WO2022176172A1 - タイムスロット化した受信を使用する光ネットワークおよびノード - Google Patents

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WO2022176172A1
WO2022176172A1 PCT/JP2021/006454 JP2021006454W WO2022176172A1 WO 2022176172 A1 WO2022176172 A1 WO 2022176172A1 JP 2021006454 W JP2021006454 W JP 2021006454W WO 2022176172 A1 WO2022176172 A1 WO 2022176172A1
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switch
node
bandwidth
network
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イブラヒム サラ
俊和 橋本
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日本電信電話株式会社
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    • H04J14/02—Wavelength-division multiplex systems
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    • H04J14/02862—WDM data centre network [DCN] architectures
    • H—ELECTRICITY
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    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
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    • H04Q11/0005—Switch and router aspects
    • H04Q2011/0007—Construction
    • H04Q2011/0033—Construction using time division switching

Definitions

  • the present invention relates to optical networks, optical nodes and optical transmission systems used therein.
  • a data center is a general term for facilities that specialize in the installation and operation of computers (mainframes, minicomputers, servers, etc.) and data communication equipment.
  • Data center (DC) networks have grown rapidly to provide a wide range of services while accommodating a significant increase in traffic volume. Despite this significant increase in traffic volume, the basic structure of networks has not changed significantly.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a conventional DC network.
  • a typical DC network consists of multiple layers, for example, it has a three-layer DC network configuration as shown in FIG.
  • a three-layer DC network 100 includes a switch 101, an optical link 102, a switch 103, an optical link 104, a ToR (TopOfRack) switch 105, and a server 106 from the upper layer side.
  • the switches 101 and 103 are each composed of upper and lower electrical switches and optical links 107 and 108 connecting them. Therefore, the DC network of FIG. 1 would have 8 hops between the two ToRs.
  • Optical-Electrical-Optical (OEO) conversion is performed at a large extent in each electrical switch.
  • data is transmitted as optical signals on links connecting network nodes consisting of one or more servers.
  • the optical signal is converted into an electrical signal and switched by an electrical switch, ie, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) switch.
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • the switching capacity of ASIC switches continues to increase significantly and is now reported with a capacity of 12.8 Tb/s.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • a more pressing problem is the requirement for very high data rates for optical signals entering and exiting ASIC switches.
  • co-packaged implementations of transceivers and ASIC switches have received increasing attention in recent years as an alternative to traditional pluggable transceivers.
  • significant power consumption and heat generation problems remain.
  • the present invention has been made in view of such problems, and its purpose is to propose a new DC network structure that addresses various limitations of ASIC switches.
  • one embodiment is an optical core section having a full mesh network configuration, and a plurality of nodes connected to the optical core section, which are divided into a plurality of groups. , a plurality of nodes including up to m nodes in a group, each of said plurality of nodes receiving optical signals from said at most m nodes; and routing to a plurality of servers, the ASIC switch having a switching capacity corresponding to the average incoming traffic of the plurality of nodes, the receiving cycle comprising a plurality of time slots.
  • idle time slots addressed by any node in said group to which said source node belongs and following said plurality of time slots, only in time slots associated with the group to which said source node belongs, for a period of time; It is characterized by not receiving optical signals from any of said source nodes and processing traffic in excess of said average incoming traffic.
  • An optical network of another embodiment includes an optical core section having a full mesh network configuration, and a plurality of nodes connected to the optical core section, divided into a plurality of groups, and a maximum of and a plurality of nodes, including m nodes, each of said plurality of nodes being associated with a group to which a source node belongs during a receive cycle including a plurality of time slots. switching and routing electrical signals corresponding to optical signals received from the up to m nodes addressed by any node in the group to which the source node belongs, only in the time slots selected by the source node, and routed to a plurality of servers.
  • An ASIC switch a main switch having a switching capacity corresponding to the average incoming traffic of the plurality of nodes and operating synchronously with the time slots, and a switching capacity capable of processing traffic exceeding the average incoming traffic. and an auxiliary switch that operates regardless of the time slot.
  • optical network described above also has aspects as an invention of network nodes within the optical network.
  • the optical network of the present disclosure simplifies the node configuration and reduces the capacity and power consumption of ASIC switches. It also supports large-scale optical networks and low power consumption.
  • FIG. 1 illustrates a basic configuration of a DC network according to the present disclosure
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a problem of a node in a conventional optical network periphery
  • FIG. 1 is a diagram conceptually showing the configuration of an optical network and a receiving node of the present disclosure
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the effect of reducing receivers obtained in the optical network of the present disclosure
  • FIG. 2 is a diagram for explaining data reception operation in a receiving node of an optical network
  • FIG. 10 is a diagram showing another example of the receiving operation of networks with different group configurations
  • 1 illustrates exemplary network and node specifications according to this disclosure
  • FIG. 3 illustrates different concepts of receive bandwidth required at a receiving node
  • FIG. 4 is a diagram for explaining possible combinations of a plurality of nodes with different average numbers of connections
  • FIG. 4 is a diagram for explaining effective BW degradation between node pairs due to network division
  • Fig. 3 illustrates different bandwidths of traffic in a DC network
  • FIG. 2 illustrates the reduced bandwidth concept of a receiving ASIC switch
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between average bandwidth BW switch_avg and reception cycle period T
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an extended reception cycle period associated with the introduction of factor F
  • FIG. 4 is a block diagram of a node including modified switches with the introduction of factor F
  • Fig. 2 is a block diagram of a node that mitigates delay in a modified switch;
  • the following disclosure includes a DC network architecture that achieves end-to-end optical transmission between desired node pairs with optical switching at the core and electrical switching only at the network perimeter.
  • the inventors have proposed a DC network structure that more efficiently utilizes electrical switches facing performance limitations.
  • BW capacity
  • FIG. 2 is a diagram showing the basic configuration of a DC network according to the present disclosure.
  • the DC network 1 includes a flat optical network 2 that is the core part of the entire network, and a SW unit 3, ToR 4, and server 5 that are the peripheral parts of the entire network. These peripheral elements form part of the node.
  • Two nodes are shown in FIG. 2, with one node including four ToRs for simplicity, but it should be understood that many other nodes are located around the flat optical network 2 .
  • optical switching is used in the flat optical network 2, which is the core portion, and electrical switching is used only in the SW portion 3, which is the peripheral portion, and its peripheral side.
  • the optical network structure of FIG. 2 is scalable and supports highly dynamic connections between arbitrary pairs of nodes.
  • the core part of the network can be implemented as a physical full-mesh network or as a full-mesh-like network.
  • the full-mesh network or full-mesh-like network premised in the DC network of the present disclosure shown in FIG. are different.
  • only optical switching is used without performing OEO conversion in the SWs 101 and 103 of each hierarchy of FIG.
  • the following disclosure reveals a novel and practical data reception mechanism and its associated hardware at each node. They replace some of the previously required numerous optical receiver units and complex bulk switching arrangements.
  • the basic approach of configuring the optical network of the present disclosure is to introduce a small time-domain constraint on transmissions from network nodes to the same destination node.
  • the network of the present disclosure operates according to a timeslot scheme [Problem of reception in optical network periphery] When realizing a physical full-mesh connection in the conventional N-node DC network shown in FIG. Requires enormous resources. Such full-mesh or full-mesh-like networks require extensive switching fabric at each node.
  • any destination node in the network can be addressed simultaneously by any number of source nodes, up to N-1.
  • "addressing" is not limited to specifying and designating the destination node of the other party as a communication destination by a source node in order to set up a communication link between nodes, but also actually setting up a communication link, It shall also include conducting communications.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining problems in conventional optical network peripheral nodes.
  • FIG. 3 conceptually shows a full-mesh optical network 140, representing the flat optical network 1 shown in FIG. 2 as a set of nodes.
  • the optical network 140 has many interconnected nodes.
  • FIG. 3 depicts four adjacent nodes interconnected to one node, this symbolically indicates that all nodes in the optical network are connected. there is
  • the receiving node 141 has an interface section 144 with the optical network side and is further connected to the ToR 145 .
  • the interface section 144 comprises a receiver 143 for receiving multiple optical signals 142 arriving simultaneously. If the optical network 140 consists of N nodes, then the receiving node 141 would require a number of ports and corresponding (N-1) receivers 143 to handle all simultaneously incoming data communications. Become. Further, the interface unit 144 has a large-scale receiving ASIC switch (not shown). As mentioned earlier, very high data rates are required for optical signals entering and exiting ASIC switches. Also from FIG. 3, it can be understood that a large number of receivers and large-scale ASIC switches are required at all receiving nodes.
  • the optical network of the present disclosure proposes to introduce a slight time-domain restriction on data transmission from a network node to the same destination node.
  • FIG. 4 is a diagram conceptually illustrating the basic configuration of the optical network and receiving nodes of the present disclosure. Similar to FIG. 3, FIG. 4 conceptually illustrates a full-mesh or full-mesh-like optical network 10.
  • the optical network 10 consists of N (eg, 36) nodes, and as an example consider data transmission between a source node or source node 11 and a destination node or receiving node 13 .
  • N eg, 36
  • the source node can also be the receiving node, and the names are simply distinguished according to the operations and functions to be described. Therefore, it should be noted that the source node also has the functions and configurations described for the receiving node.
  • N network nodes that are source nodes are divided into a large number of groups (d), and groups to which each source node belongs are defined.
  • groups to which each source node belongs are defined.
  • six groups, a first group (G1) to a sixth group (G6), are defined, and the source node 11 belongs to the first group 12.
  • Reception of data communication at any node is performed separately in time slots of fixed duration T for each group to which the source node belongs, as will be described later. That is, a receiving node can be addressed by any source node belonging to a group of source nodes only during the time slots assigned to that group. Specifically, the receiving node 13 receives data from the source node 11 during the time slot assigned to G1 to which the source node 11 belongs. It is also addressed during the same timeslot by the other five source nodes belonging to G1.
  • the nodes belonging to one group in FIG. 4 are shown here as being close together for the sake of explanation, but they are generally spatially distributed throughout the network.
  • a receiving node sequentially receives data from different groups for each time slot, and the cycle time for completing reception from all groups is d (number of divisions) ⁇ T (TS time).
  • d number of divisions
  • T TS time
  • B out be the maximum transmission bandwidth (BW) of each node.
  • BW transmission bandwidth
  • bandwidth means the transmission bandwidth that can be received or transmitted by a node, and may be understood as transmission speed (transmission rate). It should be noted that the term “bandwidth” is a broad concept meaning the capacity of communication resources for data transmission determined according to the modulation scheme and signal configuration of optical communication.
  • the bandwidth that can be sent from a node and the bandwidth that can be received at a node are the same, and the maximum outgoing bandwidth, B_out , is also the maximum incoming bandwidth.
  • the effective BW which is the effective bandwidth between two nodes, is B out /d.
  • increasing the number d of node groups in the network will decrease the effective BW between any pair of nodes.
  • a new mechanism for increasing the value of this effective BW is described below as it addresses the performance limitations of electrical switches in the optical network and receiving nodes of the present disclosure of FIG.
  • the nodes in the optical network of the present disclosure of FIG. Compared to nodes, the number of receivers can be greatly reduced.
  • an arrayed waveguide grating (AWG: Arrayed Waveguide Grating) 14 has been added.
  • Each of the AWGs 14 has at least d groups of input ports so that data from N nodes can be received simultaneously, and the front part of the node 13 is provided with AWGs of m nodes in one group. .
  • the received data multiplexed through the m AWGs 14 is supplied to the interface section 15 similar to the conventional technology and input to the receiver 16 .
  • the number of receivers 16 in the interface section 15 is significantly reduced to 1/m compared to the prior art configuration of FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing the effect of reducing receivers obtained by dividing the nodes in the optical network of the present disclosure into groups.
  • the relationship between the number of receivers (Rx units) in a node and the number of all nodes is shown using the number of divisions, that is, the number of groups, as a parameter.
  • (b) shows linear representation. Regardless of the number of nodes, the number of required receivers can be greatly reduced as the number of divisions increases.
