ダークファイバに灯をともせ!─テクノロジー編

ブロードバンドの屋台骨　「メトロ」を完全解剖

まずは伝送容量

　ダークファイバを借り受けてブロードバンドサービスを提供するプロバイダは、加入者線を収容する電話局舎に各種機器を設置(コロケーション)し、サービスを提供することになる。しかし、高速なメトロの構築には、いくつかの条件をクリアしなければならない。必須条件を大別すると、

1. 高速・広帯域
2. 長距離
3. 高信頼性
4. サービスの拡張性

などである。しかも、こうした条件を満たしながら、安価にシステムを構築し、迅速にサービスをスタートさせる必要がある。ダークファイバをいかに収益性のあるサービスにつなげていくかという点で、機器の選定は事業を大きく左右するのだ。以下、メトロで用いられている新世代の伝送技術と実際の製品について解説していきたい。

　まず問題になるのが伝送容量の問題である。というのも、ブロードバンドサービスの拡大とそれに伴うデータトラフィックの増大により、既存の専用線やATMをベースにしたメトロの伝送能力に限界が近づいているのである。今、日本で起こっているブロードバンドサービスの状況を考えてもらいたい。たとえば、64kbpsのISDNのサービスであれば、同時に100ユーザーがアクセスしても、バックボーンは6400kbps(6.4Mbps)あれば十分足りる。しかし、640kbpsのADSLサービスの同時アクセスが100ユーザーだったらどうだろう。この場合は、ISDNの十倍の64Mbpsのバックボーンを用意しなければならない。しかも、ダイヤルアップ接続ならともかく、現在CATVインターネットやADSLなどのサービスは基本的に常時接続される。つまり、加入者数に対して同時アクセスするユーザー数の比率は高くなるのだ。加入者が増えるほどユーザーの利用できる帯域は必然的に細くなるため、バックボーンは増速していかなければならない。

　既存の専用線は、TDM(Time Division Multiplexing：時分割多重方式)と呼ばれる多重化技術を採用した伝送方式である。1つの回線を使用する時間によって等分し、複数のアプリケーションやシステムに順番にそのタイムスロットを割り当てることで帯域を共用する。しかし、TDMという方式は通信していない端末に対してもタイムスロットを割り当ててしまうため、基本的に回線の利用効率が悪い。通信している端末にだけタイムスロットを割り当てる統計的時分割多重化装置(Statistical TDM)という方法もあるのだが、この方法だと仮に全端末がいっせいに通信を開始すると、あっという間に伝送遅延が起こってしまうというデメリットがある。

　この結果、現在の光ファイバ網で多く利用されているTDMでの伝送では、光ファイバの伝送能力が生かし切れない。単一のチャネルでも20〜40Gbpsが限界と考えられており、帯域幅がうなぎ登りに増えていくと、専用線の伝送速度とコストではプロバイダの採算が合わなくなってくるのだ。

TDMでは時間ごとに分割したタイムスロットにデータを載せることで、多重化を行なう。たとえば1.5Mbpsを3つのタイムスロットに分ければ、1つのアプリケーションは512kbpsの帯域を利用することができるわけだ

(ネットワークマガジン編集部)

テラビット級ネットワークを支えるDWDM

　こうしたTDM方式の穴を埋めるため、高速データ伝送技術がいくつもメトロに投入されている。その代表格がWDM(Wavelength Division Multiplexing)だ。

　WDMは一本の光ファイバの中に波長の異なる光波を流すことで、高速なデータ伝送を可能にする技術である。一波のみを用いる既存の光通信では、単一の光波での伝送速度を向上させる必要があり、高速化に限界があった。WDMでは光波を波長によって分離し、多重化すればよいので、高速化も実現しやすい。まさに高速で長距離な伝送が可能なWDMはメトロの基礎技術であり、メトロを集線する長距離中継回線(ロングホール)での利用も続々増えている。

　最近ではさらに高密度化を進めたDWDM(Dense Wavelength Division Multiplex)の進化が著しく、40Gbpsチャネルを数百本以上に多重化する技術も実用化段階に入っている。DWDMは技術的にWDMの延長といえるが、既存のWDMと比べて多くの光波を通す(Dense＝高密度)ため「DWDM」と言われる。これらを光ファイバ網の両端に配置し、既存のSDH装置に接続すると、たとえば物理的に1本の光ファイバが突然100本に増えたのと同じように見えるわけだ。

