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AdvancedNetworkArchitectureResearchM. MurataM. Murata 11

光バーストスイッチングに未来はあるか？

光バーストスイッチングに未来はあるか？

大阪大学サイバーメディアセンター先端ネットワーク環境研究部門村田正幸e-mail: murata@cmc.osaka-u.ac.jphttp://www.anarg.jp/

大阪大学サイバーメディアセンター先端ネットワーク環境研究部門村田正幸e-mail: murata@cmc.osaka-u.ac.jphttp://www.anarg.jp/

M. MurataM. Murata 22

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Burst Switching RevisitedBurst Switching Revisited過去の例

電話網： TASI音声対象→落ちてもよい

パケット交換ネットワーク : Virtual Cut Throughできなければ、パケットを電気メモリに格納

ATM ： FRP (Fast Reservation Protocol)大容量データ対象ATM の利用により、帯域設定が自由に行える空いている時は 150Mbps 、混んでくると 75Mbps→37.5Mbps…

WDM: OBS (Optical Burst Switching)チャネル容量 10Gbps ～→帯域の粒度が大きい

大容量転送への期待： DVD １枚 4.7GB対象はリアルタイムメディアではない

バッファ不要FDL バッファリングによるペナルティを避ける→バッファがあれば OBS とは呼ばない

そもそもバーストとは？大容量データIP に適用するためには、パケットを貯めることが必須だが、 TCP はこのような利用形態を想定していない

過去の例電話網： TASI

音声対象→落ちてもよいパケット交換ネットワーク : Virtual Cut Through

できなければ、パケットを電気メモリに格納ATM ： FRP (Fast Reservation Protocol)

大容量データ対象ATM の利用により、帯域設定が自由に行える空いている時は 150Mbps 、混んでくると 75Mbps→37.5Mbps…

WDM: OBS (Optical Burst Switching)チャネル容量 10Gbps ～→帯域の粒度が大きい

大容量転送への期待： DVD １枚 4.7GB対象はリアルタイムメディアではない

バッファ不要FDL バッファリングによるペナルティを避ける→バッファがあれば OBS とは呼ばない

そもそもバーストとは？大容量データIP に適用するためには、パケットを貯めることが必須だが、 TCP はこのような利用形態を想定していない

M. MurataM. Murata 33

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OBS プロトコル (1): Tell-and-Wait

OBS プロトコル (1): Tell-and-Wait

2

ACK/NACK 信号による、 Forward 型（往路で波長を決定）／Backward 型（復路で波長を決定）波長予約プロトコル予め経路を定めておき、バーストの到着時に波長を定めて送出

オプション：経路も定める○ バーストのネットワーク内バッファリング不要

パケットスイッチングとの本質的な違い× 伝播遅延時間がボトルネックになる

ACK/NACK 信号による、 Forward 型（往路で波長を決定）／Backward 型（復路で波長を決定）波長予約プロトコル予め経路を定めておき、バーストの到着時に波長を定めて送出

オプション：経路も定める○ バーストのネットワーク内バッファリング不要

パケットスイッチングとの本質的な違い× 伝播遅延時間がボトルネックになる

Wavelength Reservation

Burst Transmission

DestDest

Link1 Link2 Link3

SrcREQ

RESERVE 2

RELREL

NACK

×

22

REL

RESERVE

ACK

Link1 Link2 Link3

SrcREQ

RESERVERESERVERESERVE

Forward型2

1 212

M. MurataM. Murata 44

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OBS プロトコル (2): Tell-and-Go

OBS プロトコル (2): Tell-and-Go

伝播遅延時間によるオーバーヘッドの解消ヘッダの電気処理のために、ヘッダとペイロードの間を空けるパス設定（波長予約）処理の高速化が鍵

× バーストはネットワーク内で落ちるかも知れない波長変換がない場合、 M/G/1/1 待ち行列網モデル！

伝播遅延時間によるオーバーヘッドの解消ヘッダの電気処理のために、ヘッダとペイロードの間を空けるパス設定（波長予約）処理の高速化が鍵

× バーストはネットワーク内で落ちるかも知れない波長変換がない場合、 M/G/1/1 待ち行列網モデル！

2

Offset Time

Burst Transmission

Dest

Link1 Link2 Link3

SrcREQ

RESERVERESERVERESERVE2

2

Offset

controlchannel

datachannels

M. MurataM. Murata 55

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OBS のバーストブロッキング率

OBS のバーストブロッキング率

b: バースト長（コネクション保留時間）s: コネクション処理時間p: 伝播遅延時間W: 波長数 : バースト到着率全負荷

TAW 型の場合：TAG 型の場合：

波長あたりの負荷：ブロッキング率 (M/G/W/W)

b: バースト長（コネクション保留時間）s: コネクション処理時間p: 伝播遅延時間W: 波長数 : バースト到着率全負荷

TAW 型の場合：TAG 型の場合：

波長あたりの負荷：ブロッキング率 (M/G/W/W) !

