JP4262607B2

JP4262607B2 - リザーブベースのｍａｃおよび光学式ネットワーク

Info

Publication number: JP4262607B2
Application number: JP2003581389A
Authority: JP
Inventors: シャシャルシュロモ
Original assignee: Matisse Networks Inc
Current assignee: Matisse Networks Inc
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2023-03-26
Also published as: US7009991B2; IL164164A0; WO2003084107A1; EP1488561A4; AU2003225987A1; US20040037301A1; JP2005522090A; KR100627445B1; EP1488561A1; US20030185229A1; KR20040111439A; US7660326B2; IL164164A

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００２年３月２８日に出願された米国仮特許出願第６０／３６７，７８６号「リザーブ（ｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ）ベースのメディア・アクセス・コントローラおよびリザーブベースの光学式ネットワーク」（Ｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ−ＢａｓｅｄＭｅｄｉａＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄＭｅｄｉａ−ＢａｓｅｄＯｐｔｉｃａｌＮｅｔｗｏｒｋ）の優先権を主張し、その内容を参照によって本明細書に組み込む。
【０００２】
本発明はオールファイバ・ネットワークにおける帯域幅および効率の最適化に関する。ダイナミック・オールファイバ光ネットワークは単方向のファイバ・リングを介したシングルホップ光ルーティング用の高速同調可能なレーザーを利用する。リングへのアクセスはメディア・アクセス・コントローラ（ＭＡＣ）によって行われ、各ノードは専用波長を有しており、ファイバは複数の専用波長を同時に搬送できる。このため、各ファイバはノード数と一致する数の波長を有している。各ノードから送出される同調波長は、宛先ノード内にある対応して同調された受信機によって受信される。このため、同調可能な波長をパケット毎に用い、対象とする受信ノードの波長でパケットを送信する。
【背景技術】
【０００３】
このような先行技術のネットワークはシンクロナス（同期的）、かつスロット化されたネットワークと呼ばれ、ファイバ・リングは基本的にリングを単方向に回転する複数のタイム・スロットへと分割される。場合によっては、各ノードが各リングで同じデータを逆方向に送信するように、２つのリングを使用することができる。各ノードはタイム・スロットの境界内でのみパケットを送信することができる。タイム・スロットの長さは典型的には固定されている。パケットのスケジューリングは一般に波長とタイム・スロットのスケジューリングを介して行われる。タイム・スロットの衝突を回避するため、各波長では１つのノードだけが送信可能である。タイム・スロットが特定の波長のパケットを有すると、他のノードはその波長ではそのタイム・スロット内送信が不能であり、それによってそのタイム・スロットでの波長を自由にする。
【０００４】
ＭＭＲおよびＳＲＲの研究（ＭａｒｃｏＡｊｍｏｎｅＭａｒｓａｎ、ＡｎｄｒｅａＢｉａｎｃｏ、ＥｍｉｌｉｏＬｅｏｎａｒｄｉ、Ａ．Ｍｏｒａｂｉｔｏ、およびＦａｂｉｏＮｅｒｉによる）はスロット化された全光マルチリング・トポロジーを扱っている。これらの研究で提示されているＭＡＣアルゴリズムはノードの飢餓状態を防止するための各ノードの搬送波検出能力、およびフェアネス・アルゴリズムに基づいている。搬送波検出機能は通信量に応じて送信資源に適応する能力をネットワークに付与する。このようにして、ネットワークの帯域幅をさらに有効に利用できる。しかし、このアプローチには、アルゴリズムに帯域幅をリザーブする能力がなく、その結果、ネットワークが一定のビット伝送速度の通信をサポートしないという欠点がある。このテーマの１つのバージョンが同じ著者によって開発されたＳＲ^３アルゴリズムで扱われている（「ＳＲ^３：全光ＷＤＭマルチリングを経たマルチメディア・アプリケーション用の帯域幅リザーブＭＡＣプロトコル」”ＳＲ^３：ＡＢａｎｄｗｉｄｔｈＲｅｓｅｒｖａｔｉｏｎＭＡＣＰｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒＭｕｌｔｉｍｅｄｉａＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｖｅｒＡｌｌ−ＯｐｔｉｃａｌＷＤＭＭｕｌｔｉ−Ｒｉｎｇｓ”ＭａｒｃｏＡｊｍｏｎｅＭａｒｓａｎ、ＡｎｄｒｅａＢｉａｎｃｏ、ＥｍｉｌｉｏＬｅｏｎａｒｄｉ、Ａ．Ｍｏｒａｂｉｔｏ、およびＦａｂｉｏＮｅｒｉ著）。ＳＲ^３アルゴリズムはさらに、２つのノード間の帯域幅をリザーブする付加的な能力を有する搬送波検出の着想に基づいている。ソース・ノードから特定の宛先ノードまでの間のリザーブ帯域幅は帯域幅の１／Ｎに及ぶことが可能である（Ｎはノード数）。