計畫成果自評

本子計畫的研究主題是在寬頻網際網路的環境中，為達成頻寬與 QoS 服務品質保證的各項訊務控制或運作機制之研究設計，針對寬頻網際網路中的路由選徑（包含Unicast Routing 與 Multicast Routing）、寬頻傳輸技術與多項 QoS 相關之控制運作機制，皆提出有效、且效能更佳的設計或解決方案，在三年的執行時間中，計畫參與人員分別針對各項研究主題的各個層面進行探討，除了瞭解現有方法與研究的不足之處，也追蹤並研讀最新發表的相關研究論文或技術標準，進而提出相對的改進方案。

在高速路由選徑機制方面，我們分別發展出「階層式分群解析架構」與

「TCAM-based 架構」兩種適合於硬體邏輯電路實現的路由選徑方法，對於每一個IP 封包的路由查詢，可達成平均在 1 至 2 次的記憶體存取(Memory Access) 動作內即可以獲得路由結果，大幅提昇網際網路中路由選徑的處理速度，而配合硬體邏輯電路的運作方式，可以滿足Gigabit 超高速網路環境下以及未來更寬頻的網際網路應用的需求；並且可以將相關電路整合成一硬體路由搜尋引擎的模組形式，更方便商用化路由功能產品的使用與成本的降低。同時透過適當的運作架構與資料結構的安排和設計，也兼具所需記憶體容量小的優點，此優點將有助於進一步將前述硬體路由搜尋引擎轉化為系統晶片(SoC) 的可行性（因為已經可以將運作所需的記憶體一併整合入單一晶片中），或是在傳統的路由器架構中能夠以相同的記憶體容量支援更大規模網際網路（例如：骨幹級網路）的訊務路由工作。

另外我們也對於可降低網路訊務流量的網路「群播(Multicast)」機制所需的特殊路由方式—群播路由(Multicast Routing) 進行研究設計，在瞭解 Multicast Routing 的關鍵技術是為一個多欄位資料完全相符(Exactly Match) 的比對搜尋機制後，我們提出以CAM 此一支援資料完全相符比對搜尋的記憶體為基礎的高速群播路由選徑方法，可在3 次的記憶體存取動作便完成一筆群播路由的查詢，再加上管線式(Pipeline) 運作架構的可行性，也同樣能使得平均查詢次數降至一次的記憶體存取次數。

在寬頻傳輸技術方面，我們著眼於 MPLS 網路的相關議題。首先，對於以 ATM 技術為基礎的 MPLS 網路之 VC-merge 機制，提出 Partial VC-merge 運作模式下ATM-LSR 交換路由器記憶體容量需求之快速且精確的分析方法：不僅較傳統分析方式降低分析過程的複雜度（可由O(M⁴) 減少為 O(M²)），也因此能夠對較大Buffer 的分析得到較高的 Cell Loss Prob.的準確度；而我們所採用的 Input 訊務的數學模型更接近於實際的情況，所得的結果也較為接近真實，所以此分析方法極適合用於評估實際ATM-LSR 交換路由器所需的記憶體緩衝區容量(Buffer Size)，讓交換路由器的系統資源做更有效率的應用。其次，我們也提出一 MPLS 網路路徑損壞或錯誤發生的保護及快速回復(Recovery) 機制，讓傳輸路徑發生錯

誤或損壞時還能夠維持部分基本的通訊，並可以快速而正確地地恢復既有的通訊，降低高速 MPLS 網路上傳輸路徑錯誤或損壞所造成的影響，減少封包遺失率，並能夠進一步達到動態負載平衡的附加效益，使系統資源做最佳的利用，因而有效提高MPLS 網路的資料輸出率(throughput)。

在支援 QoS 保證的訊務處理與控制機制方面，我們著重在 IETF 所建議的 DiffServ 網際網路 QoS 架構之基礎關鍵性元件的研究與設計，包含封包分類器 (Classifier) 與訊務監控調節器(Traffic Conditioner)。在封包分類器(Classifier) 的研究與設計方面，我們參考之前採用硬體邏輯電路實現的高速路由選徑方法的發展經驗，提出以 TCAM 為基礎的高速硬體化操作之封包分類機制架構，並進一步修改 TCAM 既有的邏輯運算電路，使其具備雙三元資料比對邏輯運算的能力，在搭配適當的周邊邏輯電路後，便能夠同時兼具高速封包分類器以及高效能封包分類規則衝突偵測裝置的功能。在訊務監控調節器(Traffic Conditioner) 的研究設計方面，提出一兼具訊務監控精確度與網路資源使用效率，並進一步達成 micro-flow 微訊務流之 Cell Dropping Precedence 標記公平性(Fairness) 的訊務監 控調節機制：在確保訊務特性符合 Traffic Profile 的規範下，精確地讓系統資源獲得充分且最佳的利用，並進一步保障其中各 micro-flow 連線所實際獲得的 QoS，如此才能夠提升 DiffServ 此網際網路 QoS 架構的可行性與使用效益，並 做為其他 QoS 訊務控制機制（例如：CAC 連線允諾控制機制、Scheduling 排程控制、流量控制、壅塞控制等Per-Hop Behavior）運作的基礎。

