光メッシュネットワーク

光メッシュネットワークは、メッシュネットワーク アーキテクチャで有線光ファイバー通信または無線自由空間光通信を採用した光通信ネットワークの一種です。

ほとんどの光メッシュ ネットワークは光ファイバー通信を使用しており、大都市や地方だけでなく、国内や国際的にインターネット サービス プロバイダーによって運用されています。他のネットワーク アーキテクチャよりも高速でエラーが発生しにくく、災害、損傷、障害が発生した場合に備えて、確立されたネットワークのバックアップと回復計画をサポートします。現在計画されている衛星コンステレーションは、ワイヤレスレーザー通信を使用して宇宙に光メッシュ ネットワークを確立することを目的としています。

通信ネットワークの基盤となる光ファイバーベースのレイヤーであるトランスポートネットワークは、1980年代のデジタルクロスコネクトシステム（DCS）ベースのメッシュアーキテクチャから、1990年代のSONET/SDH（同期光ネットワーク/同期デジタル階層）リングアーキテクチャへと進化しました。DCSベースのメッシュアーキテクチャでは、通信事業者はAT&T FASTAR（FAST Automatic Restoration）^{[1] [2] [3]}やMCI Real Time Restoration（RTR）^[4]などのDS3回線の復旧システムを導入し、ネットワーク障害発生後数分で回線を復旧しました。 SONET/SDHリングでは、通信事業者はSONET単方向パススイッチリング（UPSR）^[5]（SDHネットワークではサブネットワーク接続保護（SCNP）とも呼ばれる）やSONET双方向ラインスイッチリング（BLSR）^{[6] （} SDHネットワークでは多重化セクション共有保護リング（MS-SPRing）とも呼ばれる）などのリング保護を実装し、ネットワーク障害からの保護と50ミリ秒以内での回復を実現しました^{[7] 。これは、} DCSベースのメッシュ復旧でサポートされている回復時間を大幅に改善し、SONET/SDHリングベース保護の導入を推進する主な要因となっています。

従来のリングアーキテクチャの限界を克服するために、海洋横断リングアーキテクチャ（ITU-T勧告G.841 ^[8]で定義）、「Pサイクル」保護、^{[9]複数のリングを処理できる、または作業リング側または保護リング側を閉じない機能を持つ、またはリング間で保護容量を共有する機能（たとえば、仮想回線交換リング（VLSR）を使用）を備えた} 次世代SONET / SDH機器など、従来のリングアーキテクチャを改善および/または進化させようとする試みがなされてきました。

21世紀の最初の10年間における光トランスポートスイッチ^{[10]の技術的進歩と、}高密度波長分割多重（DWDM）システムの継続的な導入により、通信サービスプロバイダーは新しいトラフィックに対応するためにSONETリングアーキテクチャをメッシュベースアーキテクチャに置き換えてきました。新しい光メッシュネットワークは、リングネットワークで以前に利用可能だったものと同じ高速リカバリをサポートすると同時に、容量効率が向上し、資本コストが削減されます。障害（ネットワークリンクまたはノードの障害など）が発生した場合のこのような高速リカバリ（数十から数百ミリ秒）は、これらの新しい光トランスポート装置に組み込まれたインテリジェンスによって実現され、外部のネットワーク管理システムに依存せずに、ネットワーク制御プレーンの一部としてネットワーク自体内でリカバリを自動的に処理できます。

光メッシュ ネットワークとは、入力ファイバーから出力ファイバーへのトラフィック (波長またはサブ波長レベル) の切り替えが可能な光トランスポート機器を導入することにより、大都市、地域、国内、または国際 (例: 海洋横断) エリアに導入されたメッシュ状のファイバー インフラストラクチャから直接構築されるトランスポート ネットワークを指します。波長の切り替えに加えて、機器は通常、低速トラフィックをトランスポート用の波長に多重化したり、トラフィックをグルーミングしたりすることもできます(機器がいわゆる不透明である限り - 透明性のサブセクションを参照)。最後に、これらの機器は、ネットワーク障害が発生した場合のトラフィックの回復も提供します。トランスポート ネットワークのほとんどが、サービスのプロビジョニングと回復にインテリジェント ネットワーク要素 (光クロスコネクトまたは光スイッチ^[10] ) を使用するメッシュ トポロジへと進化しているため、メッシュ光ネットワークの設計、導入、運用、管理のための新しいアプローチが開発されています。

