出力する通信システムにおいて、
   前記フレームの転送順序の優先順位を決定し、
   この転送順序の優先順位ごとに送信波長を割り当て、
   同一の転送順位の前記フレームが所望の個数蓄積すると、
   これらのフレームを前記通信回線に出力することを特徴とする通信システム。
7. 前記転送順序の優先順位は、フレームの遅延許容時間が短い順番に決定されることを特徴とする請求項３又は６記載の通信システム。
   

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