ＳＲ^３はリザーブをサポートし、ひいては一定のビット伝送速度の通信量をサポートするものの、ノード数の増加と共に増大するリザーブ制限によって、一定ビット伝送速度の通信に割り当て可能な帯域幅が制限される。さらに、搬送波検出のアプローチはノードの飢餓状態を避けるためにフェアネス・アルゴリズムを必要とする。ＳＡＴトークンに基づくフェアネス・アルゴリズムは大きな遅延の原因になることがある。フェアネス・アルゴリズムが原因で生じた遅延によって、フェアネスに基づいたネットワークが音声／ビデオ通信のような遅延感応通信を搬送できなくなる。フェアネス・アルゴリズムを改良し、遅延を最小限にするため、Ｉ．Ｃｉｄｏｎ、Ｌ．Ｇｅｏｒｇｉａｄｉｓ、Ｒ．Ｇｕｅｒｉｎ、およびＹ．Ｓｈａｖｉｔｔによって改良型のフェアネス・アルゴリズムが提案された（「スペース再利用（ＳｐａｔｉａｌＲｅｕｓｅ）を伴うリング用の改良型のフェアネス・アルゴリズム」“ＩｍｐｒｏｖｅｄＦａｉｒｎｅｓｓＡｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒＲｉｎｇｓｗｉｔｈＳｐａｔｉａｌＲｅｕｓｅ”）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的はファイバ・ネットワークにおける帯域幅および効率を最適化することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、ネットワーク内で帯域幅をリザーブする方法であって、複数のノードを有し、デュアル光ファイバ・リングを有するネットワークを供給する工程と、複数のノード間での通信の必要性に基づいて帯域幅の要求のための需要行列を計算する工程と、ネットワークに該ネットワーク長の整数分の一の長さのタイム・スロットを整数個配列するように供給する工程と、タイム・スロットの配列に基づく２つのノード間の帯域幅をリザーブすることを含め、需要行列に基づいてノード間通信用の帯域幅をリザーブする工程と、波長とタイム・スロットとをリザーブすることによって、２つのノード間での送信をスケジューリングする工程と、データをクリティカル・データとノンクリティカル・データとに分類する工程と、前記第一ファイバ・リングまたは第二ファイバ・リング内の障害の発生を判定する工程と、障害の発生に基づいて需要行列を再計算する工程と、宛先ノードに達するようにノンクリティカル・パケットを前記第一ファイバ・リングおよび第二ファイバ・リングの適宜の１つで送信する工程とを含み、クリティカル・データは前記デュアル・ファイバ・リングの第一ファイバ・リングと、第二ファイバ・リングとで送信され、またノンクリティカル・データは第一ファイバ・リングで送信されることを特徴とする方法が提供される。
【０００７】
また、本発明の他の観点によれば、通信用のリザーブマップを作成する方法であって、ネットワーク上で接続された複数のノードからの需要データに基づいて需要行列を作成する工程と、需要行列および一連のパケットが宛先ノードへの原点経路を横切るか否かにより分類される衝突グループに基づいて２部グラフを作成する工程と、リザーブフレーム内の複数のタイム・スロットから、未割り当てタイム・スロットのうちの最大数の割り当て制約を有している未割り当てタイム・スロットを選択する工程と、前記タイム・スロットの割り当て制約に基づいて２部グラフを修正し、前記割り当て制約の表示が２部グラフから削除される工程と、調整された２部グラフ用の最大マッチング集合を作成する工程と、最大マッチング集合に含まれるオリジナルのグラフ・エッジの重みを減分する工程と、最大マッチング集合に基づいて、選択されたタイム・スロット用のリザーブマップ・タイム・スロットを作成する工程と、最大マッチング集合にしたがってタイム・スロットの制約を更新する工程とを含む方法が提供される。
【０００８】
また、本発明のさらに他の観点によれば、光ファイバ・リング・ネットワーク上のノード間でのデータ通信方法であって、光ファイバ・リング・ネットワーク内の複数のノードの各ノード用に需要データを作成する工程と、前記複数のノードのうちの少なくとも１つのノード内に、前記需要データに基づく需要行列を作成する工程と、複数のタイム・スロットと複数の波長とを備えたリザーブフレームの各波長および各タイム・スロット用にリザーブマップを作成することによって、タイム・スロットごとに、および波長ごとに帯域幅をリザーブする工程と、光リング・ネットワーク内の障害の存在を判定する工程と、該判定に基づいて需要行列を再度作成する工程と、選択されたパケットを宛先ノードの位置に応じて、第一のファイバで第一の方向に、または第二のファイバで第二の方向に送信する工程とを含む方法が提供される。
【００１１】
本発明はさらに、上記の方法を実行し、要素を実装するためのさまざまな手段を含むシステムに対するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明を的確に理解するために添付図面を参照されたい。
本発明は、図１に示されているように、ノードに超高速同調可能なレーザー送信機１１と固定受信機１０とが備えられている全光ネットワーク用のシステムおよび方法に対するものである。加えて、本発明はいずれか１つのモードをマスター・ノードまたはオリジナル・ノードとして規定する。マスター・ノードはネットワーク・ノードのどれでもよく、また、クロックの配分、およびＭＡＣ１２内でのリザーブアルゴリズムの実行のような付加的なタスクを実行できる。
【００１３】
