在此，我們主要是設計一套有效的系統效能分析演算方法，針對VC-merge 的ATM-LSR 所需的緩衝器和 cell blocking 機率之間的關係進行分析，試著去探 討具有VC-merge 能力的 ATM-LSR 交換機需要比傳統的 ATM 交換機具備多少緩 衝器資源，這其中包含了Frame-level Interleaving 機制所需要的 ATM cell 重組緩 衝器以及ATM-LSR 原本既有的輸出緩衝器(Output Buffer, OB)。
圖 0: The Dual CAM-based Multicast Routing Structure
圖 0 顯示一個具有 VC-merge 能力的 ATM-LSR 交換器架構;包含了 N 個輸 入/N 個輸出的 ATM cell 交換單元及 N 個輸出模組(Output Module) 單元。圖 0 進一步顯示輸出模組的架構，包含了 M 個重組緩衝器(Reassembly Buffer)、具 VC-merge 功能方塊、S 個依服務等級不同的輸出緩衝器(Output Buffer) 及 ATM cell 服務的輸出排序等。
圖 0: Block diagram of the output module
RB 1
RB 2
RB 3
RB M
VC Merge (by Pointer Transfer)
OBs (Output Buffers) RBs (Reassembly
Buffers)
Service Class 1 Queue
Service Class S Queue
Cell Service Scheduler
(WFQ or DiffServ)
OUTPUT LINK
圖 0: Block diagram of a VC-merging capable ATM-LSR
Input Ports
Output Module
Output Module
Output Module
Output Module
1
2
3
N
Switch Fabric Output Ports
1
2
3
N
圖 0(d) 為傳統不具 VC-merge 能力的 ATM-LSR 交換機形式，即便是欲前 VPI/VCI 進行傳輸，(b)和(c)則為在進行 VC-merge 時，除了一致的目的網路或節 點之外，額外考慮IP Route 不同的服務品質或其他屬性，將欲前往相同目的網路 或節點而且屬性相同的IP Route，其所屬的 ATM cell 才會在交換後轉換成一致的 VPI/VCI 進行傳輸，此種 VC-merge 方式則稱為 Partial VC-merge。在此種 VC-merge 方式中，VC-merge 後不同 VPI/VCI 的 ATM cell 可以任意交錯傳輸沒 關係，但是相同VPI/VCI 的 ATM cell 仍是必須要遵循 Frame-level interleaving 機 制，不可與對應至不同IP Route 中某一 IP 封包的 ATM cell 交錯。圖 0 中的縮小 數字表示起始的VCI，底線代表 ATM EOM (End of Message) cell。例如 52代表 EOM cell，原先 VCI=2 經過 ATM-LSR 交換機後轉成 VCI=5。
圖 0: Three types of VC-merging and one type of non-VC-merging
1 1 1 Stream to a Specific Port
In Out
VCI Table
Output Cell Stream of a Specific Port Stream to a
Specific
Port In Out
VCI Table
Output Cell Stream of a Specific Port
61 54 61 54
61 63 52 52 63 54
(a) Full VC-merge
(c) Partial VC-merge with multiple output buffers
54 54 51 51
Stream to a Specific
In Out
VCI Table
Output Cell Stream of a Specific Port Stream to a Specific Port
In Out
VCI Table
Output Cell Stream of a Specific Port
(b) Partial VC-merge with Single output buffer
(d) Non-VC-merge
我們所設計的分析方法主要是參考論文[7]的方法並加以改進：在我們提出 的系統中，放寬[4]的 Input Model，可允許 Cell-interleaving 的 Input Pattern，並且 允許Partial VC-merge 的運作方式。我們建立一個排隊理論數學模式 D-BMAP/D/1 來分析輸出模組的機率分佈。D-BMAP/D/1 的排隊理論模式為：
M 個 IP Stream 可模擬成 M 個 ON-OFF sources，ON 的時間和 OFF 的時間為 幾何分佈(Geometrical Distribution)；
在 ON 的時段裡，IP Stream 會產生 1 個 ATM cell 的機率為 r。在 OFF 的時段 裡，IP Stream 不會產生任何一個 1 個 ATM cell。參數(1/r)代表 ATM cell interleaving 的程度；
輸出服務模式為每個 ATM time slot 處理完 1 個 ATM cell。
