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光パケット・光パス統合ネットワーク ~試作と実験報告~
原井 洋明† 和田 尚也† 古川 英昭† 宮澤 高也† 藤川 賢治†
†情報通信研究機構 新世代ネットワーク研究センター 〒184-8795 小金井市貫井北町 4-2-1 E-mail: †{harai, wada, furukawa, takaya, hudikaha}@nict.go.jp
あらまし ユーザ要求とアプリケーションの多様化に対して、ユーザがその時々の利用シーンに合わせて、高速
で安価なサービスと遅延やデータ損失のない高品質なサービスを柔軟に選択できる環境を、省電力かつ簡易な制御
のもとで提供可能なネットワークを構築するため、我々は 100Gbps を超えるパケットの光交換技術、および、光パ
ケット交換と光パスサービスを共に提供する統合ネットワーク技術の研究開発を実施している。本稿では、NICTにて試作した光パケット・光パス統合ノードとそのネットワーク実験について報告する。 キーワード 新世代ネットワーク,パケット・パス統合, 光パケットスイッチ,光パス
Optical Packet and Circuit Integrated Network: A Prototyping and Experiment Report
Hiroaki HARAI† Naoya WADA† Hideaki FURUKAWA† Takaya Miyazawa† and Kenji Fujikawa†
†New Generation Network Research Center, National Institute of Information and Communications Technology Koganei-shi, Tokyo 184-8795, Japan
E-mail: †{harai, wada, furukawa, takaya, hudikaha}@nict.go.jp
Abstract We develop optical switching of 100Gbps or more packets and an integrated network providing optical packet switching and end-to-end lightpath services. This will be a low-power and simple-control network that provides both high-speed inexpensive services and delay and data-loss guaranteed high-quality services to end users. In this paper, we ad-dress development and experiment results about an optical packet and circuit integrated node and network.
Keyword New Generation Network, Packet and Circuit Integration, Optical Packet Switch, Lightpaths
関 連 文 献 [1] AKARI アーキテクチャ設計プロジェクト“新世代
ネットワークアーキテクチャ AKARI 概念設計書ver 2.0,” http://akari-project.nict.go.jp/, Aug 2009.
[2] H. Harai, K. Fujikawa, V. P. Kafle, T. Miyazawa, M. Murata, M. Ohnishi, M. Ohta, T. Umezawa, “Design Guidelines for New Generation Network Architec-ture,” IEICE Trans. on Communications, Vol. E93-B, No. 3, pp.462-465, Mar 2010.
[3] H. Harai, “Optical Packet & Path Integration for En-ergy Savings toward New Generation Network,” PCFNS '08 (1st Workshop on Power Consumptions in Future Network Systems in SAINT 2008), July 2008.
[4] H. Furukawa, N. Wada, H. Harai, T. Miyazaki, “De-velopment of a 640-Gbit∕ s∕ port Optical Packet Switch Prototype Based on Wide-Colored Optical Packet Technology, IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking, Vol. 1, No. 3, pp. B30-B39, Aug 2009.
[5] T. Miyazawa, H. Furukawa, K. Fujikawa, N. Wada, H. Harai, “Partial Implementation and Experimental Demonstration of an Integrated Optical Path and Packet Node for New-Generation Networks,” OFC/NFOEC 2010 (OThP4), March 2010.
[6] K. Fujikawa and H. Otsuki, “Design and Implemen-tation of Socket API Assigning Optical Paths to L4 Connections,” iPOP 2010, June 2010.
[7] H. Harai and S. Xu, “Design and development of op-
tical grid over wavelength switched optical net-work,” OFC/NFOEC 2009 (OWA1), Mar 2009.
[8] T. Tachibana and H. Harai, “Lightpath establishment without wavelength conversion based on aggressive rank accounting in multi-domain WDM networks,” Journal of Lightwave Technology, vol. 26, issue 12, pp.1577-1585, June 2008.
[9] H. Furukawa, H. Harai, M. Ohta, N. Wada, “Imple-mentation of High-Speed Buffer Management for Asynchronous Variable-Length Optical Packet Switch,” OFC/NFOEC 2010 (OWM4), Mar 2010.