全光ファイバ・リング・トポロジーによればＮに及ぶ接続を同時に確立することができる。ここでＮはノードおよび／または波長の数である。接続数を最大にするため、衝突がないＭＡＣを使用する必要がある。ＭＡＣは各タイム・スロット用に接続の集合があらかじめ規定されるリザーブ機構を使用している。接続の集合は衝突が生じないように、すなわち２つのノードが同じタイム・スロットで同じ波長で送信しないように規定される。一般に、リザーブベースのＭＡＣではタイム・スロットに識別番号（タグ）を付けることが必要である。このように、全てのノードが同じタイム・スロットを同じリザーブと関連付ける。ＭＡＣはタイム・スロットを０からＭ−１の増分する数で反復的にタグする。図２に示すように、連続するＭのタイム・スロット（０からＭ−１）がリザーブフレーム形成した。識別番号が同じタイム・スロットは全て同じリザーブ定義を有している。
【００１４】
タイム・スロットの識別番号によって全てのノードをシンクロナイズ（同期化）するため、タイム・スロットの識別番号「０」でマスター・ノードは各ノードにパケットを送信する。各ノードは、各ノード内の局所モジュロＭカウンタをリセットする。その後、カウンタはタイム・スロットごとに増分され、ノードは現行のタイム・スロットの識別番号をカウンタから知ることができる。
【００１５】
異なるＭ個のタイム・スロットがあるとすると、リザーブマップはＭ個のタイム・スロット・リザーブまたは集合を含んでいる。Ｍ×Ｎの行列がリザーブマップを表す。ただしＭはリザーブフレームのサイズであり、Ｎはノード／波長の数である。行列の列はリザーブスロットを表し、行はソースのノード／波長を表し、数値は宛先のノード／波長を表す。
【００１６】
リング・トポロジーでは、リザーブフレームを使用するにはリング長に特別な注意が必要である。左に送信されるタイム・スロットは右から到達するタイム・スロットと一体化する。その結果、タイム・スロットの正確なマージ（一体化）を原点（マスター・ノード位置）で保つためには、リング長はタイム・スロットの整数倍と等しくなければならない。リング長がタイム・スロット整数倍でない場合は、図３に示すように後尾のタイム・スロットが先頭のタイム・スロットに重なり、衝突の原因になることがある。
【００１７】
タイム・スロットが重複しないようにするため、タイム・スロットの境界を単一のソースによってロックしてもよい。例えば、マスター・ノードはタイム・スロットのクロックを専用波長で送信することができる。送信されたクロックはリングの周囲を伝播し、マスター・ノードに戻る。次に、マスター・ノードにあるロック機構はタイム・スロットの重複を除去するためにタイム・スロットの継続期間を設定する。この場合は、タイム・スロットのクロックを調整することによって、リング長およびタイム・スロットのサイズを決定することができる。剰余はリング上の全てのタイム・スロット間で分割されるので、必要な調整は剰余をタイム・スロット数で割った商に等しい。リザーブ割り当てアルゴリズムの利点は、ファイバ・リング長がタイム・スロット整数倍であるだけでよく、リザーブフレームの整数倍である必要がないことである。
【００１８】
図４はタイム・スロットの整数倍に等しい長さのリング４０を示している。マスター・ノードから送信されたタイム・スロットはリングを周回し、マスター・ノード０の位置にある原点に戻る。原点で、旧タイム・スロットは新タイム・スロットに一体化する。Ｘをリング・モジュロＭ内のタイム・スロット数であると定義する（リザーブフレーム内のタイム・スロット数）。Ｘが「０」に等しい場合は、マージャーは同じ識別番号と同じリザーブを有するタイム・スロットの間にある。したがって、タイム・スロットのリザーブが他のタイム・スロットのリザーブと独立している独立リザーブマップを使用できる。これは１つの事例であるに過ぎず、リザーブマップを計算するためのアルゴリズムはＮからＮの２部グラフ上での最大マッチングの問題に対応する。この問題には「仕上げ時間を最短にするためのオープン・ショップ・スケジューリング」（Ｔ．Ｇｏｎｚａｌｅｚ、Ｓ．Ｓａｈｎｉ著、コンピュータ機械協会ジャーナル、２３巻、４号、１９７６年１０月刊）に記載されているような解決方法がある。この刊行物の内容は本発明の理解にとっては不可欠なものではなく、参照によって本明細書に組み込まれている。最大マッチングの問題を解決する２部グラフの実例は図８を参照して後述するので、より詳細な説明は必要ない。
【００１９】
実用上のシステムでは、リング長を一定に設定することはできず、したがって、温度変化や老化によってファイバ・リング長が変化しても同期状態を保つためのシンクロナイゼーション（同期化）方法を利用する必要がある。しかし、リング長をリザーブフレームの整数倍に保つことは実用的ではない。例えば、Ｍが１２８に等しく、タイム・スロットの継続期間が２マイクロ秒であるシステムでは、リング長の粒度および最短の長さは２５．６Ｋｍである。このため、実用的なシステムではタイム・スロットの整数倍しか必要としないリング長に依存することになる。この様な必要条件の場合、リング長の粒度および最短の長さは例えばわずか４００ｍである。
【００２０】
タイム・スロット数Ｘが「０」ではない場合は、マージャー（一体化点）は異なるリザーブを有するタイム・スロットの間にある。したがって、衝突がないリザーブマップを構築するには、以下に記載する従属リザーブマップ・アルゴリズムを使用してもよい。
【００２１】
異なる波長は衝突しないので、従属リザーブマップの問題は異なるＮ個の問題に分割できる。各々の問題は異なる波長に相当する。その上、各波長がリング内のどこかでドロップすることで問題が簡単になる。宛先または異なる波長ごとにソース・ノードは２つの衝突グループ、すなわちパケットが宛先への原点経路を横切るソース・ノードと、パケットが宛先への原点経路を横切らないソース・ノードとに分類される。