!0

W WBW n nn

r

r

=

å=

( )b s pr l= + +( )b sr l= +

0 /Wr r=

M. MurataM. Murata 66

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ノード処理時間の影響TAW vs. 回線交換

ノード処理時間の影響TAW vs. 回線交換

TAW 方式波長数 32 、伝播遅延時間 0

バースト時間よりも少なくとも一桁小さい処理時間が要求される

TAW 方式波長数 32 、伝播遅延時間 0

バースト時間よりも少なくとも一桁小さい処理時間が要求される

1.E-13

1.E-12

1.E-11

1.E-10

1.E-09

1.E-08

1.E-07

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1E+06 1E+07

[バースト時間 msec]

ブロ

ッキ

ング

率

処理時間＝0.1msec

処理時間＝10msec

処理時間＝1msec

処理時間＝100msec

1GB@10Gbps100B@10Gbps

1.E-13

1.E-12

1.E-11

1.E-10

1.E-09

1.E-08

1.E-07

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1E+06 1E+07

[バースト時間 msec]

ブロ

ッキ

ング

率

処理時間＝0.1msec

処理時間＝10msec

処理時間＝1msec

処理時間＝100msec

1GB@10Gbps100B@10Gbps

1.E-13

1.E-12

1.E-11

1.E-10

1.E-09

1.E-08

1.E-071.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E+01

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1E+06 1E+07

[バースト時間 msec]

ブロ

ッキ

ング

率

0.1msec10msec 1msec

処理時間＝100msec

1GB@10Gbps100B@10Gbps

1.E-13

1.E-12

1.E-11

1.E-10

1.E-09

1.E-08

1.E-071.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E+01

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1E+06 1E+07

[バースト時間 msec]

ブロ

ッキ

ング

率

0.1msec10msec 1msec

処理時間＝100msec

1GB@10Gbps100B@10Gbps

1.E-13

1.E-12

1.E-11

1.E-10

1.E-09

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1.E-071.E-06

1.E-05

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1.E-03

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1.E-01

1.E+00

1.E+01

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1E+06 1E+07

[バースト時間 msec]

ブロ

ッキ

ング

率0.1msec 10msec 1msec

処理時間＝100msec

1GB@10Gbps100B@10Gbps

1.E-13

1.E-12

1.E-11

1.E-10

1.E-09

1.E-08

1.E-071.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

1.E+01

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1E+06 1E+07

[バースト時間 msec]

ブロ

ッキ

ング

率0.1msec 10msec 1msec

処理時間＝100msec

1GB@10Gbps100B@10Gbps

OBS GMPLS

波長あたり負荷 0.2

波長あたり負荷 0.5

波長あたり負荷 0.8

M. MurataM. Murata 77

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ブロッキング率低下の要因ブロッキング率低下の要因

ホップ数の増加ホップ数に対して線形に影響

波長変換なしWavelength Continuity Problem

経路は予め定めておくWA (Wavelength Assignment) vs. RWA (Routing and Wavelength Assignment)WA ：経路は予め決めておいて「最適な」波長を選択

Random, First-Fit ：分散化が可能RWA ： Multi-path Routing

波長とともに、複数の経路から「最適な」経路を定めるMost-Used （同じ波長から埋めていく）：集中化前提

処理時間の高速化→ WA （経路は予め決めておく）

バースト交換では WA ゆえに高速化が可能ただし、オプションとして Multi-path Routing も可能

ホップ数の増加ホップ数に対して線形に影響

波長変換なしWavelength Continuity Problem

経路は予め定めておくWA (Wavelength Assignment) vs. RWA (Routing and Wavelength Assignment)WA ：経路は予め決めておいて「最適な」波長を選択

Random, First-Fit ：分散化が可能RWA ： Multi-path Routing

波長とともに、複数の経路から「最適な」経路を定めるMost-Used （同じ波長から埋めていく）：集中化前提

処理時間の高速化→ WA （経路は予め決めておく）

バースト交換では WA ゆえに高速化が可能ただし、オプションとして Multi-path Routing も可能

Figure 4 in E. Karasan , E. Ayanoglu. Effects of Wavelength Routing and Selection Algorithms on Wavelength Conversion Gain in WM Optical Network, ACM/IEEE Transactions on Networking, April 1998.

