Transcript - 東北大学電気・情報系

通信システム工学特論
Special Lecture on Communication Systems Engineering
フォトニックネットワーク概論
H20年 7/24開講
山田 博仁
講義内容
講義の目的: フォトニックネットワークが求められる背景を理解し、将来の
ネットワークのしくみについて学習する
主な講義内容
・ 光ネットワークの現状とフォトニックネットワークが求められる背景
・ ネットワークの基礎 (回線交換とパケット交換)
・ 光ノードのしくみ (光パスと波長ルーティング, OADM, OXC)
・ フォトニックネットワーク (OBSとOPS, MPLS)
成績評価
レポート
参考書
・ 佐藤健一編・著、古賀正文著、広帯域光ネットワーキング技術
- フォトニックネットワーク -、電子情報通信学会
・ Ken-ichi Sato, Advances in Transport Network Technologies
Artech House Publishers
講義資料のダウンロード: http://www5a.biglobe.ne.jp/~babe
質問等は: E-mail: [email protected]
光ネットワーク
IPトラフィックの増加
国内の全インターネット トラフィックは平均で約500Gbps
2倍/2年
Internet traffic of IXs in Japan
http://www.jpix.ad.jp/en/techncal/traffic.html
光リンクの伝送容量の変貌
10,000
1,000
実験
商用システム
ETDM
ETDM
WDM + ETDM
WDM + ETDM
伝送容量 (Gbit/s)
OTDM
100
WDM + OTDM
FA-10G
10
F-1.6G
F-2.4G FSA-2.4G FA-2.4G
1
0.1
0.01
F-1.8G
F-600M
F-400M FS-400M
WDM System
new F-600M
光増幅器使用
SDH System
F-100M
F-32M
1980
分散シフト光ファイバー使用
DFB-LD使用
F-6M
単一モード光ファイバー使用
1985
1990
1995
年
日本における光ファイバー伝送大容量化の進展
2000
2005
超大容量光リンク
多重化方式
・ 空間多重 光ファイバーは細い(直径:125mm)ので、多数本を束ねられる
・ 波長多重(WDM) 光ファイバー自体の伝送帯域は200THz以上ある
数百波長の光信号を1本の光ファイバーで送ることも可能
・ 光時間領域多重(OTDM) 超高速光信号処理技術を用いて、電気信号処理
を用いることなく全光信号処理により、1波長で
1Tbpsの伝送も可能
・ 光符号領域(OCDM)多重 光符号化技術を用いて、電気信号処理を用いるこ
となく全光処理により時間領域或いは周波数領域
で多重
・ 偏波多重 直交する2つの偏波に信号を載せる方法。偏波保持ファイバーが
必要
上記の方式を組み合わせることにより、1本の光ファイバー当たり10Tbps以上
の光伝送が実現されている
光ネットワーク
ノード
ノード
(ルータ)
光リンク
(光ファイバ)
ノード
(ルータ)
光(O) – 電気(E) – 光(O)
受光素子
(PD)
バッファ
メモリ
ヘッダ
解析
宛先検出
ノード
発光素子
光変調器
(LD)
電
子
ス
イ
ッ
チ
発光素子
光変調器
(LD)
発光素子
光変調器
(LD)
光信号
電気信号
光デバイス
電子デバイス
伝送ノードのスループットの変貌
トータルシステム スループット (Gbit/s)
10,000
NTTの商用システム
1,000
試作システム
フォトニックトランスポートシステム
(OPXC, Photonic MPLS Router)
OXC
100
VC-3/4 XC
ATM XC
VC-11 XC
ATM XC
10
384 kbit/s XC
1
OXC
ATM XC
ATM System
384 kbit/s XC
SDH System
0.1
PDH System
1980
1985
OPXC: Optical Path Cross-connect
1990
1995
年
日本における伝送ノードスループットの拡大
2000
2005
ノードの処理速度がボトルネック
ノード
ノード
(ルータ)
光リンク
(光ファイバ)
ノード
(ルータ)
ノード
リンク容量: 10Tbps
(40Gbps × 256波 WDM)
高速道路
ノード処理速度: 100Gbps
渋滞
料金所
フォトニックノードによるボトルネック解消
ノード
ノード
(ルータ)
光リンク
(光ファイバ)
ノード
(ルータ)
ノード
リンク容量: 10Tbps
(40Gbps × 256波 WDM)
高速道路
ノード処理速度: 100Tbps
ETCシステム
フォトニックネットワークとは
光リンクを流れる光信号を一旦電気に変換することなく、光のまま交換する
次世代の光ネットワーク
フォトニックネットワークが求められる背景
・ ブロードバンド インターネットの急速な普及
・ 通信トラフィックの急激な増加
→ ノードでの処理がボトルネックに
・ 15年後には、国内の総発電量の20%をNW機器が占める事態に
→ ノードの低消費電力化が必須
フォトニックネットワーク
ネットワークの基礎
交換方式
回線交換
例) 電話
鉄道のポイント切換え
エンドユーザーによって一つの回線が専有される
回線交換器
パケット交換 例) データ通信、インターネット
宅配便
一つの回線が皆でシェアされる
パケット交換器
ラベル
データ
パケット交換器
回線交換
回線交換
回線交換器
加入者数: N
A
呼損率
B M , A  
回線数: M
回線交換器
加入者数: N
M
M!
