100Gbpsイーサネットを効率的に運ぶ広域光ネットワーキング実験に成功

現在のインターネット通信は、光ネットワークにアクセスする部分では、1つの波長(毎秒1ギガビット)を複数のユーザがパケット単位にタイムシェアしています。また、ネットワーク内の中継ノードでは、いったん電気信号に直して、パケット毎に宛先を確認して行き先ごとに振り分けてから、光信号に戻しています。これらは、電子メールやWebなど、細かなデータの流れ(フロー)を、パケット単位に束ねて効率的に運ぶのに適した方式です(図1下段)。

これに対して、2020年頃には、100GbE技術が端末インタフェースとして普及し始めると予想されており、中継ノードでは電気処理をせずにユーザと遠隔地のサーバをオンデマンドに波長の束で結び、広域網の波長リソースを複数のユーザで効率的に共有する「波長単位にタイムシェア」という新しいパラダイムの開拓が期待されています(図1上段)。

各社のプロトタイプ装置を持ち寄り、10～100Gbps(1～10波)でのオンデマンド通信をユーザ主導で実現する広域LAN環境としての連携動作を確認しました。実証実験は、NICTのJGN2plus光ファイバテストベッド(小金井～大手町間 4芯 各50km)に、NTT・NECの100Gbps NIC(ネットワーク・インタフェース・カード)、三菱電機・日立・KDDI研の100Gbpsアグリゲータ(集線装置)、NECのゲートウェイ、富士通・三菱電機の100Gbps光リンク、およびOKIの160Gbps光再生中継リンクを接続して行いました（図2）。

映像配信アプリケーションでは、オンデマンドにユーザが2波長(20Gbps相当)を確保し、ハイビジョン映像の4倍の解像度と2倍の時間分解能を持つ4K(60P)超高精細映像の非圧縮パケットストリーム(12Gbps)を受信できることを確認しました (図3a)。また、データ転送アプリケーションでは、オンデマンドに10波長(100Gbps相当)を確保し、ブルーレイディスク1枚分に相当する25ギガバイトの超高精細な衛星写真の瞬時転送に成功しました。現在のギガビット級ネットワークアクセスで広域転送すると3分以上を要するものが、わずか2秒(1/100の所要時間)で一括転送できることを確認しました(図3b,3c)。

今回、NICT委託研究により開発された各社の技術は、以下のとおりです(図4)。

1. ユーザが100GbEで仮想光網に効率的にアクセスする技術 (λアクセス技術の研究開発)
   (1-1)パケット処理頻度を1/100に抑えて、複数波長に振分けてパケット送受信(NTT、NEC、NTT Com)
   (1-2)パケットを公平に束ねて、波長あたり100Gbpsでパケット送受信(三菱電機、日立、KDDI研)
2. 仮想光網内の波長利用効率を向上する技術 (λユーティリティ技術の研究開発)
   (2-1)1,000ノード規模の波長資源をオンデマンドに計算して経路割当(NEC)
   (2-1)多値変調と誤り訂正で波長利用効率を10倍に高め100Gbpsで広域光リンク(富士通、三菱電機)
   (2-2)100Gbpsを超える速度の光信号をそのままデジタル再生して光中継伝送(OKI)
3. LANやWANの光リンクを高度化する技術 (ユニバーサルリンク技術の研究開発)
   (3-1)100GbEのレーン障害を回避して高信頼化する並列レーン縮退伝送技術(日立)
   (3-2)100Gbpsクラスの多値変調光リンクの信号状態を高安定にモニタする信号処理技術(富士通)

1 ユーザが100GbEで仮想光網に効率的にアクセスする技術（λアクセス技術の研究開発）

将来のTbps級ネットワークインタフェース実現を目指して、複数波長への並列展開数と波長あたりの伝送速度を、それぞれ、従来(1波，10Gbps)の10倍にする技術を開発しました。

1-1 パケット処理頻度を1/100に抑えて、複数波長に振分けてパケット送受信(NTT、NEC、NTT Com)