研究結果顯示，相較於論文[7] D-BMAP (Discrete – Batch Markovian Arrival Process)/D/1 的排隊理論模式，我們所設計的分析方法其計算複雜度可由 O(M4) 減少為(M2)，其中 M 為所模擬的 ON-OFF Source 的個數，並且更進一步多引進 了一個參數 r，來描述 IP 封包的 interleaving 程度，使得數學模型更接近實際的 情況，所得的分析結果也較為接近實際。複雜度較低的結果，使得對較大的Buffer Size 分析也能夠得到較高的 Cell Loss Prob.的準確度(尤其 Cell Loss Prob.通常低 於 10-6 以下）。我們也利用了 Moment-Generation Function 的理論方法來近似 D-BMAP/D/1 的排隊理論模式，求得一個精確度蠻高的、接近前述所設計的分析 方法結果的輸出緩衝器(Output Buffer) 中 ATM cell 數量分佈的數學近似方程 式，可更快速計算Cell Loss Prob.。分析及模擬結果顯示 ATM-LSR 交換機需要 具備比傳統 ATM 交換機多 50-70%的緩衝器資源來支援 ATM cell 重新組合使 用，以及避免VC-merge 後無法在目的網路或節點處分離出不同 IP Route 訊務的 問題。
圖 0 顯示透過數學分析及電腦模擬一個支援 VC-merge 功能的 ATM-LSR 其 總緩衝器 overflow 機率分佈的結果。可以發現，我們的數學分析結果和電腦模 擬結果相當一致。由圖 0 我們可得到以下結論：
1. 具有 VC-merge 能力的 ATM-LSR 交換機較傳統 ATM 交換機需要較大的緩衝 器資源。如圖 0 中顯示在 overflow 機率為 10-5次方的假設下，傳統ATM 交 換機需要約390 個 ATM cell 緩衝器;ATM-LSR 交換機需要至少 520 個 ATM cell 緩衝器。
2. 在細胞交錯 cell-interleaving 愈嚴重的情況下(r 參數愈小)，需要更多的重組緩 衝器來重組IP 封包，因此需要更多的緩衝器資源。在一般的 cell-interleaving 程度的訊務下，約需要比傳統ATM 交換機增加 50%-70%的緩衝器資源。
圖 0: Overflow probability of the total buffer versus buffer threshold
0 100 200 300 400 500 600 700
10-5 10-4 10-3 10-2 10-1
Buffer Thresholds
T B O v e r fl ow P r ob a b il it y
(256,1/16)
(16,1)
(M,r)=(16,1), (32,1/2), (64,1/4) (M,r)=(128,1/8), (256,1/16)
Simulation Non-VC-merging
3. MPLS 網 路 之 路 徑 保 護 (Protection) 及 快 速 回 復 (Path
徑(Working path) 與備援路徑(Backup path)、路徑狀態監控／錯誤偵測和警告通 知機制、以及路徑回復程序啟動時，切換到Backup path 的機制。IETF 提出了兩 種 路 徑 保 護 ／ 回 復 機 制 的 運 作 模 型(Model) [12, 9] ， 也 可 做 為 許 多 Path Protection/Recovery 方法的兩大分類依據，其主要是根據 Backup path 建立的時間 點做為區隔：如表 0 所示，在路徑發生錯誤之前即預先規劃並建立好 Backup path 的方式稱之為「Protection Switch Model」；相對的，在路徑發生錯誤之後才開始 建立適當 Backup path 的方式便稱為「Re-Routing Model」。「Protection Switch Model」由於採取事先規劃並建立好 Backup path 的方式，因此當發生路徑錯誤 時可以迅速地切換至Backup path 以回復正常通訊，然而由於相關的系統頻寬資 源也會是在建立Backup path 時即被保留，等待路徑發生錯誤時可以立即切換專表 0: 兩種 Path Protection/Recovery Model 之比較
Recovery
Model Backup Path
Type
Shortest-Dynamic) Slowest High
Re- Routing
Pre-Qualified
After
Fault Local
Medium Medium 1+1
(Haskin Algorithm,
Makam Algorithm) Fast Lowest
Protection Switch
1:1, 1:n, m:n*
Before
Fault Head-end
Fast Low
* m：n = (Backup path number)：(Working path number)
用，造成系統資源的使用效率最低，因為需要預先保留做為備援專用的相當數量 的資源在一般時候是閒置的。也由於必須耗費較多系統資源，因此 Backup path 多半僅在靠近通訊兩方的頭端(Head-end) 網路節點建立。「Re-Routing Model」的 傳統方式（如Simple-Dynamic 和 Shortest-Dynamic）是當路徑錯誤時才開始搜尋 並建立適當的Backup path，因此路徑回復（切換至 Backup path）的速度較慢，
