信学会チュートリアル

2002.3.27 北山 2002年電子情報通信学会総合大会チュートリアル

次世代ネットワークを構築するフォトニックネットワークへの期待

ーフォトニックネットワーク技術の展望ー

北山 研一

大阪大学 大学院工学研究科

E-mail: [email protected]

概 要

ü インターネットのインパクト

ü フォトニックネットワークとは

Ø フォトニック

MPLSネットワーク

Ø フォトニックバーストスイッチングネットワーク

Ø フォトニックパケットスイッチングネットワーク

2002.3.27 北山 2002年電子情報通信学会総合大会チュートリアル

Total U.S. Internet Traffic

U.S. Internet Traffic

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

Voice Crossover: August 2000

4/Year

2.8/Year

1Gbps 1Tbps 10Tbps 100Gbps 10Gbps 100Tbps 100Mbps 1Kbps 1Mbps 10Mbps 100Kbps 10Kbps 100 bps 1 Pbps 100 Pbps 10 Pbps 10 bps 10 bps

ARPA & NSF Data to 96

New Measurements

Limit of same % GDP as Voice

Projected at 4/Year

Source: Roberts et al., 2001

Two basic types of architectures: Voice & data

Call loss

Queuing delay=0

Circuit switching

Arrival

POTS

ØQoS guaranteed

ØStream data

Packet loss

Queuing delay

Packet switching

Arrival

Buffer

Buffer

Internet

ØBest effort service:

Only connection guaranteed

by TCP/IP

ØBurst data

Cost

＞＞

H. Miyahara, Osaka Univ.-NTT Meeting (2001.11.05.

If not busy

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QoS must be differentiated

Data

Real-time

Picture

Voice

Media

Packet loss

400ms

a few sec

A few 10ms

< 10

-2

Latency

500ms

a few sec

Jitter

A few ms

10

-9

10

-11

*It takes 50 [msec] across the Pacific Ocean through the optical fiber.

Granularity

10

-9

10

-11

< 10

-2

Packet

Burst

Burst

Stream

Stream

Optical layer must play roles for

Diffserve

&Intserve

!

インターネットの問題点

ü 脆弱なネットワーク

Ø 輻輳が生じる

Ø ベストエフォート

: QoSが保証されない

ü フォトニックネットワークはソリューションとなり得るの

か？

メトカーフの法則：ネットワークの価値は

ホストコンピュータの数

の自乗に比例する！

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Network design philosophy: Two choices

ü

Two extremes;

#1 Stupid network*

Abundant bandwidth **

But terminal must be intelligent

#2 Active network

Intelligent node under bandwidth constraint

* D. S. Isenberg, “The Dawn of the Stupid Network,” ACM Networker 2.1, pp. 24-31, February/March 1998. **G. Gilder, Telecosm: How Infinite Bandwidth Will Revolutionize Our World, The Free Press, New York, 2000.

Explosive increase of

power consumption & size of node

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2000

2001

2002

2003

2004

2005

Year

(Ratio)

