JP7063202B2 - 光ネットワーク、光伝送システムおよびこれに含まれる光ノード - Google Patents

光ネットワーク、光伝送システムおよびこれに含まれる光ノード Download PDF

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Description

本発明は、光ネットワーク、そこに使用される光ノードおよび光データフローの光伝送方式に関する。
爆発的に増大するデータトラヒックの保管や処理等を担うデータセンターの重要性が高まっている。データセンターとは、コンピューター（メインフレーム、ミニコンピューター、サーバー等）やデータ通信装置等を設置・運用することに特化した施設の総称である。データセンターでは、主に企業の情報システムを監視・運用・管理等を行うデータセンターサービスが提供されている。データセンターは、仮想化技術、クラウドサービス、ビッグデータといったトレンドを受けて、情報通信技術システムを実質的に支えている。
光スイッチングは、データセンタ（ＤＣ）やスーパーコンピュータのネットワークにおけるダイナミックな動作を実現するための強固な基盤を与える技術である。しかしながら、その目標達成を妨げる光ハードウェアの制約を克服するためには、ネットワークの動作原理においても見直しが必要となっている。
最新のＤＣおよびスーパーコンピュータにおいては、非常に多くの計算機、例えばサーバーやデータ記憶装置が相互に接続され、様々な種類のサービスが提供されている。通常、サーバーまたは記憶装置のグループが、ノード内において集まってクラスター化される。光ネットワークは、これらのすべてのノードを接続するのに使用される。コアネットワークやメトロネットワークのような従来のデータ光伝送ネットワークと比較すると、ＤＣネットワークおよびスーパーコンピュータのネットワークは、ネットワークノードの数がより多いなどのいくつかの特別な特徴を持っている。高速で完全な接続性（full connectivity）は、ＤＣネットワークおよびスーパーコンピュータのネットワークにおけるもう１つの重要な要件である。すなわち、その接続を準備するためにあまり時間を掛けずに、いずれのノード間の通信も切れ目なくシームレスに行われなければならない。
現在のＤＣネットワークおよびスーパーコンピュータネットワークは、電気パケット交換（Electrical Packet Switching）に基づいて動作している。データのパケットは、ネットワークノード間を接続している光ファイバの中を光信号として送信される。各ノードにおいて、そのパケットは、所望の宛先ノードへ向かうように電気交換（Electrical Switching）が実施される。この電気交換のプロセスにおいては、送信された光パケットは、電気信号へ変換され、その後再び光信号の形式に戻されて、その交換ノードの出力点において送信が再開される。
このように、送信パケットに対しては、光―電気－光（ＯＥＯ：Optical-Electrical-Optical）変換が、広い範囲で実施されることになる。このようなアプローチは広く普及しているけれども、高い消費電力、大きなトラフィック遅延および低い柔軟性など多くのネットワークにおける問題点の主原因は、このＯＥＯ変換にある。光交換（Optical Switching）では、ＯＥＯ変換を除去することによって、上述の問題点を根本的に解決できる。
しかしながら、光信号と電気信号との間の物理的な性質の差のために、対応するデバイスにおいていくつかの制限がある。例えば、信頼性のある全光メモリは未だ実現されていないし、ナノセカンドオーダのスピードで再構成が可能な高速光スイッチも、限定されたポート数でしか実現できていない。現在の光技術の欠点を克服しながら、光交換の長所を利用するために、光ネットワークの動作原理が見直されなければならない。
図１は、電気交換をベースにした従来技術の階層的ＤＣネットワークの構成を示した図である。図１を用いて、ＤＣネットワーク１においてパケット衝突が多発し、大きなトラフィック遅延が生じるよく知られたシナリオを説明する。ＤＣネットワーク１は、一例を挙げれば、スイッチ２、４ａ～４ｅなどが階層的に配置され、最下層にはＴｏＲ（ＴｏｐＯｆＲａｃｋ）スイッチの下に複数のサーバーが接続されている。ここで、サーバーＭ（６）が何らかのジョブを与えられたとする。このジョブの実行の一部として、サーバーＭ（６）は他のサーバーへ、データ共有または計算処理を求める要求を送信する。要求を受けたサーバーがある短い期間内にそれぞれの結果をサーバーＭ（６）へ送り返すとき、パケット衝突が容易に発生し得る。したがって、このような衝突を軽減するためのロードバランシングを実行する必要性がある。ロードバランシングが、より高位のネットワークプロトコル例えばレイヤ３スイッチングで実行される洗練された方法であることには、あまり価値はない。なぜなら、レイヤ３スイッチングによるロードバランシングは、たとえパケット衝突が完全に回避できない場合でさえ、十分な処理リソースおよび高い電力消費を必要とする。
ここで、スイッチ４ｄの下のサーバーＡ（５）からスイッチ４ｅの下のサーバーＭ６に返送されているデータフローＡについて考える。サーバーＡ（５）におけるこのデータフローＡ（７）は、標準的なパケットよりも長いサイズとなっている。すなわち、このデータフローは、別々に送信される複数のパケット１～１０に分けられている。サーバーＭ（６）へ至るまでの途中で、これらのパケットは異なる経路３ａ、３ｂを辿ることがあり、このとき異なる衝突確率に見舞われることになる。サーバーＭ（６）においては、フローＳ（８）から成るパケットは、順序がばらばらで拡大した時間（ＴAct）内で受信される。データフローＡ（７）のオリジナルの長さＴと比較して、この送信トランザクションを完了するのに必要な時間ＴActは、ネットワーク性能を評価するための性能指数（ＦＯＭ：Figure Of Merit）として採用できる。
ＦＯＭは、ネットワーク性能を示す無次元の指標として、次式のように定義できる。
Figure 0007063202000001
図１のシナリオにおける問題を解決すべく、ＦＯＭが１の値を持つ理想的な超ダイナミックネットワークの新しいネットワークの概念が提案されている。同じネットワークの概念が、スーパーコンピュータのネットワークトポロジーに依存した強いタスク依存性の問題の解決のためにも使用され得る。次ぐに述べるように、この新しいネットワークでは、非常に高速に再構成が可能なバーチャルトポロジーを持つネットワークが実現され得る。
ネットワーク内で反復されるＯＥＯ変換を除去することによって得られるメリットを動機づけとして、光スイッチングに基づいたフォトニックＤＣネットワークの実現に向けて様々な努力が払われている。いくつかの提案されたネットワークには様々の変形例があるが、これらの送信メカニズムは、大きく２つのカテゴリに分類される。１つは光回線交換（ＯＣＳ：Optical Circuit Switching）のスキームであり、もう１つは光パケット交換（ＯＰＳ：Optical Packet Switching）のスキームである。ＯＣＳスキームは、ネットワーク制御の集中化されたアプローチに従い、いずれかの２つのネットワークノード間で伝送が開始される前に、まず光リンクが設定される。ネットワークトポロジーに関係なく、設定された光リンクは、ソースノードと宛先ノードとの間にある複数の中間ノードを含む。所与の空間リンクに沿って、割り当てられた波長を使用して、ソースノードは、宛先ノードへデータを送信する。中間ノードに存在するすべてのスイッチは、予めこの設定された波長で、受信されたデータを宛先ノードに向かって転送する。
上述の空間リンクを設定するための設定時間は、３つの部分に分けられる。第１に、関係するネットワークノードおよび中央ネットワークコントローラとの間で、信号を交換（シグナリング）するための時間である。第２に、中央ネットワークコントローラによって関連する計算を実行することによって光経路を決定するのに費やされる時間である。第３に、選択された経路（リンク）に沿って位置している光スイッチを再構成するための時間である。光スイッチの再構成スピードを早めるよう大幅に改善できたとしても、他の時間が高速ＯＣＳリンクの実現を阻む基本的な限界を決めてしまう。例えば、中央ネットワークコントローラがあるノードから１ｋｍ離れた場所に位置しているとすると、そのノードと中央ネットワークコントローラとの間で信号をやり取りするシグナリング時間は、１０μｓｅｃ程度になる。１００Ｇｂｐｓにおける１つのイーサネットパケットの時間が１２０ｎｓｅｃ程度であることを思い起こせば、ＯＣＳスキームにおける上述のシグナリング時間は、単一の光パケット時間と比べ、２桁も長いことが理解されるだろう。
一方で、ＯＰＳスキームは、ネットワークに対して分散化されたアプローチに従う。すなわち、各々の光パケットに対して光ラベルが付与され、パケットを宛先ノードへ転送するために各ノードにおいてこのラベルが認識される。ＯＰＳスキームに対しては、ＯＣＳの場合のような設定時間は必要とされないが、ある確率でパケット衝突が起こる可能性を避けることはできない。
図２は、各光伝送スキームにおいて、送信トランザクションの総時間と、その中に含まれたデータフロー時間との間の時間差ΔＴを示したグラフを示す図である。横軸は、パケット長で正規化したデータフロー時間を、縦軸は、図１における送信トランザクションの総時間ＴActおよびデータフロー長Ｔの差をパケット長で正規化した時間差ΔＴを示す。この時間差ΔＴは、ＯＣＳスキームの場合には、初期化時間の２０パケットと仮定して、直線２３で示している。ＯＰＳスキームの場合には、２つの異なる平均パケット衝突確率を想定して、直線２４、２５で示している。