但也因為不事先保留資源所以可以讓系統資源做最有效的利用，而且可以在距離 路徑錯誤當地(Local) 的最近或較近的節點（LSR）即進行路徑回復，不需要再 回到頭端節點才來進行，對路徑錯誤的反應速度較快且靈活度佳。其在路徑錯誤 的Local 節點建立至通訊終端的 Backup path 的方式，也對於路徑回復後因路徑 錯誤影響而需要重送的資料量減少。而分類上仍歸屬於「Re-Routing Model」的 Pre-Qualified 方式則其實是介於兩類方法間的機制，兼具兩者的優點，其關鍵在 於：以Re-Routing Model 為主，但是引用 Protection Switch Model 預先建立 Backup path 的觀念，在路徑錯誤發生之前先搜尋、規劃好可作為備援 Backup path 的數 個候選路徑，一旦路徑錯誤發生時即能夠透過簡單的資源保留與設定的動作，便 可迅速地建立Backup path 並恢復原有的通訊。由於並未在事先建立 Backup path 並保留資源，僅是預先搜尋、規劃候選Backup path 而已，因此資源仍可做充分 的利用而不浪費，並且也可以預先在Working path 沿線的各個 LSR 節點上分別 搜尋、規劃至通訊終端節點的Backup path，保有 Re-Routing Model 中在路徑錯 誤的最近幾個 LSR 處即可以快速反應的優點。如此再配合上前述當錯誤發生時 可節省搜尋時間並快速建立Backup path 的優點，更加使 Path Recovery 的速度獲 得更大幅度的提升。
著眼於兩種Path Protection/Recovery Model 各有其優缺點，因此我們嘗試結 合兩邊的優點，以屬性介於兩者之間的Re-Routing Model 作法中 Pre-Qualified 類 型的網路路徑錯誤復原演算法為主，提出一套高速而最佳的路徑保護／回復機制 的方法。然而在實際的操作上，由於Pre-Qualified 方法對於 Backup path 的形式 與數量並沒有明確的定義或限制，因此我們可以，也有必要根據Pre-Qualified 方 法的原則，設計、定義出一套適當並有效率的實際運作方式。如同之前內容所提，
除了在通訊的起迄的兩終端LSR 節點之間於通訊開始之前預先規劃 Backup path 之外，我們也在Working path 沿線的各個 LSR 節點上分別搜尋至通訊終端節點 的Backup path，然而此種 Backup path 的搜尋動作並不需要在通訊開始之前就進 行完畢，可以在通訊開始之後才進行，以避免過多通訊前的程序延遲了通訊開始 的時間，而且也不要求每一個沿線LSR 節點都必須要找到 Backup path。若發生 路徑錯誤時其最近一LSR 節點無法或尚未搜尋到 Backup path，便可通知其上游 (Up-stream) LSR 節點進行 Backup path 的建立與通訊的恢復；若此上游 LSR 節點 亦尚未搜尋到適當的Backup path，便可以再往其上游的 LSR 節點進行通知，直 到有上游LSR 已經找到 Backup path，或是到最上游的通訊終端 LSR 節點處為止
（這裡必定有Backup path，是通訊開始前即預先搜尋、規劃好的）。由於在搜尋 到Backup back 之後，並不需要在路徑錯誤發生前對其所需的資源加以保留，然
而又必須確保當路徑錯誤發生時Backup path 的「可用性(Availability)」—路徑連 線正常且仍有足夠資源可立即建立 Backup path，因此必須要有一套有效的 Backup path 可用性的監控、維護方法。最簡單的方式即是以一套週期性的信令 (Signaling) 方式，對於預先選擇、規劃好的 Backup path 的通訊路徑連線狀況以 及剩餘資源情形進行持續的監控，一旦可用資源不足建立Backup path 的需求，
或在此路徑上亦同樣發生路徑錯誤，便重新搜尋可用的其他路徑作為 Backup path，以保持 Backup path 在 Working path 路徑錯誤時的可即時使用性。此外也 可以進一步對於Backup path 所需的資源先進行軟性保留(Soft Reservation)，亦即 對 Backup path 所需要的網路資源有進行預先保留的動作，然而與 Protection Switch Model 不同的是，此保留的資源在 Backup path 尚未真正建立使用時，仍 可允許被其它的通訊利用而不因此造成資源的浪費（特別是在有 traffic priority 的網路中，priority 等級低於目前連線的通訊而言），直有當 Working path 路徑發 生錯誤而必須啟用Backup path 時，便以優先使用權的身份將此預先軟性保留的
或在此路徑上亦同樣發生路徑錯誤，便重新搜尋可用的其他路徑作為 Backup path，以保持 Backup path 在 Working path 路徑錯誤時的可即時使用性。此外也 可以進一步對於Backup path 所需的資源先進行軟性保留(Soft Reservation)，亦即 對 Backup path 所需要的網路資源有進行預先保留的動作，然而與 Protection Switch Model 不同的是，此保留的資源在 Backup path 尚未真正建立使用時，仍 可允許被其它的通訊利用而不因此造成資源的浪費（特別是在有 traffic priority 的網路中，priority 等級低於目前連線的通訊而言），直有當 Working path 路徑發 生錯誤而必須啟用Backup path 時，便以優先使用權的身份將此預先軟性保留的