  • the optical network of the present disclosure includes an optical core section 2 having a full-mesh network configuration, and a plurality of nodes connected to the optical core section, divided into a plurality of groups. a plurality of nodes, each of which includes m nodes, each of said plurality of nodes 13 being in the group to which said source node belongs only in the time slots associated with the group to which said source node belongs; It can be implemented as being addressed by any node. Further, each of the plurality of nodes is m arrayed waveguide gratings (AWG) 14, and the plurality of input ports of the AWG are the corresponding optical signals from the maximum m nodes belonging to the same group.
  • AWG arrayed waveguide gratings
  • the wavelengths used by one or more source nodes among the maximum m nodes are set to match the operating wavelengths of the plurality of input ports, and an output combination of the AWG. It can be implemented as having m receivers 16 connected to wave ports and an ASIC switch 17 for switching and routing electrical signals from the m receivers to a plurality of servers 18 .
  • a node connected to an optical core section having a full mesh network configuration the node is divided into a plurality of groups together with a plurality of other nodes connected to the core section, and within one group contains up to m nodes, each of said up to m nodes being addressed by any node in said group to which said source node belongs only in the time slot associated with the group to which said source node belongs.
  • a node connected to an optical core section having a full mesh network configuration the node is divided into a plurality of groups together with a plurality of other nodes connected to the core section, and within one group contains up to m nodes, each of said up to m nodes being addressed by any node in said group to which said source node belongs only in the time slot associated with the group to which said source node belongs.
  • the interface section 15 of the receiving node 13 has a receiving ASIC switch 17 as in the configuration of the prior art.
  • the configuration of the interface section at the receiving node is greatly simplified compared to the prior art in terms of the number of receivers and the capacity of the receiving ASIC switch. Further details of the operation of the receiving node and reducing the bandwidth of the receiving ASIC switch are provided.
  • B. Simplification of reception switching Using the maximum transmission bandwidth of one node as described above, B out , and the number of nodes in one group, m, the maximum BW that a node in the basic configuration of FIG.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the data receiving operation of the receiving node of the basic configuration in the optical network of the present disclosure.
  • FIG. 6(a) shows a time slot configuration
  • FIG. 6(b) is a diagram for explaining the switching operation when data is being received in TS1.
  • the ASIC switch 17 of the interface unit 15 of (b) has m ports on the input side facing the network and the number of ports corresponding to the number of the ToR switches 18 on the other output side. . If multiple links are used for each ToR switch, there are ports corresponding to the multiple links.
  • the time slot structure of FIG. 6(a) shows an example of dividing all the nodes of the optical network 10 shown in FIG. 4 into six groups. Receives only in slots. For example, data from 6 source nodes belonging to the first group are received at the corresponding ports of each AWG only in TS1 as shown in (b). Data from m different source nodes are received in m AWGs 14-1 to 14-6, the same number as the number of nodes in one group. Thus, in a particular time slot, each of the m input ports of ASIC switch 17 can capture data received from different source nodes within the same group. That is, data can be received simultaneously from all m source nodes in the same group.
  • an AWG is connected to each port on the input side of the ASIC switch 17, and nodes of the same group are connected to separate AWGs. It is connected. During the assigned time slot, only nodes in the permitted group are active while all nodes in other groups do not transmit to the destination node.
  • the same wavelength ⁇ 1 is used by all nodes of a group (eg, G1) active in TS1.
  • An input signal of wavelength ⁇ 1 will be passively routed towards the ASIC switch 17 by multiple (m) AWGs. That is, routing is performed by connecting different nodes within the same group to the ports of the corresponding wavelengths of the m AWGs.
  • G2 next active group
  • the ⁇ 2 input signal from each node belonging to G2 is passively routed towards the ASIC switch 17 by multiple (m) AWGs.
  • nodes in the same group do not need to transmit on the same wavelength.
  • Multiple wavelengths used by different groups of nodes connected to the same AWG may be coordinated to different wavelengths so as not to cause conflicts.
  • the receiving nodes can share the AWG configuration.
  • FIG. 7 is a diagram showing another operation example of reception switching in networks with different group configurations.
  • the number of groups (divided number) d 16
  • node numbers (1 to 512) are shown at the inputs of the AWG.
  • 32 nodes in the same group are shown using the same wavelength, but the wavelength may be different for each AWG.
  • FIG. 8 illustrates exemplary network and node specifications according to this disclosure.
  • An example of parameters for a configuration with a network divided into 16 and corresponding 16 timeslots is shown.
  • one time slot has a length of 40 ns, which is 30 ns corresponding to a 400 Gb/s packet and a margin of 10 ns.
  • One cycle is divided into 16 time slots and the 512 network nodes are divided into 16 groups. The number of nodes in one group is 32.
  • the destination (receiving) node for each timeslot is only addressed by the authorized group.
  • the same source node can address the same destination node every 16 timeslots.
  • C. Reduction of BW of Receiving ASIC Switch As mentioned in the explanation of FIG.
  • the node of the basic configuration in the optical network of the present disclosure is configured to greatly reduce the capacity of the receiving ASIC switch compared to the conventional technology.
  • the receiving ASIC switch capacity is set to a value that matches or slightly exceeds the average incoming traffic.
  • a memory associated with the receiving ASIC switch is provided to handle traffic in excess of this switching capacity with some delay.
  • FIGS. 9 and 10 it will be described below that the basic node of the flat optical network of the present disclosure can handle substantially sufficient traffic even with reduced receiving ASIC switch capacity compared to prior art nodes. do.
  • the inventors classify the traffic input to the receiving node, in other words, the input bandwidth BW of the receiving node, into two categories with different requirements. did.
  • Two categories of traffic are: (a) traffic that needs to be switched in real-time without additional delay; All traffic that does not need to be switched. Assume that the average received BW is assigned to the traffic of (a), and the maximum received BW is assigned to the traffic of (b).
  • the switching capacity of the receiving ASIC switch ie the transmission bandwidth of the receiving ASIC switch, can be allocated to different BWs corresponding to the two categories of traffic.
  • introducing a storage medium (memory) for partial storage of received data at the receiving node avoids the need for received data to be lost or retransmitted. Guaranteed not to.
  • the main advantage of introducing a storage medium is that the switching capacity of the receiving ASIC switch can be reduced at the expense of introducing extra delay.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating different concepts of reception bandwidth required at a receiving node.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating different concepts of reception bandwidth required at a receiving node.
  • 9(b) is a diagram for explaining the two reception bandwidths mentioned above.
  • the reception ASIC switch in the interface unit is equipped with a memory to provide an average reception BW for 8 nodes, which means that real-time switching processing for 8 nodes is sufficient.
  • the average received BW can vary from node to node, but except for a limited number of specific nodes, the average received BW can usually be set significantly lower than the maximum received BW. This is due to the natural balance of traffic in the flat optical network 2 assumed in the DC network of the present disclosure shown in FIG. This balancing mechanism can be explained as follows for the nature of traffic in flat optical networks.
  • FIG. 10 is a diagram explaining possible combinations of multiple nodes with different average numbers of connections.
  • the properties of traffic that are prerequisites for the flat optical network will be described.
  • the average number of incoming connections per node is 1. From this state, the average number of connections received begins to deviate from 1 as the node receives more connections on average. In flat optical networks this means that traffic that was being received by one node is directed to the new busy node. As more nodes become busy, the average number of connections on the remaining nodes naturally decreases.
  • the value of the average number of connections Q of busy nodes of category (a) is used as a parameter, and the node ratio (horizontal axis) of category (b) that satisfies the condition of 100% traffic load and the ratio (horizontal axis) of category (a). This indicates the relationship with the node ratio (vertical axis).
  • the receiving node of the basic configuration in the optical network of the present disclosure includes multiple AWGs 14 and interface units 15 that passively route received data from different source nodes.
  • a receiver and a reception ASIC switch 17 are provided on the front of the interface section 15 , and a storage means (memory) 19 interlocking with the reception ASIC switch 17 is provided.
  • the capacity of the receiving ASIC switch 17 should match or slightly exceed the average received traffic, and the storage means 19 can be used to handle traffic exceeding this switching capacity with a small delay. .
  • the optical network of the basic configuration of the present disclosure operates in a time-slotted manner for transmission from a source node to the same destination node in order to limit data reception at the receiving node.
  • the source node must wait until one full receive cycle has passed before it can again address the same destination node. Restrictions on data reception will result in a lower effective transmission rate, degrading the effective BW of data transmission between node pairs.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining degradation of effective BW between arbitrary node pairs due to network division.
  • the horizontal axis indicates the network division number (group number) d
  • the vertical axis indicates the reception BW normalized by Bout of the maximum transmission BW at the reception node.
  • the reception BW decreases as the network division number d increases. For example, when the division number d increases from 8 to 32, the reception BW decreases from 12.5% to 3.12%.
  • a mechanism is needed to compensate for this reduction in effective BW between node pairs caused by network partitioning.
  • the inventors have proposed two solutions: modifying the operation of the source node and modifying the transmission path between arbitrary nodes.
  • One solution is to allow the source node to reach the desired destination node in one or more time slots, and another solution is to set up another optical link between any pair of nodes. and increased the effective BW.
  • this specification proposes to modify the configuration of the time slots or the configuration of the electrical switches at the receiving nodes in the optical network with the basic configuration described above. do. From a new perspective different from the previous solutions, we propose a method to deal with performance limitations in ASIC switches. [Introduction of factor F for maximum incoming bandwidth BW in_max of receiving node]
  • bandwidth BW switch_avg of the receiving ASIC switch in the network node is a fraction F of the maximum receiving bandwidth BW in_max (0 ⁇ F ⁇ 1), if maximum traffic handling can be maintained with some compromise. It is possible to In order to cope with rapidly increasing traffic volumes and the limitations of switching technology as first mentioned, it will be necessary to reduce the switching capacity (bandwidth) in ASIC switches to a realistically available value. First, different concepts of bandwidth in each part of the DC network of the basic configuration shown in FIG. 4 will be explained.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating different bandwidths of traffic in the DC network.
  • FIG. 12 shows the same basic configuration of the DC network of the present disclosure as shown in FIG. Here we present various definitions of bandwidth from different perspectives in relation to network nodes.
  • BW out Total output bandwidth from each node
  • BW in_max Maximum incoming bandwidth of each node (to receiving switch)
  • the DC network of the present disclosure may comprise storage means 19 associated with the receiving ASIC switch 17, as already explained in FIGS.
  • the average bandwidth BW switch_avg for the receiving ASIC switch is represented by arrow 25 .
  • the inventors believe that it is difficult to flexibly cope with a sudden increase in traffic and the restrictive situation of ASIC technology progress by allocating the maximum available bandwidth to the receiving ASIC switch at any given time.
  • the receiving switch bandwidth BW switch_avg preconfigured to match or slightly exceed the average received traffic, but also a fraction F of the maximum receiving bandwidth BW in_max (Fraction: 0 ⁇ F ⁇ 1)
  • F the maximum receiving bandwidth BW in_max
  • BW switch_avg Reduced bandwidth of the main ASIC switch at the node (Definition 5)
  • Factor F Ratio of the reduced bandwidth BW switch_avg to the ASIC switch to the maximum incoming bandwidth BW in_max to the node Above From the definition of "reduced bandwidth" in (5), the following equation is obtained.
  • BW switch_avg F x BW in_max formula (2)
  • the ASIC switch has difficulty meeting the bandwidth required for the maximum received bandwidth BW in_max , it is reasonable to introduce a “reduced bandwidth” It can also be said.
  • By introducing the factor F it is possible to flexibly cope with the bandwidth of the ASIC switch that is practically available.
  • the total bandwidth of the network BW network can be increased by the same factor of F.
  • limiting the bandwidth of the receiving ASIC switch generally allows the power consumption of the node to be reduced. Introducing a factor F in the bandwidth of the receiving ASIC switch in this manner is beneficial for network scalability.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating the concept of reduced bandwidth of ASIC switches in the DC network of this embodiment.
  • FIG. 13(a) simply shows the relationship between the average bandwidth BW switch_avg and the maximum incoming bandwidth BW in_max at the receiving node.
