フォトニックネットワークアーキテクチャに関する研究

近年の光伝送技術の発展には目覚しいものがあり、WDM（波長分割多重）技術によってネットワークの回線容量は爆発的に増大してきた。しかし、光伝送技術とネットワーキング技術はおのおの別個の歴史を持ち、インターネットに適した光通信技術の適用形態については明らかになっていないのが現状である。短期的には、高性能・高信頼光パスネットワークがその中心技術になると考えられ、長期的な解としてはフォトニックネットワーク独自の通信技術を用いた分散かつオンデマンド型の光パスネットワークも十分に考えられる。本研究テーマでは、これらの点に着目した研究を進めている。

フォトニックインターネットにおける論理トポロジー設計手法に関する研究

次世代インターネットの基盤ネットワークとして、WDM技術に基づいたIP over WDMネットワークが有望視されている。このようなIP over WDMネットワークのアーキテクチャの一つとして物理トポロジー上に光パスを設定することで論理トポロジーを構築し、その上でIPパケットを転送するアーキテクチャが考えられている。本研究では、IP パケットを効率良く収容するための論理トポロジー設計手法を提案している。関連発表論文 (1) では、上位プロトコルがIPであることを考慮して、ノードへの負荷を軽減することでネットワークの平均遅延時間の最小化を目的とする論理トポロジー設計手法を提案した。また、論理トポロジー上でフロー偏差法を用いて経路を定めることによって、提案方式と従来方式との比較を行うとともに、経路の安定性の評価を行った。その結果、波長数が限定されている資源の場合において、提案手法による論理トポロジー設計が有効であることがわかった。関連発表論文 (2)では、光ファイバに導入される光ファイバ増幅器を考慮した、発見的手法に基づく論理トポロジー設計手法を提案している。提案アルゴリズムを論理トポロジー上での平均遅延時間、スループットおよび必要となる光ファイバ増幅器の数を比較し、設計された論理トポロジーに必要となる光ファイバ増幅器の数が減少することを示した。また、波長の多重数と１波長当たりの伝送帯域の積が一定であるとした上で、波長の多重数の違いがネットワークの性能におよぼす影響を明らかにし、その結果、波長の多重数を上げると収容可能なトラヒック量が増加することがわかった。

[関連発表論文]

フォトニックインターネットにおける設備設計に関する研究 （独立行政法人通信総合研究所との共同研究）

従来提案されてきたWDMネットワークの物理トポロジー設計手法では、将来発生するトラヒック量は既知と仮定して低コストのネットワークを構築している。しかし、実際には、トラヒック量を正確に予測することは困難である。本研究では、将来要求されるトラヒック量が不確定な状況で、収容可能なトラヒック量を最大にするWDMネットワークの設備設計手法を提案している。提案手法では、将来のトラヒック変動を推定し、推定したトラヒックを収容するために必要となるネットワーク設備を配置する。OXCおよび光ファイバを設計する設備の対象とし、ネットワーク設備設計問題をOXC配置問題とファイバ配置問題の部分問題に分けて解いている。提案手法により設計されたネットワークと冗長設計により設計されたネットワークを比較した結果、提案手法により設計したネットワークはすべての光パス設定要求を収容することができたのに対して、同じ数のOXCを導入した冗長設計により設計したネットワークでは二割程度の光パスが収容できないことを明らかにしている。

[関連発表論文]

超高速光パス設定に関する研究　（大阪大学大学院工学研究科北山研究室との共同研究）

WDM技術を適用したデータ通信方式として、データ発生時に高速に波長を割り当て、データ転送を行う方式が考えられる。この方式は、データ発生時に送受信間に光パスを設定するため、効率的なデータ転送が可能となる。ただし、パス設定が完了してデータ転送が開始するまでの時間によって性能が大きく変わるため、パス設定の高速化が必要である。本研究では、波長割当時のオーバーヘッドを極限まで減らすことを目的として、光符号処理を利用したデータ転送方式を提案している。また、パス設定完了までの時間の短縮を目的とした光パス設定手法を提案する。具体的には、従来のパス設定手法を組み合わせることで往復伝搬遅延時間あたりに光パス設定を2 回試みることにより光パス設定の高速化を図っている。提案方式と従来方式の比較を計算機シミュレーションにより行い、その結果、光パスの保持時間が大きい場合に有効であることを明らかにしている。一方、保持時間が短い場合には、ノードにおける処理遅延時間による性能差が見られるものの、提案方式と従来方式には有意な差がないことがわかった。

[関連発表論文]

フォトニックネットワークにおけるオンデマンド型光パス設定に関する研究

各ノードが自律的に光パスを設定する分散環境を対象とした光パス設定に関する研究では、ネットワークの波長利用状況に基づいて光パスの経路および波長を選択するための様々なアルゴリズムが提案されてきた。しかし、これらのアルゴリズムでは、光パス設定時に正確かつ詳細な波長利用情報を利用できるという仮定があった。現実にはネットワーク内の各リンクにおける波長利用情報を収集する機構が必要となる。一方、WDM技術に基づくフォトニックネットワークでは、光パス設定時にエンドノード間で波長予約を行う。そのため、経路選択時には正確かつ詳細な情報が利用できないとしても、波長予約の際に波長利用状況を収集することで効率良く光パスを設定できる可能性がある。本研究では、各ノードが分散して光パスを設定するWDMネットワークを対象とし、そのようなネットワークに適用可能な経路制御方式の比較検討を行っている。シミュレーションの結果、代替経路選択方式で最初に最短な経路を選択し、あとはより負荷の低い経路を選択するようなアルゴリズムを用いた場合、リンク利用情報を遅延無しに得られると仮定した場合と同等の性能が得られることがわかった。

[関連発表論文]

大規模フォトニックネットワークにおける棄却性能評価および改善に関する研究

現在のインターネットにおける AS (Autonomous System) 階層やルータ階層のトポロジーはべき乗則に従っているということが明らかにされている。一方、GMPLS (Generalized Multi--Protocol Label　Switching) の標準化が進むにつれて、複数の　WDM ネットワーク間で波長による回線（光パス）接続も検討されつつある。複数の WDM ネットワークが接続して構成される大規模な WDM ネットワークは、複数の AS が接続することにより構成されている Internet のトポロジーがべき乗則に従うように、べき乗則に従うと考えられる。しかし、WDM技術により構成された光ネットワークに関する過去の研究では、数十ノードから高々100 ノードからなる比較的小規模なネットワークが対象となっていた。本研究では、まず、WDM ネットワークにおいて、その物理トポロジーがべき乗則に従う時の特性について評価した。シミュレーションの結果、べき乗則に従う物理トポロジーにおける必要波長多重数は、指数分布に従う物理トポロジーにおける必要波長多重数よりもはるかに多くなることが明らかとなった。そこで、波長資源をより有効に利用し、棄却率を改善するため、quasi-static 光パス設定手法を提案した。この手法では、出線数の多いノードを通過するように波長の回線があらかじめ設定され、経路のホップ数に関する距離を、実際のホップ数よりも短くすることができる。計算機シミュレーションにより、この手法を適応した場合としない場合で性能評価を行った。その結果、本手法を用いることで、棄却率は 80%改善できることが分かった。

[関連発表論文]