　現在、DWDMの世界はとにかく技術革新が著しい。ノーテルネットワークスを先頭に、ルーセント、シエナ、アルカテル、富士通、シスコシステムズなど数多くのベンダーが製品化にしのぎを削っている。昨年末、仏アルカテルは40Gbps×128チャネルで5.12Tbps(テラビット／秒)を実現(無中継で300km)し、NECアメリカも無中継の光ファイバ伝送路186kmで6.4Tbps(40Gbps×160チャネル)のデータ伝送に成功したことを発表している。もちろん、NTTの先端技術研究所でも160Gbps×19チャネル3Tbps(無中継40km)というDWDM実験をすでに成功させている。

　最近は、波長の異なる光パルスを同時に多数発生させる「スーパーコンティニアム光源」や、長距離伝送のため光信号を増幅させる「ラマン増幅器」などの技術が確立され、高速化への目処がたった。そのため、こうしたスピード競争は次々と記録を更新していくものと考えられる。

(ネットワークマガジン編集部)

DWDMと光スイッチング

　DWDMはさまざまな伝送技術とともに用いられている。一般的には光ファイババックボーンの国際規格となっているSONET／SDHとともに用いられる「SONET over DWDM」という実装が多い。これはルートを二重化し、障害時に経路を切り替える「SONETリング」の仕組みとDWDMによる多重化技術を組み合わせることで、耐障害性の高い広帯域光ファイバ網を実現するものだ。その他、インターフェイスの違いによりATM over DWDMやEthernet over DWDMなどのスイッチがあるため、既存のインフラをDWDM装置と統合することもできる。このDWDM装置によりネットワークを構築すれば、1本のダークファイバを最大限に活用することができ、サービスプロバイダにとってもコスト対効果が大きくなる。実際、米国では光ファイバの芯線ではなく、DWDMによって多重化したチャネルをレンタルするリセラーも存在する。

　しかし、DWDM上にSONET/SDHやATMを載せる方法は、やはり既存のインフラの延命策に過ぎない。電話会社にとって既存の交換機やATMルータは重要な機器だが、すでに電気的なスイッチング性能と価格において限界がきている。その意味で、メトロの技術的に重要な点は、電気的なスイッチングから光ファイバや光学的な特性を利用した光スイッチングによる伝送方式に変えていくことであろう。実際、米AT&Tはすでに2000年からATMへの投資をやめ、光スイッチによるテラビット級ネットワーク網への移行をはかっている。

　また、その他の選択肢としてATMとTDMの特徴をかけあわせたDTM(Dynamic synchronous Transfer Mode)もある。これはスウェーデンが国策として進めているメトロ向けの伝送技術で、トラフィックの発生に対して動的にタイムスロットを割り当てるTDMの拡張版である。また、QoSを100％保証するため、音声や映像などマルチメディア配信に向いている。ネットインサイト(NetInsight)やダイナーク(Dynarc)といったベンダーが製品を出荷している。

WDM／DWDMによる多重化。大きく分けて波長変換を行なった上で光を合成する送信部、減衰した光信号を増幅して長距離通信を可能にする中継部、多重化された光を受信し分派する受信部によって構成される。1つのチャンネルは20Gbpsや40Gbpsだが、多重化することで数Tbpsの高速化を実現できる

(ネットワークマガジン編集部)

安くて高速なGbE

　そして、DWDMと双璧をなすメトロのコアテクノロジーがギガビットEthernet(以下GbE)である。

　Ethernetはもともと社内LAN(Local Are Network)という私設可能なエリアを中心に用いられてきたネットワーク技術だが、これがメトロでも用いられる。GbEは100Mbpsの十倍の速度を実現したEthernetの最新規格で、IEEE802.3zとして標準化されている。GbEには1000BASE-SX/LX、CX/Tの4種類あるが、メトロでは長距離伝送が可能な光ファイバのGbEであるSX/LXが用いられる。

　Ethernetは高速・低価格という特徴がありながらも、実際は伝送距離や信頼性、通信品質などの点でメトロでは利用しにくかった。そのため、GbEスイッチのベンダーはMANに必要な長距離通信、冗長化、通信品質などを実現するため、さまざまな機能やコンポーネントを用意している。まず重要なのは距離である。1000BASE-LXでは最大5kmの伝送距離しかないので、都市圏のEthernetを実現するのは困難だ。そのため「エクステンダ」と呼ばれる信号増幅装置を用いる。これらを利用することで80〜100kmという長距離のデータ通信が実現する。次にネットワークの耐障害性という面だが、これはスイッチの冗長化機能を利用する。複数の物理リンクを束ね広帯域と耐障害性を実現する「リンクアグリゲーション」、アドレスを複数台のルータで共有し、障害時にデフォルトルートを切り替える「バーチャルルータ」、障害時に自動的に経路を更新する「スパニングツリー」などが利用される。最後に通信品質だが、これはDiffservなどIPネットワークで用いられるQoS(Quality of Service)の機能が用いられる。さらに、ポートやアドレスによってまとめたグループ間の通信を遮断するVLAN機能を使うことで、ユーザーのネットワークを分割し、メトロ上にLANのサービスを展開することが可能だ。これは「TLS(Tranparent LAN Service)」といわれているサービスで、ユーザーはLAN感覚でメトロのインフラを利用できる。つまり既存のLANスイッチのテクノロジーがレイヤ2・レイヤ3の機能が総動員され、メトロ用にチューンナップされているわけだ。