  • the average bandwidth BW switch_avg 25 of the receiving ASIC switch 17 is set to a fraction of the maximum incoming bandwidth BW in_max 24 to the node, and the maximum incoming bandwidth BW in_max 24 is is bisected.
  • the factor F represents the ratio between the maximum incoming bandwidth BW in_max 24 and the average bandwidth BW switch_avg 25 allocated to the ASIC switch and is in the range 0 ⁇ F ⁇ 1.
  • the reception cycle in which reception from all node groups is completed is T, and the maximum incoming bandwidth BW in_max of each node is expressed by the following equation from the configuration of the reception cycle T having a time slot structure corresponding to d groups. be able to.
  • the reception cycle period T has the following relationship with the number of groups d.
  • T t TS ⁇ BW network /BW in_max formula (5)
  • T ⁇ BW switch_avg t TS ⁇ F ⁇ BW network formula (6)
  • the relationship between the average bandwidth BW switch_avg for the ASIC switch and the total bandwidth BW network of the network in equation (6) via the factor F describes the scalability of the aforementioned network.
  • the product of the coefficient F and the BW network (right hand side) is fixed for the receive cycle period T and the given value of BW switch_avg (left hand side).
  • the relationship of equation (6) can be maintained by increasing or decreasing the coefficient F corresponding to this fluctuation.
  • the coefficient F by varying the set value of the coefficient F, the configuration of the same reception cycle period T and average bandwidth BW switch_avg of the reception switch can be maintained.
  • FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the average bandwidth BW switch_avg of the receiving ASIC switch and the receiving cycle period T.
  • the horizontal axis is the average bandwidth BW switch_avg (Tbps) of the receiving switch
  • the vertical axis is the receiving cycle period T (nsec)
  • the total network bandwidth BW network is used as a parameter.
  • the relationship between is calculated and shown.
  • 6 curves are shown with a total output bandwidth BW out per node of 400 Gbps, a time slot time t TS of 40 ns, and a total network bandwidth BW network of 51.2 Tbps to 1.64 Pbps as parameters.
  • the plot on the left side corresponds to the current level of ASIC technology
  • the plot on the right side corresponds to the level of ASIC technology expected in the future. It can be seen that the reception cycle period T increases as the total network bandwidth BW network increases.
  • the receive cycle period T is preferably shorter because it is the period until the next data is received in the DC network timeslot scheme of the present disclosure.
  • the graph of FIG. 14 shows the scalable relationship between the ASIC switch average bandwidth BW switch_avg and the network total bandwidth BW network by introducing the factor F in equation (6), including the set value of the reception cycle period T. showing.
  • FIG. 13(b) illustrates two concepts of how to handle above-average input traffic in an ASIC switch bandwidth limited by a factor of F.
  • FIG. 13(b) shows the configuration of the extended reception cycle period, which adds an idling time slot 26 that does not receive data from the node to the reception cycle period T on the time axis. .
  • This idle time slot 26 allows the receiving ASIC switch to switch for an additional portion of the input traffic beyond the temporarily reserved average (average bandwidth BW switch_avg ).
  • This idle time slot does not actually receive data from any node, is not addressed, and remains unassigned.
  • FIG. 15 is a diagram explaining the configuration of the extended reception cycle period accompanying the introduction of the factor F.
  • the timeslot structure 31 for the extended receive cycle is shown.
  • the normal time slot structure 30 consists of 16 time slots (TS1 to TS16), one of the 16 groups corresponding to each time slot.
  • the reception cycle period T33 is TS time*number of groups (16).
  • the extended receive cycle period T EXTEND 35 comprises an idle time 34 following the receive cycle period T33.
  • idle time 34 it is neither addressed nor receives data from any network group. Additional (excess) traffic that could not be processed due to above-average input traffic in each time slot can be processed by the receiving ASIC switch during idle time 34 .
  • the time in the extended receive cycle period T EXTEND 35 divides the switching process by the ASIC switch into two. One is a process performed within the range of the average bandwidth BW switch_avg for each node group with a time limit during the normal reception cycle period T33. The other is processing that is performed during idle time 34 without time restrictions depending on the node group to which it belongs. This solution does not require any changes in the configuration of the receiving node and the storage means 19 shown in FIG.
  • the optical network of the present disclosure includes an optical core section having a full mesh network configuration, and a plurality of nodes connected to the optical core section, divided into a plurality of groups, and a maximum of m nodes in one group. nodes, each of said plurality of nodes switching electrical signals corresponding to optical signals received from said at most m nodes. , an ASIC switch routing to a plurality of servers, the ASIC switch having a switching capacity corresponding to the average incoming traffic of the plurality of nodes, the group to which the source node belongs during a receive cycle period comprising a plurality of time slots.
  • any node in the group to which the source node belongs only in the time slots 33 associated with and in one or more idle time slots 34 following the plurality of time slots from any of the source nodes It can also be implemented as not receiving optical signals and handling traffic in excess of said average incoming traffic.
  • BW i be the input bandwidth in each time slot of one receive cycle period T, where i is the time slot index.
  • the amount of traffic arriving at the ASIC switch varies from time slot to time slot and the difference between BW i and the average bandwidth BW switch_avg is denoted ⁇ BW i .
  • the maximum additional traffic that the receiving ASIC switch can handle is limited by the following equation. The following equation averages additional traffic over one receive cycle period T.
  • FIG. 13(b) shows the concept of yet another second solution for handling above-average incoming traffic with an ASIC switch bandwidth limited by a factor F.
  • the main An auxiliary switch 27 is provided in addition to the ASIC switch. It is not the time-based approach as in the first solution, but the approach of having main and auxiliary switches 27 with different functions and modifying the switching behavior.
  • the main switch may be a high speed switch with state of the art performance at the time, while the auxiliary switch 27 may utilize a lower speed switch with less bandwidth than the main switch, as will be described below.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining the configuration of an ASIC switch modified with the introduction of the coefficient F.
  • FIG. FIG. 16 shows a receiving node 40 with ASIC switches in a modified configuration, identical to the receiving node configuration in the basic configuration of the DC network according to the present disclosure shown in FIGS. That is, the AWG 43 of m nodes in one group are provided in the front part of the node, and the corresponding receivers 44 are provided.
  • the node 40 has an auxiliary switch 42 in addition to the main switch 41 .
  • the main switch 41 like the receiving node in the basic configuration of FIGS. 4 and 9, is a high speed, wideband ASIC switch responsible for processing the average bandwidth BW switch_avg scaled by a factor F.
  • Auxiliary switch 42 is a low speed switch with a narrow bandwidth set to 1/q with respect to the bandwidth of main switch 41 .
  • the main switch 41 operates under time restrictions according to the time slot method described in FIGS. can.
  • the main switch 41 and the auxiliary switch 42 are controlled by a node controller not shown in FIG. 16, and two switches with different bandwidths work together.
  • the optical network of the present disclosure includes an optical core section having a full mesh network configuration, and a plurality of nodes connected to the optical core section, divided into a plurality of groups, and a maximum of m nodes in one group. nodes, each of said plurality of nodes being associated with a group to which a source node belongs during a receive cycle period comprising a plurality of time slots An ASIC for switching and routing electrical signals corresponding to optical signals received from said up to m nodes addressed by any node in said group to which said source node belongs, only in time slots, to a plurality of servers.
  • a main switch 41 which has a switching capacity corresponding to the average incoming traffic of the plurality of nodes and operates in synchronization with the time slots, and a switching capacity capable of processing traffic exceeding the average incoming traffic. and has an auxiliary switch 42 that operates independently of the time slot.
  • the maximum additional traffic that can be handled by the auxiliary switch is determined as follows. Let the input bandwidth in each time slot of one receive cycle period T be BW i . The traffic arriving at the ASIC switch varies from time slot to time slot and the difference between BW i and the average bandwidth BW switch_avg is denoted ⁇ BW i . Let d be the number of time slots in the receiving cycle period T (the number of time slots d also corresponds to the number of groups of nodes). The maximum additional traffic through the ASIC switch in the modified configuration of FIG.
  • the causes of latency (delay) encountered by traffic passing through the path of the auxiliary switch can be divided into two.
  • the first is latency due to long physical switching times due to the narrow bandwidth of auxiliary switch 42 .
  • a second cause is latency due to extra latency due to queuing until the transmission to the top-of-rack (ToR) switch 45 is complete.
  • further modifications to the second solution of FIG. 16 are proposed to address these delays due to the auxiliary switch 42 .
  • FIG. 17 is a block diagram of a node that mitigates the delay of a modified ASIC switch. Since the receiving node 50 having the modified ASIC switch of FIG. 17 has substantially the same configuration as the receiving node 40 described with reference to FIG. 16, only differences will be described.
  • the queue 55 in the auxiliary switch 52 is also included in the receiving node 40 of FIG. 16, and corresponds to the queue in the delay of the second reason mentioned above.
  • the auxiliary switch 52 and the ToR switch 57 are connected via a link 56 with a large transmission capacity that can be realized as an optical link.
  • the configuration of FIG. 17 can support sufficient capacity to transmit the accumulated data in one time slot to the destination ToR switch, reducing delay in the modified ASIC switch.
  • the optical network of the present disclosure can simplify the configuration of nodes in the periphery of the DC network and reduce power consumption. It solves or at least alleviates the problems of ASIC switches, and can cope with the large-scale and low power consumption of optical networks. In addition, it realizes scalability that flexibly adapts to network traffic demands and technological progress of realistic ASIC switches in response to various limitations of ASIC switches.
  • the present invention can be generally used in optical communication systems.