97.7

23.2

3.1

R=2

R=3

R=4

Rate of

traffic increase

R=1@2000

R=1@2000

Power consumption&size/node

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OXC switch vs. e-XC switch

:Power consumption & size

1 @10Gb/s

>3 @10Gb/s

1 @10Gb/s

2 3@10Gb/s

1 @2.5Gb/s

>3 @2.5Gb/s

Power

consumption

1 @2.5Gb/s

1/3 @2.5Gb/s

Size

OXC switch

e-XC switch

概 要

ü インターネットのインパクト

ü フォトニックネットワークとは

Ø フォトニック

MPLSネットワーク

Ø フォトニックバーストスイッチングネットワーク

Ø フォトニックパケットスイッチングネットワーク

2002.3.27 北山 2002年電子情報通信学会総合大会チュートリアル I P λ 1 ∼ λn

制御プレーン（ルーティング制御／制御プロトコル）

IPルーティング部 フォトニックノード構成技術 光ストリーム信号 ルーティング部

フォトニックネットワーク技術とは

ネットワーク構成技術

フォトニックノード

IPルーティング部 フォトニックノード構成技術 光バースト信号 ルーティング部 フォトニックノード 構成技術 光IPパケット ルーティング部

フォトニックパケット

ルータ

ＴＡＯ『フォトニックネットワークに係る研究企画推進委員会』資料より

トランスミッション・エンジニアリング

トランスミッション・エンジニアリング

p-to-p WDM 伝送

WDMリングNW

OADM : Ootical Add/Drop Multiplexer

OXC : Optical Cross-connect

2010∼

OADM

2001

2005

光パケットルーティングによる NW λ1 λ2 λ1 λ3 λ2 λ3 λ1 λ2 λ1 λ3 λ2 λ3 統計多重 帯域予約不要 最小データ粒度 ストア＆フォワード 統計多重 帯域予約不要 最小データ粒度 ストア＆フォワード OXCに基づくNW WDM 回線交換型 集中管理 IPルータとOXCの個別運用 最大データ粒度 カットスルー 回線交換型 集中管理 IPルータとOXCの個別運用 最大データ粒度 カットスルー 波長の固定的運用 波長の動的な運用 パケット単位 n処理

データの粒

度（

(粗

→

細）

フォトニックネットワーク技術の研究開発の展開

回線交換型 IPルータとOXCの機能統合 最大データ粒度 カットスルー 回線交換型 IPルータとOXCの機能統合 最大データ粒度 カットスルー WDM フォトニックラベルスイッチ ルータによる NW (光ストリーム → 光バースト） WDM

目標領域

ＷＤＭリンク 高ビットレート化 超多波長／超高密度化 トランスペアレンシー拡大 ＷＤＭリンク 高ビットレート化 超多波長／超高密度化 トランスペアレンシー拡大

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規模によるネットワークの分類

幹線

メトロ

アクセス

IX

データセンター

10/100 M Ethernet

OC-3/12

(156M/622Mb/s)

一般家庭

メッシュネットワーク

テラビット級

DWDM

メトロリング

Generic architecture of packet switch

λ

-DEMUX

λ

-DEMUX

λ

-MUX

λ

-MUX

λ

-MUX

λ

-MUX

Switch

Input fiber

Output fiber１

Routing

control

Routing

control

Updating

routing table

Updating

routing table

Line

IF

Line

IF

Framing

Framing

Header

processing

Header

processing

Store & forward

Store & forward

Line

IF

Line

IF

Output fiber２

Buffer

Buffer

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多重化とパス技術

PDH

SDH

ATM

Packet

WDM

ディジタルパス

(VC-1n, VC-3/4)

TDMフレーム内の時間

位置情報

(< 192)

セルヘッダ (VPI)

(< 4096; NNI

< 128; UNI)

シムヘッダ

(<2

20

)

波長

(<1,000)

ハード

ソフト

Store-&-Forward

電気処理

+

空間スイッチ

多重化方式

パス実現技術と特徴

パス

パスの識別

（リンク当りの最大パス数）

パスの状態

ルーティング

オプティカルパス

バーチャルパス

ラベルスイッチド

パス

タイムスロット入れ

換え

+

空間スイッチ

ソフト

ハード

Store-&-Forward

電気処理

+

空間スイッチ

佐藤, 北山, 電子情報通信学会誌, vol.85, No.2, pp.94-103, 2002年2月.