NECは、100Gbpsでのネットワークアクセスに際して、ユーザが通信に用いるデータ単位であるフレームのサイズを大幅に大きくすることで、通信の効率を上げることを可能とするパケット送受信技術を開発しました。今回開発した「超ジャンボフレーム処理技術」では、通信効率で課題であったフレームサイズを最大１メガバイトと従来の100倍以上のサイズとし、このフレームの送信、受信処理部に新たな回路を開発することによって、100Gbps動作を実現しました。とくに、1メガバイトという巨大なフレームの誤り検出情報を生成する回路、および誤りを検出する回路を実現することにより、多種多様なデータを多重しても100Gbpsの速度で動作することを実現しました(図5a)。

NTTは、この「超ジャンボフレーム」を標準イーサネットフレームに小分けにするフラグメント機能を新たに実装し、アプリケーションが必要とする帯域やネットワーク側の事情に応じて、並列数を自在に変更できるパケット送受信技術と統合することで、100Gbps NIC(ネットワーク・インタフェース・カード)機能を実証しました。送信端のNICでパケット毎にタイムスタンプを付与し、受信端のNICではこのタイムスタンプに基づいてパケット順を正しく復元します。パケット網経由での網クロック配信によりNICでの時刻精度を常時数μ秒以内に保ち、end to end でのジッタをほぼ完全に抑圧した高品質な大容量転送を実現します(図5b)。

実験では、NTT Com が開発した送信端と受信端において複数の波長パスを１本に集約することにより弾力的な大容量リンクの生成を実現する波長パスアグリゲーション技術を用いて、自動経路制御を行うゲートウェイ(GW)と相互接続することにより、広域ネットワーク越しに、10Gbps～100Gbps の大容量リンクをユーザがオンデマンドに設定可能で、容量も柔軟に変更できることを実証しました。

1-2 パケットを公平に束ねて、波長あたり100Gbpsでパケット送受信(三菱電機、日立、KDDI研)

100GbEへパケットを公平に束ね、1つのレーザにより発生した単一波長信号で光伝送するための符号化技術、光伝送技術を世界に先駆けて開発しました。

三菱電機は、多数のユーザから受信するパケットを公平に多重化する方式を開発しました。本方式は｢DS-SWFQe: Delay Sensitive –Simplified Weighted Fair Queuing enhancement｣と呼び、ユーザ単位、アプリケーション単位に遅延時間と帯域の公平性を保証し、多重化するものです。入力側のインタフェース帯域に依存しないため、将来の高速、大規模なアクセスネットワークに対しても適用できます。

日立は、このフレーム単位に束ねられたデータストリームを、1つの波長で100Gbpsの光伝送を可能とする符号化・復号化技術を開発しました。今回開発した「単一波長対応符号化技術」では、多重／分離処理において生じる信号伝播遅延差を検出して補正し正しい受信データを再生する標準機能に加えて、1つの光波長の通信密度を向上する光多値変復調に必要な差動符号化を行う機能を開発し、速度100Gbpsの動作を実現しました。

KDDI研は、この符号化された信号を単一波長で光伝送する技術を開発しました。現在の100GbE標準は複数(4または10)の光源を用いますが、単一波長方式とすることで、必要な光源数を1つへ削減できます。単一波長光伝送方式としては、差動4値位相変調方式を採用しました。この方式では、1つの光信号により2ビットの情報を伝送することができるため、100GbE信号を伝送するための実効的な速度を50Gbpsに半減できます。そのため、光・電気部品に要求される応答速度や、光ファイバ伝送における各種信号劣化要因の影響を大幅に軽減できます。

実験では、三菱電機が開発したフレーム多重技術により複数の10Gbpsイーサネット信号を100Gbps信号へと束ねた後、日立が開発した技術により符号化し、KDDI研が開発した光伝送技術により単一波長による100Gbpsでのパケット送受信を実証しました。(図6)

2 仮想光網内の波長利用効率を向上する技術(λユーティリティ技術の研究開発)
2-1 1,000ノード規模の波長資源をオンデマンドに計算して経路割当(NEC)