i
A
M

i0
i!
A: トラフィック量
M: 回線数
N: 加入者数
トラフィック量と所要回線数との関係
回線交換
回線交換方式
予め送信者と受信者間で回線(コネクション)の設定・確保を行う
データを送る前に制御信号を送る
ノード
送信端末
ノード
受信端末
予約
設定
回線予約
設定時間
予約
設定
データ転
送時間
データ転送
t
予約
設定
回線交換
回線交換のメリット
特定のエンドユーザーによって一旦回線が確保されると、通信が終了し、
回線が開放されるまでは、安定で良質の通信が可能
回線が混んできても、一旦接続されるとリアルタイムの通信が可能なため、
電話においては自然な会話が保証できる
交換器の構造がシンプル
回線交換のデメリット
特定のエンドユーザーによって一旦専有された回線は、たとえデータが
全く流れていない時間があったとしても、他のユーザーがそこにデータを
流すことはできない
クロスバー交換器
クロスバー交換器
回線交換
Aさん
A
B
C
D
-
Z
X
Y
W
W
Y
Z
X
Bさん
Cさん
Dさん
ノンブロッキング
非閉塞
電話のクロスバ交換器
Wさん Xさん Yさん Zさん
パケット交換
データをパケット(Ether Netではフレーム, ATMではセルと言う)という単位に
分割して送出
パケットにはデータと同時に、宛先を示す情報が書き込まれている
交換器は経路表に基づきパケットをいずれかのポートに送出する
経路表
宛先 ポート
1
①
2
②
3
③
4
④
4
⑤
4
⑥
①
②
③
1
2
3
4
パケット交換器
経路表
宛先 ポート
1
①
1
②
1
③
2
④
3
⑤
4
⑥
1
④
2
3
4
パケット交換器
⑤
⑥
パケットの構造
パケットの構造
データ
ヘッダ
データ
ヘッダ
データ
ヘッダ
データ
ヘッダ
データ
パケット
宛先アドレス 送信元アドレス
IPパケット ヘッダ部: 20バイト + α, データ部: 可変長
Ether Net ヘッダ部: 22バイト, データ部: 可変長(46～1500バイト)
ATMセル ヘッダ部: 5バイト, データ部: 48バイトの固定長
宛先アドレス IPパケット IPアドレス: 32ビット (IPv4), 128ビット (IPv6),
Ether Net MACアドレス: 48ビット
パケット交換のしくみ
宅配便との比較
パケット交換
宅配便
パケット交換器, ルーター
集配センター
データ (ペイロード)
荷物
ヘッダ (宛先アドレス)
経路表作成, 宛先検索, 経路制御
荷札 (送付先)
仕分け作業, 荷物の積込み
リンク
道路, (鉄道)
リンク障害
交通事故などによる荷物の破損
パケット交換の特徴
パケット交換の特徴
一つの回線を皆でシェアし、エンドユーザーによる回線の専有はない
データと同時に制御信号が送られる
パケット交換のデメリット
回線が混んでくると遅延が大きくなり、通信のリアルタイム性が損なわれる
電話においては会話が不自然となる。 例) IP電話などで生じる
ネットワークの階層構造
インターネット
ATM
NW
スイッチ
レイヤ5
アプリケーション層
電子メール
レイヤ4
トランスポート層
TCP
レイヤ4
SW
レイヤ3
ネットワーク層
IP
ルータ
レイヤ2
データリンク層
Ether Net SWハブ
ハブ
レイヤ1
物理層
CAT5
リピータ
ATM ATMスイッチ
SONET
SDH
光ファイバ WDM
ルータの機能
1. ルーティング (経路制御)