ＯＣＳスキームの場合において、この２０パケット相当の初期化時間は、前述のように定義されたＦＯＭの値に直接影響するオーバヘッド時間２１となる。直線２３から明らかなように、ＯＣＳスキームでは、時間差ΔＴはデータフロー長Ｔ（横軸）に関係なく一定で、不変である。ＯＣＳのようなスキームが十分に長いデータフローに対して最適なものであるという事実は、データ時間とともに変化するＦＯＭ値の変化にも反映されている。ＯＣＳスキームでは、数パケット程度の短いデータフローでは非常に悪いＦＯＭ値となる一方で、データフローが長くなればオーバヘッド２１の効果は小さくなりＦＯＭ値は理想値の１に近づき始める。
ＯＰＳスキームの場合における時間差ΔＴからＦＯＭ値へのマッピングは、非線形な関係を含んでいる。これは、パケット衝突が生じたときに、ネットワークの状態および連続して生じるパケット衝突事象の発生時間間隔に基づいて、不規則な時間で待ち時間が生じるからである。この点において注目すべき点は、図２から明らかなように、異なる平均衝突確率（４％、８％）のいずれの場合も、直線２４、２５は右上がりとなっており、データフローが長くなればなるほど時間差ΔＴが大きくなっている。すなわち、データフローが長くなるにつれてＦＯＭ値は悪くなっていくと言うことである。したがって、光伝送の新しいスキームには、ＯＣＳスキームにおける直線２３に示したようなオーバヘッドが無く、ＯＰＳスキームにおける直線２４、２５に示したようなフローサイズへの依存性がないこと強く要請されている。このような新しい光伝送スキームによれば、ＦＯＭ＝１の状態が実現され、図２の直線２６で示したような時間差ΔＴの状態を実現できる。
上述のような問題から、ＤＣネットワークおよびスーパーコンピュータのネットワークでは、ＯＣＳスキームおよびＯＰＳスキームいずれも未だ検討段階に留まっており、現在でも図１に示したような電気パケットスイッチングによるネットワークが主流である。
S. J. B. Yoo, "Optical Packet and Burst Switching Technologies for the Future Photonic Internet," ２００６年１２月, Journal of Lightwave Technology, vol. 24, no. 12, pp. 4468-4492 Salah Ibrahim, Tatsushi Nakahara, Hiroshi Ishikawa, and Ryo Takahashi, "Burst-mode optical label processor with ultralow power consumption," ２０１６年, Opt. Express 24, 6985-6995
より一般的な視点からは、高速な接続およびより多いノード数の要請を満足する光ネットワークの実現は、（ａ）ネットワークリソースの共用、または、（ｂ）ネットワークリソースの排他的な予約のいずれかによってなし得る。しかしながら、これら２つのいずれのアプローチでも、依然として以下に述べるようなトレードオフや欠点が存在している。
図３は、光ネットワークにおけるリソース共用の問題を説明する図である。図３の（ａ）は、スケジューリングなしのネットワーク資源（リンク）共用に基づいて実現されるネットワークを簡単化して示している。ＯＰＳスキームが、このネットワークの典型的な例である。図３の（ａ）の場合、異なるネットワークノードが、予めどのような時間調整をすることもなくこのネットワークにおける同一の空間リンクを同時に共有することになる。この場合には、先にも説明したように、パケットの衝突３１を何らかの方法で軽減できるにしても、完全に回避することはできない。
図３の（ｂ）は、ネットワーク資源のスケジューリングされた共用に基づいて実現されるネットワークについて簡単化して示している。非特許文献１に示したように、光バーストスイッチング（ＯＢＳ：Optical Burst Switching）スキームが、このネットワークの典型的な例である。この場合は、異なるネットワークノード、例えばノード３２、３３が、このネットワークにおける同一の空間リンクを共有し、それぞれ、Ｔ1、Ｔ2のタイミングでスケジューリングされた方法によって、光バーストを送信する。尚、ＯＢＳスキームの光ネットワークでは、各ノードの光スイッチ（例えば光パケットルータ）において光バーストを受信してラベル処理を行い、次のノードへ転送できる光バースト受信機が必要となる。光バースト受信機では、無信号状態から突然に入力される光データフロー、例えば光パケットに対してクロック抽出を行う、バーストモードのクロックデータ再生機能を持っている。したがって、光バースト受信機は、プリアンブルを用いることなくラベル情報を読み取り、ラベル処理を行い、必要なスイッチングを行うことができる能力を持つ。
共有された空間リンク上で光バーストを送信できるいずれのノードにおいても、リンクをクリアするためまたはリンクの利用可能性を確認するために、そのノードは要求を送信しなければならない。ＯＢＳスキームにおけるよく知られた実装は、Ｔｅｌｌ－Ａｎｄ－Ｇｏ（ＴＡＧ）およびＴｅｌｌ－Ａｎｄ－Ｗａｉｔ（ＴＡＷ）技術である。いずれの技術の場合も、最初に送信元（ソース）ノードが他のノードに対して、空間リンクを使用する要請があることについて伝えなければならない（Ｔｅｌｌ）。その後、光バーストを送信開始する前、リンクがクリアされるまで、または、他のノードから利用可能性についての確認が受信されるまで、ソースノードは待機しなければならない。このように、スケジューリングされたリソース共用の場合には、オーバヘッド時間が必要となる。このオーバヘッド時間は、ネットワークノード数の増大とともに、厳しくなる。
図４は、さらに別の光ネットワークの構成例であるフルメッシュネットワークを示す図である。フルメッシュネットワークは、各ノードが他のすべてのノードと接続され、図２に示したような従来技術スキームの光ネットワークの問題を克服できるものである。波長領域を利用することによって、専用波長の予約を伴う永続的なリンク（Permanent Link）は、データフローの衝突をなくすることができ、オーバヘッドとなる設定時間の必要性を除去することもできる。しかしながら、ネットワーク資源の共有が行われないので、その実現のためには過剰なリソースが要求され、フルメッシュネットワークは現実的な実装には至っていない。この場合でも、ボトルネックは、再びネットワーク資源利用の非効率性になる。ノード数をＮ＝１０００とすれば、ノード間の接続リンク数はＮ2＝１０6、送受信機の数もＮ2＝１０6個となる。
図５は、専用波長を使用しながらリンク共有をするさらに別のネットワークの構成を示した図である。図５に示したように、Ｎ個のノード３５および光スイッチ５１からなる単純なネットワーク５０において、完全な接続性（Full Connectivity）を提供するのに、波長リソースの永続的な専用予約が利用される。このような場合、送信元の各ネットワークノード（ソースノード）は、各々の宛先ノードを指定するために異なる波長５２が割り当てられる。本構成でも、ネットワーク５０全体で必要な波長の総数はＮ2に比例することになる。これは、ＤＣネットワークやスーパーコンピュータネットワークにおいて現に存在している非常に多くのノード数１０3＝１０００個に対しては、１０6個の波長数を必要とする。これは、現在利用されているＣバンドなどの利用可能な光通信の波長数を考えれば、ほとんど実施不可能で、非現実的な数となる。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、従来技術の光ネットワークのパケット衝突や遅延の問題に対応し、さらにネットワークリソースを大幅に減らし、低消費電力と柔軟性を実現する新規なネットワーク構成、光伝送システムを提示する。あわせて、ネットワーク光ノードの構成も提示する。
このような目的を達成するために、本発明の１つの実施態様は、複数（Ｎ：整数）の光ノードを含む光伝送システムにおいて、前記複数の光ノードの各々は、対応する専用予約された波長で、データフローを宛先ノードへ送出し、他の光ノードからのデータフローを、当該データフローに付与されたラベル情報に基づいて転送スイッチングを行うことを特徴とする光伝送システムである。光伝送システムは、光ネットワーク、光伝送方式と言い換えることもできる。
好ましくは、前記複数の光ノードは、Ｋ（自然数）の次元のトーラストポロジーを有し、前記複数の光ノードの各々は、当該光ノードを含むリング内の異なる２つの光ノードで同一波長を再利用し、前記２つの光ノードに対して、同一向きでの重複が生じないよう他の光ノードへの経路がそれぞれ予め定義され、前記複数の光ノード全体で、同一波長がＮ／２Ｋ（整数）回再利用されても良い。
また前記複数の光ノードの各々は、ソースノードとして、２Ｋ個の光送信機を備え、前記予め定義された経路を経由して他の光ノードへデータフローが送られることができる。
本発明の別の実施態様では、前記複数の光ノードは、前記Ｋの次元のトーラストポロジーに従って、Ｐ個の光ファイバのセットによって並列に接続されており、前記複数の光ノードは、Ｐ個のグループを含み、当該Ｐ個のグループの各グループは前記Ｋの次元の各々のトーラスネットワークの同一リング内に属する光ノードで構成され、前記Ｐ個のグループの各グループ間では、前記複数の光ノード全体で重複なしに、異なるリングにある光ノードが含まれており、前記Ｐ個のグループの１つのグループに属する光ノードは、前記Ｐ個の光ファイバのセットの１つのセットによって、データフローの送信のみを行い、前記１つのグループを除いた残りのグループに属する光ノードは、前記１つのセットを除いた残りのセットの光ファイバによってデータフローの受信のみを行い、前記複数の光ノードにおいて、Ｎ／（２Ｋ・Ｐ）個（整数）の波長が利用される。
