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第一章 緒論
網路應用程式會期望能夠得到足夠的頻寬才能順利的完成其所肩負的任 務，但是除了要求足夠的頻寬，也要必須要講求頻寬取得的公平性，如此才能避 免網路壅塞的情形發生。網路層許多路由機制以及路由器等網路環節也都盡力避 免產生網路壅塞的狀況。傳輸層傳輸協定負責從傳送端傳送封包到接收端，並負 責控制封包傳送速率。目前大部分網路應用程式都使用 UDP 或 TCP 做為傳輸協 議來傳送封包。
UDP 傳輸協定不具有壅塞控制機制，並且不保證封包是否到達， UDP 的封 包傳送率由上層應用程式指定，在傳輸過程並不隨著網路狀況改變，因此其對於 網路壅塞沒有調節作用。
TCP 傳輸協定則具有壅塞控制機制，此外具有確認封包、連線逾時、重送、
CWND、AIMD 等機制，透過接收端回傳的確認封包可以得知封包是否到達，也 可以藉此估算網路狀況；當網路狀況改變時，TCP 會透過壅塞控制的機制改變傳 送封包的速率，以配合傳送端和接收端之間的網路負載。因此 TCP 可以避免網 路壅塞加劇， 維持網路的和諧共用。
當網路中使用 TCP 做為傳輸協定的網路應用程式佔大多數時，因為 TCP 可 以隨著網路的狀況調整傳送封包的速度，可以適度的控制網路壅塞的狀況，因 此，TCP 協定在網路和諧共用中扮演一個重要的調節閥作用。但是隨著網路應用 越來越多元，許多新的多媒體網路應用程式如雨後春筍般不斷的出現，例如網路
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Congestion Control Protocol, DCCP)。DCCP 定義於[18]，是有壅塞控制功能 的不可靠傳輸協議，沒有重送機制的設計，在 DCCP 在封包標頭中記錄著連續 的編號，藉此偵測封包遺失的情形來達成壅塞控制，另外 DCCP 提供多種壅塞 控制機制，在傳輸開始時可由使用者透過壅塞控制編號來做選擇。‧ 國
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1.2 VoIP over DCCP
VoIP 通常使用 UDP 作為傳輸層協定，UDP 不具壅塞控制機制，不利於網路 和諧共用，如果讓 VoIP 採用具有壅塞控制功能的 TCP 作為傳輸協定，可以達成 讓 VoIP 有壅塞控制功能的目的，但是因為 TCP 保證封包一定都要到達，所以 有 ACK 以及重送的機制。但網路電話可以容忍一定程度的封包遺失，且有較嚴 格的時效性（延遲時間不得多於 300ms），因此重送遺失的封包，非但可能因失 去時效性而作廢，且非屬接收端重建語音所必需，因此不須採用重送機制。
網路電話對於語音抵達時間有一定的要求，語音封包從發送端傳送到接收端 的時間要在一定的時間內(例如 300ms)，如果超過此時限，將可能無法達到即時 對話互動的目的。由於要達到語音通話的即時性，網路電話的封包傳遞時間是分 秒必爭的，因此發送端要盡快的將音訊轉成封包並送出於網路上。因此，目前大 部分的網路電話都採用 UDP 作為傳輸協議，但 UDP 使用固定的封包傳送率，
沒有壅塞控制機制，有礙於網路之和諧共用。
圖 1 網路電話使用 CBR 配合 UDP 在網路壅塞時的狀況
以圖 1 為例，VoIP 使用 Constant Bit-rate(CBR) 的編解碼器並使用 UDP 做 為傳輸協定，以固定的速率向網路送出封包。在網路壅塞時，並未依照網路狀況 調整速率，會造成封包遺失率增加，影響語音品質。
DCCP 有壅塞控制功能，且不需要保證封包到達，因此可以考慮採用 DCCP 做為網路電話的傳輸層協定。如果改而採用 DCCP 作為網路電話的傳輸層協定，
雖然可以達到壅塞控制的目的，但是，是否可以維持網路電話所需的傳輸效能？
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以及在網路頻寬不足時時是否可以維持語音通話品質？是本文要研究的問題。
如果 VoIP 使用 Constrant Bit-rate 的編解碼器並配合 DCCP 做為傳輸協定會 有以下缺點：
圖 2 VoIP 使用 CBR 並配合 DCCP 的缺點