ルータに入ってくるパケットを、どのポートに出力すべきかを決める
・ そのために、他のルータと連携してルーティングテーブル (経路表)を作成する
・ ルーティングテーブルは定期的に更新される
2. フォワーディング (宛先検索)
ルータに入ってくるパケットの宛先を分析する
・ 最長一致検索
例) インターネット
郵便は実際、最長一致検索
経路表のエントリ数が少なくてすむが、1回の検索では経路が決まらない
・ 完全一致検索
例) ATMスイッチ
日本の人口1億2千万のエントリが必要だが、1回の検索で経路が決まる
3. バッファリング
パケットがある出力ポートに同時に出力されるような場合、衝突を避けるために
待たせる
MPLS
MPLS (Multi-Protocol Label Switching)
ノードに落ちてくるトラフィックに比べて、ノードを通過するトラフィックが大きい場合
ノードスループット拡大のための手法
ノードに落ちてくる
トラフィック
ノードに落ちてくる
トラフィック
ヘッダ処理
ヘッダ処理
ノードを通過する
トラフィック
通常のIPルータ
クロスコネクト処理 ノードを通過する
トラフィック
MPLSルータ
MPLS
IPパケット
ヘッダ
個々のパケットにラベルを付与
データ
カプセル化
ラベル ヘッダ
データ
データ
IPパケット
1 データ
2 データ
ネットワーク
プロトコル (IP)
カプセル化
MPLS
IPパケット
1 データ
カプセルを開けて 2 データ
1 データ
カプセルを開けてIPヘッダを読む
1 1 データ
2 2 データ
ネットワーク
プロトコル (IP)
ラベル1はNW層へ
MPLS
ラベル2はスルー
MPLSルータ
IPパケットを取り出す
1 1 データ
2 2 データ
ネットワーク
プロトコル (IP)
MPLS
光ノード
光ノードの種類
O-E-Oスイッチングノード
光ノード
O-O-Oスイッチングノード
フォトニックノード
1. 光パス(回線)スイッチング
・ 空間的光パス スイッチング 光の物理的な線路を切り替える
例) MEMS光スイッチ, 熱光学 (T-O)光スイッチ
・ 波長領域光パス スイッチング (波長ルータ)
・ 時間スロットパス スイッチング (OTDMネットワークノード)
・ 仮想パス スイッチング (OCDMネットワークノード)
2. 光バーストスイッチング (OBS)
3. 光パケットスイッチング (OPS)
光スイッチ
入力1
出力1
入力1
出力1
入力1
出力1
入力2
出力2
入力2
出力2
入力2
出力2
2×2 スイッチ
バー状態
クロス状態
クロスバー スイッチ
光スイッチの性能指標
・ スイッチの規模: 2×2, 1×N, N×N
・ スイッチング速度: msオーダーから nsオーダーまで
→ ガードタイム
光スイッチ
電気制御-光スイッチ (光の経路を切り換えるが、ON-OFFの制御は電気で行う)
スイッチング機構
特 徴
出力ファイバー
メカニカル
(MEMS)
Port1
Port2
入力ファイバー
入力1
熱光学(T-O)効果
電気光学(E-O)効果
出力1
mS～mSオーダーの切換え速度
比較的安価
ヒーター
入力2
+
mSオーダーの遅い切換え速度
安価
出力2
-
電界印加
nSオーダーの高速切換え
高価
その他に、磁気光学(M-O)型、音響光学(A-O)型などもある
光制御-光スイッチ (光-光スイッチ or All光スイッチ)
ON-OFF制御も光でやる
現在研究開発中 将来の全光信号処理システムに使われるかも?