【００２２】
図５は波長Ｗ２の場合のリング周囲の経路を示している。波長Ｗ２はノード２でドロップし、したがってリングにこれを加えることができる最初のノードはノード３である。上記のように、重複の問題はパケットが原点を横切る場合だけ発生する。
【００２３】
Ｗ２の経路を吟味すると、ノード３のタイム・スロットＫがノード０および１のタイム・スロット（Ｋ＋Ｘ）モジュロＭと重複することが分かる。このように、従属リザーブマップ・アルゴリズムはタイム・スロットＫをノード３に、またタイム・スロット（Ｋ＋Ｘ）モジュロＭをノード０または１に割り当ててはならない。しかし、このアルゴリズムはタイム・スロットＫをノード３および０に割り当てることができる。図６は波長Ｗ２の場合の従属リザーブマップの例を示している。タイム・スロット０で、ノード３とノード１の双方が波長Ｗ２を送信し、またタイム・スロット１でノード０がこれを送信する。交差陰影付の欄は波長Ｗ２の送信が割り当て制約のために許容されないタイム・スロットを表している。
【００２４】
前述のように、従属リザーブマップの構成は２部グラフでの最大マッチング問題へと変換することができる。図８は４つのノードについての問題を示した２部グラフを示している。２つの衝突グループ内の左のノードはソース・ノードを表し、右のノードは宛先ノードを表している。ノード間の衝突グループとエッジとは需要行列に従って定義される。リザーブ問題を解決するには、リザーブフレーム内の各リザーブスロット向けの最大マッチングを発見する必要がある。最大マッチングの問題は例えば、公知のＨＫアルゴリズム（Ｊ．Ｅ．Ｈｏｐｃｒｏｆｔ、Ｒ．Ｍ．Ｋａｒｐ著「２部グラフにおける最大マッチングのためのｎ^２．５アルゴリズム」）を用いて解決してもよい。
【００２５】
従属リザーブマップ用の変数および初期条件は下記の通りにすることができる。
１．リングの周囲にＮ個のノードがある。ノードの識別子はｉｄ番号＃０を有するマスター・ノードで始まり、送信方向に増分する０からＮ−１である。
【００２６】
２．リザーブフレームはＭ個の連続タイム・スロットから構成される。
３．Ｘはリング・モジュロＭのタイム・スロット数である。
（モジュロは整数分割の剰余を表し、“％”とも表示される。すなわちＸ％ＭはＸモジュロＭと同じである。）
【００２７】
【数１】

【００２８】
９．ＲはリザーブマップＮ×Ｍ行列である。ｒ（ｓ，ｍ）はタイム・スロットｍでソース・ノードｓにリザーブされた宛先ノード／波長である。ｒ（ｓ，ｍ）＝−１である場合は、タイム・スロットｍでのソース・ノードｓ用のリザーブはない。
【００２９】
上記の変数および条件に基づいて、次に従属リザーブマップが下記の工程にしたがって作成される。
１．需要行列および衝突グループに従って２部グラフを作成する。
【００３０】
２．未割り当てタイム・スロットから最大の制約（割り当て制約）を有するタイム・スロットを選択する。
３．選択されたタイム・スロット制約にしたがって、これらに接続されている割り当て制約の頂点およびエッジがオリジナルのグラフから削除されるように２部グラフを設定する。
【００３１】
４．適応されたグラフ用の最大マッチング集合を発見する。
５．最大マッチング集合に含まれるオリジナル・グラフのエッジの重みを１だけ減少させる。
【００３２】
６．最大マッチング集合にしたがってリザーブマップ・タイム・スロットを更新する。
７．最大マッチング集合にしたがってタイム・スロット制約を更新する。
【００３３】
８．正の重みを有するエッジが依然としてオリジナル・グラフにある場合は、工程２に行き、それ以外の場合はアルゴリズムを終了する。
リザーブマップの構成は数学的には下記のように説明される。
【００３４】
【数２】

【００３５】
【数３】

【００３６】
図１３は上述したＭＡＣの使用をベースにした光ネットワーク用のノード実装の１例を示している。光ネットワークは光ファイバ・リングによって接続された幾つかのノードから構成されている（図１）。
【００３７】
この例で提案されているノード実装は以下の想定に基づいている。
１．ネットワーク内の各ノードは異なる波長ドロップ（λ_ｎ）を除いて同じ実装を有している。
【００３８】
２．ネットワーク内の１つのノードはマスター・ノードとして定義される。マスター・ノードはシステム・クロックとタイム・スロット・シンクロナイゼーション（同期化）とをブロードキャストする。
【００３９】
３．ネットワークのシンクロナイゼーション（同期化）は各ノードによって受信され、再送信される専用の共通波長（λ_ｃ）を使用して行われる（デイジーチェーン）。
図１３に示されているノード１３０はファイバ・イン入力およびファイバ・アウト出力を用いて光リングに接続されている。ネットワーク損失を補償するため、１つの構成では光増幅器１３１をノード入り口に接続することが可能である。光増幅器１３１は各ノード内に配置された低利得増幅器でもよく、または必ずしも全てではなくとも幾つかのノード内に配置された高利得増幅器であってもよい。
【００４０】