また、前記複数の光ノードの各々は、無信号状態から前記データフローの入力とともに直ちに同期して、前記ラベル情報を復号できる光受信機を備えることができる。
さらに好ましくは、前記光受信機は、異なる波長に対応した、前記ラベル情報を処理する複数のラベルプロセッサと、前記ラベル情報に基づいて、他の光ノードからの前記データフローを当該光ノードへドロップするか、または、他の光ノードへ転送する光スイッチと、前記ドロップされたデータフローを、所定の数のバーストモード（ＢＭ）受信機へ導くための選択スイッチとを含むことができる。
また、前記ＢＭ受信機が完全に占有されたとき、当該光ノードは、通信を延期するか、または、異なる送信スキームを使用してスイッチングする要求を他の光ノードに対して送信することができる。
複数の専用波長のセットが一緒にグループ化され、前記複数の専用波長のセットを使用するデータフローに対して単一のラベルが付与されることもできる。
さらには、少なくとも光回線交換（ＯＣＳ）、光パケット交換（ＯＰＳ）および光バーストスイッチング（ＯＢＳ）の少なくとも１つを含む他の光伝送スキームが、前記専用予約された波長以外の波長でサポートされることもできる。
本発明のもう１つの実施態様は、光伝送システムにおいて使用される光ノードにおいて、前記光ノードに対応した専用予約された波長で、データフローを宛先ノードへ送出する光送信機と、他の光ノードからのデータフローに、無信号状態から直ちに同期して、当該データフローに付与されたラベル情報を復号し、前記ラベル情報に基づいて転送スイッチングを行う光受信機とを備えたことを特徴とする光ノードである。
好ましくは、前記光ノードは、前記光伝送システムに含まれる複数の光ノードの１つであり、前記複数の光ノードはＫ（自然数）の次元のトーラストポロジーを有しており、前記光ノードを含むリング内の異なる２つの光ノードで同一波長を再利用し、前記２つの光ノードに対して、同一向きでの重複が生じないよう他の光ノードへの経路がそれぞれ予め定義され、前記複数の光ノード全体で、同一波長がＮ／２Ｋ（整数）回再利用される。
さらに前記光受信機は、異なる波長に対応した、前記ラベル情報を処理する複数のラベルプロセッサと、前記ラベル情報に基づいて、他の光ノードからの前記データフローを当該光ノードへドロップするか、または、他の光ノードへ転送する光スイッチと、前記ドロップされたデータフローを、所定の数のバーストモード（ＢＭ）受信機へ導くための選択スイッチとを含むことができる。
以上説明したように、本発明の光ネットワークによって、衝突や遅延の問題を解消し、ネットワークリソースを大幅に減らし、システムの低消費電力と柔軟性を実現する。
電気交換ベースの従来の階層的ＤＣネットワーク構成を示した図である。 各光伝送スキームにおいて、送信トランザクション総時間と、データフロー時間との間の時間差を示した図である。 光ネットワークのリソース共用問題を２つの構成例で説明する図である。 さらに別の光ネットワークであるフルメッシュ構成の例を示す図である。 専用波長を使用しリンク共有する別のネットワーク構成を示した図である。 本発明の実施形態１の光ネットワークの基本構成を説明する図である。 本発明の実施形態２の光ネットワークの基本構成を説明する図である。 本発明の実施形態２の光ネットワークの基本構成を説明する図である。 本発明の光ネットワークのノードの光スイッチ部の構成を示した図である。 本発明のノードの光スイッチ回路基板の構成を示した図である。 各次元のトーラスネットワークで同一波長の再利用を説明する図である。 ２次元トーラスネットワークで同一波長による経路を示した図である。 ２次元トーラスネットワークのノードＡからの経路を示した図である。 ２次元トーラスネットワークのノードＢからの経路を示した図である。 ２次元トーラスネットワークのノードＣからの経路を示した図である。 ２次元トーラスネットワークのノードＤからの経路を示した図である。 データフローを伝送する具体的な経路の例を示した図である。 ネットワークの並列化により波長数を減らす仕組みを説明する図である。 本発明の実施形態３の光ネットワークの構成を説明する図である。 本発明の光ネットワークで、異なる次元、並列化数での波長数を示す。 トーラスネットワークの異なる次元での諸元を比較して示した表である。
従来技術では、ネットワークリソースを共有するための手段の１つとしてバーストモード（ＢＭ：Burst Mode）送信を採用していた。本発明の光ネットワークでは、ソースノードに排他的に予約された専用波長（λ）上で、衝突の発生やリソース共用の準備のための余計な時間なしに、ネットワークノードに対して任意の宛先指定（アドレシング）を可能とするため、ＢＭ送信が新たに使用される。このＢＭ送信に基づいて、未だかつてないダイナミックを持った光ネットワークが実現される。本発明の光ネットワークでは、任意波長の光データフローによる、衝突の無い送信が行われる。本発明の光ネットワークは、ノード間におけるすべての処理を光信号で完了できるので、電気パケットスイッチングをベースとする現在のＤＣネットワークやスーパーコンピュータネットワークと比べて、各段に低消費電力となる。
数千のものノードを含む例えばＤＣネットワークは、現在利用可能な通信帯域における波長の数の制限のため、本発明の基本概念（実施形態１）のみでは直接的に実現は難しい。しかしながら、衝突なしに同一波長を再利用可能とすることで、間接的にノード数が１０００を越えるＤＣネットワークやスーパーコンピュータネットワークにも対応できる新しい光ネットワーク構成も提示する（実施形態２、実施形態３）。
本発明の光ネットワークでは、各ノードから他のノードへ送出されるデータの種類や形態、使用目的には何ら制限がない。すなわち、データのユニットの長さやデータ構造、伝送されるデータの内容などに一切依存しない。したがって、パケット送信を含むすべての情報伝送に利用可能である。したがって、以下の説明では、ノードによって伝送される対象である光信号の情報について、「データフロー」の用語を使用する。
以下の説明では、本発明の光ネットワークについて説明されるが、用語「光ネットワーク」は、光伝送システム、光伝送方式と言い換えることもできる。また、本発明は、光ネットワークにおけるデータフローの伝送方法としての側面も持っているし、光ネッとワークにおける光ノードの側面も持っている。また、以下の説明では、簡単のために単に「ノード」と記載する場合でも、「光ノード」を意味している。
図６は、本発明の新しいアプローチによる光ネットワークの構成を説明する図である。本発明の光ネットワーク６０は、Ｎ個のノード６５から構成されている。ノード６５は、光スイッチ６２によって接続されている。各光スイッチには、後述するラベルプロセッサ６１が関連付けられている。光ネットワーク６０においては、発信元（ソースノード）から他のいずれかノードを宛先ノードとするデータフローのために、ソースノードに対応した波長が指定される。したがって、１つ１つのソースノードに対して、対応する専用波長が割り当てられる。ソースノード毎の専用波長を使用することによって、光ネットワーク内で必要な波長の数を大幅に減らすことができる。
具体的には、図６のノード６５ａをソースノードとして他のノードを宛先ノードとする経路６３ａを伝搬するデータフローには、第１の波長が割り当てられる。一方、ノード６５ｂをソースノードとして他のノードを宛先ノードとする経路６３ｂを伝搬するデータフローには、第１の波長とは異なる第２の波長が割り当てられる。したがって、光ネットワーク６０のノード数がＮ個のとき、必要な波長λの数もＮ個で良い。これは図５に示した従来技術の光ネットワーク５０で、Ｎ2個の波長数を必要していた状況と大きく異なっている。
図６に示した本発明の光ネットワークの基本概念を提示する本実施形態では、最も簡単な構成として、ソースノード１つに単一の専用波長が排他的に割り当てられるものについて説明している。しかしながら、衝突を生じさせない限り、１つのソースノードに２以上の専用波長が割り当てられても良い。後述する実施形態２、実施形態３では、１つの光ネットワーク内で同一波長の繰り返し再利用が行われる。したがって、予め一定の経路を決める条件の下で、異なるソースノード間で同一波長が使用され得る点に留意されたい。
本発明の光ネットワークでは、上述のようにソースノード毎に個別の専用波長が利用される一方で、ソースノードから送出される光データフローに、それぞれの宛先ノードを定義するラベルが付与される。ソースノードと宛先ノードの間の経路上に位置する中間ノードにおいては、各データフローは、このラベル情報に基づいて宛先ノードへと転送される。ラベル情報に基づいたデータフローの処理は、各ノードに関連付けられた光スイッチにおけるラベルプロセッサ６１によって行われる。ラベルプロセッサは、図３の（ｂ）とともにＯＢＳスキームについて説明したように、ＢＭ送信をベースとするネットワークにおいて、光バースト受信機の中で既に実用化されている。光バースト受信機では、無信号状態から突然にデータフローが入力されても、直ちにクロック抽出と同期可能であって、実質的に直ちに、プリアンブルなしでパケットのヘッダ部分にあるラベル情報をデコードできる。現在では、例えば非特許文献２に開示されているように、低遅延のバーストモードラベルプロセッサを利用することができる。バーストモードラベルプロセッサは、電気変換を行うことなしに光ドメインで、直接に中間ネットワークノードを経由して、データフローを通過させることができる。本発明の光ネットワーク６０では、各ノードに関連付けられた光スイッチ６２において対応するラベルプロセッサ６１を備える。