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Abstract

ＡＳＩＣスイッチの様々な限界を対処する新しいＤＣネットワーク構造を提案する。本開示の光ネットワークでは、ネットワークノードから同じ宛先ノードへの伝送に対して、わずかな時間領域の制限が導入される。データ送受信は、タイムスロット方式によって動作する。ＡＳＩＣスイッチにおけるスイッチング帯域幅は複数のノードの平均着信トラフィックに対応する帯域幅を有し、この帯域幅を超えるトラフィックを記憶して処理する記憶媒体を備える。受信ＡＳＩＣスイッチに対する平均帯域幅を、ノードへの最大着信帯域幅が係数Ｆによって縮小された帯域幅に設定することもできる。受信ＡＳＩＣスイッチの帯域幅を制限することで、ノードの消費電力を減らすことも可能となり、ネットワークのスケーラビリティのために有益である。

Description

タイムスロット化した受信を使用する光ネットワークおよびノード
　本発明は、光ネットワーク、そこに使用される光ノードおよび光伝送方式に関する。
　データセンターとは、コンピューター（メインフレーム、ミニコンピューター、サーバー等）やデータ通信装置等を設置・運用することに特化した施設の総称である。データセンター（ＤＣ）ネットワークは、トラフィック量の大幅な増加に対応しながら、広範囲のサービスを提供するために急速に成長してきた。このようなトラフィック量の大幅増加にもかかわらず、ネットワークの基本構造は大きく変化していない。
　図１は、従来技術のＤＣネットワークの構成を示す図である。典型的なＤＣネットワークは複数のレイヤから構成され、例えば図１に示すように３層ＤＣネットワークの構成を持つ。３層ＤＣネットワーク１００は、上位層側から、スイッチ１０１、光リンク１０２、スイッチ１０３、光リンク１０４、ＴｏＲ（TopOfRack）スイッチ１０５、サーバー１０６を備えている。スイッチ１０１、１０３は、それぞれ上下の電気スイッチとそれらを接続する光リンク１０７、１０８から成っている。したがって図１のＤＣネットワークでは、２つのＴｏＲ間で８ホップを有していることになる。各電気スイッチの広い範囲で、光－電気－光（ＯＥＯ：Optical-Electrical-Optical）変換が実施される。
　このようなＤＣネットワーク１００では、１以上のサーバーからなるネットワークノードを接続するリンクにおいて、データは光信号として伝送される。各ノードにおいて、光信号は電気信号に変換され、電気スイッチすなわちＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)スイッチによりスイッチングされる。ＡＳＩＣスイッチのスイッチング容量は大幅に増加し続けており、現在では１２．８ Ｔｂ／ｓの容量を持つものも報告されている。
White Rabbit project webpage, インターネット<ＵＲＬ： https://www.ohwr.org/project/white-rabbit/wikis/home　> K. Clark et al., "Sub-Nanosecond Clock and Data Recovery in an Optically-Switched Data Centre Network,"２０１８年, post-deadline paper in ECOC 2018, Italy
　しかしながら、ＡＳＩＣスイッチのスイッチング容量の拡大はいずれ限界に達すると考えられる。ＡＳＩＣスイッチの構成単位であるＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)トランジスタのサイズをさらに縮小することがますます困難になっているからである。ＣＭＯＳトランジスタをより小さくするためのポスト平面ＣＭＯＳ製造プロセスが求められていが、このようなプロセスは技術的に難しく、非常にコストが掛かる。
　より差し迫った問題は、ＡＳＩＣスイッチに入出力する光信号に対する、非常に高いデータレートの要請である。高いデータレートに対応するため、従来のプラガブルなトランシーバに代わり、トランシーバおよびＡＳＩＣスイッチのコパッケージ実装が近年注目を浴びている。しかしながらこのような先進的なアプローチを採用しても、大きな消費電力および発熱の問題が残っている。
　ＳＡＩＣスイッチによる発熱量は、従来の空冷方式の限界をすでに超えており、ＡＳＩＣスイッチの放熱を扱うには水冷方式が必要となる。水冷方式は、ＡＳＩＣスイッチに対してある程度の電力消費マージンを提供できるが、長期的なソリューションではない。このようにＡＳＩＣスイッチにおける光信号のデータ速度の大幅増加に直面したことで、空間密度および電力制限の問題は、深刻な障害になっている。
　上述のようなすべての問題の根本的な解決法は、ＡＳＩＣスイッチにとって不可避な光‐電気‐光（ＯＥＯ）変換を回避するか、その頻度を減らすことである。そのため、ＤＣネットワーク構造に光スイッチングを導入することが必要となる。
　本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ＡＳＩＣスイッチの様々な限界を対処する新しいＤＣネットワーク構造の提案にある。
　このような目的を達成するために、１つの実施態様は、フルメッシュネットワーク構成を有する光コア部と、前記光コア部に接続された複数のノードであって、複数のグループに分割されており、１つのグループ内に最大ｍ個のノードが含まれている、複数のノードとを備えた光ネットワークであって、前記複数のノードの各々は、前記最大ｍ個のノードから受信された光信号に対応する電気信号をスイッチングし、複数のサーバーへルーティングするＡＳＩＣスイッチであって、前記複数のノードの平均着信トラフィックに対応するスイッチング容量を有するＡＳＩＣスイッチを有し、複数のタイムスロットを含む受信サイクル期間において、ソースノードが属するグループに関連付けられたタイムスロットにおいてのみ、前記ソースノードが属する前記グループ内の任意のノードによってアドレス指定され、前記複数のタイムスロットに引き続く１つ以上のアイドルタイムスロットにおいて、前記ソースノードのいずれからも光信号を受信せず、前記平均着信トラフィックを越えるトラフィックを処理することを特徴とする。
　別の実施態様の光ネットワークは、フルメッシュネットワーク構成を有する光コア部と、前記光コア部に接続された複数のノードであって、複数のグループに分割されており、１つのグループ内に最大ｍ個のノードが含まれている、複数のノードとを備えた光ネットワークであって、前記複数のノードの各々は、複数のタイムスロットを含む受信サイクル期間において、ソースノードが属するグループに関連付けられたタイムスロットにおいてのみ、前記ソースノードが属する前記グループ内の任意のノードによってアドレス指定され、前記最大ｍ個のノードから受信された光信号に対応する電気信号をスイッチングし、複数のサーバーへルーティングするＡＳＩＣスイッチであって、前記複数のノードの平均着信トラフィックに対応するスイッチング容量を有し、前記タイムスロットに同期して動作するメインスイッチ、および、前記平均着信トラフィックを越えるトラフィックを処理可能なスイッチング容量を有し、前記タイムスロットに関係なく動作する補助スイッチを有することを特徴とする。
　上述の光ネットワークは、光ネットワーク内のネットワークノードの発明としての側面も持っている。　　　　　　
　本開示の光ネットワークによりノード構成を簡略化し、ＡＳＩＣスイッチの容量、消費電力を減らす。光ネットワークの大規模化、低消費電力化にも対応する。
従来技術のＤＣネットワークの構成を示した図である。 本開示によるＤＣネットワークの基本構成を示した図である。 従来技術の光ネットワーク周辺部のノードの問題を説明する図である。 本開示の光ネットワーク、受信ノードの構成を概念的に示した図である。 本開示の光ネットワークで得られる受信機の削減効果を示した図である。 光ネットワークの受信ノードにおけるデータ受信動作を説明する図である。 異なるグループ構成のネットワークの受信動作の別の例を示した図である。 本開示による例示的なネットワークおよびノードの仕様を示す。 受信ノードで必要とされる受信帯域幅の異なる概念を説明する図である。 異なる平均接続数の複数のノードの取り得る組合せを説明する図である。 ネットワーク分割によるノード対間の実効ＢＷ劣化を説明する図である。 ＤＣネットワーク内のトラフィックの異なる帯域幅を説明する図である。 受信ＡＳＩＣスイッチの縮小された帯域幅の概念を説明する図である。 平均帯域幅ＢＷswitch_avgと受信サイクル期間Ｔの関係を示す図である。 係数Ｆの導入に伴う、拡張した受信サイクル期間を説明する図である。 係数Ｆの導入に伴う、修正されたスイッチを含むノードの構成図である。 修正されたスイッチにおける遅延を軽減するノードの構成図である。
　以下の開示は、所望のノード対間でエンドツーエンド光伝送を、コア部の光スイッチング、ネットワーク周辺部でのみの電気的スイッチングで実現するＤＣネットワーク構造を含む。発明者らは、性能限界に直面している電気スイッチをより効率的に利用するＤＣネットワーク構造の提案を行ってきた。本明細書では、新しいアプローチで電気スイッチにおける容量（帯域幅：ＢＷ）の限界に柔軟に対処する新しい仕組みを提案する。最初に、基本構成となる、タイムスロット動作によって着信ノードにおける帯域幅を制限するＤＣネットワークおよびノードについて概要を述べる。その後、基本構成のＤＣネットワークにおけるＡＳＩＣスイッチの性能限界に対処する新しい仕組みについて説明する。
[光ネットワークのコア部構成]
　図２は、本開示によるＤＣネットワークの基本構成を示す図である。詳細は後述するが、ＤＣネットワーク１は、ネットワーク全体のコア部分であるフラット光ネットワーク２と、ネットワーク全体の周辺部にあるＳＷ部３、ＴｏＲ４、サーバー５とを含む。これらの周辺部の要素は、ノードの一部を構成する。図２では、簡単のため４つのＴｏＲを含むものを１ノードとして、２つのノードが示されているが、他の多くのノードがフラット光ネットワーク２の周辺にあるものと理解されたい。既に述べたように、コア部分であるフラット光ネットワーク２で光スイッチングを利用し、電気的スイッチングはその周辺部分であるＳＷ部３およびその周辺側でのみ利用される。図２の光ネットワーク構造はスケーラブルであり、任意の対のノード間の高度に動的な接続をサポートする。含まれるノード数に応じて、ネットワークのコア部分は、物理的なフルメッシュネットワークとして、または、フルメッシュ様ネットワークとして実装できる。　
　図２に示した本開示のＤＣネットワークで前提とするフルメッシュネットワークまたはフルメッシュ様ネットワークは、図１の従来技術のＤＣネットワーク１００と比べて、コア部において光スイッチングのみを利用している点で相違している。図２のフラット光ネットワーク２では、図１の各階層のＳＷ１０１、１０３におけるＯＥＯ変換を行わずに、光スイッチングのみを利用している。
　以下の開示では、各ノードにおける、新規で実用的なデータ受信機構およびその関連ハードウェアを明らかにする。これらは、これまで必要としていた多数の光受信機ユニットおよび複雑な大容量スイッチング構成の一部を置き換えるものである。本開示の光ネットワークの構成の基本的なアプローチは、ネットワークノードから同じ宛先ノードへの伝送に対して、わずかな時間領域的制限を導入することにある。具体的には、本開示のネットワークは、タイムスロット方式によって動作する
[光ネットワーク周辺部の受信の問題]
　図１に示した従来技術のＮノードのＤＣネットワークで物理的なフルメッシュ接続を実現する場合、送信機、受信機、双方向光リンクの数がＮ×（Ｎ－１）個となるため、膨大なリソースが要求される。このようなフルメッシュネットワークまたはフルメッシュ様ネットワークでは、各ノードにおいて、大規模なスイッチング構成が必要となる。Ｎ個のノードを持つフルメッシュまたはフルメッシュ様ネットワークでは、ネットワーク内の任意の宛先ノードは、Ｎ－１個まで可能な任意の数のソースノードによって同時にアドレス指定（addressing）することができる。ここで「アドレス指定」とは、ノード間において通信リンクを設定するために、ソースノードが相手方の宛先ノードを通信先として特定し、指定することだけに限らず、実際に通信リンクを設定し、通信を実施することも含むものとする。