オプションの光増幅器１３１の後、光信号は引き続いてデュアル光ドロップ（抜出）素子１３２と広帯域光加算素子１３３とを通過する。デュアル光ドロップ素子１３２は通過する光信号からノード波長および共通波長をフィルタにかけて除去し、かつドロップ（抜出）するために使用される。ドロップ素子は１つの光入力（ａ）と３つの光出力（ｂ，ｃ，ｄ）とを有している。光信号は複数波長の光信号を含み、入力（ａ）に入り、３つの光信号に分割される。すなわち、出力（ｂ）から出るノード波長と、出力（ｃ）から出る共通波長と、出力（ｄ）から出る他の全ての波長である。広帯域光アド（挿入）素子１３３は送信された波長および再送信された共通波長を光信号に加えるために使用される。送信された波長は多様な波長から来ることがあるので、この素子は広帯域の素子である必要がある。通過する光信号は入力（ａ）に入り、入力（ｂ）に入る送信された信号と結合する。信号の総計は出力（ｃ）から出る。
【００４１】
シンクロナイゼーション・（同期化）モジュールは受信機１３４ａと、送信機１３４ｂと、シンクロナイゼーション（同期化）論理ブロック１３５とを含む光トランシーバを含んでいる。光受信機１３４ａはドロップされた共通波長を受信し、データおよびクロックを復旧し、光信号を電気信号に変換する。電気信号はデジタル・フレームをシンクロナイズ（同期化）し、タイム・スロット・シンクロナイゼーション（同期化）を抽出するシンクロナイゼーション（同期化）論理１３５によって処理される。共通波形がノード間の信号チャネルとしても使用される場合は、論理ブロックは信号パケットをドロップ（抜出）およびアド（挿入）し、これらはＣＰＵ１３６によって処理される。
【００４２】
受信側では、ドロップされたノード波長は光バースト・モード受信機１３７に入る。光バースト・モード受信機は増幅器と、高速ロックＣＤＲ（クロック・データ復旧）と、デマルチプレクサ素子とを含んでいる。これは光信号からパケットを抽出し、これを電気信号に変換する。送信側では、送信されたパケットは光同調可能送信機１３８を使用して、スケジューリングされた波長で送信される。送信機波長および共通波長および双方がファイバ・リングに加えられる。
【００４３】
バースト・モード受信機によって抽出されるパケットをＲＸ−ＭＡＣモジュール１３９が処理する。ＲＸ−ＭＡＣモジュールはパケットの待ち行列を処理し、パケットをネットワーク層に送る。ＴＸ−ＭＡＫ１３１０はネットワーキング層からパケットを受信し、リザーブマップのスケジューリングに従ってパケットを同調可能送信機に送る。ＢＥＲの性能を高めるため、ＲＸ−ＭＡＣ１３９内でＴＸ−ＭＡＣ１３１０内の順方向エラー修正デコーダとエンコーダを結合することが可能である。
【００４４】
ＲＸ−ＭＡＣ１３９はパケットの適切な記憶とバッファリングのためにメモリ１３９ａに接続されている。同様に、ＴＸ−ＭＡＣ１３１０はメモリ１３１０ａに接続されている。これらのメモリはＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＳＤＲＡＭ、または特定のアプリケーションおよびネットワークの要求に基づく、その他のいずれかの適宜のサイズの適宜の種類のメモリでよい。ノード１３０にはリモート・システム・クロック、またはローカル・システム・クロック１３１１を備えることができることに留意されたい。
【００４５】
ＣＰＵ１３６の主要なタスクは需要行列を計算し、リザーブマップを作成し、システム信号チャネルを処理するアルゴリズムのタスクである。
リザーブマップの計算は２つのアプローチ、すなわち集中型と分散型で実行可能である。集中型のアプローチでは、スレーブ・ノードが需要ベクトルをマスター・ノードに送信する。マスター・ノードは需要ベクトルから需要行列を構築し、適宜のリザーブマップを計算する。リザーブマップは次に共通チャネルを利用してスレーブ・ノードにブロードキャストされる。分散型アプローチでは、各ノードはその需要ベクトルを他のノードにブロードキャストする。次に、ノードは需要ベクトルから需要行列を構築し、適宜のリザーブマップを局地的に作成する。大規模ネットワークでは、リザーブマップの計算には単一ノードだけに効率的に存在し得る大きい処理能力が必要であるので集中型の方法が推奨される。しかし、利用できる計算能力に基づいて、大規模ネットワークの場合でも分散型のアプローチを実現可能である。
【００４６】
図１４はリザーブマップを集中型のアプローチで計算するためのスレーブ・ノードとマスター・ノードとの間のネゴシエーション段階を示している。この場合のネゴシエーションは共通波長チャネルのような帯域外信号チャネルで行われる。
【００４７】
要求段階である段階１では、スレーブ・ノードはそれらの需要ベクトル（各々他の宛先ノード用の資源需要）をマスター・ノードに送信する。マスター・ノードには２種類の需要ベクトルが送信される。すなわち保証された帯域幅ベクトルとベストエフォート型帯域幅ベクトルである。保証された帯域幅ベクトルは各宛先ノード用にノードが必要とするリザーブマップ当たりのタイム・スロット数を指定する。ベストエフォート型帯域幅ベクトルはノードが最適であるものとして要求するリザーブマップ当たりのタイム・スロット数を指定する。このベクトルはさらに、マスター・ノードが全てのネットワーク・ノード間でベストエフォート型帯域幅を分割するようにさせるため、ベストエフォート型資源需要の優先度をも指定する。
【００４８】
全てのスレーブ・ノード需要ベクトルを受信した後、マスター・ノードはアルゴリズム段階である段階２でリザーブマップを計算している。このアルゴリズムはまず、保証された帯域幅を全てのノードの間に割り当て、次にベストエフォート型需要および優先度に従って余分な帯域幅を分割する。この段階の終わりに、マスター・ノードはノードの需要に対して最適化された新規のリザーブテーブルを有している。
【００４９】
マスター・ノードがリザーブマップを作成した後、このノードはそれをリザーブマップ配信段階である段階３でスレーブ・ノードに配信する。リザーブマップの配信はブロードキャストチャネルを経て、または帯域内チャネルを介して行われる。リザーブマップの配信はあらかじめ規定された更新時間に達する前に行われなければならない。