したがって本発明は、複数（Ｎ：整数）の光ノードを含む光伝送システムにおいて、前記複数の光ノードの各々は、対応する専用予約された波長で、データフローを宛先ノードへ送出し、他の光ノードからのデータフローを、当該データフローに付与されたラベル情報に基づいて転送スイッチングを行うものとして実施できる。
図６にも示したように、本発明の光ネットワークの新しいスキームは、排他的に予約された専用波長上でラベルベースのスイッチングを使用するバーストモードデータ伝送として要約することができる。本発明の光ネットワーク内において各ノードは、ユニークに割り当てられた波長を持つことができ、すべてのネットワークノードからの共存するトラフィックの中で、衝突は生じ得ない。さらには、光ラベルプロセッサを利用することで、あらかじめノード間のリンクを確立するための設定時間、すなわちオーバヘッド時間も必要としない。本発明の新しい光ネットワークのスキームによれば、従来技術の光伝送スキームが直面していた、オーバヘッドおよびデータフローの長さに依存した遅延の２つの大きな課題を解決することができる。さらに重要で有利なことには、システムで必要とする波長の数を、Ｎ2個からＮ個へ大幅に減らすことができる。
－実施形態１－
上述の本発明の最も基本な概念をそのまま利用した実施形態１の光ネットワークの構成について、さらに具体的に説明する。Ｃバンド（１５３０～１５６５ｎｍ）およびＬバンド（１５６５～１６２５ｎｍ）は、光ファイバにおけるその低伝搬損失性のために、光信号伝送のために現在もっとも広く利用されている波長帯域である。これらのバンドの使用可能な全波長帯域は、固定グリッドの方法によって、通常「チャネル」と呼ばれるより小さいサブバンドのセットに分割される。本発明の光ネットワークのスキームを直接的に利用することによってサポートされ得るネットワークノードの数は、上述のＣバンドおよびＬバンドにおけるチャネルの総数によって制限される。例えば、Ｃバンドのみを使用する例を考えると、本発明のアプローチに基づいた光ネットワークは、最大で８０個のネットワークノードのサポートを実現できる。さらにＬバンドを加えることによって、チャネルの数は、概ねその２倍（１６０個）まで拡張できる。将来的には、これらのバンドでさらにより多くのチャネルを利用できるようになる可能性もある。
非常に大規模なＤＣネットワークの役割は、多様なネットワークサービスを提供するための中枢的なものであることは確かだが、一方で、メトロネットワークの中でより小さな規模のＤＣを分散化させて配置することが１つのトレンドにある。このような分散化したＤＣネットワークを導入する動機付けは、ＤＣをエンドユーザにより近づけることによって、より低遅延のサービスを実現することにある。実施形態１の本発明の光ネットワークによる新しい光ネットワークのスキームは、この分散化した比較的小規模なＤＣのアイデアを実現するために直接利用することができる。
現在のメトロネットワークは、ＯＣＳスキームに基づいて、各ノードにおいて光信号の分岐・挿入を可能とするＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer）ネットワークとして実現されている。上述のように、本発明の光ネットワークの新しいスキームは、より少ない波長数によってより多くのノードをサポートする長所を持っている。さらには、光ラベルプロセッサを利用してリンクの設定時間も完全に除去してしまうことによって、光ネットワークをより多様なリンクを柔軟に再構成可能とし、よりダイナミックなネットワークを実現する。
一方で、非常に大規模なＤＣネットワークの内部においてサポートが必要なノードの数は、１０００を越えるオーダにある。このような大きな数のノードを含むＤＣネットワークに対して、実施形態１として説明した本発明の光ネットワークのスキームをそのまま適用するのは難しい。しかしながら、以下にさらに述べるシナリオによって、データフローの衝突を生じさせることなしに、数回にわたって同一波長の再利用を可能とできる。以下の実施形態では、１０００を越えるノード数を持つ大規模ＤＣネットワークに対しても適用可能な光ネットワークの構成および動作について説明する。
数千のものノードを含むネットワークは、Ｃバンドなどで現在使用可能な波長の数（約８０）を考慮すれば、直接的に実現は難しい。しかしながら、ソースノードから取り得る経路に予め一定の条件を与えて、衝突を生じさせることなく同一波長の再利用を可能とすることで、これらの数のノードにも対応できる。このために、トーラスネットワークトポロジーの利用を基礎として、２つの基本的なアイデアが導入される。トーラストポロジーにおける各ノードは、所与の波長λが割り当てられ、ノードからの方向とともに厳格にあらかじめ定義された経路のセットに沿ってのみ、データフローが送られる。各データフローに付与されたラベルが使用されて、宛先ノードまで転送される。いかなるフローの衝突を生じさせることなく、各波長λの再利用を可能とするように、各ノードに予め定義された経路が指定される。
－実施形態２－
図６に示した実施形態１についてこれまで説明してきたように、ソースノード毎に割り当てられた専用波長チャネル上においてラベルベースのスイッチングを使用することが、本発明の光ネットワークのスキームの根幹にある。本実施形態の光ネットワークの構成では、ネットワーク内において、衝突を生じさせることなく同一波長の再利用を可能とする第１のアイデアを導入する。データフローの衝突を回避するために同一の波長を使用する光経路を設計することが、本アイデアのベースにある。
図７は、本発明の実施形態２の光ネットワークの基本構成を説明する図である。図７では、最も簡単な構成であるリングネットワーク７０、すなわち１次元のトーラストポロジー構成の光ネットワークにおけるアプローチを説明している。リングネットワーク７０は、ノード１（７１－１）からノード８（７１－８）の８つのノードが順にリング状に接続された構成を持つ。各ノードに対しては、ノード１からノード８の順にλ２、λ３、λ４、λ１、λ２、λ３、λ４、λ１の専用波長が割り当てられている。実施形態１の光ネットワークでは、各ソースノードに対応した異なる専用波長が割り当てられる。ソースノードと割り当てられる波長とは、１対１に対応していたので、可能なノード数は使用可能な波長の最大数に限られていた。一方、図７に示した実施形態２の光ネットワークでは、リングネットワーク７０内で同一波長が２回繰り返して使用される。
具体的には、リングネットワーク内の各々のノードに対しては、データフローを送信するために、矢印の矢尻（先端）で示される方向の指定された２本の経路に沿ってのみ１つの波長が割り当てられる。例えば、ノード４（７１－４）に着目すると、ノード４によってλ１の波長を使用して、２本の経路７２－１、７２－２に沿ってデータフローが送信される。ここで簡単のために図７の右向きの方向を東向き、左向きの方向の西向きと定義する。このとき、ノード４からのデータフローは、例えば東向きの経路のみでノード７へ、および、西向きの経路のみでノード１に到達することができる。このことは、もう１つのノード８（７１－８）によって同じ波長λ１を再利用できることを意味している。なぜならば、トーラストポロジーの１つのリングネットワーク７０内において、ノード１およびノード８の２つのノードによって送信される各データフローは、常に、互いに正反対の方向に伝搬しているからである。
図７においてノード４からの東向き経路７２－２は、ノード８がその終端となっており、ノード８を越えてリング内をさらに伝搬しないことに留意されたい。同様に、ノード４からの西向き経路７２－１は、ノード１がその終端となっており、ノード１を越えてリング内をさらに伝搬しない。光ネットワークの光ファイバを伝送するデータフローは、伝搬方向が互いに正反対であれば、たとえ波長が同一の光信号であっても、その２つのデータフローは相互に干渉せずに独立して存在し得ること留意されたい。これは、図１０とともに後述する光ノードの光スイッチン部の回路構成からも理解されるだろう。
同様に、ノード１（７１－１）およびノード５（７１－５）についても、それぞれ、データフローの伝搬方向で区別された２本の経路に沿ってのみ１つの波長λ２が割り当てられる。ノード１からの２つの経路７４－１、７４－２の各データフローと、ノード５からの２つの経路７５－１、７５－２の各データフローとは、各ノードで見れば相互に正反対の方向を伝搬している。したがって、各ノードにおいて正反対に伝搬する２つのデータフローを区別し、ドロップまたは転送のスイッチング処理を実施できる。このように、１つのリングネットワーク内において、同一波長のデータフローを伝搬方向によって区別することで２回繰り返し再利用できる。したがって、トーラスネットワークにおける予め定めた経路の設定を行う第１のアイデアによって、同一波長の再利用を実現する。
図７のリングネットワーク内で、同一波長を使用する２つのノードの位置は、リング内でのホップ数ができるだけ少なくなるような位置とするのが好ましい。ソースノードから、宛先ノードへデータフローを伝送する場合、ホップ数が多いほど光信号の品質が劣化するからである。したがって、同一波長を使用する２つノードは、リング内で最も遠い位置（ホップ数が最小値となる位置）となるように選べば良い。こうすることで、２つのノードに定義される経路も最短のホップ数を持つことになる。
各ノードは、任意の長さのデータフローを送ることができ、各データフローには、ヘッダすなわちその宛て先を識別するラベルが備えられる。実施形態１で述べたようにリンク設定は不要であって、いずれのノードにおいても、中央のネットワークコントローラとの相互作用なしにフローを次々と送ることができる。いずれのネットワークノードにおいても、同一ポートに到着するデータフローは、波長およびフローヘッダのラベルに基づいて区別される。データフローは、そのノードにおいてドロップされるか、または、既に指定されたパスに沿って次のノードに転送される。