フォトニックMPLSにおける

パケットのフォワーディングメカニズム

Ingress PLSR

Core PLSR

Egress PLSR

λ

10

λ

4

133.1.12.14

133.1.12.14

λ4

λ

10

Out Label

In Label

λ

10

133.1.12.14

Out Label

In Label

λ

4

133.1.12.4

Out Label

In Label

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概 要

ü インターネットのインパクトと問題点

ü フォトニックネットワークとは

Ø フォトニック

MPLSネットワーク

Ø フォトニックバーストスイッチングネットワーク

Ø フォトニックパケットスイッチングネットワーク

Photonic MPLS network

ØCut-through

ØLSP setup decoupled with forwarding

ØAvailable hardware technology

ØCircuit switching

ØScarcity of

λ

resource

ØFlow aggregation not feasible

ØBottleneck at ingress nodes

Photonic MPLS network

ØCut-through

ØLSP setup decoupled with forwarding

ØAvailable hardware technology

ØCircuit switching

ØScarcity of

λ

resource

ØFlow aggregation not feasible

ØBottleneck at ingress nodes

Photonic packet switching

ØFinest granularity

ØStatistical multiplexing:

Better BW utilization

ØSlow e-header processing

ØPhotonic RAM not available

ØBuffer scheduling required

Photonic packet switching

ØFinest granularity

ØStatistical multiplexing:

Better BW utilization

ØSlow e-header processing

ØPhotonic RAM not available

ØBuffer scheduling required

Photonic MPLS vs. Photonic packet switching

vs.

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Optical burst switching

コアネットワーク コアネットワーク Sender Sender Receiver Receiver LAN LAN Edge network Edge network LAN LAN LAN LAN Edge router Edge router Core network Core network

Optical burst switch

Optical burst switch

Burst data

Burst data

LAN

LAN

Optical path must be set up immediately

Optical path must be set up immediately

after a burst data arrives at the edge node!

after a burst data arrives at the edge node!

Photonic burst switching

Egress router

IP router

OXC switch

Optical control

packet

λ

₀

Offset time

λ

λ

1₂

λ

₀

λ

1

λ

₂

Reservation

λ

0

λ

₁

λ

2

OB data

Ingress router

Release

Transmission

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Challenges of photonic burst switchings

ü

Resource reservation protocol (RSVP)

Ø

Overcoming the round-trip time delay for path setting

Ø

Contention resolution of optical control packet

ü

High-speed processings for optical control packet

Ø

Overhead time must be much shorter than the burst-length

ü

Burst assembly

概 要

ü インターネットのインパクトと問題点

ü フォトニックネットワークとは

Ø フォトニック

MPLSネットワーク

Ø フォトニックバーストスイッチングネットワーク

Ø フォトニックパケットスイッチングネットワーク

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Target performance of photonic packet router

Current electronic router

*Hitachi GR2000 has the processing capability of 4[Mpps].

Performance

Processing capability

Throughput

Number of

address entries

Target

1 100 [Gpps]

10M* 100 [Mpps]

100Tb/s 1P/s

10Gb/s

1k 10k

10k 100k

Photonic label space

Wavelength

Subcarrier

(m-wave)

Optical codes

Number of

addresses

Disadvantages

1000

100

Abundant

Not large enough

Flow merge impossible

Not fast enough

< 40Gb/s

Table lookup

Simple

Optical filter

Milimeter-wave

filter

Ultra-fast

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Optical encoder/decoder

2.0 [ps] 100[ps] 1 0 140 120 100 80 60 40 20 0 ≒ Intensity [a.u.] Time [ps]

Pulse train @10GHz

5ps 2ps 1.0 0.5 0.0 40 20 0 -20 -40 Intensity [a.u.] Time [ps]

8-chip bipolar code

Variable tap

5ps

Optical

phase shifter

Combiner

Planar lightwave circuit

#1

#8

ØProcessing done at the speed of light

ØOptical correlation using a passive device

ØNo logic operation

ØProcessing done at the speed of light

ØOptical correlation using a passive device

ØNo logic operation

Auto-correlation

Cross-correlation

_{Correlation based on}

matched filtering

Parallel photonic label processing

based upon optical code correlation

Input

Replicas

Address entries

Output

Duplication

Correlation

x

.

.

.

.

.