【００５０】
グローバル更新段階である段階４はタイム・スロットＭ−１とタイム・スロット０との間の周期的なＲ個（Ｒはあらかじめ規定されている）のリザーブフレームごとに出現する。更新時間に達すると、ノードは現行のリザーブマップを最新のリザーブマップと置き換える。同じタイム・スロットにおけるグローバル更新によって、確実にタイム・スロットが同じリザーブマップに関連し、衝突は起こらない。最新の更新時間から新規のリザーブマップを受信しないと、新たな更新時間に達した場合に送信が停止することに留意されたい。それによって、ノードが新たなリザーブマップの受信に失敗し、古いリザーブマップに従って送信し続けることが回避される。
【００５１】
光ネットワークにおける重要な問題の１つはネットワーク保護である。キャリアクラス・ネットワークは単一の障害が発生した場合でも“ファイブナイン”（９９．９９９％）のサービス可用性を保証することが要請されている。光リング・ネットワークの最も重大な障害は図９に示されているようにファイバの切断である。この障害は全光ネットワークではより深刻であるが、それはソース−宛先経路の半分に影響を及ぼすからである。キャリヤクラス基準をサポートするため、シンクロナイズ（同期化）された光パケット・リンク・ネットワークはリンクの障害に対処する保護機構を有する必要がある。これを達成するため、デュアル反転リングを実装する必要がある。これはＳＯＮＥＴのような他の光ネットワークから公知である解決方法であるが、全光ネットワークでは、ファイバ切断の障害には別の再構成方式が必要である。ＳＯＮＥＴのような解決方法では、ファイバ切断後に各ノードは少なくとも一方に側（西または東）から有効なデータストリームを受信し、したがって、単に有効なデータストリームを選択する。ファイバ切断後は、２つのリングはデュアル単方向バスになる。この新たな構造は新たなリザーブマップを必要とする。宛先ノードへの接続を考慮に入れたリザーブマップは単一方向からしか利用できないであろう。ノード間の可能性がある接続はより低く、それらの位置によって左右される。バスのエッジ上の２つのノードではオリジナルのビット伝送速度の半分がカットされる。その原因はデータを受信し、送信することができる方向が一方向しかないからである。例えば真ん中のノードは依然としてフル・キャパシティを有している。ファイバは切断されているので、より高速のアルゴリズムである独立リザーブマップを使用して新たなリザーブマップを計算することができる。さらに、再構成時間（検出時間＋アルゴリズム実行時間）はＳＯＮＥＴで許容されている５０ミリ秒より多く必要とするであろう。その理由は、（ＩＰ通信のような）ノンクリティカル・サービスとは異なる対処をする必要があるからである。理解されるように、シングルカットでおそらくはキャパシティが低下するものの、どのノードも遮断されることはない。できるだけ速やかに修復するため、任意の２つのノード間の重大な接続は２つの別個のファイバで複製される必要がある。この方法では、接続が一方向から遮断されると、影響されない方向から同じパケットを取り出すことができる。システムが正常に動作している場合は帯域幅が無駄になるが、障害時には迅速な接続復旧が保証される。再構成時間に対する感受性が低いノンクリティカル接続は単一リングでのみ送信される。このように、２倍に及ぶ帯域幅を達成可能であり、タイムクリティカル通信はタイムリィに宛先に到達し、ノンクリティカル通信は新たなリザーブマップが作成された後に宛先に到達する。
【００５２】
現在および将来の多くのアプリケーションはマルチキャスト能力を必要とすることになろう。単一リングで、サブグループへのマルチキャストは一般に、サブグループ・ノード間に位置している全てのノードを介して行われる。各ノードはパケットがこれにアドレス指定されていなくてもパケットをドロップし、それらのアドレスを検査し、これらを送る必要がある。次にマルチキャストはブロードキャストへと変換され、これはノードの理論上のキャパシティが活用されておらず、帯域幅の無駄があることを意味している。全光ファイバ・リングのトポロジーでは、ソース・ノードはリング上の他のどのノードをも巻き込まず宛先ノードへと直接パケットを送信する。マルチキャスト・ツリーはマルチキャストのサブグループ内のノード間のデイジーチェーンによって容易に形成されることが可能である。これは図１１に示されているようなデイジーチェーン・マルチキャストである。マルチキャスト送信を開始するノードはマルチキャスト・パケットを直接マルチキャスト・グループの第一の要素に送信する。そこで受信ノードは次に、同じパケットを直接リスト上の次のノードに送信する。マルチキャスト・ツリー上のノードを除いて他のノードは巻き込まれない。
【００５３】
マルチキャスト・ツリーが大きすぎる場合は、最新のノードのマルチキャスト・パケットの遅延が大きくなり過ぎることがある。本発明はスパニングツリー（図１２）を使用してもよい。スパニングツリー・マルチキャストでは、各受信ノードはパケットを複製し、これをマルチキャスト・グループ内のほかの２つのノードに送信する。それによってマルチキャスト遅延はデイジーチェーン方式の場合の０（Ｎ）から０（Ｌｏｇ_２Ｎ）まで短縮される。それにも関わらず、この方法には追加の帯域幅が必要であり、デイジーチェーン方式と比較した場合に帯域幅の必要性が２倍に増大する。
【００５４】
