JP3916634B2 - 光波長多重ネットワークシステム、ノード及び輻輳回避方法 - Google Patents

Description

本発明は光波長多重ネットワークシステム、ノード及び輻輳回避方法に関し、例えば、光ファイバ伝送路を介して接続された複数のノード装置において、任意の光波長の光信号をアッド（送信）、ドロップ(受信)することにより複数の光パスを設定することが可能な光波長多重ネットワークシステムに適用し得るものである。

近年、インターネットの普及などにより、ＩＰパケットベースのデータトラフィックが急増してきており、それら大量のトラフィックを伝送する手段として、光ファイバ上に波長の異なる光信号を並列的に伝送することで光ファイバの数を増やすことなく伝送容量を拡大するＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術が注目されている。

このＷＤＭの技術をベースとして、光ファイバから任意波長の光信号のアッド、ドロップが可能な光分岐挿入（ＯＡＤＭ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｄｄ−Ｄｒｏｐ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）装置や、入力された光信号を任意の方路に切り替えることが可能な光クロスコネクト（ＯＸＣ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｏｓｓｃｏｎｎｅｃｔ）装置などが実現されている。

例えば、このＯＡＤＭ機能とパケット処理機能を組合せた装置では、多重化された入力光信号を選択的に通過させることによって、光信号のカットスルーを実現することができる。この光信号のカットスルーにより、任意のノード間に所望する光パスを設定することが可能となり、物理的な構成とは異なる網トポロジーを構成することができる。このカットスルーに関しては特許文献１「光波長カットスルーネットワーク及び光クロスコネクト装置」に記載されている。特許文献１においては、周期的にパスを切り替える光カットスルーの仕組みが記載されている。
特開２００２−３７４２９１号公報

これらＯＡＤＭ装置や光クロスコネクト装置でＩＰトラフィックを収容する場合、そのトラフィックの特性上、バースト的にパケット処理装置にパケットが到着することが想定される。このバースト的なトラフィックは、パケット処理装置で一時的なバッファオーバーフローを発生させる要因となり、その結果、パケットの廃棄が発生してしまう問題があった。

このバッファオーバーフローを回避するには、パケット処理装置のバッファ容量を十分に大きくすることが考えられるが、このバッファ容量の増大はシステムのコストが高くなるという課題があった。

本発明の目的は、上記の問題を解決し、出力バッファ溢れに影響を与えるノードからのトラフィック流入を一時的に抑制することが可能となり、バッファ溢れによる輻輳を回避することができる光波長多重ネットワークシステム、ノード及び輻輳回避方法を提供することにある。

第１の本発明は、複数のノードが光ファイバで接続されているネットワークの各ノードにおいて、送受信データを処理する電気処理部と、光ファイバと前記電気処理部との間で光信号と電気信号間の変換や信号のアッド、ドロップを行う光処理部を備えるとともに、電気処理部に設けられた複数の出力バッファの処理量を監視し、出力バッファの処理量が一定値を超えた場合に、特定の出力バッファへの入力トラフィックを一時的に遮断するバッファ監視部を有するように構成される。

第２の本発明は、複数のノードが光ファイバで接続されている光波長多重ネットワークシステムにおいて、全て又は一部のノードとして、第１の本発明のノードを適用したことを特徴とする。

第３の本発明の輻輳回避方法は、送受信データを処理する電気処理部と、光ファイバと前記電気処理部との間の光電相互変換や信号のアッド、ドロップを行う光処理部とを備えた複数のノードが光ファイバで接続されている光波長多重ネットワークシステムにおいて、各ノードにおける電気処理部の出力バッファの利用状況を監視し、ある出力バッファでオーバーフローが発生しそうな時は、その出力バッファに影響を与える入力ポートが接続されている光パスの接続先を切り替え、かつ切り替えられた光パスを出力ポートとする出力バッファの出力を一時的に停止することで、出力バッファのオーバーフローを低減する。