.

t

t

t

t

t

t

t

#1

# 10

4

x10

4

t

t

t

üParallel photonic label processing

ØPower-split as many copies as the count of label entries

ØOptical correlations between the copies and label entries in parallel

üParallel photonic label processing

ØPower-split as many copies as the count of label entries

ØOptical correlations between the copies and label entries in parallel

Auto-correlation

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Architecture of photonic packet router

for asynchronous variable-length packet

Optical Switching Unit

Optical Scheduling Unit

Optical Buffering Unit

Scheduler S

_{Scheduler S}

₁ 1

O

₁

I

₁

λ

-DEMUX

λ

_-DEMUX

λ

₁

-

λ

_W

λ

-MUX

_λ

-MUX

λ

1

λ

_W

λ

₁

-

λ

_W

λ

1

λ

_W SC+GateSC+Gate

λ

1 SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate OC Encoder/ Decoder OC Encoder/ Decoder bb1W1W

λ

_W SC+GateSC+Gate

λ

₁ SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate OC Encoder/ Decoder OC Encoder/ Decoder τ0 τ1 τ2 τ0 τ1 τ2 bb1111

λ

₁ Header

λ

_W

λ

_W

λ

₁

λ

W

Scheduler S

_{Scheduler S}

₂ 2

O

₂

I

₂

λ

1

λ

_W SC+GateSC+Gate

λ

1 SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate OC Encoder/ Decoder OC Encoder/ Decoder

λ

1

λ

₁

λ

_W

Time sequencer_{Time sequencer}

Time sequencer_{Time sequencer}

Photonic label processor Photonic label processor Optical SW1 Optical SW1 Photonic label processor Photonic label processor Optical SW_{Optical SW} Photonic label processor Photonic label processor Optical SW1 Optical SW1 Photonic label processor Photonic label processor Optical SW_{Optical SW}

λ

₁ Header

λ

-DEMUX

λ

_-DEMUX

λ

₁

λ

W

λ

1

-

λ

W _Header

λ

_W Photonic label processor Photonic label processor Optical SW1 Optical SW1 Photonic label processor Photonic label processor Optical SW_{Optical SW} Photonic label processor Photonic label processor Optical SW1 Optical SW1 Photonic label processor Photonic label processor Optical SW_{Optical SW}

λ

₁ Header

λ

1

-

λ

W

λ

-MUX

_λ

-MUX

bb_1W1W

λ

_W τ0 τ1 τ2 τ0 τ1 τ2 bb₁₁11

λ

₁

λ

₁

λ

_W

λ

₁ OC Encoder/ Decoder OC Encoder/ Decoder SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate SC+GateSC+Gate

2-Dimensional array of FBG correlator

EDFA

Coupler

2-D FBG-correlator array

2-D PD array

0 T t ・・・ 0 π π 0 0 π 0 0 T t t

2-D time-gate array

Input photonic label

Auto-correlation

Time-gated

auto-correlation

Opt. isolator

Densely packageable

but

Programmability?

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Dynamically reconfigurable OCDMA en/decoder

5x2[mm]x5[ps/mm]

=50[ps]

WDM fiber delay line (FDL)

Packet 1

λ

1

λ

₁

λ

₁

λ

₁

_λ

₁

λ

1

λ

₁

λ

₁

λ

-

conv

λ

-

conv

λ

1

λ

₁

λ

_N

λ

_N

λ

-

conv

λ

-

conv

WDM FDL

FDL1

FDL2

Packet 2

Packet

1

Packet 2

Single-

λ

FDL

WDM FDL with

λ

converters

Single-

λ

FDL

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Photonic memory?

A. V. Turuhin et al., “Observation of ultraslow and stored light pulses in a solid,” Phys. Rev. Lett. Vol. 88, 14 Jan. 2002.