3次元MEMS光スイッチ
http://pr.fujitsu.com/jp/news/2003/09/29.html
2005年には、256×256チャネルを
1msで切り替えられる光スイッチも開発
22-1.asx
光スイッチ ファブリックの光学系
光スイッチ ファブリック
富士通が開発した80 ch
3次元MEMS型光スイッチ
2次元MEMS光スイッチ
コリメートレンズ
ミラー
光ファイバー
Si細線導波路による熱光学(T-O)光スイッチ
T. Chu et al., Optics Express 13, 10109 (2005)
電極
Si細線導波路
T ran sm issio n (d B )
マイクロヒーター
-2 0
-3 0
-4 0
P o rt 1
P o rt 2
素子特性
スイッチング電力: 90 mW
消光比: > 30 dB
スイッチング応答速度: < 100 ms
In ten sity (a.u .)
スイッチ素子の構造
0
50
100
150
H eatin g p o w er (m W )
スイッチング特性
H eatin g cu rren t
L ig h t o u tp u t
1
0
0 .0
0 .5
T im e (m s)
スイッチ素子の写真
スイッチング応答特性
200
超小型1×8光スイッチ
T. Chu et al., Proc. SPIE 6477 (2007)
マイクロヒーター
チップサイズは僅か1.4 mm×2 mm
電極
1.4 mm
Port1
Si細線導波路
Port2
MZ型Si細線導波路光スイッチ素子
2 mm
250 mm
Port8
1×8光スイッチのスイッチングの様子
1×8光スイッチの写真
超小型1×4光スイッチモジュール
入力
250 mm
光ファイバーアレイ
出力1
SW2
出力2
SW1
出力3
SW3
出力4
MiniDILパッケージへの実装
1×4光SW素子
光(波長)パスについて
l1
l1
端局
ノード
l1
波長ルータ
波長ルータ
l1
l1
l2
ノード
端局
l1
端局
ノード
波長変換
l2
波長変換
l1
l1
波長変換が可能な場合
ノード
端局
AWG
光合分波器: 光を波長によって分ける (分波器) / 多波長の光を束ねる (合波器)
クラッド
コア
0.5 mm
この一本一本が
このような光導
波路からなる
Arrayed Waveguide Grating
0.5 mm
Si 基板
石英光導波路
50 mm
Arrayed Waveguide Grating (AWG)
スラブ
導波路 l l l
12
N
AWGの動作原理
波長ルータ
ポート1
AWG
l31
ポート2
ポート3
ポート4
AWG
AWG
AWG
l1
l2
l3
l4
l1
l2
l3
l4
l1
l2
l3
l4
l1
l2
l3
l4
AWG
or カプラ
ポート5
l1
ポート6
ポート7
l3
ポート8
AWGなどのパッシブな光部品のみで構成できる
OADM
OADM (Optical Add/Drop Multiplexer)とは
OADM
l1 ‥‥ ln
OADM
OADM
WDM信号
WDMリングNW OADM
OADM
li
li
WDM信号の中から或る特定の
波長のみDropし、Addするもの
R-OADM (Reconfigurable OADM)
l1 ‥‥ ln
OADM
WDM信号
li
li
Add/Dropできる波長を任意に
設定可能であるもの
波長可変光合分波器(R-OADM)
L
T. Chu et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 18, 1409 (2006)
d
L=370 nm
d=30 nm
マイクロヒーター加熱による熱光学効果で、
最大 6.6 nmのドロップ波長可変幅を実現
electrodes
add in
3-dB coupler
波長切り換え速度 < 100 mS
signal in
Bragg grating
through
500 mm
heater
3-dB coupler
drop out
-15
-15
Tr ansm iss io ns (d B )
T ra n s m is s io n s (d B )
700 mm
-20
-25
-30
-35
-40
154 6
1 548
1550
15 52
1 554
1556
W a ve l en g th (n m )