第４の本発明の輻輳回避方法は、送受信データを処理する電気処理部と、光ファイバと前記電気処理部との間の光電相互変換や信号のアッド、ドロップを行う光処理部とを備えた複数のノードが光ファイバで接続されている光波長多重ネットワークシステムにおいて、各ノードにおける電気処理部の出力バッファの利用状況を監視し、ある出力バッファでオーバーフローが発生しそうな時は、その出力バッファに影響を与える入力ポートが接続されている光パスの波長を、光波長多重ネットワークシステム上を周回するように設定された光パスの波長に変換することで、出力バッファのオーバーフローを低減する。

第５の本発明の輻輳回避方法は、複数のノードが光ファイバで接続されている光波長多重ネットワークシステムにおいて、各ノードにおける電気処理部の出力バッファの利用状況を監視し、ある出力バッファでオーバーフローが発生しそうな時は、リング状に接続された光ファイバ上にループした光パスを設定し、オーバーフローが発生しそうな出力バッファに影響を与える入力ポートが接続されている光パスのパケットを前記ループした光パス上に一時的に退避させることで出力バッファのオーバーフローを低減する。

本発明によれば、バッファ監視部の監視結果により、光処理部の状態を切り替えることにより、出力バッファ溢れに影響を与えるノードからのトラフィック流入を一時的に抑制することが可能となり、バッファ溢れによる輻輳を回避することができる。

また、他の本発明によれば、リング状に周回する光ファイバをファイバ遅延線バッファとして一時的に利用することが可能となり、バッファオーバーフローが発生しそうなバッファ容量を一時的に増加させることができる。

（Ａ）第１の実施形態
以下、本発明による光波長多重ネットワークシステム及び光波長多重ネットワークシステムにおける輻輳回避方法の第１の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、第１の実施形態の光波長多重ネットワークシステムにおけるノードの構成例を示している。図１において、ノードは、光処理部１と電気処理部２とから構成される。

光処理部１は、入出力の光信号を増幅する光アンプ１０１−１、１０１−２と、波長多重された伝送路から波長を分離もしくは多重を行う光フィルタ１０２−１、１０２−２と、各波長λ１〜λｎの光信号をアッド／ドロップもしくはスルーする光スイッチ１０３−１〜１０３−ｎと、電気信号を光信号に変換する電気／光変換器（Ｅ／Ｏ）１０４−１〜１０４−ｎと、その逆の動作で光信号を電気信号に変換する光／電気変換器（Ｏ／Ｅ）１０５−１〜１０５−ｎとで構成される。さらに、光処理部１は、電気処理部２に設けられた演算装置１０９からの指示に従い光スイッチ１０３の−１〜１０３−ｎの制御を行う光スイッチ制御部１１０を備える。

一方、電気処理部２は、電気信号からフレーム組立／分解などを行うデータリンク処理部１０６と、到着したパケットのアドレスを解析し、パケットを所望する方路へとフォワーディンクするスイッチング処理部１０７と、各出力バッファのバッファ使用状況を監視するバッファ監視装置１０８と、バッファ監視に基づいてバッファ溢れが発生しそうな出力バッファに影響を与えているノードを選定する演算装置１０９とを備える。

図２は、第１の実施形態のネットワーク構成例を示している。ノード２０１からノード２０６がそれぞれ光ファイバ２０７でリング状に接続されている。図２は、ノード２０１からノード２０３への上り光パス２０８と、ノード２０３からノード２０１への下り光パス２０９が設定されている状態を示している。これらの光パス２０８、２０９は、ノード２０１、２０３におけるそれぞれの１又は複数の光スイッチ１０３（１０３−１〜１０３−ｎ）でアッド／ドロップされる設定となっており、ノード２０１とノード２０３間のパケットは電気処理部２を用いて転送される。

第１の実施形態における基本的動作は、光スイッチの状態を切り替えることで、出力バッファ溢れに影響を与えるノードからのトラフィックを一時的に遮断し、ノードでの輻輳を回避することにある。