図１２を参照して言い換えると、パケットがノード６からノード０、１、４および５からマルチキャストされるものとすると、最初のタイム・スロットでノード６はノード０に送信する。次のタイム・スロットでノード６はノード１に送信し、ノード０はノード４に送信する。最後のタイム・スロットでは、ノード０はノード５に送信する。それによってノード５への待ち時間が大幅に短縮されるが、前述のようにノード６がパケットを２度送信しなければならないことから帯域幅の必要性が増大する。図１１に示されているデイジーチェーン方式では、ノード６はタイム・スロット０でパケットをノード０に送信し、次にノード０が後続のタイム・スロットでパケットをノード１にブロードキャストし、次にノード１がパケットを直接ノード４にブロードキャストし、これは受信されるとパケットを直接ノード５にブロードキャストするであろう。それによって帯域幅の必要性は減少するが、ノード５への待ち時間は増える。
【００５５】
要約すると、本発明はフルリザーブ光ネットワークを提供することが可能なリザーブベースのメディア・アクセス・コントローラに対するものである。本発明はさらに、フルリザーブアルゴリズムを実施する光ネットワーク、およびタイム・スロットと波長のリザーブを利用してフルリザーブ光通信を行う方法に対するものである。本明細書に記載したように、光ネットワークおよびそのノードのさまざまな構成を提供することができ、かつ機能ユニットを形成するように構成された複数個の個別部品に基づいてメディア・アクセス・コントローラを作成することが可能であり、さらに単一の半導体基板上に形成することも可能である。
【００５６】
本発明の上記の説明は光ファイバ・リング・ネットワーク上での実装に対するものである。しかし、本発明はさらに従来型の銅のネットワークを含む他の種類のネットワークにも応用できることに留意されたい。上述のように、需要行列およびリザーブマップ・アルゴリズムおよび構成は、例えば図１６に示されているようなクロスバースイッチのようなネットワーク・スイッチにも応用できよう。クロスバースイッチ１６０は複数個のポート１６１および１６２を有している。ポートは可用性に基づいて、一連のバスおよび一連のタイム・スロットを使用することによって互いに通信するように構成することが可能である。需要行列およびリザーブマップの説明を含む上記の発明は、クロスバースイッチ１６０内の複数のバスおよび複数のタイム・スロットのリザーブに応用できる。光ファイバ、および銅の双方、または配線構造である本発明の他の構造は当業者の範囲内にある。上述の実施形態は光ファイバ・リング内のタイム・スロットおよび波長に特有のものであるが、開示した方法およびシステムはバスのような資源へのアクセス、およびソース・アドレス、宛先アドレスのような従来のパケット情報、ＶＬＡＮ識別情報、クラスオブサービス（ＣＯＳ）情報、およびその他のパケット処理データへのアクセスが制限されている１つ以上の待ち行列で帯域幅をリザーブするために応用可能である。
【００５７】
当業者は上述の発明は開示したものとは順序が異なる工程、および／または構造が異なるハードウエア素子を使用して実施してもよいことを容易に理解されよう。したがって、本発明をこれらの好適な実施形態に基づいて記載してきたが、本発明の趣旨と範囲内に留まりつつ、ある種の修正、変形、および代替構造がは当業者にとって自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１Ａ】複数個のノードを有する光ファイバ・ネットワークを示した図面である。
【図１Ｂ】各ノードに備えられる受信機、同調可能なレーザー、およびＭＡＣを示した図面である。
【図２】リザーブフレームおよびタイム・スロットリザーブマップを示した図面である。
【図３】光ファイバ・リングの周囲のタイム・スロットを示し、かつ原点での衝突を示した図面である。
【図４】リング周囲のタイム・スロットおよびノードを示した図面である。
【図５】光ネットワーク用の単一波長経路を示した図面である。
【図６】本発明による従属リザーブマップを示した図面である。
【図７】本発明による需要行列を示した図面である。
【図８】割り当てに対処するマッチング２部グラフを示した図面である。
【図９】ファイバ切断状況に遭遇した光ファイバ・リングを示した図面である。
【図１０】ファイバ切断後の単一ファイバ・ネットワークのトポロジーを示した図面である。
【図１１】デイジーチェーン・マルチキャストの例を示した図面である。
【図１２】スパニングツリー・マルチキャストの例を示した図面である。
【図１３】本発明によるノードのハードウエア実装を示した図面である。
【図１４】スレーブ・ノードとマスター・ノードとの間の資源の割り当てを示した図面である。
【図１５】本発明の実施形態による帯域幅リザーブ方法を示した図面である。
【図１６】クロスバースイッチのようなネットワーク・スイッチに応用される本発明の実施形態を示した図面である。

Claims

ネットワーク内で帯域幅をリザーブする方法であって、
複数のノードを有し、デュアル光ファイバ・リングを有するネットワークを供給する工程と、
複数のノード間での通信の必要性に基づいて帯域幅の要求のための需要行列を計算する工程と、
ネットワークに該ネットワーク長の整数分の一の長さのタイム・スロットを整数個配列するように供給する工程と、
タイム・スロットの配列に基づく２つのノード間の帯域幅をリザーブすることを含め、需要行列に基づいてノード間通信用の帯域幅をリザーブする工程と、
波長とタイム・スロットとをリザーブすることによって、２つのノード間での送信をスケジューリングする工程と、