図８は、本発明の光ネットワークにおける光ノードの構成の概要を示した図である。図７の１次元のトーラスネットワークにおけるノード１～ノード８の内の１つに対応する。ノード８０の各入力ポート８４ａ、８４ｂにおいて、入来する光信号の一部は光分岐８９ａ、８９ｂなどによってタップ（分岐）されて、ラベルプロセッサ（ＬＰ）のセット８１ａ、８１ｂに向かう。ＬＰのセット内の各ＬＰは、λ１～λ４の異なる波長を取り扱い、入来するデータフローをドロップ（drop）または転送（forward）するための１×２光スイッチを制御する。例えば、図８の光ノード８０の右側の入力ポート８４ｂからの光信号は、各波長用のＬＰ８２－１～８２－４によってラベルが読み取られ、ラベル情報８３ｂがスイッチングコントローラ８２へ供給される。スイッチングコントローラ８２は、左側の入力ポート８４ａからのラベル情報８３ａと合わせて、光スイッチ部８０－１の１×２光スイッチ８５ａ、８５ｂなどを、制御情報８３ｃによって制御する。例えば光スイッチ８５ａは、波長λ１のソースノードから入来したデータフローをドロップ（Ｄｒｏｐ）して受信機選択ＳＷ８７へ導くか、データフローをそのまま反対側の入力ポート８４ｂに向かって転送（Ｔｈｒｕ）するかの切り替えを行う。別のソースノードからの波長λ４のデータフローは、別の光スイッチによりドロップされたデータフロー８６として、受信機選択ＳＷ８７に入力される。
従って図８の光ノードは、他の光ノードからのデータフローに、無信号状態から直ちに同期して、当該データフローに付与されたラベル情報を復号し、前記ラベル情報に基づいて転送スイッチングを行う光受信機を備える。１×２光スイッチ８５ａ、８５ｂのスイッチングスピードは、最短のデータフローおよびフロー間ガードタイムと整合している必要がある。ナノセカンドオーダのスピードを持っていれば、従来技術のパケットと同等の短さのデータフローのスイッチング（Ａｄｄ／Ｄｒｏｐ）を可能とする。また図８には明示していないが、光ノード８０は図８に示したＢＭ受信機だけではなくて、ソースノードとしてデータフローをＡｄｄして、データフローを他のノードへ送出するための光送信機も当然に備えていることに留意されたい。すなわち図８の光ノードは、光ノードに対応した専用予約された波長で、データフローを宛先ノードへ送出する光送信機も備えている。
典型的な場合とは異なるかもしれないが、すべてのノードが超高速フロー伝送の能力を持っているとすると、サポートされるべき波長の数は、この１次元トーラスのネットワークのノード数の半分となる。例えば図８の光ノード８０の構成では、図７に示した１次元トーラスネットワークのノード１～ノード８の８ノードに対して、４波長（λ１～λ４）が必要となる。
宛先ノードにおいては、データフローは、バーストモード受信機（ＢＭ－Ｒｘ）によって受信される。非常に多くのノードを備えるネットワークにおいて、それぞれのノードの各入力ポートにおいて波長毎に別々の受信機を割り当てることは難しい。その代わりに、各ノードは、その動作が波長に依存しない複数のＢＭ受信機８８を備える。ドロップされたデータフローに応じて、受信機選択ＳＷ８７を使用してＢＭ受信機の１つを選び、共有することができる。所与のノードにおける複数のＢＭ受信機８８の最小数は、そのノードで同時に受信することが想定されるデータフローの最大数によって設定される。ノードにおいて利用可能な全ての受信機が限度いっぱいの使用状態に至る前に、そのような状況は、他のノードへアナウンスされるべきである。そのような場合、一時的に遅らせたり、他の利用可能な伝送スキームを利用するのを求めたり必要がある。
図９は、実施形態２の光ネットワークのノードにおける光スイッチ部のより具体的な構成を示した図である。図９の光スイッチ部９０は、図８における光スイッチ部８０－１および２つの入力ポート８４ａ、８４ｂに概ね対応している。光スイッチ部９０は、図７における異なる伝搬方向の２つの経路に対応する入力ポートとして、２つの光ファイバ９２ａ、９２ｂが接続されている。波長多重化された光信号は、ＡＷＧ９１ａ、９１ｂによって波長毎に異なる光スイッチ回路９３－１、９３－２、・・・９３－Ｎに導かれる。さらに、ラベル情報に従ってドロップ（Ｄｒｏｐ）されて図９に示していない受信機選択スイッチへ導かれるか、反対側の光ファイバへそのまま転送（Ｔｈｒｕ）される。
図１０は、実施形態２の光ネットワークのノードにおける光スイッチ部の光スイッチ回路のより具体的な構成を示した図である。図９の光スイッチ回路９３－１、９３－２、・・・９３－Ｎの内の１つに対応する。１つの光スイッチ回路１００は、図７のノード４（７１－４）において波長λ１の異なる伝搬方向の２つの経路に対応する入力ポートとして、２つの光ファイバ１０１ａ、１０１ｂが接続されている。例えば、図７の東向きの経路７２－２に接続する光ファイバ１０１ｂは、光アイソレータ１０２ｂを経て、１×２光スイッチ１０３ｂに接続される。１×２光スイッチ１０３ｂは、ＴｈｒｕポートとＤｒｏｐポートを持っている。ラベル情報に基づいてスイッチングコントローラ８２によってＴｈｒｕポートが選択されれば、光ファイバ１０１ｂから入来した左向き（西向き）のλ１のデータフロー１０５ｂは転送されて、光ファイバ１０１ａへ送られる。一方、１×２光スイッチ１０３ｂでＤｒｏｐポートが選択されれば、λ１のデータフロー１０６ｂはドロップされて、受信機選択スイッチ１０７へ送られる。図７の西向きの経路７２－１に接続する光ファイバ１０１ａから入来する右向き（東向き）のデータフロー１０５ａ、１０６ａについても、上述の左向き（西向き）のデータフローと全く同じ動作となる。
図８～図１０の具体的なノード構成からわかるように、本発明の光ネットワークにおける伝送スキームにおいては、各ノードにおいて必要とされる２つの別々のレベルのスイッチングが存在していることに留意されたい。第１のスイッチングレイヤは、ラベルプロセッサの出力結果に基づいて入来するデータフローをドロップするかまたは転送するように動作する。このスイッチングは、以降の説明では転送スイッチング（forwarding switching）と呼ぶことにする。この転送スイッチングのためのスイッチ部８０－１は、通常１×２Ｎポート、例えば光スイッチ１０３ａ、１０３ｂを有している。ここで、Ｎはネットワークトポロジーにおけるトーラスの次元であり、図７の光ネットワークの構成は、１次元のトーラスネットワークでＮ＝１であるため、図８のように１×２ポートの光スイッチ８５ａ、８５ｂとなる。
一方で、第２のスイッチングレイヤは、そのノードでドロップされたデータフローを処理するための、あらかじめ定義された受信機を選択するための受信機選択スイッチング（receiver selection switching）である。受信機選択スイッチングは、セレクタスイッチ８８、１０７によって実施され、そのポート数はノード毎に異なり得る利用可能なバーストモード受信機の数によっても決定される。図７の実施形態２の光ネットワークは、もっとも簡単な１次元のトーラスネットワーク（Ｎ＝１）。に対して、同一波長を再利用する例を示した。トーラスネットワークの次元を増やすことによって、さらに再利用を進めることができる。
図１１は、Ｎ＝１～３の各次元のトーラスネットワークにおける同一波長の再利用を説明する図である。図１１の（ａ）～（ｃ）に示したように、より高次元Ｋのトーラスネットワークにおいて衝突フリーの状態を維持するため、各々の次元に沿って同一の波長λを２回使用することができる。このとき、Ｎ個のノードを持つネットワークに必要な波長数は、Ｎ／２Ｋ個となる。例えば、図１１の（ａ）は、図７～図１０で既に説明をした１次元のトーラスネットワークにおける同一波長の再利用を示している。１つのリングの中に８個のノードが存在し、例えば２つのノード１１１－１、１１１－２で、同一波長が利用される。ノード１１１－２に着目すると、左向きのデータフロー１１５－１は、ノード１１１－２において、ドロップされたデータフロー１１５－３となるか、そのまま転送されるデータフロー１１５－２となる。したがって、ノード１１１－２では、１×２光スイッチが必要となる。
図１１の（ｂ）を参照すると、２次元のトーラスネットワークにおける同一波長の再利用を示している。このネットワークでは、縦方向の１列に並んだ７個のノードの上下端の２つのノードはリング状に相互に接続されてトーラスネットワークを構成している点に留意されたい。同様に横方向の１行に並んだ７個のノードの左右端の２つのノードもリング状に相互に接続されてトーラスネットワークを構成している。したがって、例えば、ノード１１２－１に着目すると、このネットワークは、縦方向および横方向すなわちトポロジー的に直交している２つの方向について、２次元のトーラスネットワークの構造を持っている。図７で説明した１次元のトーラスネットワークにおいて説明した同一波長の再利用原理が、そのまま２つの方向について独立に適用され、２次元トーラスネットワークへ拡張できることは容易に理解できるだろう。すなわち、２次元のトーラスネットワークにおいて衝突フリーの状態を維持するため、２つの次元のリングネットワークのそれぞれに沿って同一の波長λを２回使用することができる。したがって、図１１の（ｂ）の光ネットワークの構成では、４つのノード１１２－１～１１２－４において、同一波長λ１を合計４回繰り返し再利用できる。