[10] H. Furukawa, T. Miyazawa, K. Fujikawa, N. Wada, H. Harai "Control-message exchange of lightpath setup over colored optical packet switching in an optical packet and circuit integrated network," IEICE Elec-tronics Express (ELEX), Vol. 7 No. 14, pp. 1079-1085, July 25, 2010.
[11] K. Fujikawa, K. Ohhira, M. Ohta, “A Hierarchical Automatic Address Allocation Method Considering End-to-end Multihoming,” IEICE Technical Meeting in Internet Architecture, pp. 57-60, Oct 2009.
1
©National Institute of Information and Communications Technology 2
現在の問題と一般的な要求現在の問題と一般的な要求
トラヒック量と消費電力の増加トラヒック量と消費電力の増加
ダウンストリーム1.36 Tbps (Nov ‘09)年率x 1.4倍 2030年 1 Pbps
アプリケーションとエンドユーザ要求アプリケーションとエンドユーザ要求
の多様化の多様化
Sensors, tagsWeb access, file transfer
High‐quality video
Remote surgery
Mobile
E‐science
ネットワーク制御と管理の複雑化ネットワーク制御と管理の複雑化Internet, NGN, VPN, (G) MPLS, Optics, …
http://www.soumu.go.jp/
©National Institute of Information and Communications Technology 3
Sensors, tagsHome
光パケット・光パス統合ネットワーク光パケット・光パス統合ネットワーク
利点
大量の交換能力
低消費電力
共通のWDM基盤利用
境界制御による高い資源利用効率
簡素なネットワーク制御管理設備
サービス特長
ベストエフォートと高品質の併存
アプリレベルで高品質に
設計原理
統合 (品質とベストエフォート)持続可能 (スループット、電力、利用形態)
O/E/OO/O/O
Packets Paths
O/O/O
O/E/O
quality video, surgery, e‐science …(high‐end, guaranteed quality)
Web at home, sensors, … (best effort)
目的
ユーザがその時々の利用シーンに合せて、高速で安価なサービスと、遅延やデータ損失のない高品質なサービスを柔軟に選択できる環境を、省電力かつ簡易な制御の下で提供可能なネットワークを構築する
2
©National Institute of Information and Communications Technology
大量の交換能力、低消費電力
一般のデータをより高速大量かつ省電力に処理可能な光パケット交換技術
多波長光パケット交換
パケット交換能力を回線あたりテラbit/s 超に
映像等大容量データ配信向けに低消費電力でルーティングできる光パス技術
ホストカーネル/Socket API拡張
光パスをホストやアプリケーションに直結
共通のWDM基盤で光パケットおよび光パスサービス
境界変動制御機能による高い資源利用効率
パケットサービスとパスサービスに用いるネットワーク内の資源を、双方のトラヒック量の変化により柔軟に変更する境界制御機能
簡素なネットワーク制御管理設備
光パスの設定に必要な制御メッセージを光パケット交換技術で転送する機能を実装
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光パケット・光パス統合ネットの特長光パケット・光パス統合ネットの特長
©National Institute of Information and Communications Technology
大量の交換能力、低消費電力
一般のデータをより高速大量かつ省電力に処理可能な光パケット交換技術
多波長光パケット交換パケット交換能力を回線あたりテラbit/s 超に
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光パケット・光パス統合ネットの特長光パケット・光パス統合ネットの特長 (1/4)(1/4)
O/E/OO/O/O
Packets Paths
O/O/O
O/E/O
多波長・多値変調光パケット
ヘッダ
ペイロード
時間
E E E ……… E
T T T ……… T… … … …
A A A ……… A
D D D ……… D… … … …
cf) S. Shinada et al., ECOC 2009, Sep. 2009.
1.28T(64λ x 10G,DQPSK)
波長
Packet sequence
IPパケットが含まれた多波長(8λ x 10Gbps)光パケットのスペクトル(デモに利用)
640Gbps (64λ x 10Gbps)光パケットのスペクトル
3
©National Institute of Information and Communications Technology
大量の交換能力、低消費電力映像等大容量データ配信向けに低消費電力でルーティングできる光パス技術
ホストカーネル/Socket API拡張
光パスをホストやアプリケーションに直結
8
光パケット・光パス統合ネットの特長光パケット・光パス統合ネットの特長 (2/4)(2/4)
O/E/OO/O/O
Packets Paths
O/O/O
O/E/O
cf) K. Fujikawa, H. Otsuki,, iPOP 2010, June 2010.