Sycamore やCiena ( STS-1粒度のスイッチング)、Tellium ( STS-48粒度のスイッチング)などの企業が製造した光スイッチは、運用メッシュ ネットワークに導入されています。Calien は、3D MEMSテクノロジに基づく全光スイッチを構築しました。

今日の光メッシュ ネットワークは、 IP、MPLS、またはイーサネット中心のパケット インフラストラクチャにおけるルータ間またはスイッチ間接続などの上位層ネットワークへのトランキング容量を提供するだけでなく、高帯域幅のポイントツーポイント イーサネットおよび SONET/SDH サービスの効率的なルーティングと高速な障害回復もサポートします。

地球規模のインターネット提供を目的としたSpaceX Starlinkなどの計画中の衛星群は、宇宙に光メッシュネットワークを構築することを目指しています。数百から数千の衛星で構成される衛星群は、高スループットの光衛星間リンクにレーザー通信を使用します。相互接続されたネットワークアーキテクチャにより、衛星から衛星へのユーザーデータの直接ルーティングが可能になり、シームレスなネットワーク管理とサービスの継続が可能になります。^[11]

光メッシュネットワークは、回線モードの接続指向サービスの確立をサポートします。メッシュネットワークでは、さまざまな障害モードに対してさまざまなレベルの保護^[12]または復元^[13]を提供する複数の回復メカニズムが利用できます。チャネル、リンク、セグメント、およびパスの保護が最も一般的な保護スキームです。Pサイクル^[9]は、リングベースの保護を活用して拡張する別のタイプの保護です。復元は、単独で機能することも、複数の障害が発生した場合に高速な保護スキームを補完することもできる別の回復方法です。

パス保護メッシュ ネットワークでは、一部の接続は保護されない場合があります。その他の接続は、さまざまな方法で単一または複数の障害から保護できます。接続は、メッシュ ネットワーク上の接続が取るプライマリ パスとは異なるバックアップ パスを定義することで、単一の障害から保護できます。バックアップ パスと関連リソースは、接続専用にすることも (専用バックアップ パス保護、別名、専用 (1+1) パス保護、SDHネットワークのサブネットワーク接続保護(SNCP) 、またはSONETリング ネットワークのUPSR )、複数の接続間で共有することもできます (共有バックアップ パス保護)。通常、プライマリ パスが同時に障害を起こす可能性は低く、単一のリンクまたはノード障害が発生した場合に共有リソースの競合を回避できます。プリエンプティブ パスの使用や、部分的に異なるバックアップ パスの使用など、他の多くの保護スキームを実装できます。最後に、複数の異なるルートを設計して、接続に複数の回復ルートがあり、複数の障害の後でも回復できるようにすることができます (大西洋と太平洋をまたぐメッシュ ネットワークの例^[14] )。

従来のトランスポート ネットワークは、通信局間の光ファイバー ベースのリンクで構成されており、複数の波長が多重化されてファイバーの容量が増加します。波長はトランスポンダーと呼ばれる電子デバイスで終端され、信号の再増幅、再整形、および再タイミング (3R)のために光から電気への変換が行われます。通信局内では、信号はトランスポート スイッチ (光クロスコネクトまたは光スイッチとも呼ばれる) で処理および切り替えられ、その局でドロップされるか、発信ファイバー リンクに向けられ、そこで波長が多重化されて再びファイバー リンクに運ばれ、次の通信局に送られます。通信局を介した光-電気-光 (OEO) 変換が行われるため、ネットワークは不透明であると見なされます。^[15]入力波長が光から電気への変換を経ず、全光スイッチ（フォトニッククロスコネクト、光アドドロップマルチプレクサ、または再構成可能光アドドロップマルチプレクサ（ROADM）システムとも呼ばれる）を使用して光ドメイン内の通信局を介してスイッチングされる場合、ネットワークは透過的であると見なされます。^[16]光バイパスを活用し、ネットワーク全体の主要な場所で限定的なOEO変換を提供するハイブリッド方式は、透過ネットワークと呼ばれます。^[17]