以下、図３の光スイッチ切り替えフローを用いて説明する。

まず、ノード２０３では、バッファ監視装置１０８を用いて、出力バッファの利用状況を監視する（Ｓ３０１）。

通常、この出力バッファは出力ポートごとに設けられ、パケットのバースト的な到着に対してパケット損失が発生しないように一定時間の保持を行う。しかし、特定の出力ポートにパケットが集中すると、出力バッファ内の待ちパケットが増大し、バッファ溢れによるパケット損失が発生してしまう場合がある。

そこで、バッファ監視装置１０８では、出力バッファに閾値を設け、ある値以上にバッファ長が大きくなると、そのバッファ内を分析し、バッファ使用率の計算を行って出力バッファを占める割合が多い入力ポートを選定する（Ｓ３０２）。

図４は、出力バッファの監視のイメージを示している。

図４では、入力ポートＮ本、出力ポートＮ本を有する電気処理部を示している。出力バッファ４０３がある閾値を超えているものとする。演算装置１０９ではこの出力バッファ４０３を占める割合の多い入力ポートを分析し、その結果、入力ポート４０５のノード２０１から到着するパケットが一番多いことを得る。

図３に戻り、演算装置１０９は、ノード２０１からノード２０３へと設定されている上りの光パス情報を調べる（Ｓ３０３）。この上り光パス２０８の情報を調べることで、この光パスに対する下りの光パス２０９を特定することができる。そして、この下り光パス２０９が接続されている出力バッファ４０１のバッファ出力を一旦、停止する（Ｓ３０４）。

これは後述する光スイッチの切り替え処理により、一時的に下り光パスが瞬断されることによるパケット廃棄を抑制するためである。

次に、ノード２０３は、該当する光スイッチ１０３をドロップの状態からスルーの状態へと切り替える（Ｓ３０５）。この切り替え後の状態を図５に示している。これにより、ノード２０１からの光パスはノード２０３をスルーし、再びノード２０１へと収容される。

これは一般的にパケットがループしている状態となるが、ノード２０３の出力バッファ４０３のバッファ溢れ要因となるノード２０１からの入力トラフィックを制限することができるため、出力バッファ４０３の溢れを低減することが可能となる。また、リング状に設置された光ファイバ上をパケットが伝播するには、物理的な伝送遅延が必要となるため、その期間は光ファイバを仮想的なバッファとして扱うことも可能となる。

しかし、事前にその出力を停止した出力バッファ４０１への入力トラフィックは制限されていないため、他の入力ポートからのトラフィック流入により、出力バッファ４０１にはパケットが停留し続ける。そこで、バッファ監視装置１０８では、出力バッファ４０１のバッファ停留量を監視し、ある閾値を超えたかどうかを監視する（Ｓ３０６）。

図６は、この状態での出力バッファの監視イメージを示している。図６では、ノード２０１からの入力トラフィックがなくなり、出力バッファ４０３のバッファ停留量が減少し、逆に、出力バッファ４０１ではバッファ出力が停止しているため、バッファ停留量が増加していることを示している。閾値を超えた場合は、演算装置１０９は光パスを元の状態に戻すため、再び、光スイッチ１０３をドロップの状態に変更する（Ｓ３０７）。これによりノード２０１からのパケットは、再び出力バッファ４０３に流入を開始する。最後に光スイッチが切り替わったことを確認した演算装置１０９は、停止していた出力バッファ４０１の出力を再開する。（Ｓ３０８）
第１の実施形態によれば、光スイッチの状態を切り替えることにより、出力バッファ溢れに影響を与えるノードからのトラフィック流入を一時的に抑制することが可能となり、バッファ溢れによる輻輳を回避することができる。

また、第１の実施形態の輻輳回避動作により、バッファとして機能する他のリソースを一時的に利用することが可能となり、バッファオーバーフローが発生しそうな出力バッファに係るバッファ容量を擬似的に一時的に増加させることができる。