データをクリティカル・データとノンクリティカル・データとに分類する工程と、
前記第一ファイバ・リングまたは第二ファイバ・リング内の障害の発生を判定する工程と、
障害の発生に基づいて需要行列を再計算する工程と、
宛先ノードに達するようにノンクリティカル・パケットを前記第一ファイバ・リングおよび第二ファイバ・リングの適宜の１つで送信する工程とを含み、
クリティカル・データは前記デュアル・ファイバ・リングの第一ファイバ・リングと、第二ファイバ・リングとで送信され、またノンクリティカル・データは第一ファイバ・リングで送信されることを特徴とする方法。
前記方法はマルチキャスト・パケットをソース・ノードから複数の宛先ノードへと送信する工程を含み、該送信工程はパケットを複数の宛先ノードのうちの第一のノードへと送信し、次に前記複数のノードのうち第二のノードへと送信し、
パケットを受信すると、次に各受信ノードは全ての宛先ノードがパケットを受信するまで、該パケットを２つの追加の宛先ノードへと送信する工程を含む請求項１に記載の方法。
前記方法はマルチキャスト・パケットをソース・ノードから複数の宛先ノードへと送信する工程を含み、該送信工程は該パケットをソース・ノードから第一の２つの宛先ノードへと送信すると共に、第一の２つの宛先ノードは各々がパケットを２つの他の宛先ノードへと送信し、それによって、各宛先ノードは適宜の全てのノードがパケットを受信するまで、パケットを２つの追加の宛先ノードへと送る工程を含む請求項１に記載の方法。
前記方法はマルチキャスト・パケットをソース・ノードから第一の宛先ノードへと送信する工程を含むと共に、前記第一の宛先ノードはパケットを第二の宛先ノードへと送り、前記第二の宛先ノードはパケットを第三の宛先ノードへと送り、このプロセスは全てのノードがパケットを受信するまで継続する請求項１に記載の方法。
前記帯域幅をリザーブする工程は需要行列およびパケットが宛先ノードへの原点経路を横切るか否かにより分類される衝突グループに基づいてリザーブマップを作成する工程を含む請求項１に記載の方法。
前記リザーブマップを作成する工程は、
需要行列および一連のパケットが宛先ノードへの原点経路を横切るか否かにより分類される衝突グループに基づいて２部グラフを作成する工程と、
リザーブフレーム内の複数のタイム・スロットから、未割り当てタイム・スロットのうちの最大数の割り当て制約を有している未割り当てタイム・スロットを選択する工程と、
前記タイム・スロットの割り当て制約に基づいて２部グラフを修正し、前記割り当て制約の表示が２部グラフから削除される工程と、
調整された２部グラフ用の最大マッチング集合を作成する工程と、
最大マッチング集合に含まれるオリジナルのグラフ・エッジの重みを減分する工程と、
最大マッチング集合に基づいて、選択されたタイム・スロット用のリザーブマップ・タイム・スロットを作成する工程と、
最大マッチング集合にしたがってタイム・スロットの制約を更新する工程と
を含む請求項５に記載の方法。
前記方法は最大マッチング集合に含まれるグラフ・エッジの重みを減分する工程を含む請求項６に記載の方法。
前記ノンクリティカル・データは第一ファイバ・リングのみで送信され、障害が検出されない限り第二ファイバ・リングでは送信されない請求項１に記載の方法。
前記方法は帯域幅を光ファイバ・リング・ネットワーク内にリザーブする請求項１に記載の方法。
前記方法は帯域幅をローカルエリアネットワーク内にリザーブする請求項１に記載の方法。
通信用のリザーブマップを作成する方法であって、
ネットワーク上で接続された複数のノードからの需要データに基づいて需要行列を作成する工程と、
需要行列および一連のパケットが宛先ノードへの原点経路を横切るか否かにより分類される衝突グループに基づいて２部グラフを作成する工程と、
リザーブフレーム内の複数のタイム・スロットから、未割り当てタイム・スロットのうちの最大数の割り当て制約を有している未割り当てタイム・スロットを選択する工程と、
前記タイム・スロットの割り当て制約に基づいて２部グラフを修正し、前記割り当て制約の表示が２部グラフから削除される工程と、
調整された２部グラフ用の最大マッチング集合を作成する工程と、
最大マッチング集合に含まれるオリジナルのグラフ・エッジの重みを減分する工程と、
最大マッチング集合に基づいて、選択されたタイム・スロット用のリザーブマップ・タイム・スロットを作成する工程と、
最大マッチング集合にしたがってタイム・スロットの制約を更新する工程と
を含む方法。
ネットワーク内の障害の存在を判定する工程と、
該判定に基づいて需要行列を再度作成する工程と、
選択されたパケットを宛先ノードの位置に応じて、第一のファイバで第一の方向に、または第二のファイバで第二の方向に送信する工程と
をさらに含む請求項１１に記載の方法。
光ファイバ・リング・ネットワーク上のノード間でのデータ通信方法であって、
光ファイバ・リング・ネットワーク内の複数のノードの各ノード用に需要データを作成する工程と、
前記複数のノードのうちの少なくとも１つのノード内に、前記需要データに基づく需要行列を作成する工程と、
複数のタイム・スロットと複数の波長とを備えたリザーブフレームの各波長および各タイム・スロット用にリザーブマップを作成することによって、タイム・スロットごとに、および波長ごとに帯域幅をリザーブする工程と、
光リング・ネットワーク内の障害の存在を判定する工程と、
該判定に基づいて需要行列を再度作成する工程と、
選択されたパケットを宛先ノードの位置に応じて、第一のファイバで第一の方向に、または第二のファイバで第二の方向に送信する工程と
を含む方法。