アプリとパスを直結アプリツーアプリの帯域保証
アプリクライアント
シグナリングデーモン
IF #1 IF #2カーネル
socketAPI netlink
IF #0シグナリング
光回線 光回線
©National Institute of Information and Communications Technology
大量の交換能力、低消費電力(つづき)
共通のWDM基盤で光パケットおよび光パスサービス
境界変動制御機能による高い資源利用効率
パケットサービスとパスサービスに用いるネットワーク内の資源を、双方のトラヒック量の変化により柔軟に変更する境界制御機能
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光パケット・光パス統合ネットの特長光パケット・光パス統合ネットの特長 (3/4)(3/4)
cf) T. Miyazawa et al., OFC 2010, Mar 2010.
A,B,C,D E,F,G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,Q,R,S,T
波長
パス パケット
A,B,C,D,E,F,G,H I,J,K,L,M,N,O,P,Q,R,S,T
波長
パス パケットパスパケット パケットパス
λ
波長資源の境界制御(動的分配)
λ
1. Bandwidth share: for packets for circuits2. New 2 lightpaths setup
packets pathspathspackets pathspackets
cf) 第4回新世代ネットワークワークショップデモ
2010年6月23日@NICT小金井
O/E/OO/O/O
Packets Paths
O/O/O
O/E/O
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©National Institute of Information and Communications Technology
簡素なネットワーク制御管理設備
光パスの設定に必要な制御メッセージを光パケット交換技術で転送する機能を実装
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光パケット・光パス統合ネットの特長光パケット・光パス統合ネットの特長 (4/4)(4/4)
Transit node(Only OPS)
User 1
User 2
User 4
User 3
Transit node(optical packet & circuit integ.)
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
OPS
OCS
Control Block
Optical Packet & Circuit Net
File transfer server
File transfer client
Optical‐packet testerOptical‐packet
generator
Resource adjuster
Resource adjuster
OPS
Uncompressed HD
packets paths
光パスの制御メッセージとファイル転送パケットが同じ波長帯に混在
©National Institute of Information and Communications Technology
ネットワーク構成とレイヤ構造ネットワーク構成とレイヤ構造
PHY/.85umEtherIP
TCP, UDPAPP
Color/1.5umDWDMOptical PKT
Color.85umOPEther
IP
Color .85umOP Ether
IP
PHY/.85umEtherIP
TCP, UDPAPP
PHY/1.5umEtherIP
TCP, UDPAPP
PHY/1.5umEtherIP
TCP, UDPAPP
1.5um/DWDMDWDM DWDM
Packet Section
Circuit Section
label analysis onlyPER monitor
12
Transit node(Only OPS)
User 1
User 2
User 4
User 3
Transit node(optical packet & circuit integ.)
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
OPS
OCS
Control Block
Optical Packet & Circuit Net
File transfer server
File transfer client
Optical‐packet testerOptical‐packet
generator
Resource adjuster
Resource adjuster
OPS
5
Scenario 1: Optical Switching of 80Gbps Packets(incl. TCP, UDP/IP/Opt Pkts)
Optical packets
Transit node(Only OPS)
User 1
User 2
User 4
User 3
Transit node(optical packet & circuit integ.)
File transfer app.(IP packets)
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
OPS
OCS
Control Block
Optical Packet & Circuit Net
File transfer server
File transfer client
Optical‐packet testerOptical‐packet
generator
Reso
urce adjus
ter
Optical packets
Electro. packets
Spectrum for Colored (8λ x 10Gbps) packets
Reso
urce adjus
ter
Packet sequence
High‐speed optical packet switching
High‐speed optical packet switching
OPS
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Optical Packet & Circuit Net
Transit node(only OPS)
User 1
Server for file transfer
User 2
User 4
User 3
Client for file transfer
OPS
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
OPS
OCS
Control block
Scenario 3: Moving Bound & a2a Circuits
Optical packets Lightpaths
Video transfer
Link mgmt
Optical‐packet tester
Transit node(optical packet & circuit integ.)