ROADMベースの透過型光メッシュネットワークは、2000年代半ばから大都市圏や地域ネットワークに導入されてきました。^[18] 2010年代初頭には、伝送制限や障害により透明性を一定以上に拡張できないため、運用中の長距離ネットワークは依然として不透明なままである傾向があります。^[19]

ルーティングは、光メッシュ ネットワークの重要な制御および運用の側面です。透過的または全光ネットワークでは、接続のルーティングは波長の選択および割り当てプロセス (いわゆるルーティングおよび波長割り当て、または「RWA」) と密接にリンクされています。これは、接続がネットワーク全体でエンドツーエンドで同じ波長上に維持されるためです (光ドメインで波長を変換できるデバイスがない場合、波長連続性制約と呼ばれることもあります)。不透明なネットワークでは、ルーティングの問題は、接続のプライマリ パスと、保護が必要な場合はプライマリ パスとは異なるバックアップ パスを見つけることです。波長は、各リンクで互いに独立して使用されます。接続またはサービスのプライマリ パスと多様なバックアップ パス (バックアップ パスに沿ったリソースの共有の有無にかかわらず) を決定するために、次のような複数のアルゴリズムを使用および組み合わせることができます。最短パス(ダイクストラのアルゴリズムを含む) 、k 最短パス^{[20] (} Yen のアルゴリズムなど)エッジおよびノー​​ド多様性または分離ルーティング、Suurballeのアルゴリズムを含む^[21]および多数のヒューリスティック。ただし、一般に、任意の共有リスクリソースグループを備えた専用バックアップパス保護の最適ルーティングの問題、^[22]と共有バックアップパス保護の問題はNP完全である。^[23]

光メッシュネットワークの導入により、サービスプロバイダーは顧客に次のような新しいサービスやアプリケーションを提供できるようになります。

• QoS（サービス品質）保護により、異なるレベルの保護を備えたサービスが可能になります。プリエンプティブ、非保護、単一リンクまたは単一ノードの障害からの回復が保証された保護、複数の障害からの保護（保護^[12]と回復^[13]の組み合わせによる）
• 帯域幅オンデマンド（BoD）^{[24] 、} ジャストインタイム（JIT）帯域幅、帯域幅スケジューリング、帯域幅ブローカーなどの動的サービス
• 光仮想プライベートネットワーク^[25]
• マルチキャスト ライトパス

また、次のような新しいネットワークパラダイムもサポートしています。

• IP-over-Opticalネットワークアーキテクチャ^[26]

一般的なメッシュ ネットワーキング、特に ワイヤレス メッシュ ネットワーキング。

• 「ネットワーク保護に関するサイト - ネットワーク保護技術、ネットワーク障害回復、ネットワーク障害イベント」[1] 2010-11-30にWayback Machineでアーカイブ
• 「メッシュベースの存続可能なトランスポート ネットワーク: 光、MPLS、SONET、ATM ネットワーキングのオプションと戦略」、Wayne Grover 著 [2] 2012-03-23 にWayback Machineでアーカイブ
• 「光ネットワーク制御：アーキテクチャ、プロトコル、標準」、グレッグ・バーンスタイン、バラ・ラジャゴパラン、デバンジャン・サハ著 [3]
• 「メッシュ光ネットワークにおけるパスルーティング」、Eric Bouillet、Georgios Ellinas、Jean-Francois Labourdette、Ramu Ramamurthy著 [4]、[5]、[6]
• 「Pサイクル：概要」、R. Asthana、YN Singh、WD Grover、IEEE Communications Surveys and Tutorials、2010年2月 [7]
• 「生き残れるネットワーク：多様なルーティングのためのアルゴリズム」、ラメシュ・バンダリ著[8]