　図３は、従来技術の光ネットワーク周辺部のノードにおける問題を説明する図である。図３はフルメッシュの光ネットワーク１４０を概念的に示しており、図２に示したフラット光ネットワーク１を、ノードの集合として表したものである。光ネットワーク１４０は、多数のノードが相互に接続されている。図３では、１つのノードに対して隣接する４ノードが相互接続されているように描かれているが、これは、光ネットワーク内のすべてのノードに接続されていることをシンボル的に示している。
　ここで、１つの受信ノード１４１に着目する。受信ノード１４１は、光ネットワーク側とのインタフェース部１４４を有しており、さらにＴｏＲ１４５に接続されている。インタフェース部１４４は、同時に着信する複数の光信号１４２を受信する受信機１４３を備えている。光ネットワーク１４０がＮ個のノードで構成されていれば、同時に着信するすべてのデータ通信を処理するため、受信ノード１４１では多数のポートと対応する（Ｎ-１）個の受信機１４３が必要となる。さらにインタフェース部１４４は、図示しない大規模構成の受信ＡＳＩＣスイッチを備えている。最初に述べたように、ＡＳＩＣスイッチに入出力する光信号に、非常に高いデータレートが求められている。図３からも、全受信ノードにおいて、多数の受信機と大規模なＡＳＩＣスイッチが必要であることが理解できる。このようにフラット光ネットワークの周辺部にあるノードには、膨大な数の受信機の必要性とＡＳＩＣスイッチの容量限界の問題がある。これらを解決するために、本開示の光ネットワークでは、ネットワークノードから同じ宛先ノードへのデータ伝送に対して、わずかな時間領域の制限の導入を提案する。
[提案するネットワーク方式]
Ａ．受信機の数の削減
　図４は、本開示の光ネットワークおよび受信ノードの基本構成を概念的に示す図である。図３と同様に、図４はフルメッシュまたはフルメッシュ様の光ネットワーク１０を概念的に示している。簡単のため光ネットワーク１０は、Ｎ個（例えば３６）のノードからなっており、一例として、送信元ノードすなわちソースノード１１および宛先ノードすなわち受信ノート１３の間のデータ伝送を考える。当然のことであるが、以後の説明において、ソースノードは受信ノードともなり得るのであって、説明する動作・機能に応じて呼称を区別しているに過ぎない。したがって、受信ノードで説明している機能・構成を、ソースノードも同様に有していることに留意されたい。
　光ネットワーク１０では、ソースノードである全てのＮ個のネットワークノードを多数のグループ（ｄ個）に分割し、各ソースノードが所属するグループが定義されている。図４の例では、第１のグループ（Ｇ１）～第６のグループ（Ｇ６）の６つのグループが定義されており、ソースノード１１は第１のグループ１２に属している。
　任意のノードすなわち任意の受信ノードにおけるデータ通信の受信は、後述するように、ソースノードの属するグループ毎に、固定された持続時間Ｔのタイムスロットにおいて、別々に行われる。すなわち受信ノードは、ソースノードのグループに割り当てられたタイムスロットの間にのみ、そのグループに属する任意のソースノードによってアドレス指定され得る。具体的には受信ノード１３は、ソースノード１１の属するＧ１に割り当てられたタイムスロットの間に、ソースノード１１からのデータを受信する。さらにＧ１に属する他の５つのソースノードからも、同じタイムスロットの間にアドレス指定される。
　図４において１つのグループに属するノードは、ここでは説明のために近接したものとして示しているが、一般的にはネットワーク全体に空間的に分散している。受信ノードは、異なるグループからタイムスロット毎に順次連続的にデータを受信し、すべてのグループからの受信が完了するサイクルの時間は、ｄ（分割数）×Ｔ（ＴＳ時間）である。各グループのノード数が均一であるネットワーク分割の場合、同一グループに属するノード数ｍは、ｍ＝Ｎ／ｄとなる。
　上述のように、受信ノードにおけるデータ受信に時間的な制限を設けた場合、いずれの受信ノードにおいても、ｍ個の受信機を設置することで、起こりうる最大の同時着信トラフィックに対応する必要がある。ここで各ノードの最大発信帯域幅（ＢＷ：Bandwidth）をＢｏｕｔとする。以後の説明でも使用する用語「帯域幅」とは、ノードによって受信または送信することのできる伝送帯域幅の意味であり、伝送速度（伝送レート）として理解しても良い。用語「帯域幅」は、光通信の変調方式や信号構成に応じて決定されるデータ伝送のための通信リソースの容量を意味する広い概念であることに留意されたい。
　通常、ノードから発信できる帯域幅と、ノードで受信できる帯域幅は同じであって、最大発信帯域幅をＢｏｕｔは最大受信帯域幅でもある。割り当てられたタイムスロットＴの間では、特定の受信ノードに対して、このＢｏｕｔの全帯域を投じることができる。しかしながら、あるソースノードが同じ受信ノードへ再びアドレス指定できるためには、１回の受信サイクルが経過するまで待たなければならない。十分長い観測時間に対しては、２つのノード間の実質的な帯域幅である実効ＢＷは、Ｂｏｕｔ／ｄとなる。一般にネットワークにおけるノードグループの数ｄを増加させると、任意のノード対の間の実効ＢＷが減少することになる。この実効ＢＷの値を高める新しい仕組みは、図４の本開示の光ネットワークおよび受信ノードにおける電気スイッチの性能限界に対処するものとして後述される。
　上述のソースノードから同じ受信ノードへのデータ伝送に対して、わずかな時間領域的制限を導入することで、図４の本開示の光ネットワークにおけるノードでは、図３に示した従来技術の構成のノードと比べて、受信機の数を大幅に減らすことができる。
　図４を再び参照すると、受信ノード１３の詳細が下側に詳細図として示されており、図３に示した従来技術による受信ノードの構成と比較して説明する。本開示の光ネットワークにおけるノード１３では、受信データの入力光信号を受信するノードフロント部において、異なる波長(ｄ個の異なるグループ)からの光信号を合波するアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）１４が追加されている。Ｎ個のノードからのデータを同時に受信できるように、ＡＷＧ１４の各々は少なくともグループの数ｄ個の入力ポートを有し、ノード１３のフロント部では１つのグループ内のノード数ｍ個のＡＷＧを備える。ｍ個のＡＷＧ１４を経て、合波された受信データは、従来技術と同様のインタフェース部１５に供給され、受信機１６に入力される。ここでインタフェース部１５における受信機１６の数は、図３の従来技術の構成と比べて、１／ｍに大幅に減少している。
　図５は、本開示の光ネットワークにおけるノードをグループに分割することで得られる受信機の削減効果を示す図である。図５では、ノードにおける受信機（Ｒｘユニット）の数と全ノード数の関係を、分割数すなわちグループの数をパラメータとして示しており、縦軸の受信機数を（ａ）では対数表示で、（ｂ）ではリニア表示で示している。ノード数に関係なく、分割数が増えるに従って、必要受信機数を大幅に減らすことができる。
　したがって本開示の光ネットワークは、フルメッシュネットワーク構成を有する光コア部２と、前記光コア部に接続された複数のノードであって、複数のグループに分割されており、１つのグループ内に最大ｍ個のノードが含まれている、複数のノードとを備え、前記複数のノードの各々１３は、ソースノード１１が属するグループに関連付けられたタイムスロットにおいてのみ、前記ソースノードが属する前記グループ内の任意のノードによってアドレス指定されるものとして実施できる。また、前記複数のノードの各々は、ｍ個のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）１４であって、当該ＡＷＧの複数の入力ポートは同一のグループに属する前記最大ｍ個のノードから対応する光信号を受信し、前記複数の入力ポートの動作波長に適合するように、前記最大ｍ個のノードの内の１つ以上のソースノードの使用波長が設定されている、ＡＷＧと、前記ＡＷＧの出力合波ポートに接続されたｍ個の受信機１６と、前記ｍ個の受信機からの電気信号をスイッチングして、複数のサーバー１８にルーティングするＡＳＩＣスイッチ１７とを有するものとして実施できる。
　上の説明では光ネットワークの発明として説明したが、ネットワークノードの発明としての側面も持っている点に留意されたい。例えば、フルメッシュネットワーク構成を有する光コア部に接続されたノードであって、当該ノードは、前記コア部に接続された他の複数のノードとともに複数のグループに分割されており、１つのグループ内に最大ｍ個のノードが含まれており、前記最大ｍ個のノードの各々は、ソースノードが属するグループに関連付けられたタイムスロットにおいてのみ、前記ソースノードが属する前記グループ内の任意のノードによってアドレス指定されるものとして実施できる。
　再び図４の受信ノードの基本構成に戻ると、受信ノード１３のインタフェース部１５は、従来技術の構成と同じく受信ＡＳＩＣスイッチ１７を備えている。しかしながら後述するように、そのスイッチング容量は、従来技術よりも大幅に減らされている。受信ノードにおけるインタフェース部の構成は、受信機の数および受信ＡＳＩＣスイッチの容量の点で、従来技術と比較して大幅に簡素化されている。さらに詳細な受信ノードの動作および受信ＡＳＩＣスイッチの帯域幅の削減について述べる。
Ｂ．受信切り替えの簡素化
　前述の１つのノードの最大発信帯域幅をＢｏｕｔおよび１つのグループ内のノード数ｍを使えば、図４の基本構成のノードが任意のタイムスロットで受信する最大ＢＷは、ｍ×Ｂｏｕｔとなる。この最大ＢＷは、タイムスロットを使用しないで完全な非同期動作（例えば光パケットスイッチング）でデータを受信する場合のＢＷと比較して、約１／ｄに減少する。図４の受信ノードの構成で示したように、受信ノードへの入力データは、所望のＴｏＲスイッチ１８へ切り替える必要がある。この切り替えに、受信ＡＳＩＣスイッチ１７が使用される。
　図６は、本開示の光ネットワークにおける基本構成の受信ノードのデータ受信動作を説明する図である。図６の（ａ）はタイムスロット構成を示しており、（ｂ）はＴＳ１においてデータ受信をしているときの切り替え動作を説明する図である。（ｂ）のインタフェース部１５のＡＳＩＣスイッチ１７は、ネットワークに面している入力側にｍ個のポートを、もう一方の出力側にＴｏＲスイッチ１８の数に相当するポート数をそれぞれ有している。ＴｏＲスイッチごとに複数のリンクを使用する場合は、その複数のリンクに応じたポート数が存在している。
　図６の（ａ）のタイムスロット構成は、図４に示した光ネットワーク１０の全ノードを６つのグループに分割した場合の例を示しており、各グループに属するｍ個のノードは対応するタイムスロットのみで受信を行う。例えば、第１のグループに属する６つのソースノードからのデータは、（ｂ）に示したようにＴＳ１においてのみ各ＡＷＧの対応するポートで受信される。１つのグループ内に存在するノード数と同数のｍ個のＡＷＧ１４－１～１４－６において、ｍ個の異なるソースノードからのデータが受信される。したがって、特定のタイムスロットでは、ＡＳＩＣスイッチ１７のｍ個の入力ポートの各々が、同一グループ内の異なるソースノードから受信したデータを取り込むことができる。すなわち、同一グループ内のｍ個の全ソースノードから、同時にデータ受信が可能である。
　図６の（ｂ）に示したように、異なるグループのスイッチング処理を簡単にするため、ＡＳＩＣスイッチ１７の入力側の各ポートにＡＷＧが接続されており、同じグループのノードは、別々のＡＷＧに接続されている。割り当てられたタイムスロットの間、許可されたグループのノードだけがアクティブとなる一方で、他のグループのすべてのノードは、宛先ノードに送信を行わない。
　例示のために、ＴＳ１においてアクティブなグループ（例えばＧ１）のすべてのノードによって、同じ波長λ１が使用されると仮定する。波長λ１の入力信号は、複数（ｍ個）のＡＷＧによってＡＳＩＣスイッチ１７に向かって、受動的にルーティングされることになる。すなわち、同一グループ内の異なるノードと、ｍ個のＡＷＧの対応する波長のポートとを接続することによって、ルーティングされている。次のＴＳ２において、次のアクティブなグループ（Ｇ２）のすべてのノードがλ２で送信しているとする。このときも、Ｇ２に属する各ノードからのλ２の入力信号は、複数（ｍ個）のＡＷＧによってＡＳＩＣスイッチ１７に向かって受動的にルーティングされる。
