光パケット・光パス統合ネットワークnwgn/file_ws10/03_harai.pdf · 2010-08-16 ·...

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

6

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

7

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

9

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

4

©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

13

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

15

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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