分波特性
155 8
-20
0 mA
20 m A
40 m A
-25
45 m A
55 m A
-30
65 m A
-35
15 50
15 52
1 55 4
15 56
1 558
1 56 0
15 62
1 564
W a ve le n g th ( nm )
ヒーター加熱による波長チューニンク特性
波長可変レーザ
波長可変レーザの構成
コリメート レンズ
回折格子
半導体光増幅器
出力光
波長可変フィルター
ポンプ光
光ファイバー
増幅器
波長変換
1. O-E-O変換による
l1
PD
電気
l2
LD
2. 各種非線形光学効果による
1) 半導体光増幅器(SOA)の相互利得変調(XGM) or 相互位相変調(XPM)を用いる
a) 対称Mach-Zehnder干渉計 (SMZ)型
2) パラメトリック過程を用いる
a) 和周波・差周波発生、第二高調波発生
b) 四光波混合
3) ラマン散乱
波長変換
半導体光増幅器(SOA)の相互位相変調(XPM)を用いる波長変換器
t
信号光
SOAなどの非線形光学媒質
l1
l2
信号光がSOAに入射すると、XPMによりCW光の位相が
変調される
t
CW光
t
l2
出力光
信号光のビットパターンが
コピーされて出てくる
出力光
l2
t
光導波路
対称Mach-Zehnder干渉計 (SMZ)型
波長変換
パラメトリック過程を用いる波長変換
a) 和周波・差周波発生、第二高調波発生
w3 = w1 + w2
w3 = w1 - w2
w2 = 2w1
仮想準位
w2
w2
w3
w1
w1
w2
w3
w1
和周波発生
w1
差周波発生
b) 四光波混合
w4 = w1 + w2 - w3
wi = 2wp - ws
仮想準位
w2
w1
第二高調波発生
仮想準位
w3
wp
ws
w4
wp
wi
ポンプ光
信号光
波長変換光
ws wp wi
w (l)
四光波混合による40Gb/s波長変換
Y.-H. Kuo et al., Optics Express 14, 11721 (2006)
逆バイアスされた 8cm長 SOI pin リブ導波路による40G波長変換
波長変換効率: -8.6dB
Pump power: 450 mW
40Gbps NRZ波長変換実験系
波長変換出力スペクトル
40Gbps Eye Diagram
左: 入力信号
右: 波長変換出力信号
Si光導波路による波長変換素子
V. Raghunathan et al., IEICE Electron. Express 1, 298 (2004)
ラマン効果による(1.55 mm→1.3 mm)波長変換 (Si リブ光導波路)
l=1542.3 nm
1542.3 nm
1427.3 nm
1328.8 nm
2 mm
0.45 mm
Si
コア
0.48 mm
SiO2
Si リブ光導波路
ポンプと信号光が同一偏波
ポンプと信号光が直交偏波
変換された信号のスペクトル
符合ラベル処理
l1 l4 l3 l2
l2 l1 l3 l4
データ
データ
データ
t
波長ラベル
波長ラベル
l2
l3
l4
l1
サキュレータ
グレーティング光ファイバー
グレーティングパターンとラベルが一致した場合
一致しないと
データ
データ
データ
t
時間スロットパス スイッチング
t3
t2
t1 t2 t3 t4
端局
t2
t1 t2
ノード
t1
t1
t4
t4
t
t1 t2 t3 t4
t3 t4
ノード
t3
端局
短い時間スロットの光パルスを切り出すため、超高速光スイッチが必要となる
仮想パス(OCDM) スイッチング
Code4
Code4
Code1
Code4
Code3
端局
ノード
Code3
Code1
Code2
Code2
Code3
Code1で符号化
Ch1
1
0
1
1
0
1
t
1
0
1
1
0
ノード
1
Code1
Code2で符号化
Ch2
0
1
1
0
1
1
t
0
1
1
0
1
1
t
Code3で符号化
Ch3
0
1
0
1
0
1
t
0
1
0
1
0
1
端局
t
t
光バースト スイッチング方式
光バースト スイッチング (OBS)
回線交換と同様に、予め送信者と受信者間で回線(パス)の予約を行う
ノード
送信端末
REQ
回線予約
設定時間
データ転
送時間
ノード
受信端末
予約
設定
予約
設定
ACK
バースト転送
予約
設定
光パケット スイッチング方式