　一般に、同じグループ内のノードが同じ波長で送信する必要はない。同じＡＷＧに接続された異なるグループのノードによって使用される複数の波長が、競合を生じないようにそれぞれ異なる波長に調整されれば良い。上述の説明の様に、同一のグループ内のすべてのノードで同一の波長を使用すれば、受信ノードにおけるＡＷＧの構成を共通化できる。
　図７は、さらに異なるグループ構成のネットワークにおける受信切り替えの別の動作例を示す図である。図７では、全ノード数Ｎ＝５１２、グループ数（分割数）ｄ＝１６、グループ内のノード数ｍ＝３２の場合について、（ａ）Ｇ１からのＴＳ１における受信の例、（ｂ）Ｇ２からのＴＳ２における受信の例、（ｃ）Ｇ１６からのＴＳ１６における受信の例をそれぞれ示す。各図では、ＡＷＧの入力にノード番号（１～５１２）を示している。本例でも、同一のグループ内の３２個のノードは同一の波長を使用するものとして示したが、ＡＷＧ毎に波長が異なっていても良い。受信ノードにおいて３２個のＡＷＧ１４－１～１４－３２を使用することで、同一のタイムスロットにおいて、同一グループに属する３２個の異なるノードから、同時にデータを受信できる。この構成では、受信ノードのインタフェース部において３２個のＡＷＧに対応する３２個の受信機を備えれば良い。
　図８は、本開示による例示的なネットワークおよびノードの仕様を示す。１６分割されたネットワークおよび対応する１６のタイムスロットによる構成のパラメータの例を示している。具体的には、１タイムスロットは、４００Ｇｂ／ｓパケットに対応する３０ｎｓおよびマージンの１０ｎｓを合わせて、４０ｎｓの長さとなる。１サイクルは、１６のタイムスロットに分割され、５１２個のネットワークノードは１６のグループに分割される。１グループ内のノード数は３２である。各タイムスロットの宛先（受信）ノードは、許可されたグループによってのみアドレス指定される。同じソースノードは、同じ宛先ノードを１６タイムスロット毎にアドレス指定できる。
Ｃ．受信ＡＳＩＣスイッチのＢＷの削減
　図４の説明でも言及したように、本開示の光ネットワークにおける基本構成のノードでは、従来技術と比べて、受信ＡＳＩＣスイッチの容量を大幅に抑える構成とした。具体的には、受信ＡＳＩＣスイッチの容量を、平均着信トラフィックに一致するか、または平均着信トラフィックをわずかに超える値に設定する。このスイッチング容量を超えるトラフィックを若干の遅延を伴って処理するために、受信ＡＳＩＣスイッチに関連付けられたメモリを備える。以下、図９および図１０とともに、本開示のフラット光ネットワークの基本的なノードにおいて、受信ＡＳＩＣスイッチの容量を従来技術のノードよりも削減しても、実質的に十分なトラフィックを扱えることを説明する。
　発明者らは、ノード内のＡＳＩＣスイッチのスイッチング負荷を低減するために、受信ノードに入力されるトラフィック、言い換えると受信ノードの入力帯域幅ＢＷを、異なる要求を持つ２つのカテゴリに分類して検討した。２つのトラフィックのカテゴリは、（ａ）追加の遅延なしにリアルタイムでスイッチングする必要があるトラフィック、（ｂ）接続されたサーバーの処理能力を既に超えてしまっているために、受信ＡＳＩＣスイッチではリアルタイムですべてスイッチングする必要がないトラフィックである。（ａ）のトラフィックに対しては平均受信ＢＷが割り当てられ、（ｂ）のトラフィックに対しては最大受信ＢＷが割り当てられるものとする。以下では、受信ＡＳＩＣスイッチのスイッチング容量すなわち受信ＡＳＩＣスイッチの伝送帯域を、２つのカテゴリのトラフィックに対応する異なるＢＷにどのように配分できるかについて考える。
　リアルタイム処理を要しない最大受信ＢＷの場合に、受信ノードの受信データを部分的に記憶するための記憶媒体（メモリ）を導入することは、受信データが失われたり、再送信したりする必要がないことを保証する。記憶媒体を導入する主な利点は、余分な追加遅延を導入する犠牲を受け入れる代わりに、受信ＡＳＩＣスイッチのスイッチング容量を減少させることができることである。
　図９は、受信ノードにおいて必要とされる受信帯域幅の異なる概念を説明する図である。図９の（ａ）では、グループ数（ネットワークの分割数）ｄをパラメータ（ｄ＝８、１６、２４、３２）として、１つのノードが受信できる帯域幅Ｂｏｕｔで正規化された受信ＢＷと、ネットワークのノード数Ｎとの関係を示している。ここで受信ノードの帯域幅Ｂｏｕｔは、図４で説明したソースノードの最大発信帯域幅と同一である。５１２のノードを１６のグループに分割したネットワークを例とすると、各受信ノードは、ノード自身で生成可能なＢＷの３２倍である正規化した最大ＢＷを収容するために、３２（＝５１２／１６）の受信機ユニットを備えるべきである。正規化した平均受信ＢＷを８と仮定すると、受信ＡＳＩＣスイッチのスイッチング容量は最大スイッチング負荷の場合と比較して８／３２だけ低減される。図９の（ｂ）は上述の２つの受信帯域幅を説明する図であり、ＡＷＧの出力が接続されるインタフェース部のフロントでは、３２ノードからのすべての入力データを確実に同時に受信するために３２の受信機が必要なことを示している。一方で、インタフェース部内の受信ＡＳＩＣスイッチは、メモリを備えることで８ノード分の平均受信ＢＷを備えて、８ノード分のリアルタイムスイッチング処理をすれば良いことを示している。
　平均受信ＢＷはノード毎に変動し得るが、限られた数の特定のノードを除いては、通常、最大受信ＢＷよりも平均受信ＢＷを大幅に低く設定することができる。これは、図２に示した本開示のＤＣネットワークで前提とするフラット光ネットワーク２におけるトラフィックの自然なバランスによるものである。このバランスメカニズムは、フラット光ネットワークにおけるトラフィックの性質として、次のように説明できる。
　図１０は、異なる平均接続数を持つ複数のノードの取り得る組み合わせを説明する図である。ここで、フラット光ネットワークにおいて前提となるトラフィックの性質について説明する。均一な接続性と１００%のトラフィック負荷を持つフラット光ネットワークでは、１つのノードあたりの平均受信接続数は１となる。この状態から、ノードが平均してより多くの接続を受信するようになると、平均受信接続数が１の状態から逸脱し始める。このときフラット光ネットワークでは、あるノードによって受信されていたトラフィックは新しいビジーなノードへ向けられることを意味している。より多くのノードがビジーになると、残りのノードの平均接続数は自然に減少する。
　図１０の例ではこのバランスメカニズムのアイデアを数値で解明するために、５１２ノードで、１００％トラフィック負荷のネットワークの例についてシミュレーションを行った。一般性を失わずに計算を単純化するために、ネットワークノードを３つのカテゴリに分類した。すなわち、（ａ）受信した接続の平均数がＱ（＞１）となるビジーノード、（ｂ）受信した接続の平均数が１となる非ビジーノード、（ｃ）データを受信していないノードの３つである。図１０の横軸には、カテゴリー（ｂ）のトラフィックを持つ非ビジーノードの割合を％で示している。縦軸には、上述のカテゴリー（ａ）のトラフィックに対応し、１より大きい平均接続数Ｑを持つビジーノードの最大割合を％で示している。したがって図１０のグラフは、カテゴリー（ａ）のビジーノードの平均接続数Ｑの値をパラメータとし、１００％トラフィック負荷の条件を満たすカテゴリー（ｂ）のノード割合（横軸）と、カテゴリー（ａ）のノード割合（縦軸）との関係を示していることになる。
　図１０に示したように、ビジーノードの平均接続数Ｑの値が２、４、６、８と大きくなると、そのような平均接続数Ｑを持つカテゴリー（ａ）のビジーノードの最大割合は大幅に減少する。具体的にＡで示した点は、接続数１のカテゴリー（ｂ）の非ビジーノードの割合が１０％、データを受信しておらず接続数０カテゴリー（ｃ）のノードの割合が７９％という極端な条件を表している。このような条件下であっても、最大１１％のノード（１００－１０－７９＝１１）が８の平均接続数Ｑを持ち得ることがわかる。このＡ点では、大多数（７９％）のノードでデータを受信しておらず、残りのノードは、少数（１０％）の非ビジーノード（Ｑ＝１）と、少数（１１％）の平均接続数Ｑ＝８のトラフィックが集中したノードであるようなノード分布状態で、１００％トラフィック負荷のネットワークが成立している。この例では、受信ＡＳＩＣスイッチの最大受信スイッチング容量の観点からは、平均着信トラフィック程度の、わずかな容量しか持たない受信ＡＳＩＣスイッチでも十分に使用できることが強く示されている。図１０のトラフィック負荷のシミュレーションは、５１２ノードを１６グループに分割したネットワークでは、受信ＡＳＩＣスイッチの容量を、平均受信トラフィックに対応する正規化平均受信ＢＷ＝８に設定しておけば、十分にトラフィックを処理できることを示している。
　図９の（ｂ）に示したように、本開示の光ネットワークにおける基本構成の受信ノードでは、異なるソースノードからの受信データを受動的にルーティングする複数のＡＷＧ１４およびインタフェース部１５を備える。インタフェース部１５のフロントには受信機および受信ＡＳＩＣスイッチ１７を備え、さらに受信ＡＳＩＣスイッチ１７と連動する記憶手段（メモリ）１９を備える。受信ＡＳＩＣスイッチ１７の容量を、平均受信トラフィックに一致するか、または平均受信トラフィックをわずかに超えるものとし、記憶手段１９を利用して、このスイッチング容量を超えるトラフィックをわずかの遅延を伴って処理できる。
　これまで説明したように、本開示の基本構成の光ネットワークは、受信ノードにおけるデータ受信に制限を加えるため、ソースノードから同じ宛先ノードへの伝送に対してタイムスロット方式によって動作している。ソースノードは、同じ宛先ノードを再びアドレス指定できるようになるまでに、一周分の受信サイクルが経過するまで待たなければならない。データ受信の制限によって、実質的な伝送レートが低下することになり、ノード対間のデータ伝送の実効ＢＷが劣化することになる。
　図１１は、ネットワークの分割による任意のノード対間の実効ＢＷの劣化を説明する図である。横軸にはネットワークの分割数（グループ数）ｄを、縦軸には受信ノードにおける最大発信ＢＷのＢｏｕｔで正規化した受信ＢＷを示す。図１１に示したように、ネットワーク分割数ｄの増加とともに受信ＢＷは低下し、例えば、分割数ｄが８から３２に増加すると、受信ＢＷは１２．５％から３．１２％に低下する。ネットワークの分割によって生じる、ノード対間のこのような実効ＢＷの低下を補うようなメカニズムが必要となる。発明者らは、基本構成の光ネットワークにおける実効ＢＷの低下の問題の解決のため、ソースノードの動作に対する修正、任意のノード間の伝送路に対する修正の２つ解決法を提案していた。１つの解決法は、ソースノードが１つ以上のタイムスロットにおいて所望の宛先ノードに到達できるようにするものであり、もう１つの解決法は、任意のノード対間に別の光回線を設定して、実効ＢＷを高めるものであった。
　本明細書では、ノード対間の実効ＢＷの低下の問題の解決に加え、上述の基本構成の光ネットワークにおいて、タイムスロットの構成または受信ノードの電気スイッチの構成に対して修正を加えることを提案する。先の解決方法とは異なる新しい視点から、ＡＳＩＣスイッチにおける性能限界に対処する方法を提案する。
[受信ノードの最大着信帯域幅ＢＷin_maxに対する係数Ｆの導入]
　いくらかの妥協を伴って、最大トラフィックを処理することが維持できれば、ネットワークノードにおける受信ＡＳＩＣスイッチの帯域幅ＢＷswitch_avgを、最大の受信帯域幅ＢＷin_maxの一部Ｆ（０＜Ｆ＜１）に設定することが可能である。最初に述べたような急増するトラフィック量とスイッチング技術の限界に対処するためには、ＡＳＩＣスイッチにおけるスイッチング容量（帯域幅）を現実的に利用可能な値にまで低減することが必要であろう。ここでまず図４に示した基本構成のＤＣネットワークの各部における帯域幅の異なる概念について説明する。
　図１２は、ＤＣネットワーク内のトラフィックの異なる帯域幅を説明する図である。図１２では、図４に示した本開示のＤＣネットワークの基本構成と同一のものを示している。ここで、ネットワークノードに関連して、異なる視点から見た帯域幅の様々な定義を示す。
　（定義１）ＢＷout:　各ノードからの総出力帯域幅
　（定義２）ＢＷin_max：　各ノードの最大着信帯域幅（受信スイッチへ）
　（定義３）ＢＷnetwork：ネットワークの総帯域幅
　図１２を参照すると、ネットワーク１０全体の総帯域幅ＢＷoutは矢印２２で表され、個々のノードから総出力帯域幅ＢＷoutは矢印２３で表される。ネットワーク１０のノード数をＮとすれば、次の関係が成り立つ。