　しかし、1GbEの帯域幅ではすでに限界は近く、安価で高速な10GbEに注目が集まっている。10GbEにはさらに現在のネットワーク環境に必要な仕組みが数多く盛り込まれる。いくつか挙げると、1OSI参照モデルの2〜7層までの幅広いサービスまでを規定する、2LAN向け、WAN向けの物理層、3VLANや802.1p/Q、リンクアグリゲーションなどのレイヤ2機能が標準で盛り込まれる、4マルチモード光ファイバで65〜300m、シングルモード光ファイバで10〜40kmの伝送距離がサポートされる、5SONET/SDH、WDMなどとの共用を考慮されている、などがある。

　すでにエクストリームやシスコなど各社が10GbEの試作機を展示会などで展示しているため、2002年の正式版リリース後では数多くの製品がリリースされると考えられる。

(ネットワークマガジン編集部)

ブロードバンドサービスは速いだけではダメ

	エクストリームネットワークのMAN向けEthernetスイッチ「Alpine3808」。最大32ポートのGbEポート、256の10/100BASE-TXポートを搭載することができ、ASICベースの高速なワイヤスピードスイッチングが可能。WDMやvMANと呼ばれる広域向けVLANにも対応

　高速化・長距離伝送、そして耐障害性など関しては、こうした技術である程度カバーできるだろう。しかし、通信業者が所有しているダークファイバをプロバイダがレンタルし、プロバイダが機器を設置して独自のサービスを展開する、というブロードバンドサービスのモデルを考えると、多くの機能が欠けている。実際には加入者にもっとも近い「エッジ」と呼ばれる部分で、課金管理やプロビジョニング、セキュリティなどの仕組みが必要になってくる。こうしたサービスを一から構築するには、手間と時間がかかるため、あらかじめ機器にこうした機能が用意されていると便利である。当然、こうしたブロードバンドサービスに必要な機能を提供するネットワーク装置も数多く存在する。

	DWDMスイッチの市場でトップシェアを持つノーテルネットワークスの小型DWDM装 置「OPTera Metro 5100」。同社の「Universal Optical Interface」により、 SONET/SDH、GbE、ESCON、ファイバチャネルなどを一枚のカードでサポートする。 プロテクション時は32波長、非プロテクション時は64波長を実現

　まず、MAN向けスイッチでは、VLAN機能のほか、暗号化やトンネリングを行なうことで通信を隠蔽するVPN(Virtual Private Network)などとユーザー認証を組み合わせセキュリティを実現するのが一般的だ。ユーザー認証にはフレッツ・ADSLでの採用でお馴染みとなったPPPoE(PPP over Ethernet)などが主流になり、プロバイダの課金管理システムと連携するようになるだろう。

　また、キャリア・サービスプロバイダ向けの付加価値機器の代表ともいえるのが、レッドバック・ネットワークスやユニスフィア・ソリューションズなどが提供しているSMS(Subscriber Management System)と呼ばれる集線装置である。これらは加入者管理システムという名前のとおり、CATVやxDSLなどの回線を収容し、プロビジョニングといった機能を提供している。また、課金管理やセキュリティ機能、帯域制御などの機能を有するレイヤ4／7スイッチのベンダーも、こうしたメトロの市場に向け次々と製品を投入している。

　現在、ADSLやCATVインターネットのようなブロードバンドサービスが各誌の見出しを飾っている昨今、そのバックボーンたるメトロはあくまで裏方の存在としてあまり注目されることはない。しかし、バックボーンの帯域不足やセキュリティ、あるいは広域ネットワークの信頼性いった問題はブロードバンドサービスの背後にかならず横たわるものであり、課題を抱えたままのサービスの提供は必ず行き止まりに突き当たる。こうした観点からもメトロの動向には今後も注目していきたい。

さまざまなブロードバンドサービスを提供するメトロのエッジにおいて必要な機能。プロビジョニング、課金管理、セキュリティ、帯域割り当てなどをサービスプロバイダやキャリア側で実装する必要がある

(ネットワークマガジン編集部)