ここで、ノード１１２－１における、ラベル情報に基づいたデータフローのスイッチング動作（転送スイッチング）を考える。ノード１１２－１への左向きのデータフロー１１６－１は、ノード１１２－１において、図示していないドロップされたデータフローとなるか、入来してきた経路を除く３つの他の経路に沿ってそのまま転送されるデータフロー１１６－２～１１６－４のいずれかとなる。したがって、２次元のトーラスネットワークにおける各ノードでは、図１０における１×２ポートの光スイッチではなくて、１×４ポートの光スイッチが必要となる（１×２Ｎポートで、Ｎ＝２）。２次元トーラスネットワークにおける光ノードの光スイッチ部は、図１０の光スイッチ部１００を２セット持ち、１×４ポート光スイッチの３つのスルーポートが、入来した経路の入力ポートを除いた３つのノードの入力ポートに接続される構成となる。２次元トーラスのネットワークでは、図１０における受信機選択ＳＷ１０７を２つ備えている必要はなく、１つにまとめることができる。
図１１の（ｃ）を参照すると、３次元のトーラスネットワークにおける同一波長の再利用を示している。このネットワークでは、説明のために立体的に３次元に並んだノードの内の１つのノード１１４を含む３つのリング内に存在するノードのみを描いてある点に留意されたい。便宜的にノード１１４を中心として、３つのトーラスに対応する３つの方向を左右方向、上下方向、前後方向とする。例えば、ノード１１３－１、１１３－２を含む左右方向のリングの経路に８個のノードが含まれており、左右端の２つのノードはリング状に接続されてトーラスネットワークを構成している点に留意されたい。同様に、ノード１１３－５、１１３－６を含む上下方向のリングの経路にも８個のノードが含まれており、上下端の２つのノードはリング状に接続されトーラスネットワークを構成している。また、ノード１１３－３、１１３－４を含む前後方向のリングの経路にも８個のノードが含まれており、手前奥の２つのノードもリング状に接続されてトーラスネットワークを構成している。
したがってノード１１４に着目すると、このネットワークは、左右方向、上下方向および前後方向のトポロジー的に直交している３つの方向について、３次元のトーラスネットワークの構造を持っている。図７で説明した１次元のトーラスネットワークにおいて説明した同一波長の再利用の原理は、そのまま、３つの方向に対して独立に、３次元トーラスネットワークへ拡張できることは言うまでもない。すなわち、３次元のトーラスネットワークにおいて衝突フリーの状態を維持するため、同一の波長λを３つの次元に沿ってそれぞれ２回使用することができる。したがって、図１１の（ｃ）の構成では、６つのノード１１３－１～１１３－６において、同一波長λ１を合計６回繰り返して再利用できる。
ここでノード１１４における、ラベル情報に基づいたデータフローのスイッチング動作（転送スイッチング）を考える。ノード１１４へ入来する右向きのデータフロー１１７－１は、ノード１１４において、図示していないドロップされたデータフローとなるか、入来した経路を除く５つの他の経路に沿ってそのまま転送されるデータフロー１１７－２～１１７－６のいずれかとなる。したがって、３次元のトーラスネットワークにおけるノードでは、図１０における１×２ポートの光スイッチではなくて、１×６ポートの光スイッチが必要となる（１×２Ｎポートで、Ｎ＝３）。３次元トーラスネットワークにおける光ノードの光スイッチ部は、図１０の光スイッチ部１００を３セット持ち、１×６ポート光スイッチの５つのスルーポートが、入来した経路の入力ポートを除いたノードの他の５つの入力ポートに接続される構成となる。３次元トーラスのネットワークでも、図１０における受信機選択ＳＷを３つ備えている必要はなく、１つにまとめることができる。
上述のように、本実施形態の光ネットワーク（光伝送システム）では、前記複数の光ノードは、Ｋ（自然数）の次元のトーラストポロジーを有し、前記複数の光ノードの各々は、当該光ノードを含むリング内の異なる２つの光ノードで同一波長を再利用し、前記２つの光ノードに対して、同一向きでの重複が生じないよう他の光ノードへの経路がそれぞれ予め定義され、前記複数の光ノード全体で、同一波長がＮ／２Ｋ（整数）回再利用されているものとして実施できる。
図１２は、２次元のトーラスネットワークにおいて同一波長によって構成される経路を示した図である。この光ネットワークでは、ノードＡ、ノードＢ、ノードＣおよびノードＤ（１２０ａ～１２０ｄ）からの各データフローは、すべて同一の波長λ１を使用している。１つのトーラスネットワークには、６つのノードが含まれており、そのうちの２つが同一波長を使用している。異なる種類の矢印線が４つの異なるノードからの経路を識別するために使用されている。例えばノードＡに着目すれば、ノードＡを含む独立した２つのリングネットワークが構成されており、この２つのリングネットワークからさらに派生（分岐）する経路を定義することで、他のすべてのノードへ到達可能となる。
図１３は、簡単のため図１２の２次元のトーラスネットワークの４つのノードの内のノードＡ１２０ａを起点とする４つの経路１３１－１～１３１－４および、これら４つの経路からさらに派生して定義された経路を示した図である。ノードＡから、他のすべてのノードへの経路が設定され、すべてのノードに到達可能である。
図１４は、図１２の２次元のトーラスネットワークのノードＢ１２０ｂを起点とする４つの経路１４１－１～１４１－４および、これら４つの経路からさらに派生して定義された経路を示した図である。同様に図１５は、図１２の２次元のトーラスネットワークのノードＣ１２０ｃを起点とする４つの経路１５１－１～１５１－４および、これら４つの経路からさらに派生して定義された経路を示した図である。さらに図１６は、図１２の２次元のトーラスネットワークのノードＤ１２０ｄを起点とする４つの経路１６１－１～１６１－４および、これら４つの経路からさらに派生して定義された経路を示した図である。図１３～図１６の同一波長λ１を使用するいずれのノードに着目しても、トーラストポロジーの１つのリングネットワーク内で、同一波長を２回繰り返して再利用可能なように、異なるソースノードからのデータフローが正反対の向きに伝搬する経路が定義される。
図１７は、ソースノードから宛先ノードへデータフローを伝送する具体的な経路を説明する図である。図１７は、図１２と同じ２次元トーラスネットワーク１７０であって、ノードＡ１７１からノードＱ１７４へデータフローを送る場合を考える。ノードＡからノードＱへ向かってデータフローを送るとき、点線１７２のような経路を辿ることはできない。なぜならばこの点線の経路１７２の一部は、ノードＡ以外のノードＢのために既に指定されているからである。すなわち、ノードＱ１７４へ至る直前の縦方向の経路はノードＢのために定義された経路である。したがって、経路１７２と取ることはできない。しかしながら経路１７２の代わりに、実線で示した経路１７３を辿ることで、図１３で示したノードＡのために定義された経路を辿りながら、余計なホップ数に直面することなしに、ノードＱへデータフローを送ることができる。このようにして、ノードＡ～ノードＤの４つのノードは、２次元トーラスネットワーク１７０のいずれの宛先ノードに対しても衝突フリーでデータフロー伝送を行うことができる。同様な考え方は、より高次の次元のネットワークへも拡張できる。
トーラスネットワークは、ノード数が多いネットワークにおいて、ホップ数を減らすために利用されることが多いが、本発明の光ネットワークでは、同一波長を繰り返し再利用するために導入されている。トーラスネットワーク内では、データフローの方向を厳格に定義して、リング内の２つのソースノードであらかじめ経路を分けて定義することができる。これによって、１つのトーラスネットワーク内で２回同一波長を利用できる。トーラスネットワークの次元数をさらに増やすことによって、同一波長の繰り返し可能な回数が次元数に比例して増える。
ただし、トーラスネットワークの次元Ｎを増やしていけば、各ノードの光スイッチ部（図１０を参照）において、１×２Ｎポートの光スイッチが必要となることに留意が必要である。この光スイッチ部における光スイッチは、ラベル情報に基づいた特定のタイミングで、同一波長の光信号の中から特定のデータフローを時間軸上で切り出すように動作する。このような光スイッチは、ＩｎＰの高速光スイッチなどによって実現できるが、挿入損失の増加や、偏波依存性の問題、信号波形の劣化などのために、現時点で、ポート数（スイッチの基数）の最大値は８程度に制限される。したがって、トーラストポロジーを大規模化して、同一波長の再利用によって、必要な波長数を減らすにことには限界がある。
引き続く実施形態３における波長λの数のさらなる削減は、トーラスネットワークの利用に加えて、第２のアイデアとしてネットワークの並列化によって実現される。
－実施形態３－
図１８は、光ネットワークの並列化によって波長数をさらに減らす仕組みを説明する図である。図１８は、光ネットワークの並列化を適用する前であって、実施形態２における２次元トーラスネットワークの適用のみによって波長の再利用をしている状態を示す。２次元トーラスネットワーク１８０は、行（縦方向）の各トーラスネットワークに４つのノードを備え、列（横方向）の各トーラスネットワークにも４つのノードを備えている。ノード１８１－１～１８１－４の４つのノードは、同一の波長λ１を４回使用しており、これらをグループＡとする。ノード１８２－１～１８２－４の４つのノードも、同一の波長λ２を４回使用しており、これらをグループＢとする。本実施形態の光ネットワークでは、波長λ１を繰り返し使用している第１のグループと、別の波長λ２を繰り返し使用している第２のグループとの間で、光ファイバを並列化することで１つの共通の波長を利用してさらに波長数を減らす。