ＢＷnetwork ＝ＢＷout×Ｎ　　　　　　　　式（１）
　図１２において、性能限界が問題になっている受信ＡＳＩＣスイッチを含む受信ノードの最大着信帯域幅ＢＷin_maxは、矢印２４で表されている。本開示のＤＣネットワークでは、既に図９および図１０においても説明したように、受信ＡＳＩＣスイッチ１７と連動する記憶手段１９を備えることができる。これによって、受信ＡＳＩＣスイッチ１７のスイッチング容量を、平均受信トラフィックに一致するか、または平均受信トラフィックをわずかに超えるものに設定し、記憶手段１９を利用して、このスイッチング容量を超えるトラフィックをわずかの遅延を伴って処理できる。図１２において、受信ＡＳＩＣスイッチに対する平均帯域幅ＢＷswitch_avgは、矢印２５で表わされている。
　発明者らは、受信ＡＳＩＣスイッチに対して、その時々で利用可能な最大容量の帯域幅に割り当てることでは、急激なトラフィックの増加やＡＳＩＣ技術進展の制限的状況に柔軟に対応するのが難しいと考えた。受信スイッチの帯域幅ＢＷswitch_avgを、予め、平均受信トラフィックに一致するかまたはわずかに超えるものと設定するに留まらず、最大の受信帯域幅ＢＷin_maxの一部Ｆ（Fraction：０＜Ｆ＜１）として、より広い範囲に設定する着想に至った。そこで本実施形態のＤＣネットワークでは、図１２における受信ＡＳＩＣスイッチ１７に対する平均帯域幅ＢＷswitch_avgを、最大着信帯域幅ＢＷin_maxが係数Ｆによって「縮小された帯域幅」に設定する。ＡＳＩＣスイッチの性能限界に対処する本実施形態のＤＣネットワークの構成では、ＡＳＩＣスイッチの帯域幅について次の関係がさらに定義される。
　（定義４）ＢＷswitch_avg：ノードにおけるメインＡＳＩＣスイッチの縮小された帯域幅
　（定義５）係数Ｆ：ノードへの最大着信帯域幅ＢＷin_maxに対する、ＡＳＩＣスイッチへの縮小された帯域幅ＢＷswitch_avgの比
上記の「縮小された帯域幅」の定義（５）より次式が得られる。
ＢＷswitch_avg＝Ｆ×ＢＷin_max　　　　　　式（２）
　図４に示したＤＣネットワーク構成において、ＡＳＩＣスイッチが、要求される最大の受信帯域幅ＢＷin_maxに見合った帯域幅を満たすことが難しければ、「縮小された帯域幅」を導入することは合理的とも言える。係数Ｆを導入することで、現実的に利用可能なＡＳＩＣスイッチの帯域幅に柔軟に対応できる。また、同時にネットワークの総帯域幅ＢＷnetworkを同じ係数Ｆのファクタで増加させることができる。さらに受信ＡＳＩＣスイッチの帯域幅を制限することで、一般にノードの消費電力を減らすことも可能となる。このように受信ＡＳＩＣスイッチの帯域幅に係数Ｆを導入することは、ネットワークのスケーラビリティのために有益である。
　図１３は、本実施形態のＤＣネットワークにおいてＡＳＩＣスイッチの縮小された帯域幅の概念を説明する図である。図１３の（ａ）は、受信ノードにおける平均帯域幅ＢＷswitch_avgおよび最大着信帯域幅ＢＷin_maxの関係を端的に示している。図１３に示すように、受信ＡＳＩＣスイッチ１７の平均帯域幅ＢＷswitch_avg２５は、ノードへの最大着信帯域幅ＢＷin_max２４の一部（Fraction）に設定され、係数Ｆによって最大着信帯域幅ＢＷin_max２４は二分される。上述の（定義５）のように、係数Ｆは最大着信帯域幅ＢＷin_max２４とＡＳＩＣスイッチへ割当てられる平均帯域幅ＢＷswitch_avg２５との比率を表し、０＜Ｆ＜１の範囲にある。
　ネットワーク１０におけるグループの数（分割数）をｄとすれば、同一グループに属するノード数ｍは、ｍ＝Ｎ／ｄとなる。また、すべてのノードグループからの受信が完了する受信サイクル期間をＴとする。
　すべてのノードグループからの受信が完了する受信サイクルはＴであり、ｄ個のグループに対応したタイムスロット構造を有する受信サイクルＴの構成から、各ノードの最大着信帯域幅ＢＷin_maxを次式で表すことができる。
ＢＷin_max＝ＢＷout×ｍ＝ＢＷout ×（Ｎ／ｄ）　　　　式（３）
式（３）は、式（１）および式（２）を使って変形され、帯域幅の視点から、グループ数ｄを次式によっても表すことができる。
ＢＷin_max＝（ＢＷnetwork ／Ｎ）×（Ｎ／ｄ）
ｄ＝ＢＷnetwork ／ＢＷin_max　　　　　　　　　　　　　式（４）
図６および図８に示したように、１つのＴＳ時間をｔＴＳとすれば、受信サイクル期間Ｔはグループ数ｄと次式の関係を有する。
Ｔ＝ｔＴＳ×ＢＷnetwork ／ＢＷin_max　　　　　　　　　　式（５）
式（２）～（５）から、さらに次の関係が得られる。
Ｔ×ＢＷswitch_avg＝ｔＴＳ×Ｆ×ＢＷnetwork 　　　　　　　式（６）
　式（６）における、ＡＳＩＣスイッチに対する平均帯域幅ＢＷswitch_avgおよびネットワークの総帯域幅ＢＷnetworkの間の、係数Ｆを介した関係は、前述のネットワークのスケーラビリティを説明している。式（６）では、係数ＦとＢＷnetworkの積（右辺）は、受信サイクル期間ＴおよびＢＷswitch_avgの所与の値（左辺）に対して固定される。例えば、ネットワークの総帯域幅ＢＷnetworkが変動すれば、この変動に対応して係数Ｆを増減して設定することで、式（６）の関係は維持される。言い換えると、係数Ｆの設定値を可変することで、同一の受信サイクル期間Ｔおよび受信スイッチの平均帯域幅ＢＷswitch_avgの構成を維持できる。
　図１４は、受信ＡＳＩＣスイッチの平均帯域幅ＢＷswitch_avgと受信サイクル期間Ｔとの関係を示す図である。図１４では、係数Ｆを導入したＤＣネットワークにおいて、横軸を受信スイッチの平均帯域幅ＢＷswitch_avg（Ｔｂｐｓ）、縦軸を受信サイクル期間Ｔ（ｎｓｅｃ）とし、ネットワーク総帯域幅ＢＷnetworkをパラメータとして両者の関係を計算して示した。計算の前提条件として、受信ノードのＡＳＩＣスイッチに対して定義（５）で示した係数Ｆを導入して、ＡＳＩＣスイッチの平均帯域幅ＢＷswitch_avgをノードへの最大着信帯域幅ＢＷin_maxの３０％（Ｆ＝０．３）とした。また、１ノード当たり総出力帯域幅ＢＷoutを４００Ｇｂｐｓ、タイムスロット時間ｔＴＳを４０ｎｓ、ネットワーク総帯域幅ＢＷnetworkを５１．２Ｔｂｐｓ～１．６４Ｐｂｐｓの範囲でパラメータとし、６曲線を示している。
　図１４のグラフから、ＡＳＩＣスイッチの平均帯域幅ＢＷswitch_avgが大きいほど受信サイクル期間Ｔが短くなり、逆にＡＳＩＣスイッチの平均帯域幅ＢＷswitch_avgが小さいほど受信サイクル期間Ｔが長くなる。リアルタイムに処理可能な受信スイッチの平均帯域幅ＢＷswitch_avgについて、左側のプロットが現在のＡＳＩＣ技術の水準に、右側のプロットが将来予期されるＡＳＩＣ技術の水準に対応する。ネットワーク総帯域幅ＢＷnetworkが増えれば、受信サイクル期間Ｔが長くなることがわかる。受信サイクル期間Ｔは、本開示のＤＣネットワークのタイムスロット方式において、次にデータを受信するまで期間であるので、より短いことが望ましい。図１４のグラフは、受信サイクル期間Ｔの設定値も含めて、式（６）における係数Ｆの導入によって、ＡＳＩＣスイッチ平均帯域幅ＢＷswitch_avgおよびネットワーク総帯域幅ＢＷnetworkの間がスケーラブルとなる関係を示している。
　次に、係数Ｆによる「縮小された帯域幅」を受信ＡＳＣＩスイッチへ導入するための、より具体的なノードの構成についてさらに説明する。
[拡張した受信サイクル期間による平均を超えた入力トラフィックの処理]
　受信ノードの最大着信帯域幅ＢＷin_maxに対し係数Ｆを導入して、ＡＳＩＣスイッチの平均帯域幅ＢＷswitch_avgを「縮小された帯域幅」とする場合、ＡＳＩＣスイッチで平均を超える入力トラフィックを処理する必要がある。平均を超える入力トラフィックを処理するための第１のアイデアはシンプルであり、いずれのノードからも実際にデータを受信することのない１つ以上のタイムスロットを追加することに基づく。この追加のタイムスロットは、アイドルタイムスロットであって、拡張した受信サイクル期間が構成される。
　ここで再び図１３を参照すると、図１３の（ｂ）は係数Ｆで帯域幅を制限されたＡＳＩＣスイッチで、平均を超える入力トラフィックを処理する方法の２つの概念を示す。図１３の（ｂ）の上側の第１の解決法は、時間軸上で、受信サイクル期間Ｔにノードからデータを受信しないアイドリングタイムスロット２６を追加する拡張した受信サイクル期間の構成を示している。このアイドリングタイムスロット２６は、受信ＡＳＩＣスイッチが一時的に保存された、平均（平均帯域幅ＢＷswitch_avg）を超えた入力トラフィックの追加のトラフィック分のためのスイッチングを行うことを可能にする。このアイドルタイムスロットは、どのノードからも実際にデータを受信することはなく、アドレス指定もされず、未割当ての状態のままとなる。
　図１５は、係数Ｆの導入に伴う、拡張した受信サイクル期間の構成を説明する図である。図６および図８で説明した通常のタイムスロット構成３０とともに、拡張した受信サイクルのタイムスロット構成３１を示している。図１５の例では、通常のタイムスロット構成３０は１６のタイムススロット（ＴＳ１～ＴＳ１６）から構成され、それぞれのタイムスロットに１６のグループの１グループが対応している。通常のタイムスロット構成３０では、受信サイクル期間Ｔ３３は、ＴＳ時間×グループ数（１６）となる。
　一方、拡張された受信サイクル期間ＴＥＸＴＥＮＤ３５は、受信サイクル期間Ｔ３３に引き続いて、アイドル時間３４を備える。図１５では、アイドル時間３４として１つのタイムスロット相当の期間が追加されているが、アイドル時間３４は、１つ以上のタイムスロット相当の期間であり得る。アイドル時間３４においては、どのネットワークグループからもアドレス指定されず、データも受信しない。各タイムスロットで平均を超える入力トラフィックのため処理ができなかった追加の（過剰な）トラフィックを、アイドル時間３４において、受信ＡＳＩＣスイッチで処理をすることができる。この解決法では、拡張した受信サイクル期間ＴＥＸＴＥＮＤ３５における時間によって、ＡＳＩＣスイッチによるスイッチング処理を２つに分けている。１つは、通常の受信サイクル期間Ｔ３３において、ノードグループ毎に時間的な制限を伴って平均帯域幅ＢＷswitch_avgの範囲内で実施される処理である。もう１つは、アイドル時間３４において、所属するノードグループに依存した時間的な制限なしに実施される処理である。この解決法では、受信ノードの構成に変更は不要であって、図９に示した記憶手段１９を利用して、平均帯域幅ＢＷswitch_avgを超えるトラフィックをアイドル時間３４において処理できる。
　したがって本開示の光ネットワークは、フルメッシュネットワーク構成を有する光コア部と、前記光コア部に接続された複数のノードであって、複数のグループに分割されており、１つのグループ内に最大ｍ個のノードが含まれている、複数のノードとを備えた光ネットワークであって、前記複数のノードの各々は、前記最大ｍ個のノードから受信された光信号に対応する電気信号をスイッチングし、複数のサーバーへルーティングするＡＳＩＣスイッチであって、前記複数のノードの平均着信トラフィックに対応するスイッチング容量を有するＡＳＩＣスイッチを有し、複数のタイムスロットを含む受信サイクル期間において、ソースノードが属するグループに関連付けられたタイムスロット３３においてのみ、前記ソースノードが属する前記グループ内の任意のノードによってアドレス指定され、前記複数のタイムスロットに引き続く１つ以上のアイドルタイムスロット３４において、前記ソースノードのいずれからも光信号を受信せず、前記平均着信トラフィックを越えるトラフィックを処理するものとして実施できる。
　ここで、ｉをタイムスロットのインデックスとして、１つの受信サイクル期間Ｔの各タイムスロットにおける入力帯域幅をＢＷｉとする。ＡＳＩＣスイッチに到来するトラフィック量は、タイムスロット毎に変化し、ＢＷｉと平均帯域幅ＢＷswitch_avgとの間の差を、ΔＢＷｉと表す。アイドル時間３４としてＳ個のアイドルタイムスロットを追加するとき、受信ＡＳＩＣスイッチが処理できる最大の追加のトラフィックは、次の式のように制限される。次式では１つの受信サイクル期間Ｔに沿って、追加のトラフィックを平均化している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　既に与えられている平均帯域幅ＢＷswitch_avgの値に対して、超過帯域幅となるより多くの追加トラフィックを処理するためには、式（７）から明らかなように、追加されるアイドルタイムスロットの数Ｓを増やす必要がある。