NECは、複数ドメインからなるネットワークにおいて、異なるドメインにまたがる最適経路を複数のサーバが連携して計算するマルチドメイン自動経路制御技術を開発し、従来の10倍以上の大規模光ネットワークにおける最適経路制御およびオンデマンドな波長パス設定の自動化を実現しました。さらに、偏波モード分散(Polarization Mode Dispersion：PMD) による光信号の劣化を監視する光品質モニタを新たに開発しました。この光品質モニタを使って光信号の劣化を初期段階で検出し、品質のよい他の波長パスに切り替えることで、ユーザの通信品質の劣化を未然に防ぐことに成功しました。これらの技術により、大規模光ネットワークにおいて、大容量ユーザ通信の体感品質を維持しながらオンデマンドに波長資源を効率よく利用できるようになります(図7)。

2-2 多値変調と誤り訂正で波長利用効率を10倍に高め100Gbpsで広域光リンク(富士通、三菱電機)

富士通は、波長利用効率を従来の10倍に高めるための変調方式として、偏波多重4値位相変調方式に着目し、それを実現するための光送受信機構成技術の開発を行いました。長期間安定な動作を実現するために、(1)集積型光変調器、(2)光変調器の制御回路、(3)光復調器制御回路を開発し、試作機に実装しました。開発した光送受信機を500kmを超える実フィールドファイバ伝送に適用して誤り率特性を評価した結果、安定な特性が得られることを確認しました。

三菱電機は、低密度パリティ検査（LDPC）符号と軟判定復号による高利得・低消費電力FEC技術の開発を行いました。軟判定とは、デジタル化した受信シンボルに、そのシンボルの確からしさを示す信頼度を付与することです。今回、開発した2bit 32G samples/sの高速処理可能な軟判定LSIを用いて、2bitという限られた軟判定情報でも高い誤り訂正性能を発揮するLDPC符号をField Programmable Gate Array(FPGA)エミュレータに実装しました。FPGAエミュレータによる10Gbpsスループットでの性能検証の結果、従来よりも3倍高速の受信デジタル信号であっても確からしさを識別できることを確認しました(図8)。

2-3 100Gbpsを超える速度の光信号をそのままデジタル再生して光中継伝送(OKI)

OKIが開発した光3R再生中継装置は、従来の光増幅中継機能(Re-amplification)に、光信号の波形歪を除去する波形整形機能(Re-shaping)と時間揺らぎを抑圧するタイミング再生機能(Re-timing)を加えた新しい光中継器です。100Gbpsを超える伝送速度では、波形の劣化や時間ゆらぎが顕著になり、その伝送距離は短くなります。開発した光中継器により、160Gbpsの光信号を光／電気変換することなく、そのまま効率良く再生することが可能になります。今回、あらたに開発した光中継器は、今後の信号フォーマットの多様化を鑑み、複数の信号フォーマットに対応できる方式を採用しています(図9)。

3 LANやWANの光リンクを高度化する技術(ユニバーサルリンク技術の研究開発)
3-1 100GbEのレーン障害を回避して高信頼化する並列レーン縮退伝送技術(日立)

日立は、LAN領域でのリンクの高信頼化を実現する「並列レーン縮退伝送技術」を開発しました。標準の100Gbpsイーサネットでは、リンクを複数の伝送路(レーン)で構成するマルチレーン伝送を行いますが、その際一部のレーンで障害が発生すると、その影響がリンク全体に波及し、最終的にリンクダウン (通信遮断)を引き起こします。今回開発した技術では、各レーンの通信状態を逐次監視し、障害が生じたレーンの使用を即時停止して正常なレーンのみを使用することで、リンクダウンを防止します(図10)。この技術によりLAN領域でも光リンクの高信頼化を実現しました。

3-2 100 Gbpsクラスの偏波多重多値変調光の信号モニタリングを可能にする信号処理技術(富士通)

富士通は、多値変調光の高安定なコヒーレント受信を実現するためのデジタル信号処理アルゴリズムを開発しました。このアルゴリズムを活用することにより、 100Gbpsクラスの偏波多重多値符号の特性として、各偏波の振幅・位相の状態をモニタリングすることに成功しました(図11)。