（Ｂ）第２の実施形態
次に、本発明による光波長多重ネットワークシステム及び光波長多重ネットワークシステムにおける輻輳回避方法の第２の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

第２の実施形態の光波長多重ネットワークシステムの各ノードの構成は、第１の実施形態とほぼ同様であるが、光処理部１における入力側の光フィルタ１０２−１と光スイッチ１０３−１〜１０３−ｎとの間に、任意の波長を異なる波長に変換することができる波長変換素子１１１を具備している点が異なる。この波長変換素子１１１は、光スイッチ制御部１１０と接続されており、光スイッチ制御部１１０からの命令を受けて入力光信号を、入力光信号とは異なる波長の光信号へと変換する。

第２の実施形態における基本的動作は、波長変換素子１１１で入力光信号の波長を変換することにより、出力バッファ溢れに影響を与えるノードからのトラフィックを一時的に遮断し、ノードでの輻輳を回避することにある。

以下、図８を用いてそのフローを説明する。ステップＳ８０１からステップＳ８０３までの処理は、第１の実施形態のステップＳ３０１からステップＳ３０３までの処理とほぼ同様である。ここで、入力トラフィックを制限したい入力ポートは、ノード２０１からのトラフィックであり、その光パスの波長がλ１であったとする。また、波長λ２の光信号は、当該ノード２０３でのみアッド／ドロップの設定がされているものとする。

図９は、ステップＳ８０３の処理終了時点でのネットワークの状態イメージを示している。

次に、演算装置１０９は、光スイッチ制御部１１０に対して、波長変換素子１１１で波長λ１の入力光信号の波長をλ２へ変換するように命令する。光スイッチ制御部１１０を介してこの命令を受けた波長変換素子１１１は、上り光パス２０８の波長をλ２へと変更する（Ｓ８０４）。

図１０は、波長がλ２に変換された後のネットワークの状態イメージを示している。この波長変換により、ノード２０１からのトラフィックは、リング状に構成された波長λ２の光パス上を周回することとなる。この周回しているトラフィックは、ファイバの敷設距離に応じて遅延してノード２０３に到着することになる。そのため、その期間は出力バッファ溢れに影響を与えるノード２０１からのトラフィックを抑制することができる。

次に、バッファ監視装置１０８では、波長λ２の光パスからの入力トラフィックを監視し、トラフィックが到着した場合は、波長λ２に振り分けられたパケットが一周したと判断し、波長変換素子１１１で入力光信号の波長λ２を波長λ１に変換する（Ｓ８０５、Ｓ８０６）。

これら波長λ１と波長λ２のそれぞれの光パスから入力されたトラフィックは、データリンク処理部１０６やスイッチング処理部１０７を経て適切な出力ポートへとスイッチングされる。

第２の実施形態によれば、波長変換素子１１１で光信号の波長を変換することにより、出力バッファ溢れに影響を与えるノードからのトラフィック流入を一時的に抑制することが可能となり、バッファ溢れによる輻輳を回避することができる。

また、第２の実施形態によれば、リング状に周回する光ファイバをファイバ遅延線バッファとして一時的に利用することが可能となり、バッファオーバーフローが発生しそうなバッファ容量を一時的に増加させることができる。

（Ｃ）他の実施形態
上記第１の実施形態と第２の実施形態の輻輳回避方法を共に適用するようにしても良い。例えば、基本的には、第２の実施形態の輻輳回避方法を適用し、輻輳回避に利用できる空きの波長成分がない場合に、第１の実施形態による輻輳回避方法を適用するようにしても良い。

上記第２の実施形態では、輻輳回避のために波長変換された光信号の周回数が１周のものを示したが、リングの距離に応じて、周回数を変更するようにしても良い。

なお、全てのノードが輻輳回避構成を有することが好ましいが、一部のノードだけ備えていても良い。

また、特許請求の範囲は、光信号の表現で記述しているが、電気信号の周波数多重信号を伝送するリング状のネットワークシステムやノード、その輻輳回避方法も、特許請求の範囲で記述しているものとする。