此外，特別值得注意的是，在路由選徑機制（包含Unicast 和 Multicast）以及封包分類器的設計上，都具有以硬體的邏輯電路運作架構為主的設計目標，以期利用硬體的快速運作特點來得到速度上的提升。對此，我們除了開發設計自創 (有)的硬體邏輯架構和電路之外，也思考採用現有功能接近的數位邏輯電路或晶片為基礎的方式來進行設計，以收事半而功倍之效，在符合設計目標的同時，也因為採用實際的邏輯電路元件為基礎而具備即時實用的能力和優點（亦即實際應用的可行性）。而採用CAM 或是 TCAM 為基礎所設計的資料搜尋比對方法，除了具有硬體快速運作的優點之外，其真正用於搜尋比對動作的候選資料和資料的結構與人們邏輯概念上理解的運作形式相同，無須做進一步的轉換，如此有助於方便資料的維護更新以及操作者的理解。目前雖然以CAM/TCAM 為主的方法或許還有CAM/TCAM 相關晶片單價仍高、以及搜尋比對的候選資料容量仍不算非常大的實用上限制，不過可以透過多個晶片整合使用的方式擴大容量，未來預期在應用範圍擴大以及需求量增加後，將可以因為大量製造而降低成本。再加上晶片設計和生產相關技術的益發進步與成熟（例如：製造良率的提升），也將有助於成本進一步的下降和效能的提升，這包含運作速度和容量的提升。屆時我們也預期，採用CAM/TCAM 為基礎的資料搜尋比對機制將會是最經濟而有效益的方式。

綜合這三年的研究成果，我們認為研究內容與原計畫緊密結合，已達成預

期的計畫目標。此外，本計畫的研究成果已整理成相關的學術論文投稿，且為國際性學術期刊所接受並刊出，或為國際會議所接受並於相關議程中進行發表 [54 -58]。另一方面，我們的研究成果也具備相當高的實用價值，除了擬進行專利的申請外，亦可進一步與產業界合作或技術移轉進行實際產品的應用與開發，落實學術研究成果。綜此觀之，我們於本計畫執行的研究成果兼具有學術成就與實用價值，可謂相當成功而豐富。

國際合作研究計畫國外研究報告書

●計畫名稱：寬頻網際網路端對端技術之研究

(End-to-End Techniques for Broadband Internet)

●合作機構：加拿大•渥太華•Carleton 大學寬頻網路實驗室

●執行時間：2002 年 7 月 26 日 ∼ 2002 年 8 月 25 日

●我方研究人員：張仲儒教授

（第一子計畫暨總計畫主持人）

、

陳耀宗教授

（第三子計畫主持人）

、

林立峰、詹益禎

（博士班研究生）

●對方計畫主持人： Prof. Changcheng Huang（黃長城教授）、

Prof. Ioannis Lambadaris

●國際合作研究計畫之緣起和必要性：

本國際合作研究計畫案，是於原三年期國科會整合型計畫「寬頻網際網路端對端技術之研究(End-to-End Techniques for Broadband Internet)」執行的第二年度，進行計畫變更為國際合作研究計畫，與加拿大渥太華Carleton 大學工學院的寬頻網路實驗室(BNL) 合作，共同投入下一代支援服務品質(QoS) 之寬頻網際網路相關技術的研究。

在我們原本的三年期整合型計畫中，主要的目標即是針對達成寬頻網際網路所需的有線或無線寬頻傳輸技術，以及頻寬與 QoS 服務品質保證的各項端對端訊務控制或運作機制進行研究設計，提出有效、且效能更佳的解決方案，或是從事其效能分析評估與改進的工作；此外，亦以一子計畫投入網際網路中具有自我類似(Self-similar) 性質之真實網路訊務的研究，瞭解其特性和分析其成因，如此將有助於 QoS 訊務控制機制或通訊協定於實務應用上的最佳化設計。此子計畫並擬提出一有效率的 Self-similar 訊務源模型與訊務產生方法，可做為所開發的各項控制機制或架構之效能模擬分析、評估之用，或進一步做為其設計的考量或改進的依據。

而 Carleton 大學寬頻網路實驗室在其實驗室計畫主持人 Prof. Changcheng Huang（黃長城教授）與 Prof. Ioannis Lambadaris 兩位教授的指導和帶領下，過去在寬頻網路之訊務源模型、快速（網路）模擬技術、壅塞控制機制、與光纖網路之架構與傳輸技術等方面已有相當豐富的研究成果，甚至在其中的Self-similar 自我類似特性的訊務與快速網路模擬技術上更是有世界領先的卓越表現。近幾年來，該實驗室研究團隊則開始投入網際網路上的服務品質保證相關技術的研究，

附件一

在支援 QoS 服務品質保證的訊務控制機制、網際網路群播(Multicast) 技術的應用和相關運作控制機制的開發和設計、甚至是未來全光化高速光網路與現有 IP 網際網路之間的網路互連運作(Interworking) 或網路整合的問題都加以探討並提出解決方案，其中亦延續在Self-similar 特性訊務源的研究（成果），輔助各項控制機制或架構的設計，確保達到實務應用上的最佳效能。

由此觀之，雙方研究團隊在相關研究領域上均有相當且相近的背景與實力

（經驗），同時對於目前和未來規劃的研究課題上亦有共同的目標與興趣，因此非常適合以共同研究合作的方式交流彼此的經驗和成果，除了可促進雙方在既有研究題目的進度與研究領域的深度之外，也可由不同視野和經驗的激盪，達到提升雙方在其他相關研究領域的廣度的雙贏效益。此外，Carleton 大學系統及電腦

在文檔中寬頻網際網路端對端技術之研究---子計畫I：寬頻網際網路中路由選徑技術與QOS訊務控制之研究設計(III) (頁 57-0)