図１９は、実施形態３の光ネットワークの構成および波長配置を説明する図である。ベースとなる図１８の光ネットワークからの変更点の第１は、ノード間を接続する光伝送路、すなわち光ファイバが並列化されていることである。図１８においてすべてのノードを相互接続していた既存の光ファイバを第１のセット１９３とすると、新しい光ファイバの第２のセット１９４を各ノードへ並列に追加することができる。２次元トーラスネットワークでは、各ノードは４つの入力ポートを持つ。本実施形態の光ネットワークでは、いずれのノードでも各々のポートには、ペア（２本）の光ファイバが接続されることになる。
変更点の第２は、１つのファイバセットについて見たとき、各ノードにおいては、グループ毎にデータフローの送信または受信のいずれか一方のみにその動作を限定される点である。具体的には、グループＡの４つのノード１９１－１～１９１－４は、第１のセット１９３の光ファイバ上において波長λ１でデータフローを送信することを許可されている。これに対して、グループＢの４つのノード１９２－１～１９２－４は、第１のセット１９５の光ファイバ上でデータフローの受信のみを許される。
一方で、第２のセット１９４の光ファイバを使用するとき、グループＢの４つのノード１９２－１～１９２－４は第２のセット１９４の光ファイバ上において、λ２ではなくて第１のセットと共通の波長λ１でデータフローを送信する。これに対して、グループＡの４つのノード１９１－１～１９１－４は、第２のセット１９６の光ファイバ上で受信のみを許される。このようにして、２つのグループ毎に、データフローの送信または受信の一方の機能のみに１つの光ファイバセットを使用する。別の光ファイバセットでは、送信および受信の機能を逆にすることで、２つのグループでは、同一の波長を一貫して使用することはできる。尚、図１９でλ１と表示された８つのノード１９１－１～１９１－４、１９２－１～１９２－４以外のノードでは、別の波長λ２を使用すれば良い。したがって、図１９に示した２次元トーラスネットワーク１９０では、全体をλ１、λ２の２つの波長でカバーできることがわかる。
この光ファイバセットの並列化は、さらに多くの光ファイバのセットへ拡大することもできる。例えば、２次元のトーラスネットワークで、リング内のノード数がより多い、例えばＮ＝６４（８×８）の場合には、ノードを４つのグループに分けることができる。この時、光ファイバを４セット並列化して備えることができ。４セットの光ファイバが各ノードに接続される。ここでは詳細は述べないが、４つの光ファイバのセット毎に、ノードからの送信または受信の機能を予め決めて、データフローの衝突が生じないようなノードのグループ分けが可能である。そしてこのグループ内では、１つの波長を繰り返し再利用できる。
したがって実施形態３の光ネットワークの構成は、複数の光ノードは、Ｋの次元のトーラストポロジーに従って、Ｐ個の光ファイバのセットによって並列に接続されており、前記複数の光ノードは、Ｐ個のグループを含み、当該Ｐ個のグループの各グループは前記Ｋの次元の各々のトーラスネットワークの同一リング内に属する光ノードで構成され、前記Ｐ個のグループの各グループ間では、前記複数の光ノード全体で重複なしに、異なるリングにある光ノードが含まれており、前記Ｐ個のグループの１つのグループに属する光ノードは、前記Ｐ個の光ファイバのセットの１つのセットによって、データフローの送信のみを行い、前記１つのグループを除いた残りのグループに属する光ノードは、前記１つのセットを除いた残りのセットの光ファイバによってデータフローの受信のみを行い、前記複数の光ノードにおいて、Ｎ／（２Ｋ・Ｐ）個（整数）の波長が利用されるもの、として実施できる。
図１９の構成と対比すれば、複数の光ノードは、２（Ｐ）の次元のトーラストポロジーに従って、２（Ｐ）個の光ファイバのセット、すなわちセット１およびセット２によって並列に接続されている。前記複数の光ノードは、２（Ｐ）個のグループ、すなわちグループＡおよびグループＢを含み、当該２個のグループの各グループは前記Ｋの次元の各々のトーラスネットワークの同一リング内に属する光ノードで構成されている。これは、４つのノード１９１－１～１９１－４が２つの次元で、同一のリングのいずれかに属している。４つのノード１９２－１～１９２－４についても、同様である。
しかしながら、前記２個のグループの各グループ間すなわちグループＡおよびグループＢの間では、前記複数の光ノード全体で重複なしに、異なるリングにある光ノードが含まれている。前記２個のグループの１つのグループ（グループＡ）に属する光ノードは、前記２個の光ファイバのセットの１つのセット（例えばセット１）によって、データフローの送信のみを行い、前記１つのグループを除いた残りのグループ（グループＢ）に属する光ノードは、前記１つのセットを除いた残りのセット（セット２）の光ファイバによってデータフローの受信のみを行っていることがわかる。
そして、前記複数の光ノードにおいて、Ｎ／（２Ｋ・Ｐ）個（整数）の波長が利用されること、すなわち、グループＡおよびグループＢを含む図１９のネットワーク全体では、１６／（２×２・２）＝２個の波長λ１、λ２が利用されている。
上述のように、Ｎ個のノードのために必要とされる波長数は、Ｎ／（２Ｋ・Ｐ）となる。ここでＰは、並列化した光ファイバセットの数である。Ｐは、同時に同一波長を使用するグループの数でもある。この波長数が整数となるような、Ｎ、Ｋ、Ｐの組み合わせであれば、実施形態３のノードを構成できる。すなわち、異なるトーラスネットワークの次元数と、異なる光ファイバセットの並列化の数（グループの数）Ｐは、独立して適用できる。各ノードにおいて、１ポート当たりのファイバ数を増やすことは、ネットワーク全体での波長λの数を減らすことによってちょうど均衡がとれる。したがって、並列化した光ファイバセットの数Ｐを変更することは送信機、受信機、スイッチ、スイッチの基数（ポート数）に影響を与えない。
図２０は、本発明の光ネットワークで異なる構成（次数および光ファイバの並列化数）に対して、必要な波長数の関係を示している。光ネットワークの総ノード数と、必要な波長数の関係を、トーラスネットワークの次元数、各ノードに接続される並列化された光ファイバのセット数の４つの組み合わせで比較して示した。６Ｄトーラスネットワークで、光ファイバの並列化なしの場合（実施形態２、Ｋ＝６、Ｐ＝１）、ノード数が１０００でも、所要波長数は６０程度である。したがって、現在のＣバンドの波長数でも十分にカバーできることがわかる。また、４Ｄトーラスネットワークで、光ファイバの並列化数が４の場合（実施形態３、Ｋ＝４、Ｐ＝４）、ノード数が１０００でも、所要波長数は３０以下となる。
各ポートに対して光ファイバペアが使用された４次元のネットワークに対しては、６４個の波長で１０２４ノードがサポートされている。全体ネットワークが、ノードにおいて利用可能なすべての受信機を完全に使用する状態に至るまで、スケジューリングなしにフロー伝送できる１０２４×１０２４スイッチまでが可能なことが示されている。したがって、ＤＣネットワークや、スーパーコンピュータネットワークで、現在使用されている大規模なネットワークにも本発明の光ネットワークが対応できることがわかる。
図２１は、トーラスネットワークの異なる次元におけるネットワーク諸元を比較して示した表である。ここでも、６次元のトーラスネットワークによって、Ｃバンドの波長数によって１０２４のノード数に対応できることが明示されている。尚、図２１の表において６次元（６Ｄ）のネットワークについては、１つの次元毎に４つのノードがあり、４6（４０９６）個の全ノードの内の占有率（使用率）が１／４（２５％）の場合を想定して、対応可能なノード数を１０２４としている。
本発明によって示された専用波長の使用をベースとするＤＣネットワークは、アレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ：Arrayed-Waveguide Grating）および、上述の実施形態では使用されていないが波長可変光源によってほとんどが実現できる。したがって、多チャネル化のために生じていたＡＷＧの分解能や波長ドリフトの問題の制限を受けることなく、波長数を大幅に削減しながら、より多数のノードを含む光ネットワークが実現される。さらに、本発明の光ネットワークのもう１つの利点は、異なる波長を利用して、他のＯＣＳやＯＰＳの光伝送スキームを同時にサポートが可能な他のシステムとの親和性能力である。すなわち、本発明の光ネットワーク（光伝送システム）では、少なくとも光回線交換（ＯＣＳ）、光パケット交換（ＯＰＳ）および光バーストスイッチング（ＯＢＳ）の少なくとも１つを含む他の光伝送スキームが、前記専用予約された波長以外の波長でサポートされ得る。
また本発明の光ネットワークは、ＢＭ受信機における光スイッチのポート数構成や、受信機数の範囲内で、波長を随時変更したり、実施形態２で予め定義される経路の構成を柔軟に変更したりすることが可能である。このような特徴は、実行するタスクの性質によって最適なネットワークトポロジーを選択する必要のあるスーパーコンピュータネットワークへの適用に適している。すなわち、再構成が容易であって、ダイナミックに変更が可能な光ネットワークを実現することができる。
本発明は、光ノードとしても実施できる。すなわち、光伝送システムにおいて使用される光ノードにおいて、前記光ノードに対応した専用予約された波長で、データフローを宛先ノードへ送出する光送信機と、他の光ノードからのデータフローに、無信号状態から直ちに同期して、当該データフローに付与されたラベル情報を復号し、前記ラベル情報に基づいて転送スイッチングを行う光受信機とを備えたことを特徴とする光ノードとして実施できる。
また実施形態２として示したように、前記光ノードは、前記光伝送システムに含まれる複数の光ノードの１つであり、前記複数の光ノードはＫ（自然数）の次元のトーラストポロジーを有しており、前記光ノードを含むリング内の異なる２つの光ノードで同一波長を再利用し、前記２つの光ノードに対して、同一向きでの重複が生じないよう他の光ノードへの経路がそれぞれ予め定義され、前記複数の光ノード全体で、同一波長がＮ／２Ｋ（整数）回再利用されることができる。