M. MurataM. Murata 88

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Tell-and-Wait vs. Tell-and-Go

Tell-and-Wait vs. Tell-and-Go

TAG (JET, JIT, …)波長予約時間（処理時間＋伝播遅延時間）のうち、伝播遅延時間をカット波長変換なしの場合、 M/G/1/1 !

波長数 32バースト長 100msec

処理時間 10msec に対しては大きい

TAG (JET, JIT, …)波長予約時間（処理時間＋伝播遅延時間）のうち、伝播遅延時間をカット波長変換なしの場合、 M/G/1/1 !

波長数 32バースト長 100msec

処理時間 10msec に対しては大きい

1.E-13

1.E-12

1.E-11

1.E-10

1.E-09

1.E-08

1.E-07

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

0.1 1 10 100 1000 10000 [伝播遅延時間 msec]

ブロ

ッキ

ング

率

=0.8波長あたり負荷

=0.5波長あたり負荷

=0.2波長あたり負荷TAG / w WC

TAW

TAG / wo WC

1.E-13

1.E-12

1.E-11

1.E-10

1.E-09

1.E-08

1.E-07

1.E-06

1.E-05

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

0.1 1 10 100 1000 10000 [伝播遅延時間 msec]

ブロ

ッキ

ング

率

=0.8波長あたり負荷

=0.5波長あたり負荷

=0.2波長あたり負荷TAG / w WC

TAW

TAG / wo WC

1.E-13

1.E-12

1.E-11

1.E-101.E-09

1.E-08

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1.E-06

1.E-05

1.E-041.E-03

1.E-02

1.E-01

1.E+00

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1E+06 1E+07

[バースト長時間 msec]

ブロ

ッキ

ング

率

=0.8波長あたり負荷

=0.5波長あたり負荷

=0.2波長あたり負荷

TAG / w WC

TAW

TAG / wo WC

1GB@10Gbps100B@10Gbps

1.E-13

1.E-12

1.E-11

1.E-101.E-09

1.E-08

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1.E-05

1.E-041.E-03

1.E-02

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1.E+00

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 1E+06 1E+07

[バースト長時間 msec]

ブロ

ッキ

ング

率

=0.8波長あたり負荷

=0.5波長あたり負荷

=0.2波長あたり負荷

TAG / w WC

TAW

TAG / wo WC

1GB@10Gbps100B@10Gbps

M. MurataM. Murata 99

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パケットバッファリングの効果TAG vs. パケット交換

パケットバッファリングの効果TAG vs. パケット交換

パケットスイッチングはバッファリング前提

波長変換のない場合→ M/G/1/1+L波長変換のある場合→ M/G/W/W+Lただし、 FDL の場合、固定長を単位とした遅延線なので、可変長を扱う場合にはオーバーヘッドがある

条件波長数W=8波長変換あり

OBS でもバッファを持たせることは原理的に可能、ただし、 FDL は長くなる

1Mbit バースト＝ 100msec バースト (@10Gbps)→20Km x L

パケットスイッチングはバッファリング前提

波長変換のない場合→ M/G/1/1+L波長変換のある場合→ M/G/W/W+Lただし、 FDL の場合、固定長を単位とした遅延線なので、可変長を扱う場合にはオーバーヘッドがある

条件波長数W=8波長変換あり

OBS でもバッファを持たせることは原理的に可能、ただし、 FDL は長くなる

1Mbit バースト＝ 100msec バースト (@10Gbps)→20Km x L

1E-18

1E-16

1E-14

1E-12

1E-10

1E-08

1E-06

1E-04

1E-02

1

0 20 40 60 80 100 120

Pack

et

Loss

Pro

babili

ty

Buffer Depth L

= 0.8

= 0.75 = 0.7

= 0.65

= 0.85

TAG

Masayuki Murata and Ken-ichi Kitayama, “Ultrafast photonic label switch for asynchronous packets of variable length,” IEEE INFOCOM 2002, June 2002.