第１の実施形態に係る光波長多重ネットワークシステムに分散配置されるノードの構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る光波長多重ネットワークシステムのある時点での構成例を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る光波長多重ネットワークシステムにおいて実行される処理の流れを示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る光波長多重ネットワークシステムの各出力バッファにおけるデータ処理量とバッファ溢れ防止処理前の状況を説明するイメージ図である。 第１の実施形態に係る光波長多重ネットワークシステムの輻輳回避処理後での構成例を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る光波長多重ネットワークシステムの各出力バッファにおけるデータ処理量とバッファ溢れ防止処理後の状況を説明するイメージ図である。 第２の実施形態に係る光波長多重ネットワークシステムに分散配置されるノードの構成を示すブロック図である。 第２の実施形態に係る光波長多重ネットワークシステムにおいて実行される処理の流れを示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る光波長多重ネットワークシステムのバッファ溢れ防止処理前の構成例を示すイメージ図である。 第２の実施形態に係る光波長多重ネットワークシステムの構成でのバッファ溢れ防止処理後の状況を示す概要図である。

符号の説明

１…光処理部、２…電気処理、１０１…光アンプ、１０２…光フィルタ、１０３…光スイッチ、１０４…電気／光変換器（Ｅ／Ｏ）、１０５…光／電気変換器（Ｏ／Ｅ）、１０６…データリンク処理部、１０７…スイッチング処理部、１０８…バッファ監視装置、１０９…演算装置、１１０…光スイッチ制御部、２０１〜２０６…ノード、２０８…光パス、２０９…光パス。

Claims (8)