また図８に示したように、前記光ノードの光受信機は、異なる波長に対応した、前記ラベル情報を処理する複数のラベルプロセッサと、前記ラベル情報に基づいて、他の光ノードからの前記データフローを当該光ノードへドロップするか、または、他の光ノードへ転送する光スイッチと、前記ドロップされたデータフローを、所定の数のバーストモード（ＢＭ）受信機へ導くための選択スイッチとを含むことができる。
上述のように、本発明の光ネットワークでは、各ネットワークノードは、単一の波長チャネルが、または、複数の別々の波長のチャネルが、データを送信するために割り当てられている。しかしながら、高いトラフィック量で特徴づけられたノードには、単一のユニットとして、一緒に取り扱われる波長チャネルのグループを割り当てることもできる。このような場合は、従来技術のような別々の波長チャネルに異なるラベルを有する代わりに、グループ全体に単一のラベルを付与することもできる。この場合は、スイッチングノードも、固定された波長グリッドの帯域幅（チャネル）を越えたこのようなグループ化されたトラフィックを扱うように修正すれば良い。したがって、実施形態１で説明した本発明の基本概念は、既存の光通信の帯域のチャネル構成の光ネットワーク、光通信システムだけに限定されない。
以上詳細に述べたように、本発明の光伝送システムによって、多数の光ノードを含む、ＤＣネットワークおよびスーパーコンピュータのネットワークにおいて、使用される波長の数を大幅に減らすことができる。従来技術の光伝送スキームにおける衝突や遅延の問題を解消し、ネットワークリソースを大幅に減らすことに加え、全処理を光レベルで実施可能であって、ネットワーク内での消費電力を大幅に減らす。また、専用波長の使用およびラベル情報を用いた処理によって、柔軟にネットワーク構成を変更可能となる。
本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムに利用できる。
１、５０、６０ 光ネットワーク
４ａ～４ｅ、３２、３３、５３、６５、６５ａ、６５ｂ、７１－１～７１－８、８０、１１１－１、１１１－２、１１２－１～１１２－４、１１３－１～１１３－６、１２０ａ～１２０ｄ、１８１－１～１８１－４、１８２－１～１８２－４、１９１－１～１９１－４、１９２－１～１９２－４ 光ノード
５、６ サーバー
７、８、８６、１０５ａ、１０５ｂ、１０６ａ、１０６ｂ データフロー
５１、６２ 光スイッチ
６１、８１ａ、８１ｂ ラベルプロセッサ
７０ リングネットワーク
８０－１、９０ 光スイッチ部
８２ スイッチングコントローラ
８３ａ、８３ｂ ラベル情報
８５ａ、８５ｂ、１０３ａ、１０３ｂ 光スイッチ
８７、１０７ 受信機選択ＳＷ
８８ ＢＭ受信機
９２ａ、９２ｂ、１０１ａ、１０１ｂ 光ファイバ
９３－１、９３－２、・・・９３－Ｎ 光スイッチ回路
１０２ａ、１０２ｂ 光アイソレータ
１７０、１８０、１９０ ２次元トーラスネットワーク

Claims (12)

  1. 複数（Ｎ：整数）の光ノードを含む光伝送システムにおいて、
    前記複数の光ノードの各々は、
    対応する専用予約された波長で、データフローを宛先ノードへ送出し、
    他の光ノードからのデータフローを、当該データフローに付与されたラベル情報に基づいて転送スイッチングを行い、
    前記複数の光ノードは、Ｋ（自然数）の次元のトーラストポロジーを有し、
    前記複数の光ノードの各々は、
    当該光ノードを含むリング内の異なる２つの光ノードで同一波長を再利用し、前記２つの光ノードに対して、同一向きでの重複が生じないよう他の光ノードへの経路がそれぞれ予め定義され、
    前記複数の光ノード全体で、同一波長がＮ／２Ｋ（整数）回再利用されていることを特徴とする光伝送システム。
  2. 前記複数の光ノードの各々は、
    ソースノードとして、２Ｋ個の光送信機を備え、前記予め定義された経路を経由して他の光ノードへデータフローが送られることを特徴とする請求項１に記載の光伝送システム。
  3. 前記複数の光ノードは、前記Ｋの次元のトーラストポロジーに従って、Ｐ個の光ファイバのセットによって並列に接続されており、
    前記複数の光ノードは、Ｐ個のグループを含み、
    当該Ｐ個のグループの各グループは前記Ｋの次元の各々のトーラスネットワークの同一リング内に属する光ノードで構成され、
    前記Ｐ個のグループの各グループ間では、前記複数の光ノード全体で重複なしに、異なるリングにある光ノードが含まれており、
    前記Ｐ個のグループの１つのグループに属する光ノードは、前記Ｐ個の光ファイバのセットの１つのセットによって、データフローの送信のみを行い、
    前記１つのグループを除いた残りのグループに属する光ノードは、前記１つのセットを除いた残りのセットの光ファイバによってデータフローの受信のみを行い、
    前記複数の光ノードにおいて、Ｎ／（２Ｋ・Ｐ）個（整数）の波長が利用されること
    を特徴とする請求項１または２に記載の光伝送システム。
  4. 前記複数の光ノードの各々は、
    無信号状態から前記データフローの入力とともに直ちに同期して、前記ラベル情報を復号できる光受信機を備えたことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の光伝送システム。
  5. 前記光受信機は、
    異なる波長に対応した、前記ラベル情報を処理する複数のラベルプロセッサと、
    前記ラベル情報に基づいて、他の光ノードからの前記データフローを当該光ノードへドロップするか、または、他の光ノードへ転送する光スイッチと、
    前記ドロップされたデータフローを、所定の数のバーストモード受信機（ＢＭ受信機）へ導くための選択スイッチと
    を含むことを特徴とする請求項４に記載の光伝送システム。
  6. 前記ＢＭ受信機が、完全に占有されたとき、当該光ノードは、通信を延期するか、または、異なる送信スキームを使用してスイッチングする要求を他の光ノードに対して送信することを特徴とする請求項５に記載の光伝送システム。
  7. 複数の専用波長のセットが一緒にグループ化され、前記複数の専用波長のセットを使用するデータフローに対して単一のラベルが付与されることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の光伝送システム。
  8. 少なくとも光回線交換（ＯＣＳ）、光パケット交換（ＯＰＳ）および光バーストスイッチング（ＯＢＳ）の少なくとも１つを含む他の光伝送スキームが、前記専用予約された波長以外の波長でサポートされることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の光伝送システム。
  9. 光伝送システムにおいて使用される光ノードにおいて、
    前記光ノードに対応した専用予約された波長で、データフローを宛先ノードへ送出する光送信機と、
    他の光ノードからのデータフローに、無信号状態から直ちに同期して、当該データフローに付与されたラベル情報を復号し、前記ラベル情報に基づいて転送スイッチングを行う光受信機と
    を備え、
    前記光ノードは、前記光伝送システムに含まれる複数の光ノードの１つであり、前記複数の光ノードはＫ（自然数）の次元のトーラストポロジーを有しており、
    前記光ノードを含むリング内の異なる２つの光ノードで同一波長を再利用し、前記２つの光ノードに対して、同一向きでの重複が生じないよう他の光ノードへの経路がそれぞれ予め定義され、
    前記複数の光ノード全体で、同一波長がＮ／２Ｋ（整数）回再利用されていることを特徴とする光ノード。
  10. ２Ｋ個の前記光送信機によって、前記予め定義された経路を経由して他の光ノードへデータフローが送られることを特徴とする請求項９に記載の光ノード。
  11. 前記複数の光ノードは、前記Ｋの次元のトーラストポロジーに従って、Ｐ個の光ファイバのセットによって並列に接続されており、
    前記光ノードおよび前記複数の光ノードは、Ｐ個のグループを含み、
    当該Ｐ個のグループの各グループは前記Ｋの次元の各々のトーラスネットワークの同一リング内に属する光ノードで構成され、
    前記Ｐ個のグループの各グループ間では、前記複数の光ノード全体で重複なしに、異なるリングにある光ノードが含まれており、
    前記Ｐ個のグループの１つのグループに属する光ノードは、前記Ｐ個の光ファイバのセットの１つのセットによって、データフローの送信のみを行い、
    前記１つのグループを除いた残りのグループに属する光ノードは、前記１つのセットを除いた残りのセットの光ファイバによってデータフローの受信のみを行い、
    前記複数の光ノードにおいて、Ｎ／（２Ｋ・Ｐ）個（整数）の波長が利用されること
    を特徴とする請求項９または１０に記載の光ノード。
  12. 前記光受信機は、
    異なる波長に対応した、前記ラベル情報を処理する複数のラベルプロセッサと、
    前記ラベル情報に基づいて、他の光ノードからの前記データフローを当該光ノードへドロップするか、または、他の光ノードへ転送する光スイッチと、
    前記ドロップされたデータフローを、所定の数のバーストモード（ＢＭ）受信機へ導くための選択スイッチと
    を含むことを特徴とする請求項９乃至１１いずれかに記載の光ノード。
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