L. V.Hau et al., NATUR, Vol.397, Feb. 1999 “Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas”

Vg =L/ Delay

=229/7=33[

µ

m/

µ

s]

Vg=c/10

7

Vg =17[m/s]

n

₂

=1.8x10

-5

_[m

2

_/W]

vs. 2.7x10

-20

_[m

2

_{/W] of optical fiber}

T N n v

Optical packet synchronizer

16[ns]x8x8 steps

=1024[ns]

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Optical packet synchronizer

Time-slotted

電子情報通信学会誌特集号（平成14年5月号）

『フォトニックＩＰネットワークは人類の幸せのために』

目 次 1. 総論 ―２１世紀ネットワークの創造と限りないインパクト― 北山 研一（大阪大学） 2. 政治、経済、社会、文化面から 2-1. IT基本法と「光の国」日本の国際戦略 石黒 一憲（東京大学） 2-2. ディジタル大陸はサルの惑星？ 林 敏彦（大阪大学） 2-3. ネットバブルの崩壊後のECビジネス 前川 徹（早稲田大学） 3. 情報通信産業から 3-1. ブロードバンドIPネットワークの技術展望 三宅 功（NTT） 3-2. フォトニックIPネットワークが変えるネットワークビジョン 並木 淳治（_NEC） 3-3. ブロードバンド化への期待 岡田 昭広（富士通） 3-4. フォトニックネットワークの進展と放送メディア 福地 一、勝本 道哲（通信総研） 3-5. 情報家電の戦略：情報家電を支えるKey技術とユビキタスネット 鎌田 富久（ACCESS） 4. 技術論：最新動向と今後の課題 4-1. 光スイッチを用いた次世代インターネットエクスチェンジの設計 中川 郁夫 （インテック・ウェブ& ゲノム インフォマティクス(株)、江崎 浩（東京大学）、永見 健一（東芝） 4-2. フォトニックネットワークの鍵となる技術 野島 聡（富士通）、江村 克己（_NEC） 5. 結言 フォトニックＩＰネットワークの研究推進 ―超高速フォトニックネットワーク開発推進協議会の活動から― 青山 友紀（東京大学）

2002.3.27 北山 2002年電子情報通信学会総合大会チュートリアル

第3回フォトニックネットワークをベースとするインターネット技術(PNI)研究会

委員長 北山研一 (阪大) 副委員長 江崎浩 (東大) 日時 平成14年4月22日(月) 9:30 17:30 会場 東京工業大学100年記念館 (東京都目黒区大岡山2-12-1) プログラム 委員長挨拶 1．[招待講演] OFC2002報告：その1 (展示会を中心とした紹介) 菊池隆裕 (日経エレクトロニクス) 2．[招待講演] OFC2002報告：その2 (トピックス講演の紹介) 江村克己 (NEC) 3．GMPLSネットワークにおけるトラヒック観測をベースにしたマルチレイヤトラヒックエンジニアリング ○大木英司・塩本公平・岡本聡・今宿亙・山中直明 (NTT) 4．自己周波数シフトとパルス整形を用いた超高速光A/D変換システム ○小西毅・谷村和紀・浅野功輔 (阪大)・尾下善紀・余万吉 (大阪科学技術センタ)・一岡芳樹 (奈良工専) 5．Optical Code-MPLSにおけるラベルスタックを用いたInter-MPLS VPNの実現 ○斧原聖史 (阪大)・和田尚也・中條渉 (CRL)・北山研一 (阪大) 6．GMPLSネットワークにおける高速パス設定のための光符号を用いたアーキテクチャの提案 ○大串幾太郎・荒川伸一・村田正幸・北山研一 (阪大) 7．構造化された光ネットワークにおけるルーティングプロトコル ○前野義晴・荒木壮一郎 (NEC) 8．ファイバ中の非線形光学現象を用いた光アナログ-ディジタル変換 山本義典・○小田祥一朗・丸田章博・北山研一 (阪大) 9．[パネル討論] フォトニックネットワークの標準化を考える Part 1: IP over フォトニックネットワークの標準化動向 Part 2: デファクト標準化の力学 パネル座長 青山 友紀 (東大) パネリスト 長津 尚英 (NTT) 荒木 壮一郎 (NEC) 前田 洋一 (NTT)