　アイドルタイムスロットを追加する場合、拡張された受信サイクル期間ＴＥＸＴＥＮＤが延びることで、ネットワーク全体の動作サイクルに遅延が追加されるため好ましくない。次に、別の視点から、ＡＳＩＣスイッチの平均帯域幅ＢＷswitch_avgを「縮小された帯域幅」とするときに、平均を超える入力トラフィックを処理する解決法が提案される。
[メインスイッチに補助スイッチを追加した修正された構成]
　再び図１３の（ｂ）の下側の図を参照すると、係数Ｆで帯域幅を制限されたＡＳＩＣスイッチで、平均を超える入力トラフィックを処理するもう第２の解決法の概念を示している。第２の解決法では、係数Ｆを導入して、ＡＳＩＣスイッチの平均帯域幅ＢＷswitch_avgを「縮小された帯域幅」とする場合、ＡＳＩＣスイッチで平均を超える入力トラフィックを処理するために、メインのＡＳＩＣスイッチに加えて補助スイッチ２７を備える。第１の解決法のような時間軸へのアプローチではなくて、異なる機能のメインスイッチおよび補助スイッチ２７を備え、スイッチングの動作を修正するアプローチである。メインスイッチは、その時々の最高技術水準の性能を持つ高速のスイッチとする一方、補助スイッチ２７は、後述するように帯域幅がメインスイッチより狭く、より低速のスイッチを利用することができる。
　図１６は、係数Ｆの導入に伴い修正されたＡＳＩＣスイッチの構成を説明する図である。図１６は、修正された構成のＡＳＩＣスイッチを持つ受信ノード４０を示しており、図４および図９に示した本開示によるＤＣネットワークの基本構成の受信ノードの構成と同一である。すなわち、ノードのフロント部において１つのグループ内のノード数ｍ個のＡＷＧ４３を備え、対応する受信機４４を備える。ノード４０は、メインスイッチ４１に加えて、補助スイッチ４２を備えている。メインスイッチ４１は、図４および図９の基本構成の受信ノードと同じく、高速で広帯域のＡＳＩＣスイッチであって、係数Ｆで縮小された平均帯域幅ＢＷswitch_avgの処理を担う。一方、補助スイッチ４２は、メインスイッチ４１の帯域幅に対して１／ｑに設定された狭い帯域幅を有する低速のスイッチである。メインスイッチ４１は、図６および図８で説明したタイムスロット方式によって、時間的な制限のもとで動作するが、補助スイッチ４２は、受信サイクル期間Ｔの全体にわたって、時間的な制限なしに使用できる。メインスイッチ４１および補助スイッチ４２は、図１６には示していないノードの制御部によって制御され、異なる帯域幅を持つ２つのスイッチが協働して動作する。
　したがって本開示の光ネットワークは、フルメッシュネットワーク構成を有する光コア部と、前記光コア部に接続された複数のノードであって、複数のグループに分割されており、１つのグループ内に最大ｍ個のノードが含まれている、複数のノードとを備えた光ネットワークであって、前記複数のノードの各々は、複数のタイムスロットを含む受信サイクル期間において、ソースノードが属するグループに関連付けられたタイムスロットにおいてのみ、前記ソースノードが属する前記グループ内の任意のノードによってアドレス指定され、前記最大ｍ個のノードから受信された光信号に対応する電気信号をスイッチングし、複数のサーバーへルーティングするＡＳＩＣスイッチであって、前記複数のノードの平均着信トラフィックに対応するスイッチング容量を有し、前記タイムスロットに同期して動作するメインスイッチ４１、および、前記平均着信トラフィックを越えるトラフィックを処理可能なスイッチング容量を有し、前記タイムスロットに関係なく動作する補助スイッチ４２を有するものとしても実施できる。
　補助スイッチ４２は、時間的な制限を受けずに、受信サイクル期間Ｔにわたって使用することができるので、補助スイッチによって処理できる最大の追加のトラフィックは、以下のように求められる。１つの受信サイクル期間Ｔの各タイムスロットにおける入力帯域幅を、ＢＷｉとする。ＡＳＩＣスイッチに到来するトラフィックは、タイムスロット毎に変化し、ＢＷｉと平均帯域幅ＢＷswitch_avgとの間の差を、ΔＢＷｉと表す。また受信サイクル期間Ｔにおけるタイムスロットの数をｄとする（タイムスロットの数ｄは、ノードのグループ数にも対応する）。図１６の修正された構成のＡＳＩＣスイッチによる最大の追加のトラフィックは、次式の制限を受ける。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
式（８）から、受信サイクル期間Ｔ内の追加のトラフィックΔＢＷｉは、右辺の係数ｄ／ｑによってむしろ強化され、例えばｑ＝４およびｄ＝１６とすると、ｄ／ｑ＝４の拡張係数が実現される。アイドル時間の追加によって受信サイクル期間Ｔを拡張した第１の解決法における式（７）と比較すれば、アイドルタイムスロットを追加することなしに、平均帯域幅を超える入力トラフィックを処理できる。係数Ｆで「縮小された帯域幅」で動作するＡＳＩＣスイッチの構成をさらに修正することで、第１の解決法での遅延問題を生じさせずに、平均を超える入力トラフィックを処理可能となり、超過帯域幅の量を強化することさえ可能である。
　上述のＳＡＩＣスイッチの修正された構成による第２の解決法と、先に述べた受信サイクル期間Ｔを拡張する第１の解決法を組み合わせることも可能である。すなわち、図１５のアイドリングタイムスロットを追加した拡張した受信サイクル期間を備え、かつ、図１６に示した異なる帯域幅を持つ２つのスイッチ４１、４２を備えることができる。このとき、ネットワークのノードの各々は、複数のタイムスロットに引き続く１つ以上のアイドルタイムスロットにおいては、どのソースノードからも光信号を受信せず、平均着信トラフィックを越えたトラフィックを処理する。同時に、補助スイッチ４２は、複数のタイムスロットおよび１つ以上のアイドルタイムスロットの全期間を通して、平均着信トラフィックを越えたトラフィックを処理することになる。
[補助スイッチでスイッチング後のキューイング時間最小化]
　上述の図１６の修正されたＡＳＩＣスイッチの構成による第２の解決法では、補助スイッチの経路を通過するトラヒックが遭遇する待ち時間（遅延）の原因を、２つに分けることができる。第１の原因は、補助スイッチ４２の狭い帯域幅による長い物理的スイッチング時間に起因する待ち時間である。第２の原因はトップオブラック (ＴｏＲ)スイッチ４５への送信が完了するまでの待ち行列のための余分な待ち時間に起因する待ち時間である。以下では、図１６の第２の解決法に対してさらに修正を加えて、補助スイッチ４２に起因するこれらの遅延に対処する構成を提案する。
　図１７は、修正されたＡＳＩＣスイッチの遅延を軽減するノードの構成図である。図１７の修正されたＡＳＩＣスイッチを持つ受信ノード５０、図１６で説明した受信ノード４０と概ね同一構成なので、相違点のみについて説明する。補助スイッチ５２におけるキュー５５は、図１６の受信ノード４０にも含まれており、上述の第２の理由の遅延における待ち行列に相当する。図１７の受信ノード５０では、補助スイッチ５２とＴｏＲスイッチ５７との間を、光リンクとして実現可能な伝送容量の大きいリンク５６を介して接続する。図１７の構成によって、１つのタイムスロット内に蓄積されたデータを目的のＴｏＲスイッチに伝送するのに十分な容量をサポートし、修正されたＡＳＩＣスイッチでの遅延を減らすことができる。
　以上、詳細に述べてきたように、本開示の光ネットワークにより、ＤＣネットワークの周辺部におけるノードの構成を簡略化し、消費電力を減らすことができる。ＡＳＩＣスイッチの抱えていた問題を解決または少なくとも軽減し、光ネットワークの大規模化、低消費電力化にも対応できる。さらに、ＡＳＩＣスイッチの様々な限界に対応して、ネットワークトラフィック需要や現実的なＡＳＩＣスイッチの技術進歩に柔軟に適合するスケーラビリティを実現する。
　本発明は、一般的に光通信システムに利用することができる。

Claims (6)

  1. 　フルメッシュネットワーク構成を有する光コア部と、
    　前記光コア部に接続された複数のノードであって、複数のグループに分割されており、１つのグループ内に最大ｍ個のノードが含まれている、複数のノードと
    　を備えた光ネットワークであって、
    　前記複数のノードの各々は、
    　　前記最大ｍ個のノードから受信された光信号に対応する電気信号をスイッチングし、複数のサーバーへルーティングするＡＳＩＣスイッチであって、前記複数のノードの平均着信トラフィックに対応するスイッチング容量を有するＡＳＩＣスイッチを有し、
    　　複数のタイムスロットを含む受信サイクル期間において、ソースノードが属するグループに関連付けられたタイムスロットにおいてのみ、前記ソースノードが属する前記グループ内の任意のノードによってアドレス指定され、
    　　前記複数のタイムスロットに引き続く１つ以上のアイドルタイムスロットにおいて、前記ソースノードのいずれからも光信号を受信せず、前記平均着信トラフィックを越えるトラフィックを処理すること
    　を特徴とする光ネットワーク。
  2. 　フルメッシュネットワーク構成を有する光コア部と、
    　前記光コア部に接続された複数のノードであって、複数のグループに分割されており、１つのグループ内に最大ｍ個のノードが含まれている、複数のノードと
    　を備えた光ネットワークであって、
    　前記複数のノードの各々は、
    　複数のタイムスロットを含む受信サイクル期間において、ソースノードが属するグループに関連付けられたタイムスロットにおいてのみ、前記ソースノードが属する前記グループ内の任意のノードによってアドレス指定され、
    　前記最大ｍ個のノードから受信された光信号に対応する電気信号をスイッチングし、複数のサーバーへルーティングするＡＳＩＣスイッチであって、
    　　前記複数のノードの平均着信トラフィックに対応するスイッチング容量を有し、前記タイムスロットに同期して動作するメインスイッチ、および、
    　　前記平均着信トラフィックを越えるトラフィックを処理可能なスイッチング容量を有し、前記タイムスロットに関係なく動作する補助スイッチ
    を有することを特徴とする光ネットワーク。
  3. 　前記複数のノードの各々は、
    　前記複数のタイムスロットに引き続く１つ以上のアイドルタイムスロットにおいて、いずれの前記ソースノードからも光信号を受信せず、前記平均着信トラフィックを越えるトラフィックを処理し、
    　前記補助スイッチは、前記複数のタイムスロットおよび前記１つ以上のアイドルタイムスロットの全期間を通して、前記平均着信トラフィックを越えるトラフィックを処理することを特徴とする請求項２に記載の光ネットワーク。
  4. 　前記複数のノードの各々は、前記補助スイッチと、前記複数のサーバーを含むトップオブラックスイッチとを接続する追加の光リンクをさらに有することを特徴とする請求項２または３に記載の光ネットワーク。
  5. 　前記複数のノードの各々は、
    　　ｍ個のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）であって、当該ＡＷＧの複数の入力ポートは同一のグループに属する前記最大ｍ個のノードから対応する光信号を受信し、前記複数の入力ポートの動作波長に適合するように、前記最大ｍ個のノードの内の１つ以上のソースノードの使用波長が設定されている、ＡＷＧと、
    　　前記ＡＷＧの出力合波ポートに接続されたｍ個の受信機と、
    　　前記スイッチング容量を超えるトラフィックを記憶して処理する記憶媒体と
    　をさらに有することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の光ネットワーク。
  6. 　前記複数のノードの各々への最大着信帯域幅ＢＷin_maxとして、
    　前記ＡＳＩＣスイッチは、係数Ｆ（０＜Ｆ＜１）によって縮小された帯域幅であって、前記平均着信トラフィックに対応する平均帯域幅ＢＷswitch_avg＝Ｆ×ＢＷin_maxが割り当てられることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の光ネットワーク。
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