如圖 2， VoIP 的傳送端在收到音訊後，會盡快封裝成封包送到網路以降低 延遲時間。但 DCCP 的壅塞控制機制，是透過調整封包發送間隔來降低傳送速 率，當間隔時間多於封包的 Inter-arrived time，語音封包會被暫存於 buffer 之中，
稍後再行送出，因而增加了延遲時間，若到達接收端的時間超過一定時限 (300ms)，封包就被捨棄，大幅降低語音品質。因此，此種將封包暫存於 Buffer 的機制，有礙於 VoIP 的語音品質，必須改弦易轍。
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1.3 VoIP with Flexible Bit-rate
圖 3 VoIP 使用 Flexible Bit-rate 的編解碼器的優點
我們在先前的研究中已提出利用 Flexible Bit-rate 的方式取代一般 VoIP 所使 用的 Constant Bit-rate，如圖 3，當 VoIP 改採用 Flexible Bit-rate 的方式時，當網 路壅塞發生，不會將封包暫存於 Buffer 中，而是改成降低 Codec 的 Bit-rate 來縮 減封包大小，在不拉長延遲時間的情況下，達成降低傳送率的效果，如此，可以 減少逾時的封包，並協助減緩網路壅塞的狀況。
1.4 Scalabe Codec over DCCP
欲維持網路電話的品質，必須要根據網路的狀況調整 data rate。此研究希望 解決兩個研究問題：設計供網路電話使用的具有壅塞控制功能以及公平競爭網路 頻寬的傳輸協定？如何在網路壅塞狀況時可以維持應有的品質？藉由之前章節 的討論，我們發現可以考慮採用 DCCP 作為傳輸層協定來達成壅塞控制功能，
並且也希望結合 Flexible Bit-rate 的優點 ，讓 VoIP 在網路壅塞時可以有好的語音 品質。但要將 DCCP 配合 Flexible Bit-rate 存在有實際的困難。因此，此研究提 出 Scalable Codec 配合 DCCP 的方式。
如圖 4 所示，網路七層架構依層次區分，VoIP 位於 Application 層，之後的 層次是 Transport 層、Network 層，DCCP 位於 Transport 層。
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圖 4 VoIP 使用 Scalable Codec 的優點
網路七層資訊的控制是單向的，VoIP 在應用層將語音資訊送給位於傳輸層 的 DCCP，但 DCCP 無法向上傳任何控制訊號，讓 VoIP 調節 Codec 的 Bit-rate。
Scalable Codec 將編碼的語音封包分層次，將各層的語音封包全部傳給 DCCP，
讓 DCCP 挑選要傳送的封包。
1.5 研究目的與方法
本研究將提出利用多層編碼配合 DCCP 的方法，解決此研究探討的兩個主 要問題：如何讓網路電話使用具有壅塞控制功能的傳輸協定？如何讓網路電話在 網路壅塞的狀況下可以維持好的語音品質？並以實驗的方式驗證所提出方法的 效能。
在之前章節的討論中，我們發現網路電話採用 DCCP 作為傳輸層協定來達 成壅塞控制功能時，最好搭配 Flexible Bit-rate 來控制資料傳輸率，並維持應有 的通話品質，不過因為語音編碼與傳輸協定位於網路七層中不同的階層，且階層 之間的傳輸是單向的，而造成 DCCP 知道網路壅塞狀況卻無法告知編碼器做配 合的窘境。本研究提出的 Scalable Codec 配合 DCCP 傳輸協定的方法，必須考慮 到語音編碼器配合傳輸協定的困難，將語音編碼器的所有層次語音編碼位元都編 碼並傳給傳輸層 ，讓傳輸層依照網路狀況選擇適合網路狀況層次的封包之後再做
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傳送。如此，可以不需要 DCCP 與編碼器之間的互動。
1.6 論文結構
接下來的章節將照以下安排。第二章介紹壅塞控制以及語音編碼相關背景知 識與研究。第三章將介紹 Scalable Codec 和可和其配合的 DCCP 的設計。第四章 實驗效能評估。第五章結論與未來研究。