光パケット スイッチング (OPS)
データと同時に制御信号が送られる
送信端末
パケット転送
ノード
ノード
受信端末
ヘッダ処理とバッファ
リングによる遅延
パケット転送
パケット転送
OPSノードの機能構成
経路制御(ルーティング) ‥ ‥ パケットの経路表を作成
ラベル処理 ‥ ‥ ヘッダを読み、経路表に照らし合わせて出力ポートを決定
スイッチング ‥ ‥ パケットの出力先を適切な出力ポートへ切り替える
パケットスケジューリング ‥ ‥ パケット同士が衝突しない様タイミングを計る
バッファリング ‥ ‥パケットを出力させるまでの間、しばらく待たせる
ルーティング
(経路表作成)
ラベル処理
(出力ポート決定)
スケジューリング
(パケット衝突回避制御)
スイッチング
(適切な出力ポートへ)
バッファリング
(パケットを一時保管)
ヘッダ ペイロード
出力
光バッファ
1. 光遅延線路と光スイッチによる
光遅延線路
光遅延線路
光遅延線路
光スイッチ
光スイッチ
光スイッチ
2. Slow Lightによる
電磁誘導透過 EIT: Electromagnetically Induced Transparency
0.9μK(約-273℃) ナトリウム
300,000km/s → 28m/s
70～90K(-203～-183℃)
ルビジウムRb
300,000km/s → 1km/s
|3>
|1>
|2>
フォトニックMPLS
フォトニック
MPLSルータ
フォトニックMPLS
ネットワーク
IPルータ
IPルータ
IPパケット
1 データ
2 データ
ネットワーク
プロトコル (IP)
ラベルは個々のパケットではなく
ビットストリームに付与
1 データ
2 データ
1 データ
波長ラベル IPヘッダを読む
ネットワーク
プロトコル (IP)
データ
1
ラベル1はNW層へ
MPLS
IPパケット
2 データ
MPLS
IPパケットを取り出す
1 データ
2 データ
ラベル2はスルー
フォトニックMPLSルータ
ネットワーク
プロトコル (IP)
MPLS
フォトニックMPLSルータ
MPLSルータ部
波
長
変
換
部
光分波器
光空間SW
光合波器
フォトニックMPLSルータ
NTTが開発したフォトニックMPLSルータ
GMPLS
GMPLS (Generalized MPLS)
NTTなどでは試作が行われている
MPLSの処理機能をより一般化したもの。その仕様は未定
MPLSをIPネットワークだけでなく、レイヤーの異なる光ネットワークでも使え
るように拡張する手法。 IPネットワークと光ネットワークを連携させた管理・
制御が可能。 例えば、SONET装置のタイム・スロットや光クロスコネクトの
光波長を、IPルーティング情報を利用して制御する。
MPLS, GMPLS, フォトニックMPLSの比較
GMPLS
MPLS
ラベルが付与さ
時間フレーム中の
パケット
セル
フレーム
れるエンティティ
タイムスロット(VC)
ラベル
制御対象
シム VPI/VCI DLCI
ヘッダ
LSP VP/VC
タイムスロット位置
DLCI バーチャルコンテナ
(SDH)
フォトニックMPLS
ビットストリーム
波長
光パス
光ネットワークの進化
高機能
メッシュ型NW
フォトニック
MPLSルータ
1P
フォトニック フォトニック
MPLSルータ MPLSルータ
容量 (bit/s)
OXC
OXC
メッシュ型NW
OXC
OADM
1T
OXC
OADM
WDM リングNW
WDM p-to-p
OADM
p-to-p
年代
1G
1995
2000
2005
2010
2015
ITネットワークの将来像
データは全て安全な
サーバーに保管
Web2.0のサービス
映画製作会社
街中の至る所で
BBでネットに接続
PCはHDDレス、CFメモリーのみに
100Mワイヤレスと10G Ether装備
PCは単なるデータ検索端末に
NHKアーカイブス
受信料を払えば
過去のTV番組も
自由に視聴可能
どこでもTV電話
本や音楽は、読みたい時
聴きたい時にダウンロード
オンデマンドTV
レポート課題
以下のいずれかについて、A4用紙3枚以内にまとめよ
1. 各種フォトニック ネットワーク(OBS, OPS, フォトニックMPLS)について、
その違いを明確にしながらしくみについて述べよ。
2. フォトニックルータの構成と、その要素デバイスについて述べよ
8月29日提出〆切
ご聴講ありがとうございました