M. MurataM. Murata 1010

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パケット交換のメリットパケット交換のメリット波長変換のない場合

波長変換をしなくとも一定の効果は得られる、ただし、バッファ容量はかなり必要1Kbit パケット＝ 0.1msec パケット(@10Gbps)→20m x L

波長数増大の効果は大きい波長変換ありバッファ長 64

波長変換のない場合波長変換をしなくとも一定の効果は得られる、ただし、バッファ容量はかなり必要1Kbit パケット＝ 0.1msec パケット(@10Gbps)→20m x L

波長数増大の効果は大きい波長変換ありバッファ長 64

1E-18

1E-16

1E-141E-12

1E-10

1E-081E-061E-041E-02

1

5 10 15 20

Packet

Loss P

rob

ab

ilit

y

The Number of Wavelengths W

= 0.85

= 0.8

= 0.75

= 0.65 = 0.7

1E-18

1E-161E-141E-12

1E-101E-081E-061E-04

1E-021

0 200 400 600 800 1000

Packet

Loss P

rob

ab

ilit

y

Buffer Depth L

= 0.8

= 0.75

= 0.7 = 0.65

= 0.85

M. MurataM. Murata 1111

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パケット交換 vs. 回線交換パケット交換 vs. 回線交換機能 回線交換（光クロスコネクトノード） パケット交換（電気ルータ）

回線効率 決して悪くない（回線それぞれの利用効率ではなく、回線数の利用効率）→波長数の増大が重要

一般に良いとされているが、遅延を小さくするためには overprovisioningが必要

エンド間パス可用性 コストをかけることにより維持 経路制御により維持ノード可用性 機能が低い分高い 低いノードコスト 機能が低い分安い（半分から 1/10) 高速化すればするほど多機能実現のた

めにコスト高

サービス機能の多様性 低い 高い

　

　

高速パケットフォワーディング

ネットワーク

高速パケットフォワーディング

ネットワーク

アクセスネットワークパケット・回線交換の融合？アクセス系：パケット交換バックボーン： WDM 回線交換 (+GMPLS) ：光パスネットワークスケーラビリティ確保のために、波長あたりの容量を増やすより、波長数を増やすことが重要

その後は、光パケットスイッチ＋ GMPLS ？Deployment?

パケット・回線交換の融合？アクセス系：パケット交換バックボーン： WDM 回線交換 (+GMPLS) ：光パスネットワークスケーラビリティ確保のために、波長あたりの容量を増やすより、波長数を増やすことが重要

その後は、光パケットスイッチ＋ GMPLS ？Deployment?

M. MurataM. Murata 1212

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フォトニックインターネットへのロードマップ

Cross-Connect, Switch or Router?

フォトニックインターネットへのロードマップ

Cross-Connect, Switch or Router?

光パケットスイッチ＋ GMPLS

フォトニック IPルータ

クロスコネクト＋ GMPLS

ルーティングルーティング

payloadpayload headerheader

バッファリングバッファリングスイッチングスイッチング

フォワーディングフォワーディング QueueManagement

QueueManagement

光バーストスイッチ＋ GMPLS

M. MurataM. Murata 1313

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ユーザに対する波長の開放ユーザに対する波長の開放

IPを乗せることがWDMネットワークの役割か？TCPは本質的にパケットロスを発生する帯域を fair-shareする役割を担う

ユーザへの波長の開放（エッジノード間ではない）：オンデマンド波長パス設定前提：波長が豊富にある（ 1,000波長～）適用

ユーザ志向 VPNデータグリッド（ Tbyte級データ転送）SANの広域ネットワークへの展開

Proprietaryなプロトコル展開も可能PhotonicGrid

参考：インターネットが目の前にあったからこそ、それに適したWebというアプリケーションが生まれた背景：画像圧縮技術、 GUI、画像表示能力にわとりと卵（？）napster, gnutella

IPを乗せることがWDMネットワークの役割か？TCPは本質的にパケットロスを発生する帯域を fair-shareする役割を担う

ユーザへの波長の開放（エッジノード間ではない）：オンデマンド波長パス設定前提：波長が豊富にある（ 1,000波長～）適用

ユーザ志向 VPNデータグリッド（ Tbyte級データ転送）SANの広域ネットワークへの展開

Proprietaryなプロトコル展開も可能PhotonicGrid

参考：インターネットが目の前にあったからこそ、それに適したWebというアプリケーションが生まれた背景：画像圧縮技術、 GUI、画像表示能力にわとりと卵（？）napster, gnutella