1. 複数のノードが光ファイバでリング状に接続されている光波長多重ネットワークシステムのノードにおいて、
   送受信データを電気的に処理する、複数の入力ポートと、複数の出力ポートと、前記各出力ポートの前段に設けられた出力バッファとを有する電気処理部と、
   光ファイバと前記電気処理部との間で光信号と電気信号間の変換や信号のアッド、ドロップ若しくはスルーを行う光処理部と、
   前記電気処理部に設けられた複数の出力バッファの処理量を監視し、少なくとも１つの出力バッファの処理量が一定値を超えた場合に、この一定値を超えた出力バッファでバッファリングされているパケットが最も多く入力された前記入力ポートを特定し、この特定入力ポートが接続されている当該ノードへの光パスと対向する、当該ノードからの光パスを特定し、特定された対向する光パスが利用する前記出力ポートの前段の出力バッファからの出力を停止させるバッファ監視部と、
   前記バッファ監視部の出力に応じて、前記特定入力ポートが接続されている光パスの、前記光処理部における接続先を切り替える光パス切り替え手段と
   を有することを特徴とするノード。
2. 前記光パス切り替え手段は、前記特定入力ポートへのパケットを送信している他ノードからの受信パケットをスルーして次のノードに伝送することを特徴とする請求項１に記載のノード。
3. 前記光パス切り替え手段は、前記特定入力ポートへのパケットを送信しているノードからの受信パケットを所定期間だけ前記光波長多重ネットワークシステム上に設けたループパス上に伝送することを特徴とする請求項１に記載のノード。
4. 前記光処理部は、波長が互いに異なる複数の光信号を多重化して前記光波長多重ネットワークシステム上に複数の光パスを形成する波長変換部を備え、
   前記光パス切り替え手段は、前記特定入力ポートへのパケットを送信しているノードからの受信パケットを、所定期間だけ、異なる波長の光信号で形成される光パスへカットスルーする
   ことを特徴とする請求項１に記載のノード。
5. 複数のノードが光ファイバでリング状に接続されている光波長多重ネットワークシステムのノードにおいて、
   送受信データを処理する電気処理部と、光ファイバと前記電気処理部との間で光信号と電気信号間の変換や信号のアッド、ドロップを行う光処理部とを備え、
   前記電気処理部に設けられた複数の出力バッファの処理量を監視し、少なくとも１つの出力バッファの処理量が一定値を超えた場合に、特定の出力バッファへの入力トラフィックを、前記光処理部を制御して一時的に遮断するバッファ監視部と、
   前記バッファ監視部の出力に応じて、前記処理量が一定値を超えた出力バッファに影響を与える入力ポートが接続されている光パスの接続先を切り替え、かつ切り替えられた光パスを出力ポートとする出力バッファの出力を一時的に停止する光パス切り替え手段とを設け、
   前記光パス切り替え手段は、前記処理量が一定値を超えた出力バッファに影響を与える入力ポートへのパケットを送信しているノードからの受信パケットを、異なる波長の信号で形成される光パスへアッドし、その異なる波長で形成される光パス上でパケットが少なくとも１周したときに再び元の波長の信号で形成される光パスへアッドすることによりループパスを形成し、前記受信パケットを、所定期間だけ前記光波長多重ネットワークシステム上に形成された前記ループパス上を伝送させることを特徴とするノード。
6. 複数のノードが光ファイバでリング状に接続されている光波長多重ネットワークシステムにおいて、
   全て又は一部のノードとして、請求項１〜５のいずれかに記載のノードを適用したことを特徴とする光波長多重ネットワークシステム。
7. 複数のノードが光ファイバでリング状に接続されている光波長多重ネットワークシステムにおいて、
   全て又は一部の上記ノードは、
   送受信データを電気的に処理する、複数の入力ポートと、複数の出力ポートと、前記各出力ポートの前段に設けられた出力バッファとを有する電気処理部と、光ファイバと前記電気処理部との間で光信号と電気信号間の変換や信号のアッド、ドロップ若しくはスルーを行う光処理部と、バッファ監視部と、光パス切り替え手段とを備え、
   前記バッファ監視部は、前記電気処理部に設けられた複数の出力バッファの処理量を監視し、少なくとも１つの出力バッファの処理量が一定値を超えた場合に、この一定値を超えた出力バッファでバッファリングされているパケットが最も多く入力された前記入力ポートを特定し、この特定入力ポートが接続されている当該ノードへの光パスと対向する、当該ノードからの光パスを特定し、特定された対向する光パスが利用する前記出力ポートの前段の出力バッファからの出力を停止させ、
   前記光パス切り替え手段は、前記バッファ監視部の出力に応じて、前記特定入力ポートが接続されている光パスの、前記光処理部における接続先を切り替える
   ことを特徴とする輻輳回避方法。
8. 複数のノードが光ファイバでリング状に接続されている光波長多重ネットワークシステムにおいて、
   全て又は一部の上記ノードは、
   送受信データを処理する電気処理部と、光ファイバと前記電気処理部との間で光信号と電気信号間の変換や信号のアッド、ドロップを行う光処理部と、バッファ監視部と、光パス切り替え手段とを備え、
   前記バッファ監視部は、前記電気処理部に設けられた複数の出力バッファの処理量を監視し、少なくとも１つの出力バッファの処理量が一定値を超えた場合に、特定の出力バッファへの入力トラフィックを、前記光処理部を制御して一時的に遮断し、
   前記光パス切り替え手段は、前記バッファ監視部の出力に応じて、前記処理量が一定値を超えた出力バッファに影響を与える入力ポートが接続されている光パスの接続先を切り替え、かつ切り替えられた光パスを出力ポートとする出力バッファの出力を一時的に停止すると共に、前記処理量が一定値を超えた出力バッファに影響を与える入力ポートへのパケットを送信しているノードからの受信パケットを、異なる波長の信号で形成される光パスへアッドし、その異なる波長で形成される光パス上でパケットが少なくとも１周したときに再び元の波長の信号で形成される光パスへアッドすることによりループパスを形成し、前記受信パケットを、所定期間だけ前記光波長多重ネットワークシステム上に形成された前記ループパス上を伝送させる
   ことを特徴とする輻輳回避方法。

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