Reso
urce adjus
ter
Increasing wavelengths for lightpaths
Contents‐dependent automatic wavelength
selection & setup
Reso
urce adjus
ter
1. Bandwidth share: for packets for circuits2. New 2 lightpaths setup
packets pathspackets
1. Bandwidth for Packets Circuits
packets pathspaths
λy
λxControl for lightpaths & Link mgmt
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©National Institute of Information and Communications Technology
Live Demonstration at NICT Live Demonstration at NICT (June 23, 2010)(June 23, 2010)4th NWGN Workshop hosted by NICT (http://akari‐project.nict.go.jp/ws4/)
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©National Institute of Information and Communications Technology
ネットワーク実験構成ネットワーク実験構成
OpticalTransceivers
OpticalTransceivers
PC-1
User-a
User-bNode-1 Integrated optical node (Node-2)
Opt.Packet
Tx.
WSAWG
AWG
WS
BPF
PC-2
RAOSW
RAOSWA
WG
AWG
WS WS
Coupler
AWG×2
AWG×2
OpticalTransceivers
User-c
PC-3
Opt.Packet
Rx.
User-d
PC-b
PC-a
AWG
AWG
AWG
Opt.SpaceSwitch
AWG
PC-c
Node-3
PC-4 PC-5
OCS
AWG×2
OpticalTransceivers
OpticalTransceivers
Received video signals
High-definitionvideo camera
video monitor
OpticalTransceivers
Coupler
MC
OpticalTransceivers
Coupler
Coupler
Controlpacket Rx.
Controlpacket Tx.
OPS with1 BufferOPS w/oBuffer
LabelProcessor Scheduler
AWG×2
PC-d
MC…media converter
AWG
1GbE NIC
1GbE NIC
1GbE NIC
1GbE NIC
AWG
NIC…network interface card
MC MCMC
MC MC
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©National Institute of Information and Communications Technology
光パケット交換の交換能力とエネルギー効率光パケット交換の交換能力とエネルギー効率
光パケットを構成するのにDWDM/DQPSK技術を用いて、ポートあたり1 Tbpsを超えるスループットが提供可能
エネルギー利用効率を消費電力を1kW程度に抑えつつ可能
(より正確な条件は個別にお問いあわせください)
100M
1G
10G
10M
Ene
rgy
Effi
cien
cy R
ate
[bit/
J]
Throughput / port [bit/s]
32x32 (10G-IF, 640Gbps)
10G 100G 1T
CommercialElectronic Routers
160G-IF (2x2)80G-IF (2x2)
640G-IF (2x2)320G-IF (2x2)
16x16 (40G-IF, 1.28Tbps)
0.76 Gbit/J
2.56 Gbit/J
5.12 Gbit/J
1.28T-IF(2x2)
OPS Prototype (DWDM)
[0.84 kW]
[1 kW]
[1 kW]
= only switching (w/o buffering)
200G
Year2003 2005 2007 2009 2011
600G
800G
1.0T
1.2T
1.4T
400G
Thro
ughp
ut /
port
[bit/
s]
40G160G
80G(8λ) 160G
(16λ)200G(10λ)
640G(64λ)
640G(64λ)640G (32λ, 2pol.)
1.28T(64λ)1.28T (128λ)
OTDMDWDM
PDM DPSK
DQPSK
cf) H. Furukawa et al., IEEE JOCN, Aug 2009.
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©National Institute of Information and Communications Technology
まとめまとめ
ユーザがその時々の利用シーンに合わせて、「高速で安価なサービス」と「遅延やデータ損失のない高品質なサービス」を柔軟に選択できるネットワーク
光パケット・光パス統合ネットワークは、以下の技術により実現
高い交換能力 (回線あたり1.28Tbpsの光交換)低消費電力 (一括光交換と多波長パケット、エンドツーエンド光パスによる光電変換の削減)共通のWDM基盤利用 (境界制御)簡易な制御プレーン (制御メッセージのインバンド転送)
NICTにて光パケット・光パス統合ノードとネットワークを試作し実験
JGN2plusを用いたフィールドトライアルも実施
今後
自動ロケータ番号割当と経路制御表の削減
より簡易な制御プレーン (ヘッダの簡易化とともに)光の安定性 (Gain, Power, Polarization制御)
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速報はFurukawa et al.,IEICE ELEX 2010.
cf) Fujikawa et al., IEICE IA研, 2009